一种卫星的DET电源系统的制作方法

本申请涉及卫星领域，尤其涉及一种卫星的det电源系统。

背景技术：

小卫星通常具有集成度高的特点，对应的，在小卫星中，其电源系统也具有集成度高的特点。

小卫星现有的电源系统，可采用能量传输(directenergytransfer，det)技术的电源系统，简称det电源系统，det电源系统具有传输效率高的特点。

现有的det电源系统中，由于功率点无法调节的特点，为保证小卫星寿命末期电源系统的输出功率，通常将计算出的太阳电池阵末期的最大功率点的电压固定设置，在保证末期太阳电池阵可输出最大输出功率、太阳能利用率最高的同时，也导致了初期太阳电池阵的输出功率以及太阳能利用率较低。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种卫星的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。

本申请实施例提供了一种卫星的det电源系统，det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、主误差放大器(mainerroramplifier，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三域控制；

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，母线电压用于为负载模块提供电源；

基准电压模块用于生成基准电压；

蓄电池组连接用于传输母线电压的母线，用于根据分流控制进行充、放电；

在工作过程中，基准电压模块具体用于生成不同的目标基准电压，mea具体用于根据目标基准电压生成目标差分信号，s3r分流控制器具体用于根据目标差分信号输出不同的目标母线电压。

在本申请第一种示例性的实施例中，基准电压模块具体用于生成太阳电池阵最大功率点对应的目标基准电压，s3r控制器具体用于根据目标差分信号输出太阳电池阵最大功率点对应的目标母线电压。

在本申请第二种示例性的实施例中，基准电压模块包括基准电压生成模块以及多路开关，基准电压生成模块包括连接电压源的不同的分压电阻线路，所述不同的分压电阻线路引出用于输出不同电压等级的电压输出接口，多路开关用于从多个电压输出接口中，选通目标基准电压对应的目标电压接口，并将目标基准电压输出至mea。

在本申请第三种示例性的实施例中，基准电压模块包括d/a转换器，d/a转换器用于从电压源通过d/a转换得到目标基准电压并输出至mea。

在本申请第四种示例性的实施例中，电源控制与配电单元在蓄电池组与母线之间，还包括有充电保护模块以及放电保护模块，充电保护模块用于防止蓄电池组过充电，放电保护模块用于防止蓄电池组过放电。

结合本申请第四种示例性的实施例，在本申请第五种示例性的实施例中，充电保护模块包括终止电压设置模块、比较模块、脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，pwm)模块、驱动电路、功率开关管以及功率二极管；

终止电压设置模块用于设置蓄电池组的终止电压大小；

比较模块由滞回比较器构成，用于通过蓄电池组采样得到的电压与终止电压设置模块设置的终止电压进行比较后输出对应的电平；

pwm模块用于将比较电路输出的电平转换为pwm信号；

驱动电路用于将pwm信号放大为可驱动功率开关管通断的驱动信号；

功率开关管用于根据驱动信号控制充电回路的通断，充电回路位于蓄电池组与母线之间；

功率二极管用于防止蓄电池组电压低于低压阈值时通过充电回路继续放电，导致蓄电池发生过放电的情况。

结合本申请第四种示例性的实施例，在本申请第六种示例性的实施例中，放电保护模块包括滞回比较器、硬件保护使能模块、软件控制模块、驱动电路以及功率开关管；

滞回比较器的同相端为蓄电池组的过放保护电压值，反相端为蓄电池组的电压采样值；

硬件保护使能模块用于控制硬件保护电路，当使能禁止时，通过继电器把滞回比较器的输出端与功率开关管的控制端断开；

驱动电路用于将滞回比较器的输出端输出的信号放大为可驱动功率开关管通断的驱动信号；

功率开关管用于根据驱动信号控制放电回路的通断，放电回路位于蓄电池组与母线之间；

软件控制模块用于根据控制指令对功率开关管的通断进行控制；

当蓄电池组正常工作时，反相端的电压将高于基准电压；

当蓄电池组发生过放电故障时，由软件控制模块控制放电通路的关断，当软件控制模块控制失效且蓄电池组的电压采样值低至过放保护电压阈值时，硬件保护模块翻转滞回比较器的电平并输出低电平，以关断功率开关管，完成对蓄电池组的过放电保护。

