CN105406542A - 一种超级电容器组压控限流充电电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种基于空间飞行器不调节母线对超级电容器充电控制电路。该电路能随着母线电压升高而增大超级电容器的充电电流，当达到超级电容器恒压点时充电进入恒压控制。电路包含有super-buck降压功率模块，电流环电压环双环控制模块，充电电流基准跟随母线电压控制模块，超级电容器恒流恒压控制模块。该电路实现了超级电容器作为备份电源将优先满足母线功率需求，随着多余能量增多，母线电压会逐步升高，充电电流逐步增大，控制结构简单，所需器件少，接口简单。

Description

一种超级电容器组压控限流充电电路
技术领域
本发明属于空间电源技术领域，具体涉及一种超级电容器组压控限流充电电路的控制电路。
背景技术
不调节母线是空间飞行器的一种重要能源控制模式，其特点是将太阳电池阵输出电流直接给蓄电池充电，蓄电池电压即母线电压，由于蓄电池电压随充放电过程不断变化，因此不调节母线电压时一直变化的。
超级电容器作为辅助能源一般与蓄电池并联，超级电容器具有瞬间输出大功率的能力，因此当有大的脉冲负载需求时，超级电容器将为大脉冲负载提供大部分能量。
超级电容器与蓄电池重要程度不同，要优先满足蓄电池充电（蓄电池为飞行器平台供电），但由于低轨光照期时间有限，不能等蓄电池充电完成再给超级电容器充电，因此如何解决超级电容器充电问题成为一个技术难点。
发明内容
针对上述技术难点，本发明所要解决的技术问题是开发一种超级电容器组压控限流充电电路，作为空间飞行器不调节母线对超级电容器的充电管理方法，提高空间能源利用率和可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种超级电容器组压控限流充电电路，由super-buck降压功率模块，双环控制模块，充电电流基准控制模块，恒流恒压控制模块组成。功率拓扑采用super-buck降压功率模块，该拓扑结构输入输出电流都连续，能最大限度减小超级电容充电时对母线电压的影响和超级电容充电电压纹波，控制部分采用电流环电压环双环控制，能有效提供控制回路带宽，增强稳定性和可靠性。充电电流基准控制模块采样母线电压，输出信号作为恒流恒压控制模块充电电流基准，这样超级电容器充电电流能随着母线电压升高而逐步增大，母线电压升高即蓄电池电压升高，表明蓄电池逐步充满，这样既能优先保证蓄电池充电，又能兼顾超级电容器充电，最大限度利用了光照期太阳电池发电能量，保证了飞行器能源安全。
本发明解决了空间飞行器超级电容器充电管理问题，既能保证蓄电池（主能源）的优先充电权，又能满足超级电容器与蓄电池并联使用超级电容器的充电要求。
附图说明
图1为本发明超级电容器组压控限流充电电路原理框图。
图2为本发明超级电容器组压控限流充电电路super-buck降压功率模块。
图3为本发明超级电容器组压控限流充电电路的双环控制模块。
图4为本发明超级电容器组压控限流充电电路的恒流恒压控制模块。
图5为本发明超级电容器组压控限流充电电路的充电电流基准控制模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
本发明的一种超级电容器组压控限流充电电路电原理框图如图1所示，由super-buck降压功率模块，双环控制模块，充电电流基准控制模块，恒流恒压控制模块四个模块电路组成。
图2为本发明super-buck降压功率模块。当开关管S导通，电容C通过开关管S1向负载放电，同时母线通过电感L1和开关管S向超级电容器提供电流。母线给电感L1储能，电容C放电，电感L2储能。
当开关管S关断，D1正向导通时，由于电感电流连续，此时电流通过二极管D1、D2流通，电流流过电感L1、电容C和功率二极管D1，母线和电感L1通过二极管D1、D2给电容C充电，从而补充电容C在开关管S导通时所释放的能量。电感L2通过D1续流，给超级电容器充电。
图3为本发明双环控制模块。Vea为电压环控制，输入采样电流与Vea信号比较，形成电流环控制，电压环与电流环形成双环控制，运放N1007输出电压信号给脉宽控制器SG1525，SG1525输出两路脉宽信号PWM，两路脉宽信号经过或门电路CC4071合成一路脉宽信号。功率回路MOS管S为N沟道MOS管，串联在功率回路中，需使用浮地驱动。浮地驱动电路由图腾柱驱动电路V1013、V1015，变压器T1001及后续整流电路等组成，脉宽信号经浮地驱动电路隔离驱动MOS管。
