CN108306384B

CN108306384B - 一种小卫星可更换式电源系统

Info

Publication number: CN108306384B
Application number: CN201810103972.1A
Authority: CN
Inventors: 孟中杰; 邓远旺; 张志斌; 黄攀峰; 王秉亨; 刘正雄
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: CN108306384A

Abstract

本发明涉及一种小卫星可更换式电源系统，MCU微控制器模块完成电源管理模块的各个点的电压量的采集。MCU具有UART等接口，易于开发调试，同时也具有丰富的通用I/O口便于实现继电器控制，提供的PWM控制信号；该方案中提出了6S电池组与电源管理模块的机械接口方式：当需要安装电池时，主动导引前进；当需要取出电池时，主动导引弹出。本发明基于MCU微控制器技术，集成度高，体积小。MCU中的电源管理程序可根据需要定制，开发周期短，易升级。本发明能够用于小卫星电子系统上各类负载所需要的电源，能够在轨更换、支持正反插操作、可重复利用；在不需要供电条件下，系统进入睡眠模式，减小电源电量损耗。

Description

一种小卫星可更换式电源系统

技术领域

本发明涉及一种小卫星可更换式电源系统，尤其涉及一种应用于小卫星电子系统下，可主动导引电源插拔，支持正反插操作，可更换、可重复利用且便于管理的电源系统。

背景技术

随着空间技术的发展和人类探索太空活动的日益频繁，空间中的卫星数量呈几何级数增长，卫星的功能也需要得到升级。特别是在其电子系统方面，升级的需求很高。在传统的卫星设计上采用整体式设计思想，其电子系统只是考虑一次性使用。随着航天技术的高速发展，航天器在轨服务技术应运而生。在轨服务技术的提出要求服务航天器具备对被服务航天器实现燃料加注、更换故障模块、维修等能力。目前小卫星发展迅速，其体积小，所能携带的燃料有限、电子系统高度集成。特别是其电源系统所携带的电源更是如此。小卫星系统的设计均以体积小、质量轻、飞行任务强大为目标，相对就牺牲了电源的体积与电量。在小卫星往返于服务航天器之间，因此必须发展一种能够可更换式、可重复利用的电源系统。针小卫星电源使用的特殊环境下，因此，对于其电源系统提出了以下方面的任务需求：

(1)电源系统可在轨更换

传统的卫星电子系统采用整体式设计思想，故其电源系统也不例外。电源系统作为小卫星系统的动力来源，是系统一切运行的基础。因此提出了电源必须具备有较强的设备驱动能力。但由于小卫星的体积受限，所携带的电源体积也受到限制。在电能不足或是耗尽时以及小卫星电源系统出现故障条件下，需要服务航天器，在轨实现对小卫星电源系统更换。这也就需要小卫星电源系统应该是研制成模块化的、可更换的系统。

(2)电源系统可重复利用

目前大部分航天器电源系统都设计为一次性使用的，这就是说在其电源系统中电池寿命到期时，整个电源系统的使用寿命也就到了。小卫星作为飞行任务的主要平台，其设计、研制、发射都需要较长的周期和较高的成本。因此，其在轨运行时需要有一个稳定可靠的电源系统，能够重复使用。这样也就能够解决因为电源问题小卫星不能够更长久在轨运行的问题。

(3)可主动导引插拔、支持正反插操作

考虑到目前服务航天器在轨服务都是通过机械臂操作条件下，对被服务航天器进行在轨服务。因此，要求所更换的电源系统是便于机械手臂操作的。这就要求系统必须是模块化的，并且是要求有可抓持的位置。在电源系统插拔过程中，需要能够主动导引，在机械臂容许的操作误差条件下，依旧能够实现插拔操作。电源系统模块外形要求设计成对称的方式，支持电源系统的正反插操作，这样极大的降低插拔过程中，因插槽不对称插入不进去的困难。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种小卫星可更换式电源系统，可主动导引插拔、支持正反插操作、可重复利用。

