一种卫星供电系统发明专利

专利名称：一种卫星供电系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110450805.6

专利申请（专利权）人：长沙天仪空间科技研究院有限公司
权利人地址：湖南省长沙市高新开发区岳麓西大道1698号麓谷科技创新创业园A栋25楼

专利发明（设计）人：桑晓茹,杨峰,任维佳

专利摘要：本发明涉及一种卫星供电系统，包含能源储能模块，能源储能模块包括至少一个被配置为存储能源产生模块产生全部电能的唯一储能器件和响应于能源管理模块的控制以电压值至少两种变化的方式向星上负载供电的唯一供能器件的超级电容组，其中，超级电容组的最大的荷电状态值SOC通过与电流闭环和直流母线连接的均衡器以直流信号的形式通过直流母线传递至电流闭环内，从而在直流母线中直接向所有超级电容组传递荷电状态值的最大值，使得各个超级电容组的电流闭环自动获取第二均衡系数中的第二差值。基于卫星供电系统中的多组超级电容的建模分析，设计更有效的等效电路模型。

主权利要求：
1.一种卫星供电系统，至少包括能源管理模块(30)，
其特征在于，
能源储能模块(20)包括至少一个被配置为存储能源产生模块(10)产生全部电能的唯一储能器件和响应于所述能源管理模块(30)的控制以电压值至少两种变化的方式向星上负载(40)供电的唯一供能器件的超级电容组(201)，其中，所述超级电容组(201)的最大的荷电状态值(SOC)通过与电流闭环(302)和直流母线连接的均衡器(303)以直流信号的形式通过直流母线传递至所述电流闭环(302)内，从而在直流母线中直接向所有所述超级电容组(201)传递荷电状态值的最大值，使得各个所述超级电容组(201)的所述电流闭环(302)自动获取第二均衡系数中的第二差值，所述第二差值为所有所述超级电容组(201)的荷电状态值的最大值与最小值之间的差值，其中，所述第二均衡系数F2用下式表示：
其中，SOCd为所述第二差值， 为第一动态系数，
为第一系数，m1为第二系数，取值大小与所述第二差值有关，m1取
正整数，在所述第二差值为0.4的情况下，m1取值4，m2为增益系数，取值为2，k为所述超级电容组(201)的数量。
2.根据权利要求1所述的卫星供电系统，其特征在于，所述第二均衡系数是配置为相应的所述超级电容组(201)的第一差值与所有所述超级电容组(201)的第一差值的总和的比值的第一均衡系数的线性叠加以根据所述超级电容组(201)的荷电状态值SOC的差异来进一步放大不同第一均衡系数间的差异；
第一差值由相应的所述超级电容组(201)的荷电状态值与定值的差值限定，第一均衡系数F1用下式表示：其中，1‑SOCi为第一差值， 为所有所述超级电容组(201)的第一差值的总和，SOCi为对应的所述超级电容组(201)的荷电状态值。
3.根据权利要求2所述的卫星供电系统，其特征在于，所述第二均衡系数至少包括所述第二差值以及用于限定所述第二差值使得所有所述超级电容组(201)的第二均衡系数的总和保持为零值的第一动态系数。
4.根据权利要求3所述的卫星供电系统，其特征在于，所述第一动态系数至少包括第一系数以及与所述第二差值成比例关系的第二系数，其中，基于所述超级电容组(201)的第一差值的平均值与对应所述超级电容组(201)的第一差值之间的差值构建总和保持为零值的第一系数；
基于所述第二差值构建线性放大所述第二均衡系数的第二系数。
5.根据权利要求4所述的卫星供电系统，其特征在于，所述能源管理模块(30)能够通过双向DC‑DC转换器与所述能源储能模块(20)连接，在所述能源储能模块(20)向所述星上负载(40)供电的情况下，所述均衡器(303)基于获取的每个所述超级电容组(201)的荷电状态值构建均衡参数，均衡参数至少包括第三均衡系数和第四均衡系数，其中，第三均衡系数用下式表示：
第四均衡系数用下式表示：
其中，SOCd为所述第二差值， 为第二动态系数， 为
第三系数，m3为第四系数，取值大小与所述第二差值有关，m3取正整数，在所述第二差值为
0.4的情况下，m3取值4。
6.根据权利要求5所述的卫星供电系统，其特征在于，所述能源管理模块(30)配置为通过所述均衡器(303)控制第二均衡系数和第四均衡系数随所述第二差值的减小而逐渐增大。
7.根据权利要求6所述的卫星供电系统，其特征在于，所有的所述超级电容组(201)公用一个电压闭环(301)以保证卫星电源系统具备稳定电网电压的能力。
8.根据权利要求7所述的卫星供电系统，其特征在于，所述均衡器(303)还配置为基于所述第二差值生成电流补偿参数，并将电流补偿参数以直流信号的形式引入所述电流闭环(302)。
9.根据权利要求8所述的卫星供电系统，其特征在于，所述超级电容组(201)的荷电状态值SOC的计算方法至少包含基于电荷和电能两种形式以从不同的角度反映出所述超级电容组(201)当前的存储电量。 说明书 : 一种卫星供电系统[0001] 本发明是申请号为CN202010375070.0，申请日为2020年05月07日，申请类型为发明，申请名称为集成能源产生、能源存储、能源管理的卫星电源系统的分案申请。技术领域[0002] 本发明涉及卫星在轨供电技术领域，尤其涉及一种卫星供电系统。背景技术[0003] 超级电容(ElectricalDoubleLayerCapacitor，EDLC)是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放的特性，同时又具有电池的储能特性。超级电容具有高功率的输出特性，能够满足高脉冲功率系统的要求，例如可以用于卫星通信系统、无线电系统、电磁炮发射、无人机电磁发射等需要大功率脉冲电源的系统。但是，现有超级电容的能量密度仍然不能满足部分卫星设备的要求，因此现有技术，例如公开号为CN103414235A的中国专利文献公开了一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，该蓄电系统采用小容量用于频繁充放电的缓冲蓄电单元与大容量用于较长时间间隔充放电的主蓄电单元构成双蓄电模块，并依据一定原则对缓冲蓄电单元和主蓄电单元的容量进行设定，且主蓄电单元采用阶梯缓冲渐变式设计。该发明将无记忆性、高循环寿命(指充放电循环次数为3‑10万次)的超级电容作为小容量的缓冲蓄电单元。将有记忆效应、低循环寿命的锂离子(充放电循环次数为1‑2千次)或镍氢或镍镉(镍氢或镍镉电池的循环次数为500‑700次)蓄电池组作为大容量主蓄电单元。该发明利用锂离子或镍氢蓄电池组的高能量密度的特性弥补超级电容能量密度低下的问题，从而构建同时具有高能量密度和高功率密度的卫星蓄电系统。然而，使用锂电池组和超级电容混合的卫星电源系统，因为二种器件的特性不同，系统设计和使用时需要同时考虑，导致方案非常复杂，而系统复杂程度的提高不仅会导致产品成本提高，而且会导致失效概率会上升，从而降低卫星电源系统的可靠性。[0004] 中国科学院长春应用化学研究所开发了新型胶体超级电容，在动力学允许的条件下实现了活性阳离子的100％利用，2013年以来开发了多种系列胶体超级电容电池。中科院长春应用化学研究所薛冬峰研究员团队在2018年开发的Ni‑Fe胶体离子超级电容电池的能量密度可以达到350Wh/kg、功率密度为2kW/kg，以及能量密度可以达到100Wh/kg、功率密度为10kW/kg。性能优于目前的超级电容电池，例如美国MaxWell超级电容产品的能量密度6Wh/kg、功率密度12kW/kg，美国CORNING公司超级电容产品的能量密度为9Wh/kg、功率密度7kW/kg，韩国NESSCA公司超级电容产品的能量密度为10Wh/kg、功率密度10kW/kg。中科院长春应用化学研究开发的超级电容基本可以达到媲美锂电池150Wh/kg的能量密度，而且该胶体超级电容的工作温度范围为‑60℃至80℃，符合卫星在轨工作的温度要求，并且真空环境对超级电容基本没有影响，震动测试结果满足要求，经过封装处理后可以应用于卫星的电源系统，不需要混合锂电池组就能够实现高功率密和高能量密度的卫星电源系统。