CN106356975A - 一种微小卫星能源*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微小卫星能源***,包括太阳电池阵、带MPPT充电管理单元、电压变换单元、电池管理单元和蓄电单元,所述带MPPT充电管理单元与所述太阳电池阵相连、用于设定所述太阳电池阵的输出电压以输出最大功率;所述电压变换单元与所述带MPPT充电管理单元相连、用于将带MPPT充电管理单元的输出电压变换成负载所需的电压;所述电池管理单元分别与所述带MPPT充电管理单元和蓄电单元相连、用于接收带MPPT充电管理单元的输出电压并输出与所述蓄电单元一致的输出电压。本发明的微小卫星能源***具有结构简单、功耗低、充放电可控等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及卫星技术领域,特指一种微小卫星能源***。
背景技术
卫星电源***是卫星关键分***之一,它为卫星的其他分***和有效载荷提供能量支撑。电源***一般有“供电***”和“配电***”两部分。供电***部分由发电***和电源控制设备组成,而发电***由主电源和储能电池组成。主电源是卫星的主要发电装置,将其他形式的能量转化为电能。储能电源是卫星阴影区唯一的能源,在卫星有峰值功率需求时,也提供能量。电源控制设备在光照区完成对太阳电池阵输出功率进行调节,在地影区对蓄电池组实施充放电控制及保护等,完成遥测信号的取样及预处理,接受并执行遥控指令及地面有线指令。配电***包括功率变换单元、控制单元、分流调节单元。微小卫星由于***相对简单,因此配电***与供电***合二为一,统称电源***。
能源***是微小卫星其他功能正常进行的保障,而且由于星用能源***对电子元器件有着较高的要求,因此,微小卫星用能源***多采用可靠性高、集成度低的器件构成的DET能量传输方式,但是,随着工业用电子元器件的发展,成熟的高集成度的工业用芯片已经能够满足星用电子元器件的需求,为了降低成本和提高能量利用效率,采用低成本、高集成度的MPPT能量传输方式成为微小卫星能源***的发展趋势,但常见的MPPT能量传输方式***结构相对复杂。下面就DET能量传输方式和MPPT能量传输方式作进一步分析如下:
(1)DET方式的太阳电池阵的输出功率直接传递给负载,采用分流器调节太阳电池阵的输出功率,使母线电压维持在预定范围内,将超过负载需要的功率消耗掉,属于耗散型调节方式。同时,母线电压设定值与太阳电池阵最大功率点电压值不一致,所以DET方式无法最大程度利用太阳电池功率。
(2)常见MPPT能量传输方式电路结构复杂,电压转换和追踪算法实现电路都存在功耗。MPPT方式的太阳电池阵与一个DC/DC变换器串联。它根据太阳电池阵的输出伏安特性曲线动态地改变工作电压点,使工作电压点处于峰值功率点,然后该变换器将峰值的输入功率转换成所需的输出功率。但是其中的变换器电路和最大功率点算法实现电路都存在着功耗。
另外在一些能源***中,充电电流过大时,采取直接切断充电回路方式,不仅带来了能量损失,而且使用的MPPT方式相对复杂,变换器电路和最大功率点算法实现电路存在损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题,本发明提供一种结构简单、具有充电管理的微小卫星能源***。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种微小卫星能源***,包括太阳电池阵、带MPPT充电管理单元、电压变换单元、电池管理单元和蓄电单元,所述带MPPT充电管理单元与所述太阳电池阵相连、用于设定所述太阳电池阵的输出电压以输出最大功率;所述电压变换单元与所述带MPPT充电管理单元相连、用于将带MPPT充电管理单元的输出电压变换成负载所需的电压;所述电池管理单元分别与所述带MPPT充电管理单元和蓄电单元相连、用于接收带MPPT充电管理单元的输出电压并输出与所述蓄电单元一致的输出电压。
