一种用于立方星的电源系统及能源分级调控方法
【专利摘要】一种用于立方星的电源系统及能源分级调控方法，该方法首先采集电压、温度等工作参数，判断出蓄电池组是否处于正常的工作状态。如果蓄电池组处于正常的工作状态，将判断蓄电池电压所在的阈值范围，并以此为依据设定和调整卫星负载开关机状态，从而调整负载功率与太阳电池阵输出功率的平衡，维持蓄电池组荷电在始终处于预设的范围。如果判断出蓄电池组电压低于正常工作电压，则发送指令将蓄电池组断开以避免蓄电池组被过放电。如果判断出蓄电池组已发生失效，则将电池组彻底从系统中切除，进行故障隔离。该方法用软件完全替代了功率调节硬件电路，比传统方法需要更少的硬件资源，设置更灵活，并有利提高立方星能源系统的比能量。
【专利说明】
-种用于立方星的电源系统及能源分级调控方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种能源分级调控方法，可应用于立方星及其他微纳型卫星的电源系 统。
【背景技术】
[0002] 1999年美国加州州立理工大学和斯坦福大学，对立方体卫星提出了定义：即结构 尺寸为lOcmXlOcmX 10cm的正立方体，质量为1kg左右的皮卫星，运种皮卫星称作立方体卫 星，运就是标准的一个立方体星单元（"nr)。
[0003] -般来说，在微小卫星上采用的电源系统，同样可应用于立方体卫星和由其组合 而成的纳卫星。太阳电池阵-蓄电池组联合供电系统，电源系统由太阳电池阵、蓄电池组和 电源控制器Ξ部分组成。对立方体卫星，太阳电池阵有体装式太阳电池阵和展开式太阳电 池阵。裡离子蓄电池因其较高的比功率和比能量，已成为小卫星电源系统储能装置的首选。 裡离子蓄电池由于不耐过充和过放电，一般采用恒流-恒压充电。电源控制器起到母线功率 调节、蓄电池组充放电控制作用。
[0004] 电源系统拓扑结构一般分为直接能量传递电源(DET)系统最大功率点跟踪(MPPT) 系统两种。直接能量传递电源系统(DET)是将太阳电池阵通过隔离二极管直接连接在母线 的正端。光照期，太阳电池阵输出的功率直接馈送给负载，同时通过充电调节器给蓄电池组 进行恒流-恒压充电；当太阳电池阵的输出功率大于负载功率和蓄电池组所需充电功率之 和时，通过分流调节器分流作用来稳定母线。由于体积重量限制，专口的放电调节器很少在 微纳星上采用，因此在阴影期，蓄电池组直接放电供给负载工作。
[0005] 最大功率点跟踪(MPPT)是微小卫星电源系统常用的拓扑结构。一般是在太阳电池 阵和负载之间引入一个串联开关调节器，随时跟踪阳电池阵最大功率点。一般采用微处理 器进行控制，通过一定的算法实现。
[0006] 采用W上不论哪种拓扑结构，都需要额外的硬件来进行太阳电池阵功率调节、维 持母线电压恒定，并确保蓄电池组不被过充。对母线功率调节电路、对蓄电池组的恒流恒压 充电控制电路，均需占用一定的体积和重量，而如何节省体积和重量，是立方星设计需要考 虑的一个重要因素。
【发明内容】
[0007] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于立方星的能源分 级调控方法，通过负载工作分级管理，实现稳定母线电压和蓄电池组充放电控制。
[000引本发明的技术方案是:一种用于立方星的电源系统，包括太阳电池阵、蓄电池组和 m组负载;太阳电池阵包括P个分阵，P、m为正整数;每个分阵通过一个隔离二极管与母线连 接，蓄电池组采用裡离子电池组;蓄电池组与母线正之间串有由开关K1、开关K2和二级管D1 组成的电路，电路连接方式为K2与二极管D1串联后，再与开关K1并联;二极管D1阴极与蓄电 池组直接连接;m组负载通过每组各自的开关与母线相连接，模拟负载与卫星真实负载并 联;所述的每个太阳电池分阵由多只单体太阳电池串联而成，串联数根据蓄电池组电压确 定，确保串联后太阳电池阵总的输出电压应高于蓄电池组总电压；当m组负载开关全部闭 合、即m组负载全部投入工作时，负载消耗的电流之和大于P个太阳电池阵的输出电流总和。
[0009] -种能源分级调控方法，
