本發(fā)明主要涉及衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域，特指一種微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星電源系統(tǒng)是衛(wèi)星關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，它為衛(wèi)星的其他分系統(tǒng)和有效載荷提供能量支撐。電源系統(tǒng)一般有“供電系統(tǒng)”和“配電系統(tǒng)”兩部分。供電系統(tǒng)部分由發(fā)電系統(tǒng)和電源控制設(shè)備組成，而發(fā)電系統(tǒng)由主電源和儲(chǔ)能電池組成。主電源是衛(wèi)星的主要發(fā)電裝置，將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能。儲(chǔ)能電源是衛(wèi)星陰影區(qū)唯一的能源，在衛(wèi)星有峰值功率需求時(shí)，也提供能量。電源控制設(shè)備在光照區(qū)完成對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在地影區(qū)對(duì)蓄電池組實(shí)施充放電控制及保護(hù)等，完成遙測(cè)信號(hào)的取樣及預(yù)處理，接受并執(zhí)行遙控指令及地面有線指令。配電系統(tǒng)包括功率變換單元、控制單元、分流調(diào)節(jié)單元。微小衛(wèi)星由于系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此配電系統(tǒng)與供電系統(tǒng)合二為一，統(tǒng)稱電源系統(tǒng)。

能源系統(tǒng)是微小衛(wèi)星其他功能正常進(jìn)行的保障，而且由于星用能源系統(tǒng)對(duì)電子元器件有著較高的要求，因此，微小衛(wèi)星用能源系統(tǒng)多采用可靠性高、集成度低的器件構(gòu)成的DET能量傳輸方式，但是，隨著工業(yè)用電子元器件的發(fā)展，成熟的高集成度的工業(yè)用芯片已經(jīng)能夠滿足星用電子元器件的需求，為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能量傳輸方式成為微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，但常見的MPPT能量傳輸方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。下面就DET能量傳輸方式和MPPT能量傳輸方式作進(jìn)一步分析如下：

(1)DET方式的太陽(yáng)電池陣的輸出功率直接傳遞給負(fù)載，采用分流器調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池陣的輸出功率，使母線電壓維持在預(yù)定范圍內(nèi)，將超過(guò)負(fù)載需要的功率消耗掉，屬于耗散型調(diào)節(jié)方式。同時(shí)，母線電壓設(shè)定值與太陽(yáng)電池陣最大功率點(diǎn)電壓值不一致，所以DET方式無(wú)法最大程度利用太陽(yáng)電池功率。

(2)常見MPPT能量傳輸方式電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電壓轉(zhuǎn)換和追蹤算法實(shí)現(xiàn)電路都存在功耗。MPPT方式的太陽(yáng)電池陣與一個(gè)DC/DC變換器串聯(lián)。它根據(jù)太陽(yáng)電池陣的輸出伏安特性曲線動(dòng)態(tài)地改變工作電壓點(diǎn)，使工作電壓點(diǎn)處于峰值功率點(diǎn)，然后該變換器將峰值的輸入功率轉(zhuǎn)換成所需的輸出功率。但是其中的變換器電路和最大功率點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)電路都存在著功耗。

另外在一些能源系統(tǒng)中，充電電流過(guò)大時(shí)，采取直接切斷充電回路方式，不僅帶來(lái)了能量損失，而且使用的MPPT方式相對(duì)復(fù)雜，變換器電路和最大功率點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)電路存在損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有充電管理的微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)，包括太陽(yáng)電池陣、帶MPPT充電管理單元、電壓變換單元、電池管理單元和蓄電單元，所述帶MPPT充電管理單元與所述太陽(yáng)電池陣相連、用于設(shè)定所述太陽(yáng)電池陣的輸出電壓以輸出最大功率；所述電壓變換單元與所述帶MPPT充電管理單元相連、用于將帶MPPT充電管理單元的輸出電壓變換成負(fù)載所需的電壓；所述電池管理單元分別與所述帶MPPT充電管理單元和蓄電單元相連、用于接收帶MPPT充電管理單元的輸出電壓并輸出與所述蓄電單元一致的輸出電壓。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述帶MPPT充電管理單元包括芯片U1、電阻R1～R6、電容C1～C5、二極管D2、開關(guān)管Q1～Q2、電感L1，所述電阻R1、R2的一端均與U1的MPPTSET腳相連，所述電阻R1、R2的另一端分別與所述太陽(yáng)電池陣的正負(fù)極相連，所述U1的VCC端經(jīng)電容C1與GND相連并經(jīng)電阻R3與太陽(yáng)電池陣的正極相連，所述二極管D2的正極與U1的REGN端相連并經(jīng)電容C2與GND相連，所述D2的負(fù)極與U1的BTST端相連并經(jīng)電容C3與U1的PH端相連，所述開關(guān)管Q1的G極與U1的HIDRV端相連，Q1的S極與Q2的D極相連，Q1的D極與太陽(yáng)電池陣的正極相連；Q2的G極與U1的LODRV端相連，Q2的S極與GND相連，所述電感L1的一端與U1的PH端相連，另一端分別與電阻R4的一端和U1的SRP端相連，電阻R4的另一端與U1的SRN端相連，電容C4與電阻R4并聯(lián)，電阻R5的一端與電阻R4的另一端相連，電阻R5的另一端與U1的VFB端相連并經(jīng)電阻R6與GND相連，所述電容C5與電阻R5和R6并聯(lián)。

