[发明专利]基于超级电容的微纳卫星电源系统

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。Alkali M,Edries M,Khan A R,等人发表的Preliminary Study of Electric Double Layer Capacitor as an Energy Storage of Simple Nanosatellite Power System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。

发明内容

本发明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，本发明提供基于超级电容的微纳卫星电源系统。

本发明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。

本发明的优点包括：

本发明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为本发明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是本发明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发明的精神和实质作进一步阐述。