CN215733628U - 一种扩展性强的卫星蓄电池模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种扩展性强的卫星蓄电池模块，卫星电源系统至少包括：储能机构，其电路连接于产能机构，储能机构包括由若干单体电池串并联组成的蓄电池组，其中，蓄电池组用于将产能机构转换出的电能储存以供卫星系统无法利用太阳能或所需功率超出太阳能供电装置的功率时使用。储能机构至少还设置有管理决策模块，管理决策模块位于蓄电池箱内并电路连接于蓄电池组，其中，蓄电池组内设置有导热管，蓄电池箱设置有温度感应报警装置和/或导热板，其中，导热板表面涂覆有导热层。本实用新型的蓄电池模块适应性及可拓展性强，导热管及导热板能够联同管理决策模块对蓄电池组进行温度监控并调节，以提高卫星电源系统整体的安全性能。

Description

一种扩展性强的卫星蓄电池模块

技术领域

本实用新型涉及卫星电源系统设计领域，尤其涉及一种扩展性强的卫星蓄电池模块。

背景技术

随着商业航天的发展，对商业卫星提出了更严苛的要求，商业卫星的核心诉求就是：研制成本低、研制周期短，即商业航天的业务模式决定卫星需要从单个定制转向产品化、系列化、货架化，也因此要求商业卫星的设计和研制具有良好的适应性和可扩展性。卫星能源系统作为卫星系统的一大组成部分，其要求同样如此，适应性广，可扩展性强是商业卫星能源系统的重要设计思想之一。

CN111355294A公开了一种微纳卫星电源供电控制方法，所述微纳卫星电源包括太阳能电池阵和储能电池，所述方法包括当所述储能电池处于非放电状态时，判断所述储能电池中储能电池单体的电压是否小于预设的第一电压阈值，如果是，则通过所述太阳能电池阵对所述储能电池单体进行充电，直至所述储能电池单体的电压达到预设条件。以此方式，通过对储能电池单体的电压状态进行判断，并设置关断条件，控制太阳能电池阵对储能电池单体进行充电，解决了太阳能电池阵未及时对缺电状态下的储能电池单体进行充电时，缺电状态下的储能电池单体对微纳卫星上的其他耗电设备供电过程中，由于储能电池单体电压过低从而影响耗电设备工作状态不稳定，且还可延缓储能电池衰减，延长储能电池的寿命。

CN106100096B公开了一种微纳卫星低压高效电源系统，采用12V低压非调节母线拓扑结构，以锂离子蓄电池组作为储能机构，采用分流调节方式实现功率调节和稳压及为蓄电池组恒流-恒压充电。对太阳能电池阵进行分组连接，分别对应直接供电和分流供电；分流电路设计有故障隔离，当系统判断出分流电路发生故障时，通过与分流电路互为备份的一组开关实现稳定母线和为蓄电池组恒压充电功能；星地供电接口能实现星箭分离时卫星加电开始工作；能够针对不同寿命期进行充电管理和过放保护。采用本发明的电源系统具有低功耗，体积小、重量轻的特点，可应用于整星卫星负载功耗5～100W的微纳卫星电源系统。

即使是这样，目前现有技术中卫星系统所使用的蓄电池组模块仍然存在至少一个或几个技术问题：

1、现有的卫星系统所使用的蓄电池模块在实施充放电的均衡及电路的保护控制时，其电路设计及布置方式复杂；

2、现有的卫星系统在设计蓄电池模块及其保护控制回路时，基本都是定制型，即针对每个卫星单一设计，因此其适应性、可扩展性相对较差，将不利于商业卫星的业务发展。

3、现有卫星系统所使用的蓄电池模块在深空运行状态下所需的运行温度较为苛刻，由于温度分布不均匀会导致蓄电池组内温差较大，同时散热欠佳会导致卫星系统存在安全隐患。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本实用新型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，然而这绝非本实用新型不具备这些现有技术的特征，相反本实用新型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。

实用新型内容

针对现有技术之不足，本实用新型提供了一种扩展性强的卫星蓄电池模块，旨在解决现有技术中存在的至少一个或多个技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种扩展性强的卫星蓄电池模块，其可用于卫星电源系统，卫星电源系统可以包括以下部件之一：产能机构，其用于将获取到的太阳能转化为电能供系统负载使用；储能机构，其用于将产能部转换出的电能储存以供卫星系统无法利用太阳能或所需功率超出太阳能供电装置的功率时使用。

优选地，储能机构包括蓄电池模块，蓄电池模块中除蓄电池组外，至少还设置有管理决策模块，管理决策模块位于蓄电池箱内并电路连接于蓄电池组，其中，蓄电池组内设置有导热管，蓄电池箱设置有温度感应报警装置和/或导热板，其中，导热板表面涂覆有导热层。

