CN103744467B

CN103744467B - 用于微小卫星电源系统的太阳能电池最大功率追踪装置及其控制方法

Info

Publication number: CN103744467B
Application number: CN201310692073.7A
Authority: CN
Inventors: 罗明玲; 金小军; 王春晖; 金仲和; 余礼杰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: CN103744467A

Abstract

本发明公开了一种用于微小卫星电源系统的太阳能电池最大功率追踪装置及其控制方法，该装置包括：一控制单元和多路功率输出单元；控制单元根据任一路功率输出单元中信息采集模块采集的输入电压和输出电压调节相应DC-DC转换模块的工作模式，若工作在升压模式或降压模式，则控制单元根据当前时刻和前一时刻的输出功率进行MPPT控制；若DC-DC转换模块失效则打开相应的故障模式模块。本发明基于一个控制单元即可集中控制多个DC-DC转换模块，DC-DC转换模块可以实现降压、升压、直通三种模式，并且故障模式单元可以在DC-DC转换模块失效时由控制单元进行模式切换，保证输入端到输出端的导通。

Description

用于微小卫星电源系统的太阳能电池最大功率追踪装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及航天器件开关电源领域和程控领域，尤其涉及适用于微小卫星电源系统的太阳能电池最大功率追踪装置及其控制方法。

背景技术

微小卫星是指质量在100Kg以下的卫星，其供电部分一般由太阳能电池和蓄电池构成。由于太阳能电池的负载输出曲线与外界条件相关（光照、温度），在同一条太阳能电池输出曲线上其工作点也与负载电阻有关，在曲线上有一个最大功率输出点。为了使太阳能电池工作在最大功率点，需要有一种能够实时监控、调节太阳能电池的输出状态的装置，为卫星提供更多的能源供给。

如图1所示，现有技术的针对微小卫星电源系统的MPPT（Maximum PowerPoint Tracking，最大功率点跟踪）装置主要由计算机、控制模块和子板构成，计算机通过标准计算机数据接口分别和控制模块相连，控制模块再与各个子板相连。计算机向母板传送指令，母板接收到指令后传给相应的子板，子板将数据传给母板，再由母板传送给计算机，由计算机软件进行显示。如图2所示，现有技术的子板主要由MCU或DSP、分立式DC-DC变压电路、ADC（模数转换器）、MOS驱动和保护电路构成。但是，现有的MPPT装置有三个缺点：第一，现有技术的控制单元MCU的工作频率较低，使输出的控制信号PWM波的占空比分辨率低，不能达到高精度控制的要求；如果是DSP做控制单元，一般DSP都有内部集成的PWM模块，直接配置寄存器即可使用。但PWM模块一般输出接口都非常有限，不足以满足卫星电源多个子板的控制需求。另外DSP的功耗偏高，将导致整体效率降低。第二、目前的MPPT装置中，分立式DCDC拓扑一般为BUCK降压型或BOOST升压型，这两种拓扑在输入端太阳能电池电压和负载端电压相差较小时效率都不高，并且只能工作在升压或者降压状态，不能满足既有降压又有升压的工作场合。

此外，目前市面上也有能够进行最大功率追踪的集成芯片或电路板，但这些设备具有以下缺点：首先，此类设备一般适用于KW级功率需求的场合，在一小段功率范围内精度低，不适合功耗为几十瓦的微小卫星应用。其次，此类设备一般接口固定、拓扑结构确定，不能灵活切换。最后，此类设备内部已经将算法固化，不能根据实际情况进行优化。综上所述，现有技术下的MPPT装置在硬件和软件上都存在不足，不能满足微小卫星电源系统应用的需要。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种能量转换效率高、电路输出精度高、体积小巧、结构简单、成本低及应用范围广泛的用于微小卫星电源系统的太阳能电池最大功率追踪装置，并根据该装置提供了一种特定的控制方法。

