CN104300663A - 一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源 - Google Patents

一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源 Download PDF

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Abstract

一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源，涉及卫星电源领域。解决了现有皮纳卫星电源***大多依靠软件进行控制，出现软件缺陷导致***失灵的情况。太阳能电池组的电源信号输出端连接最大功率点跟踪控制器的电源信号输入端，最大功率点跟踪控制器的控制信号输出端连接充电控制器的第一控制信号输入端，充电控制器的第二控制信号输入输出端与蓄电池保护器的第一控制信号输出输入端连接后连接至母线，蓄电池保护器的第二控制信号输入输出端连接蓄电池组的电源信号输出输入端，直流电压变换单元的控制信号输入端连接于母线，功率分配单元的控制信号输入端同时与母线和直流电压变换单元的控制信号输出端连接并输出电压。本发明适用于皮纳卫星供电。

Description

一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源
技术领域
本发明涉及卫星电源领域。
背景技术
皮纳卫星是我国航天技术发展的一个方向，相比于其他类型的卫星，皮纳卫星具有设计研制周期短、成本低、便于模块化和批量化生产、便于管理等特点，有利于开展新技术的在轨试验验证。目前，国内外大量科研机构和大学都在开展皮纳卫星的研究，且有大量皮纳卫星已成功在轨飞行。
卫星的电源***是卫星的重要核心***之一，担负着为整星供电的重要任务，是卫星的生命线。对于皮纳卫星而言，电源***必须具有可靠性高、效率高、质量轻、体积小等特点，才能保证安全可靠为整星供电，保证卫星在其设计寿命内正常工作，然而，如今皮纳卫星电源***大多依靠软件进行控制，容易出现由于软件缺陷导致***失灵的情况。
发明内容
本发明为了解决现有皮纳卫星电源***大多依靠软件进行控制，容易出现由于软件缺陷导致***失灵的情况，提出了一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源。
一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源包括太阳能电池组、最大功率点跟踪控制器、充电控制器、蓄电池保护器、蓄电池组、直流电压变换单元和功率分配单元，所述太阳能电池组的电源信号输出端与最大功率点跟踪控制器的电源信号输入端连接，最大功率点跟踪控制器的控制信号输出端与充电控制器的第一控制信号输入端连接，充电控制器的第二控制信号输入输出端与蓄电池保护器的第一控制信号输出输入端连接后连接至母线，蓄电池保护器的第二控制信号输入输出端与蓄电池组的电源信号输出输入端连接，直流电压变换单元的控制信号输入端连接于母线，功率分配单元的控制信号输入端同时与母线和直流电压变换单元的控制信号输出端连接，功率分配单元的控制信号输出端输出电压。
所述直流电压变换单元包括+5V输出的Boost型开关电源控制器和+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器，所述+5V输出的Boost型开关电源控制器的控制信号输入端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器的控制信号输入端均与母线连接，+5V输出的Boost型开关电源控制器的控制信号输出端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器的控制信号输出端分别与功率分配单元的控制信号输入端连接。
所述功率分配单元包括第一限流开关、第二限流开关和第三限流开关，所述第一限流开关串联在母线上并输出母线电压，第二限流开关的控制信号输入端与+5V输出的Boost型开关电源控制器的控制信号输出端连接，第二限流开关的控制信号输出端输出5V电压，第三限流开关的控制信号输入端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器的控制信号输出端连接，第三限流开关的控制信号输出端输出3.3V电压。
所述皮纳卫星电源还包括两个理想二极管，其中一个理想二极管串联在最大功率点跟踪控制器的控制信号输出端与充电控制器的第一控制信号输入端之间，且该理想二极管的阳极与最大功率点跟踪控制器的控制信号输出端连接，另一个理想二极管串联在母线上，且该理想二极管的阳极同时与充电控制器的第二控制信号输入输出端和蓄电池保护器的第一控制信号输出输入端连接，该理想二极管的阴极同时与第一限流开关的控制信号输入端、+5V输出的Boost型开关电源控制器的控制信号输入端和+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器的控制信号输入端连接。
有益效果：本发明所述的皮纳卫星电源采用分布式供电，各部分互不影响；采用功能高度集中的模块化设计，便于适用不同需求，有利于快速集成；完全克服了由于软件缺陷带来的影响；蓄电池保护器能够在充放电电流过大或电池处于过充状态时，提供精确地监控与触发阈值，实现蓄电池组的过流保护、过充保护和过放电保护功能；利用最大功率点跟踪控制器最大限度的利用太阳能电池组的输出功率，随时跟踪太阳能电池组的最大输出功率点，将太阳能电池组能够输出的全部功率发挥出来。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为太阳能电池的P-V曲线图；
图3为锂离子电池充电曲线图；
图4为理想二极管与普通肖特基二极管正向导通特性对比图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源包括太阳能电池组1、最大功率点跟踪控制器2、充电控制器3、蓄电池保护器4、蓄电池组5、直流电压变换单元6和功率分配单元7，所述太阳能电池组1的电源信号输出端与最大功率点跟踪控制器2的电源信号输入端连接，最大功率点跟踪控制器2的控制信号输出端与充电控制器3的第一控制信号输入端连接，充电控制器3的第二控制信号输入输出端与蓄电池保护器4的第一控制信号输出输入端连接后连接至母线，蓄电池保护器4的第二控制信号输入输出端与蓄电池组5的电源信号输出输入端连接，直流电压变换单元6的控制信号输入端连接于母线，功率分配单元7的控制信号输入端同时与母线和直流电压变换单元6的控制信号输出端连接，功率分配单元7的控制信号输出端输出电压。
本发明所述的皮纳卫星电源采用分布式供电，各部分互不影响；采用功能高度集中的模块化设计，便于适用不同需求，有利于快速集成。
蓄电池保护器4能够在充放电电流过大或电池处于过充状态时，提供精确地监控与触发阈值，实现蓄电池组5的过流保护、过充保护和过放电保护功能。
本实施方式中所述的最大功率点跟踪(MPPT)控制器2的工作原理如下：
