CN105515093B - 一种应用于s4r型电路的防过充电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于S4R型电路的防过充电路，是空间飞行器电源系统中控制蓄电池充电的核心装置。采用S4R型电路拓扑的太阳能输出对蓄电池充电的控制方式，直接将太阳电池阵的富余能量供蓄电池充电，通过分流开关管的导通，限制蓄电池电压在目标值，从而达到防止过充的目的，无需额外的充电变换电路，并且具有可调的防止过充电参数的外部接口，电路简单可靠，并可适应不同使用环境对蓄电池防过充设计的要求。
Description
技术领域
本发明应用于卫星、空间站等航天器用电源控制器领域，具体涉及一种应用于S4R型电路的防过充电路。
背景技术
目前，航天器如卫星、空间站等大型设施，其电源系统均采用太阳电池阵-蓄电池组-电源控制单元的形式，通过蓄电池的充放电循环，完成太空中各电子设备的能源需求。其中，蓄电池防过充设计的合理性，直接影响到蓄电池在轨工作的年限，对航天在轨的安全性及可靠性至关重要。
不同蓄电池的充电过程控制大相径庭，传统的镉镍电池采用V-T曲线控制方式防止电池过充，根据当前电池的电压与温度，判断蓄电池的荷电态并决定充电终止条件；氢镍电池则将压力引入到充电控制参数中；新一代锂离子蓄电池需要解决大电流充电时带来的电池虚饱，对于不同使用条件，需要改变过充控制参数，来适应蓄电池根据环境产生的化学特性变化。
鉴于以上原因，针对锂离子蓄电池，需要一种新的防过充控制电路，使其既满足工作期间蓄电池的荷电态平衡，同时有利于不同工作条件下蓄电池寿命的延长。为适应蓄电池的上述工作要求，发明了本防止过充控制方式。
发明内容
为解决现有加工技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题是开发一种应用于S4R型电路的防过压电路，作为空间电源系统中控制锂离子蓄电池在轨正常工作期间的控制核心，极大提高太阳阵对电池充电时的效率以及对蓄电池充电控制的可靠性及灵活性。
为了实现上述技术方案，本发明的技术方案：一种应用于S4R型电路的防过充电路，通过电路拓扑中的母线电压反馈电路、充电信号反馈电路、充电参数误差放大电路、三角波发生器电路、功率电子开关电路，对太阳电池输出及蓄电池的充电进行自动控制，防止电池过充，并提供了调节过充参数的对外接口；
所述充电信号反馈电路，包括单体电池电压采样电路、充电电流采样电路、整组电池电压采样电路，可通过对外接口设定需要的电压、电流值，调节过充参数范围，实现覆盖锂电池不同寿命期间的工作需要；
所述充电参数误差放大电路，与母线误差放大电路通过逻辑控制芯片，确保电路在提供稳定的一次母线的前提下，直接将太阳电池阵富余的能量提供锂电池充电；
所述三角波发生器电路、功率电子开关电路，同时工作于充电信号反馈电路与母线电压反馈电路，确保整个电路拓扑工作在同一频率，工作电源电位一致，电子开关驱动信号无相位差，与母线供电互不干扰。
本发明提供的防过充电路拓扑，实现了利用太阳能的富裕功率直接为蓄电池充电，充电过程采取先恒流、再限压的模式，当蓄电池电压较低时，电路控制太阳电流为蓄电池进行大电流恒流充电；当充电至蓄电池的设计终压时，限压充电功能起作用，控制电路逐步减小充电电流，将蓄电池电压恒定在设计终压值，直至充电电流小于0.9A后停止充电。电路拓扑包括母线电压反馈电路、充电信号反馈电路、母线误差放大电路、三角波发生器电路、功率电子开关电路，上述各功能电路体积小，可以集成在两块大小尺寸为200mm*200mm的印刷电路板上。
本发明对蓄电池的防止过充控制，是由充电信号反馈电路，通过采集蓄电池电压并变换为控制信号，经由充电控制误差放大电路进行误差放大，以精确控制电池的充电参数。误差放大电路输出与三角波发生器电路共同作用，输出方波信号，同时受母线误差放大信号控制，由与门逻辑芯片CC4073进行优先级控制。当母线误差信号处于输出高电平时，充电功能处于允许状态，充电功率电子开关常导通，方波信号驱动分流功率电子开关，达到防止蓄电池过充的目的；若母线误差信号处于低电平，则电路优先提供一次母线能源需求，充电功能禁止。
所述的误差放大电路，是将前级电压反馈电路的输出，作为本级电路的输入，与高精度基准电压比较，进行比例-积分的调节控制。
所述的三角波发生器电路，分别与母线误差分放大电路与充电误差放大电路的输出信号进行比较，生成各自独立的频率为8K、幅值12V的方波信号，两路方波信号经逻辑电路控制，最终生成功率电子开关的驱动信号，控制太阳电池阵的输出，转换为稳定的一次直流母线并为蓄电池充电。
