CN113725987A - 一种新型商业卫星供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型商业卫星供电系统，其包括用于产生电能的若干外部能量收集转化单元，用于储存及释放电能的若干储能单元，用于对若干外部能量收集转化单元和/或储能单元进行异常故障监测的状态监测单元，其中，外部能量收集转化单元包括太阳电池阵，储能单元包括蓄电池组，状态监测单元能够采集并储存各外部能量收集转化单元和/或储能单元分别对应的太阳电池阵和/或蓄电池组在不同时刻下的监测数据，并将监测数据与历史性能数据和/或标准数据进行对比，以使得至少在监测数据出现异常时能够确定出现异常故障的太阳电池阵和/或蓄电池组对应的外部能量收集转化单元和/或储能单元位置。
Description
技术领域
本发明涉及航天器电源系统技术领域，尤其涉及一种新型商业卫星供电系统。
背景技术
自苏联成功发射世界上第一颗人造卫星以来，人造卫星领域有了长足的发展，形成了种类丰富、用途各异的庞大的人造卫星体系。人造卫星在资源调查、地球气候监测、通讯、导航、军事侦察方面都发挥着重要的作用，已经广泛应用于人们的生产生活之中。
随着信息技术的发展和商业航天模式的形成，人造卫星的发展迎来定制化向模块化、小型化、批量化生产的转变。这无疑对人造卫星各系统的设计提出了更高的要求。卫星供电系统作为卫星系统的一大组成部分，其要求同样如此，高效性、普适性、低成本成为了卫星供电系统新的设计要求。
CN112865242公开了一种卫星电源系统多能源互联供电能量控制系统及方法，包括：用于母线供电多能源互联供电装置、用于一体化管理各供电装置子模块的功率分配与充/放电控制的多能源互联能量管理装置和用于对多能源互联供电装置子模块进行低温冷启动预热与高温散热控制的卫星电源热管理装置。其能量来源包括太阳能光伏电池阵列、氢氧燃料电池堆、镍钴锰酸锂能量型电池组，来源较为广泛但同时也带来了控制和协调的问题。制造相对较为复杂无法满足商业卫星模块化、扩展性强的需求。
CN111181238A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。其应用的DET电源系统存在功率点无法调节的问题，无法根据卫星所处环境和所需电力情况的变化做出相应调整，同时与使用MPPT控制器的电源系统相比该系统效率较低。无法像MTTP控制器一样使光电转换模块输出最大功率，以满足在光照期有限接触光线的时间内尽可能以大电流输出的方式向用电设备以及蓄电池组进行供电。
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，本发明提供了一种新型商业卫星供电系统。
本发明公开了一种新型商业卫星供电系统，其包括用于产生电能的若干外部能量收集转化单元，用于储存及释放电能的若干储能单元，用于对若干外部能量收集转化单元和/或储能单元进行异常故障监测的状态监测单元。外部能量收集转化单元包括太阳电池阵和太阳电池管理模块，状态监测单元能够采集并储存各外部能量收集转化单元和/或储能单元分别对应的太阳电池阵和/或蓄电池组在不同时刻下的监测数据，并将监测数据与历史性能数据和/或标准数据进行对比，以使得至少在监测数据出现异常时能够确定出现异常故障的太阳电池阵和/或蓄电池组对应的外部能量收集转化单元和/或储能单元位置。状态监测单元能够通过驱动太阳电池管理模块和/或储能控制模块对相应的太阳电池阵和/或蓄电池组进行异常调节。
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外部能量收集转化单元，以使得卫星供电系统的产能任务将由若干外部能量收集转化单元共同完成。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外部能量收集转化单元构成，每个外部能量收集转化单元都可包括太阳电池阵和对应的太阳电池管理模块，太阳电池管理模块可直接控制调节对应的太阳电池阵输出电压，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，外部能量收集转化单元采用标准模块化设置能够更便于设置采能备份单元，由于采能备份单元可与外部能量收集转化单元采用相同或相似的结构设计，以使得采能备份单元能够在任一外部能量收集转化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外部能量收集转化单元进行异常故障监测的状态监测单元，由于产能构架由若干外部能量收集转化单元构成，状态监测单元能够针对于每个外部能量收集转化单元进行分别监测，以获取外部能量收集转化单元的监测值，当监测值中出现异常值时即可判断出异常或故障的外部能量收集转化单元对应的点位，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太阳电池阵对应的太阳电池管理模块进行调节；当差值大于设定阈值时可通过采能备份单元对异常产能太阳电池阵对应的外部能量收集转化单元进行替换。