一种新型商业卫星供电架构的制作方法

1.本实用新型涉及航天器电源系统技术领域，尤其涉及一种新型商业卫星供电架构。


背景技术：

2.卫星是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体，人造卫星一般亦可称为卫星。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，从而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。卫星能源系统作为卫星系统的一大组成部分，其要求同样如此，高效性、普适性、低成本是商业卫星能源系统的设计核心。
3.cn107579587 b公开了一种适用于leo卫星的能源系统及其控制方法，包含太阳电池阵、mppt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。该发明的太阳电池阵利用率高、可靠性高、系统开销小。
4.现有技术中每个卫星的供电装置都是定制式的独立设计，虽然能够满足特定的供电需求，但其较低的适应性、较高的研制成本和较长的研制周期使得不能基于批量化生产来适应多种商业卫星需求。同时，无法很好地对太阳电池阵和/或蓄电池组进行有效的故障隔离。
5.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本实用新型时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本实用新型明不具备这些现有技术的特征，相反本实用新型已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本实用新型所要解决的是卫星供电装置中太阳电池和/或蓄电池在运行过程中出现失效的情况下如何进行故障隔离的问题，通过对卫星供电装置模块化的划分并分别进行控制管理，以实现卫星能源系统在出现故障时能够保证对卫星平台负载的正常供电。
7.本实用新型提供了一种新型商业卫星供电架构，卫星供电架构包括了一种卫星供电装置。
8.卫星供电装置包括用于提供电能的若干产能单元，用于储存产能单元提供的多余的电能并将储存的电能进行二次供应的若干储能单元和用于连接产能单元和储能单元并
与卫星平台负载连接的一次母线。
9.产能单元包括能够将太阳能转换为电能的太阳电池阵。
10.储能单元包括能够将电能与化学能相互转换以储存和释放电能的蓄电池组。
11.太阳电池阵由若干太阳电池单体以串联和/或并联的方式连接而成。
12.蓄电池组由若干蓄电池单体以串联和/或并联的方式连接而成。
13.在太阳电池阵中，由至少一个太阳电池单体连接构成的太阳电池群体能够对应地连接至少一个通断部件。
14.在蓄电池组中，由至少一个蓄电池单体连接构成的蓄电池群体能够对应地连接至少一个通断部件。
15.太阳电池群体/蓄电池群体能够与对应的第一通断部件串联连接，与对应的第二通断部件并联连接。
16.卫星供电装置处于正常工作状态的情况下，第一通断部件能够以连通状态与太阳电池群体/蓄电池群体相连，第二通断部件能够以连通断开状态与太阳电池群体/蓄电池群体相连。
17.太阳电池阵能够与对应的启闭部件串联连接以构成太阳电池阵模块，蓄电池组能够与对应的启闭部件串联连接以构成蓄电池组模块。
18.通断部件通过通断开关的连通或断开实现电信号的开始传输或停止传输。
19.启闭部件通过启闭开关的连通或断开实现电信号的开始传输或停止传输。
20.通断开关/启闭开关的两端分别连接至通断部件/启闭部件的输入端和输出端。
21.可选地，通断开关/启闭开关可以选择机电开关、电子开关或机电开关与电子开关的组合等形式。
22.太阳电池阵模块能够与太阳电池阵控制管理模块连接以构成产能单元。
23.蓄电池组模块能够与蓄电池组控制管理模块连接以构成储能单元。
24.太阳电池阵控制管理模块由mppt电路与控制电路连接而成。
25.控制电路能够分别与太阳电池阵和蓄电池组连接以对电压电流进行监控。
26.蓄电池组控制管理模块的两端分别连接于一次母线和蓄电池组。
27.蓄电池组控制管理模块可以包括两条以并联方式连接但电流流向相反的电路。
