CN113703514A - 卫星太阳电池阵mppt与s3r异构控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统与方法，属于太阳电池阵输出到母线的功率调节领域；包括n个顺序开关分流控制电路、能源管理下位机、蓄电池包；其中，每个顺序开关分流控制电路包括太阳电池分阵、峰值功率跟踪硬件控制模块、顺序开关分流控制模块、峰值功率跟踪降压模块、峰值功率跟踪旁路模块、充电电流采样模块、母线电压采样模块和第一二极管D1；本发明通过峰值功率跟踪旁路电路的切换，进行两种控制方法异构的冷备份设计，在不增加过多硬件资源的情况下，提高了卫星供电系统的可靠性安全性。

Description

卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统与方法

技术领域

本发明属于太阳电池阵输出到母线的功率调节领域，涉及卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统与方法。

背景技术

卫星绕地球一圈的时间为轨道周期T_r，通常情况下轨道周期包括阴影时间T_sw和光照时间T_sun，阴影时间是指卫星在轨道周期内不受太阳光照射的时间，光照时间是指卫星在轨道周期内受太阳光照射的时间。

电源分系统是指在卫星寿命期间提供能源的卫星子系统，卫星电源分系统一般为太阳电池阵—蓄电池组系统，由太阳电池阵、锂离子蓄电池包和电源调控设备组成。太阳电池阵作为唯一的发电设备，在光照时间受照发电为星上负载供电，同时为蓄电池组充电，当其输出功率大于负载用电和蓄电池充电所需功率时，多余能量经电源调控设备的分流调节器分流。蓄电池组作为储能设备，在阴影时间为负载设备供电，在光照时间由太阳电池阵输出供给负载后的多余能量充电。

目前，电源调控设备内太阳电池阵输出到母线的功率调节方法应用最广泛的是采用顺序开关分流模式。当母线电压或充电电流高于设定值时，则从第n级开始，分流电路的分流功率管由截止状态进入包和导通状态，此时与其相对应的太阳电池电路的电压变为功率管的饱和压降，该级太阳电池电路输出电功率被全部分流。若母线电压或充电电流仍大于设定值，则第n-1级以同样的方式转入分流状态。任意时刻内，有且仅有一级分流电路处于分流和供电的切换状态。其他各级工作于饱和导通或截止状态。

锂离子蓄电池组通常采用先恒流充电后限压充电的充电模式，即蓄电池组电压较低时采用大电流恒流充电，但此时的充电电流大小一般不超过0.3C；到达蓄电池组允许的最大电压后，转入恒压充电模式，即蓄电池组电压不再升高，而是逐步降低蓄电池组的充电电流，使锂离子蓄电池组不被过充电。

太阳电池阵输出电压受温度影响较大，当太阳电池阵输出功率采用顺序开关分流控制模式时，供电到母线的输出电压不能随温度变化而变化，则太阳电池的输出功率会有较大损失。受卫星轨道、姿态和构型的约束，当卫星在轨正常运行，太阳翼法线和太阳光矢量的夹角在一个轨道圈内变化较大时，太阳电池阵在受照发电时的温度也变化较大，所以此类卫星不宜采用顺序开关分流控制模式。太阳电池阵的峰值功率跟踪(MPPT)控制模式将完美解决太阳电池阵受温度影响的输出功率损失问题。目前MPPT控制模式也已逐步完成了技术攻关，开始了在轨应用。

目前，MPPT控制方式在轨应用经历较少，技术成熟度还需要进一步积累，顺序开关分流控制技术却已十分成熟。所以可以通过将两种控制方法进行结合，互为备份的方式，提高卫星供电系统的可靠性安全性，但这样会增加系统的硬件成本和复杂度，与卫星的重量控制和可靠性提升相悖。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统与方法，通过峰值功率跟踪旁路电路的切换，进行两种控制方法异构的冷备份设计，在不增加过多硬件资源的情况下，提高了卫星供电系统的可靠性安全性。

本发明解决技术的方案是：

卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，包括n个顺序开关分流控制电路、能源管理下位机、蓄电池包；其中，每个顺序开关分流控制电路包括太阳电池分阵、峰值功率跟踪硬件控制模块、顺序开关分流控制模块、峰值功率跟踪降压模块、峰值功率跟踪旁路模块、充电电流采样模块、母线电压采样模块和第一二极管D1；

