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1、(10)申请公布号 CN 104300663 A (43)申请公布日 2015.01.21 CN 104300663 A (21)申请号 201410604344.3 (22)申请日 2014.10.30 H02J 7/35(2006.01) H02H 7/18(2006.01) G05F 1/67(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 王峰 王骋 陈雪芹 韦明川 冯田雨 郭金生 李冬柏 俞阳 苗悦 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 张宏威 (54) 发明名称 一。
2、种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电 源 (57) 摘要 一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电 源， 涉及卫星电源领域。解决了现有皮纳卫星电 源系统大多依靠软件进行控制， 出现软件缺陷导 致系统失灵的情况。太阳能电池组的电源信号输 出端连接最大功率点跟踪控制器的电源信号输入 端， 最大功率点跟踪控制器的控制信号输出端连 接充电控制器的第一控制信号输入端， 充电控制 器的第二控制信号输入输出端与蓄电池保护器的 第一控制信号输出输入端连接后连接至母线， 蓄 电池保护器的第二控制信号输入输出端连接蓄电 池组的电源信号输出输入端， 直流电压变换单元 的控制信号输入端连接于母线， 功率分配单元的 控制。
3、信号输入端同时与母线和直流电压变换单元 的控制信号输出端连接并输出电压。本发明适用 于皮纳卫星供电。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104300663 A CN 104300663 A 1/1 页 2 1. 一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源， 其特征在于， 它包括太阳能电池组 (1)、 最大功率点跟踪控制器(2)、 充电控制器(3)、 蓄电池保护器(4)、 蓄电池组(5)、 直流电 压变换单元(6)和功率分配单元(7)，。
4、 所述太阳能电池组(1)的电源信号输出端与最大功率 点跟踪控制器 (2) 的电源信号输入端连接， 最大功率点跟踪控制器 (2) 的控制信号输出端 与充电控制器 (3) 的第一控制信号输入端连接， 充电控制器 (3) 的第二控制信号输入输出 端与蓄电池保护器 (4) 的第一控制信号输出输入端连接后连接至母线， 蓄电池保护器 (4) 的第二控制信号输入输出端与蓄电池组 (5) 的电源信号输出输入端连接， 直流电压变换单 元 (6) 的控制信号输入端连接于母线， 功率分配单元 (7) 的控制信号输入端同时与母线和 直流电压变换单元 (6) 的控制信号输出端连接， 功率分配单元 (7) 的控制信号输出。
5、端输出 电压。 2. 根据权利要求 1 所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源， 其特征在 于， 所述太阳能电池组 (1) 由 N 个太阳能电池单体串并联组成， N 为大于或等于 2 的整数。 3. 根据权利要求 1 所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源， 其特征在 于， 蓄电池组 (5) 由蓄电池单体并联组成。 4. 根据权利要求 1 所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源， 其特征在 于， 所述直流电压变换单元(6)包括+5V输出的Boost型开关电源控制器(6-1)和+3.3V输 出的Buck-Boost型开关电源控制器(6-2)， 所述+5V输出的Boost型。
