CN115051454A - 一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，包括模块化太阳电池阵、小功率MPPT模块、高比能蓄电池组、配电器模块和母线汇流排，本发明将配电系统与电源系统相融合，形成卫星的供配电单元，以此构建供配电系统；具有体积小、重量轻、可自散热、接口标准化、成本低等优点，可以批量生产，快速灵活部署；逐级的分列形成分布式供电结构并串联一个隔离二极管，与并联一个旁路二极管，增强了太阳电池阵的可靠性；通过热传导组件连接卫星结构，使得高比能蓄电池组工作环境温度力求保证在0～30℃的范围内；通过配电器内设置二次电源变换和配电开关，采用热备份增加了可靠性，达到稳定输出二次电源的目的。

Description

一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统

技术领域

本发明属于卫星电源系统技术领域，特别涉及一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统。

背景技术

卫星平台按照质量从小到大进行划分可以分为飞卫星、皮卫星、纳卫星、微卫星、小卫星、中卫星、大卫星等几种类型，可以执行不同的任务，运行寿命从几天到十几年。其中质量为10kg～100kg的卫星称为微卫星平台，是太空科技中出现的有明确用途的新一代卫星。其特点是：新技术含量高、研制周期短(一年左右)、研制经费低(数千万人民币量级)，且可以进一步组网，以分布式的星座形成“虚拟大卫星”。与以往的大卫星相比，微卫星具有很多优势，如微卫星重量轻、体积小，再加上批量生产，生产成本低；可以用小型火箭发射，或作为大型火箭的辅助载荷发射，发射成本低；能从战斗机甚至气球上发射，或利用地(水)面火炮发射，可以满足快速反应的需求，近年来得到国家支持，其发展势头迅猛。

电源分系统是卫星平台的心脏，对于微卫星平台亦不例外，电源分系统是微卫星平台的最重要的分系统之一。一般的，微卫星平台的功率需求都不大，小的几十瓦，大的几百上前瓦，因此其电源系统的架构一般遵从简单化设计，平台母线电压一般也选择低压母线，随着微卫星的快速发展，微卫星功率需求逐渐增大，传统的并联分流型微卫星电源系统的架构的缺点已经显现出来。

一般的微卫星电源系统(PCU)采用直接能量传输(DET)的半调节母线架构，这种拓扑结构主要包含调节太阳阵输出分流器和蓄电池组，其中蓄电池组直接挂载母线。其优点是拓扑简单、传输效率高，其缺点是由分流电路分流多余能量，能量利用率相对较低；另外，由于微卫星的电源系统功率相对较小，一般的将配电系统与电源系统相融合，形成卫星的供配电单元(PCDU)，以此构建供配电系统。

为了进一步提高能源利用率，本专利采用峰值功率跟踪(MPPT)方式构建了一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，将太阳阵工作点与母线电压解耦，使太阳电池阵在任意负载变换及环境变化下均能工作在最大功率点，把太阳能电池阵输出功率全部发挥出来，满足微卫星电源系统功率增大和轻量化的发展需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，包括模块化太阳电池阵、小功率MPPT模块、高比能蓄电池组、配电器模块和母线汇流排，所述母线汇流排为两条紫铜带，所述母线汇流排分布有连接螺纹接口与插接间，所述模块化太阳电池阵与小功率MPPT模块串联构成供电模块，所述供电模块、高比能蓄电池组、配电器模块分别通过螺栓或接插件接入母线汇流排。

优选的，所述模块化太阳电池阵的总功率为320W，所述模块化太阳电池阵的展开面积为1.65m²，所述模块化太阳电池阵由四块电池分阵组成，每个所述电池分阵由四个子单元并联组成，所述分阵通过串联小功率MPPT模块后接入母线，每个所述子单元均串联一个隔离二极管构成独立构件，所述独立构件进行并联，所述每个子单元由N个太阳电池单体串联组成，每个所述太阳电池单体均并联一个旁路二极管。

优选的，所述小功率MPPT模块为标称功率100W，所述小功率MPPT模块瞬时最大功率200W，所述小功率MPPT模块串联电池分阵，所述MPPT模块为标准模块。

优选的，所述高比能蓄电池组由若干圆柱18650型单体电池通过串联或并联的方式组合而成，所述高比能蓄电池组通过热传导组件连接微卫星其他结构，所述高比能蓄电池组的工作温度为0℃～30℃。

