CN215733484U - 一种卫星太阳能电源模块 - Google Patents

Abstract

一种卫星太阳能电源模块，包括：太阳能电池组，其与卫星上用电设备电连接以形成母线，用于接受阳光进行光电转换后将电力供给用电设备，控制管理模块按照其采集太阳能电池组输出电压与输出电流以生成最优MPPT控制指令并根据指令调控太阳能电池组输出功率的方式电连接至母线中，控制管理模块设置于安装盒内，安装盒内设置有至少一个包裹控制管理模块的用于屏蔽外部电磁干扰的屏蔽层。

Description

一种卫星太阳能电源模块

技术领域

本实用新型涉及一种卫星使用的电源模组，尤其涉及一种卫星太阳能电源模块。

背景技术

目前，卫星技术成为各国航天技术的一个发展方向，其中微型卫星以其体积小、质量轻、成本低等特点广泛受到人们关注。微型卫星设计研制周期短、便于模块化和批量化生产，广泛采用其他卫星不具备的优势。

随着商业航天的发展，对商业卫星提出了更严苛的要求，商业卫星的核心诉求就是：研制成本低、研制周期短，即商业航天的业务模式决定卫星需要从单个定制转向产品化、系列化、货架化，也因此要求商业卫星的设计和研制具有良好的适应性和可扩展性。卫星能源***作为卫星***的一大组成部分，其要求同样如此，适应性广，可扩展性强是商业卫星能源***的重要设计思想之一。

卫星的电源***是卫星的几大核心***之一，担负着为整星供电的重要任务，是卫星的生命线。对于低轨道微小卫星来说，电源***必须有可靠性高、体积小、质量轻、效率高等特点。

CN107579587A公开了一种适用于LEO卫星的能源***及其控制方法，其包含太阳能电池阵、PPT电路单元、蓄电池组、电容阵、卫星平台负载和遥测遥控单元；其中MPPT电路单元采用三个并联的DC-DC转换模块对太阳能电池阵按照三冗余热备份方式进行峰值功率跟踪，MPPT电路单元采用多数表决控制电路进行闭环控制，每一个控制电路根据太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号以及蓄电池组的电压信号和电流信号，生成驱动信号对与其对应的MPPT电路进行闭环控制，以实现对太阳电池阵模块的最大功率跟踪以及对蓄电池组的充电管理。

该实用新型利用MPPT算法对太阳能电池阵进行输出功率优化和以及对蓄电池组充电进行管理，但其控制电路涉及的控制、决策模块较多使得MPPT成为一种较为精密的电子元器件或者电子模块，其在太空中复杂的电磁环境和宇宙辐射中极容易受到外界电磁辐射影响，该现有技术中未考虑到对MPPT模块的电磁屏蔽保护，有可能会造成控制模块受电磁干扰失效的问题。

实用新型内容

为解决上述现有技术中存在的至少一部分问题，本实用新型提供了一种卫星太阳能电源模块，包括：太阳能电池组，其与卫星上用电设备电连接以形成母线，用于接受阳光进行光电转换后将电力供给用电设备，控制管理模块按照其采集太阳能电池组输出电压与输出电流以生成最优MPPT控制指令并根据指令调控太阳能电池组输出功率的方式电连接至母线中，控制管理模块设置于安装盒内，安装盒内设置有至少一个包裹控制管理模块的用于屏蔽外部电磁干扰的屏蔽层。

优选地，安装盒上根据控制管理模块的连接需求开设有数个电路插口，其中电路插口至少包括太阳能电池组负极插口、太阳能电池组正极插口、母线正极插口、蓄电池组负极插口以及用电设备负极插口。

优选地，安装盒内以配合控制管理模块底部外形而设置安装台，安装台上至少设有按照控制管理模块电路板底部外形而向内凹陷的凹形部分，同时在安装台四周设置有用于固定控制管理模块的装配孔。

