CN113386982A - 一种面向末级留轨应用的空间电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向末级留轨应用的空间电源系统，包括：若干个能源供应单元、若干个蓄电池充电调节器、一个能源放置单元、太阳电池阵、蓄电池组、数管计算机；其中：所述蓄电池充电调节器，用于获得所述电源系统的一次电源并将其输送给所述能源供应单元；所述能源供应单元，用于获得所述电源系统的二次配电电源，并将其分别输送给所述能源放置单元和数管计算机；每一个能源供电单元对应一路二次配电电源，每一路二次配电电源均对应设置有一个开关；所述能源放置单元，用于将各路二次配电电源通过与其对应的开关给各负载供电；所述太阳电池阵、蓄电池组均与所述蓄电池充电调节器电性连接。与现有技术相比，本发明成本低、体积小。

Description

一种面向末级留轨应用的空间电源系统

技术领域

本发明涉及星载综合电子领域，具体涉及一种面向末级留轨应用的空间电源系统。

背景技术

近年来，航天技术领域取得了突飞猛进的发展。随着电子技术、计算机技术、 控制技术等领域的发展，空间任务需求不断提高，还日益呈现出多样性和复杂性的 特点。然而，由于受入轨机会和搭载条件的限制，仅有少量的新技术得以入轨验证。

末级留轨应用系统是运载火箭实际入轨的组成部分，火箭发射后，末级及其组 成部件能够在轨长期运行，非常适合开展空间飞行试验。且较于传统航天器，末级 在当前高密度发射任务支持下，将能够提供更多的航天新技术太空试验机会，并大 大降低试验成本。

传统的空间电源系统，以电源控制与配电器作为控制核心，采用不调节母线的 工作方式，包括：分流调节单元、锂电池过放电保护单元、滤波供电单元、遥测遥 控单元、配电与热控控制单元、火工品控制单元、二次电源单元、电源下位机等组 成。其通过对蓄电池组的充放电调节控制，完成电源系统一次电源变换控制，满足 星上各负载的供配电需求，同时完成电源系统各主要性能参数的遥测变换和控制， 这是目前常用的构架。

而传统的空间电源系统构架没有应用在末级留轨应用系统上的关键问题有两个：一是价格偏高；二是因为不能使太阳帆板的最大输出功率得到利用，所以导致 传统的空间电源系统过重，且尺寸过大。

因此，为满足末级留轨应用系统的空间应用任务需求，设计尺寸小、成本低的 面向末级留轨应用的空间电源系统具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向末级留轨应用的空间电源系统。本发明的技术方案如下：

一种面向末级留轨应用的空间电源系统，包括：若干个能源供应单元、若干个蓄电池充电调节器、一个能源放置单元、太阳电池阵、蓄电池组、数管计算机；其中：

所述蓄电池充电调节器，用于获得所述电源系统的一次电源并将其输送给所述能源 供应单元；

所述能源供应单元，用于获得所述电源系统的二次配电电源，并将其分别输送给所 述能源放置单元和数管计算机；每一个能源供电单元对应一路二次配电电源，每一路二次配电电源均对应设置有一个开关；

所述能源放置单元，用于将各路二次配电电源通过与其对应的开关给各负载供电；

所述太阳电池阵、蓄电池组均与所述蓄电池充电调节器电性连接。

可选地，所述蓄电池充电调节器包括：最大功率跟踪单元、遥测采集单元；其中：

所述最大功率跟踪单元，与所述蓄电池组电性连接，采用扰动观测法跟踪太阳电池 阵最大功率点，为蓄电池组充电；

所述遥测采集单元，与所述太阳电池阵电性连接，完成对各路太阳电池阵电压、电流和总电流的遥测。

可选地，所述能源供应单元包括：遥测遥控单元、热控控制单元、二次电源单元、电源下位机；其中：

所述遥测遥控单元，用于采集所述蓄电池组的电压和充放电电流，并用于控制各路 二次配电电源对应开关的导通和关断；

所述热控控制单元，用于调控蓄电池组温度；

所述二次电源单元，用于对所述蓄电池充电调节器进行一次电源转化为二次配电的 操作；

所述电源下位机，用于收发所述能源供应单元的遥控遥测数据，所述遥控遥测数据至少包括：所述蓄电池组的电压和充放电电流的数值、各路二次配电电源对应开关的 导通和关断次数、蓄电池组温度数值。