优选地，至少一个导热管按照彼此互不接触且设置于至少一个储能单体排布间隙的方式安装于蓄电池组内，和/或至少一个导热管设置于由至少一个储能单体形成的蓄电池组的安装面上。

优选地，导热管至少包括热端面和冷端面，位于导热管内的冷却介质至少能够以将由热端面吸收的热量通过输送至冷端面进行散失的方式运动。

优选地，管理决策模块至少包括专用IC芯片及配套的集成电路，其中，专用IC芯片的输出端以能够检测蓄电池组中的储能单体的电压和/或电流值的方式连接于蓄电池组，并能够控制蓄电池组的输出功率。

优选地，至少一个太阳能电池阵能够和至少一个MPPT管理模块连接以组合形成产能机构的一个基本产能模组，从而使得卫星电源系统能够以更换至少一个基本产能模组的方式来满足产能和/或供电需求。

优选地，至少一个太阳能电池阵能够与至少一个MPPT管理模块连接以组合形成产能机构的一个基本产能模组，从而使得卫星蓄电池模块能够以更换至少一个基本产能模组的方式来满足产能需求。

优选地，至少一个管理决策模块能够和至少一个蓄电池组连接以组合形成储能机构的一个基本储能模组，从而使得卫星电源系统能够以更换至少一个基本储能模组的方式来满足储能和/或供电需求。

优选地，至少一个基本储能模组和至少一个基本产能模组间能够以通过不同类型和/或数量的产能部及储能部组合的方式进行连接，从而满足不同的供电需求。

优选地，MPPT管理模块集成有MPPT芯片，MPPT芯片能够采集母线的电压和/或电流值并通过MPPT控制策略调节输出至储能机构的电能的输出功率。

优选地，管理决策模块设置和/或集成有状态检测和控制保护电路，状态检测电路能够以检测蓄电池组的电压和/或电流值并发送信号至控制保护电路的方式连接于控制保护电路，其中，控制保护电路能够基于状态检测电路的检测信号控制蓄电池组与母线间的连接及供电关系。

优选地，蓄电池组的输出端连至卫星负载，卫星负载的输入端还连接MPPT管理模块的输出端，其中，MPPT管理模块能够将太阳能电池阵中的电能经变压处理后输送至卫星负载和/或蓄电池组。

优选地，太阳能电池阵包括至少一个太阳能电池阵模块，太阳能电池阵模块能够以将卫星所处运行空间内的太阳能收集并转换为电能的方式连接于MPPT管理模块，MPPT管理模块至少能够以将电能变压处理并输送至蓄电池组存储的方式连接于蓄电池组。

本实用新型的有益技术效果包括以下一项或多项：

1、本实用新型中蓄电池组的控制管理电路简单，简化到了芯片级，突破了以往卫星系统的蓄电池管理模式。

2、本实用新型的蓄电池组管理决策模块所采用的专用芯片具有广泛的应用范围，能够适应不同类型的蓄电池组合，可拓展性强。

3、本实用新型蓄电池组中的导热管及导热板能够及时有效地辅助蓄电池组进行热量散失，联同管理决策模块对蓄电池组进行温度监控及调节，提高电源系统整体的安全性能，从而保证整星系统的稳定运行。

附图说明

图1是卫星系统优选的结构示意图；

图2是蓄电池组优选的安装侧视图；

图3是蓄电池组优选的安装俯视图；

图4是导热板优选的安装示意图。

附图标记列表

1：产能机构 2：储能机构

100：产能部 200：储能部

101：太阳能电池阵 201：蓄电池组

102：MPPT管理模块 202：管理决策模块

203：蓄电池箱 2011：储能单体

3：卫星负载 300：导热管

300a：热端面 300b：冷端面

301：导热板 400：温度感应装置

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本实用新型涉及一种卫星蓄电池模块，可以包括以下部件之一：产能机构1，其用于将获取到的太阳能转化为电能供系统卫星负载使用，储能机构2，包括蓄电池组201，其用于将产能部100转换出的电能储存以供卫星系统无法利用太阳能或所需功率超出太阳能供电装置的功率时使用。

根据一种优选实施方式，储能部200至少包括蓄电池模块，该蓄电池模块至少包括蓄电池组201和管理决策模块202，其中，蓄电池组201用于储存电能以配合太阳能电池阵使用，管理决策模块202至少包括专用IC芯片及其配套电路，其输出端连接于蓄电池组201并控制其输入和/或输出功率。

