JP6481062B1 - 宇宙太陽電池アレイのための電力管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】宇宙太陽電池電力システム用の改善された電力管理システムを提供すること。【解決手段】宇宙飛翔体用の電力管理システムは、複数のパネルを有する太陽電池アレイであって、各パネルは、１又は２以上のソーラーセルストリングを含み、各ソーラーセルストリングは、直列に接続されて直流（ＤＣ）電力を発生する複数の太陽電池セルを含む、太陽電池アレイと；１又は２以上のソーラーセルストリングの各々に配置され、パネル内の１又は２以上のソーラーセルストリングから発生したＤＣ電力を調整し、この電力を少なくとも１つの電気接続ラインを介して電力ハーネスに供給して、この電力をルート電力管理ユニットに送るように構成された少なくとも１つの調節モジュールと；宇宙飛翔体に接続可能に構成された第１の端部と、太陽電池アレイに接続可能に構成された第２の端部とを有し、太陽電池で生成された電力をルート電力管理ユニットから飛翔体に伝送するように構成されたインタフェースとを備える。【選択図】図２

Description

本開示は、電力発生及び管理の分野、詳細には太陽電池の分野に属し、ここでは、太陽光を収集して電力に変換するために太陽電池アレイ（例えば、ソーラーセルアレイ）が使用される。本開示は、当該電力を管理及び調整するための電力管理システムを提供する。加えて、本開示は、電力管理システムを備える飛翔体を提供する。一部の実施形態において、飛翔体は、宇宙で稼働に適しており（例えば、衛星）、太陽光から電力を生成するために太陽電池アレイを利用することができる。

従来の太陽電池アレイは、可撓性又は剛性のパネル又はシート上に配置することができる。一部の実施形態において、配置された太陽電池アレイは実質的に平坦である。個々のソーラーセルは、一般的に矩形又は略正方形であり、切り取られたコーナー部を有する場合もあり、電気的に直列に接続されてソーラーセルのストリングを形成するようになっており、このソーラーセルストリングに使用されるソーラーセルの数によって出力電圧が決まる。また、アレイの出力電流が高くなるように、個々のソーラーセル又はソーラーセルストリングは、並列に相互接続することができる。個々のソーラーセルは、アレイを形成するために、セルの直列又は並列接続を容易にする電気相互接続部を備える。ソーラーセルは、太陽放射のエネルギー又はパワーを収集して直流（ＤＣ）形式の電気エネルギーを出力するようになっている。受け取った太陽放射は、太陽から直接到来する入射光及び中間反射光に起因する散光の両方から提供される。

太陽電池アレイの全体性能は、電気的要件（電流−電圧、すなわちＩ−Ｖ）に依存し、換言すると、総セル面積、入射太陽光の強度レベル、及び徐々に低下するパネルの光−電流変換特性で変化する電流、及び直列のセル数、作動温度、並びに徐々に低下するパネルの光−電流変換特性で変化する電圧である。

宇宙での飛翔体の稼働に関して、許容できる性能は、寿命終期（ＥＯＬ）でのより高い恩恵のために強化された遮蔽をもたらす設計であっても、寿命初期（ＢＯＬ）に達成可能のように見受けられる場合が多い。しかし、ミッションは、通常の地球周回ミッションの間に見込まれる、並びに０．７、１．０、及び３．０ＡＵ（ＡＵは、天文単位を意味する）すなわち１０４．８、１４９．６、及び４４８．８ミリオンキロメートルといった太陽からの様々な距離で運用される深宇宙ミッションに関して見込まれる、非常に様々な照度及び温度を含む、種々の複雑な環境を経験する。また、太陽電池アレイは、宇宙環境条件からの異常事態及び探査ミッション時の不測の環境相互作用に耐える必要がある。従って、放射線被ばく、宇宙のごみとの衝突、及び／又は太陽電池アレイ並びにシステムの通常の経年劣化が、全体的な電力システムの全体的性能を低下させる準最適動作条件を引き起こす可能性があり、さらに１又は２以上のソーラーセルアレイの故障をもたらす場合があり、この故障は、高電圧ソーラーセルストリングの制御されていないアレイにおいて、ソーラーセルの他のアレイに連鎖的に起こる場合がある。

太陽電池アレイで生成された電力は入射光強度に依存し、この電力は、ソーラーセルアレイが安全に作動できる最大電圧と、効率的な伝送に望まれるより高い電圧との間の妥協点の所定の電圧で電力分配ラインによって送られる。

飛翔体は、電力分配ライン又は電力ハーネスの質量を最小限にするための高出力発電システムを提供する目的で、及びＳＥＰ電力推進ユニットを直接駆動するための直接駆動式太陽電気推進システム（ＳＥＰ）などの３００Ｖ又はそれ以上を必要とする用途を目的として、高電圧出力を送り出すために太陽電池アレイを必要とする。

ソーラーセルストリングは、以下の課題に直面する、すなわち、高電圧の達成（直列の多数のソーラーセルはセルレイアウトを複雑にする）、３３Ｖを超えると生じる特に静電放電（ＥＳＤ）に関する環境相互作用、及び高電圧が地球軌道での自然の宇宙空間プラズマ環境との厄介な相互作用を深刻にすることである。

前述の低電圧伝送での低効率は、高電流の主たる欠点が抵抗損失であることが理由である。従って、電力損失及び結果としての効率損失は、電流と共に急速に増大するので（電流の二乗×抵抗）、電流を低下させて、材料の絶縁耐圧に達するまで可能な限り電圧を増大させることで効率は高くなる。

