一種用于立方星的電源系統及能源分級調控方法
【專利摘要】一種用于立方星的電源系統及能源分級調控方法，該方法首先采集電壓、溫度等工作參數，判斷出蓄電池組是否處于正常的工作狀態(tài)。如果蓄電池組處于正常的工作狀態(tài)，將判斷蓄電池電壓所在的閾值范圍，并以此為依據設定和調整衛(wèi)星負載開關機狀態(tài)，從而調整負載功率與太陽電池陣輸出功率的平衡，維持蓄電池組荷電在始終處于預設的范圍。如果判斷出蓄電池組電壓低于正常工作電壓，則發(fā)送指令將蓄電池組斷開以避免蓄電池組被過放電。如果判斷出蓄電池組已發(fā)生失效，則將電池組徹底從系統中切除，進行故障隔離。該方法用軟件完全替代了功率調節(jié)硬件電路，比傳統方法需要更少的硬件資源，設置更靈活，并有利提高立方星能源系統的比能量。
【專利說明】
-種用于立方星的電源系統及能源分級調控方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種能源分級調控方法，可應用于立方星及其他微納型衛(wèi)星的電源系 統。
【背景技術】
[0002] 1999年美國加州州立理工大學和斯坦福大學，對立方體衛(wèi)星提出了定義：即結構 尺寸為lOcmXlOcmX 10cm的正立方體，質量為1kg左右的皮衛(wèi)星，運種皮衛(wèi)星稱作立方體衛(wèi) 星，運就是標準的一個立方體星單元（"nr)。
[0003] -般來說，在微小衛(wèi)星上采用的電源系統，同樣可應用于立方體衛(wèi)星和由其組合 而成的納衛(wèi)星。太陽電池陣-蓄電池組聯合供電系統，電源系統由太陽電池陣、蓄電池組和 電源控制器Ξ部分組成。對立方體衛(wèi)星，太陽電池陣有體裝式太陽電池陣和展開式太陽電 池陣。裡離子蓄電池因其較高的比功率和比能量，已成為小衛(wèi)星電源系統儲能裝置的首選。 裡離子蓄電池由于不耐過充和過放電，一般采用恒流-恒壓充電。電源控制器起到母線功率 調節(jié)、蓄電池組充放電控制作用。
[0004] 電源系統拓撲結構一般分為直接能量傳遞電源(DET)系統最大功率點跟蹤(MPPT) 系統兩種。直接能量傳遞電源系統(DET)是將太陽電池陣通過隔離二極管直接連接在母線 的正端。光照期，太陽電池陣輸出的功率直接饋送給負載，同時通過充電調節(jié)器給蓄電池組 進行恒流-恒壓充電；當太陽電池陣的輸出功率大于負載功率和蓄電池組所需充電功率之 和時，通過分流調節(jié)器分流作用來穩(wěn)定母線。由于體積重量限制，?？诘姆烹娬{節(jié)器很少在 微納星上采用，因此在陰影期，蓄電池組直接放電供給負載工作。
[0005] 最大功率點跟蹤(MPPT)是微小衛(wèi)星電源系統常用的拓撲結構。一般是在太陽電池 陣和負載之間引入一個串聯開關調節(jié)器，隨時跟蹤陽電池陣最大功率點。一般采用微處理 器進行控制，通過一定的算法實現。
[0006] 采用W上不論哪種拓撲結構，都需要額外的硬件來進行太陽電池陣功率調節(jié)、維 持母線電壓恒定，并確保蓄電池組不被過充。對母線功率調節(jié)電路、對蓄電池組的恒流恒壓 充電控制電路，均需占用一定的體積和重量，而如何節(jié)省體積和重量，是立方星設計需要考 慮的一個重要因素。
【發(fā)明內容】
[0007] 本發(fā)明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種用于立方星的能源分 級調控方法，通過負載工作分級管理，實現穩(wěn)定母線電壓和蓄電池組充放電控制。
