具体实施方式

下面结合附图1-附图2进行详细说明。

本发明涉及一种卫星蓄电池系统，可以包括以下部件之一：产能装置1，包括至少一个产能单元100（100-1,100-2，……，100-N），其用于将获取到的太阳能转化为电能；储能装置2，包括至少一个储能单元200（200-1,200-2，……，200-N），其用于将产能单元转换出的电能储存以供卫星系统无法利用太阳能或所需功率超出太阳能供电装置的功率时使用。

根据图1所示的一种优选实施方式，储能单元200（200-1,200-2，……，200-N）至少包括蓄电池组标准模块，该蓄电池组标准模块至少包括蓄电池组201和蓄电池管理模块202，其中，蓄电池组201用于储存电能以配合太阳电池阵使用，蓄电池管理模块202至少包括专用电池均衡均流管理芯片及其配套电路，其连接于蓄电池组201并控制其输入和/或输出功率。

根据图1所示的一种优选实施方式，产能单元100（100-1,100-2，……，100-N）包括至少一个太阳电池阵101及MPPT电路102，其中，至少一个太阳电池阵101和至少一个MPPT电路102连接以组合形成产能装置1的一个基本产能模组，以使得在维护检修和/或满足不同卫星系统的供电需求时，只需更换至少一个基本产能模组即可。优选地，基本产能模组中的太阳电池阵101和/或MPPT电路102的类型或数量可以不完全相同，只要最终由MPPT电路102输出的电能的功率相同即可。进一步地，太阳电池阵101用于将太阳能吸收后转化为电能，所述MPPT电路102的输入端连接于其中至少一个太阳电池阵101，其输出端分别连接于储能组标准模块、负载3及电容阵。

根据图1所示的一种优选实施方式，太阳电池阵101由若干个太阳电池阵模块（101-1,101-2，……，101-N）并联组成，分别体装在卫星的各个面上。在光照期，出现短期大负载时，太阳电池阵101输出的能量全部用于负载供电，若负载功率需求大于太阳电池阵101的输出功率时，则由蓄电池组补充供电，此时电源系统处于联合供电状态。设计太阳电池阵101应采用成熟且先进的技术，依据小卫星的特点，需做到结构简单、实用，同时设计应具有良好的继承性，选用已通过地面试验和飞行试验验证的原材料、元器件。进一步地，太阳能电池的种类包括但不限于：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池等，优选地，本实施例中的太阳能电池可采用光电转换效率高的砷化镓太阳电池。

可选地，太阳电池阵101可由完全相同的两个翼组成，每个翼由三块太阳电池板组成，具体为内板、中板及外板。太阳电池阵101可分为供电阵、充电阵，供电阵分成受控阵和非受控阵，充电阵分为两个充电阵和涓流阵。太阳电池阵的每个翼上布置供电阵和充电阵，两翼对称布片。方阵设计需要根据以下几个因素：母线电压或蓄电池组201电压、由于电子辐射导致工作电压值下降、考虑太阳电池阵最高工作温度为负载提供功率、电线电缆及隔离二极管的压降等。

根据一种优选实施方式，电容阵的种类可选自以下类型之一：电解电容、独石电容、瓷片电容、钽电解电容以及涤纶电容等。优选地，本实施例中所采用的电容阵可以是钽电容。本实施例中电容所具备的作用包括但不限于：滤波、旁路、去耦、储能及耦合。

根据图1所示的一种优选实施方式，MPPT电路102的功能主要由至少一个MPPT芯片（102-1,102-2，……，102-N）及配套电路承担。MPPT芯片能够将经太阳电池阵101转化后的电能进一步变压为蓄电池组201所需的电压电流和/或功率值。优选地，MPPT芯片包括但不限于Superbuck变换功能，He-boost变换功能及Buck-boost变换功能等。

优选地，基于MPPT芯片的拓扑是将太阳能电池阵的输出电压始终保持输出功率最大的电压值上。串接在太阳电池阵101和负载3间的功率变换器匹配太阳电池阵101输出功率和负载3功率需求。由于太阳电池阵101通过串联PPT控制器及功率变换器接入母线，因此峰值功率跟踪拓扑需保证功率变换器的损失必须小于系统工作在峰值功率下所带来的收益。MPPT芯片的作用是实现太阳电池阵101最大功率点跟踪。其核心是通过一个最大功率点跟踪，通过驱动电路驱动一个转换模块电路，使MPPT芯片在输入实时跟踪太阳能电池阵101的最大功率点，以保证太阳电池阵101的峰值输出。