优选地，安装台周侧设置有至少一个向外凸出的凸缘，安装盒周侧按照匹配凸缘的形状的方式开设有数个定位孔，安装台通过凸缘与定位孔的形状匹配方式连接至安装盒。

优选地，在用电设备需要的电能小于太阳能电池组时，太阳能电池组还能够电连接至蓄电池组以形成充电回路，控制管理模块包括IC芯片，其中，IC芯片与太阳能电池组电力输出端电性连接。

优选地，控制管理模块由至少2个IC芯片组成，不同的IC芯片及其配套的电路相互独立设置。

优选地，IC芯片电连接至蓄电池组的电力输入端。

优选地，控制管理模块电连接至太阳能电池组的线路之间设置有DC-DC转换器。

优选地，IC芯片还集成有SOC检测单元，SOC检测单元与蓄电池组电连接。

优选地，控制管理模块还包括控制回路，控制回路分别电连接至IC芯片、太阳能电池组、蓄电池组，其中，DC-DC转换器设置在控制回路内。

本实用新型具有的有益技术效果：

通过对控制管理模块外层加装安装盒并且在安装盒内部设置一层防电磁辐射的屏蔽层对设置在内的控制管理模块上的电子元器件既起到了物理保护功能也起到了电磁防护功能，在电磁环境复杂多变的太空环境下对于保护控制管理模块的IC芯片的功能完整性有很大的益处。

附图说明

附图1为本实用新型整体电路连接原理图；

附图2为本实用新型控制管理模块电路原理图；

附图3为本实用新型安装盒局部半剖结构示意图；

附图4为本实用新型安装台结构示意图；

图中：100、太阳能电池组；200、控制管理模块；210、IC芯片；211、SOC检测单元、220、控制回路；300、蓄电池组；400、用电设备；500、安装盒；510、安装台；520、屏蔽层；530、电路插口。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

图1展示了一种卫星太阳能电源模块，由于本实用新型被用于对卫星在太空中使用，因此本实用新型至少包括用于在太空获取太阳能源作为卫星主要能源来源的太阳能电池组100。该太阳能电池组100为数个按照一定排布方式设置的太阳能电池组合形成。

每个太阳能电池为一种片状或板块状结构，其中，为获得一定的光电转换的效率，太阳能电池采用的材料可以选择多种新颖的复合材料，例如三结砷化镓(GaInP₂/GaAs/Ge)材料、铜铟硒(CuInSe₂)材料、铜铟镓硒(CIGS)材料、TiO₂等材料制成的纳米晶体材料以及单晶硅单体材料，上述不同材料具有不同的光电转换效率，例如三结砷化镓光电转换效率在28％以上，而单晶硅单体材料光电转换效率仅在12-14％左右，然而三结砷化镓因为制造工艺复杂而成本较高。因此选择太阳能电池组100的材料需要根据其应用卫星的使用需求、工作环境、制造预算等参看因素综合选择。

太阳能电池组100可以被设置为低压电池阵，使得卫星在被应用于光照变化强烈的地区时能够在部分太阳能电池被遮挡的情况下仍保有较高的整体输出功率。优选地，根据卫星具体的使用情况或使用环境，例如对于低轨道小型卫星、拥有大功率用电设备400的卫星、运行在光线照射较为均匀的轨道上的卫星等不同类型的卫星，太阳能电池组100可以适配性地进行更换排列组合型式以适应上述不同的卫星使用情况。

由于卫星在太空中长时间围绕一颗固定的主星(例如地球)进行环绕运动，故卫星将在一段时间内处于被主星遮挡太阳光线的情况下，此段时间称为阴影期。显而易见地是，在阴影期太阳能电池组100不能或仅能接收到极少的光线，因此在阴影期太阳能电池组100不能进行供电或光电转换工作。在卫星环绕主星运动的全周期内除开阴影期的时间段被称为光照期，此时通过对卫星姿态的调整，太阳能电池组100可以最大功率地收集阳光进行光电转换产生电能。