此外，状态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储能单元，以使得卫星供电系统的储能释放任务将由若干储能单元共同完成。状态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蓄电池组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外部能量收集转化单元和储能单元构成，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。
状态监测单元在第一光照期、第二光照期和地影期中任意两者的交替时刻能够对各太阳电池阵和/或蓄电池组进行性能状态监测。状态监测单元能够包括太阳电池诊断模块和蓄电池诊断模块。根据太阳、地球、卫星三者之间的相对位置关系和卫星供电系统中的电能供需关系，可将卫星环绕运行过程至少分为第一光照期、第二光照期和地影期，其中，第一光照期为可接收到太阳能的各外部能量收集转化单元所转换的电能能够满足卫星上负载的需求；第二光照期为可接收到太阳能的各外部能量收集转化单元提供的电能不能满足卫星上负载的需求，可由蓄电池组释放储存的电能进行补充；地影期为各外部能量收集转化单元无法接受到太阳能，以使得负载的需求全由蓄电池组释放电能得以满足。
该技术方案的优点在于：卫星在环绕运行过程中，可在第一光照期、第二光照期和地影期之间进行不断轮替，以使得太阳电池阵不断在工作状态和非工作状态之间切换，蓄电池组不断在充电状态、放电状态和非工作状态之间切换，由于运行状态的不断切换可能导致太阳电池阵和/或蓄电池组更易发生故障，因此至少在第一光照期、第二光照期和地影期中的任意两者轮替时是状态监测单元处于工作状态以使得对太阳电池阵和/或蓄电池组状态切换时的运行情况进行重点监控，从而避免运行状态的切换而引起的故障。进一步地，太阳电池阵的状态切换多发生于第二光照期和地影期的交替时刻，其中，不同外部能量收集转化单元对应的太阳电池阵由于设置在不同位置，在交替时刻存在部分太阳电池阵能够接收到太阳能且另一部分太阳电池阵无法接收到太阳能，使得各太阳电池阵运行状态的切换存在先后顺序，以便于状态监测单元对各太阳电池阵依次完成监控，从而避免数据冲突和干扰；蓄电池组的状态切换多发生于第一光照期和第二光照期的交替时刻，其中，在交替时刻往往不需要所有蓄电池组均处于工作状态，使得各蓄电池组运行状态的切换存在先后顺序，以便于状态监测单元对各蓄电池组依次完成监控，从而避免数据冲突和干扰。
太阳电池诊断模块通过与各外部能量收集转化单元连接，以使得在监测到任一太阳电池阵出现异常数据时能够驱动相应的太阳电池管理模块进行调节。每个太阳电池阵能够分别连接有对应的太阳电池管理模块。太阳电池管理模块能够对相应的太阳电池阵的输出电能进行调节，以使得处于工作状态下的各外部能量收集转化单元能够向一次母线输出向对应的电能。太阳电池诊断模块能够基于各太阳电池阵的输出电路电压和/或温度对太阳电池阵的性能状态进行监测。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，在获取太阳电池阵电路输出电压和温度的同时，还可以将太阳电池阵输出的较高压转换成与传输模块接口相匹配的低压。在各外部能量收集转化单元设计时，太阳电池诊断模块可先将与太阳电池阵数量相对应的负温度系数热敏电阻贴于对应的太阳电池阵背面，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太阳电池阵的电路工作温度；再将太阳电池阵的两端分别通过正、负引线接入传输机构以监测太阳电池阵的电路输出电压；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，经过数传最终得到太阳电池阵的电路输出电压和太阳电池阵的温度数值，并在太阳电池阵的电路输出电压和太阳电池阵的温度数值出现异常时发出警告。