CN106329926B - 一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，该装置由功率调节电路与最大功率跟踪控制调节电路组成。功率调节电路包括有升降压电路和充放电双向电路。最大功率跟踪控制调节电路包括有电源自动切换单元(1)、保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)。本发明装置具有最大功率跟踪、分布式和电源重构等功能。同时能够实现升降压、全调节母线和具有高功率密度的特点。

Description

一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置
技术领域
本发明涉及电源变换器，更特别地说，是指一种针对平流层浮空器使用的分布式电源功率调节电路与最大功率跟踪控制电路，简称为分布式高功率密度电源变换装置。
背景技术
浮空器是一种采用航空飞行器设计思路，一般具有较大的气囊，充满轻质气体(一般是指比重轻于空气)，依靠浮力升空的飞行器。近年来，平流层浮空器以其驻空时间长、运行成本低、安全性好等优点，在高分辨率观测和监视、预警探测、通信保障等方面应用潜力巨大，已成为各国研究的热点。平流层浮空器要想实现长时间驻空停留，需要持续的电源系统提供动力，电源系统包括柔性薄膜太阳能电池阵、高比能蓄电池组以及电源控制器。
目前世界范围内还没有长期驻空的平流层浮空器的相关飞行或试验报道，因此对平流层浮空器的电源管理也没有成熟的技术方案，基本参考卫星电源管理方案，崔波等人在2010年11月第19卷第6期《航天器工程》公开了“Galileo导航卫星电源技术概述”，文中提到了目前大部分卫星采用的电源管理拓扑，采用集中式供电管理、能量直接传递(非最大功率跟踪)、纯升压或纯降压、充电模块(BCR)和放电模块(BDR)单独控制和处理。
柔性薄膜太阳能电池一般放在平流层浮空器的顶部，蓄电池组和电源控制器集中放在平流层浮空器底部的吊舱内。由于平流层浮空器功率巨大(从几十千瓦至几百千瓦)造成功率传输线径较粗和平流层浮空器囊体较大导致走线特别长，最终导致功率在传输过程中损耗较大。平流层浮空器一般采用聚合物蒙皮制成，表面呈曲面，不能采用普通常规呈刚性的硅或砷化镓太阳能电池，只能使用具有柔性薄膜太阳能电池，但柔性薄膜太阳能电池发电效率较低，因此造成平流层浮空器的电源使用较紧张。柔性薄膜太阳能电池铺装面积很大和蒙皮表面具有一定的弧度，不同区域的太阳能电池阵最大功率点也不同，此时若采用类似卫星电源集中供电的拓扑结构形式，容易造成较大的电源浪费，不能满足浮空器对电能需求；同时针对平流层浮空器的高压大功率电源系统的控制及最大功率跟踪的研究也较少。
发明内容
针对上述需求和现有技术不足，本发明针对平流层浮空器使用的分布式电源，设计了功率调节电路与最大功率跟踪控制调节电路，即分布式高功率密度电源变换装置。本发明设计的分布式高功率密度电源变换装置是一种分布式电源集中控制的拓扑结构，具有最大功率跟踪、分布式和电源重构等功能；同时，本发明装置能够实现升降压和全调节母线和具有高功率密度的特点。
本发明设计了一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：该装置由功率调节电路与最大功率跟踪控制调节电路组成；功率调节电路包括有升降压电路和充放电双向电路；最大功率跟踪控制调节电路包括有电源自动切换单元(1)、保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)；
功率调节电路分别与驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)、最大功率跟踪单元(7)、柔性薄膜太阳能电池阵、锂电池组和负载连接；
电源自动切换单元(1)分别与保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)连接。
本发明的功率调节电路中通过开关互为备份，且功率调节电路中通过开关能够实现故障隔离和切换。
本发明的最大功率跟踪控制调节电路中输出恒压、输出恒流、最大功率闭环及保护电路自动切换，以及升压电路和降压电路采用同一组闭环控制电路，以此降低最大功率跟踪控制的复杂度。
在最大功率跟踪控制调节电路中，一方面当与存在差值的情况下，则选取电压误差信号另一方面当与存在差值的情况下，则选取电流转换后的电压误差信号则需要将与作比，选较小的误差值将作为闭环电路的PWM控制信号；
在最大功率跟踪模式下，电源的输入最大功率点对应的输入电压由给定目标电压VMPPT-REF控制，此时最大功率点对应的电压差值|VMPPT-REF-VMPPT-BACK|接近于零，电压环和电流环差值都较大；
在恒压模式下，电源的输出电压由给定的目标电压控制，此时电压环电压差值接近于零，最大功率跟踪环和电流环的电流差值都较大；