技术方案

一种小卫星可更换式电源系统，其特征在于包括MCU控制器模块，6S锂电池组，继电器开关，DC-DC变压模块，RS422接口，电压比较器，全桥整流模块，两个电压检测模块，电压变换模块，行程开关，两个继电器组和电磁铁；6S锂电池组的输出A、B两端跨接全桥整流模块、电压比较器和第一继电器组的开关节点；

全桥整流模块输出单向直流电压至电压变换模块，电压变换模块的输出为MCU控制器模块，电压检测模块，电压比较模块，继电器提供直流电源；

电压比较器对电池输入端口的点位检测，将电池输入端口的电位比较信息，输出至MCU控制器模块；

MCU控制器模块根据电源的正负极，输出控制信号至第一继电器组，第一继电器组的对应节点闭合将DC-DC变压模块的输入接入6S锂电池组的输出A、B两端，DC-DC变压模块将电池电压24V、12V、5V、3.3V，通过第二继电器组的对应节点开关提供给予负载；或在某一路负载出现短路或是过载条件下与6S锂电池组的某组电池断开；

行程开关与MCU控制器模块连接，其电池的插入到位信号通过MCU控制器模块启动电磁铁驱动器，驱动电磁铁工作；

第一电压检测模块并联于DC-DC变压模块的输入端，将检测的DC-DC变压模块的输入端的电压信号输出至MCU控制器模块；

第二电压检测模块并联于负载的输入端，将检测的信号输出至MCU控制器模块，MCU控制器模块在某路负载发生过载或是故障条件时，对第二继电器组相对应的某路的继电器发出信号使得该路对应节点开关动作；另外第二电压检测模块连接于电磁铁线圈，检测电磁铁线圈电压，并作出使电磁铁产生吸合力的指令。

：RS422接口与MCU控制器模块连接，实现MCU对电池的测量及控制信息提供输出接口，以及实现对MCU编程的作用。同时与嵌入式系统的其它部分通信。

外部结构为：6S锂电池组9、保护外壳3、LS1行程开关12、LS2行程开关13、固定螺栓和插槽接口14；LS1行程开关12和LS2行程开关13位于保护外壳3与6S锂电池组9连接的侧边，插槽接口14位于护外壳3的另一边，电路板置于插槽接口14内的电路板放置区20；6S锂电池组9通过两个行程开关插入保护外壳3与插槽接口14内的电路板插口连接，采用螺栓将6S锂电池组9的手柄外壳2，以及输出后盖6与保护外壳3固定。

有益效果

本发明提出的一种小卫星可更换式电源系统，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)电池电压无任何压降，同等条件下驱动负载能力增强。通过继电器关断与闭合实现对电池电压整流，相比现有采用整流二极管技术，具有对电池电压的压降没有任何电压的损耗，提供了负载的驱动能力。本发明基于MCU技术，选用32位微控制器作为主控制器，它提供了丰富的外设资源，具有很强的性能和极低的功耗，能够达到系统功能及性能的要求，并提供与外部的通信接口RS422，整个系统具备良好的可扩展性。在对整个电源系统进行控制与管理的时候具有实时性好，软件开销小，可根据需要进行程序定制，运行稳定，可靠性高。

(2)采用电磁铁吸合方式，电池插、拔，可主动导引，防止使用过程中电池接触不良，操作简单有效。电池接口部分采用完全对称的方式，只需将电池端口插入电池插槽，无需考虑电池接入电极正负极的问题，整个电源系统就可正常工作。抓持手柄采用人性化设计，方便实现电池的插拔操作，实现电池插拔操作简单有效。在进行电池插入过程中，当电池电极触碰到插槽电极即可让电磁铁吸合，导引电池插入到位；进行拔出操作时，轻微拉动手柄即可让电磁铁产生反向电磁力将电池弹出。