状态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太阳电池阵异常，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：在外部能量收集转化单元正常运行过程中，由于电路输出回路阻抗较小，使得同一太阳电池阵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，由于太阳电池阵发电的热特性，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外部能量收集转化单元构成，使得数值出现异常时可快速判断出异常外部能量收集转化单元的所处位置。
蓄电池诊断模块通过与各储能单元连接，以使得在监测到任一蓄电池组出现异常数据时能够驱动对应的储能控制模块进行调节。每个蓄电池组能够分别连接有对应的储能控制模块。储能控制模块能够对相应的蓄电池组的充/放电过程进行调节，以使得至少通过旁路调节能够实现蓄电池组内各蓄电池单体的均衡均流。蓄电池诊断模块能够根据组成蓄电池组的蓄电池单体所用的材料组分而选择不同的监测参数。通过监测参数能够获得蓄电池组包括温度、电压、电流和/或容量的性能状态。
该技术方案的优点在于：蓄电池组由若干蓄电池单体以串联和/或并联的方式连接而成，以使得蓄电池单体的选型可影响蓄电池组的性能。可选地，蓄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蓄电池组中的一种。蓄电池状态监测单元可根据不同选型的蓄电池单体选择不同的监测参数，例如，蓄电池状态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，从而用于准确判断蓄电池组的性能状态。进一步地，蓄电池组能够连接有储能控制模块，以通过储能控制模块实现蓄电池组内外的均衡均流，以保证储能单元能够完成储存和释放电能的功能。
储能控制模块包括第一调节器和第二调节器以控制蓄电池组的充/放电。第一调节器和第二调节器至少能够在第一光照期和第二光照期之间的交替时刻完成启闭状态的切换。第一调节器通过充电控制部件连接于太阳电池管理模块，以使得至少在第一光照期时，充电控制部件能够在监测到对应的蓄电池组处于充满状态时切断第一调节器的连通，并驱动太阳电池管理模块消耗掉来自太阳电池阵转换的多余电能。
该技术方案的优点在于：卫星供电系统的储能构架有若干储能单元构成，储能单元包括蓄电池组和对应的储能控制模块。储能控制模块能够针对性控制对应的蓄电池组的充/放电，并保证蓄电池组中各蓄电池单体的均衡均流，以提高蓄电池组的工作效率，延长蓄电池组的工作寿命。储能控制模块设置有第一调节器和第二调节器，以实现对应蓄电池组在充/放电过程中的调节，完成独立地分单元控制。
附图说明
图1是太阳电池阵在一种优选实施例中的示意图；
图2是卫星供电系统置的结构示意图。
附图标记列表
1：外部能量收集转化单元 4：采能备份单元
11：太阳电池阵 11a：主太阳电池阵
11b：次太阳电池阵 11c：备份太阳电池阵
12：采能控制模块 2：外部能量存储单元
5：储能备份单元 21：蓄电池组
22：储能控制模块 221：第一调节器
222：第二调节器 3：状态监测单元
31：采能检测模块 32：储能检测模块
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
如图1所示为卫星供电系统的结构示意图。
本发明公开了一种新型商业卫星供电系统，新型商业卫星供电系统至少包括由太阳电池阵11和电性连接至太阳电池阵11的采能控制模块12组合而成的外部能量收集转化单元1。其中，采能控制模块12基于其电性连接至太阳电池阵11通过控制太阳电池阵11的输出电压和电流的方式以使得采能控制模块12能够对与其连接的太阳电池阵11所输出的电能进行控制调节。
具体的，用于收集转化太阳能的太阳电池阵11包括主太阳电池阵、次太阳电池阵和备份太阳电池阵。用于对太阳电池阵11进行控制管理的采能控制模块12可包括串联开关调节器和峰值功率跟踪器。
具体的，串联开关调节器可设置有MPPT电路，峰值功率跟踪器可设置有控制电路，控制电路能够对MPPT电路实现闭环控制。MPPT电路一端与太阳电池阵11连接，另一端与一次母线连接，以使得太阳电池阵11经过调节后的输出电能能够经一次母线传输至下游，其中，MPPT电路包含若干并联连接的DC-DC转换部件，任一DC-DC转换部件是其它DC-DC转换部件的热备份。可选地，DC-DC转换模块可采用升压变换器、降压变换器或者升降压变换器。