一种用于微小卫星电源系统的太阳能电池最大功率追踪装置，包括：一控制单元和多路功率输出单元；其中：

所述的功率输出单元包括DC-DC转换模块和信息采集模块；

所述的DC-DC转换模块以太阳能电池电压作为输入电压，并对所述的输入电压进行升压、降压或直通转换，从而将转换得到的输出电压加载至对应的负载上；

所述的信息采集模块用于采集DC-DC转换模块的输入电压、输出电压以及输出电流，并传送给控制单元；

所述的控制单元根据所述的输入电压、输出电压以及输出电流，通过MPPT控制策略对各路功率输出单元中的DC-DC转换模块进行闭环控制。

所述的功率输出单元还包括一故障模式模块；所述的故障模式模块用于在DC-DC转换模块故障情况下将太阳能电池电压直通加载至对应的负载上。

所述的故障模式模块采用具有使能端口的LDO（低压差线性稳压器），该使能端口接收控制单元提供的使能信号。所述故障模式单元在正常模式下默认关闭，在故障模式下通过控制单元开启。

所述的信号采集模块包括用于采集输出电压的电压传感器和用于采集输出电流的电流传感器。

所述的电压传感器和电流传感器采集的输出电压和输出电流均为模拟信号。

所述的功率输出单元还包括一模数转换模块，所述的模数转换模块用于将所述的模拟信号转化为数字信号传递至控制单元。

优选地，所述的控制单元采用FPGA。在实际应用中，FPGA功耗极低，一般小于100mW，I/O端口丰富，适用于本发明中控制端口多的情况；另外，FPGA支持的工作频率高，在太空环境变化剧烈时，反应更灵敏，可快速追踪最大功率，且FPGA控制精度高，可满足小范围内功率追踪的需求，使最大功率点避免震荡。

所述的DC-DC转换模块由四个NMOS管SW₁～SW₄、一电感L和一电容C组成；NMOS管SW₁的漏极接太阳能电池的正极，源极与NMOS管SW₂的漏极和电感L的一端相连；电感L的另一端与NMOS管SW₃的漏极和NMOS管SW₄的源极相连；NMOS管SW₄的漏极与电容C的一端和负载的一端相连；电容C的另一端与NMOS管SW₃的源极、NMOS管SW₂的源极、太阳能电池的负极以及负载的另一端共连；四个NMOS管SW₁～SW₄的栅极均接收控制单元提供的控制信号。

所述的控制单元与DC-DC转化模块之间还包括用于驱动控制信号的NMOS驱动器。

所述的DC-DC转化模块在所述的NMOS驱动器的驱动信号作用下为boost升压变压器或buck降压变压器。

一种太阳能电池最大功率追踪装置的控制方法，包括如下步骤：

（1）判断任一路功率输出单元中DC-DC转换模块的工作状态，若正常，则执行步骤（2）；若否，则执行步骤（3）；

（2）计算出DC-DC转换模块输入电压和输出电压的平均值，通过比较输入电压和输出电压的平均值确定DC-DC转换模块的工作模式，并使DC-DC转换模块运行于该工作模式下；若DC-DC转换模块工作于升压模式或降压模式下，则对DC-DC转换模块进行MPPT控制；

（3）关闭DC-DC转换模块并打开功率输出单元中的故障模式模块，以将太阳能电池电压直通加载至对应的负载上；

（4）根据步骤（1）～（3）遍历所有功率输出单元。

所述的步骤（2）中确定DC-DC转换模块工作模式的标准如下：

根据算式V_Δ=V_i-V_o计算出电压差值V_Δ并进行以下判断：

若V_Δ＜|V_th|，则设定DC-DC转换模块工作于直通模式；

若V_Δ＞V_th，则设定DC-DC转换模块工作于降压模式；

若V_Δ＜-V_th，则设定DC-DC转换模块工作于升压模式；

其中：V_i和V_o分别为DC-DC转换模块输入电压和输出电压的平均值，V_th为电压阈值。

在任一时刻内输入电压和输出电压的平均值分别为：

V_{i} = \frac{Σ_{j = 1}^{n} V_{i - j}}{n}, V_{O} = \frac{Σ_{j = 1}^{n} V_{O - j}}{n}