在恒流模式下，电源的输出电流由给定的目标电流控制，此时电流环电压差值接近于零，最大功率跟踪环和电压环的电压差值都较大。
本发明设计的分布式高功率密度电源变换装置的优点在于：
①本发明的功率调节电路采用改进的升降压电路拓扑，比单升压或单降压电路拓扑能够提高变换效率，同时能够更好的满足太阳能电池阵的串并联优化设计。
②本发明功率调节电路将充电单元和放电单元拓扑结构合并成一个拓扑结构，能够更好的提高电源的功率密度和比重量。
③本发明最大功率跟踪控制电路采用分布式电源管理和模块化设计思想，能够大大减少线损，提高效率和提高能源系统的可靠性。
④本发明控制电路采用复合自动切换电路，包括输出恒压、输出恒流、最大功率闭环及保护电路自动切换，同时采用同一组闭环控制系统，降低了控制的复杂度。
附图说明
图1是本发明设计的分布式高功率密度电源变换装置的结构框图。
图2是本发明设计的功率调节电路的原理图。
图2A是本发明功率调节电路实现升压调节的原理图。
图2B是本发明功率调节电路实现降压调节的原理图。
图2C是本发明功率调节电路实现直通调节的原理图。
图2D是本发明功率调节电路实现充电模式的原理图。
图2E是本发明功率调节电路实现放电模式的原理图。
图3是本发明最大功率跟踪控制电路中的控制单元的电路原理图。
图3A是本发明最大功率跟踪控制电路中的PWM控制单元的电路原理图。
图3B是本发明最大功率跟踪控制电路中的驱动单元的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种针对平流层浮空器使用的分布式电源的功率调节电路与最大功率跟踪控制电路，简称为分布式高功率密度电源变换装置。所述功率调节电路包括有升降压电路和充放电双向电路。所述最大功率跟踪控制调节电路包括有电源自动切换单元1、保护电路闭环调节单元2、PWM控制器3、驱动单元4、输出恒压闭环调节单元5、输出恒流闭环调节单元6和最大功率跟踪单元7。功率调节电路分别与驱动单元4、输出恒压闭环调节单元5、输出恒流闭环调节单元6、最大功率跟踪单元7、柔性薄膜太阳能电池阵、锂电池组和负载连接。电源自动切换单元1分别与保护电路闭环调节单元2、PWM控制器3、输出恒压闭环调节单元5、输出恒流闭环调节单元6和最大功率跟踪单元7连接。
功率调节电路
在本发明中，功率调节电路第一方面用于实现对柔性薄膜太阳能电池阵的功率进行升降压调控；第二方面用于实现对蓄电池组进行充放电的双向调节；第三方面用于实现对母线的调节。如图2所示本发明设计的功率调节电路，通过改进的四开关Buck/Boost电路连接到负载端(即R1、R2、……、Rn)，柔性薄膜太阳能电池阵分为多个独立的太阳能电池子阵列(即P1、P2、……、Pn)，临近两个独立的太阳能电池子阵列之间通过开关(即S1-1、S2-1、……、Sn-1)互为备份，改进的四开关Buck/Boost电路输出端通过开关(即S1-1、S2-1、……、Sn-1)能够实现故障隔离，无故障情况下开关(即S1-1、S2-1、……、Sn-1)默认为关闭状态，故所述功率调节电路根据实际情况调整升压还是降压。因此，功率调节电路中通过开关(即S1-1、S2-1、……、Sn-1)互为备份，且功率调节电路中通过开关(即S1-1、S2-1、……、Sn-1)能够实现故障隔离和切换。而锂电池组(即B)通过充放电双向电路连接到负载(即R1、R2、……、Rn)，负载与母线是连接的。所述功率调节电路能够实现复合MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点追踪控制太阳能控制器)追踪，即采用模块化思想设计输入并联、输出并联的复合MPPT控制器，为每个太阳能电池子阵配备独立的MPPT控制器进行单独的功率跟踪控制，从而可以避免浮空器的艇体曲面造成的不同区域的太阳能电池阵列功率输出的相互影响。
Buck电路即为降压式变换电路。Boost电路即为升压斩波电路。
参见图2、图2A、图2B、图2C、图2D、图2E所示，本发明功率调节电路存在有下列工作模式：
工作模式A：
工作模式A：即白天光照充足且锂电池组B充满时，此时功率调节电路输出工作在恒压模式(图2C)，维持母线电压的稳定，充放电双向电路(图2D、图2E)处于关闭状态。在图2C的直通调节下，电感L1-1、场效应管Q1-1、场效应管Q1-2、场效应管Q1-3、场效应管Q1-4和场效应管Q1-5不工作。
工作模式B：
工作模式B：即白天光照充足且锂电池组B不是处于满电状态时，此时功率调节电路输出工作在恒压模式，维持母线电压的稳定，充放电双向电路处于降压充电模式(图2B、图2D)，对锂电池组B进行充电。
在本发明中，通过最大功率跟踪控制调节电路设置的目标电流Ig，能够改变锂电池组B充电电流的大小，从而最大限度的利用当前状态下的太阳能。在图2B的降压调节下，场效应管Q1-1、场效应管Q1-3、场效应管Q1-4和场效应管Q1-5不工作，电感L1-1和场效应管Q1-2工作；而图2D中的场效应管Q1-6工作，场效应管Q1-7相当于二极管工作。