其中，顺序开关分流控制模块包括第一驱动电路、太阳电池阵电流采样模块、第一MOS功率开关M1、第一电阻R1、第二电阻R2；

峰值功率跟踪降压模块包括第二MOS功率开关M2、储能电感L1、第三二极管D3、第四二极管D4、滤波电容C_in；

峰值功率跟踪旁路模块包括第三MOS功率开关M3、第二驱动电路、第五二极管D5；

蓄电池包包括蓄电池组、第二二极管D2、放电开关继电器K1；

太阳电池分阵的正端与第一二极管D1的输入端连接；第一二极管D1的输出端分别与第一MOS功率开关M1的漏极、第一电阻R1的一端、滤波电容C_in的一端、第二MOS功率开关M2的漏极、第三MOS功率开关M3的漏极连接；第一MOS功率开关M1的门极与第一驱动电路的一端连接；第一驱动电路的另一端与能源管理下位机连接；太阳电池分阵的负端与太阳电池阵电流采样模块的一端连接；太阳电池阵电流采样模块的另一端与能源管理下位机连接；第一MOS功率开关M1的源极与一次地连接；第一电阻R1的另一端分别于第二电阻R2的一端、能源管理下位机连接；第二电阻R2的另一端与能源管理下位机连接；第三MOS功率开关M3的源极与第五二极管D5的输入端连接；第三MOS功率开关M3的门极与第二驱动电路的一端连接；第二驱动电路的另一端与能源管理下位机连接；第五二极管D5的输出端分别与第四二极管D4的输出端、第二二极管D2的输入端、放电开关继电器K1、母线电压采样模块连接；第二MOS功率开关M2的源极分别与第三二极管D3的输出端、储能电感L1的一端连接；第三二极管D3的输入端接一次地；第二MOS功率开关M2的门极与峰值功率跟踪旁路模块连接；储能电感L1的另一端分别与第五二极管D5的输出端、第二二极管D2的输入端、放电开关继电器K1、母线电压采样模块连接；第二二极管D2与放电开关继电器K1组成并联电路，并联电路的输入端分别与第五二极管D5的输出端、第四二极管D4的输出端、母线电压采样模块连接；并联电路的输出端通过蓄电池组与充电电流采样模块连接；充电电流采样模块分别与蓄电池组、一次地、能源管理下位机连接；母线电压采样模块分别与第五二极管D5的输出端、第四二极管D4的输出端、并联电路输入端、一次地、能源管理下位机连接；n为不小于2的正整数。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，各顺序开关分流控制电路中的第一MOS功率开关M1通过第一驱动电路接收由能源管理下位机输出的分流控制指令，实现控制第一MOS功率开关M1的通断。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，各顺序开关分流控制电路中的太阳电池阵电流采样模块采集对应太阳电池分阵的电流I_sa，并将I_sa发送至能源管理下位机；各母线电压采样模块采集对应顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS，并将U_BUS发送至能源管理下位机；充电电流采样模块采集蓄电池包的充电电流I_BAT，并将I_BAT发送至能源管理下位机；能源管理下位机采集各顺序开关分流控制电路的分流状态S_st；所述能源管理下位机内部设置有顺序开关分流控制模块；顺序开关分流控制模块与峰值功率跟踪硬件控制模块互为备份；顺序开关分流控制模块生成n个分流控制指令和n个旁路控制指令；n个分流控制指令对应n个顺序开关分流控制电路；n个旁路控制指令对应n个顺序开关分流控制电路；

能源管理下位机将各分流控制指令通过对应顺序开关分流控制电路的第一驱动电路发送至第一MOS功率开关M1；实现控制各对应顺序开关分流控制电路中第一MOS功率开关M1的通断；

能源管理下位机将各旁路控制指令通过对应顺序开关分流控制电路的第二驱动电路发送至第三MOS功率开关M3；实现控制各对应顺序开关分流控制电路中第三MOS功率开关M3的通断。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，当分流控制指令为高电平时，对应第一MOS功率开关M1导通，顺序开关分流控制电路处于分流状态，此时，太阳电池分阵输出的正线和负线短路，即功率输入正和一次地之间通过M1短路，太阳电池分阵不能将发电功率输出到蓄电池包；当分流控制指令为低电平时，对应第一MOS功率开关M1关断，顺序开关分流控制电路处于供电状态，此时太阳电池分阵的发电功率通过峰值功率跟踪降压模块或者峰值功率跟踪旁路模块输出到蓄电池包。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，当旁路控制指令控制对应顺序开关分流控制电路中的第三MOS功率开关M3导通时，对应的峰值功率跟踪降压模块被旁路，不再工作，转入顺序开关分流控制模块工作模式；当旁路控制指令控制对应顺序开关分流控制电路中的第三MOS功率开关M3关断时，峰值功率跟踪降压模块工作，转入峰值功率跟踪硬件控制模块工作模式。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，所述各顺序开关分流控制电路中的峰值功率跟踪硬件控制模块生成第二MOS功率开关控制信号，并将第二MOS功率开关控制信号发送至第二MOS功率开关M2，实现控制第二MOS功率开关M2的通断；

当第二MOS功率开关M2接通时，太阳电池阵分阵的输出电流输出到蓄电池包，同时给储能电感L1充电，当第二MOS功率开关M2关断时，储能电感L1放电输出到蓄电池包；通过控制第二MOS功率开关M2接通时间与整个开关周期的比值，实现对太阳电池分阵的峰值功率跟踪以及太阳电池阵输出电压的降压控制；当太阳电池分阵输出功率过多时，M₂将一直处于关断状态，太阳电池分阵处于开路状态，不再输出功率到蓄电池包上。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统实现的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，步骤如下：

当正常情况下，处于峰值功率跟踪硬件控制模块工作模式，各太阳电池分阵通过峰值功率跟踪降压模块，在峰值功率跟踪硬件控制模块控制下实现为外部卫星供电；

当峰值功率跟踪硬件控制模块或峰值功率跟踪降压模块出现故障时，能源管理下位机将各峰值功率跟踪旁路模块中的第三MOS功率开关M3全部导通，转入顺序开关分流控制模块工作模式。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，顺序开关分流控制模块的工作流程为：

预设母线电压转默认状态阈值，对各顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS进行判断，当U_BUS低于母线电压转默认状态阈值且持续a秒时，则将对应的顺序开关分流控制电路的分流控制指令全部为低电平输出，当前判断结束，并重新对各顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS进行判断；a为预设时间；

当U_BUS不低于母线电压转默认状态阈值，则判断方阵电流状态；设定方阵阴影区阈值，当方阵电流小于方阵阴影区阈值且持续a秒时，则将对应的顺序开关分流控制电路的分流控制指令全部为低电平输出，当前判断结束，并重新对各顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS进行判断；其中，方阵电流为指太阳电池阵各分阵电流之和∑Isa；当方阵电流不小于方阵阴影区阈值时，设定母线电压过高阈值，再次判断母线电压U_BUS，当母线电压U_BUS大于等于母线电压过高阈值时，将对应的顺序开关分流控制电路的分流控制指令全部为高电平输出；使太阳电池阵处于分流状态，当前判断结束，返回从头开始下一次判断；

当母线电压小于母线电压过高阈值时，进行如下判断：

设定充电电流过低阈值和充电电流过高阈值；

当充电电流I_BAT大于充电电流过高阈值且持续a秒时，则进入分流一次启动流程；分流依次启动流程结束后进入按电压阈值分流依次启动流程；否则，直接进入按电压阈值分流依次启动流程；按电压阈值分流依次启动流程结束后的判断条件为：