所述的充电信号反馈电路，同时采集蓄电池当前电压、蓄电池当前最大单体电压以及蓄电池当前充电电流，所采集的三个信号通过集成电路LM158进行隔离变换，生成幅值不大于3V的充电控制信号。蓄电池电压的变换方式可以通过四个磁保持继电器TL26P进行切换，继电器线包由外部指令控制，每个继电器对应一个充电终压；充电电流采样设计有外部D/A输入接口，当外部电压输入信号由0~2.55V变换时，充电电流可以在9~15A的恒流值变换。蓄电池电压、充电电流的对外接口使得调整蓄电池充电状态成为可能，进一步增加了电路在防过充控制上的灵活性。
与现有技术相比，本发明的电路拓扑可以用于重量、体积要求严苛，蓄电池工作环境变化较大的航天器。电路结构简单，由于S4R 型电路为合阵式充电控制策略，单一太阳电池阵输出既可以作为航天器负载使用，又可以为蓄电池充电，可以减小航天器的太阳能发电装置的面积，进一步减小航天器研发成本。设计的用于过充参数调节的对外接口，对于工作在不同寿命期间的蓄电池，有着良好的适应能力，尤其对于新一代锂离子蓄电池，调整其充电终压和充电电流，可以很好的对锂电池进行使用中的维护，从有效的延长航天器的在轨寿命。
附图说明
图1为本发明的应用于S4R型电路的防过充电路拓扑图。
图2为本发明的应用于S4R型电路的防过充电源品质图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容，下面结合实施例并配合附图对本发明作详细下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明的S4R型电路的防过充电路，通过电路拓扑中的母线电压反馈电路、充电信号反馈电路、充电参数误差放大电路、三角波发生器电路、功率电子开关电路，对太阳电池输出及蓄电池的充电进行自动控制，防止电池过充，并提供了调节过充参数的对外接口；
所述充电信号反馈电路，包括单体电池电压采样电路、充电电流采样电路、整组电池电压采样电路，可通过对外接口设定需要的电压、电流值，调节过充参数范围，实现覆盖锂电池不同寿命期间的工作需要；
所述充电参数误差放大电路，与母线误差放大电路通过逻辑控制芯片，确保电路在提供稳定的一次母线的前提下，直接将太阳电池阵富余的能量提供锂电池充电；
所述三角波发生器电路、功率电子开关电路，同时工作于充电信号反馈电路与母线电压反馈电路，确保整个电路拓扑工作在同一频率，工作电源电位一致，电子开关驱动信号无相位差，与母线供电互不干扰。
1 母线电压反馈电路的输入与输出滤波器相连，母线电压反馈电路的输出与母线误差放大电路电路相连。
2 母线误差放大电路的输入与母线电压反馈电路的输出相连，母线误差放大电路的输出与三角波发生器的输出进行比较。
3 充电信号反馈电路的输入分别与蓄电池组电压、蓄电池单体最大电压以及充电电流信号相连，充电信号反馈电路输出与充电误差放大电路相连。
4 充电误差放大电路输入与充电信号反馈电路的输出相连，充电误差放大电路输出与三角波发生器的输出进行比较。
5 两路误差放大信号与三角波发生器的比较输出通过逻辑芯片CC4073进行逻辑关系控制，CC4073输出电子开关的驱动信号，与电子开关的驱动级相连。
6 两个电子开关串联后，并联在太阳能功率输出的正线与回线之间，进行功率调节。
7 二次电源模块的输入与输出滤波器相连，二次电源的输出提供整个电路拓扑的工作电源，
进一步，所述充电信号反馈电路，通过采集蓄电池电压并变换为控制信号，经由充电控制误差放大电路进行误差放大，以精确控制电池的充电参数。
进一步，所述充电参数误差放大电路，输出与三角波发生器电路共同作用，输出方波信号，同时受母线误差放大信号控制，由与门逻辑芯片CC4073进行优先级控制；当母线误差信号处于输出高电平时，充电功能处于允许状态，充电功率电子开关常导通，方波信号驱动分流功率电子开关，达到防止蓄电池过充的目的；若母线误差信号处于低电平，则电路优先提供一次母线能源需求，充电功能禁止。
进一步，所述充电参数误差放大电路，将前级电压反馈电路的输出，作为本级电路的输入，与高精度基准电压比较，进行比例-积分的调节控制。
进一步，所述三角波发生器电路，分别与母线误差分放大电路与充电参数误差放大电路的输出信号进行比较，生成各自独立的频率为8K、幅值12V的方波信号，两路方波信号经逻辑电路控制，最终生成功率电子开关的驱动信号，控制太阳电池阵的输出，转换为稳定的一次直流母线并为蓄电池充电。
进一步，所述充电信号反馈电路，同时采集蓄电池当前电压、蓄电池当前最大单体电压以及蓄电池当前充电电流，所采集的三个信号通过集成电路LM158进行隔离变换，生成幅值不大于3V的充电控制信号。
进一步，所述蓄电池电压的变换方式可以通过四个磁保持继电器TL26P进行切换，继电器线包由外部指令控制，每个继电器对应一个充电终压；充电电流采样设计有外部D/A输入接口，当外部电压输入信号由0~2.55V变换时，充电电流可在9~15A的恒流值变换。