其中，n表示该时刻的时间段数，j和n均为大于等于1的自然数。

所述的步骤（2）中使DC-DC转换模块运行于对应工作模式的具体过程如下：

若DC-DC转换模块工作于降压模式下，则使NMOS管SW₄开通，NMOS管SW₃关闭，令NMOS管SW₁作为主控开关，根据主控开关的占空比使NMOS管SW₁和SW₂交替开通；

若DC-DC转换模块工作于升压模式下，则使NMOS管SW₁开通，NMOS管SW₂关闭，令NMOS管SW₃作为主控开关，根据主控开关的占空比使NMOS管SW₃和SW₄交替开通；

若DC-DC转换模块工作于直通模式下，则使NMOS管SW₁和SW₄开通，NMOS管SW₂和SW₃关闭。

所述的步骤（2）中对DC-DC转换模块进行MPPT控制的具体方法如下：

根据算式ΔP＝P-P^*计算出功率差值ΔP并进行以下判断：

若0＜ΔP＜P_th，则根据步长B₁增加主控开关的占空比；

若ΔP＞P_th，则根据步长B₂增加主控开关的占空比；

若0＜-ΔP＜P_th，则根据步长B₁减小主控开关的占空比；

若-ΔP＞P_th，则根据步长B₂减小主控开关的占空比；

其中：P和P^*分别为当前时刻和前一时刻DC-DC转换模块输出功率的平均值，P_th为功率阈值。

在当前时刻和前一时刻的输出功率的平均值分别为：

P = \frac{Σ_{r = 1}^{n} U_{o_r} I_{o_r}}{n}, P^{*} = \frac{Σ_{s = 1}^{n} U_{o_s} I_{o_s}}{n}

其中，U_o-r和I_o-r分别为当前时刻第r时段的输出电压和输出电流，U_o-s和I_o-s分别为前一时刻第s时段的输出电压和输出电流，n表示当前时刻和前一时刻的时间段数，r、s和n均为大于等于1的自然数；

所述的步长B₁小于步长B₂。

本发明的工作原理：

微小卫星在轨时有约2/3的时间处于光照区，当微小卫星处于阴影区时，MPPT装置关闭，使电源系统具有单向导通性，母线电流不反灌向太阳能电池，从而避免对太阳能电池造成破坏；当微小卫星处于光照区时，DC-DC转换模块以太阳能电池电压作为输入电压，并对输入电压进行升压、降压或直通转换，从而将转换得到的输出电压加载至对应的负载上，信息采集模块中的电压传感器和电流传感器采集DC-DC转换模块的输入电压、输出电压以及输出电流，并传送给控制单元，控制单元根据输入电压、输出电压以及输出电流，通过MPPT控制策略对各路功率输出单元中的DC-DC转换模块进行最大功率追踪实现闭环控制。

本发明的有益效果：

（1）本发明基于一个控制单元即可集中控制多个DC-DC转换模块，可以将所有电路集成在一块电路板上，能对各个太阳能电池面分别进行最大功率追踪，提高了控制的精度。

（2）本发明采用的DC-DC转换模块可以实现降压、升压、直通三种模式，对输入端的太阳能电池电压高于、低于或接近负载端电压都适用。

（3）本发明的故障模式单元可以在控制单元MPPT算法失效时由卫星总体控制单元进行模式切换，保证输入端到输出端的导通。

附图说明

图1为现有技术的基本框架图。

图2为现有技术子板的结构示意图。

图3为本发明实施例的框架结构示意图。

图4为本发明实施例的故障模式模块的框架结构示意图。

图5为本发明实施例DC-DC变压器的框架结构示意图。

图6为本发明实施例DC-DC变压器的控制波形示意图。

图7为本发明实施例控制单元的工作流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图3所示，本实施例中，一种用于微小卫星电源系统的太阳能电池最大功率追踪装置，包括控制单元1和多路功率输出单元2；功率输出单元2包括DC-DC转换模块21、信息采集模块22、故障模式模块23和、模数转换模块24和负载；信息采集模块22包括电压传感器221和电流传感器222。

