基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的製作方法

2023-05-28 08:14:16 2

基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的製作方法
【專利摘要】基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，涉及皮衛星電源領域。解決了現有皮衛星星載電源系統可靠性差、集成度不高的問題。所述太陽能電池陣用於將太陽能轉換為電能，提供一次能源，並為蓄電池充電，太陽能電池陣控制器的電源信號輸出端同時與蓄電池充電控制器的電源信號輸入端和電源切換控制器的第一電源信號輸入端連接，蓄電池充電控制器的電源信號輸出端連接蓄電池保護裝置的第一電源信號輸入端，蓄電池保護裝置的第二電源信號輸入輸出端連接蓄電池的電源信號輸出輸入端，蓄電池保護裝置的第一電源信號輸出端連接電源切換控制器的第二電源信號輸入端，電源切換控制器同時與母線以及電壓調節控制器連接輸出三種等級的電壓。本發明適用於皮衛星供電。
【專利說明】基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及皮衛星電源控制與分配系統。

【背景技術】
[0002]公知的皮衛星為質量在1-1Okg範圍內的衛星，它具有設計相對簡單，體積小，重量輕，研製成本低，發射周期短等突出優點。電源系統是皮衛星上的關鍵系統，負責為星上其他分系統和有效載荷宮殿的重要任務。因此，提高皮衛星電源系統的可靠性和高效性是皮衛星發展的重要因素。
[0003]目前皮衛星上電源系統功能通常在單片機或FPGA的控制下實現。由於FPGA相對功耗較大，因此在皮衛星上應用相對較少。而對於FPGA或單片機，除Actel的反熔絲FPGA外都存在單粒子效應，引起程序執行錯誤，可能導致電源系統部分或整體功能失效。
[0004]同時，目前常用的皮衛星電源系統結構還存在以下不足:
[0005]電源系統太陽能電池陣沒有專門的控制電路，對太陽能電池陣輸出的調節僅限於限制其最高輸出電壓，不能根據太陽能電池陣輸出特性曲線調節，這使得整星能過獲得的功率有限，常常需要限制載荷工作時間以達到能量平衡；
[0006]其次，蓄電池沒有專門的充放電控制電路，對電池的過衝、過放、過溫保護分布在電源系統各個部分，缺乏模塊化和集成化設計的可靠性和穩定性。


【發明內容】

[0007]本發明為了解決現有皮衛星星載電源系統可靠性差、集成度不高的問題，提出了一種基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統。
[0008]基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統包括太陽能電池陣、太陽能電池陣控制器、蓄電池、蓄電池充電控制器、蓄電池保護裝置、電源切換控制器、過流保護裝置、+3.3V電壓調節控制器和+5V電壓調節控制器，所述太陽能電池陣用於將太陽能轉換為電能，提供一次能源，太陽能電池陣的電源信號輸出端與太陽能電池陣控制器的電源信號輸入端連接，太陽能電池陣控制器的電源信號輸出端同時與蓄電池充電控制器的電源信號輸入端和電源切換控制器的第一電源信號輸入端連接，蓄電池充電控制器的電源信號輸出端與蓄電池保護裝置的第一電源信號輸入端連接，蓄電池保護裝置的第二電源信號輸入輸出端與蓄電池的電源信號輸出輸入端連接，蓄電池保護裝置的第一電源信號輸出端與電源切換控制器的第二電源信號輸入端連接，電源切換控制器的第一電源信號輸出端經過流保護裝置直接輸出母線電壓，電源切換控制器的第二電源信號輸出端經過流保護裝置與+3.3V電壓調節控制器的電源信號輸入端連接，+3.3V電壓調節控制器的電源信號輸出端輸出+3.3V電壓，電源切換控制器的第三電源信號輸出端經過流保護裝置與+5V電壓調節控制器的電源信號輸入端連接，+5V電壓調節控制器的電源信號輸出端輸出+5V電壓。
[0009]所述電源系統還包括控制隔離電路、單片機、電壓電流傳感器、溫度傳感器和總線隔離電路，所述電壓電流傳感器用於採集太陽能電池陣控制器、蓄電池和電源切換控制器輸出的電壓信號和電流信號，電壓電流傳感器的電壓電流信號輸出端與單片機的電壓電流信號輸入端連接，溫度傳感器用於採集電源系統各器件的溫度，溫度傳感器的溫度信號輸出端與單片機的溫度信號輸入端連接，單片機的控制信號輸出端經控制隔離電路同時與每個過流保護裝置的控制信號輸入端連接，單片機的通信信號輸出端經總線隔離電路與外部系統實現信號傳輸。