従来技術の太陽電池アレイは、一般に受動的電子装置であり、アレイ上に単一パネルに関連する電力管理及び制御手段を有していない。太陽電池アレイ上に電圧変更機能をもたないので、ソーラーセルストリングは、電力を安全に動作できる電圧で送り出す必要があり、従って、これはソーラーアレイの電力収集ハーネス上の低電圧要件を強いる。ソーラーセルストリング電圧は、他の作動環境及びミッションの各段階における非常に高い電圧によってさらに制限される。宇宙での飛翔体の稼働のために、最悪の条件としては、各軌道又はミッションの段階の特定の部分に見られる最高温度、及び／又は厳しい宇宙環境に関する劣化条件を挙げることができる。電圧は同じミッション中に非常に高い可能性があり、最低温度では、ソーラーセルは好ましくない高い電圧を有する可能性があり、例えば、３ＡＵ（太陽から４４８．８ミリオンキロメートル）での低温環境を有するミッションの段階中又は食後（ｐｏｓｔ−ｅｃｌｉｐｓｅ）の軌道の一部の間である。これらのソーラーセルストリングを高電圧で設計して作動させることで、ストリングのプラズマ環境に対する相互作用が大きくなる。

従って、供給電力の電圧及び電流特性は、通常、飛翔体の内部において分散的方法でもって負荷が必要とするように調整及び調節され、これは電力バスラインによって負荷に接続された一意的及び共通ポイントとして飛翔体の機構の内部に配置された、又は負荷自体の中に配置された電力管理ユニットを使用して行われる。

負荷に供給される電力を調整及び調節するための単一の一意的な共通ポイントを設けることで、システムの全体性能は一定になり変化しない。さらに、太陽電池アレイは、電流要件の狭い動作ウインド内に一致するように大きさを定めることができ、結果的に、動作環境に適合するようにシステムの性能を変更する以外に選択肢がない。また、電力は調節されることなくインタフェースを介して伝送され、このことは、インタフェース構成要素のための準最適デザイン及び動作条件につながる可能性がある。

加えて、この集中型電力管理ユニットが突然故障した場合、その機能を引き受けるための中間ポイントが存在せず、その結果、発生電力の電圧が全ての負荷に直接伝送され、システムの故障につながる場合がある。

本開示の目的は、宇宙太陽電池電力システム用の改善された電力管理システムを提供することである。

本開示の別の目的は、発電された後に所定の電圧で宇宙飛翔体のペイロードに送られた電力が、負荷に電力を供給するために、例えばバッテリを充電するために又は機器を作動させるための電力を供給するために使用され、結果的に電力管理手段を必要として負荷に送り出す前に電力管理手段から恩恵を受けるシステムを提供することである。

本開示の別の目的は、飛翔体内に配置されて、飛翔体の稼働年数にわたってアレイ電圧及び電流特性の幅広いバリエーションを管理するためのシステムを提供することである。

本開示に記載の全ての数値パラメータの範囲は、任意の及び全て部分範囲又は本明細書に包含される「中間的上位概念」を含むことを理解されたい。例えば、ＡＣ電力周波数の値に関して提示された１から２０ｋＨｚの範囲は、最小値１ｋＨｚ又はそれ以上から始まり、最大値２０ｋＨｚ又はそれ未満で終わる、例えば１．０から５、２．０から１０．０、又は１５−１９ｋＨｚである、任意の及び全ての部分範囲を含むと見なすべきである。

本開示は、分散型電力管理コントローラを含む宇宙飛翔体用の電力管理システムを使用することで、前述の問題点の少なくとも一部のための解決策を提供し、各コントローラは、ソーラーセルストリング、ソーラーセルモジュール、もしくはソーラーセルパネル、プラットフォーム又はアレイのいずれかに関連する。

１つの態様において、本開示は宇宙飛翔体用の電力管理システムを提供し、システムは、複数のパネルを有する太陽電池アレイであって、各パネルは、１又は２以上のソーラーセルストリングを含み、各ソーラーセルストリングは、直列に接続されて直流（ＤＣ）電力を発生する複数の太陽電池セルを含む、太陽電池アレイと；１又は２以上のソーラーセルストリングの各々に配置され、パネル内の１又は２以上のソーラーセルストリングから発生したＤＣ電力を調整し、この電力を少なくとも１つの電気接続ラインを介して電力ハーネスに供給して、この電力をルート電力管理ユニットに送るように構成された少なくとも１つの調節モジュールと；宇宙飛翔体に接続可能に構成された第１の端部と、太陽電池アレイに接続可能に構成された第２の端部とを有し、太陽電池で生成された電力をルート電力管理ユニットから飛翔体に伝送するように構成されたインタフェースとを備える。

一部の実施形態において、ルート電力管理ユニットは、少なくとも１つの電力ハーネスによってインタフェースの第２の端部に接続され、ルート電力管理ユニットは、電力ハーネスからの太陽電池アレイで生成されたＤＣ電力の形式のＤＣ電力を高周波交流（ＡＣ）電力（例えば、１−２０ｋＨｚ）又は異なる電圧のＤＣ電力に変換し、第２の端部を介して高周波ＡＣ電力又は異なる電圧のＤＣ電力をインタフェースに伝送するように構成される。

一部の実施形態において、少なくとも１つの電気接続ラインは、ルート電力管理なしで少なくとも１つの調節モジュールを直接、配向及び電力伝送デバイスに接続し、配向及び電力伝送デバイスは、回転式接合部を介してＤＣ電力を送るスリップリングを含む。

