一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源的制作方法
【專利摘要】一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源，涉及衛(wèi)星電源領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有皮納衛(wèi)星電源系統(tǒng)大多依靠軟件進行控制，出現(xiàn)軟件缺陷導致系統(tǒng)失靈的情況。太陽能電池組的電源信號輸出端連接最大功率點跟蹤控制器的電源信號輸入端，最大功率點跟蹤控制器的控制信號輸出端連接充電控制器的第一控制信號輸入端，充電控制器的第二控制信號輸入輸出端與蓄電池保護器的第一控制信號輸出輸入端連接后連接至母線，蓄電池保護器的第二控制信號輸入輸出端連接蓄電池組的電源信號輸出輸入端，直流電壓變換單元的控制信號輸入端連接于母線，功率分配單元的控制信號輸入端同時與母線和直流電壓變換單元的控制信號輸出端連接并輸出電壓。本發(fā)明適用于皮納衛(wèi)星供電。
【專利說明】一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星電源領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]皮納衛(wèi)星是我國航天技術(shù)發(fā)展的一個方向，相比于其他類型的衛(wèi)星，皮納衛(wèi)星具有設(shè)計研制周期短、成本低、便于模塊化和批量化生產(chǎn)、便于管理等特點，有利于開展新技術(shù)的在軌試驗驗證。目前，國內(nèi)外大量科研機構(gòu)和大學都在開展皮納衛(wèi)星的研究，且有大量皮納衛(wèi)星已成功在軌飛行。
[0003]衛(wèi)星的電源系統(tǒng)是衛(wèi)星的重要核心系統(tǒng)之一，擔負著為整星供電的重要任務，是衛(wèi)星的生命線。對于皮納衛(wèi)星而言，電源系統(tǒng)必須具有可靠性高、效率高、質(zhì)量輕、體積小等特點，才能保證安全可靠為整星供電，保證衛(wèi)星在其設(shè)計壽命內(nèi)正常工作，然而，如今皮納衛(wèi)星電源系統(tǒng)大多依靠軟件進行控制，容易出現(xiàn)由于軟件缺陷導致系統(tǒng)失靈的情況。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有皮納衛(wèi)星電源系統(tǒng)大多依靠軟件進行控制，容易出現(xiàn)由于軟件缺陷導致系統(tǒng)失靈的情況，提出了一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源。
[0005]一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源包括太陽能電池組、最大功率點跟蹤控制器、充電控制器、蓄電池保護器、蓄電池組、直流電壓變換單元和功率分配單元，所述太陽能電池組的電源信號輸出端與最大功率點跟蹤控制器的電源信號輸入端連接，最大功率點跟蹤控制器的控制信號輸出端與充電控制器的第一控制信號輸入端連接，充電控制器的第二控制信號輸入輸出端與蓄電池保護器的第一控制信號輸出輸入端連接后連接至母線，蓄電池保護器的第二控制信號輸入輸出端與蓄電池組的電源信號輸出輸入端連接，直流電壓變換單元的控制信號輸入端連接于母線，功率分配單元的控制信號輸入端同時與母線和直流電壓變換單元的控制信號輸出端連接，功率分配單元的控制信號輸出端輸出電壓。
[0006]所述直流電壓變換單元包括+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器和+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器,所述+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器的控制信號輸入端與+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器的控制信號輸入端均與母線連接,+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器的控制信號輸出端與+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器的控制信號輸出端分別與功率分配單元的控制信號輸入端連接。
[0007]所述功率分配單元包括第一限流開關(guān)、第二限流開關(guān)和第三限流開關(guān)，所述第一限流開關(guān)串聯(lián)在母線上并輸出母線電壓，第二限流開關(guān)的控制信號輸入端與+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器的控制信號輸出端連接,第二限流開關(guān)的控制信號輸出端輸出5V電壓，第三限流開關(guān)的控制信號輸入端與+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器的控制信號輸出端連接，第三限流開關(guān)的控制信號輸出端輸出3.3V電壓。
