一种电源架构制造技术

本发明专利技术涉及一种电源架构，至少包括储能模块以及管理模块，所述管理模块配置为：根据所述储能模块内的至少一个所述超级电容在充电的过程中获取的电压值和/或电流值预期每个超级电容的放电时间并基于所述放电时间的长短顺序以吸收母线和所述超级电容反馈的能量的方式依次切断多个超级电容之间的连接。

【技术实现步骤摘要】
一种电源架构本专利技术是申请号为202010375077.2，申请日为2020年05月07日，申请类型为专利技术，申请名称为一种卫星电源系统及其配置方法的分案申请。
本专利技术涉及卫星在轨供电
，尤其涉及一种超长寿命的卫星电源系统。
技术介绍
目前绝大多数人造卫星均使用太阳能作为能源的输入，而太阳能光伏应用属于间歇能源利用，很多情况下需要与之配套的蓄电系统。现有卫星的蓄电系统一般采用锂电池(Li-ion)，锂电池的能量密度高达150Wh/kg，但是其功率密度小于75W/kg，而且为了延长卫星在轨工作寿命，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。超级电容(ElectricalDoubleLayerCapacitor，EDLC)具有很高的功率密度(大于1400W/kg)，放电深度可到100％，并且充放电循环次数可超过万次，充放电循环寿命远高于锂电池。而且文献[1]Alkali,Muhammad&Edries,Mohamed&Khan,Arifur&H.Masui,&Cho,Minkwon.PreliminaryStudyofElectricDoubleLayerCapacitorasanEnergyStorageofSimpleNanosatellitePowerSystem.[C]//65thInternationalAstronauticCongress(IAC),29thSeptember-4thOctober2014表明超级电容的操作温度范围在-40～+65℃，符合卫星在轨工作的温度要求，并且真空环境对超级电容基本没有影响，震动测试结果满足要求。但是超级电容的能量密度远远低于锂电池的能量密度。例如，公开号为CN106602694A的中国专利文献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；还包括管理单元，管理单元基于最大功率跟踪算法控制能量输入模块储能单元充电；所述电源系统包括蓄电池组；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。该专利技术通过超级电容与蓄电池的组合实现高功率密度和高能量密度的星上电源系统。超级电容-蓄电池构成的复合电源，能够将超级电容的高功率密度特点和蓄电池的高能量密度特点结合，既能提高电源系统的短时高功率输出能力，也具备持久的动力输出能力，并且超级电容的循环寿命高，寿命不受放电深度的影响，能够极大的提高电源系统的寿命。但是，单个的超级电容工作电压普遍偏低(大多数情况下不超过3V)，因此在星上使用场景下，为了匹配卫星平台内不同用电设备的功率要求，常常串联多个超级电容来使用，以匹配蓄电池和负载的供电电压。但是由于制造工艺的差别，不同超级电容的内阻、电容量、漏电流等参数差异较大，尤其是在串联充放电的过程中，单体超级电容的参数不同会造成某些超级电容在充电的过程中过充或者是在放电的过程中过放，不仅损害单个超级电容的寿命，而且影响串联超级电容的能量利用率。特别是在超级电容组与蓄电池组结合使用的模式下，超级电容组需要通过功率变换器与蓄电池组并联，来控制蓄电池的放电电流和对蓄电池进行充电，如果超级电容的电压不稳定势必会对卫星电源系统的可靠性和稳定性带来影响。关于超级电容组之间的电压均衡，文献[2]弓天奇.基于主动均衡技术的超级电容电压管理系统[D].电子科技大学.公开了一种采用电压采样、AD转换、功率开关驱动以及开关网络的电压均衡系统，其工作原理为电压采样实时监测各单体超级电容电压并将测量的数据传输给核心处理单元FPGA，FPGA通过判断后，选出某一个时刻电压最大和最小的个体，并调节开关网络做出相应的断或通，使电压最大和最小的超级电容个体直接相连，能量直接从高转移到低。若在此期间检测到存在新的电压最大或最小个体时，开关网络重新动作，确保任何时刻都是将电压最大和最小的超级电容相连，能量由高向低转移，并不断执行此步骤，直至所有超级电容的电压都相同。但是采用电压最大和最小的超级电容相连，需要多次实施电压均衡才可能使得所有超级电容的电压均衡，不仅均衡时间长，还需要电压采样模块、AD转换、开关网络等模块处于高速工作的状态，需要极大的硬件开销以及软件开销。而且该文献采用电压一致性的方式对超级电容的放电过程进行控制，即在超级电容放电的过程中动态均衡电压，避免部分超级电容过放。然而，放电速度快的超级电容电压较低，如果采用电压一致的方式对电压均衡，会导致放电较快的超级电容被电压较高的超级电容反复充电，造成放电较快的超级电容的容值进一步减小，即该超级电容的健康值进一步降低，从而严重地缩短电源系统的寿命。此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于专利技术人做出本专利技术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，然而这绝非本专利技术不具备这些现有技术的特征，相反本专利技术已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在
技术介绍
中增加相关现有技术之权利。
技术实现思路
由于单个超级电容的电压较低，因此在星上使用场景下需要多个超级电容串联以匹配卫星平台内不同用电设备的功率要求。由于每个超级电容的参数不可能完全一致，导致充放电的过程中电压不一致，使得充电快的超级电容被过充，而放电过快的超级电容被过放，因此现有技术使用电压一致的方式对超级电容进行均衡。但是采用电压最大和最小的超级电容相连，需要多次实施电压均衡才可能使得所有超级电容的电压均衡，不仅均衡时间长，还需要电压采样模块、AD转换、开关网络等模块处于高速工作的状态，需要极大的硬件开销以及软件开销。而且采用电压一致性的方式对超级电容的放电过程进行管理，需要在超级电容放电的过程中动态均衡电压，避免部分超级电容过放。然而，放电速度快的超级电容电压较低，如果采用电压一致的方式对电压均衡，会导致放电较快的超级电容被电压较高的超级电容反复充电，造成放电较快的超级电容的容值进一步减小，即该超级电容的健康值进一步降低，从而严重地缩短电源系统的寿命。针对现有技术之不足，本专利技术提供一种超长寿命的卫星电源系统，至少包括太阳能电池阵列、储能模块以及管理模块，太阳能电池阵列在卫星位于光照区的情况下将太阳能转换为电能并对储能模块充电，所述储能模块至少包括与所述太阳能电池阵列连接且彼此串并联的多个超级电容以及分别与所述超级电容和所述太阳能电池阵列连接的蓄电池组，所述管理模块在所述太阳能电池阵列向所述储能模块充电之后通过差分的方式分别同时采集多个所述超级电容的电压从而至少以能量转移的方式分别实现多个超级电容之间的电压均衡，在所述卫星平台处于姿态轨道变更导致母线瞬时功率需求较高的情况下，所述管理模块配置为在所述储能模块内的多个所述超级电容独立于所述蓄电池组向所述母线供电的过程中出现放电电压之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电源架构，至少包括储能模块(2)以及管理模块(3)，其特征在于，所述管理模块(3)配置为：根据所述储能模块(2)内的至少一个所述超级电容(201)在充电的过程中获取的电压值和电流值预期每个超级电容(201)的放电时间并基于所述放电时间的长短顺序以吸收母线和所述超级电容(201)反馈的能量的方式依次切断多个超级电容(201)之间的连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种电源架构，至少包括储能模块(2)以及管理模块(3)，其特征在于，所述管理模块(3)配置为：根据所述储能模块(2)内的至少一个所述超级电容(201)在充电的过程中获取的电压值和电流值预期每个超级电容(201)的放电时间并基于所述放电时间的长短顺序以吸收母线和所述超级电容(201)反馈的能量的方式依次切断多个超级电容(201)之间的连接。