[0010]有益效果:本發明提出的電源系統中的供電幹路採用純硬體設計，其相對可靠性較軟體控制高，有利於提高電源系統及整形可靠性；太陽能電池陣控制部分採用最大功率點追蹤設計，能夠儘可能的利用太陽能，提高電源系統輸出功率。每個部分採用功能高度集中的模塊化設計，模塊之間以最小耦合方式連接，功能互不影響，可根據不同需求對模塊性能、模塊組合方式等進行調整；利用單片機以最小耦合方式對供電幹路進行有限控制，同時採集電源系統關鍵參數，增強電源系統的智能化程度，同時做到不影響供電功能，從而提高了整個電源系統的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發明的原理示意圖；
[0012]圖2為本發明所述電源系統配電輸出採用分布式配電原理示意圖。

【具體實施方式】
[0013]【具體實施方式】一、結合圖1說明本【具體實施方式】，本【具體實施方式】所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統包括太陽能電池陣1、太陽能電池陣控制器2、蓄電池5、蓄電池充電控制器3、蓄電池保護裝置4、電源切換控制器6、過流保護裝置7、+3.3V電壓調節控制器8和+5V電壓調節控制器9，所述太陽能電池陣I用於將太陽能轉換為電能，提供一次能源，太陽能電池陣I的電源信號輸出端與太陽能電池陣控制器2的電源信號輸入端連接，太陽能電池陣控制器2的電源信號輸出端同時與蓄電池充電控制器3的電源信號輸入端和電源切換控制器6的第一電源信號輸入端連接,蓄電池充電控制器3的電源信號輸出端與蓄電池保護裝置4的第一電源信號輸入端連接，蓄電池保護裝置4的第二電源信號輸入輸出端與蓄電池5的電源信號輸出輸入端連接，蓄電池保護裝置4的第一電源信號輸出端與電源切換控制器6的第二電源信號輸入端連接，電源切換控制器6的第一電源信號輸出端經過流保護裝置7直接輸出母線電壓，電源切換控制器6的第二電源信號輸出端經過流保護裝置7與+3.3V電壓調節控制器8的電源信號輸入端連接，+3.3V電壓調節控制器8的電源信號輸出端輸出+3.3V電壓，電源切換控制器6的第三電源信號輸出端經過流保護裝置7與+5V電壓調節控制器9的電源信號輸入端連接，+5V電壓調節控制器9的電源信號輸出端輸出+5V電壓。
[0014]本發明採用分布式配電方式，擴展方便，採用純硬體設計，供配電功能無需軟體幹預和控制，提高了電源系統的可靠性。
[0015]太陽能電池陣I用於將太陽能轉化為電能，為蓄電池5充電，並為後級電壓調節控制器供電；蓄電池5與太陽能電池陣I並聯，用於儲存電能或輸出電能，在陰影區為輸出負載提供二次能源，為後級電壓調節控制器供電，電壓調節控制器用於將太陽能電池陣I和蓄電池5提供的不穩定電壓轉化為穩定電壓輸出，將功率分配集中到相應的功能模塊。
[0016]蓄電池充電控制器3採用L6924D單晶片鋰離子電池充電控制器，為SPV1040演示版上配套鋰離子電池充電控制器，內部邏輯控制單元能提供鋰離子電池充電所需的CC-CV充電曲線，晶片能根據鋰離子電池狀態調整充電模式，晶片具有過充、過壓、過溫、反向電流保護，晶片外圍電路設計為只要有電源輸入晶片即可根據當前電池狀態自動設定充電模式。
[0017]鋰離子電池過放、過充電、過流保護由過流保護裝置7實現。
[0018]電壓調節控制器採用開關式電源變換器，具有效率高、輸入電壓範圍寬，開關噪聲小的特點。
[0019]【具體實施方式】二、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的區別在於，所述太陽能電池陣控制器2採用最大功率點跟蹤控制器實現。
[0020]本實施方式中，太陽能電池陣控制器2採用最大功率點跟蹤控制器實現，能夠根據光照情況動態調節工作參數，最大限度的利用太陽能。
[0021]太陽能電池陣控制器2選用SPV1040型太陽能電池最大功率點跟蹤(MPPT)控制器，該控制器為純硬體單晶片MPPT控制器，內置MPPT算法，可根據太陽能電池輸出曲線動態調節工作參數，將隨光照改變的太陽能電池陣I輸出轉換為穩定的電壓輸出，為蓄電池5充電，同時為輸出級負載提供電能。
[0022]【具體實施方式】三、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的區別在於，所述電源系統包括多組太陽能電池陣I和多組蓄電池5，每組太陽能電池陣I分別與一個太陽能電池陣控制器2連接，每組蓄電池5分別與一個蓄電池充電控制器3和一個蓄電池保護裝置4連接。
[0023]本實施方式中，每兩片太陽能電池片為一組，連接至一路太陽能電池陣控制器2，各組之間相互獨立，共同為蓄電池充電控制器3及輸出級負載供電；各組蓄電池5、蓄電池充電控制器3和蓄電池保護裝置4的連接相互獨立，通過電源切換控制器6共同為輸出級負載供電。
[0024]【具體實施方式】四、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的區別在於，所述電源切換控制器6採用MOS管與驅動電路實現，所述驅動電路的控制信號輸出端與MOS管的控制信號輸入端連接。