控制电路包括驱动控制部件，其中，驱动控制部件可与若干并联连接的监测控制部件连接，以通过监测控制部件对与其连接的太阳电池阵11的输出电压信号和输出电流信号进行采集而获得MPPT控制信号，并将MPPT控制信号传输至驱动控制模块，从而使得接收到MPPT控制信号的驱动控制模块能够根据太阳电池阵11的输出电量对MPPT电路进行调节，以输出适宜的电量至一次母线。
根据一种优选实施例，太阳电池阵11可由若干太阳电池单体根据产能需求以串联和/或并联的方式组合而成，其中，太阳电池单体可通过叠瓦式或平铺式组成太阳电池阵11，并将太阳电池阵11敷设于结构基板上。可选地，太阳电池阵11的太阳电池单体可选择转换效率为12％～12.5％的常规硅电池、转换效率为16.7％的低阻背场的绒面硅电池、转换效率约为19％的大面积单结GaAs/Ge电池及转换效率可达28.5％的三结GaInP2/GaAs/Ge电池等。由于太阳电池单体的转换效率能够衡量太阳电池的功率输出水平，因此转换效率越高，电池的性能越好。优选地，太阳电池阵11的太阳电池单体采用转换效率更高的三结GaInP2/GaAs/Ge电池。太阳电池阵11安装在结构基板上并能够通过压紧锁紧机构和释放展开机构分别实现太阳电池阵11在卫星上的缩紧与释放。当太阳电池阵11处于非工作状态时，压紧锁紧机构可以将太阳电池阵11以多层折叠的方式可拆卸地固定在卫星上；当太阳电池阵11由非工作状态切换为工作状态，释放展开机构可以将处于折叠状态的太阳电池阵11解除锁紧以达到展开状态。
由于太阳、地球和卫星三者的相对位置时刻都在发生变化，卫星的运行过程可至少分为能够接收到太阳光的光照期和不能接收到太阳光的地影期，进一步地，根据太阳、地球和卫星三者相对位置关系而确定卫星上太阳电池阵11是否能够接收到太阳能，可将卫星运行过程分为光照期和地影期，其中，再根据卫星上太阳电池阵11接收到太阳能的量与负载所需求的量之间的关系，可将光照期分为第一光照期和第二光照期。卫星在处于第一光照期时，太阳电池阵11可接收到足量的太阳能并将其转换为能够满足负载消耗的电能，同时有多余的电能未被得到使用。卫星在处于第二光照期时，太阳电池阵11所转换的电能不能满足负载的消耗，需要另外的能源输入以满足卫星使用需求。卫星在处于地影期时，太阳电池阵11不能接收到太阳能而无法提供电能。
根据一种优选实施例，卫星在工作状态时，其所载设备需要长时间工作，在电力供应方面的要求是长时间不间断的稳定的能源供应，为了满足上述需求，新型商业卫星供电系统设置有蓄电池组21和对蓄电池组21进行控制管理的采能控制模块12，蓄电池组21和采能控制模块12电性连接构成储能单元200。
为便于描述上述卫星处于第一光照期、第二光照期和地影期时的蓄电池组21与太阳电池阵11，将蓄电池组21工作模式分为三种，即，充电状态、放电状态和非工作状态。
卫星在处于第一光照期时，太阳电池阵11可接收到足量的太阳能并将其转换为能够满足负载消耗的电能，根据的剩余电量情况选择性地为蓄电池组21进行充电或由采能控制模块12所消耗，此时蓄电池组21处于充电状态或非工作状态；卫星在处于第二光照期时，太阳电池阵11所转换的电能不能满足负载的消耗，缺少的电能可由蓄电池组21将于第一光照期储存的电能或其自身所具有的电能释放而得以补足，此时蓄电池组21处于放电状态。
蓄电池组21可由若干蓄电池单体根据储能需求以串联和/或并联的方式组合而成，以通过不同的连接方式获得不同电压不同容量的蓄电池组21，从而满足设计的储能需求。可选地，蓄电池组21的蓄电池单体类型可选择镉镍蓄电池或氢镍蓄电池或锂离子蓄电池等。
根据一种优选实施例，蓄电池组的充放电管理和协同太阳电池阵供电是一个复杂的过程，为实现对这复杂过程的有效管理，蓄电池组21与一次母线之间能够设置有用于对蓄电池进行充放电管理的储能控制模块22。储能控制模块22包括有用于对蓄电池组充电过程进行管理的第一调节器221和用于对蓄电池组放电过程进行管理的第二调节器222。
当蓄电池组处于充电状态时，第一调节器处于及时监测蓄电池的电力情况的工作状态，通过第一调节器的控制以使蓄电池组的充电过程可控安全，避免出现蓄电池组21过充的现象。进一步的，蓄电池组处于充满状态时，此时太阳电池阵的输出功率过大，需要进一步的调整以满足当前卫星的使用需求。具体的，当蓄电池组21充满时，蓄电池组21的电压信号和电流信号被充电控制部件及时地采集，然后充电控制部件将充电控制信号传输至驱动控制部件，从而使得接收到充电控制信号的驱动控制模块能够根据蓄电池组21的电量而对MPPT电路进行调节，以使得输出至一次母线的电量能够满足负载的消耗需求及蓄电池组21的充电需求，避免过多的电能传输至一次母线中。