可选地，所述能源放置单元包括：配电控制单元、PL板遥测遥控单元；其中：

所述配电控制单元，用于将来自所述能源供应单元的二次配电电源通过MOS管给各个负载供电；

所述PL板遥测遥控单元，用于控制所述配电控制单元的MOS管的通断及采集MOS管的正常工作状态信息。

可选地，若干个蓄电池充电调节器并联到一起输出一个一次母线，这个一次母线对 若干个能源供应单元分别进行二次电源转换得到二次配电电源，转换过后的二次配电电 源一部分通过所述能源放置单元分配，另一部分为所述数管计算机供电。

可选地，若干个蓄电池充电调节器通过连接器插在母板上，所有能源供应单元也通 过连接器插在母板上，蓄电池充电调节器和能源供应单元通过母板实现信号交付。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明尺寸小、成本低；

2、而当采用分流的拓扑方式时，如果串接的空间电源系统后端负载对电流需求大而发生对电池的过放故障时就会使能源供给遭到破坏而发生断路而不能正常工作。本发明为了避免此缺陷，在空间电源系统前端采用MPPT的模式，即跟踪太阳电池阵最大功 率点，为蓄电池组充电和给后端负载供电。当空间电源系统负载电流比较大时，功率跟 踪电路采用扰动观测法跟踪太阳电池阵最大功率点去给负载供电，一方面充分利用了太 阳帆板的供电输出能力，另一方面减轻了对蓄电池的供电压力。

3、由末子级空间电源系统的应用特性可知，其更多的是致力于打造宇航类元器件验证平台，更多的是在商业领域的应用，其对空间的利用必须比常规卫星更加严苛，而 使用传统隔离式的DCDC模块势必导致空间需求巨大，一方面导致静态功耗大，另一方 面使能源子系统中的控制器部分笨重，此不符合末级商业领域的应用目的。因此本发明 采用相同供电能力的非隔离式的DCDC替代隔离式的DCDC是趋势所在，非隔离式的 DCDC既有超低的静态功耗，又有极小的体积，也有在轨飞行的经历，满足当前末子级 留轨电源系统的需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明具体实施例的一种面向末级留轨应用的空间电源系统的拓扑结构图；

图2是本发明具体实施例中蓄电池充电调节器的原理图；

图3是本发明具体实施例中能源供应单元的构架图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

如图1至图3，本实施例公开了一种面向末级留轨应用的空间电源系统，包括：若干个能源供应单元(EPS，Energy Power Supply)、若干个蓄电池充电调节器(BCR，BatteryChargeRegulator)、一个能源放置单元(PL，PowerLay)、太阳电池阵、蓄电池组、数管 计算机；其中：

所述蓄电池充电调节器，用于获得所述电源系统的一次电源(由太阳电池阵或蓄电 池阵提供的电源)并将其输送给所述能源供应单元；即用于完成所述电源系统的一次电源变换控制，满足末子级平台母线的供配电需求，同时完成所述电源系统的主要性能参 数(电流和电压)输出(一次不调节母线21V～29.4V具备不小于120W的输出能力)；

所述能源供应单元，用于获得所述电源系统的二次配电电源，并将其分别输送给所 述能源放置单元和数管计算机；每一个能源供电单元对应一路二次配电电源，每一路二次配电电源均对应设置有一个开关；即用于完成所述电源系统二次电源变换控制，满足 末子级平台各负载的供配电需求，同时完成所述电源系统的主要性能参数(电流和电压) 输出(二次配电输出纹波电压±2％范围内的+3.5V/5A、+5.3V/5A、+12V/4A、-12V/0.3A 和+16V/3A)；

所述能源放置单元，用于将各路二次配电电源通过与其对应的开关给各负载供电； 即用于完成所述电源系统二次电源的分配与控制，将各路二次配电通过开关给各负载供 电，是末子级载荷供电的闸门；

所述太阳电池阵、蓄电池组均与所述蓄电池充电调节器电性连接。

若干个蓄电池充电调节器并联到一起输出一个一次母线，这个一次母线对若干个能 源供应单元分别进行二次电源转换得到二次配电电源，转换过后的二次配电电源一部分 通过所述能源放置单元分配，另一部分(+5.3V/5A)为所述数管计算机供电。

