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新闻动态
【小卫星技术介绍系列文章】卫星供血“心脏”电源系统(四)
作者:        发布时间:2020-05-04        点击数:
     

小卫星技术介绍系列文章

卫星供血“心脏”电源系统(四)

     



 

前言


 


   

小卫星已经具备较为成熟的技术体系,以其研制成本低、发射成本低等特点,成为各类有效载荷快速入轨的优先选择。小卫星类型广泛,包括光学遥感卫星、合成孔径雷达(SAR)卫星、通信卫星、空间环境探测卫星以及其他科学探测卫星等,小卫星技术在国计民生、国防安全等领域正逐渐发挥更大作用。

“小卫星技术介绍”系列文章将系统介绍卫星各分系统及相关技术,涵盖电源分系统、综合电子学分系统、有效载荷分系统、姿态和轨道控制分系统、结构分系统、热控分系统、测控和数传分系统、AIT等,多期连载发布,力求从功能组成、技术原理以及发展趋势等方面进行介绍,同时结合航天技术资讯,加深读者对文章的理解。系列文章旨在通过对小卫星各分系统及相关技术专项介绍,帮助读者快速了解小卫星系统组成、基本工作原理和AIT技术环节等,掌握小卫星研制相关的技术通识。


   


       

       

       

       

在前面几篇文章中我们介绍了卫星电源系统的基本结构、卫星电源系统中能源产生设备——太阳电池阵和电能存储设备——蓄电池组,这次我们介绍电源系统中的电源控制器。

 

为了保证卫星上的设备正常的运转,需要保持卫星母线电压稳定。但是太阳电池阵产生的电能会随着光强的变换而变化,蓄电池的电压也会随着电池容量的波动产生变化,在光照区和阴影区切换过程中和大功率载荷开机过程中,母线电压都会发生变化。为了解决上面的问题,需要电源控制器控制、调节和保护上述设备和部件。

 

电源控制器拓扑结构可以分为两种,一种是直接能量传递(DET)电源控制器,一种是峰值功率跟踪(MPPT)电源控制器。

 

上图是直接能量传递(DET)电源控制器的基本结构。太阳电池阵输入的电流通过分流调节器流入系统,经过一个二极管后,通过充电控制器为蓄电池充电。当负载功率大于太阳电池阵输出功率时,母线电压下降,蓄电池组通过放电调节器放电,为负载供电。

分流调节器相当于一个可变负载,当蓄电池充满后,太阳电池阵的功率大于负载消耗功率时,分流调节器工作,将太阳电池阵的多余功率消耗,防止母线电压上升造成整个卫星电源工作不稳定。在设计时,要求留有一定余量,一般要求分流调节器能够将太阳电池阵能产生的最大电流完全分流。

隔离二极管的作用是防止蓄电池电流回流到太阳电池阵,对太阳电池阵进行反向充电,造成损坏。

充电控制器在对蓄电池充电过程中,先进行恒流充电,当蓄电池电量达到90%左右时,系统转为恒压充电,当蓄电池电压充满后,则停止对蓄电池充电。这样不仅可以防止出现过充电,而且还可以延长蓄电池的寿命。

放电控制器主要功能是对蓄电池进行过放保护。蓄电池在放电过程中,如果电压低于保护阈值时,放电控制器将切断蓄电池的放电路径,则整星断电,但此时太阳电池阵可以为蓄电池充电。

除了能量直接传递方式外,另外一种拓扑结构是峰值功率跟踪(MPPT)方式。在一定光强条件下,太阳电池阵输出的功率会随着工作电压变化而发生变化,而且存在着一个最大输出功率点。

峰值功率跟踪(MPPT)方式中,有一个峰值功率跟踪器,时刻监测太阳电池阵的输出功率,当蓄电池没有充满时,峰值功率跟踪器控制串联开关调节器,使太阳电池阵工作工作在最大功率点;当蓄电池已经充满后,峰值功率跟踪器调节太阳电池阵功率点,让太阳电池阵输出的能量恰好与负载消耗的能量相同。

 
 

直接能量传递模式相当于给系统并联了一个能量耗散系统,使太阳电池阵输出与负载想匹配。技术相对成熟,但是体积重量相对较大,一般传统卫星多使用此模式。峰值功率跟踪模式相当于在电源内部串联一个电源调节器,直接控制太阳能电池阵的输出与负载匹配。这种方式成本更低,体积重力更小,技术成熟度低,多用于低成本的微纳卫星电源系统。

本文与前面的文章介绍了卫星电源系统各个组成部分的原理和组成,这些基本能够满足目前卫星对电源系统的需求。但是随着科学技术的发展和时代的变迁,宇航界提出的太阳能发电卫星的重大工程设想。在下一个篇文章里,我们将介绍太阳能发电卫星和电源系统的发展趋势。


       

       

       

       

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