根据图1所示的一种优选实施方式，MPPT芯片（102-1,102-2，……，102-N）将采集太阳电池阵101所输出电能的电压值和/或电流值，以及连接于母线的负载3的总电压和/或电流值。进一步地，MPPT芯片跟踪太阳电池阵101的功率，并通过控制策略实现对每一个太阳电池阵101的输出电压和/或电流的控制。基于输入的电压和/或电流信号，MPPT芯片将控制输出至母线的电能的输出功率。

根据图1所示的一种优选实施方式，至少一个蓄电池管理模块202能够和至少一个蓄电池组201连接以组合形成储能装置2的一个基本储能模组，以使得在维护检修和/或满足不同卫星系统的供电需求时，只需更换至少一个基本储能模组即可。优选地，基本储能模组中的蓄电池组201和/或蓄电池管理模块202的类型或数量可以不完全相同，而最终由蓄电池组201输送至负载的电能相同即可。

优选地，至少一个基本产能模组和至少一个基本储能模组至少能够通过改变太阳能电池及蓄电池数量和/或类型的方式以组合形成卫星系统的电源模块，从而能够满足于不同运行状态下的需求，同时便于更换维修等。

根据图1所示的一种优选实施方式，太阳电池阵101始终输出最大功率，除了满足卫星负载需求外，剩余功率用于蓄电池组201充电，当蓄电池组201充电完成后，卫星实际需要的功率减少，这时如果继续采用MPPT模式，则必须将太阳能电池阵101输出的多余功率耗散掉，例如串联功率电阻丝等被动手段，但是这种方法除造成资源浪费之外，还会影响整星的热控，因此可采用变功率点追踪方法，通过采集配电母线电流和蓄电池组201电压，根据蓄电池组201充电需求，计算当前卫星系统的功率需求，将此功率值设定为功率追踪点，使太阳电池阵101时时输出所需功率，以实现变功率点跟踪。

可选地，除本发明采用的PPT拓扑结构外，常用的还有DET拓扑结构，DET应用较多的为不调节母线拓扑，太阳电池阵101输出能量直接供给负载3和蓄电池组201充电，蓄电池组201的电压即为母线电压，母线电压处于一个范围。

进一步地，用于卫星系统供电的蓄电池组201可选用的蓄电池类型包括但不限于以下的类别：镉镍蓄电池组、镍氢蓄电池组、银锌蓄电池组、锂离子电池组及燃料电池组等。优选地，本实施例中所采用的蓄电池组201可使用目前比能量较高的锂离子蓄电池组，以在地影期间补充太阳电池阵101的能量不足从而向卫星系统上的负载3供电。

优选地，可根据整星对母线电压的需求来计算单体电池的串联数，例如，若整星母线所需电压为16～20.4V，则电池组的串联节数为：20.4/3.6=6（节）。将锂离子单体电池并联后可以增加整体容量并保持电压恒定不变，如果需要大容量且母线要求较高时，可以通过将单体电池串并联的方式来满足需求。

进一步地，蓄电池组201可采用一体化的设计，并且安装面上可涂覆导热硅脂层，以使蓄电池组201在工作时产生的热量能够通过底板传导出去。此外，为了保证蓄电池组201工作时处于合适的温度范围，可在蓄电池箱的底板上铺设导热管，以使蓄电池组201在卫星系统运行时处于适应的温度范围。

根据图1所示的一种优选实施方式，蓄电池管理模块202还应集成控制平衡单元、电流测量单元及远程监控单元等。优选地，电流测量单元用于测量电源电路中的电流，以确保蓄电池组201的稳定运行。控制平衡单元可用于对蓄电池组201中的单体电池电压进行测量、测量电池温度、对蓄电池组201进行主动或被动均衡以及在达到预设参数上限时使蓄电池组201停止运行。远程监控单元可将蓄电池组201的电压、电流或温度变化数据传输到云端存储，并于终端显示实时状态。

根据图1所示的一种优选实施方式，通过蓄电池管理模块202可以对蓄电池组201进行均衡均流控制。具体地，在蓄电池组201处于充电末期时，若蓄电池组201中的任一单体电池达到最大允许电压，则蓄电池组201中的其余单体电池同时期的一系列单体电压值将被储存。此时，停止对蓄电池组201充电，蓄电池组201将进入弛豫或放电状态。蓄电池管理模块202计算蓄电池组201中所有单体电池的平均电压，并分别选取具有最小电压和最大电压的单体电池。进一步地，若最大电压与最小电压之间的差值大于预设的平衡阈值，则蓄电池管理模块202启动对蓄电池组201的平衡管理，反之蓄电池管理模块202将不对蓄电池组201作任何调节。

