CubeSat卫星电源系统的优化设计与实现

摘要

CubeSat是近年来皮卫星领域的研究热点，有着体积小、质量小、功能扩展性强、投资成本低、研制周期短等诸多优点，具有很高的科研价值和经济价值。电源系统是CubeSat卫星的关键系统，直接影响到卫星的性能和工作寿命。
　　由于传统的CubeSat电源系统设计方案不能满足小型化、集成化和智能化等设计要求，本课题借鉴浙江大学皮卫星一号ZDPS-1和皮卫星二号ZDPS-2卫星电源系统的研制经验，提出了一种通用的高集成度、高功率密度且高可靠的CubeSat卫星电源系统设计方案。该方案基于CubeSat自身的特点和研制需求，采用三结砷化镓(GaAs)太阳能电池作为卫星的一次能量，同时采用锂离子蓄电池作为卫星的储能设备。在此基础上，采用集中与分散相结合的架构方式和标准电压输出接口完成功率分配模块的设计。同时，本文主要从MPPT模块和FPGA控制器设计两方面进行优化设计。
　　1)针对现有的MPPT配置方式无法满足CubeSat卫星小型化、通用化和集成化等要求的问题，本文通过集中控制和多路MPPT变换器并联均流的方法对CubeSat卫星电源系统MPPT模块配置方式进行优化设计，以提高电源系统性能和降低重量功率比，实现电源系统集成化和高功率密度。经过数学建模和仿真分析，本文验证了该优化MPPT配置方式在不同光照角度、不同太阳能电池面积比、太阳能电池参数失配和模拟在轨环境等条件下，相比于传统MPPT配置方式可以有效地提高电源系统效率和功率密度比。
　　2)针对国内电源系统智能化处理能力较弱的问题，本文在FPGA在控制单元中加入电源系统管理中心，从电源系统通信总线接口设计、能量管理技术和电源自主检测技术等三个方面对电源系统进行智能化设计，可以有效地提高电源系统的管理能力和可靠性。
　　基于以上CubeSat电源系统设计方案研制出原理样机，然后对其相关性能进行测试。测试结果表明，CubeSat的优化MPPT配置方式的MPPT追踪效率达98％以上，追踪速度在1s以内，追踪效果和传统MPPT配置方式相当，而且在能量转化效率上有超过2％～4％的提升;CubeSat电源系统功率分配模块的性能良好，纹波＜50mV，综合转换效率达90％以上，具有良好的负载调整率和较高的输出稳定度，且具有短路保护功能，满足CubeSat卫星电源系统设计的各项指标;CubeSat卫星电源管理中心的通信、管理和自检功能均已得到验证，实验结果基本符合预期。以上结果表明该CubeSat电源系统可以满足CubeSat通用化、集成化和智能化的应用需求。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 CubeSat卫星技术的发展现状

1．3 CubeSat电源系统发展现状

1．3．1 电源系统各部件的发展

1．3．2 电源系统的发展现状

1．4 本论文的工作

1．5 本论文创新点

2 CubeSat卫星电源系统设计

2．1 CubeSat电源系统简介

2．1．1 电源系统需求分析

2．1．2 电源系统关键指标

2．1．3 总体结构

2．2 CubeSat电源系统硬件设计

2．2．1 太阳能电池阵

2．2．2 锂电池组

2．2．3 电源变换器

2．2．4 电源监测设备

2．2．5 电源控制设备

2．3 CubeSat控制单元FPGA总体设计

2．3．1 控制芯片的选择

2．3．2 电源系统FPGA外部接口

2．3．3 电源系统FPGA内部模块

2．4 本章小结

3 MPPT模块优化设计

3．1 MPPT基本原理与算法

3．1．1 太阳电池特性

3．1．2 MPPT原理

3．1．3 MPPT算法

3．2 MPPT配置方式优化设计原理

3．2．1 优化的MPPT配置方式

3．2．2 模型的建立

3．2．3 太阳能电池阵列Pm模型

3．2．4 MPPT电路的ηM模型

3．3 仿真结果

3．3．1 仿真参数设置

3．3．2 仿真结果

3．4 MPPT模块整体设计

3．4．1 设计指标

3．4．2 MPPT结构设计

3．4．3 MPPT电路设计

3．4．4 MPPT控制系统设计

3．5 本章小结

4 电源智能管理中心设计

4．1 整体功能设计

4．2 通信总线接口设计

4．2．1 CAN总线硬件设计

4．2．2 CAN总线软件设计

4．2．3 CAN总线系统设计

4．2．4 备用总线设计

4．3 指令执行单元设计

4．4 电源自主检测系统设计

4．4．1 可能的故障分析

4．4．2 自检过程设计

4．4．3 采样功能设计

4．4．4 故障判断和处理

4．4．5 自检时间预估

4．5 能量管理

4．5．1 工作模式切换

4．5．2 上电时序设计

4．6 本章小结

5 电源系统的初步测试

5．1 MPPT模块性能测试

5．1．1 实验测试平台搭建

5．1．2 MPPT静态和动态跟踪测试

5．1．3 MPPT功率主电路效率测试

5．2 供电模块性能测试

5．3 电源管理中心性能测试

5．4 本章小结

6 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

8 作者简介