工作模式C：
工作模式C：即光照不足或负载突然增大，功率调节电路切换到MPPT模式对锂电池组B进行充电，同时充放电双向电路自动切换到升压放电模式(图2A、图2E所示)，母线电压则由锂电池组B来维持。在图2A的升压调节下，场效应管Q1-1、场效应管Q1-2、场效应管Q1-3和场效应管Q1-4不工作，电感L1-1和场效应管Q1-5工作；而图2E中的场效应管Q1-7工作，场效应管Q1-6相当于二极管工作。
工作模式D：
工体模式D：即在夜晚时，功率调节电路自动关闭，充放电双向电路保持在升压放电模式(图2A、图2E所示)，母线电压则由锂电池组B来维持。
在本发明中，不同的工作模式中，功率调节电路能够通过太阳能和锂电池组B联合给母线供电，提高了浮空器中使用电源的稳定性和可靠性。
在本发明中，功率调节电路(如图2所示)由升降压电路和充放电双向电路组成。其中，结构相同的升降压电路的组数是由柔性薄膜太阳能电池阵分组数决定的。
第一组升降压电路由二极管D1-1、电容C1-1、电容C1-2、电感L1-1、场效应管Q1-1、场效应管Q1-2、场效应管Q1-3、场效应管Q1-4、场效应管Q1-5、开关S1-1和开关S1-2组成。
第二组升降压电路由二极管D2-1、电容C2-1、电容C2-2、电感L2-1、场效应管Q2-1、场效应管Q2-2、场效应管Q2-3、场效应管Q2-4、场效应管Q2-5、开关S2-1和开关S2-2组成。
第n组升降压电路由二极管Dn-1、电容Cn-1、电容Cn-2、电感Ln-1、场效应管Qn-1、场效应管Qn-2、场效应管Qn-3、场效应管Qn-4、场效应管Qn-5、开关Sn-1和开关Sn-2组成。
所述充放电双向电路由电容C1-3、电容C1-4、电感L1-0、场效应管Q1-6、场效应管Q1-7组成。
参见图2所示，场效应管选用FDN337-N型号的场效应管。功率调节电路的各引脚的连接为：
太阳能电池组P1经二极管D1-1连接到场效应管Q1-1的漏极D端，且二极管D1-1的一端经开关S1-1与第二组升降压电路中的二极管D2-1的一端连接；电容C1-1的一端与场效应管Q1-2的漏极D端连接，且场效应管Q1-2的漏极D端与场效应管Q1-1的漏极D端连接；电容C1-1的另一端与场效应管Q1-3的源极S端连接，且场效应管Q1-3的漏极D端与电感L1-1的一端连接；电感L1-1的另一端与场效应管Q1-4的源极S端和场效应管Q1-5的漏极D端连接；场效应管Q1-4的漏极D端与场效应管Q1-1的源极S端连接；电容C1-2的一端与场效应管Q1-1的源极S端连接，电容C1-2的另一端与场效应管Q1-5的源极S端连接；场效应管Q1-1的源极S端经开关S1-2连接到负载R1上。
太阳能电池组P2经二极管D2-1连接到场效应管Q2-1的漏极D端，且二极管D2-1的一端经开关S2-2与第n组升降压电路中的二极管Dn-1的一端连接；电容C2-1的一端与场效应管Q2-2的漏极D端连接，且场效应管Q2-2的漏极D端与场效应管Q2-1的漏极D端连接；电容C2-1的另一端与场效应管Q2-3的源极S端连接，且场效应管Q2-3的漏极D端与电感L2-1的一端连接；电感L2-1的另一端与场效应管Q2-4的源极S端和场效应管Q2-5的漏极D端连接；场效应管Q2-4的漏极D端与场效应管Q2-1的源极S端连接；电容C2-2的一端与场效应管Q2-1的源极S端连接，电容C2-2的另一端与场效应管Q2-5的源极S端连接；场效应管Q2-1的源极S端经开关S2-2连接到负载R2上。
太阳能电池组Pn经二极管Dn-1连接到场效应管Qn-1的漏极D端，且二极管Dn-1的一端经开关Sn-1与该组升降压电路的前一组升降压电路中的二极管的一端连接；电容Cn-1的一端与场效应管Qn-2的漏极D端连接，且场效应管Qn-2的漏极D端与场效应管Qn-1的漏极D端连接；电容Cn-1的另一端与场效应管Qn-3的源极S端连接，且场效应管Qn-3的漏极D端与电感Ln-1的一端连接；电感Ln-1的另一端与场效应管Qn-4的源极S端和场效应管Qn-5的漏极D端连接；场效应管Qn-4的漏极D端与场效应管Qn-1的源极S端连接；电容Cn-2的一端与场效应管Qn-1的源极S端连接，电容Cn-2的另一端与场效应管Qn-5的源极S端连接；场效应管Qn-1的源极S端经开关Sn-2连接到负载Rn上。
在本发明设计的充放电双向电路中，电容C1-3的一端与场效应管Q1-6的漏极D端连接，电容C1-3的另一端与场效应管Q1-7的源极S端连接；场效应管Q1-6的源极S端分别与电感L1-0的一端和场效应管Q1-7的漏极D端连接；电容C1-4的一端与电感L1-0的另一端连接，电容C1-4的另一端与场效应管Q1-7的源极S端连接；同时电感L1-0的另一端连接到锂电池组B的正极，电容C1-3的另一端、场效应管Q1-7的源极S端和电容C1-4的另一端连接到锂电池组B的负极。
