CN116581732A - 一种适用于长期在轨的能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，包括电源控制器、锂离子电池组、电池阵；其中，所述电池阵通过光电转换效应，将太阳能转变为电能，为负载供电；所述锂离子电池组在光照区，将多余的太阳电池发电电能通过蓄电池组贮存起来；所述电源控制器对太阳电池输出母线进行电压调节与控制，对所述锂离子电池组进行充电控制与放电调节，以保证母线电压稳定性，实现电池组充电、剩余能量分流以及为负载配电。

Description

一种适用于长期在轨的能源系统
技术领域
本发明属于能源技术领域，涉及一种适用于长期在轨的能源系统。
背景技术
对于有长期在轨需求的卫星而言，设备处于长期加电状态，会产生极大地能源损失，不利于长期在轨的最终目标。为了进一步延长相关产品的工作寿命，适应长期在轨的新模式，能源系统在方案和电气产品设计过程中，应充分结合实际的运行模式和情况，对设备数量级电源容量进行有效选择，建立完善的能源管理体系，降低生存保障压力十分必要。
文献《卫星电源系统智能管理设计与实现》(杨暘，于智航，孙宏杰.中国电子科技集团公司第十八研究所,2019，43(8):1388-1390，以下简称文献[1])中电源系统具备智能化管理、长期自主运行，高可靠性、高效率的特点，重点就是对锂离子蓄电池组的充放电管理和智能控制。电源系统的主要控制单元为电源控制和蓄电池均衡控制器，依托于上述两台控制设备，使用下位机并配合嵌入式软件可以实现电源系统的自主控制和管理。然而，将电源控制器及均衡管理器作为2台单机分开管理，增加系统间的电缆接线，且该系统主要针对蓄电池的电源均衡问题开展充放电管理，不涉及系统设计，对电池容量、电池阵串、并联设计未进行说明。
文献《一种新型的微小卫星自主星箭分离电源控制技术》(方圆，曹彩霞等.通信电源技术,2018,35(5):47-49，以下简称文献[2])中提出了一种控制器在延时后对连接在卫星分离解锁装置中的火工品提供起爆电源，最终实现星箭分离的方法。搭载星在遥感三十号04组(主星)与火箭星箭分离后，将不带电触点的分离信号发送给装在火箭末子级过度支架内的微纳-1A卫星分离机构起爆控制器，通过控制器内部延时电路延时2～2.1s后，自主进行星箭分离的约束条件。火工品起爆方式与本方案差距较大，具有起爆控制器，本方案火工品控制功能电路位于电源控制器内，当需要起爆火工品时，通过遥控指令，接通相应的火工品电源正线，接着通过遥控指令，起爆火工品。火工品电路采用正负母线继电器控制开关、MOS管指令开关，实现火工品起爆控制。
文献《一种新型微小卫星电源系统设计》(李玲等.电源技术,2019,43(7):1188-1190，以下简称文献[3])中提出了采用峰值功率跟踪(PPT)模式调节，实现自适应最大功率跟踪(MPPT)功能，提高了电源效率；与聚合物锂电池相结合，实现锂电池充放电管理，但是文献[3]中电源控制器由PPT单元、锂电池管理单元、多路输出单元和下位机单元四部分组成，作为选配包，未对热控、火工品等功能进行设计，且蓄电池额定容量为12Ah，多路输出单元主要针对小功率负载进行设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，包括电源控制器、锂离子电池组、电池阵；其中，
所述电池阵通过光电转换效应，将太阳能转变为电能，为负载供电；
所述锂离子电池组在光照区，将多余的太阳电池发电电能通过蓄电池组贮存起来；
所述电源控制器对太阳电池输出母线进行电压调节与控制，对所述锂离子电池组进行充电控制与放电调节，以保证母线电压稳定性，实现电池组充电、剩余能量分流以及为负载配电。
优选地，所述电池阵采用三结砷化镓太阳电池。
优选地，所述电源控制器采用层叠式结构，包括电池管理单元、配电单元、下位机单元、均衡模块和火工模块；其中，
所述电池管理单元采用先限流后恒压的充电方式；首先利用所述电池阵输出电流特性对锂离子电池组进行限流充电，蓄电池组电压将逐渐升高，当蓄电池组电压达到设定值时开始转恒压充电，此后充电电流按近似指数规律减小，直至为零；
所述配电单元具备16路配电能力，由所述下位机单元接收计算机配电指令，控制继电器输出，向产品及设备提供一次电源及二次电源；
所述下位机单元采用双冗余冷备份设计方案，由两条中心计算机直接指令来切换主、备机工作，上电后仅有主机或备机执行对输入输出接口的操作，完成各项遥测遥控、控制算法的编写和执行以及对上位机单元的数据传输；
