[發明專利]基于超級電容的微納衛星電源系統

在審

• 申請號: 201710009611.6
• 申請日: 2017-01-06
• 公開（公告）號: CN106602694A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 陳雯雯;孫寧;汪灝;常建平;曹娜;尹超;劉芳
• 申請（專利權）人: 上海微小衛星工程中心
• 主分類號: H02J7/35
• 分類號: H02J7/35;H02J7/34
• 代理公司: 上海邦德專利代理事務所(普通合伙)31312
• 代理人: 李陽

技術領域

本發明涉及衛星在軌工作供電系統，特別涉及基于超級電容的微納衛星電源系統。

背景技術

衛星在軌工作的能量密度和功率密度是衡量衛星帶載能力的重要指標，而體積小重量輕的微納衛星普遍采用Ni-Cd或Li-ion(鋰離子)電池，尤其是Li-ion電池的能量密度可達150Wh/kg，但功率密度均小于75W/kg，且為了延長在軌工作壽命，電池放電深度一般要求不高于20％。目前高功耗負載的在軌應用越來越普遍，通過增加蓄電池數量來達到設計要求，增加了系統重量和體積，也無法有效提高系統性能，這將限制微納衛星的應用。

目前超級電容(EDLC)具有很高的功率密度(>14000w/kg)，放電深度可達100％，且內阻小，充放電循環次數可超過萬次，充放電循環壽命遠長于蓄電池。Alkali M,Edries M,Khan A R,等人發表的Preliminary Study of Electric Double Layer Capacitor as an Energy Storage of Simple Nanosatellite Power System表明超級電容的操作溫度范圍在-40～+65℃，適應衛星在軌工作需求；真空環境對超級衛星基本沒有影響，震動測試結果滿足要求，可以用于太空環境。

此外，目前設計超級電容的在軌應用僅將其作為能量緩沖或中轉單元。李洪強的專利“一種低成本、超長壽命以太陽能為一次能源的人造衛星蓄電系統”將超級電容作為蓄電池緩沖區，利用其無記憶、長壽命的特點，并采用階梯緩沖漸變式設計，目的在于提高衛星電源系統的壽命。李向陽,石德樂,李振宇等人發表的論文“無線能量傳輸系統能源管理技術研究”將超級電容用于陰影區或應急情況供電，通過無線能量傳輸系統為超級電容快速充電，并由超級電容對蓄電池組充電，由蓄電池為整星提供穩定的一次母線電壓。超級電容沒有直接用于主供電單元。

發明內容

本發明解決的問題是現有技術中，衛星電源系統功率密度不足，限制了微納衛星在高功耗負載領域的應用；為解決所述問題，本發明提供基于超級電容的微納衛星電源系統。

本發明提供的基于超級電容的微納衛星電源系統包括：超級電容、能量輸入模塊；所述能量輸入模塊包括太陽能電池陣，向超級電容充電，超級電容通過母線和星上載荷電連接。

進一步，還包括：管理單元，所述管理單元基于最大功率跟蹤算法控制能量輸入模塊向超級電容充電。

進一步，還包括：蓄電池組和管理單元；所述蓄電池組和超級電容分別通過不調節一次母線與能量輸入模塊連接；所述管理單元控制蓄電池組和超級電容的充電狀態，并切換超級電容或蓄電池組向星上載荷供電。

進一步，管理單元監測超級電容的電壓，檢測到超級電容的電壓大于限制電壓上限，則斷開超級電容與能量輸入模塊之間的開關；檢測到超級電容的電壓小于預設電壓下限，則閉合超級電容與能量輸入模塊之間的開關。

進一步，管理單元監測蓄電池組的充電電壓和充電電流；充電電流大于預設的最大允許電流時切換為恒流充電；蓄電池組繼續充電達到限制電壓時轉化為恒定電壓充電。

進一步，工作模式為：太陽能電池陣供電充足時，供電單元為太陽能電池陣，優先為超級電容充電；光照區，太陽能電池陣供電不足時，供電單元為太陽能電池陣和超級電容，超級電容電壓過低時切換到蓄電池組供電；陰影區，平臺工作，供電單元為蓄電池組，蓄電池組電壓過低時切換至超級電容供電；陰影區，大功率負載工作，供電單元為超級電容。

本發明的優點包括：

本發明的能量存儲系統采用超級電容器作為主能量存儲單元，充放電速度快，幾十秒至數分鐘內就可以完成充放電，對平臺功率較小而負載功率很高的微納衛星，可快速大電流放電，支持大功率使用；

超級電容突破了傳統電池的使用次數和放電深度的限制，放電深度可達100％，反復充放電達幾萬次，使用壽命長，可有效增加高功率微納衛星的在軌工作時間；

超級電容結合蓄電池使用可實現真正意義上的高功率密度和高能量密度的電源系統。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的基于超級電容的微納衛星電源系統的結構示意圖。

圖2是本發明實施例提供的基于超級電容的微納衛星電源系統的充電模式轉換原理圖。

具體實施方式

下文中，結合附圖和實施例對本發明的精神和實質作進一步闡述。