在本申请第七种示例性的实施例中，电源控制与配电单元在母线与负载模块之间，还包括有二次电能转换模块，二次电能转换模块用于将母线电压的电压等级转化为负载模块的工作电压的电压等级。

结合本申请第七种示例性的实施例，在本申请第八种示例性的实施例中，二次电能转换模块包括dc/dc芯片，dc/dc芯片用于根据接收到的控制指令，从预设的多个电压等级中选择目标电压等级进行电压等级转化。

结合本申请第七种示例性的实施例，在本申请第九种示例性的实施例中，二次电能转换模块包括dc/dc变换电路，dc/dc变换电路用于根据控制参数无级调节电压等级。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

在卫星的det电源系统的工作过程中，由于配置了本申请实施例中的基准电压模块，可向mea提供不同的基准电压，如此mea可生成不同的差分信号，在该情况下，s3r分流控制器即可在分流控制(或者说s3r三域控制)的过程中，根据不同的差分信号，控制得到不同的母线电压，对应的，太阳电池阵侧则可对应不同的母线电压，实现不同的输出功率，由此在det电源系统中，实现了调节太阳电池阵的输出功率的效果，可在一定程度上克服现有的det电源系统在卫星初期太阳电池阵输出功率较低的缺陷，且可随实际需求以及实际条件，提高卫星初期太阳电池阵的输出功率。

附图说明

图1为现有卫星的det电源系统的一种电路结构示意图；

图2为本申请实施例卫星的det电源系统的一种电路结构示意图；

图3为本申请实施例充电保护模块的一种电路结构示意图；

图4为本申请实施例放电保护模块的一种电路结构示意图；

图5为本申请实施例蓄电池组在轨充电管理的一种流程示意图；

图6为本申请实施例tps54560芯片的一种电路结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种卫星的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。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在具体介绍本申请实施例提供的卫星的det电源系统之前，先简要介绍涉及的相关背景内容。

小卫星，例如商业小卫星通常具有如下特点：一是研制周期短，通常不超过两年，且卫星的制造过程从“工匠式”逐步过渡到“流水线式，而大卫星研制周期一般在7-8年；二是发射方式灵活，既能由小运载火箭单独发射，也可以“搭车”方式随同别的卫星一起发射，还能用一枚火箭发射多颗小卫星，甚至可以运到空间站上用机械臂释放到太空；三是成本低，通常一颗小卫星包括发射价格在内成本约3000万人民币，不仅价格低廉，而且风险小，且一般小卫星寿命在10年以上，卫星产业资本壁垒由此大幅降低；四是生存能力强，用小卫星群代替单颗大型卫星可“以十当一”，互为备份，整个系统能“带伤坚持战斗”；五是应用范围广，可以应用在通信、遥感、科研和军事等各个方面，并适用于进行新技术试验；六是功能强，易于在不同的轨道上组成卫星星座，从而实现单颗卫星无法实现的功能。

与此同时，小卫星的电源系统同样具备着集成度高、通用性强、研制成本低、建设周期短等诸多特点。

现有小卫星的电源系统中，根据功率调节方式主要分为两种：采用det技术的电源系统，以及采用最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，mppt)控制技术的电源系统。

其中，det电源系统传输效率高，电路结构简单易实现，太阳电池阵工作点随负载变化，初期能源利用率较低，末期能源利用率高；而mppt电源系统则可根据负载的需求提供功率，太阳电池阵可一直输出最大功率，光能转换效率高，但电路结构复杂，电压变换和追踪算法实现电路都需要消耗一定功率，导致传输效率低。

mppt电源系统由于系统拓扑中存在dc/dc变换器，造成体积与重量增大，成本增加，同时热耗以及电源系统本身功耗都会增加，尤其在光照期，其热耗明显高于传统det电源系统，给整星热控带来较大难度，所以小卫星尤其商业小卫星通常不采用mppt电源系统，一般采用det电源系统。