[0008]所述皮納衛(wèi)星電源還包括兩個理想二極管，其中一個理想二極管串聯(lián)在最大功率點跟蹤控制器的控制信號輸出端與充電控制器的第一控制信號輸入端之間，且該理想二極管的陽極與最大功率點跟蹤控制器的控制信號輸出端連接，另一個理想二極管串聯(lián)在母線上，且該理想二極管的陽極同時與充電控制器的第二控制信號輸入輸出端和蓄電池保護器的第一控制信號輸出輸入端連接，該理想二極管的陰極同時與第一限流開關(guān)的控制信號輸入端、+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器的控制信號輸入端和+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器的控制信號輸入端連接。
[0009]有益效果:本發(fā)明所述的皮納衛(wèi)星電源采用分布式供電，各部分互不影響；采用功能高度集中的模塊化設(shè)計，便于適用不同需求，有利于快速集成；完全克服了由于軟件缺陷帶來的影響；蓄電池保護器能夠在充放電電流過大或電池處于過充狀態(tài)時，提供精確地監(jiān)控與觸發(fā)閾值，實現(xiàn)蓄電池組的過流保護、過充保護和過放電保護功能；利用最大功率點跟蹤控制器最大限度的利用太陽能電池組的輸出功率，隨時跟蹤太陽能電池組的最大輸出功率點，將太陽能電池組能夠輸出的全部功率發(fā)揮出來。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的原理示意圖；
[0011]圖2為太陽能電池的P-V曲線圖；
[0012]圖3為鋰離子電池充電曲線圖；
[0013]圖4為理想二極管與普通肖特基二極管正向?qū)ㄌ匦詫Ρ葓D。
【具體實施方式】
[0014]【具體實施方式】一、結(jié)合圖1說明本【具體實施方式】，本【具體實施方式】所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源包括太陽能電池組1、最大功率點跟蹤控制器2、充電控制器3、蓄電池保護器4、蓄電池組5、直流電壓變換單元6和功率分配單元7，所述太陽能電池組I的電源信號輸出端與最大功率點跟蹤控制器2的電源信號輸入端連接，最大功率點跟蹤控制器2的控制信號輸出端與充電控制器3的第一控制信號輸入端連接，充電控制器3的第二控制信號輸入輸出端與蓄電池保護器4的第一控制信號輸出輸入端連接后連接至母線，蓄電池保護器4的第二控制信號輸入輸出端與蓄電池組5的電源信號輸出輸入端連接，直流電壓變換單元6的控制信號輸入端連接于母線，功率分配單元7的控制信號輸入端同時與母線和直流電壓變換單元6的控制信號輸出端連接，功率分配單元7的控制信號輸出端輸出電壓。
[0015]本發(fā)明所述的皮納衛(wèi)星電源采用分布式供電，各部分互不影響；采用功能高度集中的模塊化設(shè)計，便于適用不同需求，有利于快速集成。
[0016]蓄電池保護器4能夠在充放電電流過大或電池處于過充狀態(tài)時，提供精確地監(jiān)控與觸發(fā)閾值，實現(xiàn)蓄電池組5的過流保護、過充保護和過放電保護功能。
[0017]本實施方式中所述的最大功率點跟蹤(MPPT)控制器2的工作原理如下:
[0018]峰值功率跟蹤方式是在太陽能電池組I與蓄電池組5或負載之間引入一個串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器，用來調(diào)節(jié)太陽能電池組I的輸出功率，為了能最大限度的利用太陽能電池組I的輸出功率，可隨時跟蹤太陽能電池組I的最大輸出功率點，把太陽能電池組I能夠輸出的全部功率發(fā)揮出來，或者直接供給負載，或者儲存于蓄電池組5中。
[0019]圖2所示為太陽能電池的P-V曲線圖，由此圖可以得知，太陽能電池的P-V曲線是一個以最大功率點為極值的單峰函數(shù)，其特點說明可以用步進搜索法來尋找最大功率點，即從起始狀態(tài)開始，逐次做一有限變化，然后測量由于輸入信號變化引起輸出量變化的大小及方向，待辨別了方向之后，再控制被控對象的輸入按需要的方向調(diào)節(jié)，實現(xiàn)自尋優(yōu)控制。當負載特性與太陽能電池組特性的交點在太陽能電池組最大功率點對應電壓Vm之左時，PPT系統(tǒng)的作用是使交點處的電壓升高；而當焦點在太陽能電池組最大功率點對應電壓Vm之右時，PPT的作用是使交點處的電壓下降。圖4說明了這個動態(tài)過程。假設(shè)工作點在Vl處，太陽能電池組輸出功率為Pl ;如果是工作點移動到V2 = Vl+Λ V，太陽能電池組輸出功率為Ρ2，然后比較當前功率Ρ2與記憶功率Ρ1。如果Ρ2>Ρ1，說明輸入信號差AV使輸出功率變大，工作點位于最大功率值Pmax左邊，應繼續(xù)增大電壓，使工作點繼續(xù)朝右邊即Pmax的方向變化。如果工作點已越過Pmax，達到V4，此時若再增加AV，則工作點達到V5，比較結(jié)果若為P5〈P4，說明工作點在Pmax右邊，輸入信號差Λ V使輸出功率變小，需要改變輸入信號的變化方向，即輸入信號減去Λ V，再比較當前功率和記憶功率，就這樣不斷地尋找最大功率點Pmax并保持在最大功率點處。
[0020]由以上分析可見，最大功率點跟蹤的關(guān)鍵在于判別當前工作點相對于Pmax所處的區(qū)域，具體判別方法如下:
[0021]當P(t+At)>P(t)時，
[0022]若￥&+八0>￥(0，工作點在卩111&1點之左，應增大電壓；
[0023]若V (t+At)〈V (t)，工作點在Pmax點之右，應減小電壓。
[0024]當P(t+At)〈P(t)時，
[0025]若￥&+八0>￥(0，工作點在卩111&1點之右，應減小電壓；
[0026]若V (t+At)〈V (t)，工作點在Pmax點之左，應增大電壓。
[0027]因此，PPT實際上是一種功率調(diào)節(jié)，而不是電壓調(diào)節(jié)。采用PPT的目的是為了最大限度地利用太陽能電池陣的能量。
