一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器的制作方法

本發明涉及一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器設計。屬于衛星電源蓄電池放電領域。

背景技術：

衛星電源系統是衛星平臺的重要分系統，它擔負著衛星的其他分系統和有效載荷供電的重要功能，其基本功能是通過某種物理變化或化學變化，將光能、核能或化學能轉換成電能，根據需要進行儲存、調節和變換，然后向航天器各分系統供電。

就衛星電源母線電壓調節方式而言，其拓撲結構可分為3類，不調節方式、半調節方式以及全調節方式。其中不調節母線方式和半調節母線方式的母線電壓在地影期間，其變換依賴于蓄電池放電電壓的變化取決于電池組允許串聯只數、工作溫度、放電深度、放電電流值等，該方式雖然電源控制單元簡單，但是地影期間母線電壓波動很大，給整星儀器穩定工作和熱控帶來一定困難。全調節母線方式引用了蓄電池放電調節器，使其無論是在光照期還是地影期，其母線電壓都是穩定的。這對提高航天器的用電效率、獲得良好的EMC特性，維持熱控加熱器穩定供電以及保證各項儀器的輸入電壓等均提供了良好的條件。因此放電調節器的穩定的功能實現對于全調節母線型電源系統在地影期的穩定工作至關重要，進而關系到整個飛行任務的完成質量。同時，蓄電池組的放電電流對其工作壽命有著影響，因此放電調節器在完成對母線放電功能的同時可增加對蓄電池的放電電流的實時監測并進行數據存儲以便對蓄電池進行健康管理與數據研究。

技術實現要素：

本發明是為了解決現有的采用不調節母線方式和半調節母線方式對衛星電源母線電壓進行調節，導致地影期間母線電壓波動很大，影響整星儀器工作的穩定性的問題。現提供一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器。

一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器，它包括蓄電池組，它還包括buck拓撲結構電路、電流采樣單元、電壓采樣反饋單元、PWM控制單元、開關管驅動電路、控制單元和開關S，

buck拓撲結構電路，用于將蓄電池組的輸入電壓進行相應的降壓轉換，為母線提供穩定的電壓，

電流采樣單元，用于采集蓄電池組放電電流信號，將該蓄電池放電電流信號按一定倍數轉換為相應的電壓信號I_S，該電壓信號I_S為兩路，一路電壓信號I_S輸出給控制單元，供后續的轉換與存儲，另一路電壓信號I_S輸出給電壓采樣反饋單元，

電壓采樣反饋單元，用于對電流采樣單元輸出的電壓信號I_S進行分壓，得到放電輸出電壓信號V_S，然后將該電壓信號V_S反饋給PWM控制單元，同時將該電壓信號輸出給控制單元，

PWM控制單元，用于將接收的反饋的電壓信號V_S通過其內部的誤差放大器與其內部的基準電壓進行比較，使輸出相應的脈寬信號給開關管驅動電路，

開關管驅動電路，用于對接收的脈寬信號進行自舉驅動，用以驅動buck拓撲結構電路，

控制單元，用于接收電流采樣單元輸出的電壓信號I_S輸出電流狀態監測信號，

用于接收電壓采樣反饋單元輸出的放電輸出電壓信號，當放電輸出電壓小于放電域閾值時，閉合開關S，接通buck拓撲結構電路，為母線提供電能，當放電輸出電壓大于放電域閾值時，斷開開關S，使得buck拓撲結構電路切斷，從而使整個放電電路切斷。

本發明的有益效果為：本發明采用buck拓撲結構電路實現放電調節器的功率傳輸與電平轉換功能，將蓄電池組的輸入電壓進行相應的降壓轉換，為母線提供穩定的電壓。電流采樣單元將蓄電池放電電流按一定倍數轉換為相應的電壓信號，并輸出至控制器，供后續的轉換與存儲。電壓采樣反饋單元實現對放電調節器輸出的電壓進行采樣，完成對電壓反饋信號的獲取與輸出。PWM控制單元通過反饋信號輸出相應的脈寬信號作為buck拓撲結構電路開關管的開關信號，開關驅動電路將PWM控制單元輸出的脈寬信號進行自舉驅動，用以驅動buck電路的開關管。控制單元接收對衛星電源母線電壓的誤差放大得到的放電使能信號，在母線電壓降低時接通放電電路，為母線提供電能，在母線電壓超過要求值時切斷放電電路。

當衛星運行到地影期，通過buck拓撲結構電路對蓄電池組的電能輸出進行功率傳輸與電平轉換，對電源母線進行放電，穩定電源母線電壓，為星上負載提供電能。并通過對放電調節器的輸出得放電電流進行實時監測并輸出電流監測信號，放電調節器是衛星電源系統功率調節的關鍵單元，本設計的成果將成為衛星電源系統重要組成單元，其研制具有很大的現實意義與實用價值。