在本发明中，每一组升降压电路中的五个场效应管(场效应管Q1-1、场效应管Q1-2、场效应管Q1-3、场效应管Q1-4和场效应管Q1-5)分别还复合连接一结构相同的驱动电路，所述驱动电路的电路原理如图3B所示。即，场效应管Q1-1的源极S端连接在驱动电路中门驱动光电耦合器U7的14引脚，且源极S端与14引脚之间还串联有的二极管D74、电阻R74和二极管D73；场效应管Q1-1的漏极D端与场效应管Q1-1的栅极G端连接在驱动电路中门驱动光电耦合器U7的11引脚，且漏极D端与栅极G端与11引脚之间还连接有电阻R78、二极管D75、电阻R76、电阻R77、场效应管Q71、场效应管72和电阻R75。如图2A、图2B。图2C所示，通过驱动电路对五个场效应管的通断了控制实现升压模式、降压模式或直通模式的变换。而每一路驱动电路(图3B)都受每一路的PWM控制器(图3A)控制。
最大功率跟踪控制电路
参见图1、图3、图3A、图3B所示，在本发明中，最大功率跟踪控制电路由电源自动切换单元1、保护电路闭环调节单元2、PWM控制器3、驱动单元4、输出恒压闭环调节单元5、输出恒流闭环调节单元6和最大功率跟踪单元7组成。电源自动切换单元1、保护电路闭环调节单元2、输出恒压闭环调节单元5、输出恒流闭环调节单元6和最大功率跟踪单元7的具体电路如图3所示。而PWM控制器3与驱动单元4的电路如图3A和图3B所示，PWM控制器3与驱动单元4的电路为一一匹配，是依据图2中每一组升降压电路的中五个场效应管(场效应管Q1-1、场效应管Q1-2、场效应管Q1-3、场效应管Q1-4和场效应管Q1-5)来决定的，即场效应管Q1-1需要一路PWM控制器3与驱动单元4的电路；场效应管Q1-2需要一路PWM控制器3与驱动单元4的电路；场效应管Q1-3需要一路PWM控制器3与驱动单元4的电路；场效应管Q1-4需要一路PWM控制器3与驱动单元4的电路；场效应管Q1-5需要一路PWM控制器3与驱动单元4的电路。有n组升降压电路，则需要5n组PWM控制器3与驱动单元4的电路与之匹配。最大功率点对应的目标电压信号记为Ug；反馈的最大功率点的实际输出电压信号记为Uo，简称为反馈电压信号；电感(电感L1-1、电感L2-1、电感Ln-1)电流信号记为IL；最大功率点对应的太阳能电池阵目标电压信号记为MPPT-REF，简称为太阳能目标电压信号；采集到的太阳能电池阵(P1、P2、……、Pn)实际输出电压信号记为MPPT-BACK，简称为太阳能反馈电压信号。所述目标电压信号Ug的电压值记为所述反馈电压信号Uo的电压值记为所述与所述的电压差值记为所述目标电流信号Ig的电压值记为所述反馈电流信号Io的电压值记为所述与所述的电压差值记为所述MPPT-REF的电压值记为VMPPT-REF，所述MPPT-BACK的电压值记为VMPPT-BACK，所述VMPPT-REF与所述VMPPT-BACK的电压差值记为|VMPPT-REF-VMPPT-BACK|。
当与存在差值的情况下，则选取电压误差信号当与存在差值的情况下，则选取电流转换后的电压误差信号需要将与作比，选较小的误差值将作为闭环电路的PWM控制信号。在最大功率跟踪模式下，电源的输入最大功率点对应的输入电压由给定目标电压VMPPT-REF控制，此时最大功率点对应的电压差值|VMPPT-REF-VMPPT-BACK|接近于零，电压环和电流环差值都较大；在恒压模式下，电源的输出电压由给定的目标电压控制，此时电压环电压差值接近于零，最大功率跟踪环和电流环的电流差值都较大；在恒流模式下，电源的输出电流由给定的目标电流控制，此时电流环电压差值接近于零，最大功率跟踪环和电压环的电压差值都较大。
在本发明中，如图3、图3A、图3B所示，最大功率跟踪控制电路中的运算放大器选用TL084芯片，继电器选用AGQ20006芯片，脉宽调制器选用SG2525A芯片，门驱动光电耦合器选用HCPL-316J芯片。最大功率跟踪控制调节电路中各引脚的连接方式如下：
反馈电压信号Uo的信号端一方面经电阻R1-2连接到运算放大器U1A的2脚，另一方面经电阻R1-15连接到运算放大器U4A的2脚；目标电压信号Ug的信号端一方面经电阻R1-3连接到运算放大器U1A的2脚，另一方面经电阻R1-16连接到运算放大器U4A的2脚。
电感电流信号IL的信号端一方面经电阻R1-7连接到运算放大器U1B的6脚，另一方面经电阻R1-9连接到运算放大器U1C的9脚，第三方面经电阻R2-7连接到运算放大器U2B的6脚，第四方面经电阻R2-9连接到运算放大器U2C的9脚。
反馈电流信号Io的信号端一方面经电阻R2-2连接到运算放大器U2A的2脚，另一方面经电阻R2-15连接到运算放大器U4B的2脚；目标电流信号Ig的信号端一方面经电阻R2-3连接到运算放大器U2A的2脚，另一方面经电阻R2-16连接到运算放大器U4B的6脚。
