CN216489879U - 一种可灵活扩展的卫星能源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可灵活扩展的卫星能源装置，其包括用于将太阳能转换为电能的太阳电池阵和用于将电能与化学能进行相互转换的蓄电池组，其中，太阳电池阵由若干太阳电池单体以串联和/或并联的方式连接而成，蓄电池组由若干蓄电池单体以串联和/或并联的方式连接而成，其特征在于，太阳电池阵包括若干以串联方式连接的由至少一个太阳电池单体构成的太阳电池群体，蓄电池组包括若干以串联方式连接的由至少一个蓄电池单体构成的蓄电池群体，其中，太阳电池群体能够串联和/或并联有第一通断部件，蓄电池群体能够串联有第一通断部件和/或并联有与第一通断部件结构不同的第二通断部件。

Description

一种可灵活扩展的卫星能源装置

技术领域

本实用新型涉及航天器电源系统技术领域，尤其涉及一种可灵活扩展的卫星能源装置。

背景技术

卫星是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体，人造卫星一般亦可称为卫星。人造卫星以太空飞行载具如火箭、航天飞机等发射到太空中，像天然卫星一样环绕地球或其它行星的装置。目前卫星以很强的快速响应能力，越来越受到各国的重视。

卫星电源系统为卫星其它分系统及有效载荷正常运行提供安全可靠的电力保障。因此，高效性、普适性、低成本是商业卫星能源系统的设计核心。

CN111181238 A公开了一种卫星的DET电源系统，用于提高卫星初期DET电源系统的太阳电池阵的输出功率。电源系统包括太阳电池阵、电源控制与配电单元以及蓄电池组，电源控制与配电单元包括有S3R分流调节器、MEA以及基准电压模块；太阳电池阵用于将获取到的太阳能转化为电能；S3R分流调节器用于根据差分信号进行分流分流控制；MEA用于根据基准电压以及S3R分流调节器控制得到的母线电压两者之间的差值进行放大以及积分，得到差分信号并向S3R分流控制器输出；基准电压模块用于生成基准电压；蓄电池组连接母线，用于根据分流控制进行充、放电；基准电压模块具体用于生成不同的目标基准电压，S3R分流控制器具体用于根据目标差分信号控制得到不同的目标母线电压。

现有技术中的基于独立定制式的卫星能源系统在高效性、普适性和低成本均存在不足。同时，无法很好地对卫星能源装置中尤其是各蓄电池单体进行均衡均流的控制管理。

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，本实用新型所主要解决的是卫星能源装置中蓄电池的均衡均流问题及太阳电池和/或蓄电池的故障隔离问题，以通过设置启闭部件和/或通断部件的方式，实现对太阳电池和/或蓄电池的控制管理，从而获得可灵活扩展的卫星能源装置。

本实用新型公开了一种卫星能源装置，其包括用于将太阳能转换为电能的太阳电池阵和用于将电能与化学能进行相互转换的蓄电池组。

太阳电池阵由若干太阳电池单体以串联和/或并联的方式连接而成。

蓄电池组由若干蓄电池单体以串联和/或并联的方式连接而成。

太阳电池阵包括若干以串联方式连接的由至少一个太阳电池单体构成的太阳电池群体。

蓄电池组包括若干以串联方式连接的由至少一个蓄电池单体构成的蓄电池群体。

太阳电池群体能够以串联和/或并联的方式与第一通断部件连接。

蓄电池群体能够以串联的方式与第一通断部件连接和/或以并联的方式与第二通断部件连接。

优选地，第一通断部件与第二通断部件的结构不同。

第一通断部件内部设置有通断开关，通断开关的两端分别连接于第一通断部件的输入端和输出端。

第二通断部件内部设置有两端连接于第二通断部件的输入端和输出端的通断开关。

第二通断部件内的通断开关的两端还可以并联有调节旁路。

调节旁路上设置有以串联方式连接的旁路开关和旁路电阻。

可选地，调节旁路上可设置至少一个旁路开关。

旁路电阻能够以第二通断部件的通断开关断开且旁路开关接通的方式与对应的蓄电池群体连通以接收并消耗来自蓄电池群体的电信号。

太阳电池阵/蓄电池组能够与带有启闭开关的启闭部件串联。

启闭开关的两端连接于启闭部件的输入端和输出端。

可选地，启闭开关/通断开关/旁路开关都可以选择机电开关(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。