若干个蓄电池充电调节器通过连接器插在母板上，所有能源供应单元也通过连接器 插在母板上，蓄电池充电调节器和能源供应单元通过母板实现信号交付。

太阳电池阵与通过电缆与母板相连，若干块BCR连接与若干块EPS和PL通过母 板连接，多个单板同过接插件插接在母板上，母板通过电缆与蓄电池组连接；

本实施例中，所述电源系统包括5块板：2块EPS(EPSa、EPSb)，2块BCR(BCRa、BCRb)，1块PL。其中，EPSa对应DCDC1a-DCDC11a，EPSb对应DCDC1b-DCDC11b。 PL对应配电1-配电21。(为帮助阅读图1，需要说明的是，图1中，为节省画图空间， DCDC1a-DCDC11a的11个图标，前一个有被后一个遮挡部分；DCDC1b-DCDC11b的 11的图标，前一个有被后一个遮挡部分。)

其中，所述蓄电池充电调节器包括：最大功率跟踪单元、遥测采集单元；其中：

所述最大功率跟踪单元(MPPT，Maximum Power Point Tracking)，与所述蓄电池组电 性连接，采用扰动观测法跟踪太阳电池阵最大功率点，为蓄电池组充电；

所述遥测采集单元，与所述太阳电池阵电性连接，完成对各路太阳电池阵电压、电流和总电流的遥测。总电流是指单个太阳阵电流汇集到一起的总电流。

所述最大功率跟踪单元电路充分利用了太阳电池阵I-V曲线的特性，可直接串在太阳电池分阵输出，根据系统母线负载的用电需求，在满足母线稳定的同时把太阳电池 分阵供入的富余功率提供给蓄电池组充电。

所述最大功率跟踪单元连接太阳电池阵通过底板给蓄电池组充电；所述遥测采集单 元采集BCR板电路各个重要部位的电压电流值。

其中，所述能源供应单元包括：遥测遥控单元、热控控制单元、二次电源单元、电源下位机；其中：

所述遥测遥控单元，用于采集所述蓄电池组的电压和充放电电流，并用于控制各路 二次配电电源对应开关(比如电源使能)的导通和关断；

所述热控控制单元，用于调控蓄电池组温度，保证电池组的容量和寿命要求；

所述二次电源单元，用于对所述蓄电池充电调节器进行一次电源转化为二次配电的 操作；本实施例中，具体用于将BCR板来一次母线(21V～29.4V)转换为二次配电(+3.5V、+5.3V、±12V和+16V)供PL板分配。

所述电源下位机，用于与数管计算机通过CAN总线通信，且用于收发所述能源供应单元的遥控遥测数据(遥测参数)，所述遥控遥测数据至少包括：所述蓄电池组的电压 和充放电电流的数值、各路二次配电电源对应开关的导通和关断次数、蓄电池组温度数 值。所述电源下位机把遥测参数通过CAN总线发送给数管计算机。本实施例中，使用 了两个电源下位机：电源下位机a、电源下位机b。

上述4个单元之间在EPS板内部相关协同，二次电源单元输出的二次配电给芯片(CPU、热控芯片等)供电，遥测遥控单元控制热控单元开关通断，所有的遥控遥测数 据汇集到电源下位机通过CAN总线与数管计算机实现数据的交互。

数管计算机向所述能源放置单元(PL)发送配电指令。

其中，所述能源放置单元包括：配电控制单元、PL板遥测遥控单元；其中：

所述配电控制单元，用于将来自所述能源供应单元的二次配电电源通过MOS管给各个负载供电；本实施例中，其具体用于将来自EPS板的二次配电(+3.5V、+5.3V、± 12V和+16V)通过MOS管给各个负载供电；

所述PL板遥测遥控单元，用于控制所述配电控制单元的MOS管的通断及采集MOS管的正常工作状态信息。

无论是光照期还是阴影期，供电母线输出均被蓄电池组充放电电压钳位在 24.5V～29.4V范围内，根据锂离子电池的特性，充电时设置最高充电电压限制。能源子 系统的电接口分为功率电缆接口和信号电缆接口，其中功率电缆接口信号分为电压、电 流信号；信号电缆接口信号分为温度测量。

图1中，实验室测试常用模拟器(模拟太阳电池阵)给末子级能源系统供电，数管计算机的主要构成为末级CPU芯片，为末级的综合电子。应答机为末级平台与地面站 通信的设备。数管计算机向应答机发送遥控指令。