[000引本發(fā)明的技術方案是:一種用于立方星的電源系統，包括太陽電池陣、蓄電池組和 m組負載;太陽電池陣包括P個分陣，P、m為正整數;每個分陣通過一個隔離二極管與母線連 接，蓄電池組采用裡離子電池組;蓄電池組與母線正之間串有由開關K1、開關K2和二級管D1 組成的電路，電路連接方式為K2與二極管D1串聯后，再與開關K1并聯;二極管D1陰極與蓄電 池組直接連接;m組負載通過每組各自的開關與母線相連接，模擬負載與衛(wèi)星真實負載并 聯;所述的每個太陽電池分陣由多只單體太陽電池串聯而成，串聯數根據蓄電池組電壓確 定，確保串聯后太陽電池陣總的輸出電壓應高于蓄電池組總電壓；當m組負載開關全部閉 合、即m組負載全部投入工作時，負載消耗的電流之和大于P個太陽電池陣的輸出電流總和。
[0009] -種能源分級調控方法，
[0010] 1)將m組負載按重要程度分為m級；負載i對應衛(wèi)星第i級負載，負載i開啟工作時衛(wèi) 星可實現最基本功能;開機順序為：1級負載^2負載，……，111級負載;i = l，2……m;
[0011] 2) i級負載開機工作通過如下條件設置：
[0012] 采集并判斷蓄電池組電壓，當蓄電池組電壓大于i級負載開機口限電壓Vi時，i級 負載開機；
[0013] 3)采集并判斷蓄電池組電壓，當蓄電池組電壓小于i級負載關機口限電壓VDff(i) 時，i級負載關機；
[0014] 4)采集蓄電池組電壓，當蓄電池組電壓《蓄電池組過放電口限電壓且連續(xù)持續(xù)10 秒，發(fā)送"K1斷開"指令;將"K1斷開，蓄電池組與母線斷開;在K1狀態(tài)為"斷開"的情況下，當 蓄電池組自動接入口限值《蓄電池組電壓《蓄電池組電壓工作上限，同時蓄電池組溫度> 正常工作溫度下限值、且連續(xù)持續(xù)10秒時，發(fā)送"K1接通"指令，將"K1接通，蓄電池組重新與 母線連接；
[0015] 5)采集蓄電池組電壓，在開關K2接通的情況下，當蓄電池組電壓小于電池放電失 效口限電壓(此處設為2.7V*蓄電池串聯節(jié)數)且持續(xù)10秒，此時發(fā)送"K2斷開"指令，同時設 置僅保留最重要的1級負載開機工作，將其余各級負載均斷電，并進入"電池異常模式"；在 "電池異常模式"下，僅保留最重要的1級負載長期開機工作，2級負載按如下流程進行調控， 其余各級負載不工作：
[0016] 采集母線電壓，當母線電壓>4.00V*蓄電池串聯節(jié)數且連續(xù)持續(xù)30秒，2級負載開 機;當母線電壓《3.9V*蓄電池串聯節(jié)數且連續(xù)持續(xù)30秒，2級負載關機。
[0017]所述的負載開機口限電壓Vend)設置方法如下：設衛(wèi)星在軌運行時，電池組充電狀 態(tài)上限為Smax，電池組充電狀態(tài)下限Smin;其中電池組充電狀態(tài)=電池組剩余安時容量/額定 安時容量;i級負載開機口限電壓VnnW對應電池組充電狀態(tài)為:Smin+i*(Smax-Smin)/(rn-l)時， 蓄電池組的充電電壓;每級開機操作執(zhí)行間隔一定的時間延時。
[0018] 所述的i級負載關機口限電壓VoffW設置方法如下：設衛(wèi)星在軌運行時，電池組充 電狀態(tài)上限為Smax，電池組充電狀態(tài)下限Smin;其中電池組充電狀態(tài)=電池組剩余安時容量/ 額定安時容量;i級關機口限電壓V〇ff(i擁應電池組充電狀態(tài)為:Smin+(i-l)*(Smax-Smin)/(rn- 1)時，蓄電池組的放電電壓;每級關機操作執(zhí)行間隔一定的時間延時。