图4为本发明恒流恒压控制模块。采集充电电流，与充电电流基准进行比较，产生充电电流误差信号。采集充电电压信号，与基准进行比较，产生充电电压误差信号。两个误差信号竞争输出，在充电电压没有达到限压值之前，由充电电流误差信号控制，充电电流值由充电电流基准控制模块输出基准控制。因此充电功能可由充电电流基准控制，当充电电流基准为零时，无充电。而充电电流基准由母线控制，从而达到充电功能及充电电流均由母线控制。
图5为本发明充电电流基准控制模块。采样母线电压与基准进行比较，当母线高于设定阈值时，运放N2001输出比例电压信号作为充电电流基准。阈值和比例放大关系可根据具体情况（母线及负载需求、超级电容容量等）自由设定。充电电流基准作为整个超级电容器组压控限流充电电路的关键控制部件，控制充电功能的开启及充电电流的设定。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种超级电容器组压控限流充电电路，基于空间飞行器不调节母线对超级电容器的充电控制，充电电流随母线电压升高而线性增加；其特征在于：
由super-buck降压功率模块，双环控制模块，充电电流基准控制模块，恒流恒压控制模块组成；上述super-buck降压功率模块一头连接不调节母线，一头连接超级电容器；充电电流基准控制模块采样不调节母线电压，输出信号给恒流恒压控制模块，恒流恒压控制模块采样超级电容器充电电流和电压，同时接收充电电流基准控制模块的信号，输出信号给双环控制模块，双环控制模块产生驱动信号给super-buck降压功率模块。
2.根据权利要求1所述的超级电容器组压控限流充电电路，其特征在于：充电功能由母线电压控制，当母线电压高于设定值才开始给超级电容器充电，充电电流大小与母线电压高低呈线性关系。
3.根据权利要求1所述的超级电容器组压控限流充电电路，其特征在于：所述super-buck降压功率模块，当开关管S导通，电容C通过开关管S1向负载放电，同时母线通过电感L1和开关管S向超级电容器提供电流；母线给电感L1储能，电容C放电，电感L2储能；当开关管S关断，D1正向导通时，由于电感电流连续，此时电流通过二极管D1、D2流通，电流流过电感L1、电容C和功率二极管D1，母线和电感L1通过二极管D1、D2给电容C充电，从而补充电容C在开关管S导通时所释放的能量；电感L2通过D1续流，给超级电容器充电。
4.根据权利要求1所述的超级电容器组压控限流充电电路，其特征在于：所述双环控制模块，Vea为电压环控制，输入采样电流与Vea信号比较，形成电流环控制，电压环与电流环形成双环控制，运放N1007输出电压信号给脉宽控制器SG1525，SG1525输出两路脉宽信号PWM，两路脉宽信号经过或门电路CC4071合成一路脉宽信号；功率回路MOS管S为N沟道MOS管，串联在功率回路中，需使用浮地驱动；浮地驱动电路由图腾柱驱动电路V1013、V1015，变压器T1001及后续整流电路等组成，脉宽信号经浮地驱动电路隔离驱动MOS管。
5.根据权利要求1所述的超级电容器组压控限流充电电路，其特征在于：所述恒流恒压控制模块，采集充电电流，与充电电流基准进行比较，产生充电电流误差信号；采集充电电压信号，与基准进行比较，产生充电电压误差信号；两个误差信号竞争输出，在充电电压没有达到限压值之前，由充电电流误差信号控制，充电电流值由充电电流基准控制模块输出基准控制；因此充电功能可由充电电流基准控制，当充电电流基准为零时，无充电；而充电电流基准由母线控制，从而达到充电功能及充电电流均由母线控制。
6.根据权利要求1所述的超级电容器组压控限流充电电路，其特征在于：所述充电电流基准控制模块，采样母线电压与基准进行比较，当母线高于设定阈值时，运放N2001输出比例电压信号作为充电电流基准；阈值和比例放大关系可根据母线及负载需求、超级电容容量自由设定；充电电流基准作为整个超级电容器组压控限流充电电路的关键控制部件，控制充电功能的开启及充电电流的设定。
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