太阳能反馈电压信号MPPT-BACK的信号端一方面经电阻R3-8连接到运算放大器U3B的6脚，另一方面经电阻R3-10连接到运算放大器U3C的9脚；太阳能目标电压信号MPPT-REF的信号端一方面经电阻R3-7连接到运算放大器U3B的6脚，另一方面经电阻R3-9连接到运算放大器U3C的9脚。
运算放大器U1A的3脚经电阻R1-1接地，2脚与1脚之间连接有电阻R1-4，且1脚一方面经电阻R1-5和电阻R1-8连接到运算放大器U1B的6脚，1脚另一方面经电阻R1-5和电阻R1-10连接到运算放大器U1C的9脚。运算放大器U4A的3脚经电阻R1-17接地，2脚与1脚之间连接有电容C1-2，且1脚经电阻R1-18连接到运算放大器U1D的12脚。运算放大器U1B的5脚经电阻R1-6接地，6脚与7脚之间连接有电阻R1-12，且7脚经电阻R1-13连接到运算放大器U1D的12脚。运算放大器U1C的10脚经电阻R1-11接地，9脚与8脚之间连接有电容C1-1，且8脚经电阻R1-14连接到运算放大器U1D的12脚。运算放大器U1D的13脚与14脚连接，且14脚与二极管D1的负极连接。
运算放大器U2A的3脚经电阻R2-1接地，2脚与1脚之间连接有电阻R2-4，且1脚一方面经电阻R2-5和电阻R2-8连接到运算放大器U2B的6脚，1脚另一方面经电阻R2-5和电阻R2-10连接到运算放大器U2C的9脚。运算放大器U4B的5脚经电阻R2-17接地，6脚与7脚之间连接有电容C2-2，且7脚经电阻R2-18连接到运算放大器U2D的12脚。运算放大器U2B的5脚经电阻R2-6接地，6脚与7脚之间连接有电阻R2-12，且7脚经电阻R2-13连接到运算放大器U2D的12脚。运算放大器U2C的10脚经电阻R2-11接地，9脚与8脚之间连接有电容C2-1，且8脚经电阻R2-14连接到运算放大器U2D的12脚。运算放大器U2D的13脚与14脚连接，且14脚与二极管D2的负极连接。
运算放大器U3B的5脚经电阻R3-6接地，6脚与7脚之间连接有电阻R3-12，且7脚经电阻R3-13连接到运算放大器U3D的12脚。运算放大器U3C的10脚经电阻R3-11接地，9脚与8脚之间连接有电容C3-1，且8脚经电阻R3-14连接到运算放大器U3D的12脚。运算放大器U3D的13脚与14脚连接，且14脚与二极管D3的负极连接。
在本发明中，为了实现对多路升降压单元电路的控制与调节，经图3后连接有多路结构相同的如图3A所示的PWM控制电路。每一组PWM控制电路与如图3B所示的驱动电路连接。也就是说，依据场效应管Q1-1、场效应管Q1-2、场效应管Q1-3、场效应管Q1-4和场效应管Q1-5设计了结构相同的五路PWM控制电路和结构相同的五路驱动电路。为了方便说明电路原理结构，仅以一路PWM控制电路和驱动电路进行说明，具体的各引脚的连接方式为：
场效应管选用FDN337-N型号的场效应管。脉宽调制器选用SG2525A芯片。二极管D1的正极、二极管D2的正极和二极管D3的正极与继电器U6的6脚连接，3脚与6脚连接，8脚与场效应管Q1的漏极D端连接，场效应管Q1的栅极G端一方面经电阻R61、电阻R62接地，场效应管Q1的栅极G端另一方面经电阻R61、电容C61接地，场效应管Q1的源极S端接地。8脚与1脚之间连接有二极管D62，1脚一方面经电阻R63、电容C62接地，1脚另一方面经电阻R63接+5V电压。2脚与7脚连接，且一方面经二极管D61、电阻R64接地，另一方面经二极管D61、电阻R64接+5V电压。继电器U6的7脚与脉宽调制器U5的9脚连接，且9脚经电容C51接地，2脚经电阻R51接+5V电压，1脚一方面经电阻R52接+5V电压，另一方面经电容C52接地，再一方面经电阻R53接地，12脚接地，3脚经电阻R56接地，13脚一方面接+15V电压，13脚另一方面经电容C53接地，15脚经电容C53接地，5脚经电容C54接地，6脚经电阻R55接地，7脚经电阻R54、电容C54接地，8脚经电容C55接地，16脚经电容C56接地，4脚经电容C57接地，11脚一方面经二极管D51后与门驱动光电耦合器U7的1脚连接，11脚另一方面经二极管D51、电阻R57接地，14脚经二极管D52、电阻R57接地。