根据一种优选实施方式，产能部100包括至少一个太阳能电池阵101及MPPT管理模块102，其中，所述太阳能电池阵101用于将太阳能吸收后转化为电能，所述MPPT管理模块102的输入端连接于其中至少一个太阳能电池阵101，其输出端分别连接于蓄电池组标准模块、卫星卫星负载3及电容阵。优选地，至少一个太阳能电池阵101和至少一个MPPT管理模块102连接以组合形成产能机构1的一个基本产能模组，以使得在维护检修和/或满足不同卫星系统的供电需求时，只需更换至少一个基本产能模组即可。优选地，基本产能模组中的太阳电池阵101和/或MPPT管理模块102的类型或数量可以不完全相同，只要最终由MPPT管理模块102输出的电能的功率相同即可。

根据一种优选实施方式，太阳能电池阵101包括若干个太阳能电池阵模块(101-1,101-2，……，101-N)。进一步地，太阳能电池的种类包括但不限于：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池等，优选地，本实施例中的太阳能电池可采用光电转换效率高的砷化镓太阳电池。

根据一种优选实施方式，电容阵的种类可选自以下类型之一：电解电容、独石电容、瓷片电容、钽电解电容以及涤纶电容等。优选地，本实施例中所采用的电容阵可以是钽电容。

根据一种优选实施方式，MPPT管理模块102主要由至少一个MPPT芯片(102-1,102-2，……，102-N)组成。每一个MPPT管理模块102的输入端均分别电路连接于至少一个太阳能电池阵101，其输出端均分别并联于电容阵、蓄电池组标准模块及卫星卫星负载3。MPPT管理模块102能够将经太阳能电池阵101转化后的电能进一步变压为蓄电池组201所需的电压值。优选地，MPPT管理模块102的电能转换方式包括但不限于：Superbuck变换，He-boost变换及Buck-boost变换等。

根据一种优选实施方式，MPPT芯片(102-1,102-2，……，102-N)能够采集经由太阳能电池阵101转换输出的电能的电压和/或电流信号。进一步地，MPPT芯片跟踪太阳能电池阵101的功率，并通过控制策略实现对每一个太阳能电池阵101的输出电压和/或电流信号的控制。优选地，基于MPPT芯片的拓扑是将太阳能电池阵的输出电压始终保持输出功率最大的电压值上。串接在太阳能电池阵101和卫星负载3间的功率变换器匹配太阳能电池阵101输出功率和卫星负载功率需求。由于太阳能电池阵101通过串联PPT控制器及功率变换器接入母线，因此峰值功率跟踪拓扑需保证功率变换器的损失必须小于系统工作在峰值功率下所带来的收益。MPPT芯片的作用是实现太阳能电池阵101最大功率点跟踪、蓄电池组201的自适应放电、卫星负载3电压变化跟随。其核心是通过一个最大功率点跟踪，通过驱动电路驱动一个转换模块电路，使MPPT芯片在输入实时跟踪太阳能电池阵101的最大功率点，以保证太阳能电池阵101的峰值输出。

可选地，太阳能电池阵101始终输出最大功率，除了满足卫星负载需求外，剩余功率用于蓄电池组201充电，当蓄电池组201充电完成后，卫星实际需要的功率减少，这时如果继续采用MPPT模式，则必须将太阳能电池阵101输出的多余功率耗散掉，例如串联功率电阻丝等被动手段，但是这种方法除造成资源浪费之外，还会影响整星的热控，因此可采用变功率点追踪方法，通过采集配电母线电流和蓄电池组201电压，根据蓄电池组201充电需求，计算当前卫星系统的功率需求，将此功率值设定为功率追踪点，使太阳能电池阵101时时输出所需功率，以实现变功率点跟踪。

根据一种优选实施方式，用于卫星系统供电的蓄电池组201可选用的蓄电池类型包括但不限于以下的类别：镉镍蓄电池组、镍氢蓄电池组、银锌蓄电池组、锂离子电池组及燃料电池组等。优选地，本实施例中所采用的蓄电池组201可使用目前比能量较高的锂离子蓄电池组，以在地影期间补充太阳能电池阵101的能量不足从而向卫星系统上的卫星负载3供电。

根据一种优选实施方式，蓄电池组201可采用一体化的设计，并且可在蓄电池箱203的底板上安装涂覆有导热硅脂层的导热板301，另一方面，可在储能单体2011之间设置若干导热管300，以使蓄电池组201在工作时产生的热量能够通过涂覆有导热硅脂层的导热板301和/或导热管300传导出去。