作为上述技术方案的进一步改进:
所述带MPPT充电管理单元包括芯片U1、电阻R1~R6、电容C1~C5、二极管D2、开关管Q1~Q2、电感L1,所述电阻R1、R2的一端均与U1的MPPTSET脚相连,所述电阻R1、R2的另一端分别与所述太阳电池阵的正负极相连,所述U1的VCC端经电容C1与GND相连并经电阻R3与太阳电池阵的正极相连,所述二极管D2的正极与U1的REGN端相连并经电容C2与GND相连,所述D2的负极与U1的BTST端相连并经电容C3与U1的PH端相连,所述开关管Q1的G极与U1的HIDRV端相连,Q1的S极与Q2的D极相连,Q1的D极与太阳电池阵的正极相连;Q2的G极与U1的LODRV端相连,Q2的S极与GND相连,所述电感L1的一端与U1的PH端相连,另一端分别与电阻R4的一端和U1的SRP端相连,电阻R4的另一端与U1的SRN端相连,电容C4与电阻R4并联,电阻R5的一端与电阻R4的另一端相连,电阻R5的另一端与U1的VFB端相连并经电阻R6与GND相连,所述电容C5与电阻R5和R6并联。
所述太阳电池阵的正极与开关管Q1之间串联有二极管D1,所述D1的正极与太阳电池阵的正极相连,负极与Q1的D极相连。
所述电压变换单元包括芯片U2、电阻R7~R11、电容C6~C7,U2的VIN端连接带MPPT充电管理单元的输出端和电池管理单元的输入端,电阻R7的一端与U2的VIN端相连,另一端与U2的EN端相连并经电阻R8与GND相连;电阻R9的一端与U2的RON相连,另一端与U2的VIN端相连并经电容C6与GND相连,U2的SS端经电容C7与GND相连,所述电阻R11的一端与U2的FB端相连并经电阻R10与GND相连,另一端连接U2的VOUT端并经电容C9与GND相连。
所述电阻R11并联有电容C8。
所述电池管理单元包括芯片U3,电阻R12~R14、开关管Q3~Q4、电容C10~C11;所述电阻R12的一端与U3的VM端相连,另一端与Q4的S极相连,Q4的G极与U3的CO端相连,Q4的D极与Q3的D极相连,Q3的G极与U3的DO极相连,Q3的S极与带MPPT充电管理单元的输出端相连,所述电阻R13的一端与U3的VDD相连,另一端与蓄电单元相连,电阻R14的一端与U3的VC相连,并经C11与GND相连,另一端与蓄电单元相连,所述电容C10的一端与U3的VSS端相连,另一端与U3的VDD端相连。
所述太阳电池阵包括多个太阳电池组,多个太阳电池组之间相互并联,每个太阳电池组包括多个串联的太阳电池。
每个太阳电池组中均串联有一个防反二极管,所述防反二极管的正极与输出负端相连,负极与输出正端相连。
所述太阳电池为砷化镓太阳电池。
所述蓄电单元为锂离子蓄电池。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明的微小卫星能源***,采用带MPPT的充电管理单元,应用一种简便的MPPT方式,将MPPT和充电管理单元结合起来简化了电路结构,同时确保太阳电池阵最大功率输出,电池管理单元能对蓄电单元充电进行控制,并且可以限制蓄电单元的充电电流,防止其轻易的进入过充电电流保护,而且电压变换单元能够根据负载的要求输出相对应的电压。
附图说明
图1为本发明的方框结构图。
图2为本发明的太阳电池阵的结构示意图。
图3为本发明的带MPPT充电管理单元的电路原理图。
图4为本发明的电压变换单元的电路原理图。
图5为本发明的电池管理单元的电路原理图。