当充电电流I_BAT小于充电电流过低阈值且持续a秒时，进入按电压阈值分流依次退出流程，结束后，当前判断结束，从头开始下一次判断；否则，直接结束当前判断，开始下一次判断。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，所述分流依次启动流程如下：

从第1个顺序开关分流控制电路开始，判断第1个顺序开关分流控制电路是否为分流状态，若不是在分流状态，则将第1个顺序开关分流控制电路对应的分流控制指令1输出为高电平，将第1个顺序开关分流控制电路分流，当前判断结束；若在分流状态，则判断第2个顺序开关分流控制电路是否在分流状态；若不在分流状态，则将第2个顺序开关分流控制电路对应的分流控制指令2输出为高电平，将第2个顺序开关分流控制电路分流，当前判断结束；然后依次判断第1个顺序开关分流控制电路、…、第n个顺序开关分流控制电路，从低到高，依次判断。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，按电压阈值分流依次启动流程如下：

判断母线电压，若母线电压大于等于第1个顺序开关分流控制电路的分流阈值且持续b秒，则对应第1个顺序开关分流控制电路的旁路控制指令1输出高电平；然后再一次判断母线电压，若母线电压大于等于第2个顺序开关分流控制电路分流阈值且持续b秒，则对应第2个顺序开关分流控制电路的旁路控制指令2输出高电平；然后依次判断母线电压大于等于第3个顺序开关分流控制电路分流阈值且持续b秒、…、母线电压大于等于第n个顺序开关分流控制电路分流阈值且持续b秒，若上述判断过程中，有任意一次判断结果为否，则按电压阈值分流依次启动流程结束；b为预设时长。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，按电压阈值分流依次退出流程如下：

判断母线电压，若母线电压小于等于第n个顺序开关分流控制电路的供电阈值且持续b秒，则对应第n个顺序开关分流控制电路的分流控制指令n输出低电平；然后再一次判断母线电压，若母线电压小于等于第n-1个顺序开关分流控制电路的供电阈值且持续b秒，则对应第n-1个顺序开关分流控制电路的分流控制指令n-1输出低电平；然后依次判断母线电压小于等于第n-2个顺序开关分流控制电路的供电阈值且持续b秒、…、母线电压小于等于第1个顺序开关分流控制电路供电阈值且持续b秒，若上述判断过程中，有任意一次判断结果为否，则按电压阈值分流依次退出流程结束。

在上述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，上述各个阈值的设定原则如下：

母线电压转默认状态阈值的选择，以保护蓄电池组，以及卫星的能源安全为原则，高于卫星进入能源安全模式的门限值，对于锂离子蓄电池组，设置为N×3.7V，其中N为蓄电池组的串联节数；

方阵电流阴影区阈值的选择以标识太阳电池阵不能受照发电为原则，设置为1A；

母线电压过高阈值的选择，以保护蓄电池不过充电为原则，低于设计的蓄电池组的过充电保护门限，对于锂离子蓄电池组，设置为N×4.15V，其中N为蓄电池组的串联节数；

充电电流过高阈值的选择，以保护蓄电池组为原则，根据蓄电池组的设计，对于锂离子蓄电池组，设置为0.3C，其中C为蓄电池组的额定容量；

充电电流过低阈值的选择，以即能保证以允许的最大电流充电，又不出现同一条分流控制指令在高低电平频繁切换为原则，设置为0.3C-MAX太阳电池单个分阵输出电流；其中MAX太阳电池分阵输出电流为太阳电池阵各分阵中，单个分阵输出的最大电流值；

分流控制电路1分流阈值、分流控制电路1供电阈值、…、分流控制电路n分流阈值、分流控制电路n供电阈值的选择，都大于母线电压转默认状态阈值，小于母线电压过高阈值；分流控制电路1分流阈值<分流控制电路2分流阈值<…<分流控制电路n分流阈值，两两之间相差0.1V；分流控制电路1供电阈值<分流控制电路2供电阈值<…<分流控制电路n供电阈值，两两之间相差0.1V；同一个分流控制电路的供电阈值小于分流阈值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用峰值功率跟踪控制模式作为太阳电池阵输出到母线的功率调节方法，实现了对不同温度下太阳电池阵输出功率的最大功率点跟踪输出，提高了太阳电池阵的输出功率，降低了卫星成本；

(2)本发明采用峰值功率跟踪控制模式与顺序开关分流模式的异构控制方法，用成熟的顺序开关分流模式作为峰值功率跟踪控制模式的备份控制方法，提高了卫星供电系统的可靠性安全性；

(3)本发明的顺序开关分流模式采用软件逻辑实现，不增加系统的硬件成本和硬件的复杂度。

附图说明

图1为本发明控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统与方法，属于太阳电池阵输出到母线的功率调节领域；包括n个顺序开关分流控制电路、能源管理下位机、蓄电池包。本发明通过峰值功率跟踪旁路电路的切换，进行两种控制方法异构的冷备份设计，在不增加过多硬件资源的情况下，提高了卫星供电系统的可靠性安全性。

卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，如图1所示，具体包括n个顺序开关分流控制电路、能源管理下位机、蓄电池包；其中，每个顺序开关分流控制电路包括太阳电池分阵、峰值功率跟踪硬件控制模块(MPPT)、顺序开关分流控制模块、峰值功率跟踪降压模块、峰值功率跟踪旁路模块、充电电流采样模块、母线电压采样模块和第一二极管D1；。

为卫星供电的电源系统包括太阳电池阵、蓄电池组和电源调控设备。其中太阳电池阵作为发电设备，接受太阳辐射并按照一定的转换效率转换成电能，其输出的功率进入电源调控设备内；蓄电池组作为储能设备，在太阳电池不发电，或发电不足时，为整星负载供电；在太阳电池阵发电供给负载有余量时，对其进行充电；电源调控设备：根据负载和充电的用电需求，对太阳电池阵的输出功率进行调节，并对蓄电池组的充电进行控制，在太阳电池阵不发电时，将蓄电池组的放电输出给负载供电。