通常、太陽電池アレイの共通構成は、パネルの結合セットであり、各パネルは、各セクションに分割され、各セクションは、１又は２以上のソーラーセルストリングを含む。このストリングの各々は、直列に接続されたソーラーセルで構成され、所望のストリング電圧を得るようになっている。一部の実施形態において、各ソーラーモジュール又はパネルは、ソーラーセルを封入して外部環境に直接さらされるのを防ぐようになっている。

一部の実施形態において、パネル上のソーラーセルは、その接点を接続することで相互接続することができ、パネルの経路上の端子パッドを適切に相互接続することで、ストリング又は電気的な直列接続及び／又は並列接続を形成するようになっている。

本開示の意味では、飛翔体は、人間、ペイロード、又は積み荷を輸送することができ、少なくとも太陽電池アレイから発生したエネルギーによってそのシステム又はサブシステムに電力を供給することができる何らかの移動機械と理解されたい。これにより、太陽電池アレイは、飛翔体から離れて配置することができるがこれに接続され、この接続は、電気的及び／又は機械的とすることができる。太陽電池アレイと飛翔体との間の中間部分は、いわゆる両構成要素の間のインタフェースである。このインタフェースは、この構成要素の間の接続点であり、それ自体が接触面であるか又は追加の中間要素が両構成要素を接合し、上記の電気的及び／又は機械的接続をもたらすことを理解されたい。インタフェースは、飛翔体に対して接続可能な第１の端部と、太陽電池アレイに対して接続可能な第２の端部とを含む。

インタフェースは飛翔体と太陽電池ソーラーアレイとの間に配置されるので、インタフェースは、太陽電池アレイで生成された電力を飛翔体に伝送することができる。従って、太陽電池ソーラーアレイは、エネルギー分配ラインによって電力を出力することができ、その後、電力は、電力バスラインによって飛翔体に注入されてそのシステム又はサブシステムに、すなわち、いわゆるバスサブシステム及びペイロードに供給するために、第２の端部から第１の端部へインタフェースを横切ることができる。電力を伝送する能力に加えて、インタフェースは、太陽電池ソーラーアレイと飛翔体との間の構造的及び機械的接続を可能にする。また、飛翔体の向きとは無関係に太陽電池アレイを太陽の方に向かせる必要がある場合、インタフェースは、インタフェースアレイを回転又は傾斜させる配向デバイスを含む。

この飛翔体が宇宙で稼働するよう構成される場合、飛翔体は、何らかの目的で、例えば、宇宙飛翔体、宇宙探査機、又は衛星として意図的に軌道に投入される、何らかの移動機械である。従って、飛翔体が宇宙で動作する場合、太陽電池アレイで生成された電力は、エネルギー貯蔵バッテリを充電するために、センサに供給するために、暖房、冷房、テレメトリーを作動させるために、及び飛翔体推進手段に動力を供給するために利用することができる。

本開示全体にわたって、各調節モジュールは、１つの電力分配ラインに供給される電力を調整するように構成され、この電力分配ラインは相互に分離されることを理解されたい。各パネルは、別個の構造的構成要素であり、相互に分離されており、調節モジュールは、その上に構成又は配置される。「収集した電力を調整する」とは、調節モジュールが、電力を個々の電力分配ラインに供給するために、１又は２以上のソーラーセルストリングに関する電力を監視、調整、収集、及び伝送するよう構成されることと理解されたい。

各調節モジュールが１つの電力分配ラインに供給される電力を調整するので、各電力分配ラインは、自身の調節モジュールを含み、以下のことが可能になる。すなわち、電力分配ライン上での能動的電圧調整；太陽電池アレイパネル用の「最大電力点追従」（ＭＰＰＴ）；広範囲の電圧調整；太陽電池アレイを折り畳む又はクルクルと巻くための緊密なオンアレイパッケージング用の薄型化；遮蔽材を組み込んだとしても、５０ｇ／ｋＷ（発電量）未満すなわち２０，０００ワット／ｋｇ以上の低質量、である。

一部の実施形態において、調節モジュールは、クルクルと巻かれた又は折り畳まれた太陽電池アレイの中に緊密にパッケージングされること、及び構造的な太陽電池アレイ性能特性に影響を与えることなく配備することができる。

加えて、調節モジュールは、ソーラーセルストリングから最大収集電力を抽出して、これを電力分配ラインに供給するように構成することができ、さらに電力分配ラインの作動に適した電圧及び電流を出力して「最大電力点追従」（ＭＰＰＴ）機能をもたらすように構成することができる。換言すると、ＭＰＰＴは、インピーダンス又は抵抗マッチングを行い、ソーラーセルストリングからの電力を最も効率的に収集又は取り込み、この電力を電力分配ラインに適した形式で供給する。

前述したように、ソーラーセルから電力分配ラインへの電力伝送の効率は、太陽電池アレイ上の太陽光入射量及びその電気特性（Ｉ−Ｖ）に左右される。従って、調節モジュールは、提示されるインピーダンス又は抵抗をセルに整合させて最も有効な電圧、電流、又は周波数に関する電力出力を得る。

有利には、分散型調節モジュールを含み、一部の実施形態においてルート電力管理ユニットと組み合わされた電力管理システムの本構成は、相乗的に飛翔体内により単純な充電制御及び電力分配ユニットを与えることを可能にする。加えて、この構成は、ロバスト性、反応性、回復性、及び太陽電池アレイから取り込まれる電力を最大にすると同時にシステムの総質量を低減することができる。