太阳电池阵设计：支撑舱有6个可以布太阳电池片的面，其中2个是绕纵轴分布的大太阳电池板，其他四个面是OCU盒子的四个外表面。末级留轨平台采用不调节母线， 母线电压范围为24.5V～29.4V，太阳电池电路取18串40mm*60mm电池片为一并设计。 根据本发末级留轨系统在轨光照情况的分析结果，再结合本发末级留轨系统实际结构和 布局，选取了最优布片方案。具体布片情况如下表所示：

表1布片统计

表格中，-X、-Y、+Z、-Z分别指末级的三维方向所在的面，A和B是指某两个面 的命名。

经仿真计算(考虑光照角及充电效率)，经统计太阳电池电路可以支持末级留轨系统在轨长期功耗80.89W，计算可得载荷模式单圈平衡。

本实施例，蓄电池组采用锂离子蓄电池组设计(对应图1中的锂电池)：蓄电池组设计为现有技术，锂离子蓄电池组由7个30Ah锂离子蓄电池单体7串组成，采用拉杆 式结构。蓄电池组结构件主要包括前壁板、后壁板、顶板、底板、拉杆等。前壁板、电 池、后壁板等之间用胶粘接，结构件除拉杆使用钛合金外均为铝合金。蓄电池组有8个 安装脚，利用紧固螺钉牢固的安装在整星安装板上。30Ah锂离子蓄电池单体为811所 研制的新一代锂离子蓄电池，其产品主要特性为比能量高，循环性能稳定。本实施例中， 在锂电池蓄电池组处采用了过放电保护。

如图2，当末级留轨平台在光照期时，太阳电池阵通过最大功率点跟踪充电控制保证平台母线电压输出的稳定，并完成光照期太阳电池阵对锂离子蓄电池组的限压充电控制。太阳阵供给负载后的多余能量经过限压给蓄电池充电。太阳电池阵对锂离子蓄电池 的充电采用限压的控制方式，在充电过程中对锂离子单体电压进行均衡控制。当末级留 轨平台进入地影期后，蓄电池组直接输出至母线进行放电，使末级留轨平台母线电压稳 定在24.5V～29.4V范围内，保证了母线的用电需求。当光照期母线负载工作时，如果太 阳电池阵的输出功率不能满足负载功率需求，这时蓄电池组放电为母线补充供电，母线 呈蓄电池组与太阳电池阵联合供电工作模式。在短期负载结束后，可继续对蓄电池组充 电，使蓄电池组达到放电/充电能量平衡。

如图3，EPS板设计：电源供电模块(EPS，Electrical Power supply)由锂电池放电控制单元、遥测遥控单元、热控控制单元、二次电源单元、电源下位机等组成，采用多 路DCDC变换母线电压到负载需要电压，完成电源系统一次电源变换控制，满足平台各 负载的供配电需求，EPS通过CAN总线与数管计算机相连。电源模块数据由EPS内部 下位机采集并组包通过CAN总线传输到数管计算机，遥控DCDC使能主要通过外部直 接遥控接口，同时通过CAN总线接收数管计算机的控制指令实现对热控配电开关控制， 最终完成电源系统各主要性能参数的遥测变换和控制。

1)蓄电池放电开关，由外部引出机械接口控制锂电池放电通道是否打开；

2)母线电压经过DCDC进行二次电源变换，部分电压通过LDO线性稳压；

3)经过DCDC产生的A块、B块和Z块(A块、B块和Z块是根据不同功能自定 义命名)二次电源可以通过三种方式控制：外部IO控制、内部IO控制和板上跳线帽手 动控制；

4)对板内及外部引入的模拟量采集；

5)具备IO口，对板内及外部模块工作状态进行控制或采集；

6)提供RS485串口、CAN通信、SPI通信功能，对其他单机或平台内部模块进行 数据采集和数据控制；

7)对太敏信号放大并采集；

8)控制电子开关进行两路热控；

9)提供测试接口，具备软件上载、按钮复位、准禁看门狗的功能

在发射前2.5小时末级留轨平台转内电，入轨后至太阳光照充足前，由蓄电 池组放电为留轨平台供电。

PL板设计：PL模块用于多路用电设备配电控制、保护及参数采集，其输入 电源为EPS多路二次电源输出及母线输出，配电指令由数管计算机模块输出。 PL设置14路低压开关，6路高压开关以及1路GPS模块供电开关，通过平台的 直接指令控制电子开关使能，实现对外接载荷的供电控制。