为保障卫星在运动至阴影期时间段内能够正常通电维持卫星运动、姿态调整或者卫星上的用电功能设备持续稳定运行，在本实用新型提供的卫星电源模组内部还设置有蓄电池组300。该蓄电池组300被设置为与太阳能电池组100电连接，以实现蓄电池组300与太阳能电池组100之间的电力互通，并且可以实现在卫星进入阴影期的情况下，卫星可选择地开启蓄电池组300为整个卫星上的用电设备400进行供电。为实现向蓄电池组300充电的目的，太阳能电池组100在光照期接受光线并产电的过程中，通过其与蓄电池组300的电连接为蓄电池组300进行充电操作。

为适应太空中较为严苛的环境，以及受制于卫星整体重量和体积的精简需求，蓄电池组300的材料一般选择能量密度较高的类型，例如可以是锂离子电池、镍铬电池以及镍氢电池等能量密度较高蓄电池类型。其中，锂离子蓄电池虽然能量密度很高和较好的充放电性能，其放电截止电压为2.7V左右，充电终止电压为4.2V左右，平均放电电压3.5V左右，相较于镍氢蓄电池和镉镍蓄电池的平均放电电压1.25V，锂电池组的数量只是镍氢电池和镉镍电池数量的三分之一，大大降低了成本。但是锂离子蓄电池同时也具有过充过放引起蓄电池***的风险，同时对于长时间运行的卫星，各锂离子蓄电池在长期充放电循环中，会与蓄电池组300中其他单体锂离子蓄电池之间形成电压差异，则在蓄电池组300统一的充电或放电操作中，极有可能会加大单体锂离子蓄电池过充过放的风险。但是对于低轨道运行的小型卫星，由于其体积小巧、功能较为单一、蓄电池放电深度较浅以及卫星整体寿命需求也不高，故可以在低轨道小型卫星上采用上述锂离子蓄电池以降低卫星的体积以及重量。

在卫星上设置的需要用电的设备本质上是一种负载，且该负载在一般情况下需要不间断地供电以保证其正常工作，因此太阳能电池组100以及蓄电池组300均电连接至用电设备400之上。优选地，在卫星处于光照期的时间段内时，太阳能电池组100接收阳光进行光电转化换产生电力后将电力分为至少两个部分，一部分用于对蓄电池进行充电，而另一部分直接供给用电设备400以维持其正常工作。在阴影期，则由蓄电池组300对用电设备400进行供电。而太阳能电池组100向蓄电池组300以及用电设备400供电的线路称之为母线。

为保证用电设备400在任何情况下都具有较为稳定的供电，在光照期以及阴影期对太阳能电池组100以及蓄电池组300的供电策略做出了一定的设计，在光照期时，太阳能电池组100产生的电力优先供给用电设备400使用，当太阳能电池组100输出电力大于用电设备400的实际负载需求时，多余的电力将会被充入蓄电池组300进行储存，当太阳能电池组100产生的电力不足以供给用电设别的使用需求时，蓄电池组300将会对用电设备400进行辅助供电，以保证用电设备400的用电需求。同时为了尽量减少蓄电池组300中的单体电池的过充过放的情况，需要对蓄电池组300的充放电过程进行更加精细的控制管理。

为实现在光照期以及阴影期按照上述供电策略控制太阳能电池组100以及蓄电池组300对用电设备400进行供电以及对蓄电池组300充放电进行管理的功能，在本实用新型提供的电源模组中还设置有控制管理模块200(图2所示)，该控制管理模块200由至少两片具有MPPT功能的专用IC芯片210及其配套电路组成，其中两片具有MPPT功能的专用IC芯片210至少在功能上完全相同，使得整个控制管理模块200中具有两套完整的用于控制管理目的的IC芯片210，用于在恶劣复杂的太空环境下利用两套相同的控制IC芯片210形成互相保险，防止因为其中一个IC芯片210损坏之后造成整体卫星用电设备400无法是正常通电使用或者供电超负荷的情况产生。优选地，在控制管理模块200中设置有状态检查回路，该状态检测回路电连接至所有的IC芯片210，并且检测其中一个IC芯片210是否在正常工作，若检测到该IC芯片210无信号流出、无法工作等情况，则判断该IC芯片210已经损坏，此时状态检测回路选择开启另一个备份的IC芯片210进行工作。

