CN113675934A - 一种模块化卫星电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化卫星电源系统及其配置方法，卫星电源系统包括采集光能并转化为电能的发电单元，将发电单元输出的电能以化学能形式储存并以电能形式输出的供电单元，在发电单元和供电单元产生、储存及释放电能的过程中监测性能参数的监测单元，作为单元模块的发电单元包括光伏组件和光伏管理模块，作为单元模块的供电单元包括二次电池盒和二次电池管理模块，其中，监测单元能够在不同时刻对各光伏组件和/或二次电池盒进行监测以获得能够与历史性能数据和/或标准数据进行对比的监测数据，根据经过对比后的监测差值与若干预设阈值之间的不同关系以针对不同单元模块的发电单元和/或供电单元而确定不同处理方式。

Description

一种模块化卫星电源系统

技术领域

本发明涉及航天器电源系统技术领域，尤其涉及一种模块化卫星电源系统。

背景技术

伴随航天技术的发展，进一步减轻卫星重量的需求日益提升，对于卫星电源系统的高效和轻型化的要求也越发突出。卫星电源系统面临的环境挑战包括极端温度、真空散热和强辐射，在这种极端环境下，卫星电源系统的可靠性和配电系统的高效性对于保障卫星正常在轨运行具有重要意义。目前卫星电源电源系统中的各子模块的管理和控制分别独立，多能源互联供电成为未来卫星电源系统的研究热点。

CN111181238 A公开了一种卫星的DET电源系统，用于提高卫星初期DET电源系统的太阳电池阵的输出功率。电源系统包括太阳电池阵、电源控制与配电单元以及蓄电池组，电源控制与配电单元包括有S3R分流调节器、MEA以及基准电压模块；太阳电池阵用于将获取到的太阳能转化为电能；S3R分流调节器用于根据差分信号进行分流分流控制；MEA用于根据基准电压以及S3R分流调节器控制得到的母线电压两者之间的差值进行放大以及积分，得到差分信号并向S3R分流控制器输出；基准电压模块用于生成基准电压；蓄电池组连接母线，用于根据分流控制进行充、放电；基准电压模块具体用于生成不同的目标基准电压，S3R分流控制器具体用于根据目标差分信号控制得到不同的目标母线电压。

CN107579587 B公开了一种适用于LEO卫星的能源系统及其控制方法，包含太阳电池阵、MPPT电路单元、蓄电池组、电容阵、卫星平台负载和遥测遥控单元；其中，MPPT电路单元采用三个并联的DC-DC转换模块对太阳电池阵按照三冗余热备份方式进行峰值功率跟踪，MPPT电路单元采用多数表决控制电路进行闭环控制，每一个控制电路根据太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号以及蓄电池组的电压信号和电流信号，生成驱动信号对与其对应的MPPT电路进行闭环控制，以实现对太阳电池阵模块的最大功率跟踪以及对蓄电池组的充电管理。该发明的太阳电池阵利用率高、可靠性高、系统开销小。

现有技术所公开的卫星能源系统多为根据该星的性能和负载需求所定制的。这样一来，每个卫星都有独立的电源设计，延长了卫星的研制周期较长并提高了卫星的研制成本。并且，设计研制完成后，这种定制的卫星电源系统适应性、可扩展性较差，所适应多种商业卫星需求，也不便于进行批量化生产。同时，不科学的单元模块划分方式使得卫星能源装置不能很好地完成异常故障监测及处理，既可能影响卫星上负载的正常工作，也可能增加维护处理成本。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种模块化卫星电源系统。

本发明公开了一种模块化卫星电源系统，包括采集光能并转化为电能的若干个发电单元，与发电单元电连接并将发电单元输出的电能以化学能形式储存并在需要供电时以电能形式输出的若干个供电单元，分别与发电单元和供电单元电连接，并在发电单元和供电单元产生、储存及释放电能的过程中监测性能参数的监测单元。作为单元模块的发电单元包括将光能转化为电能的光伏组件和与光伏组件电连接并对其输出的电能进行调控的光伏管理模块，作为单元模块的供电单元包括储存及释放电能的二次电池盒和与二次电池盒电连接并对其电压进行均衡管理的二次电池管理模块。监测单元能够在不同时刻对各光伏组件和/或二次电池盒进行监测以获得能够与历史性能数据和/或标准数据进行对比的监测数据，根据经过对比后的监测差值与若干预设阈值之间的不同关系以针对不同单元模块的发电单元和/或供电单元而确定不同处理方式。

该技术方案的优点在于：在卫星供电系统的产能构架中设置有若干发电单元，以使得卫星供电系统的产能任务将由若干发电单元共同完成。相比于常规设置的卫星供电系统的产能构架中将所有太阳电池定义为一个功能模块，而将所有太阳能电池的输入控制管理定义为另外一个功能模块的固有架构设计思维，本发明的产能构架可由若干采用标准模块化的发电单元构成，每个发电单元都可包括光伏组件和对应的光伏管理模块，光伏管理模块可直接控制调节对应的光伏组件输出电压，以实现分单元的独立控制，从而在简化卫星供电系统的产能构架的同时还可因独立控制而提升卫星供电系统的可靠性。此外，发电单元采用标准模块化设置能够更便于设置冗余发电单元，由于冗余发电单元可与发电单元采用相同或相似的结构设计，以使得冗余发电单元能够在任一发电单元出现故障时进行替换，从而保证卫星供电系统的正常供电。在卫星供电系统中还可设置有至少能够对若干发电单元进行异常故障监测的监测单元，由于产能构架由若干发电单元构成，监测单元能够针对于每个发电单元进行分别监测，以获取发电单元的监测值，当监测值中出现异常值时即可判断出异常或故障的发电单元对应的点位，并可根据异常值与正常值之间的差值来完成不同的异常调节或故障隔离。当差值小于设定阈值时可通过异常光伏组件对应的光伏管理模块进行调节；当差值大于设定阈值时可通过冗余发电单元对异常产能光伏组件对应的发电单元进行替换。此外，监测单元还可通过传感器来判断是否为机械故障而引起的电路异常，以此来判断和确定解决方法，从而保证卫星供电系统的正常运行。在卫星供电系统的产能构架中设置有若干供电单元，以使得卫星供电系统的储能释放任务将由若干供电单元共同完成。监测单元也可根据蓄电池单体的材质而选择不同的监测参数，从而能够对不同类型的二次电池盒都可以进行更加准确地监测。卫星供电系统的产能架构和储能架构各自由对应的标准模块化的发电单元和供电单元构成，使得仅通过调节参数或改变排列方式、数量就可灵活地满足不同卫星的产能、储能需求，使得卫星供电系统更具适应性和可扩展性，也更便于实现批量化生产，大幅度降低成本的同时也缩短了研制周期。