6、开关电源控制器(6-1) 的控制信号输入端与 +3.3V 输出的 Buck-Boost 型开关电源控制器 (6-2) 的控制信号输入 端均与母线连接， +5V输出的Boost型开关电源控制器(6-1)的控制信号输出端与+3.3V输 出的 Buck-Boost 型开关电源控制器 (6-2) 的控制信号输出端分别与功率分配单元 (7) 的 控制信号输入端连接。 5. 根据权利要求 4 所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源， 其特征在 于， 所述功率分配单元 (7) 包括第一限流开关 (7-1)、 第二限流开关 (7-2) 和第三限流开关 (7-3)， 所述第一限流开关 (7-1) 串联在。
7、母线上并输出母线电压， 第二限流开关 (7-2) 的控 制信号输入端与 +5V 输出的 Boost 型开关电源控制器 (6-1) 的控制信号输出端连接， 第二 限流开关 (7-2) 的控制信号输出端输出 5V 电压， 第三限流开关 (7-3) 的控制信号输入端与 +3.3V 输出的 Buck-Boost 型开关电源控制器 (6-2) 的控制信号输出端连接， 第三限流开关 (7-3) 的控制信号输出端输出 3.3V 电压。 6. 根据权利要求 5 所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源， 其特征在 于， 它还包括第一理想二极管 (8) 和第二理想二极管 (9)， 第一理想二极管 (8) 。
8、串联在最大 功率点跟踪控制器 (2) 的控制信号输出端与充电控制器 (3) 的第一控制信号输入端之间， 且第一理想二极管 (8) 的阳极与最大功率点跟踪控制器 (2) 的控制信号输出端连接， 第二 理想二极管 (9) 串联在母线上， 且第二理想二极管 (9) 的阳极同时与充电控制器 (3) 的第 二控制信号输入输出端和蓄电池保护器 (4) 的第一控制信号输出输入端连接， 第二理想二 极管 (9) 的阴极同时与第一限流开关 (7-1) 的控制信号输入端、 +5V 输出的 Boost 型开关 电源控制器(6-1)的控制信号输入端和+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器(6-2) 的控。
9、制信号输入端连接。 7. 根据权利要求 6 所述的一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源， 其特征在 于， 第一理想二极管 (8) 和第二理想二极管 (9) 均采用 MOSFET 实现。 权 利 要 求 书 CN 104300663 A 2 1/4 页 3 一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源 技术领域 0001 本发明涉及卫星电源领域。 背景技术 0002 皮纳卫星是我国航天技术发展的一个方向， 相比于其他类型的卫星， 皮纳卫星具 有设计研制周期短、 成本低、 便于模块化和批量化生产、 便于管理等特点， 有利于开展新技 术的在轨试验验证。 目前， 国内外大量科研机构和大学都在开展皮纳卫。
10、星的研究， 且有大量 皮纳卫星已成功在轨飞行。 0003 卫星的电源系统是卫星的重要核心系统之一， 担负着为整星供电的重要任务， 是 卫星的生命线。 对于皮纳卫星而言， 电源系统必须具有可靠性高、 效率高、 质量轻、 体积小等 特点， 才能保证安全可靠为整星供电， 保证卫星在其设计寿命内正常工作， 然而， 如今皮纳 卫星电源系统大多依靠软件进行控制， 容易出现由于软件缺陷导致系统失灵的情况。 发明内容 0004 本发明为了解决现有皮纳卫星电源系统大多依靠软件进行控制， 容易出现由于软 件缺陷导致系统失灵的情况， 提出了一种采用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源。 0005 一种采用最大功率点跟踪。
11、技术的皮纳卫星电源包括太阳能电池组、 最大功率点跟 踪控制器、 充电控制器、 蓄电池保护器、 蓄电池组、 直流电压变换单元和功率分配单元， 所述 太阳能电池组的电源信号输出端与最大功率点跟踪控制器的电源信号输入端连接， 最大功 率点跟踪控制器的控制信号输出端与充电控制器的第一控制信号输入端连接， 充电控制器 的第二控制信号输入输出端与蓄电池保护器的第一控制信号输出输入端连接后连接至母 线， 蓄电池保护器的第二控制信号输入输出端与蓄电池组的电源信号输出输入端连接， 直 流电压变换单元的控制信号输入端连接于母线， 功率分配单元的控制信号输入端同时与母 线和直流电压变换单元的控制信号输出端连接， 功。