所述太陽(yáng)電池陣的正極與開關(guān)管Q1之間串聯(lián)有二極管D1，所述D1的正極與太陽(yáng)電池陣的正極相連，負(fù)極與Q1的D極相連。

所述電壓變換單元包括芯片U2、電阻R7～R11、電容C6～C7，U2的VIN端連接帶MPPT充電管理單元的輸出端和電池管理單元的輸入端，電阻R7的一端與U2的VIN端相連，另一端與U2的EN端相連并經(jīng)電阻R8與GND相連；電阻R9的一端與U2的RON相連，另一端與U2的VIN端相連并經(jīng)電容C6與GND相連，U2的SS端經(jīng)電容C7與GND相連，所述電阻R11的一端與U2的FB端相連并經(jīng)電阻R10與GND相連，另一端連接U2的VOUT端并經(jīng)電容C9與GND相連。

所述電阻R11并聯(lián)有電容C8。

所述電池管理單元包括芯片U3，電阻R12～R14、開關(guān)管Q3～Q4、電容C10～C11；所述電阻R12的一端與U3的VM端相連，另一端與Q4的S極相連，Q4的G極與U3的CO端相連，Q4的D極與Q3的D極相連，Q3的G極與U3的DO極相連，Q3的S極與帶MPPT充電管理單元的輸出端相連，所述電阻R13的一端與U3的VDD相連，另一端與蓄電單元相連，電阻R14的一端與U3的VC相連，并經(jīng)C11與GND相連，另一端與蓄電單元相連，所述電容C10的一端與U3的VSS端相連，另一端與U3的VDD端相連。

所述太陽(yáng)電池陣包括多個(gè)太陽(yáng)電池組，多個(gè)太陽(yáng)電池組之間相互并聯(lián)，每個(gè)太陽(yáng)電池組包括多個(gè)串聯(lián)的太陽(yáng)電池。

每個(gè)太陽(yáng)電池組中均串聯(lián)有一個(gè)防反二極管，所述防反二極管的正極與輸出負(fù)端相連，負(fù)極與輸出正端相連。

所述太陽(yáng)電池為砷化鎵太陽(yáng)電池。

所述蓄電單元為鋰離子蓄電池。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明的微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)，采用帶MPPT的充電管理單元，應(yīng)用一種簡(jiǎn)便的MPPT方式，將MPPT和充電管理單元結(jié)合起來(lái)簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)確保太陽(yáng)電池陣最大功率輸出，電池管理單元能對(duì)蓄電單元充電進(jìn)行控制，并且可以限制蓄電單元的充電電流，防止其輕易的進(jìn)入過(guò)充電電流保護(hù)，而且電壓變換單元能夠根據(jù)負(fù)載的要求輸出相對(duì)應(yīng)的電壓。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的方框結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明的太陽(yáng)電池陣的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的帶MPPT充電管理單元的電路原理圖。

圖4為本發(fā)明的電壓變換單元的電路原理圖。

圖5為本發(fā)明的電池管理單元的電路原理圖。

圖中標(biāo)號(hào)表示：1、太陽(yáng)電池陣；2、帶MPPT充電管理單元；3、電壓變換單元；4、電池管理單元；5、蓄電單元。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