然而，尽管现有技术中已经具备高能量密度和高功率密度的超级电容，但是单体超级电容的耐压较低，卫星供电需要多个超级电容串并联以提高电压和储能容量，但由于其制造工艺差异、不同的充电速率以及工作环境温度的差异使得每个超级电容的内阻、电容量、漏电流等参数不同，因此随着卫星平台长期运行，使得在多个超级电容串联充放电的过程中，超级电容的电压不一致，可能导致电压较低的超级电容被过充，或者电压较低的超级电容在放电的过程中被过放，严重损害超级电容的使用寿命，并且影响卫星的安全运行。因此现有技术通常在卫星电源系统中配备能量管理系统来均衡超级电容组。超级电容储能系统的均衡控制通常可以划分为单体能量均衡控制和模组能量均衡控制，二者除电压等级以及电容容值外无实质性差异。[0005] 文献[1]MishraR,SaxenaR.ComprehensiveReviewofControlSchemesforBatteryandSuper‑capacitorEnergyStorageSystem[C].20177thInternationalConferenceonPowerSystems(ICPS),2017,702–707.公开了超级电容常用的均衡控制策略。现有均衡控制策略可以分为主动均衡策略、被动均衡策略以及基于级联功率变换器的动态均衡控制策略三种类型。被动均衡策略需要利用外部电路将多余的能量以热的形式消耗掉，是一种能量消耗型策略，主要通过均衡电阻或者稳压二极管实现。然而，尽管被动均衡策略易于实现，但是均衡效率不高，均衡速度较慢，以及容易导致系统发热严重，因此被动均衡策略适用于小功率储能系统或者对均衡速度要求不高的场合，不适用于卫星储能系统。主动均衡策略需要利用外部均衡电路将高能量设备中的能量转移到低能量的设备中。外部均衡电路的实现方式可以按照是否具有隔离变压器进行划分。无变压器型的主动均衡策略是利用Boost变换器将能量由下向上逐级传递，但是这种能量均衡策略均衡速度较慢，可以采用并联均衡电容的方式进行改进，能够有效提升倍压均衡电路的均衡速度，或者是在传统均衡电路的基础之上通过改变低压储能模块的投入时刻来缩短能量转移的时间，提升均衡速度。以上无变压器型的主动均衡策略能够减小均衡能量的损耗，并且能量均衡系统的成本及体积较小。但是随着串联超级电容数量的增多，均衡效率无法得到保证。基于隔离变压器的主动均衡策略能够提升能量在非相邻超级电容间转换的效率，一般都是基于多绕组变压器的均衡策略来实现主动均衡，但是随着串联超级电容数量的增多，很难制造绕组数量众多的隔离变压器，因此基于隔离变压器的主动均衡策略仅适用于串联超级电容数量较少的系统中。基于级联功率变换器的能量均衡控制策略是直接利用系统电流在系统充放电动态过程中实现储能模组间能量均衡控制，以简化均衡系统结构。具体而言是将能量存储以及能量均衡控制做归一化处理，把储能模组的荷电状态(StateofCharge，SOC)进行充放电控制。但是上述均衡控制策略使用级联模块化直流变换器，在结构上属于串联输出串联(Input‑SeriousOutput‑Serious，ISOS)系统，其子模块的均压一般采用电流微分形式的多闭环控制策略，这种策略对系统参数要求较高，同时易受主功率电路电流的影响。[0006] 此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。发明内容[0007] 现有技术使用锂电池组和超级电容混合的卫星电源系统，由于二种器件的特性不同，系统设计和使用时需要同时考虑，使得系统的复杂程度提高，不仅使得产品成本较高，而且过于复杂的系统，失效概率会上升，严重降低卫星系统的可靠性。而尽管使用多个具备高功率密度和高能密度的超级电容组成的超级电容组为卫星平台供电能够避免系统复杂程度的提高，但是例如使用中科院长春应用化学研发的超级电容，由于其制造工艺差异、不同的充电速率以及工作环境温度的差异使得每个超级电容的参数不同，因此随着卫星平台长期运行导致在多个超级电容串联充放电的过程中，超级电容的电压不一致，可能使得电压较低的超级电容被过充，或者电压较低的超级电容在放电的过程中被过放，严重损害超级电容的使用寿命，并且影响卫星的安全运行。因此现有技术采用超级电容电压均衡的方式来使得多个超级电容的电压在充放电的过程中保持一致，避免被过充或过放。现有超级电容的均衡技术，通常采用主动均衡或者基于级联功率变换器的能量均衡控制策略，但是无论采用主动均衡策略还是基于级联功率变换器的能量均衡控制策略，都需要使用电流或电压微分形式的多闭环控制策略实现电压均衡，而多闭环控制策略涉及外部均衡电路，使得储能系统的能量均衡与系统功率控制彼此保持独立，这不仅导致系统能量损耗增加，也弱化了控制系统的操作性，从而降低了系统整体的可靠性，而且随着串联超级电容数量的增多，均衡效率无法得到保证。[0008] 针对以上问题，本发明提供一种集成能源产生、能源存储、能源管理的模块化卫星电源系统，至少包括能源产生模块、能源储能模块以及能源管理模块。所述能源储能模块存储所述能源产生模块产生的电能且基于所述能源管理模块的控制而向星上负载供电。所述能源储能模块至少包括由多个超级电容构成的至少一个超级电容组。所述超级电容组被配置为存储所述能源产生模块产生全部电能的唯一储能器件和响应于所述能源管理模块的控制以电压值至少两种变化的方式向所述星上负载供电的唯一供能器件。所述能源管理模块至少包括通过直流母线以直流的形式传递信号且为所有所述超级电容组共用的电压闭环、处于电压闭环内且分别与每个所述超级电容组构成闭环的至少一个电流闭环以及与所述电流闭环和直流母线连接的均衡器。用于解决现有卫星蓄电系统中因采用彼此独立的电压和电流闭环控制策略导致的能量损耗增加和控制系统操作性较弱的问题。达到的技术效果是通过共用的电压闭环在一定程度上简化结构和减少能量损耗的基础上通过与直流母线的连接来代替现有技术中的通信线路，由于共用电压闭环和直流母线连接并使用直流信号传递超级电容组的荷电状态值信息和电压闭环产生的参考电流信号，因此能够保证系统具备稳定卫星电源系统的能力。而传统多闭环控制系统中使用通信线路来传递电压信号或电流信号，是因为使用直流母线传输信号，信号的载体或者信息量是直流的幅值，从而使得直流母线产生压降，容易随直流母线的长短发生变化，限制了直流信号的传递，因此传统的多闭环控制系统采用数字信号传递信息。但是采用数字信号需要另外的均衡用通信线路来传递数字信号，随着超级电容组数量的增多必然会导致整个卫星通信线路的复杂化，而且数字信号产生庞大的通信数据也会给处理器带来运算负担。在电压闭环中通过直流母线传递电流闭环需要的参考电流信号，以模拟电流传输信息的方式能够大幅度减少通信数据量和处理成本，而且卫星电源系统的直流母线的长度较短能够大幅度减少传输损耗带来的抗干扰能力低下的问题，从而在牺牲部分抗干扰能力的情况下避免线路的复杂化和产生庞大的数据信息。[0009] 优选地，所述能源管理模块配置为基于直流母线反馈的电压值和参考电压信号通过所述电压闭环输出参考电流信号。所述能源管理模块配置为响应于所述参考电流信号与系统电流反馈值的差值调整所述均衡器输出每个超级电容组的均衡参数。所述能源管理模块配置为基于所述均衡参数通过所述电流闭环生成所述超级电容组均衡充电的驱动信号。用于解决在能源储能模块中超级电容组能量均衡过程中超级电容组过充或过放的问题。达到的技术效果是利用直流母线反馈的电压和基于超级电容组的数量和规格设置的参考电压信号输入至电压闭环。电压闭环内的电压调节器生成参考电流信号。参考电流信号与系统电流反馈值生成的差值与均衡器生成的对应每个超级电容组的均衡参数结合，并将结果送入各个超级电容组的电流闭环中。电流闭环内的电流调节器根据输入的结果生成超级电容组的占空比，该占空比与超级电容组的荷电状态值成比例关系，因此可以通过占空比来控制各个超级电容组的能量均衡。[0010] 优选地，在所述能源产生模块向所述能源储能模块充电的情况下，所述均衡器配置为：基于所述电压闭环和电流闭环反馈的电压值和电流值以在线估计的方式获取每个所述超级电容组的荷电状态值，从而构建至少包括第一均衡系数和第二均衡系数且总和始终保持为定值的均衡参数。所述第一均衡系数配置为相应的所述超级电容组的第一差值与所有超级电容组的第一差值的总和的比值，并且所有所述超级电容组的第一均衡系数的总和为所述定值。