CN216056447U - 一种模块化卫星电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模块化卫星电源，其包括用于将太阳能转换为电能的太阳电池阵和用于储存/释放电能的蓄电池组，其中，太阳电池阵由若干太阳电池单体串联和/或并联而成，蓄电池组由若干蓄电池单体串联和/或并联而成，其特征在于，若干的太阳电池单体能够分别安装于对应的若干基座上以构成若干太阳电池阵，其中，不同的太阳电池阵能够连接于不同的角度调节部件以在对应的自由度上进行角度调节，若干的蓄电池单体能够分别安装于对应的若干蓄电池箱中以构成若干蓄电池组，其中，蓄电池组的若干蓄电池单体能够通过蓄电池箱以独立或组合的方式与启闭部件和/或通断部件连接。

Description

一种模块化卫星电源

技术领域

本实用新型涉及航天器电源系统技术领域，尤其涉及一种模块化卫星电源。

背景技术

随着商业航天的发展，作为卫星系统的一大组成部分的卫星电源，其高效性、普适性和低成本是商业卫星能源系统的设计核心。目前绝大多数人造卫星均使用太阳能作为能源的输入，而太阳能光伏应用属于间歇能源利用，很多情况下需要与之配套的蓄电系统，以构成卫星电源。

例如，CN 111293765 B公开了一种卫星电源系统及其配置方法，所述卫星电源系统至少包括太阳能电池阵列、储能模块以及管理模块，所述管理模块配置为在所述储能模块内的多个所述超级电容供电的过程中出现放电压差超过第一阈值的情况下至少以在所述太阳能电池阵列向所述超级电容充电的过程中获取的参考参数预期所述超级电容的放电时间并基于所述放电时间依次切断多个所述超级电容之间的连接。该发明通过在超级电容充电过程中采集的参考参数来预期超级电容的放电时间，基于放电时间的长短依次切断多个超级电容之间的连接，能够避免超级电容被过放或反复充电，从而提高卫星电源系统的寿命。

现有技术中卫星电源的适应性和可扩展性较差，以使得不适应多种商业卫星需求，也不能进行批量化生产。同时由于功能模块的不合理划分及其结构限制，使得太阳电池阵和/或蓄电池组的能量利用率没有最优化。

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明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

针对现有技术的不足，本实用新型所要解决的是卫星电源装置的问题，以通过对卫星电源装置的功能模块进行重新划分，并对重新划分的功能模块的结构进行优化，以获得能量利用率高、适应性强、扩展性大、灵活性高的卫星电源装置。