12、率分配单元的控制信号输出端输出电 压。 0006 所述直流电压变换单元包括 +5V 输出的 Boost 型开关电源控制器和 +3.3V 输出的 Buck-Boost 型开关电源控制器， 所述 +5V 输出的 Boost 型开关电源控制器的控制信号输入 端与 +3.3V 输出的 Buck-Boost 型开关电源控制器的控制信号输入端均与母线连接， +5V 输 出的 Boost 型开关电源控制器的控制信号输出端与 +3.3V 输出的 Buck-Boost 型开关电源 控制器的控制信号输出端分别与功率分配单元的控制信号输入端连接。 0007 所述功率分配单元包括第一限流开关、 第二限流开关和第三限流。
13、开关， 所述第一 限流开关串联在母线上并输出母线电压， 第二限流开关的控制信号输入端与 +5V 输出的 Boost 型开关电源控制器的控制信号输出端连接， 第二限流开关的控制信号输出端输出 5V 电压， 第三限流开关的控制信号输入端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控制器的控 制信号输出端连接， 第三限流开关的控制信号输出端输出 3.3V 电压。 0008 所述皮纳卫星电源还包括两个理想二极管， 其中一个理想二极管串联在最大功率 说 明 书 CN 104300663 A 3 2/4 页 4 点跟踪控制器的控制信号输出端与充电控制器的第一控制信号输入端之间， 且该理想二极 管的阳极。
14、与最大功率点跟踪控制器的控制信号输出端连接， 另一个理想二极管串联在母线 上， 且该理想二极管的阳极同时与充电控制器的第二控制信号输入输出端和蓄电池保护器 的第一控制信号输出输入端连接， 该理想二极管的阴极同时与第一限流开关的控制信号输 入端、 +5V 输出的 Boost 型开关电源控制器的控制信号输入端和 +3.3V 输出的 Buck-Boost 型开关电源控制器的控制信号输入端连接。 0009 有益效果 ： 本发明所述的皮纳卫星电源采用分布式供电， 各部分互不影响 ； 采用 功能高度集中的模块化设计， 便于适用不同需求， 有利于快速集成 ； 完全克服了由于软件缺 陷带来的影响 ； 蓄电池保。
15、护器能够在充放电电流过大或电池处于过充状态时， 提供精确地 监控与触发阈值， 实现蓄电池组的过流保护、 过充保护和过放电保护功能 ； 利用最大功率点 跟踪控制器最大限度的利用太阳能电池组的输出功率， 随时跟踪太阳能电池组的最大输出 功率点， 将太阳能电池组能够输出的全部功率发挥出来。 附图说明 0010 图 1 为本发明的原理示意图 ； 0011 图 2 为太阳能电池的 P-V 曲线图 ； 0012 图 3 为锂离子电池充电曲线图 ； 0013 图 4 为理想二极管与普通肖特基二极管正向导通特性对比图。 具体实施方式 0014 具体实施方式一、 结合图 1 说明本具体实施方式， 本具体实施方式。
16、所述的一种采 用最大功率点跟踪技术的皮纳卫星电源包括太阳能电池组 1、 最大功率点跟踪控制器 2、 充 电控制器 3、 蓄电池保护器 4、 蓄电池组 5、 直流电压变换单元 6 和功率分配单元 7， 所述太阳 能电池组 1 的电源信号输出端与最大功率点跟踪控制器 2 的电源信号输入端连接， 最大功 率点跟踪控制器 2 的控制信号输出端与充电控制器 3 的第一控制信号输入端连接， 充电控 制器3的第二控制信号输入输出端与蓄电池保护器4的第一控制信号输出输入端连接后连 接至母线， 蓄电池保护器 4 的第二控制信号输入输出端与蓄电池组 5 的电源信号输出输入 端连接， 直流电压变换单元6的控制信号输。
17、入端连接于母线， 功率分配单元7的控制信号输 入端同时与母线和直流电压变换单元 6 的控制信号输出端连接， 功率分配单元 7 的控制信 号输出端输出电压。 0015 本发明所述的皮纳卫星电源采用分布式供电， 各部分互不影响 ； 采用功能高度集 中的模块化设计， 便于适用不同需求， 有利于快速集成。 0016 蓄电池保护器 4 能够在充放电电流过大或电池处于过充状态时， 提供精确地监控 与触发阈值， 实现蓄电池组 5 的过流保护、 过充保护和过放电保护功能。 0017 本实施方式中所述的最大功率点跟踪 (MPPT) 控制器 2 的工作原理如下 ： 0018 峰值功率跟踪方式是在太阳能电池组1与蓄。