さらに、本明細書に開示される電力管理システムは、最適な電力システム構成を含み、この構成は、電力レベル及び負荷特性の複雑性を処理すると同時に最大の性能指数、すなわち低質量、低容量、低コスト、及び再構成可能性を達成する。

また、複数の太陽電池セルで生成されたＤＣ電力は、次に、飛翔体に収容された負荷に電力を供給するために最適な形式で送られる。

一部の実施形態において、システムはルート電力管理ユニットをさらに含む。ルート電力管理ユニットは、特に以下の機能を含むことができる。すなわち、調節モジュールからの電力を、インタフェースを横切るのに最適な電気形式へ変換する機能、及びインタフェースを介して送るためにＤＣ電力を高周波ＡＣ電力に変換する機能である。

本開示との関連において、高周波ＡＣは、１ｋＨｚから５０ｋＨｚの間の周波数での電力伝送を意味すると理解される。

また、ルート電力管理ユニットをインタフェースの近くに配置することで、電子機器をより好都合で有効に遮蔽して動作条件を持続することができる。

１つの実施形態において、少なくとも１つの調節モジュールをルート電力管理ユニットに接続する少なくとも１つの電力分配ラインは、アレイハーネスにおいて全て接合される。

本実施形態において、各調節モジュールは、アレイハーネスの動作を最適にするために収集したエネルギーを調整する。有利には、アレイハーネスは高電圧での動作に最適化される。アレイハーネスは、複数の電気的に独立した電力分配ライン、又は全ての電力分配ラインの共通の電気接続のどちらかとすることができる。接続点は、各電力分配ラインの調節モジュールとルート電力管理ユニットとの間に生じる。

有利には、この構成は、共通ポイントにおいてインタフェースを横切る全ての電力分配ラインに提供される。

一部の実施形態において、アレイハーネスは、収集した電力を効率的に伝送するために表皮効果を利用する軽量高周波ＡＣハーネスである。

１つの実施形態において、太陽電池アレイは、複数のアレイセクションを含み、各アレイセクションは、少なくとも１つのパネルを含み、各アレイセクションは、個別であり相互に分離される。

１つの実施形態において、太陽電池アレイは、複数のアレイセクションを含み、各アレイセクションは、複数のパネルを含み、パネルは、アレイセクションの各々の内部で並列に分散配置された複数の電力分配ラインによって接続され、各電力分配ラインは、１つの調節モジュールに接続される。

１つの実施形態において、各調節モジュールは、各電力分配ライン上の電力を調節して、３００から１０００ボルトの間のＤＣをアレイハーネス上に供給するように構成することができる。この実施形態において、アレイハーネスは、全ての電力分配ラインの共通電気接続部である。有利には、全ての電力分配ラインの共通電気接続部は、最悪条件での一般的な電気的要求を満たすことができる。

一部の実施形態において、当該調節モジュールは、高効率（＞９５％）でもって３０ボルトＤＣアレイピーク電力を３００ボルトＤＣにアップコンバートする能力を有する。

１つの実施形態において、ルート電力管理ユニットは、共鳴タンクを含むＡＣ電力発生器であり、この共鳴タンクは、ＤＣ電力を高周波ＡＣ電力に変換するようになっている。有利には、この構成は、低質量及び高効率をもたらす。

１つの実施形態において、インタフェースは、太陽電池アレイの向きを定めるための配向駆動デバイスを含む。

配向駆動デバイスは、ソーラー追尾器と類似していることを理解されたい。有利には、配向駆動デバイスは、入射太陽光と太陽電池アレイとの間の入射角を最小にするのを可能にするので、太陽電池アレイで生成されたエネルギー量が増大する。本明細書で使用される場合、入射角を最小にすることは、放射太陽光が太陽電池アレイ表面に対して実質的に直交することを意味する。

１つの実施形態において、調節モジュール及び／又はルート電力管理ユニットは、機能及び命令を制御又は切り替えるように構成された組込コンピュータを備える。有利には、組込コンピュータは、機能のスマート制御を備えることができ、さらに、適応発電のために又は電気的に故障したセクションを除去することによる現場修理のために、ストリング又は電力分配ラインの再構成を可能にする。さらに、組込コンピュータは、飛翔体の多様なミッション条件のために、生成電力の電圧、電流、及び／又は周波数の改善された適応を可能にする。

１つの実施形態において、調節モジュール及び／又はルート電力管理ユニットは、過渡的サージ抑制器、ヒューズ、及び／又は回路遮断器等の保護回路をさらに含む。有利には、保護回路は、電気セクションの無効化によって故障の伝播を阻止又は少なくとも制限することができる。

１つの実施形態において、調節モジュール及び／又はルート電力管理ユニットは、温度、電圧、及び／又は電流を検出するためのセンサと、機能及び命令を制御又は切り替えるように構成された組込コンピュータを備える。

他の態様において、本開示は、本明細書に記載の電力管理システムを含む飛翔体を提供する。一部の実施形態において、この飛翔体は、宇宙で稼働するように構成される。

１つの実施形態において、飛翔体は、複数の負荷を含み、飛翔体と太陽電池アレイとの間に配置されたインタフェースは、回転式変換器接合部をさらに含み、回転式変換器接合部は、アレイハーネスを飛翔体の内部に配置された電力バスに接続し、ソーラーアレイが飛翔体の向きとは無関係に太陽の方へ適切に向くように回転及び傾斜して、接合部を介して電力を伝送するのを可能にし、この電力バスは、複数の電力バスラインによって電力を飛翔体の複数の負荷に分配するように構成される。