本发明可以解决末子级留轨应用系统在极少的电源管理模块的条件下实现低至1.5w的自耗和峰值功率200w的指标并满足长期在轨2年的使用寿命。具体功能如下：

a)太阳能光电转换功能：在光照区，将太阳能转换为连续、稳定、可靠的电能。

b)电能存储功能：在光照区，将富余电能存储的功能。

c)能源调节功能：在光照区，能源充足情况下，向负载输出连续、稳定、可靠的电能；能源富余情况下，对蓄电池进行充电；在光照区，能源紧张的情况下，调节太阳能 与蓄电池组输出电力，向负载提供连续、稳定、可靠的电能；在阴影区，调节蓄电池组 输出，向负载输出连续、稳定、可靠的电能。

d)整星配电功能：完成末级留轨平台配电功能，根据需求，向负载控制输出或直接输出一次母线供电、二次电源供电。

e)热控回路供电功能：完成末级留轨平台加热回路的供电。

f)信号采集功能：完成能源子系统自身模拟量信号采集。

g)CAN总线信息传输功能：通过CAN总线，完成与数管计算机的信息交互。

h)信息处理功能：具备信息的接收、解析、处理、传输的能力。

3)理论上可能的扩展

在以上构架的实际应用中，一般不固定的采用2块BCR板和2块EPS板作为末级 留轨空间电源系统的管理单元，在更多时候，是跟据载荷应用方对供电能力和配电路数 灵活的配置相应板卡数，因此在了解本发明所阐释的末级留轨空间电源系统构架的基础 上，应该先十分明确的获悉末子级留轨空间电源系统的供电需求和配电种类及路数，从 而合理的选取相应的模块数量构成适合本发末子级留轨空间电源系统的最终构架。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改， 这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的 特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种面向末级留轨应用的空间电源系统，其特征在于，包括：若干个能源供应单元、若干个蓄电池充电调节器、一个能源放置单元、太阳电池阵、蓄电池组、数管计算机；其中：

所述蓄电池充电调节器，用于获得所述电源系统的一次电源并将其输送给所述能源供应单元；

所述能源供应单元，用于获得所述电源系统的二次配电电源，并将其分别输送给所述能源放置单元和数管计算机；每一个能源供电单元对应一路二次配电电源，每一路二次配电电源均对应设置有一个开关；

所述能源放置单元，用于将各路二次配电电源通过与其对应的开关给各负载供电；

所述太阳电池阵、蓄电池组均与所述蓄电池充电调节器电性连接。

2.如权利要求1所述的空间电源系统，其特征在于，所述蓄电池充电调节器包括：最大功率跟踪单元、遥测采集单元；其中：

所述最大功率跟踪单元，与所述蓄电池组电性连接，采用扰动观测法跟踪太阳电池阵最大功率点，为蓄电池组充电；

所述遥测采集单元，与所述太阳电池阵电性连接，完成对各路太阳电池阵电压、电流和总电流的遥测。

3.如权利要求2所述的空间电源系统，其特征在于，所述能源供应单元包括：遥测遥控单元、热控控制单元、二次电源单元、电源下位机；其中：

所述遥测遥控单元，用于采集所述蓄电池组的电压和充放电电流，并用于控制各路二次配电电源对应开关的导通和关断；

所述热控控制单元，用于调控蓄电池组温度；

所述二次电源单元，用于对所述蓄电池充电调节器进行一次电源转化为二次配电的操作；

所述电源下位机，用于收发所述能源供应单元的遥控遥测数据，所述遥控遥测数据至少包括：所述蓄电池组的电压和充放电电流的数值、各路二次配电电源对应开关的导通和关断次数、蓄电池组温度数值。

4.如权利要求3所述的空间电源系统，其特征在于，所述能源放置单元包括：配电控制单元、PL板遥测遥控单元；其中：

所述配电控制单元，用于将来自所述能源供应单元的二次配电电源通过MOS管给各个负载供电；

所述PL板遥测遥控单元，用于控制所述配电控制单元的MOS管的通断及采集MOS管的正常工作状态信息。

5.如权利要求1所述的空间电源系统，其特征在于，

若干个蓄电池充电调节器并联到一起输出一个一次母线，这个一次母线对若干个能源供应单元分别进行二次电源转换得到二次配电电源，转换过后的二次配电电源一部分通过所述能源放置单元分配，另一部分为所述数管计算机供电。

6.如权利要求1所述的空间电源系统，其特征在于，

若干个蓄电池充电调节器通过连接器插在母板上，所有能源供应单元也通过连接器插在母板上，蓄电池充电调节器和能源供应单元通过母板实现信号交付。

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