CN114726076A - 一种高效能、低成本微纳卫星能源模块 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航天卫星技术领域，具体涉及一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，包括太阳能电池阵，采用多个贴附在卫星本体上的石墨烯薄膜太阳电池，作为发电单元，当卫星运行于光照区，太阳电池受到太阳光照射，将吸收的太阳光能量转化为电能；锂离子蓄电池组，用于存储太阳能电池阵转化的电能并在阴影区域对外放电；电源控制器，用于调控太阳电池阵供电、蓄电池组充放电及为负载供电。克服了现有技术的不足，通过对能源模块的材料和电路的设计实现微纳卫星的降本减重，推动微纳卫星的整体发展。
Description
技术领域
本发明属于航天卫星技术领域，具体涉及一种高效能、低成本微纳卫星能源模块。
背景技术
能源模块是卫星重要组成部分，用于为卫星平台的其它模块和有效载荷供电。能源模块主要包括星内的电源控制器和蓄电池组、星外的太阳电池阵。能源模块的重量一般占到整星30％左右、造价占整星15％。
为了达到微纳卫星重量轻、成本低的设计要求，减小能源模块的重量，降低其制造成本是实现微纳降本减重设计的关键因素之一。
国内目前已发射的微纳卫星能源模块太阳电池阵主要采用三结砷化镓电池片，电池阵的结构普遍为刚性平板式结构，这种结构的太阳电池阵因为基板自身的重量已经很重，三结砷化镓自身的重量及三结砷化镓保护玻璃片的重量使得整个太阳电池阵的重量成为制约能源模块减重设计的影响因素之一。此外，三结砷化镓成本较高，电池片制造筛选工艺复杂，使得整个太阳电池阵的制造成本居高不下。
锂离子蓄电池组普遍采用21700电芯，采用先恒流后恒压的充电方式。相比其他的锂离子电池，在同等重量的情况下，21700电芯的容量和稳态输出电压均偏低，而先恒流再恒压的充电方式因为在充电初期限制蓄电池的充电电流，不能达到在有限的时间内尽快将蓄电池组充满的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，克服了现有技术的不足，通过对能源模块的材料和电路的设计实现微纳卫星的降本减重，推动微纳卫星的整体发展。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，包括
太阳能电池阵，采用多个贴附在卫星本体上的石墨烯薄膜太阳电池，作为发电单元，当卫星运行于光照区，太阳电池受到太阳光照射，将吸收的太阳光能量转化为电能；
锂离子蓄电池组，用于存储太阳能电池阵转化的电能并在阴影区域对外放电；
电源控制器，用于调控太阳电池阵供电、蓄电池组充放电及为负载供电，包括用于分流太阳能电池阵转化过剩输出能量的分流调节电路、用于控制蓄电池组充放电进程的充放电控制电路、用于蓄电池组充放电调节的滤波电路、用于控制电流信号的配电电路、用于采集能源模块的所有参数并按照中心计算机指令控制相应电路的遥控遥测电路以及用于控制调配的电源下位机。
进一步，所述太阳能电池阵根据其用电功耗分配成四个分阵，且每个分阵均并接有一个分流调节电路，且四个分流调节电路之间互为备份。
进一步，所述充放电控制电路包括PWM控制器、恒压充电控制器以及充电电路，所述PWM控制器与锂离子蓄电池组之间设置有四个三极管，PWM控制器的脉冲输出端连接在三极管的基极端，锂离子蓄电池组连接在三极管的集电极端，所述分阵分别连接在四个三极管的发射极端。
进一步，所述锂离子蓄电池组的每个电池单体上均安装有电压监测模块和单体均衡模块，所述均衡单元由串联在电池单体的正负极之间的MOSFET和变压器绕组组成，且每个均衡单元中的变压器绕组均来自于同一多绕组变压器的多个绕组。
进一步，所述锂电子蓄电池组上连接有防过电保护模块，所述防过电保护模块包括电压监测单元和三极管。
进一步，所述滤波电路由多个电解电容和电阻丝并联组成，且每个电解电容均串联有一保险丝。
进一步，所述配电电路包括二次电源变换模块、星箭分离供电模块和配电模块，所述二次电源变换模块用于将母线电压变换为用电设备所需要的电压；所述星箭分离供电模块用于为需要进行展开的太阳电池阵或天线的解锁装置进行供电。
进一步，所述电源下位机采用主备机的双机并联方式，包括主控CPU模块、对外接口通信功能模块、模拟量多路选通+模/数转换模块、DC/DC电源变换模块、OC指令执行电路模块和TTL电平输出模块。
本发明与现有技术相比较，具有以下有益效果：