监测单元包括光伏监测模块和二次电池监测模块，以监测由于光伏组件和二次电池盒在长光照期、短光照期和地影期状态不断发生改变时发生故障而影响整个卫星系统的稳定性。卫星运行过程可根据吸收太阳能的时长分为长光照期、短光照期和地影期。当卫星处于长光照期且二次电池盒能量充足时，光伏组件将采集的太阳能转化为电能以完成对能耗装置的供电，并将多余能量分流以稳定母线电压；当卫星处于长光照期且二次电池盒能量不足时，光伏组件将采集的太阳能转化为电能以完成对能耗装置的供电和对二次电池盒的充电并稳定母线电压；当卫星处于短光照期时，光伏组件输出的电能不足以完成对能耗装置的供电，此时由光伏组件与二次电池盒联合供电；当卫星处于地影期时，光伏组件无法提供电能，二次电池盒将在长光照期时储存的电能释放以供能耗装置消耗。

该技术方案的优点在于：当卫星电源系统在长光照期、短光照期和地影期之间反复交替时，光伏组件和二次电池盒也处在静态和动态的不断交替中。卫星电源系统设有可对交替时期的光伏组件和二次电池盒的性能参数进行监测的监测单元，以防止由于光伏组件和二次电池盒在长光照期、短光照期和地影期状态不断发生改变时发生故障而影响整个卫星系统的稳定性。进一步地，光伏组件的状态切换多发生于短光照期和地影期的交替时刻，其中，不同发电单元对应的光伏组件由于设置在不同位置，在交替时刻存在部分光伏组件能够接收到太阳能且另一部分光伏组件无法接收到太阳能，使得各光伏组件运行状态的切换存在先后顺序，以便于监测单元对各光伏组件依次完成监控，从而避免数据冲突和干扰；二次电池盒的状态切换多发生于长光照期和短光照期的交替时刻，其中，在交替时刻往往不需要所有二次电池盒均处于工作状态，使得各二次电池盒运行状态的切换存在先后顺序，以便于监测单元对各二次电池盒依次完成监控，从而避免数据冲突和干扰。

光伏监测模块与若干个光伏组件电连接并在光伏组件性能参数改变且足以影响其产生电能时，发送信号数据使与光伏组件连接的光伏管理模块对相应的光伏组件进行管理调控。光伏管理模块调控与其相连接的光伏组件将电能优先满足母线电压供电，再对电量不足的二次电池盒补充能量，最后将多余的能量分流以器件热辐射形式发散。光伏监测模块通过分压电路对光伏组件产生和输出电能过程中的电压、温度等参数进行监测并将监测数据与历史数据进行对比。输出电路电压和/或温度能够通过分压电路进行监测。分压电路可通过串联电阻进行分压，在获取光伏组件电路输出电压和温度的同时，还可以将光伏组件输出的较高压转换成与传输模块接口相匹配的低压。在各发电单元设计时，光伏监测模块可先将与光伏组件数量相对应的负温度系数热敏电阻贴于对应的光伏组件背面，并将热敏电阻两端的正、负引线通过电连接器接入传输机构以监测光伏组件的电路工作温度；再将光伏组件的两端分别通过正、负引线接入传输机构以监测光伏组件的电路输出电压；然后传输机构将采集的电压和温度信号转换为总线信号，通过电连接器将转换后的总线信号输出至驱动机构滑环；最后总线信号通过驱动机构滑环传输至数据处理机构转换为模拟信号，经过数传最终得到光伏组件的电路输出电压和光伏组件的温度数值，并在光伏组件的电路输出电压和光伏组件的温度数值出现异常时发出警告。监测单元还可与传感器连接，以通过传感器判断是否为展开机构故障和/或对日定向驱动机构故障等机械故障引起的光伏组件异常，并可驱动展开机构和/或对日定向驱动机构进行二次运行，以判断并解决故障问题。

该技术方案的优点在于：在发电单元正常运行过程中，由于电路输出回路阻抗较小，使得同一光伏组件在星内和星外电压的差值较小。当星内和/或星外电压数值异常时，可根据异常数值及其所处位于判断异常故障点位。同时，由于光伏组件发电的热特性，借助于温度与电压之间的相对关系，通过电压与温度的共同诊断，以获得更准确的异常故障诊断结果。由于供电架构有若干发电单元构成，使得数值出现异常时可快速判断出异常发电单元的所处位置。