太阳电池阵与对应的启闭部件连接以构成产能模块。

产能模块与太阳电池阵控制管理模块连接以构成产能单元。

蓄电池组与对应的启闭部件连接以构成储能模块。

储能模块与蓄电池组控制管理单元连接以构成储能单元。

产能单元的两端分别与储能单元的卫星一次母线正极和卫星一次母线负极连接以构成电信号的连通回路。

储能单元的卫星一次母线正极和卫星一次母线负极分别与卫星平台负载的负载正极和负载负极连接，以使得卫星能源装置能够连接于卫星平台负载并提供电信号。

若干产能单元以并联的方式连接构成产能设备，若干储能单元以并联的方式连接构成储能设备。

产能设备在电能输出端连接至一次母线。

一次母线能够与储能设备和/或卫星平台负载连接，以将产能设备的电能传输至储能设备进行储存和/或卫星平台负载进行消耗。

本实用新型的有益之处在于：

1、本实用新型对卫星能源装置的功能模块进行了重新划分，以得到产能单元/储能单元，根据产能单元/储能单元的不同设计参数可设定多种标准产能单元/标准储能单元，以通过不同标准产能单元/储能单元的组合来满足不同卫星的产能/储能需求，从而使得卫星能够灵活扩展；

2、本实用新型重新划分了标准单元，以使得卫星能源装置能够批量化生产，使得研制成本和研制周期都大幅度降低；

3、本实用新型还通过在重新划分的功能模块中加入启闭部件和/或通断部件，以实现太阳电池/蓄电池的控制管理，例如故障隔离、均衡均流等，从而增强了卫星能源装置的安全性和灵活性。

附图说明

图1是储能单元在实施例中的电路原理图；

图2是卫星电源装置在实施例中的电路原理图；

图3是启闭部件在实施例中的电路原理图；

图4是第一通断部件在实施例中的电路原理图；

图5是第二通断部件在实施例中的电路原理图；

图6是太阳电池阵在实施例中的电路原理图；

图7是太阳电池阵控制管理模块在实施例中的电路原理图；

图8是卫星电源装置在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：太阳电池群体 19：电能输出端

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：蓄电池群体 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：第一通断部件 52：第二通断部件

53：启闭开关 54：通断开关

55：调节旁路 56：旁路开关

57：旁路电阻 58：保护元件

59：总旁路部件

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2所示为卫星电源装置100在实施例中的电路原理图。在实施例中，卫星电源装置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，从而使得卫星电源装置100能够为卫星平台负载3供电。

如图1所示为储能单元20在实施例中的电路原理图。储能单元20包括由若干蓄电池单体以串联和/或并联的方式构成的蓄电池组22。可选地，蓄电池组22可替换为超级电容。蓄电池组22内各蓄电池单体之间的连接逻辑关系可大致分为仅串联、仅并联和串/并联组合的连接方式，其中，蓄电池单体的串联能够在增加容量的同时增加电压，蓄电池单体的并联能够增加容量但电压不变，蓄电池单体之间可通过适宜的连接方式使储能单元20的电压及容量能够达到设计需求。优选地，蓄电池组22内各蓄电池单体以串/并联组合的方式连接。可选地，蓄电池组22的蓄电池单体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的蓄电池单体类型选择锂离子蓄电池。

蓄电池组22的正极与卫星一次母线正极23之间和/或蓄电池组22的负极与卫星一簇母线负极24之间可设置有控制整体电路通断的启闭部件50。如图3所示为启闭部件50在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53整体控制蓄电池组22电能的输入输出。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58，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。