在现有的det电源系统中，如图1示出的现有卫星的det电源系统的一种结构示意图，由于向mea的基准电压是不变的，导致了母线电压也固定不变，存在功率点无法调节的特点，在该情况下，为保证小卫星寿命末期电源系统的输出功率，通常将计算出的太阳电池阵末期的最大功率点的电压固定设置，在保证末期太阳电池阵可输出最大输出功率、太阳能利用率最高的同时，也导致了初期太阳电池阵的输出功率以及太阳能利用率较低。

基于上述现有的相关技术存在的缺陷，本申请实施例提供了一种新的卫星的det电源系统，可在一定程度上克服上述现有的相关技术存在的缺陷。

下面，在上述相关背景内容的基础上，开始介绍本申请实施例提供的卫星的det电源系统。

本申请实施例提供的卫星的det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、主误差放大器mea以及基准电压模块；

其中，电源控制与配电单元还应包括遥测遥控模块、电源控制单元(powercontrolunit，pcu)模块、一次配电模块、二次配电模块以及火工品模块。遥测遥控模块负责模拟量与状态量的采集并整理成总线遥测上传以及负责外部总线指令的译码并传送给内部各模块；pcu模块负责卫星光照器功率的调节、蓄电池组的充电还有地影期功率调节等；一次配电模块、二次配电模块负责整星的一、二次供配电，具有故障隔离功能；火工品模块负责整星的火工品起爆控制。为便于说明，本申请实施例所示附图仅示出了本申请实施例涉及到的s3r分流调节器、mea、基准电压模块、充电保护模块以及放电保护模块，附图未示出的，电源控制与配电模块还应包括上述提及的遥测遥控模块、pcu模块、一次配电模块、二次配电模块或者火工品模块等构件。

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，母线电压用于为负载模块提供电源；

基准电压模块用于生成基准电压；

蓄电池组连接用于传输母线电压的母线，用于根据分流控制进行充、放电，即，蓄电池组用于光照期储能以及地影期向负载供能；

在工作过程中，基准电压模块具体用于生成不同的目标基准电压，mea具体用于根据目标基准电压生成目标差分信号，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。

在上述实施例的技术方案中可看出，在卫星的det电源系统的工作过程中，由于配置了本申请实施例中的基准电压模块，可向mea提供不同的基准电压，如此mea可生成不同的差分信号，在该情况下，s3r分流控制器即可在分流控制(或者说s3r三域控制)的过程中，根据不同的差分信号，控制得到不同的母线电压，对应的，太阳电池阵侧则可对应不同的母线电压，实现不同的输出功率，由此在det电源系统中，实现了调节太阳电池阵的输出功率的效果，可在一定程度上克服现有的det电源系统在卫星初期太阳电池阵输出功率较低的缺陷，且可随实际需求以及实际条件，调节并提高卫星初期太阳电池阵的输出功率。

具体的，在光照情况变化缓慢、光照时间相对稳定的情况下，基准电压模块可在一段时间内固定基准电压，并每过一段时间重新设定一次基准电压，使太阳电池阵一直工作在较高功率点，达到灵活提高卫星初期太阳电池阵的输出效率的目的，可满足商业小卫星的电源系统带载灵活多变的使用需求。

此外，需要注意的是，由于现有卫星的det电源系统中，其母线电压是固定不变的，蓄电池组的接入系统需设置独立的充电调节器(batterychargeregulator，bcr)、放电调节器(batterydischargeregulator，bdr)，辅助为负载模块供电，这大大增大了体积和质量，加大了电路设计复杂度，增加了元器件使用的种类和数量，研制成本也会增加。

而在本申请实施例提供的卫星的det电源系统中，母线电压是可以调节的，也因此，无需设置独立的充、放电调节器，蓄电池组可直接接入传输母线电压的母线，节省成本的同时，还可充分利用能源，充放电效率高。

以下继续对上述实施例进行详细阐述。

作为一种示例性的实施例，基准电压模块具体用于生成太阳电池阵最大功率点对应的目标基准电压，s3r控制器具体用于根据目标差分信号输出太阳电池阵最大功率点对应的目标母线电压。