当蓄电池组21处于放电阶段，第二调节器222启动以防止蓄电池组21的过放。蓄电池组21管理模块中可通过并联的热备份方式设置至少一个放电调节器以降压、升压和/或降升压的放电调节方式对输出电能进行调节，以实现第二调节器222的均流控制。
根据一种优选实施例，卫星供电系统由若干并联而成的外部能量收集转化单元1和若干并联而成的储能单元2连接而成，以通过多个外部能量收集转化单元1/储能单元2的组合达到预期的产能/储能能力。可选地，各外部能量收集转化单元1之间或各储能单元2之间可设置为相同或不同的性能参数。优选地，设置为相同的外部能量收集转化单元1和相同的储能单元2更有利于管理模块的调控，也便于进行批量化生产。以外部能量收集转化单元1为例，当各外部能量收集转化单元1中构成太阳电池阵11的太阳电池单体数量、连接方式和/或材料等影响因素不同时，就可引起各太阳电池阵11转换电能的量存在差异，但由于在太阳电池阵11下游设置的采能控制模块12可对电能的输出进行调控，就可保证所有并联的外部能量收集转化单元1在接入一次母线时可输出相同参数的电能。而当各外部能量收集转化单元1中构成太阳电池阵11的太阳电池单体数量、连接方式和/或材料等影响因素相同时，接收到等量的太阳能就可输出基本等量的电能，从而节省了采能控制模块12的消耗，同时相同性能参数的外部能量收集转化单元1可设计为相同结构以便于批量化生产，通过多个外部能量收集转化单元1地简单堆叠就可达到不同的产能需求，从而可以快捷完成不同卫星供电系统的组装。优选地，相同设计的外部能量收集转化单元1还可便于设置采能备份单元，以使得处于正常运行过程中的任一外部能量收集转化单元1失效时可采用相同结构的采能备份单元进行替换。进一步地，外部能量收集转化单元1可根据不同性能参数将其中若干种外部能量收集转化单元1规定为产能标准单元，以使得通过不同产能标准单元地叠加来满足更多的产能需求。
根据一种优选实施例，卫星在第一光照期、第二光照期和地影期的轮替除了受限于太阳、地球和卫星三者之间的相对位置关系及电能的供需关系之外，还可能会受到外部能量收集转化单元1和/或储能单元2的运行状态的影响而提前或延后更替。例如，处于第一光照期中的卫星在太阳电池阵11中的任一太阳电池单体出现失效或故障而引起太阳电池阵11产能能力降低时，该太阳电池单体所对应的外部能量收集转化单元1向一次母线提供的电能减少并影响其他外部能量收集转化单元1的输出功率，导致可能不能够满足负载的消耗需求，则将提前由第一光照期进入至第二光照期，从而在降低其他外部能量收集转化单元1的能量转换利用率的同时，使得蓄电池组21内储存的电能被提前使用，并可能随着卫星的持续运行最终引起卫星供电系统不能满足负载的需求而使得负载无法完成既定工作。因此需要对卫星供电系统中可能存在的各类故障进行诊断、隔离，以保证卫星内负载的正常运行。卫星供电系统中太阳电池阵11和蓄电池组21保证了电能的产生、储存和释放，一旦太阳电池阵11和/或蓄电池组21出现故障，很有可能引起卫星供电系统供电过程的不正常运行。由于卫星供电系统中采用了若干太阳电池阵11和若干蓄电池组21的组合，以使得任一太阳电池单体/任一蓄电池单体出现故障时都可仅针对其所在的太阳电池阵11/蓄电池组21进行故障隔离。
根据一种优选实施例，在太阳电池阵11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太阳电池阵11的性能，其中，电路故障为直接影响，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太阳电池阵11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，从而导致所在部位太阳电池阵11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太阳电池阵11输出功率的下降甚至影响蓄电池组21的充电；性能提前衰退故障会减小太阳电池阵11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太阳电池阵11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太阳电池阵11无法展开且未展开的部分太阳电池阵11无功