二次电池监测模块与若干个二次电池盒电连接并在二次电池盒性能参数改变且足以影响其产生电能时，发送信号数据使与二次电池盒连接的二次电池管理模块对相应的二次电池盒进行管理调控。二次电池管理模块对与其相连接的二次电池盒中的各单体电池进行电压均衡调控，使各单体电池的电压趋近于平均电压。二次电池监测模块记录有基于不同的二次电池盒的单体电池的性能参数，并能根据不同的单体电池选择适用的参数进行对比。

该技术方案的优点在于：二次电池盒由若干二次电池单体以串联和/或并联的方式连接而成，以使得二次电池单体的选型可影响二次电池盒的性能。可选地，二次电池单体可根据储能能力、工作温度、工作寿命等因素而选用镍氢蓄电池、镉镍蓄电池或锂离子二次电池盒中的一种。二次电池监测单元可根据不同选型的二次电池单体选择不同的监测参数，例如，二次电池监测单元可针对镍氢蓄电池而监测氢压，以针对性地获取更加准确的检测数据，从而用于准确判断二次电池盒的性能状态。进一步地，二次电池盒与二次电池管理模块配合连接，且二次电池管理模块通过对二次电池盒进行电压均衡以实现对二次电池盒中的单体电池过充、过放、过电流等情况的控制。

二次电池管理模块包括控制充电电流的充电调控开关和控制放电电流的放电调控开关以防止二次电池盒过充和过放，且充电调控开关和放电调控开关在长光照期和短光照期时刻发生变化时控制二次电池盒充电和放电状态发生改变。单体电池在充电和放电阶段承受很大的瞬间电流会使部分较满的单体电池直接超过损坏的电压区间或是让某些单体电池处于深度放电的状态，当二次电池盒处于放电过程时，二次电池管理模块的放电调控开关开启以控制某些单体电池过放的情况。当二次电池盒处于充电过程时，二次电池管理模块的充电调控开关在二次电池盒电量充满时开启以控制某些单体电池过充的情况。

该技术方案的优点在于：卫星供电系统的储能构架有若干供电单元构成，供电单元包括二次电池盒和对应的二次电池管理模块。二次电池管理模块能够针对性控制对应的二次电池盒的充/放电，并保证二次电池盒中各蓄电池单体的均衡均流，以提高二次电池盒的工作效率，延长二次电池盒的工作寿命。二次电池管理模块设置有充电调控开关和放电调控开关，以实现对应二次电池盒在充/放电过程中的调节，完成独立地分单元控制。

本发明还公开了一种模块化卫星电源系统的配置方法，该配置方法用于配置前述任一卫星电源系统，其中，配置方法包括如下步骤：

S1、将若干太阳电池单体以串联和/或并联的方式连接构成光伏组件，将若干二次电池单体以串联和/或并联的方式连接构成二次电池盒；

S2、将光伏组件与光伏管理模块连接以构成发电单元，将二次电池盒与二次电池管理模块连接以构成供电单元；

S3、将若干发电单元连接以构成产能构架，将若干供电单元连接以构成储能构架，其中，产能构架能够通过一次母线与储能构架电连接；

S4、将带有光伏监测模块和二次电池监测模块的监测单元分别与各发电单元和/或供电单元连接，以在不同时刻对各光伏组件和/或二次电池盒进行监测；

S5、各发电单元和/或供电单元能够并联有冗余发电单元和/或冗余供电单元，以使得在任一发电单元和/或供电单元性能状态失效时能够由监测单元进行故障隔离或冗余替换。

附图说明

图1是模块化卫星电源系统为卫星上能耗装置供电的构架示意图；

图2是模块化卫星电源系统的结构示意图；

图3是光伏组件在一种优选实施例中的示意图。

附图标记列表

100：发电单元 101：冗余发电单元

110：光伏组件 110a：第一光伏组件

110b：第二光伏组件 110c：第三光伏组件

120：光伏管理模块 200：供电单元

201：冗余供电单元 210：二次电池盒

220：二次电池管理模块 221：充电调控开关

222：放电调控开关 300：监测单元

310：光伏监测模块 320：二次电池监测模块

400：能耗装置

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

如图1所示为模块化卫星电源系统为卫星上能耗装置400供电的构架示意图，如图2所示为卫星电源系统的结构示意图。

本发明公开了一种模块化卫星电源系统，其包括若干个发电单元100和若干个供电单元200，其中，发电单元100包括将光能转化为电能的光伏组件110和与光伏组件110电连接并对其输出的电能进行调控的光伏管理模块120，供电单元200包括将发电单元100输出的电能转化为化学能形式储存并在需要供电时以电能形式输出的二次电池盒210和与二次电池盒210电连接并对其电压进行均衡管理的二次电池管理模块220，若干个发电单元100和若干个供电单元200与能耗装置400串和/或并联在一起并单独或共同在能耗装置400有功率需求时为其供电。

根据一种优选实施例，光伏组件110包括若干个带盖片的单体太阳电池按供电要求以串、并联方式组成方阵，光伏组件110的铺设方式主要有叠瓦式和平铺式两种，叠瓦式的单体电池交叠连接，方阵面积利用率高，但难以维修，平铺式连接应用较普遍，在两单体电池间留有间隙，用于安置互连条，互连后的电池组件敷设在方阵基板上。具体地，单体太阳电池是通过光电效应将太阳能转化为电能的半导体器件，其主要性能参数包括光电转化效率、抗辐射能力、开路电压、短路电流和填充因子等。优选地，光伏组件110的单体太阳电池可选择硅电池片(包括单晶硅、多晶硅等类型)；砷化镓电池片(包括单晶砷化镓和多结砷化镓等类型)；柔性薄膜电池，其是以玻璃、金属箔和塑料等低成本材料为底衬、表面附着以薄膜形式存在的半导体材料的光电转化装置，由于单晶硅和多晶硅电池最高转化效率在20％～50％，难以满足卫星系统对光伏组件110高转化效率的需求，且柔性薄膜电池片最高光电转化效率比硅电池片的约低1/2，并且光电转化性能衰减较快，而聚光条件下的多结砷化镓电池具有光电转化效率高、短路电流小、串联电阻影响小的特点，因此，光伏组件110的单体太阳电池采用多结砷化镓电池。方阵基板是单体太阳电池的安装基础，可采用刚性基板结构、柔性基板结构或半钢性基板结构，本实例采用三结砷化镓太阳能电池片和柔性印刷电路基板，三结砷化镓太阳能电池片使用胶合剂粘结在柔性印刷电路基板上，每块三结砷化镓太阳能电池片的正、负极端直接焊接在柔性印刷电路基板的焊点上。光伏组件110在非工作场合时，采用爆炸螺栓将光伏组件110与航天器机体固定在一起，使其处于收拢的多层折叠状态；当光伏组件110工作时，爆炸螺栓剪断，光伏组件110解除锁紧完成展开动作。

