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，也提供能量。電源控制設(shè)備在光照區(qū)完成對太陽電池陣輸出功率進行調(diào)節(jié)，在地影區(qū)對蓄電池組實施充放電控制及保護等，完成遙測信號的取樣及預(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)相對簡單，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)星其他功能正常進行的保障，而且由于星用能源系統(tǒng)對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，但常見的MPPT能量傳輸方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。下面就DET能量傳輸方式和MPPT能量傳輸方式作進一步分析如下：

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

(2)常見MPPT能量傳輸方式電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電壓轉(zhuǎn)換和追蹤算法實現(xiàn)電路都存在功耗。MPPT方式的太陽電池陣與一個DC/DC變換器串聯(lián)。它根據(jù)太陽電池陣的輸出伏安特性曲線動態(tài)地改變工作電壓點，使工作電壓點處于峰值功率點，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算法實現(xiàn)電路都存在著功耗。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、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電池陣相連、用于設(shè)定所述太陽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)方案的進一步改進：

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電池陣的正負極相連，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的正極與太陽電池陣的正極相連，負極與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。

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

每個太陽電池組中均串聯(lián)有一個防反二極管，所述防反二極管的正極與輸出負端相連，負極與輸出正端相連。

所述太陽電池為砷化鎵太陽電池。

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)用一種簡便的MPPT方式，將MPPT和充電管理單元結(jié)合起來簡化了電路結(jié)構(gòu)，同時確保太陽電池陣最大功率輸出，電池管理單元能對蓄電單元充電進行控制，并且可以限制蓄電單元的充電電流，防止其輕易的進入過充電電流保護，而且電壓變換單元能夠根據(jù)負載的要求輸出相對應(yīng)的電壓。

附圖說明

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。

圖中標號表示：1、太陽電池陣；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。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步描述。

如圖1至圖5所示，本實施例的微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)，包括太陽電池陣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與太陽電池陣1相連、用于設(shè)定太陽電池陣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)用一種簡便的MPPT方式，將MPPT和充電管理單元結(jié)合起來簡化了電路結(jié)構(gòu)，同時確保太陽電池陣1最大功率輸出，電池管理單元4能對蓄電單元5充電進行控制，并且可以限制蓄電單元5的充電電流，防止其輕易的進入過充電電流保護，而且電壓變換單元3能夠根據(jù)負載的要求輸出相對應(yīng)的電壓。

如圖3所示，本實施例中，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電池陣1的正負極相連，電阻R1和R2用于設(shè)定太陽電池陣1的最大功率點電壓，當太陽電池陣1電壓低于最大功率點電壓時，芯片U1降低輸出電流，使輸入電壓升高至最大功率點電壓，實現(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)動電路所需的壓差；HIDRV、LODRV分別是上管和下管的驅(qū)動端口；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R4來設(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，用于對輸出電壓進行反饋控制；C5是輸出濾波電容；通過R4可實現(xiàn)恒流充電，當充電電流大于設(shè)定電流值時，SRP、SRN反饋信號，調(diào)整開關(guān)管驅(qū)動信號，從而降低充電電流值到設(shè)定值，防止了蓄電單元5進入過電流充電保護狀態(tài)，因為過電流充電保護狀態(tài)往往帶來能量的損耗。

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

如圖4所示，本實施例中，電壓變換單元3包括芯片U2、電阻R7～R11、電容C6～C8，其中U2的型號為LM12003，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)通時間電阻，與VIN配合可設(shè)置導(dǎo)通時間，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對輸出電壓進行濾波，電阻R10和R11用于對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制，電容C8與電阻R11并聯(lián)，對環(huán)路控制提供相位補償，提高輸出電壓和穩(wěn)定性。輸出電壓可通過R10、R11設(shè)置為所需的3.3V和5V。

如圖5所示，本實施例中，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)對充電器的反向連接，并作為過電流/充電器檢測端子連接電阻；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保護功能，并結(jié)合電容C10、C11形成高頻濾波電路；通過監(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，來控制充電和放電。

如圖2所示，本實施例中，太陽電池陣1包括多個太陽電池組，多個太陽電池組之間相互并聯(lián)，每個太陽電池組包括多個串聯(lián)的太陽電池。其中太陽電池采用30×40mm的三結(jié)砷化鎵高效太陽電池作為發(fā)電單元。如圖2所示，采用6片砷化鎵太陽電池串聯(lián)，然后2串并聯(lián)的方式進行排布，共12片電池，用特定的膠表貼在星體表面，構(gòu)成一個太陽電池陣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防反二極管，防反二極管的正極與輸出負端相連，負極與輸出正端相連，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)計可滿足需求。10Ah容量可通過并聯(lián)三串容量為3400mAh的18650鋰離子蓄電池來實現(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能；帶MPPT充電管理單元2能夠最大限度地利用太陽能電池陣輸出，并對蓄電池充電進行控制，限定蓄電池充電電流，不讓其輕易陷入過充電電流保護；電壓變換單元3將帶MPPT充電管理單元2輸出的電壓值進行變換，輸出滿足各負載要求的能源；電池管理單元4對蓄電池的充電情況進行控制，不會輕易進入過電流充電保護，節(jié)約能源。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。