根据一种优选实施方式，若干呈圆柱形的导热管300安装于相邻储能单体2011的间隙处，若干导热管300的高度彼此一致保持于同一水平面上，且均高于任一储能单体2011的总高度，其中，导热管300下端与蓄电池箱203底板或储能单体2011底部接触的端面为热端面300a，且热端面300a与储能单体2011底面保持平齐；反之超出储能单体2011总高度的一端为冷端面300b。进一步地，导热管300内填充有冷却介质。优选地，冷却介质可以是相变材料，以使得导热管300能够在相变材料的作用下将其从蓄电池箱203或储能单体2011处吸收的热量由位于蓄电池箱203底部的热端面300a传递至位于顶部的冷端面300b。优选地，在热端面300a吸收热量传递至冷端面300b的过程中，相变材料通过液体蒸发将热量通过冷端面300b散发出去，散热完毕恢复为液态并回流至热端面300a。

根据一种优选实施方式，用于承装蓄电池组201的蓄电池箱203内可设置有温度感应装置400。温度感应装置400可配合管理决策模块202实时检测蓄电池组201的运行温度。可选地，在达到警报温度之时，温度感应装置400可将报警信号上传至整星系统的控制台。

根据一种优选实施方式，管理决策模块202至少包括专用IC芯片及其配套电路，其连接于蓄电池组201以用于控制蓄电池组201的输入和/或输出功率。优选地，至少一个管理决策模块202和至少一个蓄电池组201连接以组合形成储能机构2的一个基本储能模组，以使得在维护检修和/或满足不同卫星系统的供电需求时，只需更换至少一个基本储能模组即可。优选地，基本储能模组中的蓄电池组201和/或管理决策模块202的类型或数量可以不完全相同，而最终由蓄电池组201输送至系统负载的电能相同即可。优选地，位于产能部100的基本产能模组和位于储能部200的基本储能模组至少能够通过改变数量和/或类型的方式以组合形成卫星系统的电源模块，从而能够满足于不同运行状态下的需求，同时便于更换维修等。

根据一种优选实施方式，管理决策模块202的输入和/或输出控制功能主要由专用IC芯片承担，具体地，专用IC芯片采用工业电子常用的蓄电池管理芯片，因此能够将复杂的电路控制简化至芯片级，从而突破以往对蓄电池组201管理时的复杂设计。

优选地，专用IC芯片可采集蓄电池组201的电压信号V和/或电流信号I，通过控制策略生成充电和/或放电控制信号，其中，充电和/或放电控制信号至少包括恒压信号和/或恒流信号。进一步地，专用IC芯片可将所采集到的蓄电池组201的电压信号V和/或电流信号I经过诸如分压和/或分流、差分等形式的处理以最终输出恒压信号和/或恒流信号。

优选地，在卫星系统处于地影期时，MPPT管理模块102基于所采集的母线的电压和/或电流值来控制由太阳能电池阵101转换的电能输送至储能机构2时的输出功率。管理决策模块202能够检测蓄电池组201的总压以及其中单体电池的电压和/或电流值。具体地，可通过设定电压和/或电流的阈值来控制蓄电池组201的输出功率。在蓄电池组201向卫星负载3输出电能时，若达到蓄电池组201的电压和/或电流的阈值时，则切断蓄电池组201的供电以实现对蓄电池组201的均衡输出管理。优选地，当卫星系统处于长光照期时，管理决策模块202对蓄电池组201的输入、输出电压和/或电流值进行控制，以阈值为参照，避免对蓄电池组201的电压和/或电流输入过量，从而引起蓄电池组201过充、过放等。管理决策模块202能够防止蓄电池组201的过充、过放等，从而有利于提高蓄电池组201的使用周期和/或寿命，进而提高卫星系统的可靠性。

优选地，本实施例中所采用的专用IC芯片具有较强的广泛的适用范围，能够适配于多种类型的蓄电池组合，包括但不限于具体的蓄电池组类型和/或数量等。进一步地，整个功能模块能根据卫星应用的需求简单进行扩展就能提供更强的能力，具有良好的扩展性，能够满足于现今商业卫星发展的多样化需求。