[0010] 1)将m组负载按重要程度分为m级；负载i对应卫星第i级负载，负载i开启工作时卫 星可实现最基本功能;开机顺序为：1级负载^2负载，……，111级负载;i = l，2……m;
[0011] 2) i级负载开机工作通过如下条件设置：
[0012] 采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压大于i级负载开机口限电压Vi时，i级 负载开机；
[0013] 3)采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压小于i级负载关机口限电压VDff(i) 时，i级负载关机；
[0014] 4)采集蓄电池组电压，当蓄电池组电压《蓄电池组过放电口限电压且连续持续10 秒，发送"K1断开"指令;将"K1断开，蓄电池组与母线断开;在K1状态为"断开"的情况下，当 蓄电池组自动接入口限值《蓄电池组电压《蓄电池组电压工作上限，同时蓄电池组溫度> 正常工作溫度下限值、且连续持续10秒时，发送"K1接通"指令，将"K1接通，蓄电池组重新与 母线连接；
[0015] 5)采集蓄电池组电压，在开关K2接通的情况下，当蓄电池组电压小于电池放电失 效口限电压(此处设为2.7V*蓄电池串联节数)且持续10秒，此时发送"K2断开"指令，同时设 置仅保留最重要的1级负载开机工作，将其余各级负载均断电，并进入"电池异常模式"；在 "电池异常模式"下，仅保留最重要的1级负载长期开机工作，2级负载按如下流程进行调控， 其余各级负载不工作：
[0016] 采集母线电压，当母线电压>4.00V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载开 机;当母线电压《3.9V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载关机。
[0017]所述的负载开机口限电压Vend)设置方法如下：设卫星在轨运行时，电池组充电状 态上限为Smax，电池组充电状态下限Smin;其中电池组充电状态=电池组剩余安时容量/额定 安时容量;i级负载开机口限电压VnnW对应电池组充电状态为:Smin+i*(Smax-Smin)/(rn-l)时， 蓄电池组的充电电压;每级开机操作执行间隔一定的时间延时。
[0018] 所述的i级负载关机口限电压VoffW设置方法如下：设卫星在轨运行时，电池组充 电状态上限为Smax，电池组充电状态下限Smin;其中电池组充电状态=电池组剩余安时容量/ 额定安时容量;i级关机口限电压V〇ff(i拥应电池组充电状态为:Smin+(i-l)*(Smax-Smin)/(rn- 1)时，蓄电池组的放电电压;每级关机操作执行间隔一定的时间延时。
[0019] 所述的蓄电池组过放电口限电压=3.3V*蓄电池串联节数。
[0020] 所述的正常工作溫度下限值为o°c。
[0021] 所述的电池放电失效口限电压=2.7V*蓄电池串联节数。
[0022] 每级关机操作执行间隔时间延时为10s~30s。
[0023] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0024] 1)系统不额外增加用于功率调节的硬件，通过负载工作分级管理，实现稳定母线 电压和蓄电池组充放电控制；
[0025] 2)在轨工作时蓄电池组荷电态始终保持在预设的范围，有利于控制蓄电池组放电 深度，延长蓄电池组使用寿命；
[0026] 3)当蓄电池组发生故障或失效后，采用本发明提供的方法，仅通过太阳电池阵仍 可在光照区维持卫星基本功能工作。
【附图说明】
[0027] 图1电源系统原理框图；
[00%]图2能源动态管理流程图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图进一步说明本发明的实施方式：
