基于超级电容的微纳卫星电源系统技术方案

本发明专利技术公开了基于超级电容的微纳卫星电源系统，包括：超级电容、能量输入模块；所述能量输入模块包括太阳能电池阵，向超级电容充电，超级电容通过母线和星上载荷电连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星在轨工作供电系统，特别涉及基于超级电容的微纳卫星电源系统。
技术介绍
卫星在轨工作的能量密度和功率密度是衡量卫星带载能力的重要指标，而体积小重量轻的微纳卫星普遍采用Ni-Cd或Li-ion(锂离子)电池，尤其是Li-ion电池的能量密度可达150Wh/kg，但功率密度均小于75W/kg，且为了延长在轨工作寿命，电池放电深度一般要求不高于20％。目前高功耗负载的在轨应用越来越普遍，通过增加蓄电池数量来达到设计要求，增加了系统重量和体积，也无法有效提高系统性能，这将限制微纳卫星的应用。目前超级电容(EDLC)具有很高的功率密度(>14000w/kg)，放电深度可达100％，且内阻小，充放电循环次数可超过万次，充放电循环寿命远长于蓄电池。AlkaliM,EdriesM,KhanAR,等人发表的PreliminaryStudyofElectricDoubleLayerCapacitorasanEnergyStorageofSimpleNanosatellitePowerSystem表明超级电容的操作温度范围在-40～+65℃，适应卫星在轨工作需求；真空环境对超级卫星基本没有影响，震动测试结果满足要求，可以用于太空环境。此外，目前设计超级电容的在轨应用仅将其作为能量缓冲或中转单元。李洪强的专利“一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统”将超级电容作为蓄电池缓冲区，利用其无记忆、长寿命的特点，并采用阶梯缓冲渐变式设计，目的在于提高卫星电源系统的寿命。李向阳,石德乐,李振宇等人发表的论文“无线能量传输系统能源管理技术研究”将超级电容用于阴影区或应急情况供电，通过无线能量传输系统为超级电容快速充电，并由超级电容对蓄电池组充电，由蓄电池为整星提供稳定的一次母线电压。超级电容没有直接用于主供电单元。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是现有技术中，卫星电源系统功率密度不足，限制了微纳卫星在高功耗负载领域的应用；为解决所述问题，本专利技术提供基于超级电容的微纳卫星电源系统。本专利技术提供的基于超级电容的微纳卫星电源系统包括：超级电容、能量输入模块；所述能量输入模块包括太阳能电池阵，向超级电容充电，超级电容通过母线和星上载荷电连接。进一步，还包括：管理单元，所述管理单元基于最大功率跟踪算法控制能量输入模块向超级电容充电。进一步，还包括：蓄电池组和管理单元；所述蓄电池组和超级电容分别通过不调节一次母线与能量输入模块连接；所述管理单元控制蓄电池组和超级电容的充电状态，并切换超级电容或蓄电池组向星上载荷供电。进一步，管理单元监测超级电容的电压，检测到超级电容的电压大于限制电压上限，则断开超级电容与能量输入模块之间的开关；检测到超级电容的电压小于预设电压下限，则闭合超级电容与能量输入模块之间的开关。进一步，管理单元监测蓄电池组的充电电压和充电电流；充电电流大于预设的最大允许电流时切换为恒流充电；蓄电池组继续充电达到限制电压时转化为恒定电压充电。进一步，工作模式为：太阳能电池阵供电充足时，供电单元为太阳能电池阵，优先为超级电容充电；光照区，太阳能电池阵供电不足时，供电单元为太阳能电池阵和超级电容，超级电容电压过低时切换到蓄电池组供电；阴影区，平台工作，供电单元为蓄电池组，蓄电池组电压过低时切换至超级电容供电；阴影区，大功率负载工作，供电单元为超级电容。本专利技术的优点包括：本专利技术的能量存储系统采用超级电容器作为主能量存储单元，充放电速度快，几十秒至数分钟内就可以完成充放电，对平台功率较小而负载功率很高的微纳卫星，可快速大电流放电，支持大功率使用；超级电容突破了传统电池的使用次数和放电深度的限制，放电深度可达100％，反复充放电达几万次，使用寿命长，可有效增加高功率微纳卫星的在轨工作时间；超级电容结合蓄电池使用可实现真正意义上的高功率密度和高能量密度的电源系统。附图说明图1为本专利技术实施例提供的基于超级电容的微纳卫星电源系统的结构示意图。图2是本专利技术实施例提供的基于超级电容的微纳卫星电源系统的充电模式转换原理图。