28.若干产能单元能够以并联方式连接以构成产能设备。
29.若干产能单元的所有输出端均在电能输出端与一次母线连接。
30.若干储能单元能够以并联方式连接以构成储能设备。
31.若干储能单元的卫星一次母线正极连接于卫星平台负载的负载正极，若干储能单元的卫星一次母线负极连接于卫星平台负载的负载负极，以使得卫星平台负载并联于储能单元的两端。
32.本实用新型的有益之处在于：
33.1、本实用新型提供的一种新型商业卫星供电架构，在对卫星的功能模块重新进行组合划分后，通过启闭部件和/或通断部件对卫星供电装置中的太阳电池阵和/或蓄电池组进行模块化独立控制，以使得在太阳电池阵和/或蓄电池组中出现电池失效的情况时启闭部件和/或通断部件能够保证卫星供电装置的正常工作；
34.2、本实用新型的新型商业卫星供电架构摒弃了传统卫星功能模块的划分方式，而
对功能模块进行了重新划分，使得卫星供电装置的最小功能模块只有两种标准单元(产能单元和储能单元)，在简化了能源系统架构的同时，还提升了卫星供电装置运行的可靠性；
35.3、本实用新型基于形成的标准单元可以实现标准化的批量生产，使得研制成本和研制周期都大幅度降低，从而获得适应性强、可扩展性高的卫星供电装置。
附图说明
36.图1是卫星供电装置在实施例中的结构示意图；
37.图2是卫星供电装置在实施例中的电路原理图；
38.图3是储能单元在实施例中的电路原理图；
39.图4是启闭部件在实施例中的电路原理图；
40.图5是蓄电池组在实施例中的局部结构示意图；
41.图6是通断部件在实施例中的电路原理图；
42.图7是太阳电池阵在实施例中的电路原理图；
43.图8是太阳电池阵控制管理模块在实施例中的电路原理图。
44.附图标记列表
45.100：卫星供电装置
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1：产能设备
46.10：产能单元
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11：太阳电池阵
47.12：太阳电池阵控制管理模块
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13：mppt电路
48.14：控制电路
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15：监测控制部件
49.16：充电控制部件
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17：驱动控制部件
50.18：太阳电池群体
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19：电能输出端
51.2：储能设备
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20：储能单元
52.21：蓄电池组控制管理模块
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22：蓄电池组
53.23：卫星一次母线正极
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24：卫星一次母线负极
54.25：蓄电池群体
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3：卫星平台负载
55.31：负载正极
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32：负载负极
56.4：一次母线
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50：启闭部件
57.51：第一通断部件
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52：第二通断部件
58.53：启闭开关
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54：通断开关
59.55：保护元件