[0025]電源切換控制器6採用由MOS管和相應控制電路組成的理想二極體作為電源切換，具有自身壓降低、體積小、允許通過電流大的特點，能夠根據每路輸入電壓高低自動打開或關閉相應輸出，實現電源選擇功能，即在光照區優先使用太陽能電池陣I供電，陰影區自動切換至蓄電池5供電，並能實現不同組蓄電池之間均衡放電，同時，本實施方式提出的電源切換控制器6相比普通二極體，具有導通態電阻小的特點，能夠大大降低導通損耗，提高電源系統效率；同時，電源切換控制器6還具有可調限流、過流保護、過溫保護等功能，滿足電路可靠性要求。
[0026]電源切換控制器6的使能採用外部RC電路，具有自動重試式過流、短路保護功能，即在負載端發生過流或短路情況時，自動切斷輸出，並在一定時間後嘗試恢復輸出，並檢測過流或短路情況是否繼續存在。
[0027]【具體實施方式】五、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的區別在於，所述+3.3V電壓調節控制器8採用TPS63021型開關電源控制器實現。
[0028]由於母線電壓設定為3.0V-4.5V，因此+3.3V輸出部分需要使用Buck-Boost型開關電源控制器，該控制器內部集成4A MOSFET，可在2.5V以上輸入電壓時提供2A輸出，能夠滿足設計及一定降額要求。
[0029]【具體實施方式】六、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的區別在於，所述+5V電壓調節控制器9採用TPS55340開關電源控制器實現。
[0030]TPS55340開關電源控制器為Boost型開關電源控制器，內部集成5A MOSFET,能夠滿足設計及一定降額要求。
[0031]【具體實施方式】七、結合圖1說明本【具體實施方式】，本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的區別在於，它還包括控制隔離電路10、單片機13、電壓電流傳感器11、溫度傳感器12和總線隔離電路13，所述電壓電流傳感器11用於米集太陽能電池陣控制器2、蓄電池5和電源切換控制器6輸出的電壓信號和電流信號，電壓電流傳感器11的電壓電流信號輸出端與單片機13的電壓電流信號輸入端連接，溫度傳感器12用於採集電源系統各器件的溫度，溫度傳感器12的溫度信號輸出端與單片機13的溫度信號輸入端連接，單片機13的控制信號輸出端經控制隔離電路10同時與每個過流保護裝置7的控制信號輸入端連接，單片機13的通信信號輸出端經總線隔離電路13與外部系統實現信號傳輸。
[0032]單片機13為低功耗單片機，通過電壓、電流、溫度傳感器實現對電源系統關鍵部分電壓、電流、溫度數據採集及處理，並能夠與其他分系統通信。
[0033]單片機13僅實現電源分系統狀態採集和部分次要功能控制功能，其中控制功能通過電容隔離，實現單片機與供電幹路的最小耦合，即便單片機13部分故障也不會影響供電幹路工作。
[0034]在太陽能電池陣控制器2的每一組輸出之後均有一個電壓電流傳感器11，用於檢測不同面太陽光照相對強度，並可由此計算出衛星軸線與太陽夾角，以兼作粗太陽敏感器。
[0035]【具體實施方式】八、本【具體實施方式】與【具體實施方式】七所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的區別在於，所述單片機13採用TI MSP430型低功耗單片機實現。
[0036]由於本發明所述提供的電源系統是基於純硬體實現的，在電路中可以與任何型號的單片機配合使用，為降低自身功耗，可以選用MSP 430F5437A型單片機，自身集成SP1、IIC控制器、16KB RAM.256KB FLASH可保證嵌入式作業系統能夠在其上運行，方便實現系統間通信功能。
[0037]【具體實施方式】九、本【具體實施方式】與【具體實施方式】七所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的區別在於，所述電壓電流傳感器11採用INA219型傳感器實現。
[0038]本實施方式中所述的電壓電流傳感器精度可達0.5%，以數字形式輸出，方便單片機採集數據。
[0039]【具體實施方式】十、本【具體實施方式】與【具體實施方式】七所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統的區別在於，所述溫度傳感器12採用MAXM DS620型數字溫度傳感器實現。
[0040]本實施方式中所述的溫度傳感器的精度可達±0.5°C。
[0041]本發明所述電源系統配電輸出採用分布式配電設計，如圖2所示，每路總輸出根據需要設若干常閉支路和若干受控支路，以+3.3V輸出為例，輸出幹路經支路過流保護開關為通信系統供電，由通信系統控制其他各系統電源開關，各系統電源入口前均有過流保護裝置。