具体实施方式下文中，结合附图和实施例对本专利技术的精神和实质作进一步阐述。本专利技术的实施例提供一种基于超级电容的微纳卫星电源系统，本实施例能量存储系统采用超级电容器作为主能量存储单元。如图1所示，本专利技术实施例提供的基于超级电容的微纳卫星电源系统包括：超级电容、能量输入模块01；所述能量输入模块01包括太阳能电池阵，向超级电容充电；能量存储模块02有超级电容和蓄电池组成，储能单元通过母线和02卫星平台和载荷电连接；还包括：管理单元，所述管理单元基于最大功率跟踪算法控制能量输入模块向超级电容充电。为保护超级电容，在充电时管理单元检测电容电压，在电容额定电压范围内，采用限压恒流充电，且由于超级电容有漏电流存在，在达到额定电压之后，对超级电容采用恒定电压的小电流浮充充电；并设置预警电压值，当超过预警电压时管理单元断开充电电路；当低于预警电压时管理单元接通充电电路。放电电路使用放电调节器控制，在太阳电池阵输入能量充足时，由电池阵直接供电，并可同时为超级电容或锂离子蓄电池组充电；当太阳电池阵输入能量不足或处于阴影区时，管理单元根据当前储能组情况选择放电单元，由放电调节器控制超级电容或锂离子组放电。电源系统采用不调节母线的拓扑方式，输出阻抗较低，最大限度的满足了短期峰值负载或脉冲大功率负载的供电需要，并最大化降低控制器件质量；基于MPPT升/降压充电调节器调节太阳电池阵功率输入，一次母线电压可通过放电调节器控制输出供电电压，优化太阳电池发电效能、降低飞行产品成本；该种拓扑结构及控制方式能够满足高峰值功率载荷的短时峰值供电需求，该功率数值远远大于太阳电池阵所能提供的发电容量；平台采用不调节母线，通过放电调节器控制输出高精度稳压电源，以满足载荷和平台高质量的供电需求。在本专利技术的优选实施例中，同时备份蓄电池组作为能量备份，作为卫星入轨初始时刻和平台工作期间的能量输出。继续参考图1，蓄电池组和管理单元；所述蓄电池组和超级电容分别通过不调节一次母线与能量输入模块连接；所述管理单元控制蓄电池组和超级电容的充电状态，并切换超级电容或蓄电池组向星上载荷供电。所述的蓄电池组采用锂-亚硫酰氯电池或锂离子蓄电池，锂-亚硫酰氯电池能量密度高，不具备反复充放电能力，锂离子蓄电池可反复充放电使用。选择不同的储能配置仅以不同的控制策略来控制，硬件电路可复用，增强了系统的可移植性。具体地，管理单元采集蓄电池组和超级电容的电压、温度、压力等信号，并根据预先制定的工作模式，结合所述信号切换供电单元。在本实施例中，太阳能电池阵供电充足时，供电单元为太阳能电池阵，太阳能电池阵优先为超级电容充电；光照区，太阳能电池阵供电不足时，供电单元为太阳能电池阵和超级电容，超级电容电压过低时切换到蓄电池组供电；阴影区，平台工作，供电单元为蓄电池组，蓄电池组电压过低时切换至超级电容供电；阴影区，大功率负载工作，供电单元为超级电容。在其他实施例中，工作人员可以根据现场情况制定工作模式。如图1所示，所述能量输入模块01包括太阳能电池阵、串联开关、MPPT升/降压充电调节器、MCU控制器和电流检测单元。为最大化利用太阳能电池阵的输入能量，并保护蓄电池组，在正常充电模式下本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于超级电容的微纳卫星电源系统，其特征在于，包括：超级电容、能量输入模块；所述能量输入模块包括太阳能电池阵，向超级电容充电，超级电容通过母线和星上载荷电连接。

【技术特征摘要】
1.基于超级电容的微纳卫星电源系统，其特征在于，包括：超级电容、能量输入模块；所述能量输入模块包括太阳能电池阵，向超级电容充电，超级电容通过母线和星上载荷电连接。2.依据权利要求1所述的基于超级电容的微纳卫星电源系统，其特征在于，还包括：管理单元，所述管理单元基于最大功率跟踪算法控制能量输入模块向储能单元充电。3.依据权利要求1所述的基于超级电容的微纳卫星电源系统，其特征在于，还包括：蓄电池组和管理单元；所述蓄电池组和超级电容分别通过不调节一次母线与能量输入模块连接；所述管理单元控制蓄电池组和超级电容的充电状态，并切换超级电容或蓄电池组向星上载荷和平台供电。4.依据权利要求3所述的基于超级电容的微纳卫星电源系统，其特征在于，管理单元监测超级电容的电压，检测到超级电容的电压大于限制电压上限，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雯雯，孙宁，汪灏，常建平，曹娜，尹超，刘芳，
申请(专利权)人：上海微小卫星工程中心，
类型：发明
国别省市：上海;31