CN106655366A - 卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路：其特征在于：至少包括：与蓄电池电连接的电池端保护电路；与电池端保护电路的输出端子电连接的电池端滤波电路；与电池端滤波电路的输出端子电连接的蓄电池放电调节器；与电池端滤波电路的输出端子电连接的蓄电池充电调节器；母线端滤波电路；所述母线端滤波电路的输入端子分别与蓄电池放电调节器的输出端子、蓄电池充电调节器的输入端子电连接；与母线端滤波电路的输出端子电连接的母线端保护电路。该发明能够解决传统蓄电池充放电调节器冗余设计与电路复杂度之间的矛盾，使其电路设计更加简捷、重量更轻、电路转换效率更高、产品可靠度更高，使得空间卫星电源控制器的品质更优。
Description
技术领域
本发明涉及空间卫星电源技术领域，特别是涉及一种卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路。
背景技术
蓄电池充放电调节器是空间卫星电源控制器中不可缺少的重要组成部分，目前，卫星用电源控制器蓄电池充放电调节器普遍采用独立的充电调节器和独立的放电调节器并联组成，电池充电调节器和放电调节器需要设计单独的输入保护和输出保护，蓄电池放电调节器输出需要保护装置防止二极管短路失效造成的母线短路故障；蓄电池放电调节器输入需要保护装置防止主功率回路对地短路失效故障，在主功率回路对地短路失效时，能通过保护装置隔离与蓄电池的连接。蓄电池充电调节器输入需要保护装置防止充电主功率回路对地短路失效故障。蓄电池充电调节器电输出需要保护装置防止二极管短路失效故障。同时在蓄电池接入控制器端口正线上必须加装BCRB继电器盒，以方便地面安全测试。
为了提高蓄电池充放电调节器的可靠度，蓄电池充电调节器和放电调节器必须保证足够的冗余设计和器件降额，这不仅提高了卫星电源控制器的设计成本，使得电路控制设计更加复杂，还增加了电源控制器的重量，更重要的是冗余元器件的增加，限制了控制器可靠性的提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，该卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路的主要目的是解决传统蓄电池充放电调节器冗余设计与电路复杂度之间的矛盾，使其电路设计更加简捷、重量更轻、电路转换效率更高、产品可靠度更高，使得空间卫星电源控制器的品质更优。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，至少包括：
与蓄电池电连接的电池端保护电路(1)；
与电池端保护电路(1)的输出端子电连接的电池端滤波电路(2)；
与电池端滤波电路(2)的输出端子电连接的蓄电池放电调节器(3)；
与电池端滤波电路(2)的输出端子电连接的蓄电池充电调节器(4)；
母线端滤波电路(5)；所述母线端滤波电路(5)的输入端子分别与蓄电池放电调节器(3)的输出端子、蓄电池充电调节器(4)的输入端子电连接；
与母线端滤波电路(5)的输出端子电连接的母线端保护电路(6)。
进一步：所述蓄电池放电调节器(3)为Boost电路、He-Boost电路、Super Boost电路和Weinberg电路中的一种。
更进一步：所述蓄电池放电调节器(3)为Weinberg电路；所述蓄电池放电调节器(3)由耦合电感、变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第三功率MOSFET开关管、第四功率MOSFET开关管和放电调节器控制电路组成；所述电流采样电路依次通过第一电感、耦合电感的第一线圈与第一二极管的正极电连接；所述电流采样电路依次通过第一电感、耦合电感的第二线圈、变压器的第一线圈与第三功率MOSFET开关管的漏极电连接；所述电流采样电路依次通过第一电感、耦合电感的第二线圈、变压器的第二线圈与第四功率MOSFET开关管的漏极电连接；所述第三功率MOSFET开关管的源极与蓄电池的负极电连接；所述第四功率MOSFET开关管的源极与蓄电池的负极电连接；所述第三功率MOSFET开关管的栅极、第四功率MOSFET开关管的栅极均与放电调节器控制电路电连接；所述第三功率MOSFET开关管的漏极与第二二极管的正极电连接；所述第四功率MOSFET开关管的漏极与第三二极管的正极电连接；所述第一二极管的负极、第二二极管的负极、第三二极管的负极之间电连接。