为了便于理解，将本实用新型的一种卫星蓄电池模块的工作原理和使用方法进行论述。

在使用根据本申请所提供的卫星蓄电池模块时，在卫星系统处于运行期时，太阳能电池阵101将太阳能或光能储存并转化为电能，并进一步将电能输送至MPPT管理模块102。进一步地，MPPT管理模块102能够采集母线的电压或电流值，基于系统负载，控制经太阳能电池阵101转化形成的一部分电能输送至卫星负载3以及储能机构2时的输出功率。此外，经太阳能电池阵101转化的其余一部分太阳能经MPPT管理模块102处理后以电能的形式发送至储能机构2，具体地，电能储存于蓄电池组201中。位于储能机构2中的管理决策模块202电路连接于蓄电池组201，管理决策模块202基于MPPT管理模块102的输入电压和/或电流，实现蓄电池组201的均流输入和/或输出，以防止蓄电池组201过充或过放而损害其使用周期和/或寿命。当卫星系统进入地影期时，储存于蓄电池组201的电能将被利用以解决太阳能的不足，管理决策模块202控制蓄电池组201的输出电压和/或电流，避免蓄电池组201产生过流和/或过放的现象，从而控制蓄电池组201的稳定输出。

本实用新型所提供的一种扩展性强的卫星蓄电池模块，其管理决策模块中所使用的专用IC芯片具有较强的适应性，能够适应多种蓄电池的组合要求，可拓展性强，满足现今商业卫星的发展趋势，此外，设置于蓄电池组中的导热管及导热板能够及时有效地辅助蓄电池组进行散失，联同管理决策模块对蓄电池组进行温度监控及调节，提高电源系统整体的安全性能，从而保证整星系统的稳定运行。

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实用新型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实用新型的公开范围并落入本实用新型的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本实用新型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。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于卫星电源系统的蓄电池模块，卫星电源系统至少包括：

产能机构(1)，其用于将获取到的太阳能转化为电能供系统负载使用和/或提供给储能机构(2)进行储存，

储能机构(2)，其电路连接于产能机构(1)，所述储能机构(2)包括蓄电池模块，其中，所述蓄电池模块至少包括由若干单体电池串并联组成的蓄电池组(201)，其中，

所述蓄电池组(201)用于将产能机构(1)转换出的电能储存以供卫星系统无法利用太阳能或所需功率超出产能机构(1)的功率时使用，

其特征在于，

所述蓄电池模块还包括管理决策模块(202)，所述管理决策模块(202)位于蓄电池箱(203)内并电路连接于蓄电池组(201)，其中，所述蓄电池组(201)内设置有导热管(300)，所述蓄电池箱(203)设置有温度感应报警装置(400)和/或导热板(301)，其中，所述导热板(301)表面涂覆有导热层。

2.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其特征在于，至少一个所述导热管按照彼此互不接触且设置于至少一个储能单体(2011)排布间隙的方式安装于所述蓄电池组(201)内，和/或至少一个所述导热管(300)设置于由至少一个储能单体(2011)形成的蓄电池组(201)的安装面上。

3.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其特征在于，所述导热管(300)至少包括热端面(300a)和冷端面(300b)，位于所述导热管(300)内的冷却介质至少能够以将由热端面(300a)吸收的热量通过输送至冷端面(300b)进行散失的方式运动。

4.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其特征在于，所述产能机构(1)包括至少一个产能部(100)，所述产能部(100)至少包括太阳能电池阵(101)及MPPT管理模块(102)。

5.根据权利要求4所述的蓄电池模块，其特征在于，至少一个所述太阳能电池阵(101)能够和至少一个所述MPPT管理模块(102)连接以组合形成所述产能机构(1)的一个基本产能模组，从而使得卫星电源系统能够以更换至少一个基本产能模组的方式来满足产能和/或供电需求。

6.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其特征在于，至少一个所述管理决策模块(202)能够和至少一个所述蓄电池组(201)连接以组合形成所述储能机构(2)的一个基本储能模组，从而使得卫星电源系统能够以更换至少一个基本储能模组的方式来满足储能和/或供电需求。

7.根据权利要求6所述的蓄电池模块，其特征在于，至少一个所述基本储能模组和至少一个基本产能模组间能够以通过不同类型和/或数量的产能部(100)及储能部(200)进行组合从而满足不同的供电需求的方式进行连接。

8.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其特征在于，所述温度感应报警装置(400)设置于所述蓄电池箱(203)内壁面上，其中，所述温度感应报警装置(400)能够以测量所述蓄电池组(201)温度变化值的方式与整星系统建立通讯连接。

9.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其特征在于，所述蓄电池组(201)的输出端连至卫星负载(3)，所述卫星负载(3)的输入端还连接MPPT管理模块(102)的输出端，其中，MPPT管理模块(102)能够将太阳能电池阵(101)中的电能经变压处理后输送至卫星负载(3)和/或蓄电池组(201)。

10.根据权利要求4所述的蓄电池模块，其特征在于，所述太阳能电池阵(101)包括至少一个太阳能电池阵模块，所述太阳能电池阵模块能够以将卫星所处运行空间内的太阳能收集并转换为电能的方式连接于所述MPPT管理模块(102)。

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