蓄电池组22可划分为若干个以串联方式连接的蓄电池群体25，其中，每个蓄电池群体25至少包括一个蓄电池单体。可选地，蓄电池群体25内部的若干蓄电池单体之间的连接方式可包括串联和/或并联。优选地，每个蓄电池群体25在仅包含一个蓄电池单体时，能够便于对每个蓄电池单体进行独立监控。每个蓄电池群体25可通过串联和/或并联的方式与对应的通断部件连接。通断部件可包括第一通断部件51和第二通断部件52。图4为第一通断部件51在实施例中的电路原理图，图5为第二通断部件52在实施例中的电路原理图。优选地，蓄电池群体25能够与第一通断部件51串联并与第二通断部件52并联。第一通断部件51与第二通断部件52内均可设置有通断开关54，通断开关54的两端分别与通断部件的输入端和输出端连接以控制对应通断部件的连通/断开。相比于第一通断部件51，第二通断部件52在通断开关54的两端还并联有调节旁路55，其中，调节旁路55包括串联连接的旁路开关56和旁路电阻57。可选地，旁路电阻57的两端可各连接一个旁路开关56。通断开关54和旁路开关56都可以是机电开关(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中的一种。在卫星能源装置处于工况时，第二通断部件52内的通断开关54与旁路开关56的开合状态不会同时处于闭合。

通断部件可以在蓄电池组22内的其中一个蓄电池群体25存在至少一个蓄电池单体失效时保证蓄电池组22电能的正常输入输出。以锂离子蓄电池为例，其失效是指由某些特定的本质原因导致电池性能衰减或使用性能异常，分为性能失效和安全性失效。失效的蓄电池群体25对应的通断部件能够以接通和/或断开的方式对失效的蓄电池单体进行故障隔离，以使得电流能够借助通断部件避开失效的蓄电池单体而继续在闭合电路中流通。

通断部件还可以在蓄电池组22内的其中一个蓄电池群体25存在至少一个蓄电池单体的电量与其他蓄电池单体的电量之间的差值超出设定阈值时，相对而言带有多余电量的蓄电池群体25至少可以通过第二通断部件52的调节旁路55将多余电量消耗掉以进行电量的被动均衡调节，从而实现蓄电池组22内各蓄电池群体25的电量均衡。

根据一种优选实施方式，第一通断部件51和第二通断部件52在需要其发挥的功能完全相同时，可设置其中的一种通断部件，以节省生产成本。优选地，通断部件优先选择设置第二通断部件52以同时实现电量均衡。

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59的两端，以使得总旁路部件59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59可设置为与第二通断部件52相同或相似的电路结构。

若干蓄电池群体25与对应的通断部件连接以构成蓄电池组22，蓄电池组22与启闭部件50连接以构成蓄电池组模块，蓄电池组模块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可通过工业中常用的电池均衡均流管理芯片实现对蓄电池组22内蓄电池单体或蓄电池群体25的管控。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。

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的太阳电池单体采用转换效率更高的三结砷化镓(GaInP2/GaAs/Ge)电池。太阳电池阵11安装在结构基板上并能够通过压紧锁紧机构和释放展开机构分别实现太阳电池阵11在卫星上的缩紧与释放。当太阳电池阵11处于非工作状态时，压紧锁紧机构可以将太阳电池阵11以多层折叠的方式可拆卸地固定在卫星上；当太阳电池阵11由非工作状态切换为工作状态，释放展开机构可以将处于折叠状态的太阳电池阵11解除锁紧以达到展开状态。

由于太阳电池阵11也是通过若干太阳电池单体以串联和/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。所以太阳电池阵11也可以通过启闭部件50和/或通断部件对失效的太阳电池单体进行故障隔离。

太阳电池阵11的输出端串联于启闭部件50以使得通过启闭部件50的断开或闭合完成太阳电池阵11整体电流的停止输出或开始输出。当太阳电池阵11由于发射时的颠簸等各种影响因素而整体失效或达不到产能预定标准时，通过启闭部件50停止电流的输出直至可能随着卫星的运行太阳电池阵11逐渐恢复效能。

如图6所示为太阳电池阵11在实施例中的电路原理图。太阳电池阵11可根据太阳电池单体的连接关系以至少一个太阳电池单体为一组的形式划分为若干太阳电池群体18。划分好的太阳电池群体18可以串联和/或并联的方式连接至通断部件。通断部件与太阳电池群体18的连接方式近似或等同于通断部件与蓄电池群体25的连接方式。优选地，太阳电池群体18能够串联至少一个通断部件及并联至少一个通断部件。优选地，与太阳电池群体18连接的通断部件选用如图4所示的第一通断部件51。通过第一通断部件51对失效的太阳电池单体进行故障隔离，以使得太阳电池阵11能够正常输出电能。