アレイハーネスと電力バスとの間の接続は、アレイハーネスの動作の飛翔体への拡張又は拡大として理解されたい。すなわち、アレイハーネスが複数の電気的に独立した電力分配ライン又は全電力分配ラインの共通電気接続部のいずれかである場合、電力バスは同じとすることができる。さらに、この接続によって太陽電池アレイ全体の回転が可能になる。

１つの実施形態において、回転式電力伝送は、回転式変換器で達成される。有利には、回転式変換器接合部は、ＡＣ電力を適切な形式でインタフェースの第１の端部上の飛翔体電力バスに供給する。

１つの実施形態において、飛翔体の複数の負荷のうちの１つの負荷は、エネルギーを蓄積するように構成されたエネルギー貯蔵システムである。このことは飛翔体の遠隔操作に又は飛翔体が地球軌道の食部分（ｅｃｌｉｐｓｅ ｐｏｒｔｉｏｎ）にある間にアレイからソーラー電力を利用できない場合に好都合となり得る。

１つの実施形態において、電力を電力バスからエネルギー貯蔵システムへ分配する電力バスラインは、エネルギー貯蔵システムの充電レベルを監視して、このエネルギー貯蔵システムに供給されたエネルギーを合理的に説明するように構成された充電制御ユニットを含む。エネルギー貯蔵システムは、飛翔体の内部の異なる負荷の間での、収集電力の改善された分配を可能にすることができる。

１つの実施形態において、エネルギーを負荷に分配する各電力バスラインは、各負荷に供給されるエネルギーを制御するための電力インタフェースユニットを含む。有利には、電力インタフェースユニットは、電力バスからＡＣ電力を引き出して、これを飛翔体の各負荷に対して最も効率的な形式に変換することができる。

１つの実施形態において、充電制御ユニット及び／又は電力インタフェースユニットは、電気セクションの無効化によって故障の伝播を阻止又は少なくとも制限するための、過渡的サージ抑制器、ヒューズ、又は回路遮断機などの保護回路をさらに備える。

本明細書（特許請求の範囲、明細書、及び図面を含む）に記載の全ての特徴部、及び／又は記載された方法の全てのステップは、相互に排他的な特徴部及び／又はステップの組み合わせを除いて、何らかの組み合わせで結合することができる。

本開示の上記及び他の特性及び利点は、添付図面を参照して、単なる実施例として与えられ限定的ではない本開示の好ましい実施形態から明白になる、本開示の詳細な説明を参酌するとより明確に理解することができる。

飛翔体に取り付けられた太陽電池アレイの従来の集中型電力管理システムを含む構成を示す。 飛翔体に取り付けられた本明細書に開示される電力管理システムの実施形態を示す。 電力分配ラインに接続された調節モジュールの基本的な接続形態を示す。

図１は、飛翔体（４００）に取り付けられた太陽電池アレイの従来の構成を示し、この構成は、集中型電力管理システムを含む。詳細には、電力管理システムは、複数のアレイセクション（３１１）を備えた太陽電池アレイ（３１０）を含む。各アレイセクションは、電力分配ライン（３４０）を介してインタフェース（３２０）に接続されたソーラーセルストリングのセットを含む。

従って、アレイセクション（３１１）で生成された電力は、ハーネス（３４０）又は電気バスを介してインタフェース（３２０）へ送られる。次に、この生成された電力はインタフェース（３２０）によって飛翔体（４００）に伝送される。このバスは、電力供給、接地、及び制御又はデータ収集又はセンサ信号のための個別ライン又は導線を含むことができる。

飛翔体（４００）は、電力管理ユニット（４０１）、充電制御ユニット（４３５）、エネルギー貯蔵システム（４３０）、３つの電力インタフェースユニット（４１５）、３つの負荷（４１０）、及び電力バス（４２０）を含み、電力バス（４２０）は、インタフェース（３２０）を電力管理ユニット（４０１）に接続し、該電力管理ユニット（４０１）との間で充電制御ユニット（４３５）、エネルギー貯蔵システム（４３０）、３つの電力インタフェースユニット（４１５）、及び３つの負荷（４１０）を接続する。

この構成において、従来の太陽電池アレイ（３１０）は、各電力分配ライン（３４０）の終端で収集された電力から所望の最大電源電圧（Ｖｍｐ、例えば３０ボルトＤＣ）を得るために、直列に接続されたソーラーセルを使用する。次に、この収集された電力は、同じ電圧の電気ハーネス（３４０）によって飛翔体（４００）に送られる。

電力が電力バス（４２０）によって飛翔体（４００）に注入されると、送り出された電力の電圧及び電流特性は、集中型電力管理ユニット（４０１）を使用して、飛翔体（４００）の負荷（４１０）が必要とする特性に調整及び調節される。この電力管理ユニット（４０１）は、飛翔体（４００）の内部に配置されてインタフェースの第１の端部と負荷（４１０）との間に電力バス（４２０）で接続されるか、又は負荷もしくは電力インタフェースユニット（４１５）自体の内部に配置される。

上記の電力インタフェースユニット（４１５）は、要求される電力が集中型電力管理ユニット（４０１）によって調整された電圧とは実質的に異なっていた場合に、各負荷（４１０）に供給されるエネルギーを制御するために、飛翔体の内部で負荷（４１０）より前に電力バスレイアウト内に接続される。

図１の特定の例において、負荷（４１０）はエネルギー貯蔵システム（４３０）であり、この場合、その電力インタフェースユニット（４１５）は、充電制御ユニット（４３５）をさらに含むことができる。