(3)实现不同负载之间电源独立控制，提高电源系统稳定性。在电池接入端口正负极未确定情况下，可对电池进行任意插拔，都能够实现整个电源系统正常工作，并且能够在某路负载出现故障的条件下，单独实现其电源的关闭功能，同时可将出现故障的负载的信息通过RS422进行输出。这样可以隔离由于某次故障而引起的整个电源系统不能工作的情形，提高了整个电源系统的稳定性，也便于电源系统的故障诊断；

实现整个电源系统能够在轨更换，能够在服务航天器提供服务条件下，实现电源系统的重复使用；整个机械部分采用的是对称的几何外形，能够很好的支持正反插操作，并且有插拔导引装置，允许机械手臂在其操作误差范围内，实现对电源系统的插拔操作。

附图说明

图1为电源管理系统的电路原理框图。

图2为整个电源装配示意图。

图3为整个电源分解视图1。

图4为整个电源分解视图2。

图5为整个电池接口与插槽接口组合视图。

图6为整个电源系统与小卫星的分解视图。

图7为电源系统与小卫星装配视图。

图8为整个电源系统工作原理流程图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明所采用的技术方案分为两个部分是：电路部分和机械部分；

1.本方案电路部分基于MCU微控制器技术，包括32位MCU控制器模块，6S锂电池组，继电器开关，DC-DC变压模块，RS422接口，电压比较器，全桥整流模块，电压检测模块，电压变换模块，行程开关，电磁铁驱动器，电磁铁等。

该部分完成的功能是实现整个电源系统的控制及状态输出。以下是对电路中的各个组成的作用介绍。全桥整流模块作用是在电池物理连接完成条件下，以任意方式接入，均可得到单向直流电压。这个直流电压，经过电压变换模块后，为MCU控制器模块，电压检测模块，电压比较模块，继电器提供直流电源；电压比较器实现对电池输入端口的点位检测，提供电池输入端口的电位比较信息，提供给32位MCU模块；经过MCU处理后，判断出电源的正负极，从而控制继电器的闭合接入到DC-DC变压模块；继电器开关实现某路电源的闭合或是断开，也可在某一路负载出现短路或是过载条件下将其单独断开；DC-DC变压模块实现从电池电压24V、12V、5V、3.3V，提供给负载；RS422接口实现MCU对电池的测量及控制信息提供输出接口，以及实现对MCU编程的作用。同时也可以与嵌入式系统的其它部分通信；行程开关作用是实现电池的插入到位信号的指示；电磁铁驱动器驱动电磁铁工作的，对MCU提供的控制信号进行功率放大，驱动电磁铁；电磁铁作用是在需要插入电池的时候，产生与安装在锂电池组端口出的永磁体极性相反的磁场，电磁铁与永磁体吸合，提供主动引导插入的力；在需要拔出电池时候，提供与永磁体反向的磁场，将电池弹出；整个电路部分，32位MCU是整个系统的核心部分，对电压比较器、电压检测模块、行程开关、RS422通信接口等输入信息进行处理，对继电器组、DC-DC变压模块、电磁铁驱动器提供控制指令以及对RS422输出整个电源系统的状态信息；

2.本方案机械部分采用几何上完全对称的方式，这部分包括有6S锂电池组、外壳、接口插槽、手柄、电池引出端口、行程开关、行程开关触碰点、永磁体、电磁铁、电源系统输出端口、固定螺栓、星上对接机构。