如圖1至圖5所示，本實(shí)施例的微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)，包括太陽(yáng)電池陣1、帶MPPT充電管理單元2、電壓變換單元3、電池管理單元4和蓄電單元5，帶MPPT充電管理單元2與太陽(yáng)電池陣1相連、用于設(shè)定太陽(yáng)電池陣1的輸出電壓以輸出最大功率；電壓變換單元3與帶MPPT充電管理單元2相連、用于將帶MPPT充電管理單元2的輸出電壓變換成負(fù)載所需的電壓；電池管理單元4分別與帶MPPT充電管理單元2和蓄電單元5相連、用于接收帶MPPT充電管理單元2的輸出電壓并輸出與蓄電單元5一致的輸出電壓。本發(fā)明的微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)，采用帶MPPT的充電管理單元，應(yīng)用一種簡(jiǎn)便的MPPT方式，將MPPT和充電管理單元結(jié)合起來(lái)簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)確保太陽(yáng)電池陣1最大功率輸出，電池管理單元4能對(duì)蓄電單元5充電進(jìn)行控制，并且可以限制蓄電單元5的充電電流，防止其輕易的進(jìn)入過(guò)充電電流保護(hù)，而且電壓變換單元3能夠根據(jù)負(fù)載的要求輸出相對(duì)應(yīng)的電壓。

如圖3所示，本實(shí)施例中，帶MPPT充電管理單元2包括芯片U1(如BQ24650)、電阻R1～R6、電容C1～C5、二極管D2、開關(guān)管Q1～Q2、電感L1，電阻R1、R2的一端均與U1的MPPTSET腳相連，電阻R1、R2的另一端分別與太陽(yáng)電池陣1的正負(fù)極相連，電阻R1和R2用于設(shè)定太陽(yáng)電池陣1的最大功率點(diǎn)電壓，當(dāng)太陽(yáng)電池陣1電壓低于最大功率點(diǎn)電壓時(shí)，芯片U1降低輸出電流，使輸入電壓升高至最大功率點(diǎn)電壓，實(shí)現(xiàn)最大功率輸出；U1的VCC端經(jīng)電容C1與GND相連并經(jīng)電阻R3與太陽(yáng)電池陣1的正極相連，即用于給芯片U1供電；二極管D2的正極與U1的REGN端相連并經(jīng)電容C2與GND相連，D2的負(fù)極與U1的BTST端相連并經(jīng)電容C3與U1的PH端相連，開關(guān)管Q1的G極與U1的HIDRV端相連，Q1的S極與Q2的D極相連，Q1的D極與太陽(yáng)電池陣1的正極相連；Q2的G極與U1的LODRV端相連，Q2的S極與GND相連，電感L1的一端與U1的PH端相連，另一端分別與電阻R4的一端和U1的SRP端相連，電阻R4的另一端與U1的SRN端相連，電容C4與電阻R4并聯(lián)，電阻R5的一端與電阻R4的另一端相連，電阻R5的另一端與U1的VFB端相連并經(jīng)電阻R6與GND相連，電容C5與電阻R5和R6并聯(lián)。其中開關(guān)管Q1、Q2是同步整流降壓電路的上下兩開關(guān)管，Q1為上管，Q2是下管；D2、C3提供上管懸浮驅(qū)動(dòng)電路所需的壓差；HIDRV、LODRV分別是上管和下管的驅(qū)動(dòng)端口；電感L1是降壓電感，使電路工作在降壓階段；電阻R4是充電電流設(shè)置電阻，可通過(guò)R4來(lái)設(shè)定輸出電流；C4是并在R4兩端的濾波電容；R5、R6與VFB引腳相連，用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行反饋控制；C5是輸出濾波電容；通過(guò)R4可實(shí)現(xiàn)恒流充電，當(dāng)充電電流大于設(shè)定電流值時(shí)，SRP、SRN反饋信號(hào)，調(diào)整開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而降低充電電流值到設(shè)定值，防止了蓄電單元5進(jìn)入過(guò)電流充電保護(hù)狀態(tài)，因?yàn)檫^(guò)電流充電保護(hù)狀態(tài)往往帶來(lái)能量的損耗。

本實(shí)施例中，太陽(yáng)電池陣1的正極與Q1之間串聯(lián)有二極管D1，D1的正極與太陽(yáng)電池陣1的正極相連，負(fù)極與Q1的D極相連，防止能量從蓄電單元5側(cè)灌入太陽(yáng)電池陣1。