18、电池组5或负载之间引入一个串联开 关调节器， 用来调节太阳能电池组1的输出功率， 为了能最大限度的利用太阳能电池组1的 输出功率， 可随时跟踪太阳能电池组1的最大输出功率点， 把太阳能电池组1能够输出的全 部功率发挥出来， 或者直接供给负载， 或者储存于蓄电池组 5 中。 说 明 书 CN 104300663 A 4 3/4 页 5 0019 图 2 所示为太阳能电池的 P-V 曲线图， 由此图可以得知， 太阳能电池的 P-V 曲线 是一个以最大功率点为极值的单峰函数， 其特点说明可以用步进搜索法来寻找最大功率 点， 即从起始状态开始， 逐次做一有限变化， 然后测量由于输入信号变化引起输出量变。
19、化的 大小及方向， 待辨别了方向之后， 再控制被控对象的输入按需要的方向调节， 实现自寻优控 制。当负载特性与太阳能电池组特性的交点在太阳能电池组最大功率点对应电压 Vm 之左 时， PPT 系统的作用是使交点处的电压升高 ； 而当焦点在太阳能电池组最大功率点对应电 压 Vm 之右时， PPT 的作用是使交点处的电压下降。图 4 说明了这个动态过程。假设工作点 在V1处， 太阳能电池组输出功率为P1 ； 如果是工作点移动到V2V1+V， 太阳能电池组输 出功率为 P2， 然后比较当前功率 P2 与记忆功率 P1。如果 P2P1， 说明输入信号差 V 使输 出功率变大， 工作点位于最大功率值 P。
20、max 左边， 应继续增大电压， 使工作点继续朝右边即 Pmax 的方向变化。如果工作点已越过 Pmax， 达到 V4， 此时若再增加 V， 则工作点达到 V5， 比较结果若为 P5P(t) 时， 0022 若 V(t+t)V(t)， 工作点在 Pmax 点之左， 应增大电压 ； 0023 若 V(t+t)V(t)， 工作点在 Pmax 点之右， 应减小电压 ； 0026 若 V(t+t)V(t)， 工作点在 Pmax 点之左， 应增大电压。 0027 因此， PPT 实际上是一种功率调节， 而不是电压调节。采用 PPT 的目的是为了最大 限度地利用太阳能电池阵的能量。 0028 具体实施方式。
21、二、 本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用最大功率点 跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于， 所述太阳能电池组 1 由 N 个太阳能电池单体串并联 组成， N 为大于或等于 2 的整数。 0029 本实施方式中， 太阳能电池组 1 包括 2 个太阳能电池单体并联为一组， 一共为 3 组， 每个太阳能电池均为砷化镓太阳能电池， 电能转换效率可达 28。 0030 具体实施方式三、 本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用最大功率点 跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于， 蓄电池组 5 由蓄电池单体并联组成。 0031 本实施方式中， 蓄电池的连接方式采用三节锂离子电池并联独立充放电， 蓄电池。
22、 正常电压为3.7V， 单节电池容量2600mAh， 三节总容量7800mAh， 即23.4Wh， 能够满足卫星需 求。 0032 图 3 所示为锂离子电池充电曲线图， 左侧纵坐标表示充电电流， 单位为 A， 右侧纵 坐标表示蓄电池电压， 单位为V， 横坐标宝石充电时间， 单位为s， 曲线A表示充电电流， 曲线 B 表示电池电压， 锂离子电池充电过程分为三个部分， 电池电压低于 3.0V 时为预充电， 充电 电流为设定恒流充电过程电流的 1/10， 当电压达到 3.0V 时转为恒流充电过程， 恒流充电过 程中充电电流为设定最大充电电流， 当电压达到 4.2V 后转为恒压充电过程， 该过程中充电。