所述均衡模块用于保证单体间的均衡性，锂离子电池组采用了旁路均衡控制方式；下位机每个工作周期对蓄电池单体电压进行采样和比较，当某个单体电池电压比蓄电池组中的最低单体电池电压高出60mV时，下位机发出控制信号接通该蓄电池单体的旁路分流电路，减少其充电电流，从而降低该蓄电池单体充电电压的上升速度，达到均衡充电的目的；
所述火工模块采用独立的供电母线，减少对其他产品及设备的干扰。
优选地，所述电源控制器还设置了蓄电池组终压选择电路，终压选择电路提供4个不同蓄电池组充电终压电，分别对应寿命初期、寿命末期、单体短路及长期存储情况下，电压设置为28.7V、29.4V、25.2V及27.3V。
优选地，所述配电单元的需配电供电电压的负载共五种，分别是母线28V、±5V、±12V，具备冗余能力；所用继电器为2JB15-1，线圈电压规格为28V，继电器选型中，瞬态工作的继电器触点电流按2倍额定电流进行使用。
优选地，所述蓄电池组在地影期间，电池阵不产生电能，由蓄电池组直接为长期在轨负载提供所需的全部能源。
优选地，火工品正常起爆电流5A，为防止桥丝对地短路，造成电池组过房，在火工品电路内串联3Ω的限流电阻，起限流作用；在火工品回路中设置解锁母线正线通断开关和火工品起爆开关，有效避免火工品误动作。
优选地，所述锂离子电池组由3并7串的电池单体组成，单体工作电位为4V；电池单体采用铜作为正负极极柱，电池组单体额定容量为30Ah，单体间采用叠片式电堆结构。
优选地，所述电池阵由4个单折叠式刚性太阳阵组成，分布于卫星四周，结构包括：基板、展开锁定机构、压紧释放机构及电池片；电池阵通过压紧释放机构收拢在卫星侧壁上，响应指令后，在展开机构的驱动下，展开至预定位置并可靠锁定。
优选地，所述基板为太阳电池电路提供安装面积，每翼共有1块基板，单板面积1m2；
所述展开锁定机构是将太阳阵由折叠收拢状态变成展开锁定状态，驱动电池阵展开；
所述压紧释放机构用于将太阳阵压紧在卫星侧壁，每套压紧释放机构配有1发切割器；
所述电池片采用三结砷化镓太阳电池片，包括多个电池片串、并联设计，以满足供电要求。
当指令启动火工装置控制电路后，火工切割器即刻引爆，切断压紧杆，电池阵展开；压紧释放机构及展开锁定机构主要用于太阳能电池翼的释放。
本发明的有益效果：
一种适用于长期在轨的能源系统设计方案，相比于现有卫星能源系统，增加了大功率配电输出、火工品控制设计、热控等功能，提升了现有卫星的功能拓展能力。对于搭载或验证任务，一种适用于长期在轨的能源系统作为拓展包，可兼顾能源输出及执行功能，降低了与原系统耦合性，延长卫星在轨时间，提升可靠性，且有利于后续开展各类试验，实现在轨期间能源的稳定供应，缓解在轨能源供应压力。具体为：
1、传统的电源管理模式最终给到用户的供电电压为同一的母线电压，用户需要通过控制器二次电源模块进行电能的二次变化，这对于一般在轨的成熟系统，由于通路限制，有一定难度。所述电源控制器具备二次配电功能，独立完成多路负载的直接、间接配电。
2、电源控制器采用层叠式结构，采用模块层叠的方式，多模块可根据在轨负载的实际需求灵活配置。
3、在电源控制器内加入电池阵火工品控制功能电路，当需要起爆火工品时，通过遥控指令，接通相应的火工品电源正线，接着通过遥控指令，起爆火工品。火工品电路采用正负母线继电器控制开关、MOS管指令开关，实现火工品起爆控制。
4、太阳阵的供电控制、电池组充放控制均通过电源控制器进行，电源控制器具备1553B总线、RS422总线交互通信能力，可匹配控制单机多种接口。
5、电池组采用锂离子电池，采用3并7串方式，输出28V直流，电池组不低于容量100Ah，满足阴影期出现峰值负载时最大放电深度不超过20％的需求。
附图说明
图1为一种适用于长期在轨的能源系统图；
图2为一种适用于长期在轨的能源系统对外接口示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明所述的技术方案做说明。
如图所示，本发明的能源系统包括：电源控制器、锂离子电池组、电池阵，实现长期在轨产品的能源产生、存储及供配电功能。所述电池阵采用三结砷化镓太阳电池，太阳电池阵在光照期，利用太阳电池的光伏效应，将太阳能直接转换成电能，为系统在轨提供能源。所述电源控制器包括控制单元、电池管理单元、配电单元、下位机单元，实现电池组充电、剩余能量分流以及为负载配电。所述蓄电池组在光照器将电能转换成化学能贮存起来；在地影期间，太阳电池阵不产生电能，由蓄电池组直接为长期在轨负载提供所需的全部能源。