[0019] 所述的蓄電池組過放電口限電壓=3.3V*蓄電池串聯節(jié)數。
[0020] 所述的正常工作溫度下限值為o°c。
[0021] 所述的電池放電失效口限電壓=2.7V*蓄電池串聯節(jié)數。
[0022] 每級關機操作執(zhí)行間隔時間延時為10s~30s。
[0023] 本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于：
[0024] 1)系統不額外增加用于功率調節(jié)的硬件，通過負載工作分級管理，實現穩(wěn)定母線 電壓和蓄電池組充放電控制；
[0025] 2)在軌工作時蓄電池組荷電態(tài)始終保持在預設的范圍，有利于控制蓄電池組放電 深度，延長蓄電池組使用壽命；
[0026] 3)當蓄電池組發(fā)生故障或失效后，采用本發(fā)明提供的方法，僅通過太陽電池陣仍 可在光照區(qū)維持衛(wèi)星基本功能工作。
【附圖說明】
[0027] 圖1電源系統原理框圖；
[00%]圖2能源動態(tài)管理流程圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖進一步說明本發(fā)明的實施方式：
[0030] 為最大限度地節(jié)約立方星電源系統的體積和重量，本發(fā)明提出了一種方案。電源 系統為太陽電池陣-蓄電池組聯合供電系統，W蓄電池端口電壓為整星母線電壓。運里不采 用W往的電源控制器通過分流調節(jié)或DC-DC變換器調節(jié)來穩(wěn)定母線電壓，利用裡離子電壓 波動小和太陽電池陣輸出特性，通過衛(wèi)星負載和太陽電池陣輸出功率的匹配，確定蓄電池 組的充放電狀態(tài)，保持蓄電池組的荷電態(tài)在一定范圍之間波動，并通過穩(wěn)定蓄電池組電壓 達到穩(wěn)定母線電壓的目的。運樣可W將硬件設計大大簡化設計，充分節(jié)省了體積和重量。
[0031] 太陽電池陣輸出能量經二極管隔離后直接供給裡離子蓄電池組，蓄電池組直接接 入母線，一次母線電壓為半調節(jié)方式，電壓范圍在(3.3V~4.1V)*N之間(N為蓄電池串聯節(jié) 數）。在光照期，太陽電池陣輸出能量首先直接供給負載。當太陽電池陣輸出能量大于負載 所需能量時，剩余的能量給蓄電池組充電。將衛(wèi)星負載按重要程度進行分類，并依據分類將 負載分成若干級。若全部衛(wèi)星負載開啟仍不能消耗太陽電池陣全部輸出功率時，需設置一 些模擬負載，避免多余的能量將裡離子電池組過充電。通過軟件判斷蓄電池組電壓，當蓄電 池組電壓高于某一預先設定的接通口限時，接通對應某一級負載；當蓄電池組電壓低于某 一預先設定斷開口限時，斷開對應的某一級負載，從而實現對裡離子的充電進的限壓控制。 可將模擬負載的設置與衛(wèi)星熱設計結合起來，模擬負載的熱耗可用于為衛(wèi)星艙板或蓄電池 組加熱。當判斷出蓄電池已經發(fā)生失效時，完全斷開蓄電池組與母線的連接，僅通過太陽電 池陣仍可在光照區(qū)維持衛(wèi)星基本功能工作。