根据图2所示的一种优选实施方式，一般而言，充电末期的主要表现是蓄电池的端电压迅速提升且在至少一段时间内趋于稳定。在本发明实施例中，充电末期可被配置为第一充电末期t₁、第二充电末期t₂及第三充电末期t₃。具体地，第一充电末期t₁、第二充电末期t₂及第三充电末期t₃是根据蓄电池不同时段的充电电压值或充电曲线的斜率变化阶跃点来划分的。例如，可将第一充电末期t₁所对应的时间点规定为电压达到充电截止电压时所对应的时间点，或可以根据不同类型蓄电池相应的容量-电压特性充电曲线上的具有最大斜率变化值的一点来定义。进一步地，第二充电末期t₂所对应的时间点可规定为容量-电压特性充电曲线上的具有最小斜率变化值的一点，当电压达到该点所对应的充电电压时，电压逐渐趋于平缓且基本稳定不变，继续充电蓄电池将处于深充或过充状态。优选地，第二充电末期t₂所对应的时间点是不断更新并替换的，其可在电池每次处于第一充电末期t₁和第二充电末期t₂之间时由系统进行记录，因为在蓄电池不断经过充放电以为系统负载供电时，实际充电曲线是有所改变的，因此基于充电曲线所对应的电压值和/或容量值在长期循环充放电后是有所偏移的。第三充电末期t₃可以定义为对蓄电池的补充电周期，其对应时间点为蓄电池容量或电压达到其对应最大冗余值，因为蓄电池经充电达到所需电量后，在一段时间的弛豫或放松之后，电量可能会有所下降，因此可在其初次达到所需电量之后通过补充电使其达成完全饱和状态并维持电量稳定，从而充分发挥其可用容量。

根据图2所示的一种优选实施方式，对应于上述第一充电末期t₁、第二充电末期t₂及第三充电末期t₃，在计算蓄电池组201中所有单体电池的平均电压时，也是分别对应于不同的充电末期而计算其各自对应的平均电压的，即平均电压可以被依次配置为处于第一充电末期t₁内的第一平均电压、处于第一充电末期t₁和第二充电末期t₂之内的第二平均电压以及处于第二充电末期t₂和第三充电末期t₃之内的第三平均电压。其次，在选取最小电压和最大电压的单体电池时，也是分别在其各自对应的平均电压区间内进行筛选的，并且蓄电池管理模块202也是基于同时间周期下的单体电池的平均电压和最小电压与最大电压的差值进行比较从而实施均衡的。

根据图2所示的一种优选实施方式，蓄电池存在记忆效应，其在经历若干周期的浅层充放电循环后，可能会导致蓄电池容量的损失，即后续充电无法使其有效恢复至满电量状态，因此需要在若干浅循环之后进行至少一次的深度放电循环。其次，蓄电池充电时的单体电压参差不齐，在较宽泛的时间周期内进行电压测量及电能输出的平衡存在着较大误差，并且对于整个均衡过程来说也是相较困难的，对于一些使用周期较短或是仅进行常规浅层充放电的蓄电池而言，在第一充电末期t₁内有任一单体电池电压达到最大允许值时，计算相应时间周期内的单体电池平均电压，并与同时期下的最大电压和最小电压的差值进行比较，以基于比较结果作一次平衡；而对于一些使用周期较长或需作深层充放电循环的蓄电池来说，为了激活蓄电池，使其更易于恢复至满电量状态，先对蓄电池进行一次均衡，之后在第二充电末期t₂内作与第一充电末期t₁相同的二次均衡，并且可在第二充电末期t₂结束时，利用第三充电周期t₃作补充电，以发挥蓄电池的最大可用容量。优选地，基于蓄电池组201不同的充放电需求，将其充电周期划分为多段具有不同电荷量的时间周期，以对蓄电池组201作多次均衡，降低了基于宽范围时间周期或电量周期下的均衡难度，提高了整体的均衡效率及效果，从而尽可能发挥蓄电池组201的可用容量，以维持蓄电池组201对卫星负载长期高效的电能供应。

根据一种优选实施方式，为了实现对蓄电池组210的均衡管控，选取其中实时电压值大于电压平均值的单体电池，并将其储存于需要均衡的单体电池列表之中。具体地，在作被动均衡管理时，是通过启动被选取的单体电池所对应的负载电阻系统进行平衡的，且被选取单体电池的单体电压与时间是成正比的。优选地，负载电阻系统可作为用电器消耗蓄电池组201的电能，以起到平衡作用。在作主动均衡管理时，蓄电池管理模块202启动放电模式，并且当其中任一单体电池的电压值高于平均阈值时，均衡充电模式启动。