所述第一差值由相应的所述超级电容组的荷电状态值与所述定值的差值限定。所述第二均衡系数至少包括由所有所述超级电容组的荷电状态值的最大值与最小值之间的差值限定的第二差值以及用于限定所述第二差值使得所有所述超级电容组的第二均衡系数的总和保持为零值的第一动态系数。该技术方案用于解决随着超级电容组数量的增多，均衡效率无法得到保证的问题。在超级电容组均衡的过程中，随着超级电容组之间能量的不断均衡，超级电容组的荷电状态值逐渐趋于一致。而基于超级电容的荷电状态值来进行能量均衡，是根据超级电容的荷电状态值的差异来进行均衡的。如果超级电容的荷电状态值的差异逐渐减小，那么能源管理模块的均衡速度会逐渐下降。而且随着超级电容组数量的增多，导致荷电状态值相似的超级电容组的数量增多，能源管理模块均衡的速度会大幅度的减小。现有技术采用的均衡参数一般是本发明中的第一均衡系数，即第一均衡系数根据各个超级电容组之间的荷电状态值来定义的。一般各个超级电容组的第一均衡系数的总和为定值1，便于均衡器的控制设置和电流闭环对均衡参数的解调。第二均衡系数是第一均衡系数的线性叠加，其要实现的目的是根据超级电容组的荷电状态值的差异来进一步放大不同第一均衡系数间的差异，从而在超级电容组的荷电状态值趋于一致的情况下，加快均衡速度。此外，分别与电流闭环和直流母线连接的均衡器能够将超级电容组的最大的荷电状态值以直流信号的形式通过直流母线传递至电流闭环内，从而直流母线中可以直接传递所有超级电容组的荷电状态值的最大值，使得各个超级电容组的电流闭环自动获取第二均衡系数中的第二差值。通过以上设置方式，使用直流母线代替通信线路以直流信号的方式直接传递超级电容的荷电状态值，进一步简化了均衡器处理的信息量，而且用于决定均衡控制的关键参数荷电状态值下放至直流母线和对应各个超级电容组的电流闭环中，使得荷电状态值不必由均衡器集中处理，在任意超级电容组因故障停用后，不会影响能源管理模块的均衡能力。而且由于直流载体传递的是荷电状态值的信号，其总和为定值，因此可以利用比例放大器来进一步增加直流信号的抗干扰能力。[0011] 通过以上设置方式，能够在卫星电源系统使用仅由超级电容构成的能源储能模块进行多闭环能量均衡控制的过程中，在电压闭环中通过直流母线传递电流闭环需要的参考电流信号，以模拟电流传输信息的方式大幅度减少通信数据量和处理成本，并通过第二均衡系数对超级电容组的荷电状态值的差异来进一步放大来加快均衡速度。而且第二均衡系数的总和为零，第一均衡系数的总和为定值1，使得能源管理模块能够严格跟踪电流参考信号，此外，随着超级电容组的数量的增加，基于荷电状态值的均衡速度还与超级电容组的数量有关，但是第一均衡系数和第二均衡系数主要是由荷电状态值决定，这也就表明级联的超级电容组的数量不会对能源管理模块的均衡速度产生影响，对能源管理模块的均衡速度产生影响仅是超级电容组的荷电状态值，从而通过第二均衡系数的设置，在超级电容组的数量增加的情况下仍然能够保证能源管理模块的均衡效率。[0012] 根据一种优选实施方式，所述第一动态系数至少包括第一系数以及与所述第二差值成比例关系的第二系数。所述均衡器配置为：基于超级电容组的第一差值的平均值与对应超级电容组的第一差值之间的差值构建总和保持为零值的第一系数。基于所述第二差值构建线性放大所述第二均衡系数的第二系数。[0013] 根据一种优选实施方式，在所述能源储能模块向所述星上负载供电的情况下，所述均衡器配置为：基于获取的每个所述超级电容组的荷电状态值构建至少包括第三均衡系数和第四均衡系数且总和始终保持为定值的均衡参数。所述第三均衡系数配置为相应的所述超级电容组的荷电状态值与所有超级电容组的荷电状态值的总和的比值。所有所述超级电容组的第三均衡系数的总和为所述定值。所述第四均衡系数至少包括由所有所述超级电容组的荷电状态值的最大值与最小值之间的差值限定的第二差值。所述第四均衡系数还包括用于限定所述第二差值使得所有所述超级电容组的第四均衡系数的总和保持为零值的第二动态系数。[0014] 根据一种优选实施方式，所述第二动态系数至少包括第三系数以及与所述第二差值成比例关系的第四系数。所述均衡器配置为：基于相应超级电容组的荷电状态值与所有超级电容组的荷电状态的平均值之间的差值构建总和保持为零值的第三系数。基于所述第二差值构建线性放大所述第三均衡系数的第四系数。[0015] 根据一种优选实施方式，在所述能源产生模块向所述能源储能模块充电或所述能源储能模块向所述星上负载供电的情况下，所述能源管理模块配置为：通过所述均衡器控制所述第二均衡系数和所述第四均衡系数随所述第二差值的减小而逐渐增大。[0016] 根据一种优选实施方式，在所述能源管理模块响应于所述电压闭环传递的参考电流信号的情况下，所述能源管理模块配置为：控制所述均衡器将所述超级电容组的荷电状态值以直流信号的形式通过所述直流母线传输至所述电流闭环内。所述电流闭环配置为：基于最高荷电状态值的直流信号重新确定所述电压闭环传递的参考电流信号。[0017] 根据一种优选实施方式，在所述均衡器基于所述电流闭环生成的占空比进行均衡控制的情况下，所述均衡器配置为：在所述能源产生模块向所述能源储能模块充电的情况下控制荷电状态值低的超级电容组以大于荷电状态值高的超级电容组的占空比进行充电。在所述能源储能模块向所述星上负载供电的情况下控制荷电状态值低的超级电容组以小于荷电状态值高的超级电容组的占空比进行放电。在所有的超级电容组的荷电状态值达到一致的情况下控制电流闭环以相同的占空比对所述超级电容组进行充电或放电。[0018] 本发明还提供一种模块化卫星电源系统的配置方法，所述方法包括：由多个超级电容构成的至少一个超级电容组的能源储能模块存储能源产生模块产生的电能且基于能源管理模块的控制而向星上负载供电；所述超级电容组作为存储所述能源产生模块产生全部电能的唯一储能器件和唯一供能器件响应于所述能源管理模块的控制以电压值至少两种变化的方式向所述星上负载供电。[0019] 优选地，所述能源管理模块执行如下步骤：[0020] 基于直流母线反馈的电压值和参考电压信号通过电压闭环输出参考电流信号；[0021] 响应于所述参考电流信号与系统电流反馈值的差值调整均衡器输出每个超级电容组的均衡参数；[0022] 基于所述均衡参数通过电流闭环生成所述超级电容组均衡充电的驱动信号。[0023] 根据一种优选实施方式，在所述能源产生模块向所述能源储能模块充电的情况下，所述均衡器执行如下步骤：[0024] 基于所述电压闭环和电流闭环反馈的电压值和电流值以在线估计的方式获取每个所述超级电容组的荷电状态值，从而构建至少包括第一均衡系数和第二均衡系数且总和始终保持为定值的均衡参数。所述第一均衡系数为相应的所述超级电容组的第一差值与所有超级电容组的第一差值的总和的比值。所有所述超级电容组的第一均衡系数的总和为所述定值。所述第一差值由相应的所述超级电容组的荷电状态值与所述定值的差值限定。所述第二均衡系数至少包括由所有所述超级电容组的荷电状态值的最大值与最小值之间的差值限定的第二差值。所述第二均衡系数还包括用于限定所述第二差值使得所有所述超级电容组的第二均衡系数的总和保持为零值的第一动态系数。[0025] 根据一种优选实施方式，所述第一动态系数至少包括第一系数以及与所述第二差值成比例关系的第二系数。所述均衡器配置为：基于超级电容组的第一差值的平均值与对应超级电容组的第一差值之间的差值构建总和保持为零值的第一系数。基于所述第二差值构建线性放大所述第二均衡系数的第二系数。附图说明[0026] 图1是本发明的卫星电源系统一个优选实施方式的模块示意图；[0027] 图2是本发明的能源管理模块的一个优选实施方式的结构示意图；[0028] 图3是超级电容等效电路经典模型；[0029] 图4是超级电容等效电路简化模型；[0030] 图5是本发明的超级电容组工作原理电路示意图；和[0031] 图6是本发明的卫星电源配置方法的步骤流程示意图。