其中，顺序开关分流控制模块包括第一驱动电路、太阳电池阵电流采样模块、第一MOS功率开关M1、第一电阻R1、第二电阻R2。

峰值功率跟踪降压模块包括第二MOS功率开关M2、储能电感L1、第三二极管D3、第四二极管D4、滤波电容C_in。

峰值功率跟踪旁路模块包括第三MOS功率开关M3、第二驱动电路、第五二极管D5。

蓄电池包包括蓄电池组、第二二极管D2、放电开关继电器K1。

太阳电池分阵的正端与第一二极管D1的输入端连接；第一二极管D1的输出端分别与第一MOS功率开关M1的漏极、第一电阻R1的一端、滤波电容C_in的一端、第二MOS功率开关M2的漏极、第三MOS功率开关M3的漏极连接；第一MOS功率开关M1的门极与第一驱动电路的一端连接；第一驱动电路的另一端与能源管理下位机连接；太阳电池分阵的负端与太阳电池阵电流采样模块的一端连接；太阳电池阵电流采样模块的另一端与能源管理下位机连接；第一MOS功率开关M1的源极与一次地连接；第一电阻R1的另一端分别于第二电阻R2的一端、能源管理下位机连接；第二电阻R2的另一端与能源管理下位机连接；第三MOS功率开关M3的源极与第五二极管D5的输入端连接；第三MOS功率开关M3的门极与第二驱动电路的一端连接；第二驱动电路的另一端与能源管理下位机连接；第五二极管D5的输出端分别与第四二极管D4的输出端、第二二极管D2的输入端、放电开关继电器K1、母线电压采样模块连接；第二MOS功率开关M2的源极分别与第三二极管D3的输出端、储能电感L1的一端连接；第三二极管D3的输入端接一次地；第二MOS功率开关M2的门极与峰值功率跟踪旁路模块连接；储能电感L1的另一端分别与第五二极管D5的输出端、第二二极管D2的输入端、放电开关继电器K1、母线电压采样模块连接；第二二极管D2与放电开关继电器K1组成并联电路，并联电路的输入端分别与第五二极管D5的输出端、第四二极管D4的输出端、母线电压采样模块连接；并联电路的输出端通过蓄电池组与充电电流采样模块连接；充电电流采样模块分别与蓄电池组、一次地、能源管理下位机连接；母线电压采样模块分别与第五二极管D5的输出端、第四二极管D4的输出端、并联电路输入端、一次地、能源管理下位机连接；n为不小于2的正整数。

各顺序开关分流控制电路中的第一MOS功率开关M1通过第一驱动电路接收由能源管理下位机输出的分流控制指令，实现控制第一MOS功率开关M1的通断。各顺序开关分流控制电路中的太阳电池阵电流采样模块采集对应太阳电池分阵的电流I_sa，并将I_sa发送至能源管理下位机；各母线电压采样模块采集对应顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS，并将U_BUS发送至能源管理下位机；充电电流采样模块采集蓄电池包的充电电流I_BAT，并将I_BAT发送至能源管理下位机；能源管理下位机采集各顺序开关分流控制电路的分流状态S_st；所述能源管理下位机内部设置有顺序开关分流控制模块；顺序开关分流控制模块与峰值功率跟踪硬件控制模块互为备份；顺序开关分流控制模块生成n个分流控制指令和n个旁路控制指令；n个分流控制指令对应n个顺序开关分流控制电路；n个旁路控制指令对应n个顺序开关分流控制电路。

能源管理下位机将各分流控制指令通过对应顺序开关分流控制电路的第一驱动电路发送至第一MOS功率开关M1；实现控制各对应顺序开关分流控制电路中第一MOS功率开关M1的通断。

能源管理下位机将各旁路控制指令通过对应顺序开关分流控制电路的第二驱动电路发送至第三MOS功率开关M3；实现控制各对应顺序开关分流控制电路中第三MOS功率开关M3的通断。

当分流控制指令为高电平时，对应第一MOS功率开关M1导通，顺序开关分流控制电路处于分流状态，此时，太阳电池分阵输出的正线和负线短路，即功率输入正和一次地之间通过M1短路，太阳电池分阵不能将发电功率输出到蓄电池包；当分流控制指令为低电平时，对应第一MOS功率开关M1关断，顺序开关分流控制电路处于供电状态，此时太阳电池分阵的发电功率通过峰值功率跟踪降压模块或者峰值功率跟踪旁路模块输出到蓄电池包。

当旁路控制指令控制对应顺序开关分流控制电路中的第三MOS功率开关M3导通时，对应的峰值功率跟踪降压模块被旁路，不再工作，转入顺序开关分流控制模块工作模式；当旁路控制指令控制对应顺序开关分流控制电路中的第三MOS功率开关M3关断时，峰值功率跟踪降压模块工作，转入峰值功率跟踪硬件控制模块工作模式。

各顺序开关分流控制电路中的峰值功率跟踪硬件控制模块生成第二MOS功率开关控制信号，并将第二MOS功率开关控制信号发送至第二MOS功率开关M2，实现控制第二MOS功率开关M2的通断。

当第二MOS功率开关M2接通时，太阳电池阵分阵的输出电流输出到蓄电池包，同时给储能电感L1充电，当第二MOS功率开关M2关断时，储能电感L1放电输出到蓄电池包；通过控制第二MOS功率开关M2接通时间与整个开关周期的比值，实现对太阳电池分阵的峰值功率跟踪以及太阳电池阵输出电压的降压控制；当太阳电池分阵输出功率过多时，M₂将一直处于关断状态，太阳电池分阵处于开路状态，不再输出功率到蓄电池包上。

卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，具体步骤如下：

当正常情况下，处于峰值功率跟踪硬件控制模块工作模式，各太阳电池分阵通过峰值功率跟踪降压模块，在峰值功率跟踪硬件控制模块控制下实现为外部卫星供电。

当峰值功率跟踪硬件控制模块或峰值功率跟踪降压模块出现故障时，能源管理下位机将各峰值功率跟踪旁路模块中的第三MOS功率开关M3全部导通，转入顺序开关分流控制模块工作模式。

顺序开关分流控制模块的工作流程为：

预设母线电压转默认状态阈值，对各顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS进行判断，当U_BUS低于母线电压转默认状态阈值且持续a秒时，则将对应的顺序开关分流控制电路的分流控制指令全部为低电平输出，当前判断结束，并重新对各顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS进行判断；a为预设时间。

当U_BUS不低于母线电压转默认状态阈值，则判断方阵电流状态；设定方阵阴影区阈值，当方阵电流小于方阵阴影区阈值且持续a秒时，则将对应的顺序开关分流控制电路的分流控制指令全部为低电平输出，当前判断结束，并重新对各顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS进行判断；其中，方阵电流为指太阳电池阵各分阵电流之和∑Isa；当方阵电流不小于方阵阴影区阈值时，设定母线电压过高阈值，再次判断母线电压U_BUS，当母线电压U_BUS大于等于母线电压过高阈值时，将对应的顺序开关分流控制电路的分流控制指令全部为高电平输出；使太阳电池阵处于分流状态，当前判断结束，返回从头开始下一次判断。

当母线电压小于母线电压过高阈值时，进行如下判断：

设定充电电流过低阈值和充电电流过高阈值。

当充电电流I_BAT大于充电电流过高阈值且持续a秒时，则进入分流一次启动流程；分流依次启动流程结束后进入按电压阈值分流依次启动流程；否则，直接进入按电压阈值分流依次启动流程；按电压阈值分流依次启动流程结束后的判断条件为：

当充电电流I_BAT小于充电电流过低阈值且持续a秒时，进入按电压阈值分流依次退出流程，结束后，当前判断结束，从头开始下一次判断；否则，直接结束当前判断，开始下一次判断。

分流依次启动流程如下：

从第1个顺序开关分流控制电路开始，判断第1个顺序开关分流控制电路是否为分流状态，若不是在分流状态，则将第1个顺序开关分流控制电路对应的分流控制指令1输出为高电平，将第1个顺序开关分流控制电路分流，当前判断结束；若在分流状态，则判断第2个顺序开关分流控制电路是否在分流状态；若不在分流状态，则将第2个顺序开关分流控制电路对应的分流控制指令2输出为高电平，将第2个顺序开关分流控制电路分流，当前判断结束；然后依次判断第1个顺序开关分流控制电路、…、第n个顺序开关分流控制电路，从低到高，依次判断。

按电压阈值分流依次启动流程如下：

判断母线电压，若母线电压大于等于第1个顺序开关分流控制电路的分流阈值且持续b秒，则对应第1个顺序开关分流控制电路的旁路控制指令1输出高电平；然后再一次判断母线电压，若母线电压大于等于第2个顺序开关分流控制电路分流阈值且持续b秒，则对应第2个顺序开关分流控制电路的旁路控制指令2输出高电平；然后依次判断母线电压大于等于第3个顺序开关分流控制电路分流阈值且持续b秒、…、母线电压大于等于第n个顺序开关分流控制电路分流阈值且持续b秒，若上述判断过程中，有任意一次判断结果为否，则按电压阈值分流依次启动流程结束；b为预设时长。

按电压阈值分流依次退出流程如下：

判断母线电压，若母线电压小于等于第n个顺序开关分流控制电路的供电阈值且持续b秒，则对应第n个顺序开关分流控制电路的分流控制指令n输出低电平；然后再一次判断母线电压，若母线电压小于等于第n-1个顺序开关分流控制电路的供电阈值且持续b秒，则对应第n-1个顺序开关分流控制电路的分流控制指令n-1输出低电平；然后依次判断母线电压小于等于第n-2个顺序开关分流控制电路的供电阈值且持续b秒、…、母线电压小于等于第1个顺序开关分流控制电路供电阈值且持续b秒，若上述判断过程中，有任意一次判断结果为否，则按电压阈值分流依次退出流程结束。

各个阈值的设定原则如下：

母线电压转默认状态阈值的选择，以保护蓄电池组，以及卫星的能源安全为原则，高于卫星进入能源安全模式的门限值，对于锂离子蓄电池组，设置为N×3.7V，其中N为蓄电池组的串联节数；

方阵电流阴影区阈值的选择以标识太阳电池阵不能受照发电为原则，设置为1A；

母线电压过高阈值的选择，以保护蓄电池不过充电为原则，低于设计的蓄电池组的过充电保护门限，对于锂离子蓄电池组，设置为N×4.15V，其中N为蓄电池组的串联节数；

充电电流过高阈值的选择，以保护蓄电池组为原则，根据蓄电池组的设计，对于锂离子蓄电池组，设置为0.3C，其中C为蓄电池组的额定容量；

充电电流过低阈值的选择，以即能保证以允许的最大电流充电，又不出现同一条分流控制指令在高低电平频繁切换为原则，设置为0.3C-MAX太阳电池单个分阵输出电流；其中MAX太阳电池分阵输出电流为太阳电池阵各分阵中，单个分阵输出的最大电流值；

分流控制电路1分流阈值、分流控制电路1供电阈值、…、分流控制电路n分流阈值、分流控制电路n供电阈值的选择，都大于母线电压转默认状态阈值，小于母线电压过高阈值；分流控制电路1分流阈值<分流控制电路2分流阈值<…<分流控制电路n分流阈值，两两之间相差0.1V；分流控制电路1供电阈值<分流控制电路2供电阈值<…<分流控制电路n供电阈值，两两之间相差0.1V；同一个分流控制电路的供电阈值小于分流阈值。