电源控制器采用层叠式结构，电源控制器由电池管理单元、配电单元、下位机单元、均衡模块、火工模块组成，具备接收整器遥控以及转发电源系统遥测参数的能力。
电池管理单元采用先限流后恒压的充电方式。首先利用太阳电池阵输出电流特性对锂离子电池组进行限流充电，蓄电池组电压将逐渐升高，当蓄电池组电压达到设定值时开始转恒压充电，此后充电电流按近似指数规律减小，直至几乎为零。电源控制器设置了蓄电池组终压选择电路，终压选择电路可以提供4个不同蓄电池组充电终压电。分别对应寿命初期、寿命末期、单体短路及长期存储情况下，电压设置为28.7V、29.4V、25.2V及27.3V。
配电模块具备16路配电能力，配电指令有电源控制器下位接收计算机配电指令，控制继电器输出，向产品及设备提供一次电源及二次电源。需配电供电电压的负载共五种，分别是母线28V、±5V、±12V，具备一定的冗余能力。所用继电器为2JB15-1，线圈电压规格为28V，继电器选型中，瞬态工作的继电器触点电流按2倍额定电流进行使用。
下位机单元采用双冗余冷备份设计方案，由两条中心计算机直接指令来切换主、备机工作，上电后仅有主机或备机执行对输入输出接口的操作，完成各项遥测遥控、控制算法的编写和执行以及对上位机单元的数据传输。下位机软件主要包括AD采样、电池组充电控制、电池组均衡控制、指令控制、遥测等功能。
下位机模块间接指令驱动采用采用ULN2803实现，该集成电路的驱动电流最大可达500mA。
均衡调节电路保证了单体间的均衡性，同时锂电池采用了旁路均衡控制方式。下位机每个工作周期对7个蓄电池单体电压进行采样和比较，当某个单体电池电压比蓄电池组中的最低单体电池电压高出60mV时，下位机发出控制信号接通该蓄电池单体的旁路分流电路，减少其充电电流，从而降低该蓄电池单体充电电压的上升速度，达到均衡充电的目的。
火工模块采用独立的供电母线，减少对其他产品及设备的干扰。火工品正常起爆电流5A，为防止桥丝对地短路，造成电池组过房，在火工品电路内串联3Ω的限流电阻，起限流作用。在火工品回路中设置解锁母线正线通断开关和火工品起爆开关，有效避免火工品误动作。
锂离子电池组由3并7串的电池单体组成，单体工作电位为4V左右。电池采用铜作为正负极极柱，防止材料在充、放电过程中发生电化学腐蚀和自放电现象。电池组单体额定容量为30Ah，单体间采用叠片式电堆结构，这种结构具有散热性好，组合空间利用率高等优点。
太阳能电池阵由4个单折叠式刚性太阳阵组成，分布于卫星四周，结构包括：基板、展开锁定机构、压紧释放机构及电池片。太阳能电池阵通过压紧释放机构收拢在卫星侧壁上，响应指令后，在展开机构的驱动下，展开至预定位置并可靠锁定。
基板负责为太阳电池电路提供一定的安装面积，每翼共有1块基板，单板面积1m2。展开锁定机构是将太阳阵由折叠收拢状态变成展开锁定状态，驱动太阳能电池阵展开。压紧释放机构用于将太阳阵压紧在卫星侧壁，每套压紧释放机构配有1发切割器。当指令启动火工装置控制电路后，火工切割器即刻引爆，切断压紧杆，电池阵展开。压紧释放机构及展开锁定机构主要用于太阳能电池翼的释放。电池片采用三结砷化镓太阳电池片，由多个电池片串、并联设计，以满足供电要求。
本发明中采用的太阳能电池由多片电池片串、并联满足供电要求，且太阳能电池片安装于加班上，采用压紧装置及火工品实现电池阵的展开，采用本方法视为侵权。本发明中设置了锂离子电池组采用先恒流后恒压充电方式，分别对应寿命初期、寿命末期、单体短路及长期存储情况下，电压设置为28.7V、29.4V、25.2V及27.3V，采用本方法或设置不同的终端电压均视为侵权。本发明中采用的电源控制器具备大功率的配电输出，输出电流驱动至少2路15A的负载。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，包括电源控制器、锂离子电池组、电池阵；其中，
所述电池阵通过光电转换效应，将太阳能转变为电能，为负载供电；
所述锂离子电池组在光照区，将多余的太阳电池发电电能通过蓄电池组贮存起来；
所述电源控制器对太阳电池输出母线进行电压调节与控制，对所述锂离子电池组进行充电控制与放电调节，以保证母线电压稳定性，实现电池组充电、剩余能量分流以及为负载配电。