DC-DC转换模块21是一种基于开关电源原理的分立器件搭建的直流转直流变换器，在输出端负载接锂电池的应用中，输出端电压被钳位为锂电池电压，通过改变开关的占空比，即可以调整输入电压，使输入端太阳能电池工作点改变。DC-DC转换模块21由分立器件搭成，如图5所示，DC-DC转换模块21由四个NMOS管SW₁～SW₄、一电感L和一电容C组成；NMOS管SW₁的漏极接太阳能电池的正极，源极与NMOS管SW₂的漏极和电感L的一端相连；电感L的另一端与NMOS管SW₃的漏极和NMOS管SW₄的源极相连；NMOS管SW₄的漏极与电容C的一端和负载的一端相连；电容C的另一端与NMOS管SW₃的源极、NMOS管SW₂的源极、太阳能电池的负极以及负载的另一端共连；四个NMOS管SW₁～SW₄的栅极均接收控制单元提供的控制信号。栅极作为DC-DC转换模块21的控制端。

本实施例中NMOS管采用的是VISHAY公司的SI7940DP，该芯片集成了2个完全一样的NMOS开关管。主要参数如下：漏源电压Vds：12V；栅极阈值电压Vgs(th):0.6～1.5V；导通阻抗Rdson：0.025Ω9.8A。NMOS驱动器的输出端接到NMOS开关的栅极，高电平时NMOS开关导通，低电平时NMOS开关关闭。

如图5所示，DC-DC转换模块21是一个四开关的升降压电路，还包括两个高低端NMOS驱动器211，NMOS驱动器211的控制端与控制单元1相连，输出端与DC-DC转换模块21的控制端相连。

NMOS驱动器211是集成化的开关驱动芯片，可同时驱动一个高端、一个低端的NMOS开关，驱动器的一路输入对应一路输出。本实施例中的NMOS驱动器采用的是Texas Instruments公司的UCC27211，并采用8～17V单端供电，其输入电平为TTL电平，典型上升时间为7.2ns，典型下降时间为5.5ns，典型传输延时为18ns。

如图3所示，本实施例共包括六个负载，因此对应设有六个DC-DC转换模块21、六个信息采集模块22、六个故障模式模块23和六个模数转换模块24。

本实施例中，控制单元1采用Actel公司的型号为A3P1000L的FPGA。此FPGA基于FLASH结构，断电后代码不丢失。此FPGA具有100万个系统门，在应用中保留了50%的余量以备后续扩展。计算机通过JTAG口将程序下载到FPGA中，在调试过程中可通过相关软件读出主要数据。

本实施例中选用的FPGA为FLASH型FPGA，FLASH型FPGA的功耗较低，与运行频率成正比，在本实施例的控制单元应用中，运行频率很低。

如图4所示，本实施例的故障模式模块23采用Texas Instruments公司的具有使能端的LDO TPS75501实现。TPS75501使能管脚低电平有效，在默认状态下上拉到高电平，在切换到故障模式时，控制单元输出低电平，使能TPS75501，使输入端太阳能电池和负载端连通。

本实施例的模数转换模块24选用Texas Instruments公司的TLV1578芯片，TLV1578芯片是一种基于采样保持原理的8通道10位精度并行模数转换芯片，采样速率最高600KHZ，内部集成时钟，采用并口通信方式。其功能是通过选通控制线、读写控制线接受控制单元1的指令，采集六个信息采集模块22的输出电压和输出电流信息再通过并口总线发送给控制单元1。