IC芯片210上集成有用于管理太阳能电池组100输出功率的功能，该功能包括检测太阳能电池组100输出电流与输出电压的功能。IC芯片210电连接至太阳能电池组100，使得IC芯片210能够实时检测太阳能电池组100的输出电流与输出电压，并将探测到的相关数据利用至接下来的MPPT计算步骤。

IC芯片210利用其上内置的MPPT算法对采集自太阳能电池组100的输出电流与输出电压进行决策计算以形成至少一项用于控制太阳能电池组100输出效率的最优MPPT控制指令。该MPPT算法可以采用行业上较为成熟的扰动观察法，其工作原理为测量当前太阳能电池组100的输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量扰动，则其输出功率会发生改变，测量改变之后的功率，与改变之前的功率进行比较，即可获知功率的变化方向。如果功率增大就继续使用原扰动，如果功率减小就改变扰动方向。则此时MPPT芯片上不能一次性地计算得出最优MPPT控制指令，而是需要在实施至少一次少量的扰动之后，通过变化的功率反馈以形成最优MPPT控制指令。

IC芯片210上还集成有用于管理蓄电池组300充电的功能，该功能上还包括检测蓄电池组300电压信号与电流信号。IC芯片210电连接至蓄电池组300，使得IC芯片210能够实时检测蓄电池组300的电流信号与电压信号，并将探测到的相关数据利用至接下来的充电控制指令的形成。该电流信号与电压信号可以是蓄电池组300的充电的电流与电压值。

IC芯片210能够利用其上内置的充电控制策略程序对采集自蓄电池组300的电流信号与电压信号进行决策计算以形成至少一项用于控制蓄电池组300充电的最优充电控制指令。使得蓄电池组300能够在合适的充电功率或电压下进行工作，有效降低了蓄电池组300过充过放带来的蓄电池组300寿命降低的问题。

为实现上述最优MPPT控制指令与最优充电控制指令，在控制管理模块200上还包括控制回路220，该控制回路220与IC芯片210电连接，同时通过与太阳能电池组100和蓄电池组300的电连接，使得控制回路220可以根据从IC芯片210接收到的最优MPPT控制指令与最优充电控制指令对太阳能电池组100输出效率和/或蓄电池组300充电模式进行控制。该控制方法可以是由控制回路220中设置的数项DC-DC转换器联合作用实现，该DC-DC转换器可以按照升压降压的方式调节相关的功率输出以及充电电压，以实现恒流充电、恒功率充电等充电模式。

优选地，该控制回路220的功能有IC芯片实现以达成更高的集成化、精简化。

上述IC芯片210的MPPT功能为最大功率点追踪技术，该技术可以实时监测太阳能电池组100的放电电压，并且追踪最高电压电流值，使得太阳能电池组100能够保持以最大功率对蓄电池组300进行充电，提升太阳能电池组100产生电力的有效率利用率。在一些实施例中，除去可能存在的传输损耗，太阳能电池组100的整体输出效率可以提升至90％以上，这极大地提升了本实用新型所提供的电源模块的工作效率。

另外在IC芯片210上还集成有SOC检测单元211，该SOC检测单元211与蓄电池组300电连接，用于按照其检测的蓄电池组300充放电压运用数值拟合等方式计算出蓄电池的剩余电量。在一些实施例中，计算出的剩余电量还可以用于实时调整位于卫星上的用电设备400的负载强度，使得在太阳能电池组100光电转换的电力不足以满足用电设备400使用同时蓄电池组300剩余电量较少的情况下，通过其与控制回路220的电连接适当控制用电设备400降低用电负载，以满足卫星最低工作需求。