本发明的基本思路为：将硬件控制的峰值功率跟踪控制模式与能源管理下位机CPU模块控制的顺序开关分流控制模式相结合，通过峰值功率跟踪旁路电路的切换，进行两种控制方法异构的冷备份设计，实现对太阳电池阵输出到母线的功率调节。峰值功率跟踪控制采用降压式BUCK功率电路和硬件MPPT控制器实现，同时设计峰值功率跟踪旁路电路，可通过指令控制旁路电路的功率开关管将实现峰值功率跟踪的BUCK功率电路短路，转入顺序开关分流控制模式。能源管理下位机采集方阵电流、母线电压、充电电流、放电电流，以及分流控制电路的分流状态遥测，然后按照能源管理下位机CPU模块内设定的控制策略进行运算和判断后输出电平型指令到分流控制电路的功率开关管驱动电路控制功率开关管的通断，实现母线电压的限压控制、充电电流的限流控制和太阳电池阵输出功率的分流管理。

各太阳电池分阵分别对应一个顺序开关分流控制电路，即太阳电池分阵1～分阵n，对应分流控制电路1～分流控制电路n；每个分流控制电路的功率开关管通过驱动电路接收由能源管理下位机输出的分流控制指令控制功率开关管M₁的通断。

本发明的基本思路为：将硬件控制的峰值功率跟踪控制模式与软件控制的顺序开关分流控制模式相结合，通过峰值功率跟踪旁路电路的切换，进行两种控制方法异构的冷备份设计，实现对太阳电池阵输出到母线的功率调节。峰值功率跟踪控制采用降压式BUCK功率电路和硬件MPPT控制器实现，同时设计峰值功率跟踪旁路电路，可通过指令控制旁路电路的功率开关管将实现峰值功率跟踪的BUCK功率电路短路，转入顺序开关分流控制模式。能源管理下位机采集方阵电流、母线电压、充电电流、放电电流，以及分流控制电路的分流状态遥测，然后按照设定的软件控制策略进行软件运算和判断后输出电平型指令到分流控制电路的功率开关管驱动电路控制功率开关管的通断，实现母线电压的限压控制、充电电流的限流控制和太阳电池阵输出功率的分流管理。

能源管理下位机包括CPU、指令电路、遥测采集电路；能源管理下位机通过遥测采集电路采集太阳电池阵电流I_sa、母线电压U_BUS、充电电流I_BAT、放电电流I_BAT，以及分流控制电路的分流状态S_st；并通过指令电路输出分流控制指令和旁路控制指令；通过CPU内设置的控制策略进行运算和逻辑判断后，通过指令电路输出电平型指令到分流控制电路控制功率开关管M₁的通断，实现母线电压的限压控制和功率的分流管理；对应n个分流控制电路，有n条分流控制指令；当分流控制指令输出高电平时，使功率开关管M₁导通，分流电路处在分流状态；当分流控制指令输出低电平时，使功率开关管M₁关断，分流电路处在供电状态。其中母线电压U_BUS由母线电压采样电路进行变换，母线电压采样电路一端与一次母线正连接，另一端与一次地连接；充电电流和放电电流由充放电电流采样电路变换，充放电电流采样电路一端接蓄电池组的负端，一端接一次地。

各太阳电池分阵同时分别对应一路峰值功率跟踪降压电路，即太阳电池分阵1～分阵n，对应峰值功率跟踪降压电路1～峰值功率跟踪降压电路n；MPPT硬件控制电路输出控制信号控制峰值功率跟踪降压电路中的功率开关管M₂的通断，实现对太阳电池阵的峰值功率跟踪以及太阳电池阵输出电压的降压控制。

各太阳电池分阵同时分别对应一路峰值功率跟踪旁路电路，即太阳电池分阵1～分阵n，对应峰值功率跟踪旁路电路1～峰值功率跟踪旁路电路n；峰值功率跟踪旁路电路的功率开关管M₃通过驱动电路接收由能源管理下位机输出的控制指令控制功率开关管的通断；对应n个峰值功率跟踪旁路电路，有n个旁路电路控制指令；当能源管理下位机的指令将功率开关管M₃控制导通时，峰值功率跟踪降压电路被旁路，不再工作，电源调控设备转入顺序开关分流控制模式；当能源管理下位机的指令将该功率开关管控制关断，同时能源管理下位机的指令将顺序开关分流电路中的功率开关管也控制关断时，峰值功率跟踪降压电路工作，电源调控设备自动转入MPPT(峰值功率跟踪)控制模式。

卫星电源调控设备中的太阳电池阵输出功率调节由顺序开关分流控制模式和硬件MPPT控制模式互为备份。正常情况下，电源调控设备工作在硬件MPPT控制模式下，太阳电池阵各分阵通过峰值功率跟踪降压电路，在MPPT硬件控制电路的控制下为卫星供电；当MPPT硬件控制电路或峰值功率跟踪降压电路出现故障时，能源管理下位机通过指令将峰值功率跟踪旁路电路1～峰值功率跟踪旁路电路n的功率开关管全部控制导通，电源调控设备转入由能源管理下位机CPU模块控制的顺序开关分流模式。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (12)

1.卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，其特征在于：包括n个顺序开关分流控制电路、能源管理下位机、蓄电池包；其中，每个顺序开关分流控制电路包括太阳电池分阵、峰值功率跟踪硬件控制模块、顺序开关分流控制模块、峰值功率跟踪降压模块、峰值功率跟踪旁路模块、充电电流采样模块、母线电压采样模块和第一二极管D1；

