CN108321786A - 一种立方星一体化电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立方星一体化电源系统，包括太阳电池阵列、能量管理单元、稳压单元、功率分配单元、MCU控制器、储能电池单元、分离开关电路和通用电气接口单元。与现有技术相比，本发明将MPPT功能集成到太阳能转换单元，并将分离触发上电单元融入到电源系统中，电气接口采用通用标准PC104插槽，并采用低功耗单片机进行系统状态的采集、检测和与星载计算机的信息交互，优化了电源系统的综合功能，提高了系统的能源转换效率和可靠性。

Description

一种立方星一体化电源系统
技术领域
本发明涉及卫星电源系统，特别是一种立方星一体化电源系统。
背景技术
立方体微纳卫星(简称“立方星”)是一种具有国际通用标准的微小卫星。1U立方星体积为10×10×10cm，在此基础上可拓展为2U、3U甚至数十U。标准化、模块化、低成本、快速集成与部署是立方星的重要特点。电源系统是立方星的关键分系统之一，负责卫星能源的收集、转换和分配，为卫星其它分系统和有效载荷供电。
参照图1，公开号为CN103414236A的中国专利提出一种基于低功耗MCU的皮卫星电源系统，包括太阳能电池、电池管理单元、DC-DC升压模块、LDO稳压器和低功耗MCU等单元。太阳能电池电压经过稳压、升压与降压之后输出5V、3.3V等系统需要的电压，蓄电池电压采用3.7V，电池的充放电由电池管理单元来进行控制，利用MCU检测和控制整个电源系统的工作。该发明提高了微纳卫星电源系统的集成度，但却具有以下几点不足：(1)对太阳能电池电压的转换没有采用最大功率点跟踪(MPPT)技术，导致整个寿命周期内太阳能功率转换效率低；(2)没有设计卫星分离触发上电电路，导致储能蓄电池一旦接入系统就处于工作状态，降低了卫星运输、发射和分离前的可靠性，同时也不利于蓄电池的寿命维持；(3)没有依据立方星的尺寸和电气接口标准设计，削弱了系统快速集成、测试和部署的能力。这些不足也是现有微纳卫星电源系统的主要缺点，同时国内还未发现有专门适用于通用立方星标准的星载电源系统。
发明内容
本发明的目的是针对以上所提出微纳卫星电源系统的主要不足，提供一种立方星一体化电源系统，以满足立方星模块化、标准化的设计要求。主要解决的问题包括：(1)采用MPPT技术对太阳能进行功率转换，功率转换效率可提高至90％以上；(2)集成卫星分离触发上电单元，保证卫星的安全和可靠性；(3)电源系统的尺寸、安装和电气接口适应立方星国际标准，提高通用性。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种立方星一体化电源系统，包括太阳电池阵列、能量管理单元、稳压单元、功率分配单元、MCU控制器、储能电池单元、分离开关电路和通用电气接口单元：
所述太阳电池阵列为多组且每组分别通过独立的光伏转换器将太阳能转换为电能，每一组太阳电池阵列的输出端串联肖特基二极管后连接到能量管理单元；
所述能量管理单元包含MPPT光伏转换模块和充放电管理模块，每一组太阳电池阵列的输出端串联的肖特基二极管的输出端分别连接有MPPT光伏转换模块，所有MPPT光伏转换模块并联后连接到充放电管理模块的输入端，MPPT光伏转换单元根据太阳板受光照和负载情况将太阳能电池输出电压设置在其最大功率点上，并将其转换为系统母线电压，而充放电管理模块控制锂电池组的充放电过程，保证电池安全和使用寿命；
所述储能电池单元为锂离子电池组，锂离子电池组与充放电管理模块连接，所述锂离子电池组作为系统储能单元存储多余电量，在阴影区为系统供电；
所述稳压单元的输入端与分离开关电路的输出端连接，所述分离开关电路的输入端与充放电管理模块和MPPT光伏转换模块连接，所述稳压单元包含并联的LDO单元和DC-DC稳压模块，LDO单元为MCU控制器的电源系统供电，DC-DC稳压模块将系统母线电压转换为立方星子系统和载荷所需的电压后输入功率分配单元，以满足负载功率需求；
所述功率分配单元，用于将DC-DC稳压模块转换后的电压以及母线电压进行多路控制输出并连接系统负载；
所述通用电气接口单元与功率分配单元的输出端连接，采用标准PC104插槽进行板对板的电气连接；