[0028]【具體實施方式】二、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源的區(qū)別在于，所述太陽能電池組I由N個太陽能電池單體串并聯(lián)組成，N為大于或等于2的整數(shù)。
[0029]本實施方式中，太陽能電池組I包括2個太陽能電池單體并聯(lián)為一組，一共為3組，每個太陽能電池均為砷化鎵太陽能電池，電能轉(zhuǎn)換效率可達28%。
[0030]【具體實施方式】三、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源的區(qū)別在于，蓄電池組5由蓄電池單體并聯(lián)組成。
[0031 ] 本實施方式中，蓄電池的連接方式采用三節(jié)鋰離子電池并聯(lián)獨立充放電，蓄電池正常電壓為3.7V，單節(jié)電池容量2600mAh，三節(jié)總?cè)萘?800mAh，即23.4Wh，能夠滿足衛(wèi)星需求。
[0032]圖3所示為鋰離子電池充電曲線圖，左側(cè)縱坐標表示充電電流，單位為A，右側(cè)縱坐標表示蓄電池電壓，單位為V，橫坐標寶石充電時間，單位為S，曲線A表示充電電流，曲線B表示電池電壓，鋰離子電池充電過程分為三個部分，電池電壓低于3.0V時為預充電，充電電流為設(shè)定恒流充電過程電流的1/10，當電壓達到3.0V時轉(zhuǎn)為恒流充電過程，恒流充電過程中充電電流為設(shè)定最大充電電流，當電壓達到4.2V后轉(zhuǎn)為恒壓充電過程，該過程中充電電流逐漸減小至充電電流小于50mA或設(shè)定終止電流時充電過程結(jié)束。
[0033]【具體實施方式】四、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源的區(qū)別在于，所述直流電壓變換單元6包括+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器6-1和+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器6_2，所述+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器6-1的控制信號輸入端與+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器6-2的控制信號輸入端均與母線連接，+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器6-1的控制信號輸出端與+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器6_2的控制信號輸出端分別與功率分配單元7的控制信號輸入端連接。
[0034]【具體實施方式】五、本【具體實施方式】與【具體實施方式】四所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源的區(qū)別在于，所述功率分配單元7包括第一限流開關(guān)7-1、第二限流開關(guān)7-2和第三限流開關(guān)7-3，所述第一限流開關(guān)7-1串聯(lián)在母線上并輸出母線電壓，第二限流開關(guān)7-2的控制信號輸入端與+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器6-1的控制信號輸出端連接，第二限流開關(guān)7-2的控制信號輸出端輸出5V電壓，第三限流開關(guān)7-3的控制信號輸入端與+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器6_2的控制信號輸出端連接,第三限流開關(guān)7-3的控制信號輸出端輸出3.3V電壓。
[0035]【具體實施方式】六、本【具體實施方式】與【具體實施方式】五所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源的區(qū)別在于，它還包括第一理想二極管8和第二理想二極管9，第一理想二極管8串聯(lián)在最大功率點跟蹤控制器2的控制信號輸出端與充電控制器3的第一控制信號輸入端之間，且第一理想二極管8的陽極與最大功率點跟蹤控制器2的控制信號輸出端連接，第二理想二極管9串聯(lián)在母線上，且第二理想二極管9的陽極同時與充電控制器3的第二控制信號輸入輸出端和蓄電池保護器4的第一控制信號輸出輸入端連接，第二理想二極管9的陰極同時與第一限流開關(guān)7-1的控制信號輸入端、+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器6-1的控制信號輸入端和+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器6_2的控制信號輸入端連接。
[0036]【具體實施方式】七、本【具體實施方式】與【具體實施方式】六所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源的區(qū)別在于，第一理想二極管8和第二理想二極管9均采用MOSFET 實現(xiàn)。
[0037]本實施方式中，第一理想二極管8和第二理想二極管9均采用MOSFET和相應的驅(qū)動電路實現(xiàn)單向?qū)üδ?，如圖4所示，由于MOSFET導通電阻極小，使得相比于普通理想二極管的正向壓降更小，在4A電流時僅有250mV，耗損為普通理想二極管的42%。