根据一种优选实施方式，可根据蓄电池组201中单体电池运行一个周期的平均时间选取对应的均衡时间及电流。例如，可规定T_b（平衡时间）=（T₁+T₂+T₃+T₄）×75%，其中，T₁表示充电时间，T₂表示充电后再放电时间，T₃表示放电时间，T₄表示放电后再释放时间。对于被动均衡管理而言，平衡电流一般为0.50A。优选地，在达到平衡时间后，对于蓄电池组201的均衡控制将停止。其次，若在下一个充电周期结束时，充入电量最多的单体电池的电压达到终止电压，则对于蓄电池组201的均衡控制也将停止。进一步地，对于蓄电池组201的均衡调节将按此种方式进行循环。优选地，基于此种均衡调节，在单体电池充电结束时，能够实现所有单体电池的电压相等，以保证任一单体电池均能发挥最大可用容量。

根据一种优选实施方式，如果单体电池充电后的电量达到饱和（规定满电量为C= 1Ah），经过约10分钟的弛豫后，其与系统负载连通时的电流大约为1C（满电量1Ah放电1h，其 电流约为1A）。再经过约10分钟的弛豫后，用1C电流充电70分钟（考虑恒压相）。对于使用传 统大电流（4C）进行充电的情况而言，最大流动平衡电荷Q=It=4C×10min=0.67Ah。进一步 地，在本发明实施例中，平衡电流为0.50A。则最大流动平衡电荷Q^’=It=0.50A×（10+60+10+ 70）min=1.25Ah。本发明所采用的平衡方式，其效率η== =1.87倍，而平衡电流仅为原 来的 。

根据一种优选实施方式，在整星系统运行时，蓄电池组201为系统负载持续供电， 为了维护或延长蓄电池组201的使用寿命，可能需要利用小电流进行充放电，则该方法在兼 顾蓄电池组201使用寿命的同时，将具备更高的平衡效率。例如，如果单体电池充电后的电 量达到饱和（规定满电量为C=1Ah），经过约20分钟的弛豫后，其与系统负载连通时的电流大 约为0.25C（满电量1Ah放电4h，其电流约为0.25A）。再经过约20分钟的弛豫后，用0.25C电流 充电250分钟（考虑恒压相）。对于使用传统大电流（4C）进行充电的情况而言，最大流动平衡 电荷Q=It=4C×20min=1.33Ah。进一步地，在本发明实施例中，平衡电流为0.50A。则最大流 动平衡电荷Q^’=It=0.50A×（20+240+20+250）min=4.41Ah。本发明所采用的平衡方式，其效 率η= ==3.32倍，而平衡电流仅为原来的。

优选地，在使用小电流进行充放电时，由于平衡时间较长，则系统将产生较低的热量，但仍然具备较高的平衡效率。由于卫星运行环境长期无人监管，因此应极力避免热失控等问题的出现。基于此种控制方式，系统对于蓄电池组201热量管控的难度或消耗将大大降低，热失控的风险也因此降低。进一步地，在本发明实施例中，至少一个蓄电池管理模块202和至少一个蓄电池组201连接以组合形成储能装置2的一个基本储能模组，因此，基于此种模块化的配置方式结合上述均衡控制方法，减少了任一蓄电池管理模块202在对相应的蓄电池组201进行均衡控制时，所需监测管理的单体电池的数量，降低了其控制调节的难度及额外功耗，减缓单体电池之间的相互干扰，提高了对任一单体电池的管理调节速率及精度，同时也便于系统对任一单体电池的失效概率进行预测并及时作出调整。此外，模块化的设计搭配此种均衡控制方法，能够对整星系统的空间架构作不同类型的配置，以满足不同的运行负载或功率的要求，同时，也使得任一基本储能模组能发挥其最大可用电能以提高其供电效率，从而维持整星系统在太空中长期稳定地运行。

根据一种优选实施方式，蓄电池管理模块202的输入和/或输出控制功能主要由专用电池均衡均流管理芯片，即专用IC芯片承担，具体地，专用IC芯片采用工业电子常用的蓄电池管理芯片，因此能够将复杂的电路控制简化至芯片级，从而突破以往对蓄电池组201管理时的复杂设计。