该IC芯片210由于其能够制成芯片级元器件，极大精简了外部器件，集成度提高，使得本实用新型提供的电源模块体积可以进一步降低。同时该IC芯片210具有较强的适应范围，简单对其***电路的匹配参数做调整即可满足多种太阳能电池组100的输入要求和多种蓄电池组300的输入要求，因此获得了较强的泛用性与扩展性。

另外该IC芯片210还可以控制太阳能电池组100流向蓄电池组300的输入电压，使得蓄电池组300可以按照一个合适的均流/均压或者固定功率进行充放电，减轻了蓄电池组300过充过放的情况，提升了蓄电池组300使用寿命。

优选地，上述控制管理模块可以被设置在一个较小的安装盒500里(如图3所示)，盒子大小视控制管理模块中个电子元器件部分所选择的体积大小影响，一般而言，就功能较为简单的具有MPPT控制功能的芯片级控制管理模块体积较小，故安装盒500体积也可以相应地制成较小的体积。上述较小的安装盒500尤其适用于目前比较热门的微型卫星上的安装工作，因为其需要配合太阳能电池组进行调控相应输出特性的工作，故一般推荐将上述安装盒500安装在靠近卫星上太阳能电池组帆板负极的区域内。为方便安装盒500连接至卫星的外壳或者卫星的安装架上，在安装盒500的外侧面设置有至少一个向外凸出的安装孔，该安装孔孔径大小被设置为通用螺钉的直径大小，以方便工程人员通过向安装孔穿入通用螺钉并将其螺纹连接至卫星外壳内壁或者卫星内部的安装架上预先打好螺纹孔中以实现安装盒500在上述位置的固定。在另一些实施例中，安装盒500也可以通过扣接、绑带连接等方式固定在相应位置，本说明不作具体限定。

安装盒500用于包裹并保护设置在其内的控制管理模块，其形状可以设置为方形、球形、不规则形状等形状，本说明不作具体限定。优选地，对于外形规整的方形微型卫星，安装盒500可以设置为方形或长方体构型，其中心为中空结构以便可以在内安装控制管理模块。并且，为方便安装控制管理模块，可以预先在安装盒500内部以配合控制管理模块底部外形而设置安装台510(图4所示)，该安装台510可以是一种按照控制管理模块电路板底部外形而向内凹陷的凹形部分。同时，在安装台510凹形部分的四周按照控制管理模块的固定位置预先设置有对应的装配孔，以便在安装控制管理模块时，工程人员可以利用诸如螺钉等材料将控制管理模块固定至安装台510上。

优选地，在安装台510周侧设置有至少一个向外凸出的凸缘，相应地在安装盒520周侧的面上按照凸缘的外形设置有数个按照一定排布方式排列的定位孔。安装台510通过凸缘与定位孔的形状配合插接固定于安装盒520的数个周侧面之间，并且由于定位孔具有不同的位置，实现了安装台510在安装盒520内部自由调整位置高度的优点。

优选地，为实现控制管理模块能够连接至太阳能电池组、蓄电池组以及用电设备的目的，在安装盒500上相应开设有数个电路插口530，并且由于上述连接需求，这些电路插口530至少包含太阳能电池组负极插口、太阳能电池组正极插口、母线正极插口、蓄电池组负极插口以及用电设备负极插口。在对控制管理模块接电的操作中，太阳能电池组负正极分别电连接至上述太阳能电池组负极插口和太阳能电池组正极插口，蓄电池组正负极分别连接至上述母线正极插口和蓄电池组负极插口，用电设备正负极分别连接至上述母线正极插口和用电设备负极插口。其中，母线为一条母线，因此仅设有一个母线插口，若采用多母线设计，则可相应开设其它插口。上述插口的另一端均电连接至控制管理模块上的相应接受点上。优选地，安装盒500可采用较为硬质的材料制成，例如可以是航空铝材料、钢材或者工程塑料等材料，本说明不作具体限定。