根据一种优选实施例，光伏管理模块120与光伏组件110配合连接并对光伏组件110输出的电能均衡控制后，输出至供电单元200储存和能耗装置400消耗。具体地，光伏管理模块120包括若干个MPPT电路和若干个闭环电路，任意一个MPPT电路输入端分别连接其中一个光伏组件110，输出端分别依次并联连接二次电池盒210和能耗装置400，使电能经MPPT电路得以传输，任意一个闭环电路分别对其中一个MPPT电路进行闭环控制，每一个闭环电路根据光伏组件110的输出电压信号和输出电流信号以及二次电池盒210的电压信号和电流信号，生成驱动信号对与其对应的MPPT电路进行闭环控制，以实现对光伏组件110的最大功率跟踪以及对二次电池盒210的充电管理，从而避免了经过MPPT电路输出的电量过大使二次电池盒210过充。任意一个MPPT电路包括N个DC-DC变换器且DC-DC变换器的输入输出端均并联连接，DC-DC变换器是将原直流电通过调整其占空比来控制输出的有效电压的大小，从而输出满足卫星系统要求的电压，任一DC-DC变换器是其余DC-DC变换器的热备份，通过热备份的方式，降低了正常工作状态下电路的电压电流应力，DC-DC变换器包括开关器件，以导通和切断MPPT电路与二次电池盒210的连接，防止过流、短路。优选地，DC-DC变换器串联在光伏组件110和二次电池盒210之间，可采用升压变换器、降压变换器或者升降压变换器。

根据一种优选实施例，供电单元200与产电单元100串联在一起，且供电单元200与能耗装置400并联并为能耗装置400提供其储存的电能供其消耗，供电单元200包括二次电池盒210和与二次电池盒210配合连接的二次电池管理模块220。具体地，当卫星运行到地球阴影中，日照被地球遮挡的现象称为地影，由于没有阳光，发电单元100的光伏组件110无法采集太阳能并将其转化为电能为能耗装置400供电，为满足能耗装置400的功率需求，供电单元200的二次电池盒210将其在光照期时储存的电能释放以供能耗装置400的功率需求。进一步地，卫星运行过程可根据吸收太阳能的时长分为长光照期、短光照期和地影期。当卫星处于长光照期且二次电池盒210能量充足时，光伏组件110将采集的太阳能转化为电能以完成对能耗装置400的供电，并将多余能量分流以稳定母线电压；当卫星处于长光照期且二次电池盒210能量不足时，光伏组件110将采集的太阳能转化为电能以完成对能耗装置400的供电和对二次电池盒210的充电并稳定母线电压，优先级：光伏组件110优先满足母线电压供电，再对不足的二次电池盒210补充能量，最后将多余的能量分流以器件热辐射形式发散。当卫星处于短光照期时，光伏组件110输出的电能不足以完成对能耗装置400的供电，此时由光伏组件110与二次电池盒210联合供电；当卫星处于地影期时，光伏组件110无法提供电能，二次电池盒210将在长光照期时储存的电能释放以供能耗装置400消耗。优选地，二次电池盒210包括至少两个单体电池，相邻两个单体电池之间两两并联，可采用镉镍蓄电池、氢镍蓄电池和锂离子蓄电池，在本实施例中，采用18650锂电池，单节标称容量2600Ah。

根据一种优选实施例，二次电池盒210与二次电池管理模块220配合连接，且二次电池管理模块220通过对二次电池盒210进行电压均衡以实现对二次电池盒21中的单体电池过充、过放、过电流等情况的控制。其中，二次电池管理模块220包括控制充电电流的充电调控开关221和控制放电电流的放电调控开关222。具体地，单体电池在充电和放电阶段承受很大的瞬间电流会使部分较满的单体电池直接超过损坏的电压区间或是让某些单体电池处于深度放电的状态，当二次电池盒210处于放电过程时，二次电池管理模块220的放电调控开关222开启以控制某些单体电池过放的情况。二次电池管理模块220中可并联若干个升压、降压和/或升降压变换器，任意一个变换器是其余变换器的热备份，以降低正常工作状态下电路的电压电流应力，维持整个系统工作的稳定性。当二次电池盒210处于充电过程时，二次电池管理模块220的充电调控开关221在二次电池盒210电量充满时开启以控制某些单体电池过充的情况。进一步地，二次电池盒210充电控制主要包括充电功率调节和过充电保护控制，充电功率调节是对二次电池进行充电电流限制，主要有两种限流方法：一是设置二次电池盒210的充电调控开关221，调节二次电池盒210的充电电流和电压；二是利用太阳电池的恒流特性设置太阳电池充电控制阵，可直接在光伏组件110的两端并联充电分流控制模块，根据卫星系统能耗装置400的用电需求，在满足母线稳定的同时把光伏组件110供入的富裕功率提供给二次电池盒210充电，既能满足能耗装置400的功率需求，又能对二次电池盒210进行充电，并且稳定了母线电压。