本实用新型公开了一种模块化卫星电源，其包括用于将太阳能转换为电能太阳电池阵和用于储存/释放电能的蓄电池组。

太阳电池阵由若干太阳电池单体串联和/或并联而成。

蓄电池组由若干蓄电池单体串联和/或并联而成。

若干的太阳电池单体能够分别安装于对应的若干基座上以构成若干太阳电池阵。

不同的太阳电池阵能够连接于不同的角度调节部件以在对应的自由度上进行角度调节。

若干的蓄电池单体能够分别安装于对应的若干蓄电池箱中以构成若干蓄电池组。

蓄电池组的若干蓄电池单体能够通过蓄电池箱以独立或组合的方式与启闭部件和/或通断部件连接。

太阳电池阵与太阳电池阵控制管理单元连接以构成模块化的产能单元。

蓄电池组与蓄电池组控制管理单元连接以构成模块化的储能单元。

太阳电池阵可以包括主太阳电池阵，第一副太阳电池阵和第二副太阳电池阵。

第一副太阳电池阵和/或第二副太阳电池阵与主太阳电池阵通过第一角度调节部件连接。

主太阳电池阵与卫星的星体通过第二角度调节部件连接。

第一角度调节部件能够至少在第一自由度和第二自由度上调节第一副太阳电池阵和/或第二副太阳电池阵与主太阳电池阵的连接角度。

第二角度调节部件能够至少在第二自由度上调节主太阳电池阵与星体的连接角度。

在卫星处于发射状态时，太阳电池阵通过压紧锁紧机构以多层折叠的方式可拆卸地固定在卫星的星体上。

在星箭分离后，太阳电池阵通过释放展开机构解除锁紧折叠状态以达到展开状态。

太阳电池阵的第一副太阳电池阵和第二副太阳电池阵能够通过压紧锁紧机构折叠于主太阳电池阵的同侧面或异侧面。

太阳电池阵的第一副太阳电池阵和第二副太阳电池阵能够通过释放展开机构在主太阳电池阵的同侧向或异侧向展开。

蓄电池组中的任一蓄电池单体能够以串联和/或并联的方式与带有通断开关的通断部件。

优选地，通断部件能够一体式设置于蓄电池箱中。

蓄电池组能够在卫星一次母线正极和/或卫星一次母线负极整体串联于带有启闭开关的启闭部件。

本实用新型的有益之处在于：

1、本实用新型打破了传统航天中的电源按照功能划分单元模块的固有架构设计思维，对功能模块进行重新划分后得到标准化的产能单元和储能单元，通过标准化的产能单元/储能单元进行简单堆叠的排列组合即可满足不同卫星的产能/储能需求，标准化的产能单元和储能单元还能够实现批量化生产，以大幅度缩短卫星研制周期和成本

2、本实用新型还对重新划分的产能单元和储能单元结构进行了改进优化，以通过角度调节部件、启闭部件和/或通断部件对太阳电池阵和/或蓄电池组进行控制管理，从而实现能量利用率高、适应性强、扩展性大、灵活性高的卫星电源装置。

附图说明

图1是一种实施例中太阳电池阵在卫星上的结构示意图；

图2是另一种实施例中太阳电池阵在卫星上的结构示意图；

图3是卫星供电装置在一种优选实施例中的电路原理图；

图4是太阳电池阵控制管理模块在一种优选实施例中的电路原理图；

图5是储能单元在一种优选实施例中的电路原理图；

图6是启闭部件在一种优选实施例中的电路原理图；

图7是通断部件在一种优选实施例中的电路原理图；

图8是卫星供电装置在一种优选实施例中的结构示意图。

附图标记列表

100：卫星电源装置 1：产能设备

10：产能单元 11：太阳电池阵

12：太阳电池阵控制管理模块 13：MPPT电路

14：控制电路 15：监测控制部件

16：充电控制部件 17：驱动控制部件

18：太阳电池单体 2：储能设备

20：储能单元 21：蓄电池组控制管理模块

22：蓄电池组 23：卫星一次母线正极

24：卫星一次母线负极 25：蓄电池单体

3：卫星平台负载 31：负载正极

32：负载负极 4：一次母线

50：启闭部件 51：通断部件

52：蓄电池箱 53：启闭开关

54：通断开关 55：保护元件

56：总旁路部件 60：主太阳电池阵

61：第一副太阳电池阵 62：第二副太阳电池阵

63：基座 64：第一角度调节部件

65：第二角度调节部件 200：星体

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本实用新型公开了一种卫星电源装置100，其包括至少一个产能单元10和至少一个储能单元20。

如图3所示为卫星电源装置100在一种优选实施例中的电路原理图。在一种优选实施例中，卫星供电装置100仅包含一个产能单元10和一个储能单元20，其中，产能单元10和储能单元20通过一次母线4连接。卫星平台负载3以负载正极31连接于卫星一次母线正极23和负载负极32连接于卫星一次母线负极24的方式并联连接于储能单元20，从而使得卫星供电装置100能够为卫星平台负载3供电。

为储能单元20和/或卫星平台负载3提供电能的产能单元10至少包括由若干太阳电池单体18根据供电需求以串联和/或并联的方式连接而成的太阳电池阵11。可选地，太阳电池阵11的太阳电池单体18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。由于太阳电池阵11的太阳电池单体18的转换效率能够衡量太阳电池的功率输出水平，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18采用转换效率更高的三结砷化镓(GaInP2/GaAs/Ge)电池。