[0032] 如圖1所示，每個太陽電池陣輸出能量經二極管隔離后，直接供給裡離子蓄電池 組。蓄電池組直接接入母線，電壓范圍在(3.3V~4.IV) *N之間(N為蓄電池串聯節(jié)數）。在光 照期，太陽電池陣輸出能量首先直接供給負載。當太陽電池陣輸出能量大于負載所需能量 時，剩余的能量給蓄電池組充電。為防止裡離子電池組過充，設若干路模擬負載并聯在一次 母線輸出端，運些模擬負載的熱耗可用于為衛(wèi)星艙板或蓄電池組加熱。蓄電池組通過2個開 關與母線連接，一個開關是充放電開關K1，此開關閉合后，蓄電池組可直接向母線放電，太 陽電池陣輸出到母線的富裕的功率也可W直接為蓄電池組充電；另一個是充電開關K2,由 于開關串聯了二極管，當開關閉合時，母線可W通過隔離二極管為蓄電池組充電，但蓄電池 組不能通過此開關向母線放電。
[0033] 由能源管理軟件負責電源系統的管理，根據當前電源系統提供的電源功率的大 小，通過軟件自主控制載荷的工作模式、模擬負載開關機的切換，W此來實現電源輸入輸出 功率平衡。軟件判斷蓄電池組電壓，當蓄電池組電壓高于某一預先設定的接通口限時，接通 對應某一級負載;當蓄電池組電壓低于某一預先設定斷開口限時，斷開對應的某一級負載。 從而實現對裡離子的充放電電壓控制在一定范圍內，實現了充放電控制，同時達到穩(wěn)定母 線電壓的目的。
[0034] 本發(fā)明采用的能源分級調控方法如下：
[0035] 1)將m組負載按重要程度分為m級。負載1對應衛(wèi)星第1級負載，負載1開啟工作時衛(wèi) 星可實現最基本功能;工作負載2對應第2級負載，……，負載m對應第m級負載。開機順序為： 1級負載一 2負載，......，111級負載。
[0036] 2)i級負載開機工作通過如下條件設置α為正整數）：
[0037] 采集并判斷蓄電池組電壓，當蓄電池組電壓大于i級負載開機口限電壓Vi時，i級 負載開機。
[0038] 負載開機口限電壓ν〇ηω設置方法如下：
[0039] 設衛(wèi)星在軌運行時，電池組充電狀態(tài)上限為Smax，電池組充電狀態(tài)下限Smin;其中電 池組充電狀態(tài)=電池組剩余安時容量/額定安時容量。
[0040] i級負載開機口限電壓ν〇η(ι)對應電池組充電狀態(tài)為 [0041 ] Si 二 Smin+i* ( Smax-Smin)/ (m-1 )時，蓄電池組的充電電壓。
[0042] 3)采集并判斷蓄電池組電壓，當蓄電池組電壓小于i級負載關機口限電壓VDff(i) 時，i級負載關機。
[0043] i級負載關機口限電壓VDff(i)設置方法如下：
[0044] i級關機口限電壓VDff(i)對應電池組充電狀態(tài)為
[0045] Si 二 Smin+( i-1 )* ( Smax-Smin) / (m-1 )時，蓄電池組的放電電壓。
[0046] 4)當蓄電池組電壓《蓄電池組過放電口限電壓(此處設為3.3V*蓄電池串聯節(jié)數） 且連續(xù)持續(xù)10秒，發(fā)送"K1斷開"指令;將"K1斷開，蓄電池組與母線斷開；
[0047] 5)在K1狀態(tài)為"斷開"的情況下，蓄電池組自動接入口限值《蓄電池組電壓《蓄電 池組電壓工作上限，同時蓄電池組溫度 > 正常工作溫度下限值(此處設為0°C )、且連續(xù)持續(xù) 10秒時，發(fā)送"充放電開關K1接通"指令，將"vKl接通，蓄電池組重新與母線連接；
[0048] 6)在充電開關K2接通的情況下，當蓄電池組電壓小于電池放電失效口限電壓(此 處設為2.7V*蓄電池串聯節(jié)數)且持續(xù)10秒，此時發(fā)送"K2斷開"指令，同時設置僅保留最重 要的1級負載開機工作，將其余各級負載均斷電，并進入"電池異常模式"。