峰值功率跟踪方式是在太阳能电池组1与蓄电池组5或负载之间引入一个串联开关调节器，用来调节太阳能电池组1的输出功率，为了能最大限度的利用太阳能电池组1的输出功率，可随时跟踪太阳能电池组1的最大输出功率点，把太阳能电池组1能够输出的全部功率发挥出来，或者直接供给负载，或者储存于蓄电池组5中。
图2所示为太阳能电池的P-V曲线图，由此图可以得知，太阳能电池的P-V曲线是一个以最大功率点为极值的单峰函数，其特点说明可以用步进搜索法来寻找最大功率点，即从起始状态开始，逐次做一有限变化，然后测量由于输入信号变化引起输出量变化的大小及方向，待辨别了方向之后，再控制被控对象的输入按需要的方向调节，实现自寻优控制。当负载特性与太阳能电池组特性的交点在太阳能电池组最大功率点对应电压Vm之左时，PPT***的作用是使交点处的电压升高；而当焦点在太阳能电池组最大功率点对应电压Vm之右时，PPT的作用是使交点处的电压下降。图4说明了这个动态过程。假设工作点在V1处，太阳能电池组输出功率为P1；如果是工作点移动到V2＝V1+ΔV，太阳能电池组输出功率为P2，然后比较当前功率P2与记忆功率P1。如果P2>P1，说明输入信号差ΔV使输出功率变大，工作点位于最大功率值Pmax左边，应继续增大电压，使工作点继续朝右边即Pmax的方向变化。如果工作点已越过Pmax，达到V4，此时若再增加ΔV，则工作点达到V5，比较结果若为P5<P4，说明工作点在Pmax右边，输入信号差ΔV使输出功率变小，需要改变输入信号的变化方向，即输入信号减去ΔV，再比较当前功率和记忆功率，就这样不断地寻找最大功率点Pmax并保持在最大功率点处。
由以上分析可见，最大功率点跟踪的关键在于判别当前工作点相对于Pmax所处的区域，具体判别方法如下：
当P(t+Δt)>P(t)时，
若V(t+Δt)>V(t)，工作点在Pmax点之左，应增大电压；
若V(t+Δt)<V(t)，工作点在Pmax点之右，应减小电压。
当P(t+Δt)<P(t)时，
若V(t+Δt)>V(t)，工作点在Pmax点之右，应减小电压；
若V(t+Δt)<V(t)，工作点在Pmax点之左，应增大电压。
因此，PPT实际上是一种功率调节，而不是电压调节。采用PPT的目的是为了最大限度地利用太阳能电池阵的能量。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于，所述太阳能电池组1由N个太阳能电池单体串并联组成，N为大于或等于2的整数。
本实施方式中，太阳能电池组1包括2个太阳能电池单体并联为一组，一共为3组，每个太阳能电池均为砷化镓太阳能电池，电能转换效率可达28％。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于，蓄电池组5由蓄电池单体并联组成。
本实施方式中，蓄电池的连接方式采用三节锂离子电池并联独立充放电，蓄电池正常电压为3.7V，单节电池容量2600mAh，三节总容量7800mAh，即23.4Wh，能够满足卫星需求。
图3所示为锂离子电池充电曲线图，左侧纵坐标表示充电电流，单位为A，右侧纵坐标表示蓄电池电压，单位为V，横坐标宝石充电时间，单位为s，曲线A表示充电电流，曲线B表示电池电压，锂离子电池充电过程分为三个部分，电池电压低于3.0V时为预充电，充电电流为设定恒流充电过程电流的1/10，当电压达到3.0V时转为恒流充电过程，恒流充电过程中充电电流为设定最大充电电流，当电压达到4.2V后转为恒压充电过程，该过程中充电电流逐渐减小至充电电流小于50mA或设定终止电流时充电过程结束。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于，所述直流电压变换单元6包括+5V输出的Boost型开关电源控制器6-1和+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器6-2，所述+5V输出的Boost型开关电源控制器6-1的控制信号输入端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器6-2的控制信号输入端均与母线连接，+5V输出的Boost型开关电源控制器6-1的控制信号输出端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器6-2的控制信号输出端分别与功率分配单元7的控制信号输入端连接。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于，所述功率分配单元7包括第一限流开关7-1、第二限流开关7-2和第三限流开关7-3，所述第一限流开关7-1串联在母线上并输出母线电压，第二限流开关7-2的控制信号输入端与+5V输出的Boost型开关电源控制器6-1的控制信号输出端连接，第二限流开关7-2的控制信号输出端输出5V电压，第三限流开关7-3的控制信号输入端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器6-2的控制信号输出端连接，第三限流开关7-3的控制信号输出端输出3.3V电压。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于，它还包括第一理想二极管8和第二理想二极管9，第一理想二极管8串联在最大功率点跟踪控制器2的控制信号输出端与充电控制器3的第一控制信号输入端之间，且第一理想二极管8的阳极与最大功率点跟踪控制器2的控制信号输出端连接，第二理想二极管9串联在母线上，且第二理想二极管9的阳极同时与充电控制器3的第二控制信号输入输出端和蓄电池保护器4的第一控制信号输出输入端连接，第二理想二极管9的阴极同时与第一限流开关7-1的控制信号输入端、+5V输出的Boost型开关电源控制器6-1的控制信号输入端和+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器6-2的控制信号输入端连接。
具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于，第一理想二极管8和第二理想二极管9均采用MOSFET实现。
本实施方式中，第一理想二极管8和第二理想二极管9均采用MOSFET和相应的驱动电路实现单向导通功能，如图4所示，由于MOSFET导通电阻极小，使得相比于普通理想二极管的正向压降更小，在4A电流时仅有250mV，耗损为普通理想二极管的42％。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式七所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于，可以在蓄电池组5或太阳能电池组1处增加温度传感器，通过IIC总线监控温度，并增加过热保护电路。
具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式七所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于，可以在最大功率点跟踪控制器2、母线、直流电压变换器处增加电流传感器和电压传感器，实时监控重要部位的电流电压值。