具体实施方式
60.下面结合附图进行详细说明。
61.本实用新型公开了一种卫星供电装置100，其包括至少一个产能单元10和至少一个储能单元20。
62.如图2所示为卫星供电装置100在实施例中的电路原理图。在实施例中，卫星供电装置100仅包含一个产能单元10和一个储能单元20，其中，产能单元10和储能单元20通过一次母线4连接。卫星平台负载3以负载正极31连接于卫星一次母线正极23和负载负极32连接于卫星一次母线负极24的方式并联连接于储能单元20，从而使得卫星供电装置100能够为
卫星平台负载3供电。
63.如图3所示为储能单元20在实施例中的电路原理图。储能单元20至少包括由若干蓄电池单体以串联和/或并联的方式构成的蓄电池组22。可选地，蓄电池组22的蓄电池单体类型可选择镉镍蓄电池或氢镍蓄电池或锂离子蓄电池等。优选地，蓄电池组22的蓄电池单体类型选择锂离子蓄电池。
64.蓄电池组22的输入端与卫星一次母线正极23之间和/或蓄电池组22的输出端与卫星一次母线负极24之间可设置有控制整体电路通断的启闭部件50。如图4所示为启闭部件50在实施例中的电路原理图。启闭部件50内可通过机电开关(继电器或接触器)、电子开关(半导体开关)或机电开关与电子开关的组合等形式的启闭开关整体控制蓄电池组22电流的输入输出。当启闭开关53处于断开状态时，蓄电池组22不能进行电能的输入输出，直至启闭开关53切换为闭合状态。优选地，启闭部件50内的启闭开关串联有保护元件55，以使得启闭部件50可以在多个蓄电池组22并联的情况下，当各蓄电池组22之间存在电压差时，防止各蓄电池组22之间发生电能倒灌。
65.将蓄电池组22的所有蓄电池单体可根据蓄电池单体之间的连接逻辑关系以至少一个蓄电池单体为一组的方式分为若干蓄电池群体25。优选地，每个蓄电池群体25在仅包含一个蓄电池单体时，能够便于对每个蓄电池单体进行独立调控。蓄电池组22内各蓄电池单体之间的连接逻辑关系可大致分为仅串联、仅并联和串/并联组合的连接方式，其中，蓄电池单体的串联能够增加电压但容量不变，蓄电池单体的并联能够增加容量但电压不变，蓄电池单体之间可通过适宜的连接方式使储能单元20的电压及容量能够达到设计需求。优选地，蓄电池组22内各蓄电池单体以串/并联组合的方式连接。当蓄电池组22内仅存在简单连接逻辑关系时，例如蓄电池组22仅通过若干蓄电池单体以串联或并联的单一方式连接时，可将蓄电池组22分为若干一级蓄电池群体25。当蓄电池组22内存在复杂连接逻辑关系时，例如蓄电池组22通过若干蓄电池单体以串联和并联的组合方式连接时，可将蓄电池组22分为若干多级蓄电池群体25。图5为蓄电池组22在实施例中的局部结构示意图，实施例中蓄电池组22的局部结构由三个蓄电池群体25以串联和并联的组合方式连接而成。根据连接逻辑关系，先将蓄电池组22按照串联连接方式进行划分以得到两个一级蓄电池群体25，再将其中一个一级蓄电池群体25按照并联连接方式划分以得到两个二级蓄电池群体25，最终可将该蓄电池组22的局部结构划分为三个不同层级的蓄电池群体25。
66.根据实际需求将蓄电池组22按照划分规则划分为若干蓄电池群体25，尤其是若干多级蓄电池群体25，划分完成的蓄电池群体25都可通过串联和/或并联的方式与对应的通断部件连接。优选地，蓄电池群体25能够串联至少一个通断部件及并联至少一个通断部件。与蓄电池群体25串联连接的通断部件设为第一通断部件，与蓄电池群体25并联连接的通断部件设为第二通断部件52。同一连接方式上多个通断部件的设置可以通过一用一备甚至一用多备的方式预防其中一个通断部件失效而无法完成其既定工作。如图6所示为通断部件在实施例中的电路原理图。通断部件可通过机电开关(继电器或接触器)、电子开关(半导体开关)或机电开关与电子开关的组合等形式的通断开关54控制对应蓄电池群体25电流的输入输出。优选地，并联连接的任意数量的蓄电池群体25可共用同一个第二通断部件52。
67.通断部件可以在蓄电池组22内的其中一个蓄电池群体25存在至少一个蓄电池单体失效时保证蓄电池组22电能的正常输入输出。以锂离子蓄电池为例，其失效是指由某些