其中，顺序开关分流控制模块包括第一驱动电路、太阳电池阵电流采样模块、第一MOS功率开关M1、第一电阻R1、第二电阻R2；

峰值功率跟踪降压模块包括第二MOS功率开关M2、储能电感L1、第三二极管D3、第四二极管D4、滤波电容C_in；

峰值功率跟踪旁路模块包括第三MOS功率开关M3、第二驱动电路、第五二极管D5；

蓄电池包包括蓄电池组、第二二极管D2、放电开关继电器K1；

太阳电池分阵的正端与第一二极管D1的输入端连接；第一二极管D1的输出端分别与第一MOS功率开关M1的漏极、第一电阻R1的一端、滤波电容C_in的一端、第二MOS功率开关M2的漏极、第三MOS功率开关M3的漏极连接；第一MOS功率开关M1的门极与第一驱动电路的一端连接；第一驱动电路的另一端与能源管理下位机连接；太阳电池分阵的负端与太阳电池阵电流采样模块的一端连接；太阳电池阵电流采样模块的另一端与能源管理下位机连接；第一MOS功率开关M1的源极与一次地连接；第一电阻R1的另一端分别于第二电阻R2的一端、能源管理下位机连接；第二电阻R2的另一端与能源管理下位机连接；第三MOS功率开关M3的源极与第五二极管D5的输入端连接；第三MOS功率开关M3的门极与第二驱动电路的一端连接；第二驱动电路的另一端与能源管理下位机连接；第五二极管D5的输出端分别与第四二极管D4的输出端、第二二极管D2的输入端、放电开关继电器K1、母线电压采样模块连接；第二MOS功率开关M2的源极分别与第三二极管D3的输出端、储能电感L1的一端连接；第三二极管D3的输入端接一次地；第二MOS功率开关M2的门极与峰值功率跟踪旁路模块连接；储能电感L1的另一端分别与第五二极管D5的输出端、第二二极管D2的输入端、放电开关继电器K1、母线电压采样模块连接；第二二极管D2与放电开关继电器K1组成并联电路，并联电路的输入端分别与第五二极管D5的输出端、第四二极管D4的输出端、母线电压采样模块连接；并联电路的输出端通过蓄电池组与充电电流采样模块连接；充电电流采样模块分别与蓄电池组、一次地、能源管理下位机连接；母线电压采样模块分别与第五二极管D5的输出端、第四二极管D4的输出端、并联电路输入端、一次地、能源管理下位机连接；n为不小于2的正整数。

2.根据权利要求1所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，其特征在于：各顺序开关分流控制电路中的第一MOS功率开关M1通过第一驱动电路接收由能源管理下位机输出的分流控制指令，实现控制第一MOS功率开关M1的通断。

3.根据权利要求2所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，其特征在于：各顺序开关分流控制电路中的太阳电池阵电流采样模块采集对应太阳电池分阵的电流I_sa，并将I_sa发送至能源管理下位机；各母线电压采样模块采集对应顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS，并将U_BUS发送至能源管理下位机；充电电流采样模块采集蓄电池包的充电电流I_BAT，并将I_BAT发送至能源管理下位机；能源管理下位机采集各顺序开关分流控制电路的分流状态S_st；所述能源管理下位机内部设置有顺序开关分流控制模块；顺序开关分流控制模块与峰值功率跟踪硬件控制模块互为备份；顺序开关分流控制模块生成n个分流控制指令和n个旁路控制指令；n个分流控制指令对应n个顺序开关分流控制电路；n个旁路控制指令对应n个顺序开关分流控制电路；

能源管理下位机将各分流控制指令通过对应顺序开关分流控制电路的第一驱动电路发送至第一MOS功率开关M1；实现控制各对应顺序开关分流控制电路中第一MOS功率开关M1的通断；

能源管理下位机将各旁路控制指令通过对应顺序开关分流控制电路的第二驱动电路发送至第三MOS功率开关M3；实现控制各对应顺序开关分流控制电路中第三MOS功率开关M3的通断。

4.根据权利要求3所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，其特征在于：当分流控制指令为高电平时，对应第一MOS功率开关M1导通，顺序开关分流控制电路处于分流状态，此时，太阳电池分阵输出的正线和负线短路，即功率输入正和一次地之间通过M1短路，太阳电池分阵不能将发电功率输出到蓄电池包；当分流控制指令为低电平时，对应第一MOS功率开关M1关断，顺序开关分流控制电路处于供电状态，此时太阳电池分阵的发电功率通过峰值功率跟踪降压模块或者峰值功率跟踪旁路模块输出到蓄电池包。

5.根据权利要求4所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，其特征在于：当旁路控制指令控制对应顺序开关分流控制电路中的第三MOS功率开关M3导通时，对应的峰值功率跟踪降压模块被旁路，不再工作，转入顺序开关分流控制模块工作模式；当旁路控制指令控制对应顺序开关分流控制电路中的第三MOS功率开关M3关断时，峰值功率跟踪降压模块工作，转入峰值功率跟踪硬件控制模块工作模式。

6.根据权利要求5所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统，其特征在于：所述各顺序开关分流控制电路中的峰值功率跟踪硬件控制模块生成第二MOS功率开关控制信号，并将第二MOS功率开关控制信号发送至第二MOS功率开关M2，实现控制第二MOS功率开关M2的通断；

当第二MOS功率开关M2接通时，太阳电池阵分阵的输出电流输出到蓄电池包，同时给储能电感L1充电，当第二MOS功率开关M2关断时，储能电感L1放电输出到蓄电池包；通过控制第二MOS功率开关M2接通时间与整个开关周期的比值，实现对太阳电池分阵的峰值功率跟踪以及太阳电池阵输出电压的降压控制；当太阳电池分阵输出功率过多时，M₂将一直处于关断状态，太阳电池分阵处于开路状态，不再输出功率到蓄电池包上。

7.基于权利要求1所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制系统实现的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，其特征在于：步骤如下：

当正常情况下，处于峰值功率跟踪硬件控制模块工作模式，各太阳电池分阵通过峰值功率跟踪降压模块，在峰值功率跟踪硬件控制模块控制下实现为外部卫星供电；

当峰值功率跟踪硬件控制模块或峰值功率跟踪降压模块出现故障时，能源管理下位机将各峰值功率跟踪旁路模块中的第三MOS功率开关M3全部导通，转入顺序开关分流控制模块工作模式。