図２は、飛翔体（２００）に取り付けられた本明細書に開示される電力管理システム（１００）を示す。電力管理システム（１００）は、複数のアレイセクション（１１３）を備えた太陽電池アレイ（１１０）を含む。

図２及び３に示すように、各アレイセクション（１１３）は、電気配線接続（１４０）を使用して電力調節ユニット（１３０）を経由してソーラーアレイ電力ハーネス（１４５）に接続された１又は２以上のソーラーセルストリング（１１１）を含む。各ソーラーセルストリング（１１１）は、電力を収集できる最小要素、すなわちソーラーセル（１１２）を含む。

図２は、太陽電池アレイ（１１０）で生成された電力を飛翔体（２００）に伝送する役割を担うインタフェース（１２０）をさらに示す。インタフェース（１２０）は第１の端部（１２２）及び第２の端部（１２１）を含み、第１の端部（１２２）は、飛翔体（２００）に対して電気的及び機械的に接続可能であり、第２の端部（１２１）は、太陽電池アレイ（１１０）に対して電気的及び機械的に接続可能である。

太陽放射で生成された電力は、ソーラーセルストリング（１１１）を通過して調節器（１３０）を通って電気接続（１４０）を介して直流（ＤＣ）形式の電力として出力され、共通の電気接続、いわゆるアレイハーネス（１４５）に接続される。

図２の電力管理システムは、分散型電力管理モジュール、すなわちソーラーセルストリング接続ライン（１４０）上の調節モジュール（１３０）と、インタフェース（１２０）の第２の端部（１２１）の近くのルート電力管理部（１５０）とを有する。

特に、当該電力管理モジュール（１３０、１５０）の主要機能としては、ソーラーセルストリングの太陽電池特性（Ｉ−Ｖカーブ）の最大ピーク電力追従と、ソーラーセルストリングの固有の電圧範囲と異なる出力ＤＣ電圧を選択するための降圧又は昇圧を含む電圧調節と、ＡＣ電力バス上へ伝送するための、並びに変換器と質量及び容量が最適化された無効電力コンポーネント（例えば、キャパシタ及びインダクタ）とを使用するための任意周波数でのＤＣ−ＡＣ変換と、を挙げることができる。

有利には、調節モジュール（１３０）の介入によってソーラーセルストリング（１１１）の電圧要求をアレイハーネス（１４５）の電圧要求から切り離すことで、ミッションライフサイクルにわたって太陽電池アレイから引き出される電力を最大にすること、及びハーネス電圧及びストリング電圧を独立して最適レベルに選択することが可能になる。

この意味で、調節モジュール（１３０）は、変化又は異常状態に応じて電力分配ライン（１４０）のレベルを切り替えるための切替えモジュールとして機能し、宇宙で動作する太陽電池アレイが現在利用できない制御及び回復レベルを可能にする。

調節モジュール（１３０）は、電気接続ライン（１４０）によって接続され、この電気接続ラインの終端ストリップでの電圧を上昇させることができ、ストリングの最大電源電圧（Ｖｍｐ、例えば、３０ボルトＤＣ）で電力を収集することができる。従って、電圧を上昇させることで電力ハーネス（１４５）に供給される電流はそれに応じて低減される。

生成された電力は、電気接続ライン（１４０）によって直流（ＤＣ）形式の電力として出力される。全ての電気接続ライン（１４０）は、高電圧動作に最適化されているアレイハーネス（１４５）内に接続される。従って、高電圧電気ハーネスは、ハーネス内のＩ²Ｒ電力損失を最小にするが、何らかの望ましくない高電圧環境相互作用を防ぐために外部環境から容易に絶縁できるように、電流が低減される。

ルート電力管理ユニット（１５０）は、調節モジュール（１３０）で調整された電力を、インタフェース（１２０）を横切るのに適切な電気形式に変換する役割、及びインタフェース（１２０）を経由して飛翔体（２００）に伝送又は注入するためにＤＣ電力を高周波ＡＣ電力に変換する役割も担う。

電力管理システムが飛翔体（２００）に組み込まれる状況において、インタフェース（１２０）の第１の端部（１２２）は、飛翔体（２００）に対して電気的及び機械的に接続され、インタフェース（１２０）の第２の端部（１２１）は、太陽電池アレイ（１１０）に対して電気的及び機械的に接続される。

電気接続は、太陽電池アレイ（１１０）から来るアレイハーネス（１４５）と、収集した電力を飛翔体（２００）内部に包含された複数の負荷（２１０）に分配するための飛翔体（２００）へ入る電力バス（２２０）との間である。回転式変換器接合部（１２６）の電力伝送機能はこのような電気接続の役割を担うが、配向デバイス（１２５）の全３６０度の回転を可能にする。

インタフェース（１２０）は、入射太陽光と太陽電池アレイ（１１０）平面との間の入射角を最小にするように構成された太陽電池アレイ（１１０）の向きを定めるための配向駆動デバイス（１２５）を含む。従って、配向駆動デバイス（１２５）構造は、ヨーク構造１６０による本実施形態の機械的接続の役割を担う。

一部の実施形態において、アレイハーネス（１４５）及び／又は電力バス（２２０）は、効率的伝送のために表皮効果を利用する軽量な高周波ＡＣハーネスである。

図１の飛翔体（４００）の内部に示す構成又はレイアウトとは対照的に、本明細書に開示するシステムにおいて、飛翔体の中には、収集した電力を集中させて調節するための電力管理ユニットが存在しないことが分かるはずである。対照的に、収集した電力は、インタフェース（１２０）を横切る前に既により最適な形式に調整されるので、負荷（２１０）全体にわたって直接分配される。