如圖4所示，本實(shí)施例中，電壓變換單元3包括芯片U2、電阻R7～R11、電容C6～C8，其中U2的型號(hào)為L(zhǎng)M12003，其內(nèi)部集成了開關(guān)管和屏蔽電感器；U2的VIN端連接帶MPPT充電管理單元2的輸出端和電池管理單元4的輸入端，用于檢測(cè)端口電壓；電阻R7的一端與U2的VIN端相連，另一端與U2的EN端(使能端)相連并經(jīng)電阻R8與GND相連，；電阻R9的一端與U2的RON相連，另一端與U2的VIN端相連并經(jīng)電容C6與GND相連R9是導(dǎo)通時(shí)間電阻，與VIN配合可設(shè)置導(dǎo)通時(shí)間，其中C6為輸入電壓的濾波電容；U2的SS端經(jīng)電容C7(軟啟動(dòng)電容)與GND相連，電阻R11的一端與U2的FB端相連并經(jīng)電阻R10與GND相連，另一端連接U2的VOUT端并經(jīng)電容C9與GND相連，其中C9對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波，電阻R10和R11用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制，電容C8與電阻R11并聯(lián)，對(duì)環(huán)路控制提供相位補(bǔ)償，提高輸出電壓和穩(wěn)定性。輸出電壓可通過(guò)R10、R11設(shè)置為所需的3.3V和5V。

如圖5所示，本實(shí)施例中，電池管理單元4包括芯片U3(如S8252)，電阻R12～R14、開關(guān)管Q3～Q4(其中Q3為放電執(zhí)行器件、Q4為充電執(zhí)行器件)、電容C10～C11；電阻R12的一端與U3的VM端相連，另一端與Q4的S極相連，電阻R12應(yīng)對(duì)充電器的反向連接，并作為過(guò)電流/充電器檢測(cè)端子連接電阻；Q4的G極與U3的CO端(充電控制口)相連，Q4的D極與Q3的D極相連，Q3的G極與U3的DO(放電控制口)極相連，Q3的S極與帶MPPT充電管理單元2的輸出端相連，電阻R13的一端與U3的VDD相連，另一端與蓄電單元5相連，電阻R14的一端與U3的VC相連，并經(jīng)C11與GND相連，另一端與蓄電單元5相連，電容C10的一端與U3的VSS端相連，另一端與U3的VDD端相連。其中電阻R13和R14作為ESD保護(hù)功能，并結(jié)合電容C10、C11形成高頻濾波電路；通過(guò)監(jiān)視連接在VDD引腳-VSS引腳間的電池電壓以及VM引腳-VSS引腳間的電壓差，來(lái)控制充電和放電。

如圖2所示，本實(shí)施例中，太陽(yáng)電池陣1包括多個(gè)太陽(yáng)電池組，多個(gè)太陽(yáng)電池組之間相互并聯(lián)，每個(gè)太陽(yáng)電池組包括多個(gè)串聯(lián)的太陽(yáng)電池。其中太陽(yáng)電池采用30×40mm的三結(jié)砷化鎵高效太陽(yáng)電池作為發(fā)電單元。如圖2所示，采用6片砷化鎵太陽(yáng)電池串聯(lián)，然后2串并聯(lián)的方式進(jìn)行排布，共12片電池，用特定的膠表貼在星體表面，構(gòu)成一個(gè)太陽(yáng)電池陣1列。每片三結(jié)砷化鎵間距約0.5mm，串間距約1mm，安裝邊約9mm。每一串電池片均串接一個(gè)防反二極管，防反二極管的正極與輸出負(fù)端相連，負(fù)極與輸出正端相連，每一塊電池片內(nèi)部自帶旁路二極管。

本實(shí)施例中，蓄電單元5為鋰離子蓄電池。根據(jù)微小衛(wèi)星母線電壓7V～8.4V，單體鋰離子蓄電池最高充電電壓為4.2V，可計(jì)算出電池組的最大串聯(lián)節(jié)數(shù)為2節(jié)。為保證鋰離子蓄電池供電的穩(wěn)定性及長(zhǎng)期使用壽命，鋰離子蓄電池的放電深度取10％～20％，鋰離子蓄電池按10Ah容量設(shè)計(jì)可滿足需求。10Ah容量可通過(guò)并聯(lián)三串容量為3400mAh的18650鋰離子蓄電池來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明基于成熟工業(yè)芯片提出的微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)，節(jié)省了資源成本。太陽(yáng)電池陣1采用轉(zhuǎn)換效率高的電池片以最大限度獲取太陽(yáng)能；帶MPPT充電管理單元2能夠最大限度地利用太陽(yáng)能電池陣輸出，并對(duì)蓄電池充電進(jìn)行控制，限定蓄電池充電電流，不讓其輕易陷入過(guò)充電電流保護(hù)；電壓變換單元3將帶MPPT充電管理單元2輸出的電壓值進(jìn)行變換，輸出滿足各負(fù)載要求的能源；電池管理單元4對(duì)蓄電池的充電情況進(jìn)行控制，不會(huì)輕易進(jìn)入過(guò)電流充電保護(hù)，節(jié)約能源。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。