本实施例中DC-DC转换模块21以太阳能电池电压作为输入电压，并对输入电压进行升压、降压或直通转换，从而将转换得到的输出电压加载至对应的负载上，信息采集模块22中的电压传感器221和电流传感器222采集DC-DC转换模块21的输入电压、输出电压以及输出电流，并传送给控制单元1，控制单元1根据输入电压、输出电压以及输出电流，通过MPPT控制策略对各路功率输出单元中的DC-DC转换模块进行最大功率追踪实现闭环控制。

本实施例中，根据整个装置中各部分电路的功能，可将电路分为控制部分和功率输出部分。以控制单元1为核心，控制部分的功能是：第一、根据六路输出的电流、电压采样信息，判断六路输出的是否工作在正常工作的电压、电流范围之内，如果其中某一路输出超出正常工作的电压、电流，单路进入故障模式；第二、根据输入电压和输出电压的采样信息，判断DC-DC转换模块21应该工作在降压、升压还是直通模式。功率输出部分的功能是：输出端接蓄电池钳位输出电压，NMOS管的栅极接收FPGA的输出占空比设置信号，改变相应大小的输入电压。

控制单元1的工作流程如下：

a.系统初始化：分配FPGA的I/O管脚，配置初始占空比，配置步长B1和B2及其步长B1和B2的变换方向。通过选通控制线、读控制线、写控制线初始化TLV1578。

b.配置TLV1578：选通TLV1578，通过TLV1578的写控制、写选通及写芯片功能通过并口数据线给TLV1578配置寄存器，确定AD转换方式为软件启动，开启内部时钟，开启多通道扫描方式。

c.采集信息并计算输出：控制单元1的工作流程具体如下：通过TLV1578的读控制、读选通及读芯片功能，通过并口数据线将信息采集模块22采集的1～6路的输入电压、输出电压及输出电流经过AD转换后的结果读入FPGA，并计算输出。

如图7所示，用于微小卫星电源系统的太阳能电池最大功率追踪的控制方法包括如下步骤：

（2）计算出DC-DC转换模块输入电压和输出电压的平均值，通过比较输入电压和输出电压的平均值确定DC-DC转换模块的工作模式：

根据算式V_Δ=V_i-V_o计算出电压差值V_Δ并进行以下判断：

若V_Δ＜|V_th|，则设定DC-DC转换模块工作于直通模式；直通模式下NMOS管SW₁和SW₄开通，NMOS管SW₂和SW₃关闭；

若V_Δ＞V_th，则设定DC-DC转换模块工作于降压模式；降压模式下NMOS管SW₄开通，NMOS管SW₃关闭，NMOS管SW₁作为主控开关，控制单元1根据主控开关的占空比使NMOS管SW₁和SW₂交替开通；

若V_Δ＜-V_th，则设定DC-DC转换模块工作于升压模式；升压模式下NMOS管SW₁开通，NMOS管SW₂关闭，NMOS管SW₃作为主控开关，控制单元1根据主控开关的占空比使NMOS管SW₃和SW₄交替开通；

其中：V_i和V_o分别为DC-DC转换模块输入电压和输出电压的平均值，V_th为电压阈值，且

V_{i} = \frac{Σ_{j = 1}^{16} V_{i - j}}{16}, V_{O} = \frac{Σ_{j = 1}^{16} V_{O - j}}{16}