若干太阳电池单体18分别安装在对应的若干基座63上，以形成若干太阳电池阵11。如图2、1所示分别为两种实施例中太阳电池阵11在卫星上的结构示意图。太阳电池阵11可分为主太阳电池阵60、第一副太阳电池阵61和第二副太阳电池阵62。第一副太阳电池阵61和/或第二副太阳电池阵62与主太阳电池阵60通过第一角度调节部件64连接，主太阳电池阵60与卫星的星体200通过第二角度调节部件65连接。可选地，第一角度调节部件64/第二角度调节部件65与太阳电池阵11的连接，可以通过螺栓、焊接或者螺栓和焊接同时使用的方式进行固定，其中，第一角度调节部件64/第二角度调节部件65可以是工业常见的转轴连接机械部件。第一角度调节部件64能够至少在第一自由度和第二自由度上调节第一副太阳电池阵61和/或第二副太阳电池阵62与所述主太阳电池阵60的连接角度。第二角度调节部件65能够至少在第二自由度上调节主太阳电池阵60与所述星体200的连接角度。第一自由度为绕着角度调节机构的转动轴线的翻转运动，第二自由度为绕着角度调节机构的中心轴线的旋转运动。

在卫星处于发射状态时，太阳电池阵11通过压紧锁紧机构以多层折叠的方式可拆卸地固定在卫星的星体200上；在星箭分离后，太阳电池阵11通过释放展开机构解除锁紧折叠状态以达到展开状态。

在一种实施例中，在太阳电池阵11处于展开状态时，第一副太阳电池阵61和第二副太阳电池阵62以对称的方式分别设置在主太阳电池阵60的异侧向。在太阳电池阵11处于折叠状态时，第一副太阳电池阵61和第二副太阳电池阵62通过第一角度调节部件64在第二自由度彼此相反方向转动并分别折叠在主太阳电池阵60的异侧面。对称的结构能够使得太阳电池阵11整体结构比较稳定，第一副太阳电池阵61和第二副太阳电池阵62均能够通过第一角度调节部件64实现角度变化，以改变接收太阳能的量。同时还可以为太阳电池阵上搭载的若干探测器提供更多的探测角度。

在另一种实施例中，在太阳电池阵11处于展开状态时，第一副太阳电池阵61和第二副太阳电池阵62设置于主太阳电池阵60的同侧向，其中，第一副太阳电池阵61设置在主太阳电池阵60和第二副太阳电池阵62之间，第一副太阳电池阵61与第二副太阳电池阵62之间通过第一角度调节部件64连接。在太阳电池阵11处于折叠状态时，第一副太阳电池阵61与第二副太阳电池阵62在第二自由度上以相反转动方向折叠于主太阳电池阵60的同侧面，其中，第一副太阳电池阵61处于主太阳电池阵60和第二副太阳电池阵62之间。在主太阳电池阵60收拢时，两个副太阳电池阵可以不收拢并包覆星体200，为星体200的御寒和隔离寒冷提供帮助。同时离主太阳电池阵60最远的第二副太阳电池阵62受到卫星的星体200的振动影响最小，有利于搭载需要避免振动的探测器。优选的，第一副太阳电池阵500和第二副太阳电池阵600在第一自由度的两个方向都可以任意转动。

优选地，第一副太阳电池阵61和第二副太阳电池阵62基于第一角度调节部件64可以分别在与主太阳电池阵60所在平面垂直的第二自由度转动，以使得两个副太阳电池阵可以在两个自由度灵活改变角度，获得更多的转动方向。