以下是对该部分以分为三个组件的方式进行介绍。(1)手持电池组件：由6S锂电池组和手柄组成。6S锂电池组提供电源，手柄安装在电池后盖，用于插、拔电池时候，便于人手操作；这个组件主要作用是完成对所装入的电池进行插、拔，便于更换电池等，作为整个系统的活动部分；(2)电池安装组件：接口插槽、电池保护外壳、电源系统输出端口组成，通过固定螺栓接一起，在电池接口插槽里安装电源系统的电路板，引出为负载提供电压端口输出；这个组件主要作用是完成对所插入的电池提供放置区域，提供电源系统的电压输出端口；(3)星上对接机构：由模块插槽和导引装置组成。模块插槽为电池安装组件提供星上安装位置，起固定作用。导引装置作用是在模块插拔过程中，允许机械臂在操作误差范围内，能够实现准确的插拔。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，整个电源管理系统的电路原理框图。电池端口极性未知情况下，所有的继电器组1、继电器组2都未得电，处于断开状态，电磁铁也处于未得电状态。行程开关也处于断开状态电池接入全桥整流电路工作得到单向的直流电压，经过变压模块为MCU控制模块、电压比较模块、电压检测模块提供电源。这样使得整个电源管理系统的电路板工作。

如图2所示，是整个电源系统完成装配以后的效果示意图。(1)手持电池组件：由手柄1(图3)、手柄外壳2(图3)、6S锂电池组9(图3)组成；(2)电池安装组件：由保护外壳3(图3)、LS1行程开关12(图3)、LS2行程开关13(图3)、固定螺栓4(图3)、插槽接口14(图4)；装配过程是：将电路板部分安装在电路板放置区20(图4)，将放入外壳接口19(图4)，螺孔15(图4)与保护外壳3对准，就可通过螺栓4(图4)固定；接下来将输出后盖6(图3)中的螺栓5(图3)固定到插槽接口14。这样就完成了整个固定部分的安装。螺栓4、5起到固定作用，手柄1，手柄外壳2。其中手柄1与手柄外壳2固连。该示例主要说明的是电压输出端口7和8；插入电池和拔出电池可通过拉动手柄1来完成。

如图3所示，6S锂电池组9，其由6块相同的1S锂电池组合而成，每个1S锂电池其正极引出端口(图5)25、26、27、32、33、34，负极引出端口图(5)为28、29、30、35、36、37。通过串联以后正极输出端口24(图5)，负极引出端口23(图5)。插槽接口14(图4)中与1S引出端口相对应的部分电极端口(图5)38、39、40、42、43、44，在电池插入时候，端口中凸起部分及凹槽部分的弹片进行配合并进行有效的物理连接。LS1行程开关12,LS2行程开关13。电磁铁41(图5)、永磁体31(图5)。

如图4所示，电源系统输出电压分为两个部分输出,24V、12V输出端口7,5V、3.3V输出端口8。这部分接口连接到小卫星上的各个分系统负载上使用的。

如图6所示，46为小卫星的太能能帆板，47是小卫星的星体部分。49是小卫星上带有导引装置的电源对接机构，导引装置内部安装有保护外壳3(图3)并通过螺栓4(图4)固定。48为安装有手柄1(图3)的6S锂电池组9(图3)。为了适应空间环境，在保护外壳3(图3)表面贴了些热控用的材料，对电池组起到一定的温度保护作用，防止在插拔过程中对电池造成损坏。在进行对电源系统插入操作时，只需机械臂抓持48(图6)的手柄并对准导引装置就可插入到小卫星上的电源对接机构上；其完成电池插入后状态如图7所示。在需要对电源系统拔出时，只需抓持手柄就可以将整个电池组拔出。

如图8所示，整个电源管理系统工作流程主要分为两个阶段：插入电池及使用过程和拔出电池过程。以下分别进行具体说明其过程。

插入电池及使用过程：手持手柄1(图3)将6S锂电池组9(图2)插入到保护外壳3(图3)，当电池输出端口10、11图(3)触碰到插槽端口16(图3)就能够让电磁铁41(图5)得电吸合电池组上的永磁体31(图5)，自动导引电池插入，当插入到位时LS1、LS2行程开关12、13(图5)闭合，电磁铁31(图5)关闭，以降低功耗；在需要拔出电池时，用均匀的力拉动手柄1(图3)，电磁铁41(图5)产生与永磁体31(图5)反向的电磁力将电池弹出一定的距离，主动导引退出；电池使用过程中，若是放生电池输出端口10、11(图3)脱离接口插槽端口16(图3)的轻微的晃动等会引起LS1、LS2行程开关图(13)处于断开状态，就会引起电磁铁吸合并锁死电池。