Claims (7)

1.一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源，其特征在于，它包括太阳能电池组(1)、最大功率点跟踪控制器(2)、充电控制器(3)、蓄电池保护器(4)、蓄电池组(5)、直流电压变换单元(6)和功率分配单元(7)，所述太阳能电池组(1)的电源信号输出端与最大功率点跟踪控制器(2)的电源信号输入端连接，最大功率点跟踪控制器(2)的控制信号输出端与充电控制器(3)的第一控制信号输入端连接，充电控制器(3)的第二控制信号输入输出端与蓄电池保护器(4)的第一控制信号输出输入端连接后连接至母线，蓄电池保护器(4)的第二控制信号输入输出端与蓄电池组(5)的电源信号输出输入端连接，直流电压变换单元(6)的控制信号输入端连接于母线，功率分配单元(7)的控制信号输入端同时与母线和直流电压变换单元(6)的控制信号输出端连接，功率分配单元(7)的控制信号输出端输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源，其特征在于，所述太阳能电池组(1)由N个太阳能电池单体串并联组成，N为大于或等于2的整数。
3.根据权利要求1所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源，其特征在于，蓄电池组(5)由蓄电池单体并联组成。
4.根据权利要求1所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源，其特征在于，所述直流电压变换单元(6)包括+5V输出的Boost型开关电源控制器(6-1)和+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器(6-2)，所述+5V输出的Boost型开关电源控制器(6-1)的控制信号输入端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器(6-2)的控制信号输入端均与母线连接，+5V输出的Boost型开关电源控制器(6-1)的控制信号输出端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器(6-2)的控制信号输出端分别与功率分配单元(7)的控制信号输入端连接。
5.根据权利要求4所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源，其特征在于，所述功率分配单元(7)包括第一限流开关(7-1)、第二限流开关(7-2)和第三限流开关(7-3)，所述第一限流开关(7-1)串联在母线上并输出母线电压，第二限流开关(7-2)的控制信号输入端与+5V输出的Boost型开关电源控制器(6-1)的控制信号输出端连接，第二限流开关(7-2)的控制信号输出端输出5V电压，第三限流开关(7-3)的控制信号输入端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器(6-2)的控制信号输出端连接，第三限流开关(7-3)的控制信号输出端输出3.3V电压。
6.根据权利要求5所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源，其特征在于，它还包括第一理想二极管(8)和第二理想二极管(9)，第一理想二极管(8)串联在最大功率点跟踪控制器(2)的控制信号输出端与充电控制器(3)的第一控制信号输入端之间，且第一理想二极管(8)的阳极与最大功率点跟踪控制器(2)的控制信号输出端连接，第二理想二极管(9)串联在母线上，且第二理想二极管(9)的阳极同时与充电控制器(3)的第二控制信号输入输出端和蓄电池保护器(4)的第一控制信号输出输入端连接，第二理想二极管(9)的阴极同时与第一限流开关(7-1)的控制信号输入端、+5V输出的Boost型开关电源控制器(6-1)的控制信号输入端和+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器(6-2)的控制信号输入端连接。
7.根据权利要求6所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源，其特征在于，第一理想二极管(8)和第二理想二极管(9)均采用MOSFET实现。
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