可选地，主太阳电池阵60与星体200之间可以设置具有两个自由度的第一角度调节部件64，以替代第二角度调节部件65，从而使得主太阳电池阵60及两个副太阳电池阵能够具有更多的角度。但相对来说，主太阳电池阵60单自由度与两个副太阳电池阵双自由度的配合应用既能够满足太阳电池阵11不同角度变化的需求，也可以减少数据的运算，同时还有利于保证主太阳电池阵60的稳定。

太阳电池阵11与太阳电池阵控制管理模块12连接以构成产能单元10，以使得太阳电池阵控制管理模块12能够对太阳电池阵11转换的电能进行控制管理后再通过与电能输出端连接的一次母线4向储能单元20和/或卫星平台负载3输出。如图4所示为太阳电池阵控制管理模块12在一种优选实施例中的电路原理图。太阳电池阵控制管理模块12由MPPT电路13和控制电路14组成，MPPT电路13的输入端连接至太阳电池阵11的输出端，MPPT电路13的输出端并联连接至储能单元20的蓄电池组22和卫星平台负载3。控制电路14与MPPT电路13闭环连接，以实现对MPPT电路13的闭环控制。MPPT电路13包含至少两个输入端和输出端均并联连接的DC-DC转换部件，任一DC-DC转换部件是另一个DC-DC转换部件的热备份。串联在太阳电池阵11与蓄电池组22之间的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14包括至少两个监测控制部件15、至少两个充电控制部件16和驱动控制部件17。并联连接的至少两个监测控制部件15的输入端连接至太阳电池阵11，输出端经过第一二极管连接至驱动控制部件17，使得监测控制部件15能够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，并将MPPT控制信号传输至驱动控制模块；并联连接的至少两个充电控制部件16的输入端连接至蓄电池组22，输出端经过第二二极管连接至驱动控制部件17，使得充电控制部件16能够对与其连接的蓄电池组22的电压信号和电流信号进行采集，并将充电控制信号传输至驱动控制部件17。输入端分别连接至第一二极管和第二二极管的驱动控制部件17能够将收到的MPPT控制信号和/或充电控制信号发送至与其输出端连接的MPPT电路13的DC-DC转换模块。可选地，太阳电池阵控制管理模块12可选用ST公司生产的SPV1020芯片实现。

如图5所示为储能单元20在一种优选实施例中的电路原理图。储能单元20至少包括由若干蓄电池单体25以串联和/或并联的方式构成的蓄电池组22。可选地，蓄电池组22的蓄电池单体25类型可选择镉镍蓄电池或氢镍蓄电池或锂离子蓄电池等。优选地，蓄电池组22的蓄电池单体25类型选择锂离子蓄电池。蓄电池组22中蓄电池单体25的数量及连接关系根据设计所需的电压和容量而确定。例如，由33只锂离子的蓄电池单体25以3并11串的方式分三排竖立排列构成的蓄电池组22，由27只锂离子的蓄电池单体25以3并9串的方式分两排竖立排列的蓄电池组22及由36只锂离子的蓄电池单体25以4并9串的方式连接的蓄电池组22等。

构成蓄电池组22的若干蓄电池单体25可以设置于蓄电池箱52中，其中，蓄电池箱52可以内设启闭部件50和/或通断部件51，以达到对蓄电池组22和/或蓄电池单体25的控制管理。

蓄电池组22的输入端与卫星一次母线正极23之间和/或蓄电池组22的输出端与卫星一次母线负极24之间可设置有控制整体电路通断的启闭部件50。如图6所示为启闭部件50在一种优选实施例中的电路原理图。启闭部件50内可通过机电开关(继电器或接触器)、电子开关(半导体开关)或机电开关与电子开关的组合等形式的启闭开关整体控制蓄电池组22电流的输入输出。当启闭开关53处于断开状态时，蓄电池组22不能进行电能的输入输出，直至启闭开关53切换为闭合状态。优选地，启闭部件50内的启闭开关串联有保护元件55，以使得启闭部件50可以在多个蓄电池组22并联的情况下，当各蓄电池组22之间存在电压差时，防止各蓄电池组22之间发生电能倒灌。