[0030] 为最大限度地节约立方星电源系统的体积和重量，本发明提出了一种方案。电源 系统为太阳电池阵-蓄电池组联合供电系统，W蓄电池端口电压为整星母线电压。运里不采 用W往的电源控制器通过分流调节或DC-DC变换器调节来稳定母线电压，利用裡离子电压 波动小和太阳电池阵输出特性，通过卫星负载和太阳电池阵输出功率的匹配，确定蓄电池 组的充放电状态，保持蓄电池组的荷电态在一定范围之间波动，并通过稳定蓄电池组电压 达到稳定母线电压的目的。运样可W将硬件设计大大简化设计，充分节省了体积和重量。
[0031] 太阳电池阵输出能量经二极管隔离后直接供给裡离子蓄电池组，蓄电池组直接接 入母线，一次母线电压为半调节方式，电压范围在(3.3V~4.1V)*N之间(N为蓄电池串联节 数）。在光照期，太阳电池阵输出能量首先直接供给负载。当太阳电池阵输出能量大于负载 所需能量时，剩余的能量给蓄电池组充电。将卫星负载按重要程度进行分类，并依据分类将 负载分成若干级。若全部卫星负载开启仍不能消耗太阳电池阵全部输出功率时，需设置一 些模拟负载，避免多余的能量将裡离子电池组过充电。通过软件判断蓄电池组电压，当蓄电 池组电压高于某一预先设定的接通口限时，接通对应某一级负载；当蓄电池组电压低于某 一预先设定断开口限时，断开对应的某一级负载，从而实现对裡离子的充电进的限压控制。 可将模拟负载的设置与卫星热设计结合起来，模拟负载的热耗可用于为卫星舱板或蓄电池 组加热。当判断出蓄电池已经发生失效时，完全断开蓄电池组与母线的连接，仅通过太阳电 池阵仍可在光照区维持卫星基本功能工作。
[0032] 如图1所示，每个太阳电池阵输出能量经二极管隔离后，直接供给裡离子蓄电池 组。蓄电池组直接接入母线，电压范围在(3.3V~4.IV) *N之间(N为蓄电池串联节数）。在光 照期，太阳电池阵输出能量首先直接供给负载。当太阳电池阵输出能量大于负载所需能量 时，剩余的能量给蓄电池组充电。为防止裡离子电池组过充，设若干路模拟负载并联在一次 母线输出端，运些模拟负载的热耗可用于为卫星舱板或蓄电池组加热。蓄电池组通过2个开 关与母线连接，一个开关是充放电开关K1，此开关闭合后，蓄电池组可直接向母线放电，太 阳电池阵输出到母线的富裕的功率也可W直接为蓄电池组充电；另一个是充电开关K2,由 于开关串联了二极管，当开关闭合时，母线可W通过隔离二极管为蓄电池组充电，但蓄电池 组不能通过此开关向母线放电。
[0033] 由能源管理软件负责电源系统的管理，根据当前电源系统提供的电源功率的大 小，通过软件自主控制载荷的工作模式、模拟负载开关机的切换，W此来实现电源输入输出 功率平衡。软件判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压高于某一预先设定的接通口限时，接通 对应某一级负载;当蓄电池组电压低于某一预先设定断开口限时，断开对应的某一级负载。 从而实现对裡离子的充放电电压控制在一定范围内，实现了充放电控制，同时达到稳定母 线电压的目的。
[0034] 本发明采用的能源分级调控方法如下：
[0035] 1)将m组负载按重要程度分为m级。负载1对应卫星第1级负载，负载1开启工作时卫 星可实现最基本功能;工作负载2对应第2级负载，……，负载m对应第m级负载。开机顺序为： 1级负载一 2负载，......，111级负载。
[0036] 2)i级负载开机工作通过如下条件设置α为正整数）：
[0037] 采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压大于i级负载开机口限电压Vi时，i级 负载开机。
[0038] 负载开机口限电压ν〇ηω设置方法如下：
[0039] 设卫星在轨运行时，电池组充电状态上限为Smax，电池组充电状态下限Smin;其中电 池组充电状态=电池组剩余安时容量/额定安时容量。
[0040] i级负载开机口限电压ν〇η(ι)对应电池组充电状态为 [0041 ] Si 二 Smin+i* ( Smax-Smin)/ (m-1 )时，蓄电池组的充电电压。