率输出，导致总功率值小于设计值，从而引起外部能量收集转化单元1产能能力的降低；完全未展开故障使得全部的太阳电池阵11均无法张开且该太阳电池阵11无功率输出，导致整个外部能量收集转化单元1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、太阳电池阵11的自振频率与电气脉冲频率耦合等缘由而造成机构卡死，以使得太阳电池阵11不能完成对日定向，从而会使得太阳电池阵11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，在蓄电池组21中，蓄电池单体短路、蓄电池单体开路和性能衰退都可能影响蓄电池组21的性能。蓄电池单体容器破裂、电解液流失或机械故障等因素都可能引起蓄电池单体的短路或开路，其中，可在各蓄电池组21中各蓄电池单体的旁路并联二极管以避免蓄电池单体发生故障时对整个蓄电池组21造成的影响，同时可以通过提高蓄电池组21的冗余性来降低故障的危害程度。蓄电池单体长期使用内阻增大、蓄电池单体反极性、蓄电池单体不一致、自放电大、活性物质脱落、电解液泄露和隔板损坏等因素都可能造成蓄电池组21性能衰退，其中，可在设计蓄电池组21中选用性能更高的蓄电池单体以尽量延缓蓄电池单体的性能衰退。
根据一种优选实施例，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太阳电池阵11的性能，且其影响相较受光面积的变化在影响程度和可逆状况方面不同，状态监测单元可根据其检测到的在太阳电池阵11中数据，针对上述区别做出受光面积或故障所导致的性能衰退的判断。蓄电池单体短路、蓄电池单体开路和性能衰退都可能影响蓄电池组21的性能，相较于单体开路和单体短路，性能衰退则是一个较长的过程，状态监测单元3所设置的储能检测模块32同样可以针对其所采集到的数据做出判断。当太阳电池阵11和蓄电池单体发生不可逆的损坏时，基于对太阳电池阵和蓄电池组的检测得到对其具体情况的判断。当上述部件破坏无法正常为卫星载荷提供电力的状况下，卫星状态监测单元可根据卫星载荷的具体情况做出调整，对部分载荷实现断电，以维持部分其主要载荷的运行，以延长卫星的使用寿命。
卫星在绕地球环绕运行过程中，受相对位置关系因素和电能供求关系因素的影响，至少可将运行时期分为第一光照期、第二光照期和地影期，其中，卫星供电系统可设置有计时单元，以通过计时单元经过校准后的时钟数据来预测光照期和地影期，并借助太阳电池阵11的发电数据来校验，以准确地获得光照期和地影期的交替时刻，而在光照期内通过监测太阳电池阵11产能与负载耗能之间的关系来获取第一光照期与第二光照期的交替时刻。
卫星处于第一光照期时，卫星上负载所需的电能全部由处于工作状态的太阳电池阵11提供，蓄电池组21可根据剩余电量多少而处于充电状态或非工作状态；卫星在处于第二光照期时，处于工作状态的太阳电池阵11所提供的电能不能完全满足负载的消耗，不足的电能可由处于放电状态的蓄电池组21将储存的电能释放得以补充；卫星在处于地影期时，卫星上负载所需的电能全部由处于放电状态的蓄电池组21提供，太阳能电池处于非工作状态。进一步地，卫星在运行过程中可在第一光照期、第二光照期和地影期三者间来回交替，以使得在上述任意两个时期进行交替时，卫星上的各太阳电池阵11和/或蓄电池组21的运行状态也随之变化。上述光照期和地影期只是基于卫星在绕地球环绕运行过程中，受相对位置关系变化的因素所做出的区分。除了此因素影响之外，卫星本体在阳光照射下产生投射至太阳电池阵的阴影也会对太阳电池阵造成影响。这些变化会致使卫星的运行状态的频繁切换，这不利于卫星的管理，因此卫星供电系统可设置有用于检测对太阳电池阵和蓄电池组的性能进行检测的状态监测单元3，状态监测单元对太阳电池阵和蓄电池组的性能状态进行及时监测，从而避免因运行状态的频繁切换而无法及时监测到太阳电池阵11和/或蓄电池组21性能降低甚至失效的情况发生，以保证卫星供电系统的正常运行。