根据一种优选实施例，模块化卫星电源系统包括N个串并联的发电单元100和N个串并联的供电单元200，两者共同配合从而实现对卫星系统能耗装置400的供电。具体地，N个发电单元100之间和N个供电单元200之间性能参数可以完全相同或是存在差异，且发电单元100和供电单元200至少有两个，在本实施例中采用性能参数相同的发电单元100和供电单元200，既有利于大量生产购买，又便于发电单元100中的光伏管理模块120对光伏组件110的均衡管理以及供电单元200中的二次电池管理模块220对二次电池盒210的管理调控。例如当供电单元200中二次电池盒210中的各单体电池电量相同、厂家相同以及生产材料相同，将其串和/或并联在一起时，在二次电池盒210充放电过程中，二次电池管理模块220对单体电池电压高于平均电压的电池进行均衡均流管理，使其电压趋近于平均电压，二次电池管理模块220对单体电池的电压均衡取决于各单体电池电压一致性，因此，当所有单体电池完全相同时，只需简单地增加或是减少供电单元200的个数就能应对能耗装置400不同的功率需求，有利于电压的稳定，也便于二次电池管理模块220进行管理；当供电单元200中二次电池盒210中的各单体电池电量、厂家以及生产材料均存在差异时，在二次电池盒210充放电过程中，可能存在较多单体电池电压高于平均电压的情况，二次电池管理模块220需要对其进行升压或降压调节，以避免各个单体电池过充、过放、过温的情况，对二次电池管理模块220造成了极大的消耗。优选地，在整个系统中采用性能参数相同的发电单元100和供电单元200，其中，发电单元100和冗余发电单元101、供电单元200和冗余供电单元201只需简单叠加便可应对卫星系统不同的供电需求。

根据一种优选实施例，卫星运行过程中，可能由于发电单元100和供电单元200发电/供电能力低下而导致卫星提前进入长光照期、短光照期或地影期。当卫星处于短光照期或是地影期时，二次电池盒210中的任一单体电池因过充、过放、过温而导致电池出现故障，不能正常输出电能，使得卫星系统不能满足能耗装置400的功率需求，能耗装置400停止工作；当卫星处于长光照期时，光伏组件110中的任一太阳电池因无法采集太阳能而失效，导致光伏组件110无法满足能耗装置400的功率需求，二次电池盒210释放电能与光伏组件110联合供电，卫星系统提前进入短光照期。因此，在卫星电源系统中，仅仅是单体太阳电池或是单体二次电池发生故障，都会影响电能的储存与输出，进而影响卫星系统对能耗装置400的供电。优选地，由于每个发电单元100和供电单元200均设置为性能参数相同，故任一单体太阳电池或是单体二次电池发生故障时，仅对相应的发电单元100或是供电单元200中的单体太阳电池或是单体二次电池进行替换。

根据一种优选实施例，在光伏组件110中，电路故障、展开机构故障和对日定向驱动机构故障都可能影响光伏组件110的性能，其中，电路故障为直接影响能，展开机构故障和对日定向驱动机构故障为间接影响。电路故障主要是由于空间环境，例如高低温度的交替会使得光伏组件110的连接片、电子器件和/或导线等因频繁的膨胀收缩而产生机械损坏，从而导致所在部位光伏组件110的电路故障，电路故障可包括短路故障、开路故障和性能提前衰退故障等，其中，短路故障和开路故障可以导致光伏组件110输出功率的下降甚至影响二次电池盒210的充电；性能提前衰退故障会减小光伏组件110的使用寿命，从而降低卫星完成任务的能力。展开机构故障和对日定向驱动机构故障均是由于机械结构故障导致光伏组件110不能移动至预定位置，从而影响了其对太阳能的接收和转换。由于展开力矩不够而造成的展开机构故障可包括部分未展开故障和完全未展开故障，其中，部分未展开故障使得存在至少部分光伏组件110无法展开且未展开的部分光伏组件110无功率输出，导致总功率值小于设计值，从而引起产能单元100产能能力的降低；完全未展开故障使得全部的光伏组件110均无法张开且该光伏组件110无功率输出，导致整个产能单元100丧失产能能力。对日定向驱动机构故障可能由于润滑剂选择不当、温差过大、光伏组件110的自振频率与电气脉冲频率耦合等缘由而造成机构卡死，以使得光伏组件110不能完成对日定向，从而会使得光伏组件110的电流和功率输出严重下降，并导致供电能力的下降。

根据一种优选实施例，二次电池盒210内各单体电池热失控、线路故障、漏夜等都会对二次电池盒210的供电能力产生影响。具体地，已经失效的二次电池盒210经常表现为三种情况：二次电池盒210工作时容量达不到标称容量，严重的出现个别电池放电起始就达到下限，二次电池盒210容量不足的问题可以通过容量测试或内阻在线测试等方法及时发现；二次电池盒210无容量输出，个别电池出现开路状态；长期浮充状态下的二次电池盒210出现短路现象，出现短路现象的二次电池往往可能会产生热失控现象。优选地，在二次电池盒210内各单体电池的旁路并联一个二极管，可防止单体电池发生故障时影响二次电池盒210的供电能力。

根据发电单元100采集到的太阳能转化为电能是否能够满足能耗装置400的需求，可将卫星运行过程分为长光照期、短光照期和地影期，且模块化卫星电源系统中设有测量仪，可通过测量光伏组件110是否输出电能来准确地估计短光照期和地影期的交替，而长光照期和短光照期的交替可通过测量光伏组件110输出的电能是否满足能耗装置400的功率需求来准确地估计。