图中标号表示:1、太阳电池阵;2、带MPPT充电管理单元;3、电压变换单元;4、电池管理单元;5、蓄电单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1至图5所示,本实施例的微小卫星能源***,包括太阳电池阵1、带MPPT充电管理单元2、电压变换单元3、电池管理单元4和蓄电单元5,带MPPT充电管理单元2与太阳电池阵1相连、用于设定太阳电池阵1的输出电压以输出最大功率;电压变换单元3与带MPPT充电管理单元2相连、用于将带MPPT充电管理单元2的输出电压变换成负载所需的电压;电池管理单元4分别与带MPPT充电管理单元2和蓄电单元5相连、用于接收带MPPT充电管理单元2的输出电压并输出与蓄电单元5一致的输出电压。本发明的微小卫星能源***,采用带MPPT的充电管理单元,应用一种简便的MPPT方式,将MPPT和充电管理单元结合起来简化了电路结构,同时确保太阳电池阵1最大功率输出,电池管理单元4能对蓄电单元5充电进行控制,并且可以限制蓄电单元5的充电电流,防止其轻易的进入过充电电流保护,而且电压变换单元3能够根据负载的要求输出相对应的电压。
如图3所示,本实施例中,带MPPT充电管理单元2包括芯片U1(如BQ24650)、电阻R1~R6、电容C1~C5、二极管D2、开关管Q1~Q2、电感L1,电阻R1、R2的一端均与U1的MPPTSET脚相连,电阻R1、R2的另一端分别与太阳电池阵1的正负极相连,电阻R1和R2用于设定太阳电池阵1的最大功率点电压,当太阳电池阵1电压低于最大功率点电压时,芯片U1降低输出电流,使输入电压升高至最大功率点电压,实现最大功率输出;U1的VCC端经电容C1与GND相连并经电阻R3与太阳电池阵1的正极相连,即用于给芯片U1供电;二极管D2的正极与U1的REGN端相连并经电容C2与GND相连,D2的负极与U1的BTST端相连并经电容C3与U1的PH端相连,开关管Q1的G极与U1的HIDRV端相连,Q1的S极与Q2的D极相连,Q1的D极与太阳电池阵1的正极相连;Q2的G极与U1的LODRV端相连,Q2的S极与GND相连,电感L1的一端与U1的PH端相连,另一端分别与电阻R4的一端和U1的SRP端相连,电阻R4的另一端与U1的SRN端相连,电容C4与电阻R4并联,电阻R5的一端与电阻R4的另一端相连,电阻R5的另一端与U1的VFB端相连并经电阻R6与GND相连,电容C5与电阻R5和R6并联。其中开关管Q1、Q2是同步整流降压电路的上下两开关管,Q1为上管,Q2是下管;D2、C3提供上管悬浮驱动电路所需的压差;HIDRV、LODRV分别是上管和下管的驱动端口;电感L1是降压电感,使电路工作在降压阶段;电阻R4是充电电流设置电阻,可通过R4来设定输出电流;C4是并在R4两端的滤波电容;R5、R6与VFB引脚相连,用于对输出电压进行反馈控制;C5是输出滤波电容;通过R4可实现恒流充电,当充电电流大于设定电流值时,SRP、SRN反馈信号,调整开关管驱动信号,从而降低充电电流值到设定值,防止了蓄电单元5进入过电流充电保护状态,因为过电流充电保护状态往往带来能量的损耗。
本实施例中,太阳电池阵1的正极与Q1之间串联有二极管D1,D1的正极与太阳电池阵1的正极相连,负极与Q1的D极相连,防止能量从蓄电单元5侧灌入太阳电池阵1。