本发明采用石墨烯薄膜太阳电池，相比传统砷化镓太阳电池，在产生同等能量的情况下，其重量减轻20％，成本降低15％。锂离子蓄电池在同等使用寿命前提下，因为具有更大的放电深度和单体容量，使重量相比18650锂离子电池组可减轻8％左右；此外，锂离子蓄电池组独特的结构设计，可保证在出现不可预测情况下锂离子电池组的使用安全。电源控制器采用稳定可靠的能源管理技术，保证卫星用电安全可靠。
附图说明
图1为一种高效能、低成本微纳卫星能源模块的原理结构框图。
图2为一种高效能、低成本微纳卫星能源模块中分流调节电路的原理框图。
图3为一种高效能、低成本微纳卫星能源模块中分流调节电路功率管驱动控制原理图。
图4为一种高效能、低成本微纳卫星能源模块中充放电控制电路原理框图。
图5为一种高效能、低成本微纳卫星能源模块中滤波电路的原理框图。
图6为一种高效能、低成本微纳卫星能源模块中电源下位机的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图6所示，本发明所述一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，包括太阳能电池阵，采用多个贴附在卫星本体上的石墨烯薄膜太阳电池，作为发电单元，当卫星运行于光照区，太阳电池受到太阳光照射，将吸收的太阳光能量转化为电能；相比传统砷化镓太阳电池，在产生同等能量的情况下，其重量减轻20％，成本降低15％，石墨烯薄膜太阳电池能够承受-90℃～90℃温度范围内温度急剧变化，其使用寿命不低于3年，造价成本不高于2元/kw。
锂离子蓄电池组，用于存储太阳能电池阵转化的电能并在阴影区域对外放电，初始放电容量为5.4Ah，在30％的放点深度下寿命可达3年-5年；锂离子蓄电池在同等使用寿命前提下，因为具有更大的放电深度和单体容量，使重量相比18650锂离子电池组可减轻8％左右；蓄电池内部加装安全阀，正常情况下蓄电池正极与安全阀接触。一旦发生过充电，正极分解产生气体，安全阀因此形变于正极分离，充电过程被切断。
电源控制器，用于调控太阳电池阵供电、蓄电池组充放电及为负载供电，包括用于分流太阳能电池阵转化过剩输出能量的分流调节电路、用于控制蓄电池组充放电进程的充放电控制电路、用于蓄电池组充放电调节的滤波电路、用于控制电流信号的配电电路、用于采集能源模块的所有参数并按照中心计算机指令控制相应电路的遥控遥测电路以及用于控制调配的电源下位机；下位机完成能源模块参数的采集、遥控指令执行等功能，同时，电源下位机通过RS-422或CAN总线实现与其它系统信息交换。
太阳能电池阵根据其用电功耗分配成四个分阵，且每个分阵均并接有一个分流调节电路，且四个分流调节电路之间互为备份。
充放电控制电路包括PWM控制器、恒压充电控制器以及充电电路，PWM控制器与锂离子蓄电池组之间设置有四个三极管，PWM控制器的脉冲输出端连接在三极管的基极端，锂离子蓄电池组连接在三极管的集电极端，分阵分别连接在四个三极管的发射极端；蓄电池组采取的是恒压充电，即当充电电压达到限定值后，进行限压保持，此后充电电流逐步减小，这种充电方式可以使蓄电池组在最短的时间内充满电，充电效率高。
锂离子蓄电池组的每个电池单体上均安装有电压监测模块和单体均衡模块，均衡单元由串联在电池单体的正负极之间的MOSFET和变压器绕组组成，且每个均衡单元中的变压器绕组均来自于同一多绕组变压器的多个绕组。
当锂离子蓄电池组最高电压的电池单体与最低电压的电池单体之间的压差达到设定值时，均衡指令将接通蓄电池单体电压较高的单体均衡电路，减小其充电电流，从而降低该蓄电池单体充电电压的上升速度，达到单体电池间均衡。
为了防止锂离子蓄电池在轨飞行期间由于整星故障导致锂离子蓄电池过放，锂电子蓄电池组上连接有防过电保护模块，防过电保护模块包括电压监测单元和三极管。
滤波电路由多个电解电容和电阻丝并联组成，且每个电解电容均串联有一保险丝。
配电电路包括二次电源变换模块、星箭分离供电模块和配电模块，二次电源变换模块用于将母线电压变换为用电设备所需要的电压；星箭分离供电模块用于为需要进行展开的太阳电池阵或天线的解锁装置进行供电；配电电路采用继电器和功率管控制各设备的接通和断开；继电器用于控制小电流信号，功率管用以控制大电流信号。
电源下位机采用主备机的双机并联方式，包括主控CPU模块、对外接口通信功能模块、模拟量多路选通+模/数转换模块、DC/DC电源变换模块、OC指令执行电路模块和TTL电平输出模块。
电源下位机A、B机均接入外部模拟量/温度量，通过电源下位机主控模块的片选通道块完成A/D转换，OC指令输出或TTL电平控制输出均由电源下位机内部控制逻辑电路输出，主备份A、B机通过两条直接遥控指令对电源下位机中的电源控制继电器进行工作电源的切换，当A机发生故障时，可通过直接遥控指令切换到B机，由B机接替工作。