当卫星处于长光照期且二次电池盒210能量充足时，光伏组件110将采集的太阳能转化为电能以完成对能耗装置400的供电，并将多余能量分流以稳定母线电压；当卫星处于长光照期且二次电池盒210能量不足时，光伏组件110将采集的太阳能转化为电能以完成对能耗装置400的供电和对二次电池盒210的充电并稳定母线电压；当卫星处于短光照期时，光伏组件110输出的电能不足以完成对能耗装置400的供电，此时由光伏组件110与二次电池盒210联合供电；当卫星处于地影期时，光伏组件110无法提供电能，二次电池盒210将在长光照期时储存的电能释放以供能耗装置400消耗。进一步地，当卫星电源系统在长光照期、短光照期和地影期之间反复交替时，光伏组件110和二次电池盒210也处在静态和动态的不断交替中。优选地，卫星电源系统设有可对交替时期的光伏组件110和二次电池盒210的性能参数进行监测的监测单元300，以防止由于光伏组件110和二次电池盒210在长光照期、短光照期和地影期状态不断发生改变时发生故障而影响整个卫星系统的稳定性。

根据一种优选实施例，监测单元300设有光伏监测模块310，光伏监测模块310与若干个光伏组件110电连接并在光伏组件110性能参数改变且足以影响其产生电能时，发送信号数据使与光伏组件110连接的光伏管理模块120对相应的光伏组件110进行管理调控。光伏管理模块120调控与其相连接的光伏组件110将电能优先满足母线电压供电，再对电量不足的二次电池盒210补充能量，最后将多余的能量分流以器件热辐射形式发散。光伏监测模块120通过分压电路对光伏组件110产生和输出电能过程中的电压、温度等参数进行监测并将监测数据与历史数据进行对比。其中，光伏监测模块310可针对每一个发电单元100的光伏组件110采用电阻分压电路采集光伏组件110的电路输出电压和光伏组件110的温度数据，传输机构可将所采集的数据转换为总线信号通过驱动机构滑环传递至数据处理机构以转换成模拟信号，并经过数传最终获取光伏组件110的电路输出电压和光伏组件110的温度数值，以此监测光伏组件110的电路工作状态。进一步地，在各发电单元100设计时，光伏监测模块310可先将与光伏组件110数量相对应的负温度系数热敏电阻贴于对应的光伏组件110背面，并将热敏电阻两端的正、负引线通过电连接器接入传输机构以监测光伏组件110的电路工作温度；再将光伏组件110的两端分别通过正、负引线接入传输机构以监测光伏组件110的电路输出电压；然后传输机构将采集的电压和温度信号转换为总线信号，通过电连接器将转换后的总线信号输出至驱动机构滑环；最后总线信号通过驱动机构滑环传输至数据处理机构转换为模拟信号，经过数传最终得到光伏组件110的电路输出电压和光伏组件110的温度数值，并在光伏组件110的电路输出电压和光伏组件110的温度数值出现异常时发出警告。根据太阳电池的发电热特性，光伏组件110的温度会随着电流的变化而变化，当贴于光伏组件110背面的热敏电阻监测到的温度值异常时，可配合电路输出电压值以更加准确地判断出发生何种故障。

根据一种优选实施例，对于安装在太阳能帆板上的若干光伏组件110，根据是否能够接收到太阳光可将太阳能帆板分为受光区域和非受光区域，其中，随着卫星的环绕运行，受光区域和非受光区域的面积呈相对变化趋势。当卫星由长光照期向短光照期运行或短光照期向长光照期运行时，可能是由于能耗装置400功率提高或光伏组件110性能降低甚至失效导致的，以此可通过光伏监测模块310来对各光伏组件110性能状态进行监测，以判断是否为任一光伏组件110出现故障而引起运行时期的切换，从而便于及时确定解决方案。当卫星由长光照期或短光照期向地影期运行时，太阳能帆板上的非受光区域逐渐增大，受光区域逐渐减小，使得能够接收到太阳光的光伏组件110数量逐渐减小且能够提供的总电能呈骤减趋势，可通过光伏监测模块310对即将由工作状态切换为非工作状态的光伏组件110进行依次监测，以获取该光伏组件110的性能状态并作为历史性能数据进行储存。当卫星由地影期向长光照期或短光照期运行时，太阳能帆板上的非受光区域逐渐减小，受光区域逐渐增大，使得能够接收到太阳光的光伏组件110数量逐渐增多且能够提供的总电能呈激增趋势，可通过光伏监测模块310对已由非工作状态切换为工作状态的光伏组件110进行依次监测并可与历史性能数据进行对比，以判断光伏组件110运行状态的恢复程度，从而在保证各光伏组件110运行状态的顺利切换的同时，还可避免同时监测时可能出现的数据干扰等问题。例如，如图3所示为在一种优选实施例中卫星由地影期向长光照期或短光照期运行过程中某一时刻下的示意图，在该时刻下，第一光伏组件110a完全处于受光区域，第三光伏组件110c完全处于非受光区域，第二光伏组件110b的部分结构处于受光区域且剩余部分结构处于非受光区域，以此使得光伏监测模块310能够对第一光伏组件110a、第二光伏组件110b和第三光伏组件110c进行依次监测，并将监测结果与历史性能数据进行对比后确认对应光伏组件110的性能状态是否异常。