【權利要求】
1.基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，其特徵在於，它包括太陽能電池陣(I)、太陽能電池陣控制器(2)、蓄電池(5)、蓄電池充電控制器(3)、蓄電池保護裝置(4)、電源切換控制器(6)、過流保護裝置(7)、+3.3V電壓調節控制器(8)和+5V電壓調節控制器(9)，所述太陽能電池陣(I)用於將太陽能轉換為電能，提供一次能源，太陽能電池陣(I)的電源信號輸出端與太陽能電池陣控制器(2)的電源信號輸入端連接，太陽能電池陣控制器(2)的電源信號輸出端同時與蓄電池充電控制器⑶的電源信號輸入端和電源切換控制器(6)的第一電源信號輸入端連接，蓄電池充電控制器(3)的電源信號輸出端與蓄電池保護裝置(4)的第一電源信號輸入端連接，蓄電池保護裝置(4)的第二電源信號輸入輸出端與蓄電池(5)的電源信號輸出輸入端連接，蓄電池保護裝置(4)的第一電源信號輸出端與電源切換控制器￠)的第二電源信號輸入端連接，電源切換控制器￠)的第一電源信號輸出端經過流保護裝置(7)直接輸出母線電壓，電源切換控制器(6)的第二電源信號輸出端經過流保護裝置(7)與+3.3V電壓調節控制器(8)的電源信號輸入端連接，+3.3V電壓調節控制器(8)的電源信號輸出端輸出+3.3V電壓，電源切換控制器(6)的第三電源信號輸出端經過流保護裝置(7)與+5V電壓調節控制器(9)的電源信號輸入端連接，+5V電壓調節控制器(9)的電源信號輸出端輸出+5V電壓。
2.根據權利要求1所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，其特徵在於，所述太陽能電池陣控制器(2)採用最大功率點跟蹤控制器實現。
3.根據權利要求1所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，其特徵在於，所述電源系統包括多組太陽能電池陣(I)和多組蓄電池(5)，每組太陽能電池陣(I)分別與一個太陽能電池陣控制器⑵連接，每組蓄電池(5)分別與一個蓄電池充電控制器(3)和一個蓄電池保護裝置(4)連接。
4.根據權利要求1所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，其特徵在於，所述電源切換控制器(6)採用MOS管與驅動電路實現，所述驅動電路的控制信號輸出端與MOS管的控制信號輸入端連接。
5.根據權利要求1所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，其特徵在於，所述+3.3V電壓調節控制器(8)採用TPS63021型開關電源控制器實現。
6.根據權利要求1所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，其特徵在於，所述+5V電壓調節控制器(9)採用TPS55340開關電源控制器實現。
7.根據權利要求1所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，其特徵在於，它還包括控制隔離電路(10)、單片機(13)、電壓電流傳感器(11)、溫度傳感器(12)和總線隔離電路(13)，所述電壓電流傳感器(11)用於採集太陽能電池陣控制器(2)、蓄電池(5)和電源切換控制器(6)輸出的電壓信號和電流信號，電壓電流傳感器(11)的電壓電流信號輸出端與單片機(13)的電壓電流信號輸入端連接，溫度傳感器(12)用於採集電源系統各器件的溫度，溫度傳感器(12)的溫度信號輸出端與單片機(13)的溫度信號輸入端連接，單片機(13)的控制信號輸出端經控制隔離電路(10)同時與每個過流保護裝置(7)的控制信號輸入端連接，單片機(13)的通信信號輸出端經總線隔離電路(13)與外部系統實現信號傳輸。
8.根據權利要求7所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，其特徵在於，所述單片機(13)採用TI MSP430型低功耗單片機實現。
9.根據權利要求7所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，其特徵在於，所述電壓電流傳感器(11)採用INA219型傳感器實現。
10.根據權利要求7所述的基於純硬體實現的皮衛星星載電源系統，其特徵在於，所述溫度傳感器(12)採用MAXM DS620型數字溫度傳感器實現。
【文檔編號】H02J7/35GK104300662SQ201410604324
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】王峰, 馮田雨, 韋明川, 王騁, 陳雪芹, 郭金生, 李冬柏, 邱實 申請人:哈爾濱工業大學