[0049] 7)"電池異常模式"下，僅保留最重要的1級負載長期開機工作，2級負載按如下流 程進行調控，其余各級負載不工作：
[0化0]當蓄電池組電壓>4.00V*蓄電池串聯節(jié)數且連續(xù)持續(xù)30秒，2級負載開機；當蓄電 池組電壓《3.9V*蓄電池串聯節(jié)數且連續(xù)持續(xù)30秒，2級負載關機。
[0051] 運里W4級負載設置為例，其中1~3級為衛(wèi)星工作負載;4級為模擬負載，用W消耗 太陽電池陣富余的輸出功率。為避免當蓄電池組電壓處在兩個相鄰區(qū)域之間時，開關發(fā)生 來回切換的現象，運里將各判斷執(zhí)行區(qū)域進行了滯回特性設置，即每個開關的接通和斷開 判據之間都存在一定"死區(qū)"，因此不會存在當蓄電池組電壓落在兩個相鄰區(qū)域之間時開關 來回切換的現象。
[0052] 設置分級工作的目的，是使當衛(wèi)星工作在基礎負載（即僅有長期工作的用電設備 開機工作），根據經驗，蓄電池組W0.1C電流倍率放電時，單體電池電壓大約在3.70V左右 時，電池容量約為額定容量的60% ;單體電池電壓大約在4. OOV左右時，電池容量約為額定 容量的90%。因此，不開啟模擬負載時，衛(wèi)星在各個工作模式正常工作時，蓄電池組充電狀 態(tài)保持在60 %~90%之間運行，此時對蓄電池組的安全和壽命有利，因此運里取Smax = 90 %，Smin = 60 %。。當單體電池電壓達到4. OOV時，需要限制蓄電池組的充電電流，避免過 充，將通過開啟模擬負載工作來維持正常工作。表1給出各級負載開關機對應電池組狀態(tài)， 表2給出了能源分級管理操作步驟。
[0053] 表1各級負載開關機對應電池組狀態(tài)(N為蓄電池串聯節(jié)數）
[0化4]
[0057]由于裡離子蓄電池組被嚴重過放電時，會發(fā)生永久失效，當軟件判斷出蓄電池組 電壓過低時，切斷充放電開關K1，避免蓄電池組因進一步放電而導致失效。當軟件判斷出蓄 電池組已永久失效時，進一步切斷充電開關K2,斷開蓄電池組與母線的連接，此時仍可通過 開關機負載、匹配太陽電池陣工作點來穩(wěn)定母線電壓在一定范圍內。見表3。
[0化引表3電池異常管理表
[0化9]
[0060] 完整的能源動態(tài)管理流程見圖2。
[0061] 本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種用于立方星的電源系統，其特征在于:包括太陽電池陣、蓄電池組和m組負載;太 陽電池陣包括P個分陣，P、m為正整數;每個分陣通過一個隔離二極管與母線連接，蓄電池組 采用鋰離子電池組;蓄電池組與母線正之間串有由開關K1、開關K2和二級管D1組成的電路， 電路連接方式為K2與二極管D1串聯后，再與開關K1并聯;二極管D1陰極與蓄電池組直接連 接;m組負載通過每組各自的開關與母線相連接，模擬負載與衛(wèi)星真實負載并聯;所述的每 個太陽電池分陣由多只單體太陽電池串聯而成，串聯數根據蓄電池組電壓確定，確保串聯 后太陽電池陣總的輸出電壓應高于蓄電池組總電壓；當m組負載開關全部閉合、即m組負載 全部投入工作時，負載消耗的電流之和大于P個太陽電池陣的輸出電流總和。