在电路部分会完成的工作是，如图1电路图及图6的流程图。在接入电池条件，这里无论电池接入端口的极性如何，经过全桥整流电路进行工作，得到单向直流电压，经过变压模块得到为MCU供电的电压。由于继电器组1、继电器组2的控制信号都是由MCU控制，在接入电池到MCU未发出指令，都是处于断开状态。启动MCU，电压比较器得到电池端口A、B的极性。当检测A端为电池正极时，继电器组中的s(n/o)2、s(n/o)4闭合，s(n/o)1、s(n/o)3断开，这使得，A端(图1)接入到DC-DC变压模块的正极，B端接到了负极；当检测到B端为电池正极时，s(n/o)1、s(n/o)3闭合，s(n/o)2、s(n/o)4断开，这使得B端接入到DC-DC变压模块的正极，A端接到负极。在DC-DC模块得到后对接入的电压进行进一步的检测，检测接入的电池是否满足DC-DC模块工作输入的电压，若不满足就以RS422通信的方式进行输出，便于后续处理；若检测到的电压满足，则可控制继电器组2的闭合、或是断开。控制继电器组2的闭合与断开，主要有以下有两种方式，1)根据任务需求，需要对哪路负载电源进行闭合与断开，通过继电器组2实现点对点控制；2)在有某路负载发生过载或是故障条件下能够进行有效的断开，而不影响其它负载的工作，这就能够对各个负载之间的供电及工作情况进行了相应的隔离。这也就是说在有些负载出现故障的条件下，其它负载依旧能正常工作。

拔出电池过程：拉动手柄1(图3)拔出6S锂电池组9(图3)会引起负载电压不稳定的，有可能会引起负载损坏，因此拔出电池操作开始将对所有负载电源进行关闭；在电磁铁线圈电压检测到恒定变小的时候，确认出是进行电池拔出操作，电磁铁41(图5)产生排斥力将电池弹出，拔出电池操作完成；否则，就被确认为是外界干扰引起电池晃动，MCU将发出让电磁铁产生吸合力的指令，电池将锁死。

Claims

1.一种小卫星可更换式电源系统，其特征在于包括MCU控制器模块，6S锂电池组，继电器开关，DC-DC变压模块，RS422接口，电压比较器，全桥整流模块，两个电压检测模块，电压变换模块，行程开关，两个继电器组和电磁铁；6S锂电池组的输出A、B两端跨接全桥整流模块、电压比较器和第一继电器组的开关节点；

2.根据权利要求1所述小卫星可更换式电源系统，其特征在于：RS422接口与MCU控制器模块连接，实现MCU控制器模块对电池的测量及控制信息提供输出接口，以及实现对MCU控制器模块编程的作用，同时与嵌入式系统的其它部分通信。

3.根据权利要求1或2所述小卫星可更换式电源系统，其特征在于：外部结构为：6S锂电池组(9)、保护外壳(3)、LS1行程开关(12)、LS2行程开关(13)、固定螺栓和插槽接口(14)；LS1行程开关(12)和LS2行程开关(13)位于保护外壳(3)与6S锂电池组(9)连接的侧边，插槽接口(14)位于保护外壳(3)的另一边，电路板置于插槽接口(14)内的电路板放置区(20)；6S锂电池组(9)通过两个行程开关插入保护外壳(3)与插槽接口(14)内的电路板插口连接，采用螺栓将6S锂电池组(9)的手柄外壳(2)，以及输出后盖(6)与保护外壳(3)固定。