根据一种优选实施例，状态监测单元3可设置专用于监测太阳电池阵11的采能检测模块31，其中，采能检测模块31可针对每一个外部能量收集转化单元1的太阳电池阵11采用电阻分压电路采集太阳电池阵11的电路输出电压和太阳电池阵11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太阳电池阵11的电路输出电压和太阳电池阵11的温度数值，以此监测太阳电池阵11的电路工作状态。进一步地，在各外部能量收集转化单元1设计时，采能检测模块31可先将与太阳电池阵11数量相对应的负温度系数热敏电阻贴于对应的太阳电池阵11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太阳电池阵11的电路工作温度；再将太阳电池阵11的两端分别通过正、负引线接入传输机构以监测太阳电池阵11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，经过数传最终得到太阳电池阵11的电路输出电压和太阳电池阵11的温度数值，并在太阳电池阵11的电路输出电压和太阳电池阵11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，太阳电池阵11的温度会随着电流的变化而变化，当贴于太阳电池阵11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太阳电池阵11，根据是否能够接收到太阳光和接受到的太阳光的强弱可将太阳能帆板分为强受光区域和弱受光区域，其中，强受光区域为未被遮蔽的且所接收到的阳光足以达到发电要求，而弱受光区域为被遮蔽的或者所接收到的阳光不足以达到发电要求。随着卫星的环绕运行，强受光区域和弱受光区域的面积呈相对变化趋势。
卫星的大部分运行轨迹为环绕着星体做运动，由光照影响的太阳电池阵的工作状态和蓄电池的工作状态会随着卫星的位置变化产生周期性变化，因而可以对其周期变化的数据进行采集，以助于对其他故障因素的有效判断和提高对卫星供电环节的控制。例如，如图2所示为在一种优选实施例中卫星由地影期向第一光照期或第二光照期运行过程中某一时刻下的示意图，在该时刻下，主太阳电池阵11a完全处于受光区域，次太阳电池阵11c完全处于非受光区域，次太阳电池阵11b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，以此使得采能检测模块31能够对主太阳电池阵11a、次太阳电池阵11b和备份太阳电池阵11c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太阳电池阵11的性能状态是否异常。
根据一种优选实施例，状态监测单元3可设置有储能检测模块32，其中，储能检测模块32可根据蓄电池组21所选用的蓄电池单体类型而采用不同的诊断方法。例如，当蓄电池组21由镍氢蓄电池单体组成时，可通过监测蓄电池组21的氢压值来判断蓄电池组21的工作状态，其中，当蓄电池组21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；当蓄电池组21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供电系统的异常检测、微小故障的早期预警。
根据一种优选实施例，蓄电池组21至少在第一光照期与第二光照期或第一光照期与地影期交替时运行状态会发生切换，且在第二光照期与地影期的交替过程中，为负载提供电能的形式也会发生变化，因此在第一光照期、第二光照期和地影期中任意两者的交替时刻可通过储能检测模块32对各蓄电池组21进行监测，以确保蓄电池组21运行状态的正确切换，并保证储能单元能够完成储存及释放足够能量的功能。在卫星由第一光照期向第二光照期或地影期切换时，太阳电池阵11所能够提供的电能减少，至少部分蓄电池组21能够被优先切换为放电状态以满足负载的消耗，直至所有的蓄电池组21均切换为放电状态以大量释放所储存的电能，以使得储能检测模块32可对各蓄电池组21在运行状态切换前后的性能状态进行依次监测，以保证各蓄电池组21的运行状态正确切换，同时避免监测过程中的数据干扰。在卫星由第二光照期或地影期向第一光照期切换时，太阳电池阵11所能够提供的电能增加，直至能够完全满足负载的电能需求，蓄电池组21可由放电状态切换为非工作状态，并通过储能检测模块32对各蓄电池组21的性能状态的监测，以判断蓄电池组21是否需要切换为充电状态以进行电能储存。当卫星在第二光照期与地影期之间切换时，蓄电池组21一直处于放电状态，但由于不同的供电组成形式使得蓄电池组21在两种运行时期的性能状态存在差异，通过储能检测模块32确保各蓄电池组21的正常运行，以使得太阳电池阵11在无法满足负载需求时能够通过蓄电池组21释放电能得以完全补充。