优选的，所述配电器模块的包括二次电源和配电开关：

所述二次电源为宽输入、多路输出的DCDC，所述DCDC将一次母线变换成±12V与+5V供平台及负载所需，所述DCDC采用热备份，即主线路与备用线路同时工作，所述主线路与备用线路的输出都经过一个二极管隔离后供给二次负载；

所述配电开关采用磁保持继电器或MOS开关连接到用电负载，所述配电开关的通断由星务发指令来控制。

优选的，所述母线汇流排的标称母线电压是28V，所述高比能蓄电池组的电压为一次母线电压。

优选的，所述高比能蓄电池组内包含工作状态检测与保护电路。

基于一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统的工作流程，包括地影期与光照期：

所述地影期流程如下：

S101、所述模块化太阳电池阵不发电，完全由高比能蓄电池组为负载提供能量；

S102、所述高比能蓄电池组长时间放电后，当电量接近放空时，整星会在几分钟内自动断电；

S103、步骤S102中首先通过蓄电池组工作状态检测与保护电路对高比能蓄电池组供电状况进行监测，而后将一些不必要的载荷关机，若该措施不能奏效，再通过遥控指令将高比能蓄电池组与母线汇流排断开，切断高比能蓄电池组供电。

所述光照期流程如下：

S201、模块化太阳电池阵输出能量首先满足直接供给负载；

S202、当模块化太阳电池阵输出能量大于负载所需能量时，剩余的能量给高比能蓄电池组充电；

S203、当高比能蓄电池组充满电后，高比能蓄电池组与母线连接开关关闭，保证高比能蓄电池组不被过充；

S204、当出现短期大负载时，模块化太阳电池阵输出的能量全部用于负载供电，若负载功率需求大于模块化太阳电池阵的输出功率时，则由高比能蓄电池组补允供电，此时电源系统处于联合供电状态；

S205、当卫星从地影期进入光照期，模块化太阳电池阵供出稳定能量后，发遥控指令将蓄电池组与母线接入，模块化太阳电池阵给高比能蓄电池组补充能量，高比能蓄电池组可以恢复正常使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将配电系统与电源系统相融合，形成卫星的供配电单元，以此构建供配电系统；

本发明采用峰值功率跟踪方式构建了一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，具有体积小、重量轻、可自散热、接口标准化、成本低等优点，可以批量生产，快速灵活部署，特别适用于分布式小功率电源系统，满足微卫星电源系统轻量化的发展需求；

本发明技术方案的逐级的分列形成分布式供电结构并串联一个隔离二极管，与并联一个旁路二极管，增强了太阳电池阵的可靠性；

本发明的高比能蓄电池组通过热传导组件连接卫星结构，使得高比能蓄电池组温度偏高时通过结构将热量导到卫星其他结构上；蓄电池组温度偏低时，将卫星上其他部件发热的热量导到蓄电池结构上，使电池在星上的工作环境温度力求保证在0～30℃的范围内；

本发明通过配电器内设置二次电源变换和配电开关，采用热备份增加了可靠性，达到稳定输出二次电源的目的。

附图说明

图1为本发明的电路布局结构示意图；

图2为本发明的电池分阵示意图结构示意图；

图3为现有供电系统电路布局结构示意图。

图中：1、电池分阵；2、旁路二极管；3、子单元；4、隔离二极管。

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。

实施例

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，包括模块化太阳电池阵、小功率MPPT模块、高比能蓄电池组、配电器模块和母线汇流排，所述母线汇流排为两条紫铜带，所述母线汇流排分布有连接螺纹接口与插接间，所述模块化太阳电池阵与小功率MPPT模块串联构成供电模块，所述供电模块、高比能蓄电池组、配电器模块分别通过螺栓或接插件接入母线汇流排。

模块化太阳电池阵为光照供电的主要结构部件，小功率MPPT模块通过功率跟踪，能够有效的对模块化太阳电池阵输出的功率进行控制，高比能蓄电池组对模块化太阳电池阵的余量电能进行存储，同时对过载及非光照情况线进行供电，配电器模块对负载的供电进行二次调配，母线汇流排对整个系统进行有效的连接。