如图4所示,本实施例中,电压变换单元3包括芯片U2、电阻R7~R11、电容C6~C8,其中U2的型号为LM12003,其内部集成了开关管和屏蔽电感器;U2的VIN端连接带MPPT充电管理单元2的输出端和电池管理单元4的输入端,用于检测端口电压;电阻R7的一端与U2的VIN端相连,另一端与U2的EN端(使能端)相连并经电阻R8与GND相连,;电阻R9的一端与U2的RON相连,另一端与U2的VIN端相连并经电容C6与GND相连R9是导通时间电阻,与VIN配合可设置导通时间,其中C6为输入电压的滤波电容;U2的SS端经电容C7(软启动电容)与GND相连,电阻R11的一端与U2的FB端相连并经电阻R10与GND相连,另一端连接U2的VOUT端并经电容C9与GND相连,其中C9对输出电压进行滤波,电阻R10和R11用于对输出电压进行调节,形成闭环控制,电容C8与电阻R11并联,对环路控制提供相位补偿,提高输出电压和稳定性。输出电压可通过R10、R11设置为所需的3.3V和5V。
如图5所示,本实施例中,电池管理单元4包括芯片U3(如S8252),电阻R12~R14、开关管Q3~Q4(其中Q3为放电执行器件、Q4为充电执行器件)、电容C10~C11;电阻R12的一端与U3的VM端相连,另一端与Q4的S极相连,电阻R12应对充电器的反向连接,并作为过电流/充电器检测端子连接电阻;Q4的G极与U3的CO端(充电控制口)相连,Q4的D极与Q3的D极相连,Q3的G极与U3的DO(放电控制口)极相连,Q3的S极与带MPPT充电管理单元2的输出端相连,电阻R13的一端与U3的VDD相连,另一端与蓄电单元5相连,电阻R14的一端与U3的VC相连,并经C11与GND相连,另一端与蓄电单元5相连,电容C10的一端与U3的VSS端相连,另一端与U3的VDD端相连。其中电阻R13和R14作为ESD保护功能,并结合电容C10、C11形成高频滤波电路;通过监视连接在VDD引脚-VSS引脚间的电池电压以及VM引脚-VSS引脚间的电压差,来控制充电和放电。
如图2所示,本实施例中,太阳电池阵1包括多个太阳电池组,多个太阳电池组之间相互并联,每个太阳电池组包括多个串联的太阳电池。其中太阳电池采用30×40mm的三结砷化镓高效太阳电池作为发电单元。如图2所示,采用6片砷化镓太阳电池串联,然后2串并联的方式进行排布,共12片电池,用特定的胶表贴在星体表面,构成一个太阳电池阵1列。每片三结砷化镓间距约0.5mm,串间距约1mm,安装边约9mm。每一串电池片均串接一个防反二极管,防反二极管的正极与输出负端相连,负极与输出正端相连,每一块电池片内部自带旁路二极管。
本实施例中,蓄电单元5为锂离子蓄电池。根据微小卫星母线电压7V~8.4V,单体锂离子蓄电池最高充电电压为4.2V,可计算出电池组的最大串联节数为2节。为保证锂离子蓄电池供电的稳定性及长期使用寿命,锂离子蓄电池的放电深度取10%~20%,锂离子蓄电池按10Ah容量设计可满足需求。10Ah容量可通过并联三串容量为3400mAh的18650锂离子蓄电池来实现。
本发明基于成熟工业芯片提出的微小卫星能源***,节省了资源成本。太阳电池阵1采用转换效率高的电池片以最大限度获取太阳能;带MPPT充电管理单元2能够最大限度地利用太阳能电池阵输出,并对蓄电池充电进行控制,限定蓄电池充电电流,不让其轻易陷入过充电电流保护;电压变换单元3将带MPPT充电管理单元2输出的电压值进行变换,输出满足各负载要求的能源;电池管理单元4对蓄电池的充电情况进行控制,不会轻易进入过电流充电保护,节约能源。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种微小卫星能源***,其特征在于,包括太阳电池阵(1)、带MPPT充电管理单元(2)、电压变换单元(3)、电池管理单元(4)和蓄电单元(5),所述带MPPT充电管理单元(2)与所述太阳电池阵(1)相连、用于设定所述太阳电池阵(1)的输出电压以输出最大功率;所述电压变换单元(3)与所述带MPPT充电管理单元(2)相连、用于将带MPPT充电管理单元(2)的输出电压变换成负载所需的电压;所述电池管理单元(4)分别与所述带MPPT充电管理单元(2)和蓄电单元(5)相连、用于接收带MPPT充电管理单元(2)的输出电压并输出与所述蓄电单元(5)一致的输出电压。