可以理解，基准电压模块生成的基准电压，可不断地调节调节功率点，使得太阳电池阵一直保持着当前光照条件下的最高功率点，保持最高输出功率，实现最大功率点跟踪的目的。

其中，在又一种示例性的实施例中，如图2示出的本申请实施例卫星的det电源系统的一种结构示意图，基准电压模块可包括基准电压生成模块以及多路开关，基准电压生成模块包括从电压源通过不同的分压电阻线路，不同的分压电阻线路引出用于输出不同电压等级的电压输出接口，可根据这些电压输出接口，输出不同的基准电压，而多路开关则可根据控制指令，从多个电压输出接口中，选通目标基准电压对应的目标接口，并将目标基准电压输出至mea，由此达到调节基准电压的目的。

在实际应用中，电压源具体可以为母线上的母线电压，或者也可以为其他设备提供或者引出的电压。

可以理解的是，若将电压源为母线电压，显然还可进一步的方便det电源系统的布线以及配置，无需再提供额外的设备用于提供用于生成基准电压的电压源，从而还可进一步节省det电压源的设计成本以及硬件成本。

与此同时，若在实际需求中，若基准电压的调节档位需求很多，也可以采用d/a转换器代替分压电阻线路转化得到所需的基准电压，例如采用8位的d/a转换器最多可将基准电压进行256挡分压，从而可实现母线电压256档调节，实现更为细致的电压等级的电压转化。

当然，在实际应用中，也可同时配置上述两者，并随实际需求择一使用。

在又一种示例性的实施例中，在蓄电池组直接接入母线，无需设置专门的bcr和bdr电路的情况下，电源控制与配电单元可在蓄电池组与母线之间设置防止蓄电池组过充电的充电保护模块还有用于防止蓄电池组过放电的放电保护模块，实现蓄电池组的在轨高效管理。

在又一种示例性的实施例中，如图3示出的本申请实施例充电保护模块的一种电路结构示意图，充电保护模块可包括终止电压设置模块、比较模块、pwm模块、驱动电路、功率开关管以及功率二极管；

终止电压设置模块用于设置蓄电池组的终止电压大小；

比较模块由滞回比较器构成，用于通过蓄电池组采样得到的电压与终止电压设置模块设置的终止电压进行比较后输出对应的电平；

pwm模块用于将比较电路输出的电平转换为pwm信号；

驱动电路用于将pwm信号放大为可驱动功率开关管通断的驱动信号；

功率开关管用于根据驱动信号控制充电回路的通断，充电回路位于蓄电池组与母线之间；

功率二极管用于防止蓄电池组电压低于低压阈值时通过充电回路继续放电，导致蓄电池组发生过放电的情况，造成蓄电池组寿命衰减。

在又一种示例性的实施例中，如图4示出的本申请实施例放电保护模块的一种电路结构示意图，放电保护模块包括滞回比较器、硬件保护使能模块、软件控制模块、驱动电路以及功率开关管；

滞回比较器的同相端为蓄电池组的过放保护电压值，反相端为蓄电池组的电压采样值；

硬件保护使能模块用于控制硬件保护电路，当使能禁止时，通过继电器把滞回比较器的输出端与功率开关管的控制端断开；

驱动电路用于将滞回比较器的输出端输出的信号放大为可驱动功率开关管通断的驱动信号；

功率开关管用于根据驱动信号控制放电回路的通断，放电回路位于蓄电池组与母线之间；

软件控制模块用于根据控制指令对功率开关管的通断进行控制；

当蓄电池组正常工作时，反相端的电压将高于基准电压；

当蓄电池组发生过放电故障时，由软件控制模块控制放电通路的关断，当软件控制模块控制失效且蓄电池组的电压采样值低至过放保护电压阈值时，硬件保护模块翻转滞回比较器的电平并输出低电平，以关断功率开关管，完成对蓄电池组的过放电保护。

当卫星处于长光照季时，由于此时蓄电池组不需要放电，将蓄电池组的充放电工况设置为搁置管理模式。终止充电电压设置为电池80％容量时对应的电压值，放电控制保护回路中的放电开关由软件控制模块断开放电开关，从而保证放电通路是断开的。