[0032] 附图标记列表[0033] 10：能源产生模块20：能源储能模块[0034] 30：能源管理模块40：星上负载[0035] 201：超级电容组202：第一桥臂[0036] 203：第二桥臂301：电压闭环[0037] 302：电流闭环303：均衡器[0038] 304：升压模块305：降压模块[0039] 306：比例环节3011：电压调节器[0040] 3012：参考电压信号3013：直流母线反馈的电压值[0041] 3021：电流调节器3022：参考电流信号[0042] 3023：系统电流反馈值3024：波形发生器[0043] SOC：荷电状态值Req：等效并联电阻[0044] C：电容Res：等效串联电阻具体实施方式[0045] 下面结合附图进行详细说明。[0046] 首先对实施例的背景知识以及出现的技术术语进行解释说明。[0047] 由于单体超级电容的电压较低，因此将多个超级电容串联以提高电压并增加储能的容量。对于卫星电源系统，根据卫星的体积、重量以及载荷的不同，大型的卫星可能会需要将多个超级电容划分为组，并进行并联或串联以成倍的增加储能的能量，从而为卫星供电。将超级电容应用于卫星电源系统中使得超级电容具有复杂的阻容网络，各支路的等效电阻和电容具有差异。事实上超级电容存储的电荷量与其荷电状态值SOC、电压等级以及运行时间等因素有关，因此需要对超级电容的储能系统进行建模分析，目前超级电容建模主要基于RC阻抗网络。建模类型包括RC传输线模型以及等效电路模型。由于超级电容储能系统的响应时间较短，动态充放电过程通常仅有几十秒钟。当直接利用系统的动态电流对超级电容进行均衡控制时，多级RC支路中的长时间参数对均衡控制的意义不大，因此采用集总参数的等效电路模型将更为有效。简化RC等效电路模型如图3与图4所示。[0048] 图3所示的简化电路结构在超级电容储能系统中被称为经典模型。该模型由理想电容C与阻值较小的等效串联电阻Res相串联，同时与一个阻值较大的等效并联电阻Rep并联构成。等效串联电阻Res将使超级电容的动态效率小于1，同时它可用于描述超级电容的动态损耗。等效并联电阻Rep则用于描述超级电容在长时间静态储能状态下的漏电流特性。[0049] 图3中的经典模型可以进一步简化得到图4所示的简化模型。该模型仅由一个理想电容与等效串联电阻Res组成。等效串联电阻Res表征了超级电容的内部损耗、动态过程所产生的压降以及对超级电容最大工作电流的约束情况，该模型仅考虑了超级电容充放电的动态特性。所以在研究超级电容短时充放电动态特性时可以采用简化模型进行分析。[0050] 超级电容的荷电状态值SOC用于描述超级电容当前状态下存储的电荷量。超级电容的荷电状态值SOC的计算方法包括电荷和电能两种形式。这两计算方法从不同的角度定义了超级电容的荷电状态值SOC的计算形式，均能反映出超级电容当前的存储电量。以下实施例采用基于电荷形式的荷电状态值SOC计算方法，如下式所示：[0051][0052] 其中，SOCg表示的是基于电荷计算的超级电容的荷电状态值。Qc(·)表示的当前超级电容存储的电荷量。uocv表示的是超级电容当前开路电压。urated表示的是超级电容的额定电压。需要说明的是以上公式所指的超级电容，可以是单体超级电容，也可以是超级电容组201。[0053] 超级电容组201是由多个单体超级电容通过串并联组成。超级电容组201的端口电压可以通过电压检测元件检测，但是在大电流充放电的情况下，超级电容组201的等效串联电阻Res的压降将导致超级电容组201的端口电压大于超级电容组201两端的电压，并且在放电的情况下导致超级电容组201的端口电压小于超级电容组201两端的电压，因此超级电容组201内的等效串联电阻Res产生的压降不能忽视。为了能够准确地对超级电容组201的荷电状态值SOC进行估计，需要对超级电容组201的相关参数进行在线估计。[0054] 超级电容组201的荷电状态值SOC的在线估计方法可以采用控制系统中常用的卡尔曼滤波(KalmanFilter，KF)算法进行估计。由此可以得到离散状态超级电容组201的等效状态方程，如下式所示：[0055][0056] usc(m)＝uc(m)+isc(m)Res(m)+v(m)[0057] 其中，uc(m+1)表示第m+1个采样时刻的超级电容组201两端的电压。uc(m)表示第m个采样时刻的超级电容组201两端的电压。C(m)表示第m个采样时刻超级电容组201的容值。isc(m)表示第m个采样时刻超级电容组201的端口电流。Tc表示采样时间。usc(m)表示第m个采样时刻的超级电容组201的端口电压。uc(m)表示第m个采样时刻超级电容组201的两端电压。Res(m)表示超级电容组201的等效电阻。w(m)、v(m)表示均值为0的高斯白噪声，且满足自身独立性和相互独立性。通过离散状态下基于卡尔曼滤波算法的状态变量以及离散状态超级电容组201的等效状态方程可以构建基于卡尔曼滤波算法的双观测器对超级电容组201的电压以及相关参数进行辨识。由于超级电容参数变化缓慢，参数观测及模型可以采用独立的采样时间以减小计算量。[0058] 超级电容的能量动态均衡原理如图5所示。能源储能模块20内的超级电容组201通过第一桥臂202和第二桥臂203与能源管理模块30连接。第一桥臂202和第二桥臂203均至少包括一个三极管和一个二极管。在超级电容组201处于充放电的情况下，电流通过第一桥臂202与超级电容组201连接，即第一桥臂202处于导通状态，第二桥臂203处于断开状态。在能源管理模块30控制能源储能模块20进行充电的情况下，电流通过第一桥臂202反并联的二极管对超级电容组201进行充电，电流的流向如图5中虚线所示。在能源管理模块30控制能源储能模块20进行放电的情况下，第一桥臂202处于导通状态，第二桥臂203处于断开状态，超级电容组201通过第一桥臂202进行放电，电路的流向如图5中实线所示。当第一桥臂202处于断开状态，第二桥臂203处于导通状态的情况下，第二桥臂203直接与能源管理模块30连接，使得超级电容组201处于旁路状态，电压维持不变。通过以上状态的分析可知，流经超级电容组201的平均电流isci与系统电流iL之间的关系如下式所示：[0059] isci＝diiL[0060] 其中，di表示的是第i个超级电容组201的占空比。占空比表示的是在一个控制周期内，超级电容组201对应的第一桥臂202导通的时间相对于控制周期所占的比例。能源管理模块30通过计算生成的占空比来控制超级电容组201的导通和断开。根据上式，系统中流经各个超级电容组201的平均电流的关系如下所示：[0061] isc1：isc2：...：isck＝d1：d2：...：dk[0062] 事实上，由库伦定律可知电容存储电荷量与其充放电电流以及时间成线性关系，由此可以得到各个超级电容组201的占空比与其荷电状态值SOC之间的关系：[0063] d1：d2：...：dk＝ΔSOC1：ΔSOC2：...：ΔSOCk[0064] 其中，ΔSOCk表示第k个超级电容组201的荷电状态值SOC的变化量。由于采用模块化的结构，因此流经各个超级电容组201的系统电流相同，从而超级电容组的SOC值变化可以通过各个超级电容组201的占空比进行控制，因此超级电容组201之间的均衡控制能够通过占空比的调节来实现。在能源产生模块10对能源储能模块20进行充电的模式下，SOC值较高的超级电容组201应该以较小的平均电流进行充电，SOC值较低的超级电容组201应该工作于较大的平均电流。在能源储能模块20进行放电的模式下，能源管理模块30应该通过占空比控制，使得SOC值较高的超级电容组201应该以较大的平均电流进行放电，SOC值较小的超级电容组201应该以较小的平均电流进行放电。在超级电容组201处于旁路的状态，第二桥臂203的三极管和与其反并联的二极管能够为系统电流提供导通的路径，因此在确保卫星电源系统稳定直流母线电压的前提下，能源管理模块30能够根据各个超级电容组201的荷电状态值SOC调整其工作的平均电流，从而在卫星电源系统充放电的动态过程中实现超级电容组201的荷电状态值SOC均衡控制。[0065] 超级电容组201的能量动态均衡是由能源管理模块30实现的。能源管理模块30至少包括电压闭环301和电流闭环302。电压闭环301通常包括电压调节器3011、参考电压信号3012以及直流母线反馈的电压值3013。