所述MCU控制器的输出端通过开关控制与功率分配单元连接，具备电源系统电压、电流和温度采集、电池状态监测功能，并与星载计算机通过I2C/CAN数字总线进行通讯。
进一步的技术方案为，所述锂离子电池组由单体松下公司的18650锂离子电池串并联后组成，单体锂离子电池的额定电压为3.7V。
进一步的技术方案为，所述太阳电池阵列包含3组。
进一步的技术方案为，所述充放电管理单元为LTC4000控制器，用于完成锂离子电池组的恒流-恒压充电管理功能，同时具有锂电池过放、过充和短路保护功能。
进一步的技术方案为，所述DC-DC稳压模块设置为五个，用于将系统母线电压转换为立方星子系统和载荷所需的5V、3.3V、12V、15V和24V电压。
进一步的技术方案为，所述MCU控制器采用TI公司MSP430芯片。
进一步的技术方案为，所述功率分配单元采用限流电子开关，用于将5V、3.3V、12V、15V、24V和母线电压进行多路控制输出，限流电子开关与MCU控制器连接。
进一步的技术方案为，所述LDO单元采用LT3029芯片输出低纹波3.3V电压。
进一步的技术方案为，所述分离开关电路采用锁闩结构，通过分离开关产生触发信号KS给上电单元，上电单元将锂离子电池组和MPPT光伏转换模块连入系统，卫星电气系统才开始工作，用于地面测试或卫星在轨分离瞬间对卫星上电，同时分离开关电路还包含了上电复位信号，用于在地面测试时对卫星进行下电；以及RBF开关，当该开关连接时卫星无法加电，用于卫星保护，防止误上电操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于立方星结构和电气标准的一体化电源系统，采用模块化设计思想，将MPPT功能集成到太阳能转换单元，并将分离触发上电单元融入到电源系统中，电气接口采用通用标准PC104插槽，并采用低功耗单片机进行系统状态的采集、检测和与星载计算机的信息交互，优化了电源系统的综合功能，提高了系统的能源转换效率和可靠性，同时也填补了国内适应立方星标准的电源系统空白。
附图说明
图1是背景技术专利公开的皮卫星电源系统结构示意图。
图2是本发明的系统结构示意图。
图3是本发明分离开关电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图2、图3所示，本实施例的一种立方星的一体化电源系统，包括太阳电池阵列、能量管理单元、稳压单元、功率分配单元、MCU控制器、储能电池单元、分离开关电路和通用电气接口单元。其中，能量管理单元包含MPPT光伏转换模块和锂电池充放电管理模块，稳压单元包含DC-DC稳压模块和LDO单元。
太阳电池阵列包含3组，立方星六个表面的太阳电池阵列分别通过独立的光伏转换器，将太阳能转换为电能，经转换后调理为系统母线电压为系统负载和蓄电池提供功率，每一组太阳电池阵列的输出分别串联肖特基二极管进行保护防止电流反向，电池片采用三结砷化镓材料，转换效率可达28％，太阳电池阵列数目可根据实际情况进行增减；
MPPT光伏转换模块，能够根据太阳板受光照和负载情况将太阳能电池输出电压设置在其最大功率点上，并采用升降压DC-DC拓扑结构将其转换为系统母线电压，母线电压为8.4V～25.2V可调；
充放电管理单元，基于LTC4000控制器实现，完成锂离子电池的恒流-恒压充电管理功能，最大充电电流和电池电压可调，同时具有锂电池过放、过充和短路保护功能；
储能电池单元为锂离子电池组，锂离子电池组与充放电管理模块连接，所述锂离子电池组作为系统储能单元存储多余电量，在阴影区为系统供电，锂离子蓄电池组，采用松下公司18650锂离子电池单体串并联后组成，单体额定电压为3.7V，电池组总容量可根据卫星平台的需求通过串、并联进行扩充，光照区锂电池存储多余电量，阴影区自动为系统供电；
DC-DC稳压模块，将系统母线电压转换为立方星其他子系统和载荷所需的低纹波5V、3.3V、12V、15V和24V电压，并满足功率需求；
LDO单元，采用LT3029芯片输出低纹波3.3V电压，为电源系统MCU和其它低功耗有源器件供电；
MCU控制器,采用TI公司MSP430系列低功耗单片机,具备电源系统电压、电流和温度采集、电池状态监测功能，并与星载计算机通过I2C/CAN数字总线进行通讯；
功率分配单元，采用高精度限流电子开关，将5V、3.3V、12V、15V、24V和母线电压进行多路控制输出，输出电流限幅可调，电子开关受MCU控制；