优选地，为防止安装盒500中的控制管理模块受到卫星上其它高功率大电流设备的电磁辐射或者受到太空中其它高能星体向外扩散的宇宙辐射的影响而导致控制管理模块中电子元器件电磁干扰的情况，在安装盒500内部还设置有一个能够包裹模块中管理模块的屏蔽层520。屏蔽层520对控制管理模块进行包覆设置，并且优选地，该屏蔽层520可以按照贴合安装盒500内壁的形式设置，其相当于在安装盒500内壁再增加一层包覆结构。优选地，在屏蔽层520上包含有吸波材料，该吸波材料用于吸收外界向安装盒500发散的电磁波，防止电磁波透过屏蔽层520影响控制管理模块的电子元器件。上述吸波材料可以采用羰基铁粉、铁氧体铁粉和超细镍粉的组分混合物、氧化钛粉末等金属或金属衍生物粉末通过一些分散助剂形成的吸波涂料，将吸波涂料涂覆与于屏蔽层520表面并且通过一些诸如升温固化的工艺使屏蔽层520固化并最终形成能够吸收电磁波的层结构。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本实用新型公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本实用新型的公开范围并落入本实用新型的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本实用新型说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种卫星太阳能电源模块，包括：

太阳能电池组(100)，其与卫星上用电设备(400)电连接以形成母线，用于接受阳光进行光电转换后将电力供给用电设备(400)，

其特征在于，

控制管理模块(200)按照其采集所述太阳能电池组(100)输出电压与输出电流以生成最优MPPT控制指令并根据指令调控太阳能电池组(100)输出功率的方式电连接至所述母线中，

所述控制管理模块设置于安装盒(500)内，所述安装盒(500)内设置有至少一个包裹控制管理模块(200)的用于屏蔽外部电磁干扰的屏蔽层(520)。

2.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述安装盒(500)上根据所述控制管理模块的连接需求开设有数个电路插口(530)，其中所述电路插口(530)至少包括太阳能电池组负极插口、太阳能电池组正极插口、母线正极插口、蓄电池组负极插口以及用电设备负极插口。

3.根据权利要求2所述的电源模块，其特征在于，所述安装盒(500)内以配合控制管理模块底部外形而设置安装台(510)，所述安装台(510)上至少设有按照控制管理模块电路板底部外形而向内凹陷的凹形部分，同时在所述安装台(510)四周设置有用于固定控制管理模块的装配孔。

4.根据权利要求3所述的电源模块，其特征在于，安装台(510)周侧设置有至少一个向外凸出的凸缘，所述安装盒(500)周侧按照匹配所述凸缘的形状的方式开设有数个定位孔，所述安装台(510)通过所述凸缘与所述定位孔的形状匹配方式连接至所述安装盒(500)。

5.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述控制管理模块(200)包括IC芯片(210)，其中，所述IC芯片与所述太阳能电池组(100)电力输出端电性连接。

6.根据权利要求5所述的电源模块，其特征在于，所述控制管理模块(200)由至少2个所述IC芯片(210)组成，不同的所述IC芯片(210)及其配套的电路相互独立设置。

7.根据权利要求5所述的电源模块，其特征在于，在所述用电设备(400)需要的电能小于所述太阳能电池组(100)时，所述太阳能电池组(100)还能够电连接至蓄电池组(300)以形成充电回路，其中，所述IC芯片(210)电连接至所述蓄电池组(300)的所述电力输入端。

8.根据权利要求1所述的电源模块，其特征在于，所述控制管理模块(200)电连接至所述太阳能电池组(100)的线路之间设置有DC-DC转换器。

9.根据权利要求7所述的电源模块，其特征在于，所述IC芯片(210)还集成有SOC检测单元(211)，所述SOC检测单元(211)与所述蓄电池组(300)电连接。

10.根据权利要求8所述的电源模块，其特征在于，所述控制管理模块还包括控制回路(220)，所述控制回路分别电连接至所述IC芯片(210)、所述太阳能电池组(100)、所述蓄电池组(300)，其中，所述DC-DC转换器设置在所述控制回路(220)内。

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