其中：该时刻的时间段数为16，即该时刻内共采集了16次的输出电压，j≥1且为自然数；

DC-DC转换模块运行于判断选定的工作模式下，若DC-DC转换模块工作于升压模式或降压模式下，则对DC-DC转换模块进行MPPT控制：

根据算式ΔP＝P-P^*计算出功率差值ΔP并进行以下判断：

若0＜ΔP＜P_th，则根据步长B₁增加主控开关的占空比；

若ΔP＞P_th，则根据步长B₂增加主控开关的占空比；

若0＜-ΔP＜P_th，则根据步长B₁减小主控开关的占空比；

若-ΔP＞P_th，则根据步长B₂减小主控开关的占空比；

若占空比达到了占空比阈值边界，则将占空比重新设定为初始占空比，如图6所示。

其中：P和P^*分别为当前时刻和前一时刻DC-DC转换模块输出功率的平均值，P_th为功率阈值，计算公式如下：

P = \frac{Σ_{r = 1}^{n} U_{o_r} I_{o_r}}{n}, P^{*} = \frac{Σ_{s = 1}^{n} U_{o_s} I_{o_s}}{n}

其中：U_o-r和I_o-r分别为当前时刻第r时段的输出电压和输出电流，U_o-s和I_o-s分别为前一时刻第s时段的输出电压和输出电流，n表示当前时刻和前一时刻的时间段数，r、s和n均为大于等于1的自然数；P*的初始值为0；

本实施例中，设定步长B1=0.5%，步长B2=2%，n=16。

（4）根据步骤（1）～（3）遍历所有功率输出单元。

以上仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，实施属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于微小卫星电源系统的太阳能电池最大功率追踪装置的控制方法，所述的太阳能电池最大功率追踪装置包括：一控制单元和多路功率输出单元；其中：

所述的功率输出单元包括DC-DC转换模块和信息采集模块；

所述的控制单元根据所述的输入电压、输出电压以及输出电流，通过MPPT控制策略对各路功率输出单元中的DC-DC转换模块进行闭环控制；

所述的功率输出单元还包括一故障模式模块；所述的故障模式模块用于在DC-DC转换模块故障情况下将太阳能电池电压直通加载至对应的负载上；

所述的DC-DC转换模块由四个NMOS管SW₁～SW₄、一电感L和一电容C组成；NMOS管SW₁的漏极接太阳能电池的正极，源极与NMOS管SW₂的漏极和电感L的一端相连；电感L的另一端与NMOS管SW₃的漏极和NMOS管SW₄的源极相连；NMOS管SW₄的漏极与电容C的一端和负载的一端相连；电容C的另一端与NMOS管SW₃的源极、NMOS管SW₂的源极、太阳能电池的负极以及负载的另一端共连；四个NMOS管SW₁～SW₄的栅极均接收控制单元提供的控制信号；

所述的控制方法包括如下步骤：

(1)判断任一路功率输出单元中DC-DC转换模块的工作状态，若正常，则执行步骤(2)；若否，则执行步骤(3)；

(2)计算出DC-DC转换模块输入电压和输出电压的平均值，通过比较输入电压和输出电压的平均值确定DC-DC转换模块的工作模式，并使DC-DC转换模块运行于该工作模式下，具体过程如下：

若DC-DC转换模块工作于直通模式下，则使NMOS管SW₁和SW₄开通，NMOS管SW₂和SW₃关闭；

若DC-DC转换模块工作于升压模式或降压模式下，则对DC-DC转换模块进行MPPT控制，具体方法如下：

根据算式ΔP＝P-P^*计算出功率差值ΔP并进行以下判断：

若0＜ΔP＜P_th，则根据步长B₁增加主控开关的占空比；

若ΔP＞P_th，则根据步长B₂增加主控开关的占空比；

若0＜-ΔP＜P_th，则根据步长B₁减小主控开关的占空比；

若-ΔP＞P_th，则根据步长B₂减小主控开关的占空比；

其中：P和P^*分别为当前时刻和前一时刻DC-DC转换模块输出功率的平均值，P_th为功率阈值，所述的步长B₁小于步长B₂；

(3)关闭DC-DC转换模块并打开功率输出单元中的故障模式模块，以将太阳能电池电压直通加载至对应的负载上；

(4)根据步骤(1)～(3)遍历所有功率输出单元。