分离开关电路如图3所示，采用锁闩结构，通过分离开关产生触发信号KS给上电单元，上电单元将蓄电池组和光伏转换单元连入系统，卫星电气系统才开始工作，可用于地面测试或卫星在轨分离瞬间对卫星上电。同时本单元还包含了上电复位信号(KS_RESET)，用于在地面测试时对卫星进行下电；以及RBF开关，当该开关连接时卫星无法加电，用于卫星保护，防止误上电操作；
通用电气接口单元，采用标准PC104插槽进行板对板的电气连接，包含与其他电气分系统电源的连接和与星载计算机的I2C总线和CAN总线连接。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种立方星一体化电源系统，其特征在于，包括太阳电池阵列、能量管理单元、稳压单元、功率分配单元、MCU控制器、储能电池单元、分离开关电路和通用电气接口单元：
所述太阳电池阵列为多组且每组分别通过独立的光伏转换器将太阳能转换为电能，每一组太阳电池阵列的输出端串联肖特基二极管后连接到能量管理单元；
所述能量管理单元包含MPPT光伏转换模块和充放电管理模块，每一组太阳电池阵列的输出端串联的肖特基二极管的输出端分别连接有MPPT光伏转换模块，所有MPPT光伏转换模块并联后连接到充放电管理模块的输入端，MPPT光伏转换单元根据太阳板受光照和负载情况将太阳能电池输出电压设置在其最大功率点上，并将其转换为系统母线电压，而充放电管理模块控制锂电池组的充放电过程，保证电池安全和使用寿命；
所述储能电池单元为锂离子电池组，锂离子电池组与充放电管理模块连接，所述锂离子电池组作为系统储能单元存储多余电量，在阴影区为系统供电；
所述稳压单元的输入端与分离开关电路的输出端连接，所述分离开关电路的输入端与充放电管理模块和MPPT光伏转换模块连接，所述稳压单元包含并联的LDO单元和DC-DC稳压模块，LDO单元为MCU控制器的电源系统供电，DC-DC稳压模块将系统母线电压转换为立方星子系统和载荷所需的电压后输入功率分配单元，以满足负载功率需求；
所述功率分配单元，用于将DC-DC稳压模块转换后的电压以及母线电压进行多路控制输出并连接系统负载；
所述通用电气接口单元与功率分配单元的输出端连接，采用标准PC104插槽进行板对板的电气连接；
所述MCU控制器的输出端通过开关控制与功率分配单元连接，具备电源系统电压、电流和温度采集、电池状态监测功能，并与星载计算机通过I2C/CAN数字总线进行通讯。
2.根据权利要求1所述的立方星一体化电源系统，其特征在于：所述锂离子电池组由单体松下公司的18650锂离子电池串并联后组成，单体锂离子电池的额定电压为3.7V。
3.根据权利要求1所述的立方星一体化电源系统，其特征在于：所述太阳电池阵列包含3组。
4.根据权利要求1所述的立方星一体化电源系统，其特征在于：所述充放电管理单元为LTC4000控制器，用于完成锂离子电池组的恒流-恒压充电管理功能，同时具有锂电池过放、过充和短路保护功能。
5.根据权利要求1所述的立方星一体化电源系统，其特征在于：所述DC-DC稳压模块设置为五个，用于将系统母线电压转换为立方星子系统和载荷所需的5V、3.3V、12V、15V和24V电压。
6.根据权利要求1所述的立方星一体化电源系统，其特征在于：所述MCU控制器采用TI公司MSP430芯片。
7.根据权利要求1所述的立方星一体化电源系统，其特征在于：所述功率分配单元采用限流电子开关，用于将5V、3.3V、12V、15V、24V和母线电压进行多路控制输出，限流电子开关与MCU控制器连接。
8.根据权利要求1所述的立方星一体化电源系统，其特征在于：所述LDO单元采用LT3029芯片输出低纹波3.3V电压。
9.根据权利要求1所述的立方星一体化电源系统，其特征在于：所述分离开关电路采用锁闩结构，通过分离开关产生触发信号KS给上电单元，上电单元将锂离子电池组和MPPT光伏转换模块连入系统，卫星电气系统才开始工作，用于地面测试或卫星在轨分离瞬间对卫星上电，同时分离开关电路还包含了上电复位信号，用于在地面测试时对卫星进行下电；以及RBF开关，当该开关连接时卫星无法加电，用于卫星保护，防止误上电操作。
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