[0042] 3)采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压小于i级负载关机口限电压VDff(i) 时，i级负载关机。
[0043] i级负载关机口限电压VDff(i)设置方法如下：
[0044] i级关机口限电压VDff(i)对应电池组充电状态为
[0045] Si 二 Smin+( i-1 )* ( Smax-Smin) / (m-1 )时，蓄电池组的放电电压。
[0046] 4)当蓄电池组电压《蓄电池组过放电口限电压(此处设为3.3V*蓄电池串联节数） 且连续持续10秒，发送"K1断开"指令;将"K1断开，蓄电池组与母线断开；
[0047] 5)在K1状态为"断开"的情况下，蓄电池组自动接入口限值《蓄电池组电压《蓄电 池组电压工作上限，同时蓄电池组溫度 > 正常工作溫度下限值(此处设为0°C )、且连续持续 10秒时，发送"充放电开关K1接通"指令，将"vKl接通，蓄电池组重新与母线连接；
[0048] 6)在充电开关K2接通的情况下，当蓄电池组电压小于电池放电失效口限电压(此 处设为2.7V*蓄电池串联节数)且持续10秒，此时发送"K2断开"指令，同时设置仅保留最重 要的1级负载开机工作，将其余各级负载均断电，并进入"电池异常模式"。
[0049] 7)"电池异常模式"下，仅保留最重要的1级负载长期开机工作，2级负载按如下流 程进行调控，其余各级负载不工作：
[0化0]当蓄电池组电压>4.00V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载开机；当蓄电 池组电压《3.9V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载关机。
[0051] 运里W4级负载设置为例，其中1~3级为卫星工作负载;4级为模拟负载，用W消耗 太阳电池阵富余的输出功率。为避免当蓄电池组电压处在两个相邻区域之间时，开关发生 来回切换的现象，运里将各判断执行区域进行了滞回特性设置，即每个开关的接通和断开 判据之间都存在一定"死区"，因此不会存在当蓄电池组电压落在两个相邻区域之间时开关 来回切换的现象。
[0052] 设置分级工作的目的，是使当卫星工作在基础负载（即仅有长期工作的用电设备 开机工作），根据经验，蓄电池组W0.1C电流倍率放电时，单体电池电压大约在3.70V左右 时，电池容量约为额定容量的60% ;单体电池电压大约在4. OOV左右时，电池容量约为额定 容量的90%。因此，不开启模拟负载时，卫星在各个工作模式正常工作时，蓄电池组充电状 态保持在60 %~90%之间运行，此时对蓄电池组的安全和寿命有利，因此运里取Smax = 90 %，Smin = 60 %。。当单体电池电压达到4. OOV时，需要限制蓄电池组的充电电流，避免过 充，将通过开启模拟负载工作来维持正常工作。表1给出各级负载开关机对应电池组状态， 表2给出了能源分级管理操作步骤。
[0053] 表1各级负载开关机对应电池组状态(N为蓄电池串联节数）
[0化4]
[0057]由于裡离子蓄电池组被严重过放电时，会发生永久失效，当软件判断出蓄电池组 电压过低时，切断充放电开关K1，避免蓄电池组因进一步放电而导致失效。当软件判断出蓄 电池组已永久失效时，进一步切断充电开关K2,断开蓄电池组与母线的连接，此时仍可通过 开关机负载、匹配太阳电池阵工作点来稳定母线电压在一定范围内。见表3。
[0化引表3电池异常管理表
[0化9]
[0060] 完整的能源动态管理流程见图2。