电源下位机的电路设计采用由单片微处理器Atmega128为核心的控制系统，硬件电路由CPU系统(A机、B机)、模拟量片选采集电路(A机、B机)、OC和TTL电平指令控制电路(A机、B机)、RS-422总线通信电路(A机、B机)、DC/DC电源转换模块共6个部分组成，通过软件对硬件资源进行协调和配合，共同完成电源下位机的所有功能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (8)
1.一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，其特征在于：包括
太阳能电池阵，采用多个贴附在卫星本体上的石墨烯薄膜太阳电池，作为发电单元，当卫星运行于光照区，太阳电池受到太阳光照射，将吸收的太阳光能量转化为电能；
锂离子蓄电池组，用于存储太阳能电池阵转化的电能并在阴影区域对外放电；
电源控制器，用于调控太阳电池阵供电、蓄电池组充放电及为负载供电，包括用于分流太阳能电池阵转化过剩输出能量的分流调节电路、用于控制蓄电池组充放电进程的充放电控制电路、用于蓄电池组充放电调节的滤波电路、用于控制电流信号的配电电路、用于采集能源模块的所有参数并按照中心计算机指令控制相应电路的遥控遥测电路以及用于控制调配的电源下位机。
2.根据权利要求1所述的一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，其特征在于：所述太阳能电池阵根据其用电功耗分配成四个分阵，且每个分阵均并接有一个分流调节电路，且四个分流调节电路之间互为备份。
3.根据权利要求2所述的一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，其特征在于：所述充放电控制电路包括PWM控制器、恒压充电控制器以及充电电路，所述PWM控制器与锂离子蓄电池组之间设置有四个三极管，PWM控制器的脉冲输出端连接在三极管的基极端，锂离子蓄电池组连接在三极管的集电极端，所述分阵分别连接在四个三极管的发射极端。
4.根据权利要求1所述的一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，其特征在于：所述锂离子蓄电池组的每个电池单体上均安装有电压监测模块和单体均衡模块，所述均衡单元由串联在电池单体的正负极之间的MOSFET和变压器绕组组成，且每个均衡单元中的变压器绕组均来自于同一多绕组变压器的多个绕组。
5.根据权利要求4所述的一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，其特征在于：所述锂电子蓄电池组上连接有防过电保护模块，所述防过电保护模块包括电压监测单元和三极管。
6.根据权利要求1所述的一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，其特征在于：所述滤波电路由多个电解电容和电阻丝并联组成，且每个电解电容均串联有一保险丝。
7.根据权利要求1所述的一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，其特征在于：所述配电电路包括二次电源变换模块、星箭分离供电模块和配电模块，所述二次电源变换模块用于将母线电压变换为用电设备所需要的电压；所述星箭分离供电模块用于为需要进行展开的太阳电池阵或天线的解锁装置进行供电。
8.根据权利要求1所述的一种高效能、低成本微纳卫星能源模块，其特征在于：所述电源下位机采用主备机的双机并联方式，包括主控CPU模块、对外接口通信功能模块、模拟量多路选通+模/数转换模块、DC/DC电源变换模块、OC指令执行电路模块和TTL电平输出模块。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115117993A (zh) * | 2022-08-30 | 2022-09-27 | 长沙天仪空间科技研究院有限公司 | 一种基于超级电容的卫星电源系统 |
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2022
- 2022-04-27 CN CN202210459451.6A patent/CN114726076A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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