具体而言，所述模块化太阳电池阵的总功率为320W，所述模块化太阳电池阵的展开面积为1.65m²，所述模块化太阳电池阵由四块电池分阵1组成，每个所述电池分阵1由四个子单元3并联组成，所述分阵通过串联小功率MPPT模块后接入母线，每个所述子单元3均串联一个隔离二极管4构成独立构件，所述独立构件进行并联，所述每个子单元3由N个太阳电池单体串联组成，每个所述太阳电池单体均并联一个旁路二极管2。

基于模块化太阳电池阵的总功率为320W及分为四块电池分阵1，使得每个电池分阵1的功率为80W，而各个分阵之间通过独立工作，互不影响，当一个分阵出现故障时，不影响其他分阵正常工作，子单元3间通过隔离二极管4并联，使得某个子单元3出现故障时，隔离二极管4起到隔离作用，不影响其他子单元3正常工作，每个太阳电池单体通过并联一个旁路二极管2，当某一单体电池发生故障时，旁路二极管2可以将此片电池旁路掉，保证此子单元3继续供电，通过采取以上所述措施，大大增强了太阳电池阵的可靠性。

具体而言，所述小功率MPPT模块为标称功率100W，所述小功率MPPT模块瞬时最大功率200W，所述小功率MPPT模块串联电池分阵1，所述MPPT模块为标准模块。

通过标称功率与瞬时功率的设定，满足功率使用要求，而标准模块，具有体积小、重量轻、可自散热、接口标准化、成本低等优点，可以批量生产，快速灵活部署的功能。

具体而言，所述高比能蓄电池组由若干圆柱18650型单体电池通过串联或并联的方式组合而成，所述高比能蓄电池组通过热传导组件连接微卫星其他结构，所述高比能蓄电池组的工作温度为0℃～30℃。

基于热传导组件的安装满足机电热一体化要求与卫星组件的力学环境要求，在蓄电池温度偏高时通过结构将热量导到卫星其他结构上，蓄电池组温度偏低时，将卫星上其他部件发热的热量导到蓄电池结构上，使电池在星上的工作环境温度力求保证在0～30℃的范围内。

具体而言，所述配电器模块的包括二次电源和配电开关：

所述二次电源为宽输入、多路输出的DCDC，所述DCDC将一次母线变换成±12V与+5V供平台及负载所需，所述DCDC采用热备份，即主线路与备用线路同时工作，所述主线路与备用线路的输出都经过一个二极管隔离后供给二次负载；

所述配电开关采用磁保持继电器或MOS开关连接到用电负载，所述配电开关的通断由星务发指令来控制。

具体而言，所述母线汇流排的标称母线电压是28V，所述高比能蓄电池组的电压为一次母线电压。

母线电压由蓄电池组钳位，始终在一个范围内变化。

具体而言，所述高比能蓄电池组内包含工作状态检测与保护电路。

对高比能蓄电池组的充放电状态进行有效的监测与保护，避免过充与过放，使得高比能蓄电池组发生损坏。

基于一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统的工作流程，包括地影期与光照期：

所述地影期流程如下：

S101、所述模块化太阳电池阵不发电，完全由高比能蓄电池组为负载提供能量；

S102、所述高比能蓄电池组长时间放电后，当电量接近放空时，整星会在几分钟内自动断电；

S103、步骤S102中首先通过蓄电池组工作状态检测与保护电路对高比能蓄电池组供电状况进行监测，而后将一些不必要的载荷关机，若该措施不能奏效，再通过遥控指令将高比能蓄电池组与母线汇流排断开，切断高比能蓄电池组供电。

所述光照期流程如下：

S201、模块化太阳电池阵输出能量首先满足直接供给负载；

S202、当模块化太阳电池阵输出能量大于负载所需能量时，剩余的能量给高比能蓄电池组充电；

S203、当高比能蓄电池组充满电后，高比能蓄电池组与母线连接开关关闭，保证高比能蓄电池组不被过充；

S204、当出现短期大负载时，模块化太阳电池阵输出的能量全部用于负载供电，若负载功率需求大于模块化太阳电池阵的输出功率时，则由高比能蓄电池组补允供电，此时电源系统处于联合供电状态；