电流闭环302通常包括电流调节器3021、参考电流信号3022以及系统电流反馈值3023。优选地，电流闭环302还包括与电流调节器3021连接的波形发生器3024。波形发生器3024可以是三角波形发生器。[0066] 能源管理模块30的工作原理是电压闭环301用于控制直流母线的电压。电压闭环301与电流闭环302连接，并且电压闭环301处于电流闭环302的外层，如图2所示。优选地，在电压闭环301中，电压调节器的输入至少包括参考电压信号3012和直流母线反馈的电压值3013。参考电压信号3012是根据能源储能模块20的信息设置的，作为基准参数来均衡能源储能模块20中的超级电容组201。优选地，参考电压信号3012与直流母线反馈的电压值3013的差值输入至电压调节器3011。电压调节器3011计算输出参考电流信号3022，并传输至电流闭环302中。参考电流信号3022与反馈的系统电流3023生成的差值信号输入至电流调节器3021中。电流调节器3021计算生成对应的占空比，然后与波形发生器3024进行比较生成驱动超级电容组201的驱动信号。或者电流调节器3021生成的占空比可以通过脉宽调制(PulseWidthModulation，PMW)调制器进行调制，从而生成超级电容组201的调制信号。优选地，电压调节器3011可以是电压PID调节器。电流调节器3021可以是电流PID调节器。[0067] 优选地，能源管理模块30可以通过双向DC‑DC转换器与能源储能模块20连接。该双向DC‑DC转换器主要实现的是能量在超级电容组201之间的传递，具有低电压、大电流的特点。除此之外，直流母线也可以通过双向DC‑DC转换器器与星上负载40连接。[0068] 实施例1[0069] 如图1和图2所示，本实施例提供一种集成能源产生、能源存储、能源管理的模块化卫星电源系统。卫星电源系统至少包括能源产生模块10、能源储能模块20以及能源管理模块30。能源储能模块20存储能源产生模块10产生的电能。能源储能模块20基于能源管理模块30的控制而向星上负载40供电。优选地，能源储能模块20至少包括至少一个超级电容组201。超级电容组201由多个超级电容构成。超级电容组201被配置为存储能源产生模块10产生全部电能的唯一储能器件。优选地，超级电容组201还被配置为响应于能源管理模块30的控制向星上负载40供电的唯一供能器件。优选地，超级电容组201以电压值至少两种变化的方式向星上负载40供电。电压值至少两种变化的方式可以是以升压和降压的方式向星上负载40供电。优选地，能源管理模块30至少包括升压模块304和降压模块305。升压模块304可以是升压型DC‑DC转换器。降压模块305可以是降压型DC‑DC转换器。优选地，能源产生模块10可以是太阳能电池帆板。[0070] 优选地，能源管理模块30至少包括电压闭环301、至少一个电流闭环302以及均衡器303。优选地，电压闭环301通过直流母线以直流的形式传递信号。电压闭环301为所有超级电容组201共用的电压闭环301，如图2所示。电流闭环302处于电压闭环301内。电流闭环302分别与每个超级电容组201构成闭环。均衡器303与电流闭环302和直流母线连接。现有卫星蓄电系统中因采用彼此独立的电压和电流闭环控制策略导致的能量损耗增加和控制系统操作性较弱的问题。本实施例通过共用的电压闭环301在一定程度上简化结构和减少能量损耗的基础上通过与直流母线的连接来代替现有技术中的通信线路。由于共用电压闭环301和直流母线连接并使用直流信号传递超级电容组201的荷电状态值和电压闭环301产生的参考电流信号3022，因此能够保证系统具备稳定卫星电源系统的能力。而传统多闭环控制系统中使用通信线路来传递电压信号或电流信号，是因为使用直流母线传输信号，信号的载体或者信息量是直流的幅值，从而使得直流母线产生压降，容易随直流母线的长短发生变化，限制了直流信号的传递，因此传统的多闭环控制系统采用数字信号传递信息。但是采用数字信号需要另外的均衡用通信线路来传递数字信号，随着超级电容组201数量的增多必然会导致整个卫星通信线路的复杂化，而且数字信号产生庞大的通信数据也会给处理器带来运算负担。在电压闭环301中通过直流母线传递电流闭环302需要的参考电流信号3022，以模拟电流传输信息的方式能够大幅度减少通信数据量和处理成本，而且卫星电源系统的直流母线的长度较短能够大幅度减少传输损耗带来的抗干扰能力低下的问题，从而在牺牲部分抗干扰能力的情况下避免线路的复杂化和产生庞大的数据信息。[0071] 优选地，能源管理模块30配置为基于直流母线反馈的电压值3013和参考电压信号3012通过电压闭环301输出参考电流信号3022。能源管理模块30配置为响应于参考电流信号3022与系统电流反馈值3023的差值调整均衡器303输出每个超级电容组201的均衡参数。能源管理模块30基于均衡参数通过电流闭环302生成超级电容组201均衡充电的驱动信号。在实现能源储能模块20内的超级电容组201能量均衡的过程中，容易产生超级电容组201过充或过放的问题。本实施例利用直流母线反馈的电压和基于超级电容组201的数量和规格设置的参考电压信号3012输入至电压闭环301。电压闭环301内的电压调节器3011生成参考电流信号3022。参考电流信号3022与系统电流反馈值3023生成的差值与均衡器303生成的对应每个超级电容组201的均衡参数结合，并将结果送入各个超级电容组201的电流闭环302中。电流闭环302内的电流调节器3021根据输入的结果生成超级电容组201的占空比，该占空比与超级电容组201的荷电状态值SOC成比例关系，因此可以通过占空比来控制各个超级电容组201的能量均衡。[0072] 优选地，在均衡器303基于电流闭环302生成的占空比进行均衡控制的情况下，均衡器303配置为：在能源产生模块10向能源储能模块20充电的情况下，控制荷电状态值低的超级电容组201以大于荷电状态值高的超级电容组201的占空比进行充电。优选地，荷电状态值低的超级电容组201指的是小于荷电状态值高的超级电容组201。在能源储能模块20向星上负载40供电的情况下控制荷电状态值低的超级电容组201以小于荷电状态值高的超级电容组201的占空比进行放电。在所有的超级电容组201的荷电状态值达到一致的情况下控制电流闭环302以相同的占空比对超级电容组201进行充电或放电。[0073] 优选地，在能源产生模块10向能源储能模块20充电的情况下，均衡器303配置为：基于电压闭环301和电流闭环302反馈的电压值和电流值以在线估计的方式获取每个超级电容组201的荷电状态值，从而构建至少包括第一均衡系数和第二均衡系数且总和始终保持为定值的均衡参数。优选地，第一均衡系数配置为相应的超级电容组201的第一差值与所有超级电容组201的第一差值的总和的比值。所有超级电容组201的第一均衡系数的总和为定值。定值可以为1。第一差值由相应的超级电容组201的荷电状态值与定值的差值限定。优选地，第一均衡系数F1可以用下式表示：[0074][0075] 其中，1‑SOCi为第一差值。 为所有超级电容组201的第一差值的总和。k为超级电容组201的数量。SOCi为对应的超级电容组201的荷电状态值。[0076] 优选地，第二均衡系数至少包括第二差值和第一动态系数。第二差值由所有超级电容组201的荷电状态值的最大值与最小值之间的差值限定。第二差值表示超级电容组201之间荷电状态值SOC的不均程度。第一动态系数用于限定第二差值使得所有超级电容组201的第二均衡系数的总和保持为零值。优选地，第一动态系数至少包括第一系数和第二系数。第二系数与第二差值成比例关系。优选地，均衡器303配置为基于超级电容组201的第一差值的平均值与对应超级电容组201的第一差值之间的差值构建总和保持为零值的第一系数。均衡器303配置为基于第二差值构建线性放大第二均衡系数的第二系数。优选地，第二均衡系数F2可以用下式表示：[0077][0078] 其中，SOCd为第二差值。 为第一动态系数。为第一系数。m1为第二系数，取值大小与第二差值有关。m1取正整数，例如在第二差值为0.4的情况下，m1可以取值4。m2为增益系数，一般取值为2。