[0061] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种用于立方星的电源系统，其特征在于:包括太阳电池阵、蓄电池组和m组负载;太 阳电池阵包括P个分阵，P、m为正整数;每个分阵通过一个隔离二极管与母线连接，蓄电池组 采用锂离子电池组;蓄电池组与母线正之间串有由开关K1、开关K2和二级管D1组成的电路， 电路连接方式为K2与二极管D1串联后，再与开关K1并联;二极管D1阴极与蓄电池组直接连 接;m组负载通过每组各自的开关与母线相连接，模拟负载与卫星真实负载并联;所述的每 个太阳电池分阵由多只单体太阳电池串联而成，串联数根据蓄电池组电压确定，确保串联 后太阳电池阵总的输出电压应高于蓄电池组总电压；当m组负载开关全部闭合、即m组负载 全部投入工作时，负载消耗的电流之和大于P个太阳电池阵的输出电流总和。2. -种利用权利要求1所述系统的能源分级调控方法，其特征在于:步骤如下： 1) 将m组负载按重要程度分为m级；负载i对应卫星第i级负载，负载i开启工作时卫星可 实现最基本功能;开机顺序为:1级负载-2负载，……，!11级负载;i = l，2……m; 2. i级负载开机工作通过如下条件设置： 采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压大于i级负载开机门限电压I时，i级负载开 机； 3) 采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压小于i级负载关机门限电压Vrff⑴时，i级 负载关机； 4) 采集蓄电池组电压，当蓄电池组电压 < 蓄电池组过放电门限电压且连续持续10秒， 发送"K1断开"指令;将"K1断开，蓄电池组与母线断开;在K1状态为"断开"的情况下，当蓄电 池组自动接入门限值< 蓄电池组电压< 蓄电池组电压工作上限，同时蓄电池组温度彡正常 工作温度下限值、且连续持续10秒时，发送"K1接通"指令，将"K1接通，蓄电池组重新与母线 连接； 5) 采集蓄电池组电压，在开关K2接通的情况下，当蓄电池组电压小于电池放电失效门 限电压(此处设为2.7V*蓄电池串联节数)且持续10秒，此时发送"K2断开"指令，同时设置仅 保留最重要的1级负载开机工作，将其余各级负载均断电，并进入"电池异常模式"；在"电池 异常模式"下，仅保留最重要的1级负载长期开机工作，2级负载按如下流程进行调控，其余 各级负载不工作： 采集母线电压，当母线电压多4.00V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载开机； 当母线电压<3.9V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载关机。3. 根据权利要求1所述的一种能源分级调控方法，其特征在于:所述的负载开机门限电 压V〇n⑴设置方法如下：设卫星在轨运行时，电池组充电状态上限为S max，电池组充电状态下 限3"1";其中电池组充电状态=电池组剩余安时容量/额定安时容量;i级负载开机门限电压 Von⑴对应电池组充电状态为:smin+i*(smax-smin)/(m-l)时，蓄电池组的充电电压;每级开机 操作执行间隔一定的时间延时。4. 根据权利要求1所述的一种能源分级调控方法，其特征在于:所述的i级负载关机门 限电压VQff⑴设置方法如下：设卫星在轨运行时，电池组充电状态上限为S max，电池组充电状 态下限Smin;其中电池组充电状态=电池组剩余安时容量/额定安时容量;i级关机门限电压 Voff⑴对应电池组充电状态为:Smin+( i-ι )*(Smax-Smin)/(m-l)时，蓄电池组的放电电压;每级 关机操作执行间隔一定的时间延时。5. 根据权利要求1所述的一种能源分级调控方法，其特征在于:所述的蓄电池组过放电 门限电压=3.3V*蓄电池串联节数。6. 根据权利要求1所述的一种能源分级调控方法，其特征在于:所述的正常工作温度下 限值为〇°c。7. 根据权利要求1所述的一种能源分级调控方法，其特征在于:所述的电池放电失效门 限电压=2.7V*蓄电池串联节数。8. 根据权利要求3或4所述的一种能源分级调控方法，其特征在于:每级关机操作执行 间隔时间延时为1 Os~30s。
【文档编号】H02J7/35GK106059040SQ201610465382
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】巩巍, 鄢婉娟, 刘元默, 李龙飞, 王淦
【申请人】航天东方红卫星有限公司