若干太阳电池群体18与对应的通断部件连接以构成太阳电池阵11，太阳电池阵11与启闭部件50连接以构成太阳电池阵模块，太阳电池阵模块能够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19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7所示为太阳电池阵控制管理模块12在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8所示为卫星电源装置100在实施例中的结构示意图。在实施例中，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、可扩展性强的卫星电源装置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 (9)

1.一种卫星能源装置(100)，其包括：

太阳电池阵(11)，由若干太阳电池单体以串联和/或并联的方式连接而成，用于将太阳能转换为电能，

蓄电池组(22)，由若干蓄电池单体以串联和/或并联的方式连接而成，用于将电能与化学能进行相互转换，

其特征在于，

所述太阳电池阵(11)包括若干以串联方式连接的由至少一个所述太阳电池单体构成的太阳电池群体(18)，所述蓄电池组(22)包括若干以串联方式连接的由至少一个所述蓄电池单体构成的蓄电池群体(25)，其中，

所述太阳电池群体(18)能够串联和/或并联有第一通断部件(51)，

所述蓄电池群体(25)能够串联有第一通断部件(51)和/或并联有与所述第一通断部件(51)结构不同的第二通断部件(52)，

所述第二通断部件(52)内部设置有两端连接于所述第二通断部件(52)的输入端和输出端的通断开关(54)，其中，所述通断开关(54)的两端还能够并联有调节旁路(55)。

2.根据权利要求1所述的卫星能源装置，其特征在于，所述第一通断部件(51)内部设置有通断开关(54)，所述通断开关(54)的两端分别连接于所述第一通断部件(51)的输入端和输出端。

3.根据权利要求2所述的卫星能源装置，其特征在于，所述调节旁路(55)上设置有以串联方式连接的旁路开关(56)和旁路电阻(57)，其中，所述旁路开关(56)能够设置至少一个。

4.根据权利要求3所述的卫星能源装置，其特征在于，所述旁路电阻(57)能够以所述第二通断部件(52)的所述通断开关(54)断开且所述旁路开关(56)接通的方式与对应的所述蓄电池群体(25)连通以接收并消耗来自所述蓄电池群体(25)的电信号。

5.根据权利要求1所述的卫星能源装置，其特征在于，所述太阳电池阵(11)/所述蓄电池组(22)能够与带有启闭开关(53)的启闭部件(50)串联，其中，所述启闭开关(53)的两端连接于所述启闭部件(50)的输入端和输出端。

6.根据权利要求5所述的卫星能源装置，其特征在于，所述太阳电池阵(11)与对应的所述启闭部件(50)连接以构成产能模块，所述产能模块与太阳电池阵控制管理模块(12)连接以构成产能单元(10)；所述蓄电池组(22)与对应的所述启闭部件(50)连接以构成储能模块，所述储能模块与蓄电池组控制管理单元(21)连接以构成储能单元(20)。

7.根据权利要求6所述的卫星能源装置，其特征在于，所述产能单元(10)的两端分别与所述储能单元(20)的卫星一次母线正极(23)和卫星一次母线负极(24)连接以构成电信号的连通回路。

8.根据权利要求7所述的卫星能源装置，其特征在于，所述储能单元(20)的卫星一次母线正极(23)和卫星一次母线负极(24)分别与卫星平台负载(3)的负载正极(31)和负载负极(32)连接，以使得所述卫星能源装置(100)能够连接于所述卫星平台负载(3)并提供电信号。

9.根据权利要求8所述的卫星能源装置，其特征在于，若干所述产能单元(10)以并联的方式连接构成产能设备(1)，若干所述储能单元(20)以并联的方式连接构成储能设备(2)，其中，所述产能设备(1)在电能输出端(19)连接至一次母线(4)，所述一次母线(4)能够与所述储能设备(2)和/或所述卫星平台负载(3)连接。

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