2.根据权利要求1所述的电源架构，其特征在于，所述管理模块(3)包括至少一个吸收母线和所述超级电容(201)反馈的能量的储能部件(301)，其中，
至少一个所述储能部件(301)位于任意两个超级电容(201)之间，并且所述储能部件(301)分别与多个所述超级电容(201)的首部和尾部相连构成至少两个回路，其中，
所述两个回路中设置有至少一个能够在所述管理模块(3)的控制下实现两个超级电容(201)之间能量的双向流动的开关(302)。


3.根据权利要求1或2所述的电源架构，其特征在于，所述管理模块(3)配置为通过其控制处理器(304)接通与所述超级电容(201)连接的开关(302)，其中，
当所述电源架构的电路中的一个所述开关(302)导通的情况下，所述超级电容(201)、开关(302)以及一个所述储能部件(301)构成一个连通的回路，其中，
所述超级电容(201)流出的电流由流向所述储能模块(2)内的蓄电池组(202)改为流向所述开关(302)和/或所述储能部件(301)，并且与该超级电容(201)相邻的超级电容(201)的电流流向该储能部件(301)，从而该储能部件(301)能够存储部分相邻的超级电容(201)提供的能量。


4.根据权利要求3所述的电源架构，其特征在于，在多个所述超级电容(201)彼此断开连接的情况下，所述管理模块(3)配置为在基于所述放电时间的长短顺序依次控制至少一个所述储能部件(301)释放所述母线反馈的能量至所述超级电容(201)。


5.根据权利要求4所述的电源架构，其特征在于，所述管理模块(3)配置为：构建计算所述超级电容(201)的电压与电流的关系模型，并在所述超级电容(201)充电的过程中和/或所述超级电容(201)向所述蓄电池组(202)和母线放电过程中采集所述超级电容(201)的电压值和电流值。


6.根据权利要求5所述的电源架构，其特征在于，所述管理模块(3)配置为：基于所述关系模型以及电压值和电流值计算所述超级电容(201)的容值和内阻，从而预期所述超级电容(201)的放电时间；
或者，所述管理模块(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑晓茹，杨峰，任维佳，
申请(专利权)人：长沙天仪空间科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43