卫星在轨运行时，蓄电池组的充电终止电压可通过来自地面的控制指令进行动态调整。当卫星处于全光照区时，蓄电池组不会进行放电，太阳电池阵功率富足时，将会一直以很小的涓流对蓄电池组进行充电，蓄电池组若长期保持满电荷状态会使其寿命以及容量均受到恶劣影响。因此对于全光照期时的蓄电池组进行搁置管理很有必要，此时可以调低蓄电池组的终止充电电压，使其对应约80％的电池容量，减小浮充对蓄电池组带来的危害，达到延长蓄电池组寿命的目的。

参阅图5示出的本申请实施例蓄电池组在轨充电管理的一种流程示意图，如图5所示，首先判断当前卫星是否处于长光照季，切换搁置管理模式，若不为长光照季，那么为正常工作模式，根据蓄电池组正常电压设置充电终止电压，当蓄电池组充至门限电压后，判断并切断功率开关管，从而起到防止蓄电池组过充的作用。整个过程中将采集得到的蓄电池组电压与设定的充电电压下限比较，若蓄电池组电压低于下限电压时，将充电通路功率开关管打开。

在又一种示例性的实施例中，本申请实施例提供的卫星的det电源系统，还可包括二次配电电路，即二次电能转换模块，用于在负载模块侧进行电压转化。即，电源控制与配电单元在母线与负载模块之间，还包括有二次电能转换模块，二次电能转换模块用于将母线电压的电压等级转化为负载模块的工作电压的电压等级。

在又一种示例性的实施例中，上述的二次电能转换模块可以为dc/dc芯片，dc/dc芯片用于根据接收到的控制指令，从预设的多个电压等级中选择目标电压等级进行电压等级转化，这样可以满足det电源系统的通用设计以及批量生产，即使所带单机载荷额定电压有所调整，只要其供电电压在档位范围内均可通用。

在又一种示例性的实施例中，上述的二次电能转换模块也可以为dc/dc变换电路，dc/dc变换电路用于根据控制参数无级调节电压等级，这样只要载荷供电电压在合理范围内，det电源系统的配电输出均可满足负载模块的使用需求。

当然，在实际应用中，也可同时配置上述两者，并随实际需求择一使用。

示例性的，若母线电压为28v等级或者42v等级，配电输出为+12v、+5v、+5.5v等电压等级，dc/dc芯片可采用集成pmos管的非隔离降压芯片实现，例如tps54560芯片，可参考图6示出的本申请实施例tps54560芯片的一种电路结构示意图，tps54560芯片的输入电压范围为4.5v～60v，最大输出电流5a，转换效率约为90％，其输出电压可以通过调节fb管脚的分压电阻rfbb实现不同电压值的输出。在母线上并联多路配电电路即可实现电源系统的多路配电口输出，且各配电路之间相互隔离，即使其中一路发生故障也不影响其他配电通路的正常工作。商业卫星组网需要几十甚至上百颗小卫星，根据业务种类、在轨功能等因素，有可能星上载荷单机也不完全一致，这种设计思路可保证det电源系统在单机产品更换带来供电电压变动的情况下仍可继续使用，无需重新设计，具有很强的通用性。

可以理解的是，在本申请实施例中，所涉及的多路开关的控制指令、d/a转换器的控制指令、软件模块的控制指令、基准电压的大小、dc/dc变换电路的控制参数等信息，可来自地面的卫星管理中心，卫星内部配备有对应的控制器，用于与地面进行通信，接收相关的信息，或者按照自身所存储的程序以及信息，由电源控制与配电单元的控制器，或者电源控制与配电单元中的pcu模块，实现上述相关涉及的数据处理。

综上所述，本申请实施例提供的卫星的det电源系统，通过基准电压的调节设置，对于蓄电池组的管理策略和实现电路简单有效、可利用相对简易的防过充过放电保护电路实现蓄电池组的在轨管理，可采用调整dc/dc芯片fb管脚的分压电阻阻值实现单路多种电压可调，即使对应配电通路的单机或有效载荷更换导致供电电压随之变化，也可通过选通开关选择不同的分压电阻输出对应所需电压。所提出的这种电源系统不仅能源利用率高，而且具有成本低、设计难度相对较低、研制周期短、通用性强等优势，满足小卫星尤其商业小卫星的使用需求及特点。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。