在一种优选实施例中，通断部件51能够串联和/或并联于蓄电池组22中的每一个蓄电池单体25，以达到对每个蓄电池单体25进行独立控制管理。如图7所示是通断部件51在一种优选实施例中的电路原理图。通断部件可通过机电开关(继电器或接触器)、电子开关(半导体开关)或机电开关与电子开关的组合等形式的通断开关54控制对应蓄电池单体25电流的输入输出。通断部件51能够根据设计需求提前设置于蓄电池箱52内以构成基本控制电路，直至将蓄电池单体25安装于蓄电池箱52内以完成蓄电池组22的整体电路连接。设置有通断部件51的蓄电池组22能够在其中任一蓄电池单体25失效时，通过对应通断部件51的接通或断开实现故障隔离，以保证储能单元20及卫星电源装置100的正常运行。

根据一优选实施方式，蓄电池组22中存在至少一个蓄电池单体25(尤其是处于串联连接关系的蓄电池单体25)发生内部断路时，对应的串联连接的通断部件51断开，对应的并联连接的通断部件51接通，以使得电流能够从并联的旁路流通而避开失效蓄电池单体25；蓄电池组22中存在至少一个蓄电池单体25(尤其是处于并联连接关系的蓄电池单体25)发生内部断短路时，对应的串联连接的通断部件51断开以避免蓄电池单体25内部的热失控而引发安全事故，同时还可保证与其并联的其他蓄电池单体25能够正常流通电流，以维持蓄电池组22的正常工作。

根据另一种优选实施方式，在若干蓄电池组22以并联方式连接时，为保证蓄电池组22的运行安全，可在蓄电池组22的正极和负极分别并联于同一个总旁路部件56的两端，以使得总旁路部件56能够跨接在蓄电池组22的正极和负极上，从而进一步增加蓄电池组22的充放电的安全性。优选地，总旁路部件56可设置为与通断部件51相同或相似的电路结构。

蓄电池组22能够与蓄电池组控制管理模块21连接以构成储能单元20。蓄电池组控制管理模块21可以对蓄电池组22的充电和/或放电进行控制，其中，蓄电池组控制管理模块21可通过并联的热备份方式设置至少一个放电调节器(BDR)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，以实现对放电调节器(BDR)的均流控制。

产能单元10能够与太阳电池监视相机连接以拍摄太阳电池阵11展开过程及工作状态，并判断太阳电池阵状态是否正常。由于太阳电池阵11也是通过若干太阳电池单体18以串联和/或并联的方式构成的组合式模块，当其中一个太阳电池单体18出现失效的情况时，都可能会引起整个太阳电池阵11的失效。因此，太阳电池阵11也可以通过启闭部件50和/或通断部件51以类似于蓄电池组22与上述部件的连接关系对失效的太阳电池单体18进行故障隔离。

如图8所示为卫星供电装置100在一种优选实施例中的结构示意图。在一种优选实施例中，卫星电源装置100包含了若干并联连接的产能单元10和若干并联连接的储能单元20，其中，若干产能单元10并联构成产能设备1，若干储能单元20并联构成储能设备2，产能设备1与储能设备2通过一次母线4连接。产能设备1中的所有产能单元10均有相同的连接结构，但构成产能单元10的太阳电池阵11和太阳电池阵控制管理模块12的设计参数可以不同，每个太阳电池阵控制管理模块12能够分别监测对应太阳电池阵11所转换电能的电压电流并进行调控，使每个产能单元10的输出端输出的电能的参数均相同，例如每个产能单元10能够通过自身结构将多余的电能消耗。储能设备2中的所有产能单元10均有相同的连接结构，但构成储能单元20的蓄电池组22和蓄电池组控制管理模块21的设计参数可以不同，每个蓄电池组控制管理模块21能够分别监测对应蓄电池组22的电压电流并进行调控，使每个储能单元20的输出端输出的电能的参数均相同。具有相同连接结构的产能单元10/储能单元20能够提前设定不同设计参数对应的若干标准产品，标准产品通过不同数量、不同类型的组合就能够快速便捷地满足不同卫星的能源需求，在可批量化生产出适应性广、可扩展性强的卫星供电装置100的同时，还能大幅度缩短卫星研制周期和成本。