また、飛翔体は、各負荷（２１０）に供給される電力を制御する電力インタフェースユニット（２１５）を含む。前述のように、当該負荷（２１０）の特定の例はエネルギー貯蔵システム（２３０）であり、この場合、その電力インタフェースユニット（２１５）は、充電制御ユニット（２３５）をさらに含むことができる。充電制御ユニット（２３５）は、電力バスから電力を引き出し、エネルギー貯蔵バッテリ又はシステム（２３０）に最も効率的な形式に変換する。

一部の実施形態において、飛翔体（２００）は、複数のペイロード（２１０）と、飛翔体（２００）と太陽電池アレイ（１１０）との間に配置されたインタフェース（１２０）とを含み、アレイハーネス（１４５）を飛翔体（２００）の内部に配置された電力バス（２２０）に接続する回転式変換器接合部（１２６）をさらに含む。当該電力バス（２２０）は、高周波ＡＣ電力を複数の電力バスライン（２２０）によって飛翔体（２００）の複数のペイロード（２１０）に分配するように構成される。

図３は、１つの実施形態による、電気接続ライン（１４０）を介してソーラーセルストリング及び電力ハーネスに接続された各調節モジュール（１３０）の概略的な接続形態を示す。図示のように、ソーラーセルストリング（１１１）は、複数の直列に接続されたソーラーセル（１１２）を含む。

ソーラーセルストリング（１１１）の終端ストリップにおいて、すなわち電気接続ラインで接続された最後のソーラーセルの後に調節モジュール（１３０）が配置され、収集された電力を調整してこの電気接続ライン（１４０）によって送るようになっている。一部の実施形態において、終端ストリップでの電力は、最大電源電圧（Ｖｍｐ、例えば３０ボルトＤＣ）で収集される。次に、電力分配ライン（１４０）は、調節モジュール（１３０）を経由してアレイハーネス（１４５）に接続される。

加えて、本実施形態において、調節モジュール（１３０）は、電力分配ライン（１４０）と共に太陽電池アレイ（１１０）に統合され、それによって電子機器を保護するために遮蔽される。この意味で、調節モジュール（１３０）の変形形態は、集積回路としてセル構造の中に組み込むことができる。

随意的に、別個の調節モジュール（１３０）は、例えばバイパスダイオードの代わりに各ソーラーセル（１１２）の一部として形成することができる。有利には、別個の調節モジュールによって、影、ソーラーセル短絡、及び／又はソーラーセル開路に耐えることができる。

要約すると、本開示が提示する新規な構成の中で、調節モジュール（１３０）は、電力を検出して、最適なストリング電圧Ｖｍｐ、例えば３０ボルトで終端ストリップから電力を抽出すること；電力分配ライン（１４０）用に電圧を上昇させて、必要とされる高電圧、例えば３００ボルトでアレイハーネス（１４５）に送り出すこと；及び送出した電力の調整を行って電圧リップル、電圧降下、又は電圧スパイクを除去すること；ができる。

さらに、電気接続ライン（１４０）及びアレイハーネス（１４５）は、フレックス回路を含むことができる。この回路は、ストリング及びサブストリング終端ストラップ、ダイオード位置、及び個々のソーラーセルなどの、主要な電気タップ点に容易にアクセスするための手段をもたらす。

最大ピーク電力追従の間に電圧を上昇させることに加えて、調節モジュール（１３０）は、短絡したストリングを交換する及び／又は様々な環境で作動するなどの様々な状況に対処するために、ソーラーセルストリング（１１１）構成の総電力を変えるための切替え機能を提供することもできる。電力分配システム（１００）が宇宙で稼働するように構成された飛翔体（２００）に取り付けられる場合、この様々な環境としては、太陽の近く、太陽の遠方、及び地球距離（ｅａｒｔｈ ｄｉｓｔａｎｃｅ）を含む。

ソーラーモジュール又はパネル（１１３）は支持体に取り付けることができ、支持体は複数の導電路を含む。

ソーラーセル（１１２）は、第１の導電路に接続された第１の極性（Ｐ）の第１の接触部分と、第２の導電路に接続された第２の極性（Ｎ）の第２の接触部分とを含み、第１及び第２の導電部は、反対の導電型の端子を形成する。

太陽電池において、複数のソーラーセルグループを含むパネル（１１３）内の各ソーラーセルにバイパスダイオードが使用される場合が多い。有利には、ソーラーセル（１１２）又はソーラーセルのグループの１つが遮られるか又は損傷を受けた場合、他のソーラーセル、例えば遮られていない又は損傷を受けていないソーラーセル又はソーラーセルグループで生成された電流は、バイパスダイオードを通過することができるので、遮られた又は損傷を受けたソーラーセル又はソーラーセルグループの高抵抗性を避けることができる。

バイパスダイオードに加えて、ストリング（１１１）は、例えば太陽が出ていない時のソーラーセルグループからの出力電圧が低い時に逆電流を阻止するように機能する、ブロッキングダイオードを組み込むこともできる。

１００ 電力管理システム
１１０ 太陽電池アレイ
１１３ パネル
１２０ インタフェース
１２１ 第２の端部
１２２ 第１の端部
１２５ 配向駆動デバイス
１２６ 回転式変換器接合部
１３０ 調節モジュール
１４０ 電気接続ライン
１４５ 電力ハーネス
２００ 宇宙飛翔体
２１０ ペイロード
２１５ 電力インタフェースユニット
２２０ 電力バスライン
２３０ エネルギー貯蔵システム
２３５ 充電制御ユニット