门驱动光电耦合器选用HCPL-316J芯片。门驱动光电耦合器U7的1脚经二极管D51与脉宽调制器U5的11脚连接，2脚接地，3脚一方面经电容C72与8脚连接，3脚另一方面经电阻R72、电阻R73接地，3脚第三方面经电阻R71接+5V电压，3脚第四方面经稳压管D71接地，且二极管D71两端连接电容C71，4脚接地，16脚接0V电压，16脚与14脚之间连接有电容C73，14脚一方面经二极管D73、稳压管D72后接0V电压，14脚另一方面经二极管D73、电阻R74、二极管D74后与(图2)场效应管Q1-1的漏极D端连接，13脚一方面与12脚连接，13脚另一方面接+15V电压，13脚第三方面与场效应管Q71的漏极D端连接，13脚第四方面经电容C75接－10V电压，13脚第五方面经电容C74接0V电压，10脚和9脚接－10V电压，11脚经电阻R75后连接到场效应管Q71的栅极G端和场效应管Q72的栅极G端，场效应管Q71的源极S端经电阻R76后与(图2)场效应管Q1-1的栅极G端连接，场效应管Q72的漏极D端经电阻R77后与(图2)场效应管Q1-1的栅极G端连接，场效应管Q72的源极S端接－10V电压，电阻R76的一端一方面经稳压管D75、电容C76后接－10V电压，电阻R76的一端另一方面经电阻R78、电容C76后接－10V电压，且电阻R78的一端与(图2)场效应管Q1-1的源极S端连接。
本发明是一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，该装置所要解决的是如何提高平流层浮空器中分布式电源最大功率跟踪和电源变换效率的技术问题，该装置一方面将充电单元和放电单元合并，能够更好的提高电源的功率密度和比重量；另一方面将控制电路采用分布式电源管理和模块化设计思想，能够大大减少线损，提高效率和提高能源系统的可靠性的技术手段，从而实现对平流层浮空器使用中电源系统进行改进，获得提高电源功率的技术效果。

Claims (4)

1.一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，该装置由功率调节电路与最大功率跟踪控制调节电路组成；功率调节电路包括有升降压电路和充放电双向电路；
功率调节电路中通过开关互为备份，且功率调节电路中通过开关能够实现故障隔离和切换；
功率调节电路与最大功率跟踪控制调节电路采用同一组闭环控制电路，以此降低最大功率跟踪控制的复杂度；
其特征在于：最大功率跟踪控制调节电路包括有电源自动切换单元(1)、保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)；
功率调节电路分别与驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)、最大功率跟踪单元(7)、柔性薄膜太阳能电池阵、锂电池组和负载连接；
电源自动切换单元(1)分别与保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)连接；
在最大功率跟踪控制调节电路中，一方面当与存在差值的情况下，则选取电压误差信号另一方面当与存在差值的情况下，则选取电流转换后的电压误差信号则需要将与作比，选较小的误差值将作为闭环电路的PWM控制信号；
在最大功率跟踪模式下，电源的输入最大功率点对应的输入电压由给定目标电压VMPPT-REF控制，此时最大功率点对应的电压差值|VMPPT-REF-VMPPT-BACK|接近于零，电压环和电流环差值都较大；VMPPT-BACK是指太阳能电池阵实际输出的电压值；
在恒压模式下，电源的输出电压由给定的目标电压控制，此时电压环电压差值接近于零，最大功率跟踪环和电流环的电流差值都较大；
在恒流模式下，电源的输出电流由给定的目标电流控制，此时电流环电压差值接近于零，最大功率跟踪环和电压环的电压差值都较大。
2.根据权利要求1所述的适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：功率调节电路由升降压电路和充放电双向电路组成；其中，结构相同的升降压电路的组数是由柔性薄膜太阳能电池阵分组数决定的；
第一组升降压电路由二极管D1-1、电容C1-1、电容C1-2、电感L1-1、场效应管Q1-1、场效应管Q1-2、场效应管Q1-3、场效应管Q1-4、场效应管Q1-5、开关S1-1和开关S1-2组成；
第二组升降压电路由二极管D2-1、电容C2-1、电容C2-2、电感L2-1、场效应管Q2-1、场效应管Q2-2、场效应管Q2-3、场效应管Q2-4、场效应管Q2-5、开关S2-1和开关S2-2组成；
第n组升降压电路由二极管Dn-1、电容Cn-1、电容Cn-2、电感Ln-1、场效应管Qn-1、场效应管Qn-2、场效应管Qn-3、场效应管Qn-4、场效应管Qn-5、开关Sn-1和开关Sn-2组成；
所述充放电双向电路由电容C1-3、电容C1-4、电感L1-0、场效应管Q1-6、场效应管Q1-7组成；
太阳能电池组P1经二极管D1-1连接到场效应管Q1-1的漏极D端，且二极管D1-1的一端经开关S1-1与第二组升降压电路中的二极管D2-1的一端连接；电容C1-1的一端与场效应管Q1-2的漏极D端连接，且场效应管Q1-2的漏极D端与场效应管Q1-1的漏极D端连接；电容C1-1的另一端与场效应管Q1-3的源极S端连接，且场效应管Q1-3的漏极D端与电感L1-1的一端连接；电感L1-1的另一端与场效应管Q1-4的源极S端和场效应管Q1-5的漏极D端连接；场效应管Q1-4的漏极D端与场效应管Q1-1的源极S端连接；电容C1-2的一端与场效应管Q1-1的源极S端连接，电容C1-2的另一端与场效应管Q1-5的源极S端连接；场效应管Q1-1的源极S端经开关S1-2连接到负载R1上；