[0038]【具體實施方式】八、本【具體實施方式】與【具體實施方式】七所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源的區(qū)別在于，可以在蓄電池組5或太陽能電池組I處增加溫度傳感器，通過IIC總線監(jiān)控溫度，并增加過熱保護電路。
[0039]【具體實施方式】九、本【具體實施方式】與【具體實施方式】七所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源的區(qū)別在于，可以在最大功率點跟蹤控制器2、母線、直流電壓變換器處增加電流傳感器和電壓傳感器，實時監(jiān)控重要部位的電流電壓值。
【權(quán)利要求】
1.一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源，其特征在于，它包括太陽能電池組(I)、最大功率點跟蹤控制器⑵、充電控制器⑶、蓄電池保護器⑷、蓄電池組(5)、直流電壓變換單元(6)和功率分配單元(7)，所述太陽能電池組(I)的電源信號輸出端與最大功率點跟蹤控制器(2)的電源信號輸入端連接，最大功率點跟蹤控制器(2)的控制信號輸出端與充電控制器(3)的第一控制信號輸入端連接，充電控制器(3)的第二控制信號輸入輸出端與蓄電池保護器(4)的第一控制信號輸出輸入端連接后連接至母線，蓄電池保護器(4)的第二控制信號輸入輸出端與蓄電池組(5)的電源信號輸出輸入端連接，直流電壓變換單元(6)的控制信號輸入端連接于母線，功率分配單元(7)的控制信號輸入端同時與母線和直流電壓變換單元￠)的控制信號輸出端連接，功率分配單元(7)的控制信號輸出端輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源，其特征在于，所述太陽能電池組(I)由N個太陽能電池單體串并聯(lián)組成，N為大于或等于2的整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源，其特征在于，蓄電池組(5)由蓄電池單體并聯(lián)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源，其特征在于，所述直流電壓變換單兀(6)包括+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器(6-1)和+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器(6-2)，所述+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器(6_1)的控制信號輸入端與+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器(6_2)的控制信號輸入端均與母線連接，+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器(6-1)的控制信號輸出端與+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器(6-2)的控制信號輸出端分別與功率分配單元(7)的控制信號輸入端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源，其特征在于，所述功率分配單元(7)包括第一限流開關(guān)(7-1)、第二限流開關(guān)(7-2)和第三限流開關(guān)(7-3)，所述第一限流開關(guān)(7-1)串聯(lián)在母線上并輸出母線電壓，第二限流開關(guān)(7-2)的控制信號輸入端與+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器(6-1)的控制信號輸出端連接,第二限流開關(guān)(7-2)的控制信號輸出端輸出5V電壓，第三限流開關(guān)(7-3)的控制信號輸入端與+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器(6_2)的控制信號輸出端連接,第三限流開關(guān)(7-3)的控制信號輸出端輸出3.3V電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源，其特征在于，它還包括第一理想二極管(8)和第二理想二極管(9)，第一理想二極管(8)串聯(lián)在最大功率點跟蹤控制器(2)的控制信號輸出端與充電控制器(3)的第一控制信號輸入端之間，且第一理想二極管(8)的陽極與最大功率點跟蹤控制器(2)的控制信號輸出端連接，第二理想二極管(9)串聯(lián)在母線上，且第二理想二極管(9)的陽極同時與充電控制器(3)的第二控制信號輸入輸出端和蓄電池保護器(4)的第一控制信號輸出輸入端連接，第二理想二極管(9)的陰極同時與第一限流開關(guān)(7-1)的控制信號輸入端、+5V輸出的Boost型開關(guān)電源控制器(6-1)的控制信號輸入端和+3.3V輸出的Buck-Boost型開關(guān)電源控制器(6_2)的控制信號輸入端連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種采用最大功率點跟蹤技術(shù)的皮納衛(wèi)星電源，其特征在于，第一理想二極管(8)和第二理想二極管(9)均采用MOSFET實現(xiàn)。
【文檔編號】H02J7/35GK104300663SQ201410604344
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】王峰, 王騁, 陳雪芹, 韋明川, 馮田雨, 郭金生, 李冬柏, 俞陽, 苗悅 申請人:哈爾濱工業(yè)大學