8.根据权利要求7所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，其特征在于：顺序开关分流控制模块的工作流程为：

预设母线电压转默认状态阈值，对各顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS进行判断，当U_BUS低于母线电压转默认状态阈值且持续a秒时，则将对应的顺序开关分流控制电路的分流控制指令全部为低电平输出，当前判断结束，并重新对各顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS进行判断；a为预设时间；

当U_BUS不低于母线电压转默认状态阈值，则判断方阵电流状态；设定方阵阴影区阈值，当方阵电流小于方阵阴影区阈值且持续a秒时，则将对应的顺序开关分流控制电路的分流控制指令全部为低电平输出，当前判断结束，并重新对各顺序开关分流控制电路中的母线电压U_BUS进行判断；其中，方阵电流为指太阳电池阵各分阵电流之和∑Isa；当方阵电流不小于方阵阴影区阈值时，设定母线电压过高阈值，再次判断母线电压U_BUS，当母线电压U_BUS大于等于母线电压过高阈值时，将对应的顺序开关分流控制电路的分流控制指令全部为高电平输出；使太阳电池阵处于分流状态，当前判断结束，返回从头开始下一次判断；

当母线电压小于母线电压过高阈值时，进行如下判断：

设定充电电流过低阈值和充电电流过高阈值；

当充电电流I_BAT大于充电电流过高阈值且持续a秒时，则进入分流一次启动流程；分流依次启动流程结束后进入按电压阈值分流依次启动流程；否则，直接进入按电压阈值分流依次启动流程；按电压阈值分流依次启动流程结束后的判断条件为：

当充电电流I_BAT小于充电电流过低阈值且持续a秒时，进入按电压阈值分流依次退出流程，结束后，当前判断结束，从头开始下一次判断；否则，直接结束当前判断，开始下一次判断。

9.根据权利要求8所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，其特征在于：所述分流依次启动流程如下：

从第1个顺序开关分流控制电路开始，判断第1个顺序开关分流控制电路是否为分流状态，若不是在分流状态，则将第1个顺序开关分流控制电路对应的分流控制指令1输出为高电平，将第1个顺序开关分流控制电路分流，当前判断结束；若在分流状态，则判断第2个顺序开关分流控制电路是否在分流状态；若不在分流状态，则将第2个顺序开关分流控制电路对应的分流控制指令2输出为高电平，将第2个顺序开关分流控制电路分流，当前判断结束；然后依次判断第1个顺序开关分流控制电路、…、第n个顺序开关分流控制电路，从低到高，依次判断。

10.根据权利要求9所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，其特征在于：按电压阈值分流依次启动流程如下：

判断母线电压，若母线电压大于等于第1个顺序开关分流控制电路的分流阈值且持续b秒，则对应第1个顺序开关分流控制电路的旁路控制指令1输出高电平；然后再一次判断母线电压，若母线电压大于等于第2个顺序开关分流控制电路分流阈值且持续b秒，则对应第2个顺序开关分流控制电路的旁路控制指令2输出高电平；然后依次判断母线电压大于等于第3个顺序开关分流控制电路分流阈值且持续b秒、…、母线电压大于等于第n个顺序开关分流控制电路分流阈值且持续b秒，若上述判断过程中，有任意一次判断结果为否，则按电压阈值分流依次启动流程结束；b为预设时长。

11.根据权利要求10所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，其特征在于：按电压阈值分流依次退出流程如下：

判断母线电压，若母线电压小于等于第n个顺序开关分流控制电路的供电阈值且持续b秒，则对应第n个顺序开关分流控制电路的分流控制指令n输出低电平；然后再一次判断母线电压，若母线电压小于等于第n-1个顺序开关分流控制电路的供电阈值且持续b秒，则对应第n-1个顺序开关分流控制电路的分流控制指令n-1输出低电平；然后依次判断母线电压小于等于第n-2个顺序开关分流控制电路的供电阈值且持续b秒、…、母线电压小于等于第1个顺序开关分流控制电路供电阈值且持续b秒，若上述判断过程中，有任意一次判断结果为否，则按电压阈值分流依次退出流程结束。

12.根据权利要求11所述的卫星太阳电池阵MPPT与S3R异构控制方法，其特征在于：上述各个阈值的设定原则如下：

母线电压转默认状态阈值的选择，以保护蓄电池组，以及卫星的能源安全为原则，高于卫星进入能源安全模式的门限值，对于锂离子蓄电池组，设置为N×3.7V，其中N为蓄电池组的串联节数；

方阵电流阴影区阈值的选择以标识太阳电池阵不能受照发电为原则，设置为1A；

母线电压过高阈值的选择，以保护蓄电池不过充电为原则，低于设计的蓄电池组的过充电保护门限，对于锂离子蓄电池组，设置为N×4.15V，其中N为蓄电池组的串联节数；

充电电流过高阈值的选择，以保护蓄电池组为原则，根据蓄电池组的设计，对于锂离子蓄电池组，设置为0.3C，其中C为蓄电池组的额定容量；

充电电流过低阈值的选择，以即能保证以允许的最大电流充电，又不出现同一条分流控制指令在高低电平频繁切换为原则，设置为0.3C-MAX太阳电池单个分阵输出电流；其中MAX太阳电池分阵输出电流为太阳电池阵各分阵中，单个分阵输出的最大电流值；

分流控制电路1分流阈值、分流控制电路1供电阈值、…、分流控制电路n分流阈值、分流控制电路n供电阈值的选择，都大于母线电压转默认状态阈值，小于母线电压过高阈值；分流控制电路1分流阈值<分流控制电路2分流阈值<…<分流控制电路n分流阈值，两两之间相差0.1V；分流控制电路1供电阈值<分流控制电路2供电阈值<…<分流控制电路n供电阈值，两两之间相差0.1V；同一个分流控制电路的供电阈值小于分流阈值。

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