[0079] 优选地，均衡参数可以用下式表示：[0080][0081] 根据一种优选实施方式，在能源储能模块20向星上负载40供电的情况下，均衡器303配置为：基于获取的每个超级电容组201的荷电状态值构建均衡参数。均衡参数至少包括第三均衡系数和第四均衡系数。每个超级电容组201的均衡参数的总和始终保持为定值。优选地，第三均衡系数配置为相应的超级电容组201的荷电状态值与所有超级电容组201的荷电状态值的总和的比值。所有超级电容组201的第三均衡系数的总和为定值。第三均衡系数可以下式表示：[0082][0083] 优选地，第四均衡系数至少包括第二差值和第二动态系数。第二差值由所有超级电容组201的荷电状态值的最大值与最小值之间的差值限定。第二动态系数用于限定第二差值使得所有超级电容组201的第四均衡系数的总和保持为零值。第二动态系数至少包括第三系数和第四系统数。第四系数与第二差值成比例关系。优选地，均衡器303配置为基于相应超级电容组201的荷电状态值与所有超级电容组201的荷电状态的平均值之间的差值构建总和保持为零值的第三系数。均衡器303配置为基于第二差值构建线性放大第三均衡系数的第四系数。优选地，第四均衡系数可以用下式表示：[0084][0085] 其中，SOCd为第二差值。 为第二动态系数。优选地，为第三系数。m3为第四系数，取值大小与第二差值有关。m3取正整数，例如在第二差值为0.4的情况下，m3可以取值4。[0086] 优选地，在超级电容组201向星上负载40供电的情况下，均衡参数可以用下式表示：[0087][0088] 现有技术中无论是平均SOC均衡策略还是主动均衡策略，随着超级电容组201数量的增多，其均衡效率无法得到保证。在超级电容组201均衡的过程中，随着超级电容组201之间能量的不断均衡，超级电容组201的荷电状态值SOC逐渐趋于一致。而基于超级电容的荷电状态值来进行能量均衡，是根据超级电容的荷电状态值SOC的差异来进行均衡的。如果超级电容的荷电状态值的差异逐渐减小，那么能源管理模块30的均衡速度会逐渐下降。而且随着超级电容组201数量的增多，导致荷电状态值SOC相似的超级电容组201的数量增多，能源管理模块30均衡的速度会大幅度的减小。而现有技术采用的均衡参数一般是本发明中的第一均衡系数，即第一均衡系数是根据各个超级电容组201之间的荷电状态值来定义的。一般各个超级电容组201的第一均衡系数的总和为定值1，便于均衡器303的控制设置和电流闭环302对均衡参数的解调。而本发明设置的第二均衡系数是第一均衡系数的线性叠加，其要实现的目的是根据超级电容组201的荷电状态值SOC的差异来进一步放大不同第一均衡系数间的差异，从而在超级电容组201的荷电状态值趋于一致的情况下，加快均衡速度。更重要的是，本发明采用的第二均衡系数不仅能够加快均衡速度，还对超级电容组201的数量不敏感，即随着级联超级电容组201数量的增多，均衡效率不会受到影响。优选地，以超级电容组201向星上负载40供电的模式为例来论证本发明采用的第一均衡系数和第二均衡系数不受级联的超级电容组201数量的影响：[0089] 基于超级电容荷电状态值SOC的均衡策略，其均衡速度与第三均衡系数有关。理想情况下，当所有的超级电容组201全部均衡时，第三均衡系数仅由超级电容组201的数量决定。因此，可以得到第k个超级电容组201的第三均衡系数调整量ΔF3(k)如下式所示：[0090][0091] 其中，ΔF3(k)越大表明该超级电容组201需要调整的能量越多，均衡速度越快，反之如果需要调整的能量越少，则均衡速度越慢。由上式可以得到第k+1个超级电容组201的第三均衡系数调整量ΔF3(k+1)如下式所示：[0092][0093] 优选地，ΔF3(k+1)减去ΔF3(k)可以得到当超级电容组201数量增多时，第三均衡系数调整量的偏差ΔJ。ΔJ可以用下式表示：[0094][0095] 由于超级电容组201的荷电状态值SOC取值在0到1之间，因此ΔJ可以取正值或者负值。正值表明ΔJ减小，卫星电源系统的初始均衡速度降低。负值表明ΔJ增大，卫星电源系统的初始均衡速度提高。所以在相同工况下，ΔJ主要由增加的超级电容组201的荷电状态值SOC决定，而且第四均衡系数同样有荷电状态值SOC决定。综上，级联的超级电容组201的数量不会对ΔJ产生影响，进而不会对卫星电源系统的均衡速度产生影响。对均衡速度产生影响的仅是超级电容组201的荷电状态值SOC。[0096] 优选地，第二均衡系数的总和为零，第一均衡系数的总和为定值1，使得能源管理模块30能够严格跟踪参考电流信号3022，即在第一均衡系数和第二均衡系数的设置下，电流闭环302内的电流调节器3021生成的占空比为三部分。优选地，第一部分是基值占空比，系统的电压闭环301生成的参考电流信号3022生成的占空比，系统实际工作的占空比是围绕该值附近波动的。第二部分是第一均衡系数产生的关于荷电状态值SOC差异的占空比。第三部分是第二均衡系数生成的占空比。由于第一均衡系数的总和为定值1且第二均衡系数的总和为零，因此各个超级电容组201的占空比在基值占空比附近变化，变化的大小由第一均衡系数和第二均衡系数决定，但是系统总平均占空比不变。因此，各个超级电容组201的均衡控制仅与第一均衡系数和第二均衡系数产生的占空比有关，而不影响系统的电流控制，能够通过对第一均衡系数和第二均衡系数的控制来实现超级电容组201之间的能量均衡。[0097] 根据一种优选实施方式，在能源产生模块10向能源储能模块20充电或能源储能模块20向星上负载40供电的情况下，[0098] 能源管理模块30配置为：通过均衡器303控制第二均衡系数和第四均衡系数随第二差值的减小而逐渐增大。在能源管理模块30响应于电压闭环301传递的参考电流信号3022的情况下，能源管理模块30配置为：控制均衡器303将超级电容组201的荷电状态值SOC以直流信号的形式通过直流母线传输至电流闭环302内。电流闭环302配置为：基于最高荷电状态值的直流信号重新确定电压闭环301传递的参考电流信号3022。优选地，如图2所示，所有的超级电容组201公用一个电压闭环301。通过该设置方式能够保证卫星电源系统具备稳定电网电压的能力。如图2所示，每个超级电容组201都拥有独立的电流闭环302。每个电流闭环302内参考电流信号3022以及系统电流反馈值3023相同。优选地，如图2所示，均衡器303通过直流母线将最大的荷电状态值传递至每个电流闭环302内。通过该设置方式使得荷电状态值SOC低的超级电容组201能够根据自身的荷电状态值SOC进行均衡控制。优选地，相应的超级电容组201的荷电状态值与最大的荷电状态值之间的差值经过比例环节放大之后传递至电流调节器3021。优选地，比例环节306用于成比例地复现输入信号的变化，其输出不失真、不延迟，即信号的传递没有惯性。本发明的比例环节306用于传递第二差值。通过以上设置方式，本发明的有益效果是：[0099] 分别与电流闭环302和直流母线连接的均衡器303能够将超级电容组201的最大的荷电状态值SOC以直流信号的形式通过直流母线传递至电流闭环302内，从而直流母线中可以直接向所有超级电容组201的传递荷电状态值的最大值，使得各个超级电容组201的电流闭环302自动获取第二均衡系数中的第二差值。使用直流母线代替通信线路以直流信号的方式直接传递超级电容组201的荷电状态值SOC，进一步简化了均衡器303处理的信息量，而且用于决定均衡控制的关键参数荷电状态值SOC通过直流母线下放至对应各个超级电容组201的电流闭环302中，使得荷电状态值SOC不必由均衡器303集中处理，在任意超级电容组201因故障停用后，不会影响能源管理模块30的均衡能力。而且由于直流载体传递的是荷电状态值SOC的信号，其总和为定值，因此可以利用比例放大器来进一步增加直流信号的抗干扰能力。[0100] 优选地，均衡器303还配置为基于第二差值生成电流补偿参数，并将电流补偿参数以直流信号的形式引入电流闭环302。在使用直流信号的形式传递荷电状态值SOC的过程中，可能导致卫星电源系统输出的电流出现较大偏差的问题。使用直流信号传递荷电状态值和使用第二均衡系数能够放大不同超级电容组201之间的占空比，尽管占空比差异增加利于超级电容组201之间的能量均衡，但也导致了系统电流具有较大偏差的问题。