23、 说 明 书 CN 104300663 A 5 4/4 页 6 电流逐渐减小至充电电流小于 50mA 或设定终止电流时充电过程结束。 0033 具体实施方式四、 本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用最大功率点 跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于， 所述直流电压变换单元 6 包括 +5V 输出的 Boost 型 开关电源控制器 6-1 和 +3.3V 输出的 Buck-Boost 型开关电源控制器 6-2， 所述 +5V 输出的 Boost型开关电源控制器6-1的控制信号输入端与+3.3V输出的Buck-Boost型开关电源控 制器 6-2 的控制信号输入端均与母线连接， +5V 输出的 。
24、Boost 型开关电源控制器 6-1 的控 制信号输出端与 +3.3V 输出的 Buck-Boost 型开关电源控制器 6-2 的控制信号输出端分别 与功率分配单元 7 的控制信号输入端连接。 0034 具体实施方式五、 本具体实施方式与具体实施方式四所述的一种采用最大功率点 跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于， 所述功率分配单元 7 包括第一限流开关 7-1、 第二限 流开关 7-2 和第三限流开关 7-3， 所述第一限流开关 7-1 串联在母线上并输出母线电压， 第 二限流开关 7-2 的控制信号输入端与 +5V 输出的 Boost 型开关电源控制器 6-1 的控制信号 输出端连接， 第二限。
25、流开关 7-2 的控制信号输出端输出 5V 电压， 第三限流开关 7-3 的控制 信号输入端与 +3.3V 输出的 Buck-Boost 型开关电源控制器 6-2 的控制信号输出端连接， 第 三限流开关 7-3 的控制信号输出端输出 3.3V 电压。 0035 具体实施方式六、 本具体实施方式与具体实施方式五所述的一种采用最大功率点 跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于， 它还包括第一理想二极管 8 和第二理想二极管 9， 第 一理想二极管 8 串联在最大功率点跟踪控制器 2 的控制信号输出端与充电控制器 3 的第一 控制信号输入端之间， 且第一理想二极管 8 的阳极与最大功率点跟踪控制器 2 的。
26、控制信号 输出端连接， 第二理想二极管9串联在母线上， 且第二理想二极管9的阳极同时与充电控制 器 3 的第二控制信号输入输出端和蓄电池保护器 4 的第一控制信号输出输入端连接， 第二 理想二极管9的阴极同时与第一限流开关7-1的控制信号输入端、 +5V输出的Boost型开关 电源控制器 6-1 的控制信号输入端和 +3.3V 输出的 Buck-Boost 型开关电源控制器 6-2 的 控制信号输入端连接。 0036 具体实施方式七、 本具体实施方式与具体实施方式六所述的一种采用最大功率 点跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于， 第一理想二极管 8 和第二理想二极管 9 均采用 MOSFET 实现。
27、。 0037 本实施方式中， 第一理想二极管 8 和第二理想二极管 9 均采用 MOSFET 和相应的驱 动电路实现单向导通功能， 如图4所示， 由于MOSFET导通电阻极小， 使得相比于普通理想二 极管的正向压降更小， 在 4A 电流时仅有 250mV， 耗损为普通理想二极管的 42。 0038 具体实施方式八、 本具体实施方式与具体实施方式七所述的一种采用最大功率点 跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于， 可以在蓄电池组 5 或太阳能电池组 1 处增加温度传 感器， 通过 IIC 总线监控温度， 并增加过热保护电路。 0039 具体实施方式九、 本具体实施方式与具体实施方式七所述的一种采用最大功率点 跟踪技术的皮纳卫星电源的区别在于， 可以在最大功率点跟踪控制器 2、 母线、 直流电压变 换器处增加电流传感器和电压传感器， 实时监控重要部位的电流电压值。 说 明 书 CN 104300663 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104300663 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104300663 A 8 。