基于皮卫星的数字化智能航天电源系统设计

　　进入21世纪以来，微小卫星(micro-satellite)以其较高的功能密度，先进的技术性能以及发射与运行过程中的高度的灵活性，逐渐成为国际航天技术研究领域的重要发展方向。按照当前国际通行的卫星分类方法，重量在0.1～1kg之间的微小卫星可称为皮卫星(pico-satellite)[1]。对于以皮卫星为代表的微小卫星而言，由于其太阳能帆板面积十分有限，同时面临复杂多变的空间环境，因此要求卫星电源系统具有高效率、高能量密度与控制自主化的特点，这是目前一般工业电源所难以达到的。

　　本文针对皮卫星电源系统的特点开发了一套智能化、高效率的数字化电源系统，其智能化设计主要体现在：通过多种测量电路对电源系统各关键节点的电压、电流等重要信号进行实时采集、处理与分析，随时掌握电源系统的能量输入、贮存与输出以及实时效率等重要参数;在数据采集基础上，通过微控制器及其控制软件的处理，合理地采取峰值功率跟踪(MPPT)、充放电调节(BCR/BDR)等控制策略，控制电源系统工作状态，跟踪最大输入功率点;针对不同空间任务需求与能量界面参数，通过调整软件灵活地进行电源运行实验;通过串口通信方式与上位机通信，为卫星电源系统测控以及数据储存与传输提供了良好条件。

　　1皮卫星智能电源系统的硬件设计

　　皮卫星智能电源系统基于“太阳能电池阵电源控制系统蓄电池组”拓扑结构进行设计[2]。电源控制系统作为整个电源系统的核心部分，主要由以下几个部分构成：微控制单元、一次母线电压调节单元(即峰值功率跟踪单元)、二次母线电压调节单元(即放电调节单元)、充电调节单元、电压电流信号采集单元、信号处理单元、串行通信单元等。

　　电源控制系统的基本工作流程为：根据预先设定的空间环境参数，由太阳电池阵模拟器形成电源系统的初始输入;初始输入经过一次母线电压调节单元的调节，形成与蓄电池组工作电压相匹配的一次母线电压7.2V～8.4V，同时完成对输入峰值功率的跟踪与锁定;供给二次母线的功率经过二次母线调节器的调节，分别为星上负载提供5V与3.3V两种二次母线电压;电压电流信号采集单元不断采集初始输入、一次母线、蓄电池组、二次母线等各关键节点的电压电流信号，经由电压跟随器、一阶滤波电路与多路信号选通芯片，送入微控制单元进行A/D转换;微控制器根据各关键节点信号，经过进一步的处理与分析，向各级母线调节单元及充电控制单元发出控制信号，同时通过串行通信单元向上位机传送数据。

　　1.1微控制单元

　　微控制单元电路以ATMEL公司推出的ATmega8L单片机为核心，配以MAX397双8通道模拟多路器与MAX6129参考电压源等外围设备组成，如图2所示。ATmega8L单片机是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位高档单片机，具有接近1 MIPS/MHZ的高速运行处理能力。ATmega8L具有23路可编程多功能I/O端口，八通道10位A/D转换和三通道16位以内的PWM输出功能，因此在系统中完成10位信号A/D转换与处理，MPPT算法实现以及31.25KHz PWM控制信号输出等重要功能。