本發明還具有以下優點：

1、實現基于buck電路的放電電路實現充放電功率傳輸與電平轉換，穩定母線電壓；

2、實現放電電流采樣并提供放電電流監測數據接口；

3、與放電電壓采樣并想向PWM反饋控制單元提供放電電壓采樣信號

4、實現PWM反饋控制環路功能，保證輸出電壓與電流的穩定；

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述的一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器的原理示意圖；

圖2為buck拓撲結構電路的原理圖；

圖3為buck拓撲結構電路的工作波形圖，其中，u_g表示開關管柵極電壓，u_VT表示二極管正極電壓，u_L表示電感電壓，i_L表示電感電流，i_VT表示二極管電流，i_C表示電容電流，I₁表示電感電流變化最小值，I₂表示電感電流變化最大值，t₁表示開關掛在一個周期內的導通時間，t₂表示開關周期結束時間，U_d表示輸入電壓穩態值，U_o表示電感L電流的變化；

圖4為NMOS管導通狀態時的原理圖；

圖5為NMOS管關閉狀態時的原理圖；

圖6為電流采樣單元的原理圖；

圖7為PWM控制單元的原理圖；

圖8為開關管驅動電路的原理圖；

圖9為控制器的接口圖；

圖10為一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器的控制流程圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參照圖1至圖5具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器，它包括蓄電池組，它還包括buck拓撲結構電路1、電流采樣單元2、電壓采樣反饋單元3、PWM控制單元4、開關管驅動電路5、控制單元6和開關S，

buck拓撲結構電路1，用于將蓄電池組的輸入電壓進行相應的降壓轉換，為母線提供穩定的電壓，

電流采樣單元2，用于采集蓄電池組放電電流信號，將該蓄電池放電電流信號按一定倍數轉換為相應的電壓信號I_S，該電壓信號I_S為兩路，一路電壓信號I_S輸出給控制單元6，供后續的轉換與存儲，另一路電壓信號I_S輸出給電壓采樣反饋單元3，

電壓采樣反饋單元3，用于對電流采樣單元2輸出的電壓信號I_S進行分壓，得到放電輸出電壓信號V_S，然后將該電壓信號VS反饋給PWM控制單元4，同時將該電壓信號輸出給控制單元6，

PWM控制單元4，用于將接收的反饋的電壓信號V_S通過其內部的誤差放大器與其內部的基準電壓進行比較，使輸出相應的脈寬信號給開關管驅動電路5，

開關管驅動電路5，用于對接收的脈寬信號進行自舉驅動，用以驅動buck拓撲結構電路，

控制單元6，用于接收電流采樣單元2輸出的電壓信號I_S輸出電流狀態監測信號，

用于接收電壓采樣反饋單元3輸出的放電輸出電壓信號，當放電輸出電壓小于放電域閾值時，閉合開關S，接通buck拓撲結構電路1，為母線提供電能，當放電輸出電壓大于放電域閾值時，斷開開關S，使得buck拓撲結構電路1切斷，從而使整個放電電路切斷。

本實施方式中，控制器設計如圖9所示。控制器接收母線采樣電壓，并根據其不同的采樣值范圍判斷是否需要通過蓄電池組對母線進行放電并控制放電電路的通斷。當采樣電壓小于放電域閾值時，系統進入放電域，控制器輸出放電電路接通信號，反之，當采樣電壓大于放電域閾值時，控制器輸出放電電路關閉信號。通過上述過程實現對放電電路通斷控制。同時接受電流采樣信號并對外提供電流監測信號接口。

通過控制器獲取母線誤差放大信號，并根據其具體狀態判斷是否接通充電通路。并且通過獲取放電電流采樣信號輸出電流狀態監測信號，軟件設計如圖10所示。

本實施方式中，將一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器的輸入端接入蓄電池組獲取輸入電能；將一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器的輸出端接入電源母線以輸出放電電能；將控制器接入母線電壓誤差放大信號，根據其具體狀態輸出放電電路通斷信號，控制放電電路的通斷使放電調節器的電能輸入經過buck電路輸出穩定的放電電壓；將控制器接入放電電流采樣信號并進行相應轉換，對外提供放電電流監測信號接口，實現電流監測數據的傳輸以及存儲。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器作進一步說明，本實施方式中，buck拓撲結構電路1包括NMOS管VT、二極管VD、電感L、電容C和電阻R，

蓄電池組的正極連接開關S的一端，開關S的另一端連接NMOS管的漏極，NMOS管的源極同時連接電感L的一端和二極管VD的負極，電感L的另一端同時連接電容C的一端和電阻R的一端，