为了能够减低能源管理模块30对能源储能模块20的均衡控制产生的输出电流的影响，需要对输出电流进行调整，即将基于第二差值生成的电流补偿参数引入到电流闭环302内，对电压闭环301生成的参考电流信号3022进行补偿，从而能够延长超级电容的使用寿命。通过以上设置方式，能够在卫星电源系统使用仅由超级电容构成的能源储能模块20进行多闭环能量均衡控制的过程中，在电压闭环301中通过直流母线传递电流闭环302需要的参考电流信号3022，以模拟电流传输信息的方式大幅度减少通信数据量和处理成本，并通过第二均衡系数对超级电容组201的荷电状态值的差异来进一步放大来加快均衡速度。而且第二均衡系数的总和为零，第一均衡系数的总和为定值1，使得能源管理模块30能够严格跟踪电流参考信号，此外，随着超级电容组201的数量的增加，基于荷电状态值的均衡速度还与超级电容组201的数量有关，但是第一均衡系数和第二均衡系数主要是由荷电状态值SOC决定，这也就表明级联的超级电容组201的数量不会对能源管理模块30的均衡速度产生影响，对能源管理模块30的均衡速度产生影响仅是超级电容组201的荷电状态值，从而通过第二均衡系数的设置，在超级电容组201的数量增加的情况下仍然能够保证能源管理模块30的均衡效率。[0101] 优选地，本实施例中的均衡器303可以是可编辑逻辑门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)，例如反熔丝FPGA。也可以是以是抗辐照的FPGA或者是复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD)。[0102] 优选地，能源管理模块30还包括存储单元。存储单元可以是静态随机存取存储器(StaticRandom‑AccessMemory，SRAM)。[0103] 实施例2[0104] 本实施例是对实施例1进一步的补充，重复的内容不再赘述。[0105] 本实施例还提供一种模块化卫星电源系统的配置方法，方法包括：[0106] 由多个超级电容构成的至少一个超级电容组201的能源储能模块20存储能源产生模块10产生的电能且基于能源管理模块30的控制而向星上负载40供电，超级电容组201作为存储能源产生模块10产生全部电能的唯一储能器件和唯一供能器件响应于能源管理模块30的控制以电压值至少两种变化的方式向星上负载40供电。[0107] 优选地，如图6所示，能源管理模块30执行如下步骤：[0108] S100：基于直流母线反馈的电压值3013和参考电压信号3012通过电压闭环301输出参考电流信号3022。优选地，电压闭环301通过直流母线以直流的形式传递信号。电压闭环301为所有超级电容组201共用的电压闭环301，如图2所示。电流闭环302处于电压闭环301内。电流闭环302分别与每个超级电容组201构成闭环。均衡器303与电流闭环302和直流母线连接。本实施例通过共用的电压闭环301在一定程度上简化结构和减少能量损耗的基础上通过与直流母线的连接来代替现有技术中的通信线路。由于共用电压闭环301和直流母线连接并使用直流信号传递超级电容组201的荷电状态值和电压闭环301产生的参考电流信号3022，因此能够保证系统具备稳定卫星电源系统的能力。而传统多闭环控制系统中使用通信线路来传递电压信号或电流信号，是因为使用直流母线传输信号，信号的载体或者信息量是直流的幅值，从而使得直流母线产生压降，容易随直流母线的长短发生变化，限制了直流信号的传递，因此传统的多闭环控制系统采用数字信号传递信息。但是采用数字信号需要另外的均衡用通信线路来传递数字信号，随着超级电容组201数量的增多必然会导致整个卫星通信线路的复杂化，而且数字信号产生庞大的通信数据也会给处理器带来运算负担。在电压闭环301中通过直流母线传递电流闭环302需要的参考电流信号3022，以模拟电流传输信息的方式能够大幅度减少通信数据量和处理成本，而且卫星电源系统的直流母线的长度较短能够大幅度减少传输损耗带来的抗干扰能力低下的问题，从而在牺牲部分抗干扰能力的情况下避免线路的复杂化和产生庞大的数据信息。[0109] 优选地，能源管理模块30配置为基于直流母线反馈的电压值3013和参考电压信号3012通过电压闭环301输出参考电流信号3022。[0110] S200：响应于参考电流信号3022与系统电流反馈值3023的差值调整均衡器303输出每个超级电容组201的均衡参数。优选地，在能源产生模块10向能源储能模块20充电的情况下，均衡器303执行如下步骤：[0111] 基于电压闭环301和电流闭环302反馈的电压值和电流值以在线估计的方式获取每个超级电容组201的荷电状态值，从而构建至少包括第一均衡系数和第二均衡系数且总和始终保持为定值的均衡参数。[0112] 优选地，在能源产生模块10向能源储能模块20充电的情况下，第一均衡系数为相应的超级电容组201的第一差值与所有超级电容组201的第一差值的总和的比值。所有超级电容组201的第一均衡系数的总和为定值。定值可以为1。第一差值由相应的超级电容组201的荷电状态值与定值的差值限定。优选地，第一均衡系数F1可以用下式表示：[0113][0114] 其中，1‑SOCi为第一差值。 为所有超级电容组201的第一差值的总和。k为超级电容组201的数量。SOCi为对应的超级电容组201的荷电状态值。[0115] 优选地，第二均衡系数至少包括第二差值和第一动态系数。第二差值由所有超级电容组201的荷电状态值的最大值与最小值之间的差值限定。第二差值表示超级电容组201之间荷电状态值SOC的不均程度。第一动态系数用于限定第二差值使得所有超级电容组201的第二均衡系数的总和保持为零值。优选地，第一动态系数至少包括第一系数和第二系数。第二系数与第二差值成比例关系。优选地，均衡器303配置为基于超级电容组201的第一差值的平均值与对应超级电容组201的第一差值之间的差值构建总和保持为零值的第一系数。均衡器303配置为基于第二差值构建线性放大第二均衡系数的第二系数。优选地，第二均衡系数F2可以用下式表示：[0116][0117] 其中，SOCd为第二差值。 为第一动态系数。为第一系数。m1为第二系数，取值大小与第二差值有关。m1取正整数，例如在第二差值为0.4的情况下，m1可以取值4。m2为增益系数，一般取值为2。[0118] 优选地，均衡参数可以用下式表示：[0119][0120] 优选地，在能源储能模块20向星上负载40供电的情况下，均衡器303基于获取的每个超级电容组201的荷电状态值构建均衡参数。均衡参数至少包括第三均衡系数和第四均衡系数。每个超级电容组201的均衡参数的总和始终保持为定值。优选地，第三均衡系数配置为相应的超级电容组201的荷电状态值与所有超级电容组201的荷电状态值的总和的比值。所有超级电容组201的第三均衡系数的总和为定值。第三均衡系数可以下式表示：[0121][0122] 优选地，第四均衡系数至少包括第二差值和第二动态系数。第二差值由所有超级电容组201的荷电状态值的最大值与最小值之间的差值限定。第二动态系数用于限定第二差值使得所有超级电容组201的第四均衡系数的总和保持为零值。第二动态系数至少包括第三系数和第四系统数。第四系数与第二差值成比例关系。优选地，均衡器303配置为基于相应超级电容组201的荷电状态值与所有超级电容组201的荷电状态的平均值之间的差值构建总和保持为零值的第三系数。均衡器303配置为基于第二差值构建线性放大第三均衡系数的第四系数。优选地，第四均衡系数可以用下式表示：[0123][0124] 其中，SOCd为第二差值。 为第二动态系数。优选地，为第三系数。m3为第四系数，取值大小与第二差值有关。m3取正整数，例如在第二差值为0.4的情况下，m3可以取值4。[0125] 优选地，在超级电容组201向星上负载40供电的情况下，均衡参数可以用下式表示：[0126][0127] 优选地，现有技术中无论是平均SOC均衡策略还是主动均衡策略，随着超级电容组201数量的增多，其均衡效率无法得到保证。