2.如权利要求1所述的适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，所述电池阵采用三结砷化镓太阳电池。
3.如权利要求1所述的适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，所述电源控制器采用层叠式结构，包括电池管理单元、配电单元、下位机单元、均衡模块和火工模块；其中，
所述电池管理单元采用先限流后恒压的充电方式；首先利用所述电池阵输出电流特性对锂离子电池组进行限流充电，蓄电池组电压将逐渐升高，当蓄电池组电压达到设定值时开始转恒压充电，此后充电电流按近似指数规律减小，直至为零；
所述配电单元具备16路配电能力，由所述下位机单元接收计算机配电指令，控制继电器输出，向产品及设备提供一次电源及二次电源；
所述下位机单元采用双冗余冷备份设计方案，由两条中心计算机直接指令来切换主、备机工作，上电后仅有主机或备机执行对输入输出接口的操作，完成各项遥测遥控、控制算法的编写和执行以及对上位机单元的数据传输；
所述均衡模块用于保证单体间的均衡性，锂离子电池组采用了旁路均衡控制方式；下位机每个工作周期对蓄电池单体电压进行采样和比较，当某个单体电池电压比蓄电池组中的最低单体电池电压高出60mV时，下位机发出控制信号接通该蓄电池单体的旁路分流电路，减少其充电电流，从而降低该蓄电池单体充电电压的上升速度，达到均衡充电的目的；
所述火工模块采用独立的供电母线，减少对其他产品及设备的干扰。
4.如权利要求3所述的适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，所述电源控制器还设置了蓄电池组终压选择电路，终压选择电路提供4个不同蓄电池组充电终压电，分别对应寿命初期、寿命末期、单体短路及长期存储情况下，电压设置为28.7V、29.4V、25.2V及27.3V。
5.如权利要求3所述的适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，所述配电单元的需配电供电电压的负载共五种，分别是母线28V、±5V、±12V，具备冗余能力；所用继电器为2JB15-1，线圈电压规格为28V，继电器选型中，瞬态工作的继电器触点电流按2倍额定电流进行使用。
6.如权利要求1所述的适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，所述蓄电池组在地影期间，电池阵不产生电能，由蓄电池组直接为长期在轨负载提供所需的全部能源。
7.如权利要求3所述的适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，火工品正常起爆电流5A，为防止桥丝对地短路，造成电池组过房，在火工品电路内串联3Ω的限流电阻，起限流作用；在火工品回路中设置解锁母线正线通断开关和火工品起爆开关，有效避免火工品误动作。
8.如权利要求1所述的适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，所述锂离子电池组由3并7串的电池单体组成，单体工作电位为4V；电池单体采用铜作为正负极极柱，电池组单体额定容量为30Ah，单体间采用叠片式电堆结构。
9.如权利要求1所述的适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，所述电池阵由4个单折叠式刚性太阳阵组成，分布于卫星四周，结构包括：基板、展开锁定机构、压紧释放机构及电池片；电池阵通过压紧释放机构收拢在卫星侧壁上，响应指令后，在展开机构的驱动下，展开至预定位置并可靠锁定。
10.如权利要求9所述的适用于长期在轨的能源系统，其特征在于，
所述基板为太阳电池电路提供安装面积，每翼共有1块基板，单板面积1m2；
所述展开锁定机构是将太阳阵由折叠收拢状态变成展开锁定状态，驱动电池阵展开；
所述压紧释放机构用于将太阳阵压紧在卫星侧壁，每套压紧释放机构配有1发切割器；
所述电池片采用三结砷化镓太阳电池片，包括多个电池片串、并联设计，以满足供电要求。
当指令启动火工装置控制电路后，火工切割器即刻引爆，切断压紧杆，电池阵展开；压紧释放机构及展开锁定机构主要用于太阳能电池翼的释放。
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