太阳能电池组P2经二极管D2-1连接到场效应管Q2-1的漏极D端，且二极管D2-1的一端经开关S2-2与第n组升降压电路中的二极管Dn-1的一端连接；电容C2-1的一端与场效应管Q2-2的漏极D端连接，且场效应管Q2-2的漏极D端与场效应管Q2-1的漏极D端连接；电容C2-1的另一端与场效应管Q2-3的源极S端连接，且场效应管Q2-3的漏极D端与电感L2-1的一端连接；电感L2-1的另一端与场效应管Q2-4的源极S端和场效应管Q2-5的漏极D端连接；场效应管Q2-4的漏极D端与场效应管Q2-1的源极S端连接；电容C2-2的一端与场效应管Q2-1的源极S端连接，电容C2-2的另一端与场效应管Q2-5的源极S端连接；场效应管Q2-1的源极S端经开关S2-2连接到负载R2上；
太阳能电池组Pn经二极管Dn-1连接到场效应管Qn-1的漏极D端，且二极管Dn-1的一端经开关Sn-1与该组升降压电路的前一组升降压电路中的二极管的一端连接；电容Cn-1的一端与场效应管Qn-2的漏极D端连接，且场效应管Qn-2的漏极D端与场效应管Qn-1的漏极D端连接；电容Cn-1的另一端与场效应管Qn-3的源极S端连接，且场效应管Qn-3的漏极D端与电感Ln-1的一端连接；电感Ln-1的另一端与场效应管Qn-4的源极S端和场效应管Qn-5的漏极D端连接；场效应管Qn-4的漏极D端与场效应管Qn-1的源极S端连接；电容Cn-2的一端与场效应管Qn-1的源极S端连接，电容Cn-2的另一端与场效应管Qn-5的源极S端连接；场效应管Qn-1的源极S端经开关Sn-2连接到负载Rn上；
在充放电双向电路中，电容C1-3的一端与场效应管Q1-6的漏极D端连接，电容C1-3的另一端与场效应管Q1-7的源极S端连接；场效应管Q1-6的源极S端分别与电感L1-0的一端和场效应管Q1-7的漏极D端连接；电容C1-4的一端与电感L1-0的另一端连接，电容C1-4的另一端与场效应管Q1-7的源极S端连接；同时电感L1-0的另一端连接到锂电池组B的正极，电容C1-3的另一端、场效应管Q1-7的源极S端和电容C1-4的另一端连接到锂电池组B的负极。
3.根据权利要求1所述的适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：最大功率跟踪控制调节电路中的运算放大器选用TL084芯片，继电器选用AGQ20006芯片，脉宽调制器选用SG2525A芯片，门驱动光电耦合器选用HCPL-316J芯片；最大功率跟踪控制调节电路中各引脚的连接方式如下：
反馈电压信号Uo的信号端一方面经电阻R1-2连接到运算放大器U1A的2脚，另一方面经电阻R1-15连接到运算放大器U4A的2脚；目标电压信号Ug的信号端一方面经电阻R1-3连接到运算放大器U1A的2脚，另一方面经电阻R1-16连接到运算放大器U4A的2脚；
电感电流信号IL的信号端一方面经电阻R1-7连接到运算放大器U1B的6脚，另一方面经电阻R1-9连接到运算放大器U1C的9脚，第三方面经电阻R2-7连接到运算放大器U2B的6脚，第四方面经电阻R2-9连接到运算放大器U2C的9脚；
反馈电流信号Io的信号端一方面经电阻R2-2连接到运算放大器U2A的2脚，另一方面经电阻R2-15连接到运算放大器U4B的2脚；目标电流信号Ig的信号端一方面经电阻R2-3连接到运算放大器U2A的2脚，另一方面经电阻R2-16连接到运算放大器U4B的6脚；
太阳能反馈电压信号MPPT-BACK的信号端一方面经电阻R3-8连接到运算放大器U3B的6脚，另一方面经电阻R3-10连接到运算放大器U3C的9脚；太阳能目标电压信号MPPT-REF的信号端一方面经电阻R3-7连接到运算放大器U3B的6脚，另一方面经电阻R3-9连接到运算放大器U3C的9脚；
运算放大器U1A的3脚经电阻R1-1接地，2脚与1脚之间连接有电阻R1-4，且1脚一方面经电阻R1-5和电阻R1-8连接到运算放大器U1B的6脚，1脚另一方面经电阻R1-5和电阻R1-10连接到运算放大器U1C的9脚；运算放大器U4A的3脚经电阻R1-17接地，2脚与1脚之间连接有电容C1-2，且1脚经电阻R1-18连接到运算放大器U1D的12脚；运算放大器U1B的5脚经电阻R1-6接地，6脚与7脚之间连接有电阻R1-12，且7脚经电阻R1-13连接到运算放大器U1D的12脚；运算放大器U1C的10脚经电阻R1-11接地，9脚与8脚之间连接有电容C1-1，且8脚经电阻R1-14连接到运算放大器U1D的12脚；运算放大器U1D的13脚与14脚连接，且14脚与二极管D1的负极连接；