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)

1.一种模块化卫星电源，其包括：

太阳电池阵(11)，用于将太阳能转换为电能，由若干太阳电池单体(18)串联和/或并联而成，

蓄电池组(22)，用于储存/释放电能，由若干蓄电池单体串联和/或并联而成，

其特征在于，

若干的所述太阳电池单体(18)能够分别安装于对应的若干基座(63)上以构成若干所述太阳电池阵(11)，其中，不同的所述太阳电池阵(11)能够连接于不同的角度调节部件以在对应的自由度上进行角度调节，

若干的所述蓄电池单体(25)能够分别安装于对应的若干蓄电池箱(52)中以构成若干所述蓄电池组(22)，其中，所述蓄电池组(22)的若干蓄电池单体(25)能够通过所述蓄电池箱(52)以独立或组合的方式与启闭部件(50)和/或通断部件(51)连接。

2.根据权利要求1所述的卫星电源，其特征在于，所述太阳电池阵(11)与太阳电池阵控制管理单元(12)连接以构成模块化的产能单元(10)，所述蓄电池组(22)与蓄电池组控制管理单元(21)连接以构成模块化的储能单元(20)。

3.根据权利要求2所述的卫星电源，其特征在于，所述太阳电池阵(11)至少包括主太阳电池阵(60)，第一副太阳电池阵(61)和第二副太阳电池阵(62)，其中，所述第一副太阳电池阵(61)和/或所述第二副太阳电池阵(62)与所述主太阳电池阵(60)通过第一角度调节部件(64)连接，所述主太阳电池阵(60)与卫星的星体(200)通过第二角度调节部件(65)连接。

4.根据权利要求3所述的卫星电源，其特征在于，所述第一角度调节部件(64)能够至少在第一自由度和第二自由度上调节所述第一副太阳电池阵(61)和/或所述第二副太阳电池阵(62)与所述主太阳电池阵(60)的连接角度。

5.根据权利要求3所述的卫星电源，其特征在于，所述第二角度调节部件(65)能够至少在第二自由度上调节所述主太阳电池阵(60)与所述星体(200)的连接角度。

6.根据权利要求3所述的卫星电源，其特征在于，在卫星处于发射状态时，所述太阳电池阵(11)通过压紧锁紧机构以多层折叠的方式可拆卸地固定在卫星的所述星体(200)上；在星箭分离后，所述太阳电池阵(11)通过释放展开机构解除锁紧折叠状态以达到展开状态。

7.根据权利要求6所述的卫星电源，其特征在于，所述太阳电池阵(11)的所述第一副太阳电池阵(61)和所述第二副太阳电池阵(62)能够通过所述压紧锁紧机构折叠于所述主太阳电池阵(60)的同侧面或异侧面。

8.根据权利要求6所述的卫星电源，其特征在于，所述太阳电池阵(11)的所述第一副太阳电池阵(61)和所述第二副太阳电池阵(62)能够通过所述释放展开机构在所述主太阳电池阵(60)的同侧向或异侧向展开。

9.根据权利要求2所述的卫星电源，其特征在于，所述蓄电池组(22)中的任一蓄电池单体(25)能够以串联和/或并联的方式与内设通断开关(54)的所述通断部件(51)，其中，所述通断部件(51)能够一体式设置于所述蓄电池箱(52)中。

10.根据权利要求2所述的卫星电源，其特征在于，在所述蓄电池组(22)的输入端与卫星一次母线正极(23)之间和/或所述蓄电池组(22)的输出端与卫星一次母线负极(24)之间串联有内设启闭开关(53)的所述启闭部件(50)。

Images