进一步：所述蓄电池充电调节器(4)为Buck电路或Super-Buck电路。
更进一步：所述蓄电池充电调节器(4)为Buck电路，所述蓄电池充电调节器(4)由第五功率MOSFET管、第六二极管、第四电感、隔离二极管和充电调节器控制电路组成；所述第六二极管的正极与蓄电池的负极电连接；所述第六二极管的负极与第五功率MOSFET管的源极电连接；所述第五功率MOSFET管的源极通过第四电感与隔离二极管的正极电连接；所述隔离二极管的负极通过第一滤波电容与蓄电池的负极电连接。
更进一步：所述电池端保护电路(1)由第一功率MOSFET开关管、电流采样电路和电池端保护控制电路组成；所述第一功率MOSFET开关管的漏极与蓄电池正极电连接；所述第一功率MOSFET开关管的栅极与电池端保护控制电路电连接；所述第一功率MOSFET开关管的源极与电流采样电路电连接。
更进一步：所述电池端滤波电路(2)由第一电感、第一滤波电容和第四二极管组成一个串联回路；蓄电池的负极与第四二极管的正极电连接。
更进一步：所述母线端滤波电路(5)由第三电感、第三电容、第五二极管组成滤波电路；所述第五功率MOSFET管的漏极通过第三电容与蓄电池的负极电连接；所述第五二极管的正极与蓄电池的负极电连接。
更进一步：所述母线端保护电路(6)由第二功率MOSFET开关管、电流采样电路和母线端保护控制电路组成；所述第一二极管的负极依次通过第三电感、电流采样电路和第二功率MOSFET开关管的源极电连接；所述第二功率MOSFET开关管的栅极与母线端保护控制电路电连接；所述第二功率MOSFET开关管的漏极为一次母线的正极；所述蓄电池的负极为一次母线的负极。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案，与传统的控制方法相比，蓄电池放电调节器和蓄电池充电调节器共用输入输出保护电路和滤波电路。电池端保护电路即可作为蓄电池放电调节器的输入保护电路，也可作为蓄电池充电调节器的输出保护电路；母线端保护电路即可作为蓄电池放电调节器的输出保护电路，也可作为蓄电池充电调节器的输入保护电路。电池端滤波电路即可作为蓄电池放电调节器的输入滤波电路，也可作为蓄电池充电调节器输出滤波电路。母线端滤波电路即可作为蓄电池放电调节器的输出滤波电路，也可作为蓄电池充电调节器的输入滤波电路。该方案可以节省蓄电池接入BCRB继电器盒，其功能由电池端保护电路实现。这不仅减少了主功率器件、滤波器件的种类和数量，降低了成本、减轻了电路的体积重量，还提高了电路的工作效率、减少了热耗、更重要的是提高了电路的可靠性和电源控制器的比功率。
附图说明
图1是本发明优选实施例的电路框图；
图2是本发明优选实施例的电路图。
其中：1、电池端保护电路；2、电池端滤波电路；3、蓄电池放电调节器；4、蓄电池充电调节器；5、母线端滤波电路；6、母线端保护电路。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，一种卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，包括：
与蓄电池电连接的电池端保护电路1；
与电池端保护电路1的输出端子电连接的电池端滤波电路2；
与电池端滤波电路2的输出端子电连接的蓄电池放电调节器3；
与电池端滤波电路2的输出端子电连接的蓄电池充电调节器4；
母线端滤波电路5；所述母线端滤波电路5的输入端子分别与蓄电池放电调节器3的输出端子、蓄电池充电调节器4的输入端子电连接；
与母线端滤波电路5的输出端子电连接的母线端保护电路6.