运算放大器U2A的3脚经电阻R2-1接地，2脚与1脚之间连接有电阻R2-4，且1脚一方面经电阻R2-5和电阻R2-8连接到运算放大器U2B的6脚，1脚另一方面经电阻R2-5和电阻R2-10连接到运算放大器U2C的9脚；运算放大器U4B的5脚经电阻R2-17接地，6脚与7脚之间连接有电容C2-2，且7脚经电阻R2-18连接到运算放大器U2D的12脚；运算放大器U2B的5脚经电阻R2-6接地，6脚与7脚之间连接有电阻R2-12，且7脚经电阻R2-13连接到运算放大器U2D的12脚；运算放大器U2C的10脚经电阻R2-11接地，9脚与8脚之间连接有电容C2-1，且8脚经电阻R2-14连接到运算放大器U2D的12脚；运算放大器U2D的13脚与14脚连接，且14脚与二极管D2的负极连接；
运算放大器U3B的5脚经电阻R3-6接地，6脚与7脚之间连接有电阻R3-12，且7脚经电阻R3-13连接到运算放大器U3D的12脚；运算放大器U3C的10脚经电阻R3-11接地，9脚与8脚之间连接有电容C3-1，且8脚经电阻R3-14连接到运算放大器U3D的12脚；运算放大器U3D的13脚与14脚连接，且14脚与二极管D3的负极连接；
场效应管选用FDN337-N型号的场效应管；脉宽调制器选用SG2525A芯片；二极管D1的正极、二极管D2的正极和二极管D3的正极与继电器U6的6脚连接，3脚与6脚连接，8脚与场效应管Q1的漏极D端连接，场效应管Q1的栅极G端一方面经电阻R61、电阻R62接地，场效应管Q1的栅极G端另一方面经电阻R61、电容C61接地，场效应管Q1的源极S端接地；8脚与1脚之间连接有二极管D62，1脚一方面经电阻R63、电容C62接地，1脚另一方面经电阻R63接+5V电压；2脚与7脚连接，且一方面经二极管D61、电阻R64接地，另一方面经二极管D61、电阻R64接+5V电压；继电器U6的7脚与脉宽调制器U5的9脚连接，且9脚经电容C51接地，2脚经电阻R51接+5V电压，1脚一方面经电阻R52接+5V电压，另一方面经电容C52接地，再一方面经电阻R53接地，12脚接地，3脚经电阻R56接地，13脚一方面接+15V电压，13脚另一方面经电容C53接地，15脚经电容C53接地，5脚经电容C54接地，6脚经电阻R55接地，7脚经电阻R54、电容C54接地，8脚经电容C55接地，16脚经电容C56接地，4脚经电容C57接地，11脚一方面经二极管D51后与门驱动光电耦合器U7的1脚连接，11脚另一方面经二极管D51、电阻R57接地，14脚经二极管D52、电阻R57接地；
门驱动光电耦合器选用HCPL-316J芯片；门驱动光电耦合器U7的1脚经二极管D51与脉宽调制器U5的11脚连接，2脚接地，3脚一方面经电容C72与8脚连接，3脚另一方面经电阻R72、电阻R73接地，3脚第三方面经电阻R71接+5V电压，3脚第四方面经稳压管D71接地，且二极管D71两端连接电容C71，4脚接地，16脚接0V电压，16脚与14脚之间连接有电容C73，14脚一方面经二极管D73、稳压管D72后接0V电压，14脚另一方面经二极管D73、电阻R74、二极管D74后与场效应管Q1-1的漏极D端连接，13脚一方面与12脚连接，13脚另一方面接+15V电压，13脚第三方面与场效应管Q71的漏极D端连接，13脚第四方面经电容C75接－10V电压，13脚第五方面经电容C74接0V电压，10脚和9脚接－10V电压，11脚经电阻R75后连接到场效应管Q71的栅极G端和场效应管Q72的栅极G端，场效应管Q71的源极S端经电阻R76后与场效应管Q1-1的栅极G端连接，场效应管Q72的漏极D端经电阻R77后与场效应管Q1-1的栅极G端连接，场效应管Q72的源极S端接－10V电压，电阻R76的一端一方面经稳压管D75、电容C76后接－10V电压，电阻R76的一端另一方面经电阻R78、电容C76后接－10V电压，且电阻R78的一端与场效应管Q1-1的源极S端连接。
4.根据权利要求1所述的适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：功率调节电路存在有下列工作模式：
工作模式A：即白天光照充足且锂电池组充满时，此时功率调节电路输出工作在恒压模式，维持母线电压的稳定，充放电双向电路处于关闭状态；
工作模式B：即白天光照充足且锂电池组不是处于满电状态时，此时功率调节电路输出工作在恒压模式，维持母线电压的稳定，充放电双向电路处于降压充电模式，对锂电池组进行充电；
工作模式C：即光照不足或负载突然增大，功率调节电路切换到MPPT模式对锂电池组进行充电，同时充放电双向电路自动切换到升压放电模式，母线电压则由锂电池组来维持；
工作模式D：即在夜晚时，功率调节电路自动关闭，充放电双向电路保持在升压放电模式，母线电压则由锂电池组来维持。
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