2.根据权利要求1所述的微小卫星能源***,其特征在于,所述带MPPT充电管理单元(2)包括芯片U1、电阻R1~R6、电容C1~C5、二极管D2、开关管Q1~Q2、电感L1,所述电阻R1、R2的一端均与U1的MPPTSET脚相连,所述电阻R1、R2的另一端分别与所述太阳电池阵(1)的正负极相连,所述U1的VCC端经电容C1与GND相连并经电阻R3与太阳电池阵(1)的正极相连,所述二极管D2的正极与U1的REGN端相连并经电容C2与GND相连,所述D2的负极与U1的BTST端相连并经电容C3与U1的PH端相连,所述开关管Q1的G极与U1的HIDRV端相连,Q1的S极与Q2的D极相连,Q1的D极与太阳电池阵(1)的正极相连;Q2的G极与U1的LODRV端相连,Q2的S极与GND相连,所述电感L1的一端与U1的PH端相连,另一端分别与电阻R4的一端和U1的SRP端相连,电阻R4的另一端与U1的SRN端相连,电容C4与电阻R4并联,电阻R5的一端与电阻R4的另一端相连,电阻R5的另一端与U1的VFB端相连并经电阻R6与GND相连,所述电容C5与电阻R5和R6并联。
3.根据权利要求2所述的微小卫星能源***,其特征在于,所述太阳电池阵(1)的正极与开关管Q1之间串联有二极管D1,D1的正极与太阳电池阵(1)的正极相连,负极与Q1的D极相连。
4.根据权利要求1或2或3所述的微小卫星能源***,其特征在于,所述电压变换单元(3)包括芯片U2、电阻R7~R11、电容C6~C7,U2的VIN端连接带MPPT充电管理单元(2)的输出端和电池管理单元(4)的输入端,电阻R7的一端与U2的VIN端相连,另一端与U2的EN端相连并经电阻R8与GND相连;电阻R9的一端与U2的RON相连,另一端与U2的VIN端相连并经电容C6与GND相连,U2的SS端经电容C7与GND相连,所述电阻R11的一端与U2的FB端相连并经电阻R10与GND相连,另一端连接U2的VOUT端并经电容C9与GND相连。
5.根据权利要求4所述的微小卫星能源***,其特征在于,所述电阻R11并联有电容C8。
6.根据权利要求1或2或3所述的微小卫星能源***,其特征在于,所述电池管理单元(4)包括芯片U3,电阻R12~R14、开关管Q3~Q4、电容C10~C11;所述电阻R12的一端与U3的VM端相连,另一端与Q4的S极相连,Q4的G极与U3的CO端相连,Q4的D极与Q3的D极相连,Q3的G极与U3的DO极相连,Q3的S极与带MPPT充电管理单元(2)的输出端相连,所述电阻R13的一端与U3的VDD相连,另一端与蓄电单元(5)相连,电阻R14的一端与U3的VC相连,并经C11与GND相连,另一端与蓄电单元(5)相连,所述电容C10的一端与U3的VSS端相连,另一端与U3的VDD端相连。
7.根据权利要求1或2或3所述的微小卫星能源***,其特征在于,所述太阳电池阵(1)包括多个太阳电池组,多个太阳电池组之间相互并联,每个太阳电池组包括多个串联的太阳电池。
8.根据权利要求7所述的微小卫星能源***,其特征在于,每个太阳电池组中均串联有一个防反二极管,所述防反二极管的正极与输出负端相连,负极与输出正端相连。
9.根据权利要求7所述的微小卫星能源***,其特征在于,所述太阳电池为砷化镓太阳电池。
10.根据权利要求1或2或3所述的微小卫星能源***,其特征在于,所述蓄电单元(5)为锂离子蓄电池。
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