采用本发明防止过充电路控制蓄电池充电，既确保了充电过程的可靠、安全，亦具备相当的灵活性，可以调节的过充参数大大提高蓄电池不同空间工作条件下的寿命。
本发明所提供的一种应用于S4R型电路防过充技术已普遍应用于国内各种小型低轨卫星，该技术创新提高了蓄电池在轨充电的可靠性及安全性，提高我国电源系统的应用水平，为国防做出贡献。
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 (7)
1.一种应用于S4R型电路的防过充电路，其特征是，通过电路拓扑中的母线电压反馈电路、充电信号反馈电路、充电参数误差放大电路、三角波发生器电路、功率电子开关电路，对太阳电池输出及蓄电池的充电进行自动控制，防止电池过充，并提供了调节过充参数的对外接口；
充电过程采取先恒流、再限压的模式，当蓄电池电压较低时，电路控制太阳电流为蓄电池进行大电流恒流充电；当充电至蓄电池的设计终压时，限压充电功能起作用，控制电路逐步减小充电电流，将蓄电池电压恒定在设计终压值，直至充电电流小于0.9A后停止充电；
所述充电信号反馈电路，包括单体电池电压采样电路、充电电流采样电路、整组电池电压采样电路，可通过对外接口设定需要的电压、电流值，调节过充参数范围，实现覆盖锂电池不同寿命期间的工作需要；
所述充电参数误差放大电路，与母线误差放大电路通过逻辑控制芯片，确保电路在提供稳定的一次母线的前提下，直接将太阳电池阵富余的能量提供锂电池充电；
所述三角波发生器电路、功率电子开关电路，同时工作于充电信号反馈电路与母线电压反馈电路，确保整个电路拓扑工作在同一频率，工作电源电位一致，电子开关驱动信号无相位差，与母线供电互不干扰；
其中，母线电压反馈电路的输入与输出滤波器相连，母线电压反馈电路的输出与母线误差放大电路电路相连；母线误差放大电路的输入与母线电压反馈电路的输出相连，母线误差放大电路的输出与三角波发生器的输出进行比较；充电信号反馈电路的输入分别与蓄电池组电压、蓄电池单体最大电压以及充电电流信号相连，充电信号反馈电路输出与充电误差放大电路相连；充电误差放大电路输入与充电信号反馈电路的输出相连，充电误差放大电路输出与三角波发生器的输出进行比较；两路误差放大信号与三角波发生器的比较输出通过逻辑芯片CC4073进行逻辑关系控制，CC4073输出电子开关的驱动信号，与电子开关的驱动级相连；两个电子开关串联后，并联在太阳能功率输出的正线与回线之间，进行功率调节；二次电源模块的输入与输出滤波器相连，二次电源的输出提供整个电路拓扑的工作电源。
2.如权利要求1所述的一种应用于S4R型电路的防过充电路，其特征在于，所述充电信号反馈电路，通过采集蓄电池电压并变换为控制信号，经由充电控制误差放大电路进行误差放大，以精确控制电池的充电参数。
3.如权利要求1所述的一种应用于S4R型电路的防过充电路，其特征在于，所述充电参数误差放大电路，输出与三角波发生器电路共同作用，输出方波信号，同时受母线误差放大信号控制，由与门逻辑芯片CC4073进行优先级控制；当母线误差信号处于输出高电平时，充电功能处于允许状态，充电功率电子开关常导通，方波信号驱动分流功率电子开关，达到防止蓄电池过充的目的；若母线误差信号处于低电平，则电路优先提供一次母线能源需求，充电功能禁止。
4.如权利要求1所述的一种应用于S4R型电路的防过充电路，其特征在于，所述充电参数误差放大电路，将前级电压反馈电路的输出，作为本级电路的输入，与高精度基准电压比较，进行比例-积分的调节控制。
5.如权利要求1所述的一种应用于S4R型电路的防过充电路，其特征在于，所述三角波发生器电路，分别与母线误差分放大电路与充电参数误差放大电路的输出信号进行比较，生成各自独立的频率为8K、幅值12V的方波信号，两路方波信号经逻辑电路控制，最终生成功率电子开关的驱动信号，控制太阳电池阵的输出，转换为稳定的一次直流母线并为蓄电池充电。
6.如权利要求2所述的一种应用于S4R型电路的防过充电路，其特征在于，所述充电信号反馈电路，同时采集蓄电池当前电压、蓄电池当前最大单体电压以及蓄电池当前充电电流，所采集的三个信号通过集成电路LM158进行隔离变换，生成幅值不大于3V的充电控制信号。
7.如权利要求6所述的一种应用于S4R型电路的防过充电路，其特征在于，所述蓄电池电压的变换方式可以通过四个磁保持继电器TL26P进行切换，继电器线包由外部指令控制，每个继电器对应一个充电终压；充电电流采样设计有外部D/A输入接口，当外部电压输入信号由0~2.55V变换时，充电电流可在9~15A的恒流值变换。
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