请参阅图2，在上述优选实施例中：
电池端保护电路1由第一功率MOSFET开关管Q1、电流采样电路和电池端保护控制电路组成；所述第一功率MOSFET开关管Q1的漏极与蓄电池正极电连接；所述第一功率MOSFET开关管Q1的栅极与电池端保护控制电路电连接；所述第一功率MOSFET开关管Q1的源极与电流采样电路电连接；
电池端滤波电路2由第一电感L1、第一滤波电容C1和第四二极管D4组成一个串联回路；蓄电池的负极与第四二极管D4的正极电连接；
蓄电池放电调节器3的拓扑可以选用Boost电路、He-Boost电路、Super Boost电路和Weinberg电路等电路形式，本发明以Weinberg电路为例详述,Weinberg电路由耦合电感L2、变压器T1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第三功率MOSFET开关管Q3、第四功率MOSFET开关管Q4和放电调节器控制电路组成；所述电流采样电路依次通过第一电感L1、耦合电感L2的第一线圈与第一二极管D1的正极电连接；所述电流采样电路依次通过第一电感L1、耦合电感L2的第二线圈、变压器T1的第一线圈与第三功率MOSFET开关管Q3的漏极电连接；所述电流采样电路依次通过第一电感L1、耦合电感L2的第二线圈、变压器T1的第二线圈与第四功率MOSFET开关管Q4的漏极电连接；所述第三功率MOSFET开关管Q3的源极与蓄电池的负极电连接；所述第四功率MOSFET开关管Q4的源极与蓄电池的负极电连接；所述第三功率MOSFET开关管Q3的栅极、第四功率MOSFET开关管Q4的栅极均与放电调节器控制电路电连接；所述第三功率MOSFET开关管Q3的漏极与第二二极管D2的正极电连接；所述第四功率MOSFET开关管Q4的漏极与第三二极管D3的正极电连接；所述第一二极管D1的负极、第二二极管D2的负极、第三二极管D3的负极之间电连接；
蓄电池充电调节器4的拓扑可以选用Buck电路、Super-Buck等电路形式，本发明以Buck电路为例详述，Buck电路由第五功率MOSFET管Q5、第六二极管D6、第四电感L4、隔离二极管D7和充电调节器控制电路组成；所述第六二极管D6的正极与蓄电池的负极电连接；所述第六二极管D6的负极与第五功率MOSFET管Q5的源极电连接；所述第五功率MOSFET管Q5的源极通过第四电感L4与隔离二极管D7的正极电连接；所述隔离二极管D7的负极通过第一滤波电容C1与蓄电池的负极电连接；
母线端滤波电路5，所述母线端滤波电路5由第三电感L3、第三电容C3、第五二极管D5组成滤波电路；所述第五功率MOSFET管Q5的漏极通过第三电容C3与蓄电池的负极电连接；所述第五二极管D5的正极与蓄电池的负极电连接；
母线端保护电路6，所述母线端保护电路6由第二功率MOSFET开关管Q2、电流采样电路和母线端保护控制电路组成；所述第一二极管D1的负极依次通过第三电感L3、电流采样电路和第二功率MOSFET开关管Q2的源极电连接；所述第二功率MOSFET开关管Q2的栅极与母线端保护控制电路电连接；所述第二功率MOSFET开关管Q2的漏极为一次母线的正极；所述蓄电池的负极为一次母线的负极。
本优选实施例主要包括：包括电池端保护电路1、电池端滤波电路2、蓄电池放电调节器3、蓄电池充电调节器4、母线端滤波电路5和母线端保护电路6。其中：电池端保护电路1由第一功率MOSFET开关管Q1、电流采样电路和电池端保护控制电路组成；电池端滤波电路2由第一电感L1、第一滤波电容C1和第四二极管D4组成；蓄电池放电调节器3的拓扑可以选用Boost、He-Boost、Super Boost和Weinberg等电路形式，附图2以Weinberg电路为例详述，蓄电池放电调节器3由第二电感L2、变压器T1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第三功率MOSFET开关管Q3、第四功率MOSFET开关管Q4和放电调节器控制电路组成；蓄电池充电调节器4的拓扑可以选用Buck、Super-Buck等电路形式，附图2以Buck电路为例详述，蓄电池充电调节器4由第五功率MOSFET开关管Q5、第四电感L4、第六二极管D6、第七二极管D7和充电调节器控制电路组成；母线端滤波电路5由第三电感L3，第三滤波电容C3和第五二极管D5组成；母线端保护电路6由第二功率MOSFET开关管Q2、电流采样电路和母线端保护控制电路组成。
电池端保护电路1的工作原理：电池端保护控制电路通过采集流过第一功率MOSFET开关管Q1的电流值与系统设计值作比较，控制保护第一功率MOSFET开关管Q1的通断，以实现接通或者断开蓄电池与蓄电池充放电电路的连接，同时控制电路还需具备在蓄电池接入瞬间缓慢接通第一功率MOSFET开关管Q1的功能，以抑制电流浪涌。电池端保护电路1的主要作用有三个：第一在蓄电池放电调节器输入出现过流的情况下断开与蓄电池的接入连接；第二在蓄电池充电调节器输出过流的情况下断开充电调节器与蓄电池的连接；第三在蓄电池接入瞬间起到电流浪涌抑制功能，替代传统控制方式中的BCRB继电器盒。