2. -種利用權利要求1所述系統的能源分級調控方法，其特征在于:步驟如下： 1) 將m組負載按重要程度分為m級；負載i對應衛(wèi)星第i級負載，負載i開啟工作時衛(wèi)星可 實現最基本功能;開機順序為:1級負載-2負載，……，!11級負載;i = l，2……m; 2. i級負載開機工作通過如下條件設置： 采集并判斷蓄電池組電壓，當蓄電池組電壓大于i級負載開機門限電壓I時，i級負載開 機； 3) 采集并判斷蓄電池組電壓，當蓄電池組電壓小于i級負載關機門限電壓Vrff⑴時，i級 負載關機； 4) 采集蓄電池組電壓，當蓄電池組電壓 < 蓄電池組過放電門限電壓且連續(xù)持續(xù)10秒， 發(fā)送"K1斷開"指令;將"K1斷開，蓄電池組與母線斷開;在K1狀態(tài)為"斷開"的情況下，當蓄電 池組自動接入門限值< 蓄電池組電壓< 蓄電池組電壓工作上限，同時蓄電池組溫度彡正常 工作溫度下限值、且連續(xù)持續(xù)10秒時，發(fā)送"K1接通"指令，將"K1接通，蓄電池組重新與母線 連接； 5) 采集蓄電池組電壓，在開關K2接通的情況下，當蓄電池組電壓小于電池放電失效門 限電壓(此處設為2.7V*蓄電池串聯節(jié)數)且持續(xù)10秒，此時發(fā)送"K2斷開"指令，同時設置僅 保留最重要的1級負載開機工作，將其余各級負載均斷電，并進入"電池異常模式"；在"電池 異常模式"下，僅保留最重要的1級負載長期開機工作，2級負載按如下流程進行調控，其余 各級負載不工作： 采集母線電壓，當母線電壓多4.00V*蓄電池串聯節(jié)數且連續(xù)持續(xù)30秒，2級負載開機； 當母線電壓<3.9V*蓄電池串聯節(jié)數且連續(xù)持續(xù)30秒，2級負載關機。3. 根據權利要求1所述的一種能源分級調控方法，其特征在于:所述的負載開機門限電 壓V〇n⑴設置方法如下：設衛(wèi)星在軌運行時，電池組充電狀態(tài)上限為S max，電池組充電狀態(tài)下 限3"1";其中電池組充電狀態(tài)=電池組剩余安時容量/額定安時容量;i級負載開機門限電壓 Von⑴對應電池組充電狀態(tài)為:smin+i*(smax-smin)/(m-l)時，蓄電池組的充電電壓;每級開機 操作執(zhí)行間隔一定的時間延時。4. 根據權利要求1所述的一種能源分級調控方法，其特征在于:所述的i級負載關機門 限電壓VQff⑴設置方法如下：設衛(wèi)星在軌運行時，電池組充電狀態(tài)上限為S max，電池組充電狀 態(tài)下限Smin;其中電池組充電狀態(tài)=電池組剩余安時容量/額定安時容量;i級關機門限電壓 Voff⑴對應電池組充電狀態(tài)為:Smin+( i-ι )*(Smax-Smin)/(m-l)時，蓄電池組的放電電壓;每級 關機操作執(zhí)行間隔一定的時間延時。5. 根據權利要求1所述的一種能源分級調控方法，其特征在于:所述的蓄電池組過放電 門限電壓=3.3V*蓄電池串聯節(jié)數。6. 根據權利要求1所述的一種能源分級調控方法，其特征在于:所述的正常工作溫度下 限值為〇°c。7. 根據權利要求1所述的一種能源分級調控方法，其特征在于:所述的電池放電失效門 限電壓=2.7V*蓄電池串聯節(jié)數。8. 根據權利要求3或4所述的一種能源分級調控方法，其特征在于:每級關機操作執(zhí)行 間隔時間延時為1 Os~30s。
【文檔編號】H02J7/35GK106059040SQ201610465382
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】鞏巍, 鄢婉娟, 劉元默, 李龍飛, 王淦
【申請人】航天東方紅衛(wèi)星有限公司