根据一种优选实施例，监测单元300设有二次电池监测模块320，且二次电池监测模块320记录有基于不同的二次电池盒210的单体电池的性能参数，并能根据不同的单体电池选择适用的参数进行对比。例如，当二次电池盒210由镍氢蓄电池单体组成时，可通过监测二次电池盒210的氢压值来判断二次电池盒210的工作状态，其中，当二次电池盒210处于正常工作状态时，其氢压值可在一个稳定值附近平稳波动，且波动的统计特性是稳定的；当二次电池盒210处于异常工作状态时，其氢压值波动的统计特性发生变化。进一步地，采用过程控制理论中的累积和控制图对受监测值进行检验，将小偏离叠加就能够识别出偏离，当前计算的偏离值是在上一时刻偏离值的叠加，以使得能够实现对卫星电源系统的异常检测、微小故障的早期预警。

根据一种优选实施例，对于安装在二次电池箱内的若干二次电池盒210，根据其运行状态可分为充电状态、放电状态和非工作状态，其中，在长光照期时二次电池盒210可处于充电状态或非工作状态，在短光照期和地影期时处于放电状态。二次电池盒210至少在长光照期与短光照期或长光照期与地影期交替时运行状态会发生切换，且在短光照期与地影期的交替过程中，为能耗装置400提供电能的形式也会发生变化，因此在长光照期、短光照期和地影期中任意两者的交替时刻可通过二次电池监测模块320对各二次电池盒210进行监测，以确保二次电池盒210运行状态的正确切换，并保证供电单元能够完成储存及释放足够能量的功能。在卫星由长光照期向短光照期或地影期切换时，光伏组件110所能够提供的电能减少，至少部分二次电池盒210能够被优先切换为放电状态以满足能耗装置400的消耗，直至所有的二次电池盒210均切换为放电状态以大量释放所储存的电能，以使得二次电池监测模块320可对各二次电池盒210在运行状态切换前后的性能状态进行依次监测，以保证各二次电池盒210的运行状态正确切换，同时避免监测过程中的数据干扰。在卫星由短光照期或地影期向长光照期切换时，光伏组件110所能够提供的电能增加，直至能够完全满足能耗装置400的电能需求，二次电池盒210可由放电状态切换为非工作状态，并通过二次电池监测模块320对各二次电池盒210的性能状态的监测，以判断二次电池盒210是否需要切换为充电状态以进行电能储存。当卫星在短光照期与地影期之间切换时，二次电池盒210一直处于放电状态，但由于不同的供电组成形式使得二次电池盒210在两种运行时期的性能状态存在差异，通过二次电池监测模块320确保各二次电池盒210的正常运行，以使得光伏组件110在无法满足能耗装置400需求时能够通过二次电池盒210释放电能得以完全补充。

监测单元300在监测到任一光伏组件110和/或二次电池盒210出现异常数据时，可将异常数据与标准数据和/或历史性能数据进行比较后，根据对比差值与预设阈值之间的关系而选择适当的处理方式。当对比差值小于预设阈值时，表明光伏组件110和/或二次电池盒210可能出现了性能降低的异常，可通过驱动对应的光伏管理模块120和/或二次电池管理模块220进行异常调节，以保证各发电单元100和/或供电单元200的均衡；当对比差值大于预设阈值时，表明光伏组件110和/或二次电池盒210可能出现了性能失效的故障，可通过驱动额外设置的冗余发电单元101和/或冗余供电单元201进行故障隔离及替换，以使得冗余发电单元101和/或冗余供电单元201能够代替故障的发电单元100和/或供电单元200以保证卫星电源系统的正常运行。

根据一种优选实施例，监测单元300在长光照期、短光照期和地影期中任意两者交替时刻对各光伏组件110和/或二次电池盒210进行监测时，可将监测数据与历史性能数据和/或标准数据进行对比，以通过监测差值与预设阈值之间的关系来确定任一光伏组件110和/或二次电池盒210的性能状态，并且监测单元300能够定位至当前所得监测数据对应的光伏组件110或二次电池盒210所属的发电单元100或供电单元200的准确位置。优选地，预设阈值可设有第一阈值、第二阈值和第三阈值，其中，当监测差值小于第一阈值时，则对应的光伏组件110或二次电池盒210处于正常的运行状态且与其他光伏组件110或二次电池盒210性能状态几乎相同，以使得其能够完成既定的产能或储能任务；当监测差值处于第一阈值与第二阈值之间时，则对应的光伏组件110或二次电池盒210可能由于性能状态的波动而形成了较小偏差，以使得监测单元300可通过与其相应的或其他同类型模块所关联的管理模块进行调节，从而消除较小偏差；当监测差值处于第二阈值与第三阈值之间时，则对应的光伏组件110或二次电池盒210可能由于性能状态的劣化或衰退而形成了较大偏差，以使得监测单元300可通过定位至对应的发电单元100或供电单元200并对其进行附有当前性能状态和/或电路特性等参数的劣化标记，带有劣化标记的发电单元100或供电单元200可根据产能储能需求等具体情况进行故障隔离或冗余替换，直至监测单元300在监测到其他同类型模块的性能状态在长期使用后也劣化或衰退至同等程度时，可去除劣化标记并将其重新连入卫星电源系统中，各发电单元100或供电单元200的性能均衡；当监测差值大于第三阈值时，则对应的光伏组件110或二次电池盒210可能由于短路/开路等电路故障而导致性能失效，以使得监测单元300可通过定位至对应的发电单元100或供电单元200，并将其从卫星电源系统中隔离以通过额外设置的冗余发电单元101或冗余供电单元201对其进行替换，以保证卫星电源系统的产能/储能能力。