电池端滤波电路2的工作原理：第一电感L1、第一电容C1组成LC滤波电路，滤除电路输入的谐波，第四二极管D4为第一电感L1的续流二极管。电池端滤波电路2的主要作用有两个：第一是作为蓄电池放电调节器的输入滤波电路，滤除电路输入谐波；第二是作为蓄电池充电调节器的输出滤波电路；与传统控制策略相比，电池端滤波电路2作为蓄电池充电调节器和蓄电池放电调节器的共用部分，可以节省部分滤波组件。
蓄电池放电调节器3的工作原理见附图2所示：耦合电感L2、变压器T1、第三功率MOSFET管Q3、第四功率MOSFET管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和放电调节器控制电路组成Weinberg升压电路，此升压电路不需要考虑二极管和功率MOSFET管的短路失效，与传统控制策略相比，减少了功率器件的使用量，提高了蓄电池放电调节器的效率，减少了热耗，提高了蓄电池放电调节器的可靠度。蓄电池放电调节器的主要作用是在阴影期为卫星有效载荷提供一条稳定的母线电压。
蓄电池充电调节器4的工作原理见附图2所示：第五功率MOSFET管Q5、第六二极管D6、第四电感L4、隔离二极管D7和充电调节器控制电路组成Buck充电电路，此升压电路不需要考虑二极管和功率MOSFET管的短路失效，与传统控制策略相比，减少了功率管的使用量，提高了蓄电池充电调节器的效率，减少了热耗。蓄电池放电调节器的主要作用是在一次母线能量富裕的条件下给蓄电池组恒压或者恒流充电。
母线端滤波电路5的工作原理：第三电感L3、第三电容C3组成滤波电路，滤除电路的谐波，第五二极管D5为第三电感L3的续流二极管。母线端滤波电路5的主要作用有两个：第一是作为蓄电池放电调节器的输出滤波电路；第二是作为蓄电池充电调节器的输入滤波电路，滤除电路输入谐波；与传统控制策略相比，母线端滤波电路5作为蓄电池充电调节器和蓄电池放电调节器的共用部分，可以节省部分滤波组件。
母线端保护电路6的工作原理：母线端保护控制电路通过采集流过第二功率MOSFET管Q2的电流值与系统设计值作比较，控制保护第二功率MOSFET管Q2的通断，以实现接通或者断开一次母线与蓄电池充放电电路的连接，同时控制电路还需具备第二功率MOSFET管Q2缓启功能，以抑制电流浪涌。母线端保护电路6的主要作用有两个：第一在蓄电池放电调节器输出二极管短路失效的情况下，断开蓄电池放电调节器与一次母线的连接；第二在蓄电池充电调节器输入过流的情况下断开充电调节器与一次母线的连接。
该优选实施例适应28V、42V及100V卫星全调节母线，其中蓄电池放电调节器3的拓扑可以选用Boost、He-Boost、Super-Boost和Weinberg等电路形式，蓄电池放电调节器与一次母线的隔离二极管的短路失效通过母线端保护电路6来实现，蓄电池放电调节器主功率回路对地短路失效通过电池端保护电路1来实现；蓄电池充电调节器4的拓扑可以选用Buck、Super-Buck等电路形式，蓄电池充电调节器与蓄电池的隔离二极管的短路失效通过电池端保护电路1来实现；充电调节器的主功率回路对地短路失效通过母线端保护电路6来实现。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，其特征在于：至少包括：
与蓄电池电连接的电池端保护电路(1)；
与电池端保护电路(1)的输出端子电连接的电池端滤波电路(2)；
与电池端滤波电路(2)的输出端子电连接的蓄电池放电调节器(3)；
与电池端滤波电路(2)的输出端子电连接的蓄电池充电调节器(4)；
母线端滤波电路(5)；所述母线端滤波电路(5)的输入端子分别与蓄电池放电调节器(3)的输出端子、蓄电池充电调节器(4)的输入端子电连接；
与母线端滤波电路(5)的输出端子电连接的母线端保护电路(6)。
2.根据权利要求1所述卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，其特征在于：所述蓄电池放电调节器(3)为Boost电路、He-Boost电路、Super Boost电路和Weinberg电路中的一种。