Claims (8)

1. 宇宙飛翔体（２００）用の電力管理システム（１００）であって、
   複数のパネル（１１３）を含む太陽電池アレイ（１１０）であって、前記パネル（１１３）の各々がＤＣ電力を収集するための複数の直列に接続された太陽電池セル（１１２）
   を有する太陽電池アレイストリング（１１１）を含む、太陽電池アレイ（１１０）と、
   前記宇宙飛翔体（２００）に接続可能に構成された第１の端部（１２２）と、前記太陽電池アレイ（１１０）に接続可能に構成された第２の端部（１２１）とを有し、電力ハーネス（１４５）を介して前記太陽電池アレイ（１１０）が収集した電力を前記宇宙飛翔体（２００）に伝送するように構成されたインタフェース（１２０）と、
   を備え、
   前記システムは、
   １又は２以上の電気接続ライン（１４０）を介して、前記パネル（１１３）内の前記太陽電池アレイストリング及び前記電力ハーネス（１４５）に接続された、１又は２以上の調節モジュール（１３０）、（１３０）を備え、前記調節モジュール（１３０）は、前記パネル（１１３）内の前記太陽電池アレイストリングが収集したＤＣ電力を調整して、前記電力ハーネス（１４５）へ供給するように構成されていることを特徴とするシステムであって、該システムが、
   少なくとも１つの電力ハーネス（１４５）によって前記インタフェース（１２０）の前記第２の端部に接続されたルート電力管理ユニット（１５０）をさらに備え、前記ルート電力管理ユニット（１５０）は、ＤＣ電力の形式で前記太陽電池アレイによって収集され、前記電力ハーネス（１４５）に供給されたＤＣ電力を変換し、次に、前記電力を高周波ＡＣ電力又は異なる電圧のＤＣ電力に変換し、前記第２の端部（１２１）を介して前記高周波ＡＣ電力又は異なる電圧のＤＣ電力を前記インタフェース（１２０）に伝送するように構成され、
   前記調節モジュール（１３０）及び／又は前記ルート電力管理ユニット（１５０）は、
   （ｉ）温度、電圧、及び／又は電流を検出するためのセンサと、機能及び命令を制御及び切り替えるように構成された組込コンピュータとを備え、（ｉｉ）直列に接続されたソーラーセル（１１２）の１又は２以上のストリングの無効化によって、宇宙飛翔体ペイロード並びに電気バス及び電気サブシステムを含む前記宇宙飛翔体（２００）に故障が伝播するのを阻止又は制限するために、電圧スパイク抑制する過渡的サージ抑制器、ヒューズ、又は回路遮断器などの保護回路をさらに備える、システム。
2. 前記１又は２以上の電気接続ライン（１４０）は、ルート電力管理なしで、前記少なくとも１つの調節モジュール（１３０）を、回転式接合部でＤＣ電力を送るスリップリングを備える従来型の配向及び電力伝送デバイスに接続し、全ては前記電力ハーネス（１４５）で接合される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記太陽電池アレイ（１１０）は、複数のアレイセクション（１１３）を備え、前記アレイセクション（１１３）の各々は、直列に接続されたソーラーセル（１１２）の少なくとも１つのストリングを備え、前記アレイセクション（１１３）の各々は、個別であり相互に分離されている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記太陽電池アレイ（１１０）は、複数のパネル（１１３）を備え、前記パネル（１１３）の各々は、直列に接続されたソーラーセル（１１２）の複数のストリングを備え、前記直列に接続されたソーラーセル（１１２）のストリングは、前記パネル（１１３）の各々の内部に並列に分散配置された複数の電気接続ライン（１４０）によって接続され、前記電気接続ライン（１４０）の各々は、１つの調節モジュール（１３０）に接続される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記調節モジュール（１３０）の各々は、前記電力ハーネス（１４５）上に３００−１０００ボルトＤＣを供給するために、ソーラーセル（１１２）の１又は２以上の直列に接続されたストリングからの電力を調節するように構成される、請求項２に記載のシステム。
6. 前記ルート電力管理ユニット（１５０）は、共鳴タンクを備えたＡＣ電力発生器であり、前記共鳴タンクは、前記ＤＣ電力を１−２０ｋＨｚの周波数の高周波ＡＣ電力に変換するようになっている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記インタフェース（１２０）は、前記太陽電池アレイ（１１０）の向きを定めるための配向駆動デバイス（１２５）と、前記太陽電池アレイを太陽の方に向きを定めるための一体型回転機構に電力を伝送のための回転式変換器とを備える、請求項１に記載のシステム。
8. 飛翔体本体と請求項１から７に記載の電力管理システム（１００）とを備える宇宙飛翔体（２００）であって、前記飛翔体（２００）は、複数のペイロード（２１０）を備え、前記飛翔体（２００）と前記太陽電池アレイ（１１０）との間に配置された前記インタフェース（１２０）は、回転式変換器接合部（１２６）をさらに備え、前記回転式変換器接合部（１２６）は、高周波ＡＣ電力を伝送している前記電力ハーネス（１４５）を前記飛翔体（２００）の内部に配置された複数の電力バスライン（２２０）に接続し、前記複数の電力バスライン（２２０）は、前記複数の電力バスライン（２２０）によって高周波ＡＣ電力を前記飛翔体（２００）の複数のペイロード（２１０）に分配するように構成される、宇宙飛翔体。

Images