本发明还公开了一种模块化卫星电源系统的配置方法，该配置方法用于配置前述任一实施例所述的卫星电源系统，其中，配置方法包括如下步骤：

S1、将若干太阳电池单体以串联和/或并联的方式连接构成光伏组件110，将若干蓄电池单体以串联和/或并联的方式连接构成二次电池盒210；

S2、将光伏组件110与光伏管理模块120连接以构成发电单元100，将二次电池盒210与二次电池管理模块220连接以构成供电单元200；

S3、将若干发电单元100连接以构成产能构架，将若干供电单元200连接以构成储能构架，其中，产能构架能够通过一次母线与储能构架电连接；

S4、将带有光伏监测模块310和二次电池监测模块的监测单元300分别与各发电单元100和/或供电单元200连接，以在不同时刻对各光伏组件110和/或二次电池盒210进行监测；

S5、各发电单元100和/或供电单元200能够并联有冗余发电单元101和/或冗余供电单元201，以使得在任一发电单元100和/或供电单元200性能状态失效时能够由监测单元300进行故障隔离或冗余替换。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种模块化卫星电源系统，其包括：

若干个发电单元(100)，其用于采集光能并转化为电能，

若干个供电单元(200)，与所述发电单元(100)电连接并将所述发电单元(100)输出的电能以化学能形式储存并在需要供电时以电能形式输出，

监测单元(300)，分别与所述发电单元(100)和所述供电单元(200)电连接，并在所述发电单元(100)和所述供电单元(200)产生、储存及释放电能的过程中监测性能参数，

其特征在于，

作为单元模块的所述发电单元(100)包括将光能转化为电能的光伏组件(110)和与所述光伏组件(110)电连接并对其输出的电能进行调控的光伏管理模块(120)，作为单元模块的所述供电单元(200)包括储存及释放电能的所述二次电池盒(210)和与所述二次电池盒(210)电连接并对其电压进行均衡管理的二次电池管理模块(220)，其中，

所述监测单元(300)能够在不同时刻对各所述光伏组件(110)和/或所述二次电池盒(210)进行监测以获得能够与历史性能数据和/或标准数据进行对比的监测数据，根据经过对比后的监测差值与若干预设阈值之间的不同关系以针对不同单元模块的所述发电单元(100)和/或所述供电单元(200)而确定不同处理方式。

2.根据权利要求1所述的卫星供电系统，其特征在于，所述监测单元(300)包括光伏监测模块(310)和二次电池监测模块(320)，以监测由于所述光伏组件(110)和所述二次电池盒(210)在长光照期、短光照期和地影期状态不断发生改变时的状态，避免其发生故障而影响整个卫星系统的稳定性。

3.根据权利要求2所述的卫星供电系统，其特征在于，所述光伏监测模块(310)与若干个所述光伏组件(110)电连接并在所述光伏组件(110)性能参数改变且足以影响其产生电能时，发送信号数据使与所述光伏组件(110)连接的所述光伏管理模块(120)对相应的所述光伏组件(110)进行管理调控。

4.根据权利要求3所述的卫星供电系统，其特征在于，所述光伏管理模块(120)调控与其相连接的所述光伏组件(110)以将电能优先满足母线电压供电，再对电量不足的所述二次电池盒(210)补充能量，最后将多余的能量分流以器件热辐射形式发散。

5.根据权利要求4所述的卫星供电系统，其特征在于，所述光伏监测模块(310)通过分压电路对所述光伏组件(110)产生和输出电能过程中的电压、温度等参数进行监测并将监测数据与历史数据进行对比。

6.根据权利要求5所述的卫星供电系统，其特征在于，所述二次电池监测模块(320)与若干个所述二次电池盒(210)电连接并在所述二次电池盒(210)性能参数改变且足以影响其产生电能时，发送信号数据使与所述二次电池盒(210)连接的所述二次电池管理模块(220)对相应的所述二次电池盒(210)进行管理调控。

7.根据权利要求6所述的卫星供电系统，其特征在于，所述二次电池管理模块(220)对与其相连接的二次电池盒(210)中的各单体电池进行电压均衡调控，使各单体电池的电压趋近于平均电压。

8.根据权利要求7所述的卫星供电系统，其特征在于，所述二次电池监测模块(320)记录有基于不同的所述二次电池盒(210)的单体电池的性能参数，并能根据不同的单体电池选择适用的参数进行对比。

9.根据权利要求8所述的卫星供电系统，其特征在于，所述二次电池管理模块(220)包括控制充电电流的充电调控开关(221)和控制放电电流的放电调控开关(222)以防止所述二次电池盒(210)过充和过放，且所述充电调控开关(221)和所述放电调控开关(222)在长光照期和短光照期时刻发生变化时控制所述二次电池盒(210)充电和放电状态发生改变。

10.一种模块化卫星电源系统的配置方法，其特征在于，所述配置方法用于配置前述任一权利要求之一所述的卫星电源系统，其中，所述配置方法包括如下步骤：

S1、将若干太阳电池单体以串联和/或并联的方式连接构成光伏组件(110)，将若干二次电池单体以串联和/或并联的方式连接构成二次电池盒(210)；

S2、将所述光伏组件(110)与光伏管理模块(120)连接以构成发电单元(100)，将所述二次电池盒(210)与二次电池管理模块(220)连接以构成供电单元(200)；

S3、将若干所述发电单元(100)连接以构成产能构架，将若干所述供电单元(200)连接以构成储能构架，其中，所述产能构架能够通过一次母线与所述储能构架电连接；

S4、将带有光伏监测模块(310)和二次电池监测模块(320)的监测单元(300)分别与各所述发电单元(100)和/或所述供电单元(200)连接，以在不同时刻对各所述光伏组件(110)和/或所述二次电池盒(210)进行监测；

S5、各所述发电单元(100)和/或所述供电单元(200)能够并联有冗余发电单元(101)和/或冗余供电单元(201)，以使得在任一所述发电单元(100)和/或所述供电单元(200)性能状态失效时能够由所述监测单元(300)进行故障隔离或冗余替换。

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