在超级电容组201均衡的过程中，随着超级电容组201之间能量的不断均衡，超级电容组201的荷电状态值SOC逐渐趋于一致。而基于超级电容的荷电状态值来进行能量均衡，是根据超级电容的荷电状态值SOC的差异来进行均衡的。如果超级电容的荷电状态值的差异逐渐减小，那么能源管理模块30的均衡速度会逐渐下降。而且随着超级电容组201数量的增多，导致荷电状态值SOC相似的超级电容组201的数量增多，能源管理模块30均衡的速度会大幅度的减小。而现有技术采用的均衡参数一般是本发明中的第一均衡系数，即第一均衡系数是根据各个超级电容组201之间的荷电状态值来定义的。一般各个超级电容组201的第一均衡系数的总和为定值1，便于均衡器303的控制设置和电流闭环302对均衡参数的解调。而本发明设置的第二均衡系数是第一均衡系数的线性叠加，其要实现的目的是根据超级电容组201的荷电状态值SOC的差异来进一步放大不同第一均衡系数间的差异，从而在超级电容组201的荷电状态值趋于一致的情况下，加快均衡速度。更重要的是，本发明采用的第二均衡系数不仅能够加快均衡速度，还对超级电容组201的数量不敏感，即随着级联超级电容组201数量的增多，均衡效率不会受到影响。优选地，以超级电容组201向星上负载40供电的模式为例来论证本发明采用的第一均衡系数和第二均衡系数不受级联的超级电容组201数量的影响：[0128] 基于超级电容荷电状态值SOC的均衡策略，其均衡速度与第三均衡系数有关。理想情况下，当所有的超级电容组201全部均衡时，第三均衡系数仅由超级电容组201的数量决定。因此，可以得到第k个超级电容组201的第三均衡系数调整量ΔF3(k)如下式所示：[0129][0130] 其中，ΔF3(k)越大表明该超级电容组201需要调整的能量越多，均衡速度越快，反之如果需要调整的能量越少，则均衡速度越慢。由上式可以得到第k+1个超级电容组201的第三均衡系数调整量ΔF3(k+1)如下式所示：[0131][0132] 优选地，ΔF3(k+1)减去ΔF3(k)可以得到当超级电容组201数量增多时，第三均衡系数调整量的偏差ΔJ。ΔJ可以用下式表示：[0133][0134] 由于超级电容组201的荷电状态值SOC取值在0到1之间，因此ΔJ可以取正值或者负值。正值表明ΔJ减小，卫星电源系统的初始均衡速度降低。负值表明ΔJ增大，卫星电源系统的初始均衡速度提高。所以在相同工况下，ΔJ主要由增加的超级电容组201的荷电状态值SOC决定，而且第四均衡系数同样有荷电状态值SOC决定。综上，级联的超级电容组201的数量不会对ΔJ产生影响，进而不会对卫星电源系统的均衡速度产生影响。对均衡速度产生影响的仅是超级电容组201的荷电状态值SOC。[0135] 优选地，第二均衡系数的总和为零，第一均衡系数的总和为定值1，使得能源管理模块30能够严格跟踪参考电流信号3022，即在第一均衡系数和第二均衡系数的设置下，电流闭环302内的电流调节器3021生成的占空比为三部分。优选地，第一部分是基值占空比，系统的电压闭环301生成的参考电流信号3022生成的占空比，系统实际工作的占空比是围绕该值附近波动的。第二部分是第一均衡系数产生的关于荷电状态值SOC差异的占空比。第三部分是第二均衡系数生成的占空比。由于第一均衡系数的总和为定值1且第二均衡系数的总和为零，因此各个超级电容组201的占空比在基值占空比附近变化，变化的大小由第一均衡系数和第二均衡系数决定，但是系统总平均占空比不变。因此，各个超级电容组201的均衡控制仅与第一均衡系数和第二均衡系数产生的占空比有关，而不影响系统的电流控制，能够通过对第一均衡系数和第二均衡系数的控制来实现超级电容组201之间的能量均衡。[0136] 优选地，如图2所示，所有的超级电容组201公用一个电压闭环301。通过该设置方式能够保证卫星电源系统具备稳定电网电压的能力。如图2所示，每个超级电容组201都拥有独立的电流闭环302。每个电流闭环302内参考电流信号3022以及系统电流反馈值3023相同。优选地，如图2所示，均衡器303通过直流母线将最大的荷电状态值传递至每个电流闭环302内。通过该设置方式使得荷电状态值SOC低的超级电容组201能够根据自身的荷电状态值SOC进行均衡控制。优选地，相应的超级电容组201的荷电状态值与最大的荷电状态值之间的差值经过比例环节放大之后传递至电流调节器3021。优选地，比例环节306用于成比例地复现输入信号的变化，其输出不失真、不延迟，即信号的传递没有惯性。本发明的比例环节306用于传递第二差值。优选地，分别与电流闭环302和直流母线连接的均衡器303能够将超级电容组201的最大的荷电状态值SOC以直流信号的形式通过直流母线传递至电流闭环302内，从而直流母线中可以直接向所有超级电容组201的传递荷电状态值的最大值，使得各个超级电容组201的电流闭环302自动获取第二均衡系数中的第二差值。使用直流母线代替通信线路以直流信号的方式直接传递超级电容组201的荷电状态值SOC，进一步简化了均衡器303处理的信息量，而且用于决定均衡控制的关键参数荷电状态值SOC通过直流母线下放至对应各个超级电容组201的电流闭环302中，使得荷电状态值SOC不必由均衡器303集中处理，在任意超级电容组201因故障停用后，不会影响能源管理模块30的均衡能力。而且由于直流载体传递的是荷电状态值SOC的信号，其总和为定值，因此可以利用比例放大器来进一步增加直流信号的抗干扰能力。[0137] 优选地，均衡器303基于第二差值生成电流补偿参数，并将电流补偿参数以直流信号的形式引入电流闭环302。在使用直流信号的形式传递荷电状态值SOC的过程中，可能导致卫星电源系统输出的电流出现较大偏差的问题。使用直流信号传递荷电状态值和使用第二均衡系数能够放大不同超级电容组201之间的占空比，尽管占空比差异增加利于超级电容组201之间的能量均衡，但也导致了系统电流具有较大偏差的问题。为了能够减低能源管理模块30对能源储能模块20的均衡控制产生的输出电流的影响，需要对输出电流进行调整，即将基于第二差值生成的电流补偿参数引入到电流闭环302内，对电压闭环301生成的参考电流信号3022进行补偿，从而能够延长超级电容的使用寿命。[0138] S300：基于均衡参数通过电流闭环302生成超级电容组201均衡充电的驱动信号。优选地，在实现能源储能模块20内的超级电容组201能量均衡的过程中，容易产生超级电容组201过充或过放的问题。本实施例利用直流母线反馈的电压和基于超级电容组201的数量和规格设置的参考电压信号3012输入至电压闭环301。电压闭环301内的电压调节器3011生成参考电流信号3022。参考电流信号3022与系统电流反馈值3023生成的差值与均衡器303生成的对应每个超级电容组201的均衡参数结合，并将结果送入各个超级电容组201的电流闭环302中。电流闭环302内的电流调节器3021根据输入的结果生成超级电容组201的占空比，该占空比与超级电容组201的荷电状态值SOC成比例关系，因此可以通过占空比来控制各个超级电容组201的能量均衡。[0139] 优选地，在均衡器303基于电流闭环302生成的占空比进行均衡控制的情况下，在能源产生模块10向能源储能模块20充电的情况下，均衡器303控制荷电状态值低的超级电容组201以大于荷电状态值高的超级电容组201的占空比进行充电。优选地，荷电状态值低的超级电容组201指的是小于荷电状态值高的超级电容组201。在能源储能模块20向星上负载40供电的情况下控制荷电状态值低的超级电容组201以小于荷电状态值高的超级电容组201的占空比进行放电。在所有的超级电容组201的荷电状态值达到一致的情况下控制电流闭环302以相同的占空比对超级电容组201进行充电或放电。[0140] 如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。[0141] 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。

专利地区：湖南

专利申请日期：2020-05-07

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113141040B