特定的本质原因导致电池性能衰减或使用性能异常，分为性能失效和安全性失效。失效蓄电池群体25对应的通断部件能够以接通和/或断开的方式对失效的蓄电池单体进行故障隔离，以使得电流能够借助通断部件避开失效的蓄电池单体而继续在闭合电路中流通。优选地，仅仅当第一通断部件51的通断开关54断开时，第二通断部件52的通断开关54才能够连接。例如，蓄电池群体25(尤其是处于串联连接关系的蓄电池群体25)中存在至少一个蓄电池单体发生内部断路时，对应的第一通断部件51断开，对应的第二通断部件52接通，以使得电流能够从并联的旁路流通而避开失效蓄电池群体25；蓄电池群体25(尤其是处于并联连接关系的蓄电池群体25)中存在至少一个蓄电池单体发生内部断短路时，对应的第一通断部件51断开以避免蓄电池单体内部的热失控而引发安全事故，同时还可保证与其并联的其他蓄电池群体25能够正常流通电流，以维持蓄电池组22的正常工作。以图5所示的蓄电池组22局部结构为例，划分而成的三个蓄电池群体25分别连接有两个通断部件，其中，第一通断部件51以串联连接，第二通断部件52以并联连接，最终分别构成a、b、c结构，即该蓄电池组22可由b结构与c结构并联后一并串联于a结构而构成。当a结构的蓄电池群体25中存在至少一个蓄电池单体发生内部断路时，通过a结构的第一通断部件51断开且第二通断部件52接通的方式避开失效a结构的蓄电池群体25；当b结构(或c结构)的蓄电池群体25中存在至少一个蓄电池单体发生内部短路时，通过b结构(或c结构)断开第一通断部件51的方式避开失效b结构(或c结构)的蓄电池群体25。上述失效情况各通断部件中的通断开关54的启闭情况如图5示出。
68.根据一种优选实施方式，在若干蓄电池组22以并联方式连接时，为保证蓄电池组22的运行安全，可在蓄电池组22的正极和负极分别并联于同一个总旁路部件56的两端，以使得总旁路部件56能够跨接在蓄电池组22的正极和负极上，从而进一步增加蓄电池组22的充放电的安全性。优选地，总旁路部件56可设置为与第一通断部件51或第二通断部件52相同或相似的电路结构。
69.若干蓄电池群体25与对应的通断部件连接以构成蓄电池组22，蓄电池组22与启闭部件50连接以构成蓄电池组模块，蓄电池组模块能够与蓄电池组控制管理模块21连接以构成储能单元20。蓄电池组控制管理模块21可以对蓄电池组22的充电和/或放电进行控制，其中，蓄电池组控制管理模块21可通过并联的热备份方式设置至少一个放电调节器(bdr)以降压、升压和/或降升压的放电调节方式对输出电能进行调节，以实现对放电调节器(bdr)的均流控制。
70.为储能单元20和/或卫星平台负载3提供电能的产能单元10至少包括由若干太阳电池单体根据供电需求以串联和/或并联的方式连接而成的太阳电池阵11。可选地，太阳电池阵11的太阳电池单体可选择转换效率为12％～12.5％的常规硅电池、转换效率为16.7％的低阻背场的绒面硅电池、转换效率约为19％的大面积单结gaas/ge电池及转换效率可达28.5％的三结gainp2/gaas/ge电池等。由于太阳电池阵11的太阳电池单体的转换效率能够衡量太阳电池的功率输出水平，转换效率越高，电池的性能越好。优选地，太阳电池阵11的太阳电池单体采用转换效率更高的三结砷化镓(gainp2/gaas/ge)电池。太阳电池阵11安装在结构基板上并能够通过压紧锁紧机构和释放展开机构分别实现太阳电池阵11在卫星上的缩紧与释放。当太阳电池阵11处于非工作状态时，压紧锁紧机构可以将太阳电池阵11以多层折叠的方式可拆卸地固定在卫星上；当太阳电池阵11由非工作状态切换为工作状态，
释放展开机构可以将处于折叠状态的太阳电池阵11解除锁紧以达到展开状态。
71.由于太阳电池阵11也是通过若干太阳电池单体以串联和/或并联的方式构成的组合式模块，当其中一个太阳电池单体出现失效的情况时，都可能会引起整个太阳电池阵11的失效。所以太阳电池阵11也可以通过启闭部件50和/或通断部件对失效的太阳电池单体进行故障隔离。
72.太阳电池阵11的输出端串联于启闭部件50以使得通过启闭部件50的断开或闭合完成太阳电池阵11整体电流的停止输出或开始输出。当太阳电池阵11由于发射时的颠簸等各种影响因素而整体失效或达不到产能预定标准时，通过启闭部件50停止电流的输出直至可能随着卫星的运行太阳电池阵11逐渐恢复效能。