二極管VD的正極同時連接蓄電池組的負極、電容C的另一端和電阻R的另一端，

NMOS管VT的柵極連接開關管驅動電路5的驅動信號輸出端，

電感L的另一端作為buck拓撲結構電路1的蓄電池放電電流信號正極輸出端，

電容C的另一端作為buck拓撲結構電路1的蓄電池放電電流信號負極輸出端。

本實施方式中，降壓式變換電路即buck電路，是一種輸出電壓低與輸入電壓的非隔離式PWM DC/DC變換器，其基本拓撲結構如圖2所示，

根據開關管的開關狀態，工作過程中各個狀態波形如圖3所示。

其工作過程如下：

1.NMOS管導通狀態t₀≤t≤t₁＝K·T其中，t₀表示開關周期的起始時間，t表示NMOS管工作時間，K表示NMOS管工作占空比，T表示開關周期表示。

二極管VD被關斷，等效電路拓撲如圖4所示，在理想條件下條件，u_d和u_o維持不變，為恒定值。有：

$u_L=u_d-u_o=L\frac{di}{dt}---(1-1)$

式中，u_L表示電感L電壓，u_d表示輸入電壓，u_o表示輸出電壓，

$\mathrm{\Δ}I=\frac{U_d}{L}{t}_1---(1-2)$

式中，ΔI表示電感L電流的變化，U_d表示輸入電壓穩態值，

由于u_d-u_o為常數，電流變化為線性，因此：

$u_L=u_d-u_o=L\frac{di}{dt}=L\frac{I_1-I_2}{\mathrm{\Δ}t}-L\frac{\mathrm{\Δ}I}{\mathrm{\Δ}t}=L\frac{\mathrm{\Δ}I}{t_1}---(1-3)$

$\mathrm{\Δ}I=\frac{(U_d-U_o)}{L}{t}_1---(1-4)$

式中，U_o表示電感L電流的變化，t₂表示開關周期結束時間。

2.NMOS管關閉狀態t₁≤t≤T

此時二極管VD處于導通模式，電感續流，其等效電路拓撲結構如圖5所示，此時有：

$U_o=L\frac{di}{dt}=L\frac{\mathrm{\Δ}I}{t_2-t_1}---(1-5)$

于是：

$\mathrm{\Δ}I=\frac{U_o(t_2-t_1)}{L}---(1-6)$

由于U_o維持不變，輸出電流線性變化。由于電路穩態工作時具有周期性，因此開關管的導通與開關管關閉兩個階段中的ΔI相等，于是有：

$\frac{(U_d-U_o)}{L}{t}_1=\frac{U_o(t_2-t_1)}{L}---(1-7)$

因此得到：

$U_o=\frac{t_1}{t_2}{U}_d=\frac{t_1}{T}{U}_d={\mathrm{KU}}_d---(1-8)$

通過上述工作過程實現，實現由蓄電池組向母線的放電電能的電能傳輸與電平轉換。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一或二所述的一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器作進一步說明，本實施方式中，電流采樣單元2包括電阻R_S和電流分流監視器2-1，

電流分流監視器2-1采用型號為INA282實現，

型號為INA282的電流分流監視器2-1的正輸入端+IN連接電阻R_S的一端，型號為INA282的電流分流監視器2-1的負輸入端-IN連接電阻R_S的另一端，

型號為INA282的電流分流監視器2-1的基準輸入端REF1和基準輸入端REF2均連接電源地，

型號為INA282的電流分流監視器2-1的V₊端連接供電電源，型號為INA282的電流分流監視器2-1的OUT端作為電流采樣單元2的一路電壓信號輸出端I_S，

電阻R_S的一端作為電流分流監視器2-1的另一路電壓信號輸入端。

本實施方式中，電流采樣單元通過采樣電阻R_S與電流分流監測器將其按一定倍數轉化為相應的輸出電壓I_S，電流分流監測器應用TI公司的INA282。按照單向運轉模式，將其來年改革基準輸入REF1與REF2均連接至地，并按照待監測的電流方向將采樣電阻RS兩端節接至正輸入端+IN與負輸入端-IN。通過上述連接方式將采樣電阻的壓降按照50倍差模放大輸出采樣信號。電路連接如圖6是所示。

具體實施方式四：本實施方式是對具體實施方式三所述的一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器作進一步說明，本實施方式中，電壓采樣反饋單元3包括電阻R_S1和電阻R_S2，

電流采樣單元2的另一路電壓信號輸出端連接電阻R_S1的一端，電阻R_S1的另一端連接電阻R_S2的一端，電阻R_S2的另一端連接buck拓撲結構電路1的蓄電池放電電流信號負極輸出端，