S205、当卫星从地影期进入光照期，模块化太阳电池阵供出稳定能量后，发遥控指令将蓄电池组与母线接入，模块化太阳电池阵给高比能蓄电池组补充能量，高比能蓄电池组可以恢复正常使用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，包括模块化太阳电池阵、小功率MPPT模块、高比能蓄电池组、配电器模块和母线汇流排，其特征在于：所述母线汇流排为两条紫铜带，所述母线汇流排分布有连接螺纹接口与插接间，所述模块化太阳电池阵与小功率MPPT模块串联构成供电模块，所述供电模块、高比能蓄电池组、配电器模块分别通过螺栓或接插件接入母线汇流排。

2.根据权利要求1所述的一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，其特征在于：所述模块化太阳电池阵的总功率为320W，所述模块化太阳电池阵的展开面积为1.65m²，所述模块化太阳电池阵由四块电池分阵(1)组成，每个所述电池分阵(1)由四个子单元(3)并联组成，所述分阵通过串联小功率MPPT模块后接入母线，每个所述子单元(3)均串联一个隔离二极管(4)构成独立构件，所述独立构件进行并联，所述每个子单元(3)由N个太阳电池单体串联组成，每个所述太阳电池单体均并联一个旁路二极管(2)。

3.根据权利要求1所述的一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，其特征在于：所述小功率MPPT模块为标称功率100W，所述小功率MPPT模块瞬时最大功率200W，所述小功率MPPT模块串联电池分阵(1)，所述MPPT模块为标准模块。

4.根据权利要求1所述的一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，其特征在于：所述高比能蓄电池组由若干圆柱18650型单体电池通过串联或并联的方式组合而成，所述高比能蓄电池组通过热传导组件连接微卫星其他结构，所述高比能蓄电池组的工作温度为0℃～30℃。

5.根据权利要求1所述的一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，其特征在于：所述配电器模块的包括二次电源和配电开关：

所述二次电源为宽输入、多路输出的DCDC，所述DCDC将一次母线变换成±12V与+5V供平台及负载所需，所述DCDC采用热备份，即主线路与备用线路同时工作，所述主线路与备用线路的输出都经过一个二极管隔离后供给二次负载；

所述配电开关采用磁保持继电器或MOS开关连接到用电负载，所述配电开关的通断由星务发指令来控制。

6.根据权利要求1所述的一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，其特征在于：所述母线汇流排的标称母线电压是28V，所述高比能蓄电池组的电压为一次母线电压。

7.根据权利要求1所述的一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统，其特征在于：所述高比能蓄电池组内包含工作状态检测与保护电路。

8.基于权利要求1-7所述的一种用于微卫星的分布式低压母线供配电系统的工作流程，其特征在于：包括地影期与光照期：

所述地影期流程如下：

S101、所述模块化太阳电池阵不发电，完全由高比能蓄电池组为负载提供能量；

S102、所述高比能蓄电池组长时间放电后，当电量接近放空时，整星会在几分钟内自动断电；

S103、步骤S102中首先通过蓄电池组工作状态检测与保护电路对高比能蓄电池组供电状况进行监测，而后将一些不必要的载荷关机，若该措施不能奏效，再通过遥控指令将高比能蓄电池组与母线汇流排断开，切断高比能蓄电池组供电。

所述光照期流程如下：

S201、模块化太阳电池阵输出能量首先满足直接供给负载；

S202、当模块化太阳电池阵输出能量大于负载所需能量时，剩余的能量给高比能蓄电池组充电；

S203、当高比能蓄电池组充满电后，高比能蓄电池组与母线连接开关关闭，保证高比能蓄电池组不被过充；

S204、当出现短期大负载时，模块化太阳电池阵输出的能量全部用于负载供电，若负载功率需求大于模块化太阳电池阵的输出功率时，则由高比能蓄电池组补允供电，此时电源系统处于联合供电状态；

S205、当卫星从地影期进入光照期，模块化太阳电池阵供出稳定能量后，发遥控指令将蓄电池组与母线接入，模块化太阳电池阵给高比能蓄电池组补充能量，高比能蓄电池组可以恢复正常使用。

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