73.如图7所示为太阳电池阵11在实施例中的电路原理图。太阳电池阵11可根据太阳电池单体的连接关系以至少一个太阳电池单体为一组的形式划分为若干太阳电池群体18，尤其是若干多级太阳电池群体18。划分好的太阳电池群体18可以串联和/或并联的方式连接至通断部件。通断部件与太阳电池群体18的连接方式近似或等同于通断部件与蓄电池群体25的连接方式。优选地，太阳电池群体18能够串联至少一个通断部件及并联至少一个通断部件。太阳电池群体18以串联的方式与第一通断部件51连接，太阳电池群体18以并联的方式与第二通断部件52连接。通过通断部件对失效的太阳电池单体进行故障隔离，以使得太阳电池阵11能够正常输出电能。
74.若干太阳电池群体18与对应的通断部件连接以构成太阳电池阵11，太阳电池阵11与启闭部件50连接以构成太阳电池阵模块，太阳电池阵模块能够与太阳电池阵控制管理模块12连接以构成产能单元10，以使得太阳电池阵控制管理模块12能够对太阳电池阵11转换的电能进行控制管理后再通过与电能输出端19连接的一次母线4向储能单元20和/或卫星平台负载3输出。如图8所示为太阳电池阵控制管理模块12在实施例中的电路原理图。太阳电池阵控制管理模块12由mppt电路13和控制电路14组成，mppt电路13的输入端连接至太阳电池阵11的输出端，mppt电路13的输出端并联连接至储能单元20的蓄电池组22和卫星平台负载3。控制电路14与mppt电路13闭环连接，以实现对mppt电路13的闭环控制。mppt电路13包含至少两个输入端和输出端均并联连接的dc-dc转换部件，任一dc-dc转换部件是另一个dc-dc转换部件的热备份。串联在太阳电池阵11与蓄电池组22之间的dc-dc转换模块可采用升压变换器、降压变换器或者升降压变换器。控制电路14包括至少两个监测控制部件15、至少两个充电控制部件16和驱动控制部件17。并联连接的至少两个监测控制部件15的输入端连接至太阳电池阵11，输出端经过第一二极管连接至驱动控制部件17，使得监测控制部件15能够对与其连接的太阳电池阵11的输出电压信号和输出电流信号进行采集，并将mppt控制信号传输至驱动控制模块；并联连接的至少两个充电控制部件16的输入端连接至蓄电池组22，输出端经过第二二极管连接至驱动控制部件17，使得充电控制部件16能够对与其连接的蓄电池组22的电压信号和电流信号进行采集，并将充电控制信号传输至驱动控制部件17。输入端分别连接至第一二极管和第二二极管的驱动控制部件17能够将收到的mppt控制信号和/或充电控制信号发送至与其输出端连接的mppt电路13的dc-dc转换模块。可选地，太阳电池阵控制管理模块12可选用st公司生产的spv1020芯片实现。
75.如图1所示为卫星供电装置100在实施例中的结构示意图。在实施例中，卫星供电装置100包含了若干并联连接的产能单元10和若干并联连接的储能单元20，其中，若干产能
单元10并联构成产能设备1，若干储能单元20并联构成储能设备2，产能设备1与储能设备2通过一次母线4连接。产能设备1中的所有产能单元10均有相同的连接结构，但构成产能单元10的太阳电池阵11和太阳电池阵控制管理模块12的设计参数可以不同，每个太阳电池阵控制管理模块12能够分别监测对应太阳电池阵11所转换电能的电压电流并进行调控，使每个产能单元10的输出端输出的电能的参数均相同，例如每个产能单元10能够通过自身结构将多余的电能消耗。储能设备2中的所有产能单元10均有相同的连接结构，但构成储能单元20的蓄电池组22和蓄电池组控制管理模块21的设计参数可以不同，每个蓄电池组控制管理模块21能够分别监测对应蓄电池组22的电压电流并进行调控，使每个储能单元20的输出端输出的电能的参数均相同。具有相同连接结构的产能单元10/储能单元20能够提前设定不同设计参数对应的若干标准产品，标准产品通过不同数量、不同类型的组合就能够快速便捷地满足不同卫星的能源需求，在可批量化生产出适应性广、可扩展性强的卫星供电装置100的同时，还能大幅度缩短卫星研制周期和成本。
76.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。