電阻R_S1的另一端作為電壓采樣反饋單元3的電壓信號輸出端。

本實施方式中，圖1中，電壓采樣的實現方式為通過高精度的分壓電阻R_S1與R_S2按一定比例的分壓，得到放電輸出電壓的電壓采樣，并將該采樣信號輸入至PWM控制單元。

具體實施方式五：本實施方式是對具體實施方式三所述的一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器作進一步說明，本實施方式中，它還包括二極管D，二極管D的正極連接電感L的一端，二極管D的負極連接電阻R_S的一端。

本實施方式中，二極管D，用于隔離。

具體實施方式六：本實施方式是對具體實施方式三所述的一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器作進一步說明，本實施方式中，

PWM控制單元4包括型號為UC3843的電流型PWM控制器、電阻R1、電容C1、電阻R_T和電容C_T，

型號為UC3843的電流型PWM控制器的VBF端作為電壓采樣反饋單元3反饋的電壓信號輸入端，型號為UC3843的電流型PWM控制器的VBF端同時連接電阻R1的一端和電容C1的一端，電阻R1的另一端同時連接電容C1的另一端和型號為UC3843的電流型PWM控制器的COMP端，

型號為UC3843的電流型PWM控制器的RC端同時連接電容C_T的一端和電阻R_T的一端，電容C_T的另一端同時連接電源地和型號為UC3843的電流型PWM控制器的GND端，

電阻R_T的另一端連接型號為UC3843的電流型PWM控制器的V_ref端，

型號為UC3843的電流型PWM控制器的VCC端連接供電電源，

型號為UC3843的電流型PWM控制器的OUT端作為PWM控制單元4的脈寬信號輸出端。

本實施方式中，PWM控制單元將上述反饋信號V_S作為PWM控制器的輸入信號，該反饋電壓經PWM控制器內部的誤差放大器后，調整開關信號的占空比以實現放電電壓的穩定輸出。本設計采用TI公司的UC3843電流型PWM控制器，硬件設計如圖7所示，具體工作過程如下：

輸入信號V_S輸入到PWM控制器的反饋輸入端VFB，并通過其內部的誤差放大器與其內部的基準電壓進行比較，放大器的輸出端COMP與反饋信號的輸入端VBF按照圖6所示的方式連接，通過電阻R與電容C調節控制器的動態特性。

輸出的脈寬信號的最大占空比與頻率可通過不同數值的電阻R_T與電容C_T進行相應設置，根據公式：

獲得不同數值的電阻R_T與電容C_T對應的最大輸出占空比D_MAX；

其中，V_{RT/CT(valley)}＝1.2V，V_RT/CT(peak)＝2.8V，V_ref＝5V，I_dischg＝8.3mA，

根據公式：

獲得不同數值的電阻R_T與電容C_T對應的輸出信號頻率f。

通過當反饋信號V_S增大時，PWM控制器的輸出信號占空比相應減小；反之，當反饋信號V_S減小時，PWM控制器的輸出信號占空比相應增大。通過上述過程，實現對輸出電壓與輸出電流的動態調節，使其穩定工作。

具體實施方式七：本實施方式是對具體實施方式三所述的一種全調節母線型衛星電源蓄電池放電調節器作進一步說明，本實施方式中，開關管驅動電路5采用型號為IR2117的柵極驅動器實現。

本實施方式中，由于buck的開關管的位置處在高邊位置，因此需要在其開關管的柵極與漏極之間設計自舉驅動電路以實現開關管的完全導通狀態。IR2117是美國IR公司專為驅動單個MOSFET或IGBT而設計的柵極驅動器，它采用高壓集成電路技術和無閂鎖CMOS技術，可用于工作母線電壓高達600V的系統中。其輸入與標準的CMOS電平兼容，輸出驅動特性可滿足交叉導通時間最短的大電流驅動輸出級的設計要求。其懸浮通道與自舉技術的應用使其可直接用來驅動一個工作于母線電壓高達600V的、在高邊或低端工作的N溝道MOSFET或IGBT。應用IR公司的單通道MOSFET驅動器IR2117組成的驅動電路設計如圖8所示：在通過自舉方式得到高邊懸浮電源VB時，需要在供電電壓引腳Vcc與高邊懸浮電源端VB之間接入反向耐壓要大于600V的超快恢復二極管，并在高邊懸浮電源VB與輸出級參考地端VS之間接入高穩定、低串聯電感、高頻率特性的優質電容，可選滿足該要求的瓷片電容或鉭電容，電容容量為0.1～1μF均可，該電容量將隨IR2117工作頻率的提高而下降。

通過上述電路連接方式，可將輸入電壓信號IN轉化為高邊開關管驅動信號HO，實現對開關管的驅動。