状态监测单元3在监测到任一太阳电池阵11和/或蓄电池组21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，表明太阳电池阵11和/或蓄电池组21可能出现了性能降低的异常，可通过驱动对应的采能控制模块12和/或储能控制模块22进行异常调节，以保证各外部能量收集转化单元1和/或储能单元2的均衡；当对比差值大于预设阈值时，表明太阳电池阵11和/或蓄电池组21可能出现了性能失效的故障，可通过驱动额外设置的采能备份单元4和/或储能备份单元5进行故障隔离及替换，以使得采能备份单元4和/或储能备份单元5能够代替故障的外部能量收集转化单元11和/或储能单元2以保证卫星供电系统的正常运行。
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)
1.一种新型商业卫星供电系统，其包括：
由太阳电池阵(11)组合而成的用于产生电能的外部能量收集转化单元(1)，
由蓄电池组(21)组成的用于储存及释放电能的储能单元(2)，
用于对所述外部能量收集转化单元(1)和/或所述储能单元(2)进行异常故障监测的状态监测单元(3)，
其特征在于，
所述状态监测单元(3)能够采集并储存各所述外部能量收集转化单元(1)和/或所述储能单元(2)分别对应的所述太阳电池阵(11)和/或所述蓄电池组(21)在不同时刻下的监测数据，并将所述监测数据与历史性能数据和/或标准数据进行对比，以使得至少在监测数据出现异常时能够确定出现异常故障的所述太阳电池阵(11)和/或所述蓄电池组(21)对应的所述外部能量收集转化单元(1)和/或所述储能单元(2)位置，其中，
所述状态监测单元(3)能够通过驱动采能控制模块(12)和/或所述储能控制模块(22)对相应的所述太阳电池阵(11)和/或所述蓄电池组(21)进行异常调节。
2.根据权利要求1所述的卫星供电系统，其特征在于，所述状态监测单元(3)在能够对各所述太阳电池阵(11)和/或所述蓄电池组(21)进行性能状态监测，其中，所述状态监测单元(3)能够包括采能检测模块(31)和储能检测模块(32)。
3.根据权利要求2所述的卫星供电系统，其特征在于，所述采能检测模块(31)通过与各所述外部能量收集转化单元(1)连接，以使得在监测到任一所述太阳电池阵(11)出现异常数据时能够驱动相应的所述采能控制模块(12)进行调节，其中，每个所述太阳电池阵(11)能够分别连接有对应的所述采能控制模块(12)。
4.根据权利要求3所述的卫星供电系统，其特征在于，所述采能控制模块(12)能够对相应的所述太阳电池阵(11)的输出电能进行调节，以使得处于工作状态下的各所述外部能量收集转化单元(1)能够向一次母线输出向对应的电能。
5.根据权利要求4所述的卫星供电系统，其特征在于，所述采能检测模块(31)能够基于各所述太阳电池阵(11)的输出电路电压和/或温度对所述太阳电池阵(11)的性能状态进行监测，其中，所述输出电路电压和/或温度能够通过分压电路进行监测。
6.根据权利要求5所述的卫星供电系统，其特征在于，所述储能检测模块(32)通过与各所述储能单元(2)连接，以使得在监测到任一所述蓄电池组(21)出现异常数据时能够驱动对应的所述储能控制模块(22)进行调节，其中，每个所述蓄电池组(21)能够分别连接有对应的所述储能控制模块(22)。
7.根据权利要求6所述的卫星供电系统，其特征在于，所述储能控制模块(22)能够对相应的所述蓄电池组(21)的充/放电过程进行调节，以使得至少通过旁路调节能够实现所述蓄电池组(21)内各所述蓄电池单体的均衡均流。
8.根据权利要求7所述的卫星供电系统，其特征在于，所述蓄电池诊断模块(301)能够根据组成所述蓄电池组(21)的蓄电池单体所用的材料组分而选择不同的监测参数，其中，通过所述监测参数能够获得所述蓄电池组(21)包括温度、电压、电流和/或容量的性能状态。
9.根据权利要求8所述的卫星供电系统，其特征在于，所述储能控制模块(22)包括第一调节器(221)和第二调节器(222)以控制所述蓄电池组(21)的充/放电，其中，所述第一调节器(221)和所述第二调节器(222)至少能够在所述第一光照期和所述第二光照期之间的交替时刻完成启闭状态的切换。
10.根据权利要求9所述的卫星供电系统，其特征在于，所述第一调节器(221)通过充电控制部件连接于所述采能控制模块(12)，以使得至少在所述第一光照期时，所述充电控制部件能够在监测到对应的所述蓄电池组(21)处于充满状态时切断所述第一调节器(221)的连通，并驱动所述采能控制模块(12)消耗掉来自所述太阳电池阵(11)转换的多余电能。
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