优选地，专用IC芯片可采集蓄电池组201的电压信号V和/或电流信号I，通过控制策略生成充电和/或放电控制信号，其中，充电和/或放电控制信号至少包括恒压信号和/或恒流信号。进一步地，专用IC芯片可将所采集到的蓄电池组201的电压信号V和/或电流信号I经过诸如分压和/或分流、差分等形式的处理以最终输出恒压信号和/或恒流信号。

优选地，蓄电池管理模块202可控制对蓄电池组201的恒流和/或恒压充电。具体地，充电初期，采用恒定的大电流对蓄电池组201进行充电，当蓄电池组201电压上升到一个预设电压时，充电电路将切换到恒定电压充电模式。在恒压充电模式下，专用IC芯片通过监测充电电流的变化，决定是否结束充电。在恒流充电模式下，蓄电池组201以其可承受的最大电流进行充电，不会有过充的危险，且加速了充电时间。此外，为了防止对可能存在故障的电池过快充电，当电池电压较低时，专用IC芯片控制充电回路先进行小电流的预充电。同时，为了保证接入充电的电池保持足够的电量，充满后如果电池的电量下降到一定程度，则充电将重新开始。

进一步地，蓄电池管理模块202能够完成对蓄电池组201过充和过放保护，包括单体过充、单体过放、蓄电池组过充、蓄电池组过放和放电过流保护等功能，采用专用IC芯片实现对锂离子单体电池的过压保护、欠压保护、三级过流监测、过温保护、前温保护及通段开关迟滞等功能。传统的恒流/恒压充电法需要设计复杂的电路，但本发明中采用专用IC芯片来管理卫星系统所使用的储能蓄电池组201，因此大大缩减了设计所需空间及其成本，简化了电路，使得管理控制过程更为高效与便捷。

优选地，如果电池长时间放电而不采取控制措施，当蓄电池组201的电量接近放空时，整星会在短短几分钟内因电量不足而断电，而即便是短短几分钟的过放电也仍然会对蓄电池组201造成不可逆的损伤。为避免由于蓄电池组201过放而导致的整个卫星系统的运行故障，蓄电池管理模块202内的专用IC芯片设计有状态检测及控制保护集成电路，一旦检测到蓄电池组201存在过放的可能，则蓄电池管理模块202发出指令将一些可能不必要的载荷暂时关闭，如果该措施仍不能带来明显效果，则可直接控制蓄电池组201与母线间的的连接关系，即直接切断利用蓄电池组201供电的途径。进一步地，当卫星系统进入光照期，太阳电池阵101能够稳定输出能量后，蓄电池管理模块202发出信号以重建蓄电池组201与母线间的连接，此时太阳电池阵101能持续给蓄电池组201充电，蓄电池组201恢复正常使用。

优选地，本实施例中所采用的专用IC芯片具有较强的广泛的适用范围，能够适配于多种类型的蓄电池组合，包括但不限于具体的蓄电池组类型和/或数量等。进一步地，整个功能模块能根据卫星应用的需求简单进行扩展就能提供更强的能力，具有良好的扩展性，能够满足于现今商业卫星发展的多样化需求。

为了便于理解，将本发明的一种卫星蓄电池系统的工作原理和使用方法进行论述。

在使用根据本申请所提供的卫星蓄电池系统时，在卫星系统处于运行期时，太阳电池阵101将太阳能或光能储存并转化为电能，并进一步将电能输送至MPPT电路102。进一步地，MPPT电路102能够采集母线的电压或电流值，基于系统负载，控制经太阳电池阵101转化形成的一部分电能输送至卫星系统的负载3以及储能装置2时的输出功率。此外，经太阳电池阵101转化的其余一部分太阳能经MPPT电路102处理后以电能的形式发送至储能装置2，具体地，电能储存于蓄电池组201中。位于储能装置2中的蓄电池管理模块202电路连接于蓄电池组201，蓄电池管理模块202基于MPPT电路102的输入电压和/或电流，实现蓄电池组201的均流输入和/或输出，以防止蓄电池组201过充或过放而损害其使用周期和/或寿命。当卫星系统进入地影期时，储存于蓄电池组201的电能将被利用以解决太阳能的不足，蓄电池管理模块202控制蓄电池组201的输出电压和/或电流，避免蓄电池组201产生过流和/或过放的现象，从而控制蓄电池组201的稳定输出。

本发明所提供的一种卫星蓄电池系统，其对蓄电池组的管理简化到了芯片级，突破了以往航天蓄电池组的管理模式，因电路简单，故一定程度上降低了设计及维护成本，此外，蓄电池模块系统中所使用的专用IC芯片具有较强的适应性，可满足多种蓄电池的组合要求，且实现了对蓄电池组的均衡均流的输入和/或输出管理。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。