3.根据权利要求2所述卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，其特征在于：所述蓄电池放电调节器(3)为Weinberg电路；所述蓄电池放电调节器(3)由耦合电感、变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第三功率MOSFET开关管、第四功率MOSFET开关管和放电调节器控制电路组成；所述电流采样电路依次通过第一电感、耦合电感的第一线圈与第一二极管的正极电连接；所述电流采样电路依次通过第一电感、耦合电感的第二线圈、变压器的第一线圈与第三功率MOSFET开关管的漏极电连接；所述电流采样电路依次通过第一电感、耦合电感的第二线圈、变压器的第二线圈与第四功率MOSFET开关管的漏极电连接；所述第三功率MOSFET开关管的源极与蓄电池的负极电连接；所述第四功率MOSFET开关管的源极与蓄电池的负极电连接；所述第三功率MOSFET开关管的栅极、第四功率MOSFET开关管的栅极均与放电调节器控制电路电连接；所述第三功率MOSFET开关管的漏极与第二二极管的正极电连接；所述第四功率MOSFET开关管的漏极与第三二极管的正极电连接；所述第一二极管的负极、第二二极管的负极、第三二极管的负极之间电连接。
4.根据权利要求1所述卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，其特征在于：所述蓄电池充电调节器(4)为Buck电路或Super-Buck电路。
5.根据权利要求4所述卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，其特征在于：所述蓄电池充电调节器(4)为Buck电路，所述蓄电池充电调节器(4)由第五功率MOSFET管、第六二极管、第四电感、隔离二极管和充电调节器控制电路组成；所述第六二极管的正极与蓄电池的负极电连接；所述第六二极管的负极与第五功率MOSFET管的源极电连接；所述第五功率MOSFET管的源极通过第四电感与隔离二极管的正极电连接；所述隔离二极管的负极通过第一滤波电容与蓄电池的负极电连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，其特征在于：所述电池端保护电路(1)由第一功率MOSFET开关管、电流采样电路和电池端保护控制电路组成；所述第一功率MOSFET开关管的漏极与蓄电池正极电连接；所述第一功率MOSFET开关管的栅极与电池端保护控制电路电连接；所述第一功率MOSFET开关管的源极与电流采样电路电连接。
7.根据权利要求1-5任一项所述卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，其特征在于：所述电池端滤波电路(2)由第一电感、第一滤波电容和第四二极管组成一个串联回路；蓄电池的负极与第四二极管的正极电连接。
8.根据权利要求1-5任一项所述卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，其特征在于：所述母线端滤波电路(5)由第三电感、第三电容、第五二极管组成滤波电路；所述第五功率MOSFET管的漏极通过第三电容与蓄电池的负极电连接；所述第五二极管的正极与蓄电池的负极电连接。
9.根据权利要求1-5任一项所述卫星电源用的蓄电池充放电调节器控制电路，其特征在于：所述母线端保护电路(6)由第二功率MOSFET开关管、电流采样电路和母线端保护控制电路组成；所述第一二极管的负极依次通过第三电感、电流采样电路和第二功率MOSFET开关管的源极电连接；所述第二功率MOSFET开关管的栅极与母线端保护控制电路电连接；所述第二功率MOSFET开关管的漏极为一次母线的正极；所述蓄电池的负极为一次母线的负极。
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| CN103762840A (zh) * | 2013-09-09 | 2014-04-30 | 中国科学院光电研究院 | 一种浮空器用宽电压输入高效直流电源变换器 |
| CN105730718A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-07-06 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元 |
| CN106208189A (zh) * | 2016-06-24 | 2016-12-07 | 哈尔滨工业大学 | 一种全调节母线型卫星电源蓄电池放电调节器 |
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2016
- 2016-12-13 CN CN201611146580.0A patent/CN106655366B/zh active Active
Patent Citations (3)
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