CN107959329A - 卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统，包括：锂离子蓄电池电压采样电阻网络，与锂离子蓄电池组的正端和负端连接，通过电阻网络的中间抽头进行蓄电池组电压采样；输入电感电流采样电路，与采样电阻的两端连接，对功率拓扑前端输入电感电流进行采样；电压环PI控制器，作为电流环PI控制器的输入；电流环PI控制器，作为脉宽发生器电路的输入；驱动信号放大电路，其输出端与调制用MOS管的栅极连接；脉宽发生器，作为所述驱动信号放大电路的输入。本发明还提供卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制方法。本发明提供的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统及其控制方法，能够消除由卫星上多负载多扰动给锂离子恒压充电过程中带来的影响。
Description
技术领域
本发明涉及航天电源控制技术领域，特别涉及卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统及其控制方法。
背景技术
作为为卫星负载供电的电源系统，需对负载特性了解透彻才能更好的进行设计。卫星负载多而复杂，有恒定负载，也有脉动负载，脉动负载的脉动幅度、频率等也不完全相同，在整星工作时，该类负载都将会对整星的电源母线产生不同程度的扰动，而所述恒压充电的输入来源于整星电源母线，因此母线的不同程度的扰动都将会对充电电路产生影响。
锂离子蓄电池是指以Li+嵌入化合物作为正、负极活性物质的二次电池，正确合理地使用锂离子蓄电池组，可以有效延长锂离子蓄电池的使用寿命，防止安全事故的发生。锂离子蓄电池的充电模式主要分为恒压充电和恒流充电模式。
在恒压充电模式中，由于蓄电池恒压充电普遍采用了单电压环路负反馈控制，在进行恒压充电电路的参数设计时难以大量提升环路带宽，但是较低的带宽对于卫星上多负载多频率，尤其是低频段的扰动抑制效果不足，在低频段的扰动部分响应不及时，容易导致电源母线上的干扰进入恒压控制环路，引起恒压充电时充电电流的不稳定，从而影响蓄电池安全和寿命，甚至整星电源安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统及其控制方法，以解决恒压充电时充电电流不稳定的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统，包括：锂离子蓄电池电压采样电阻网络，与锂离子蓄电池组的正端和负端连接，通过电阻网络的中间抽头进行蓄电池组电压采样，作为电压环PI控制器的反馈输入信号；输入电感电流采样电路，与采样电阻的两端连接，对功率拓扑前端输入电感电流进行采样，将电流信号转化为电压信号，作为电流环PI控制器的反馈输入信号；电压环PI控制器，其反相端输入为蓄电池组电压采样信号，同相端输入信号为电压基准信号，输出信号为误差放大信号Ve1，作为电流环PI控制器的输入；电流环PI控制器，其反相端输入为输入电感电流采样信号，同相端输入信号为所述电压环PI控制器输出信号，输出信号为误差放大信号Ve2，作为脉宽发生器电路的输入；驱动信号放大电路，其输出端与调制用MOS管的栅极连接；脉宽发生器，其同相端输入为所述电流环PI控制器电路的输出信号Ve2，反相端输入为具有一定频率的锯齿波信号，输出信号为具有一定占空比的方波信号，作为所述驱动信号放大电路的输入。
进一步地，蓄电池电压所需的恒压值为36v，基准信号为4v，则设定电阻网络的分压比例为8：1。
进一步地，由卫星上的多种负载带来的扰动频率为500Hz，设置控制系统环路的带宽为不小于500Hz。
本发明还提供卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统的控制方法，包括：
通过设置锂离子蓄电池电压采样电阻网络的电阻分压值确定分压比例，与基准信号进行匹配，通过设置输入电感电流采样电路的采样倍数，电压环PI控制器的电阻R1、电容C1取值，以及电流环PI控制器的电阻PI、电容C2取值来设置控制系统环路的带宽；
在稳态条件下，电压环PI控制器的输出信号Ve1、电流环PI控制器的输出信号Ve2以及脉宽发生器的输出信号均控制在稳定值；
在动态条件下，整星电源母线上加载扰动信号，调整电流。
进一步地，在动态条件下，当整星电源母线电压升高时，电感电流增加，电压环PI控制器的输出信号Ve1暂时不变，电流环PI控制器优先响应，其输出信号Ve2下降，脉宽发生器的输出信号的占空比减小，减少输入电流。
进一步地，在动态条件下，当整星电源母线电压下降时，电感电流下降，电压环PI控制器的输出信号Ve1暂时不变，电流环PI控制器优先响应，其输出信号Ve2上升，脉宽发生器的输出信号的占空比增大，增加输入电流。
本发明提供的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统及其控制方法，能够消除由卫星上多负载多扰动给锂离子恒压充电过程中带来的影响；克服了母线扰动导致恒压充电时电流震荡的缺点，在控制过程中同时对充电电流和蓄电池电压进行控制，具备较高的调整精度、快速响应和高稳定性，对卫星用锂离子蓄电池管理具有重要的工程价值。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明实施例提供的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统的电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统及其控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统及其控制方法，能够消除由卫星上多负载多扰动给锂离子恒压充电过程中带来的影响；克服了母线扰动导致恒压充电时电流震荡的缺点，在控制过程中同时对充电电流和蓄电池电压进行控制，具备较高的调整精度、快速响应和高稳定性，对卫星用锂离子蓄电池管理具有重要的工程价值。
图1为本发明实施例提供的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统的电路结构示意图。参照图1，提供一种卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统，包括：锂离子蓄电池电压采样电阻网络11，与锂离子蓄电池组的正端和负端连接，通过电阻网络的中间抽头进行蓄电池组电压采样，作为电压环PI控制器13的反馈输入信号；输入电感电流采样电路12，与采样电阻的两端连接，对功率拓扑前端输入电感电流进行采样，将电流信号转化为电压信号，作为电流环PI控制器14的反馈输入信号；电压环PI控制器13，其反相端输入为蓄电池组电压采样信号，同相端输入信号为电压基准信号，输出信号为误差放大信号Ve1，作为电流环PI控制器14的输入；电流环PI控制器14，其反相端输入为输入电感电流采样信号，同相端输入信号为所述电压环PI控制器13输出信号，输出信号为误差放大信号Ve2，作为脉宽发生器电路的输入；驱动信号放大电路16，其输出端与调制用MOS管的栅极连接；脉宽发生器15，其同相端输入为所述电流环PI控制器14电路的输出信号Ve2，反相端输入为具有一定频率的锯齿波信号，输出信号为具有一定占空比的方波信号，作为所述驱动信号放大电路16的输入。
所述锂离子蓄电池电压采样电阻网络11采集蓄电池组的电压作为整组充电电压的电压环反馈；所述输入电感电流采样电路12作为充电控制的电流环反馈；所述电压环PI控制器13用于电池电压采样信号与基准信号的误差放大；所述电流环PI控制器14用于充电电流采样信号和电压环PI控制器13输出信号间的误差放大；所述脉宽发生器15用于产生驱动MOS管的方波驱动信号，所述用于增强所述脉宽发生器15输出信号的强度，为驱动调制用的MOS管提供足够的驱动电流。
该控制系统具备两个控制闭合环路，一个是输出电压反馈环路，用于与基准电压比较后产生误差信号；另一个是输入电流反馈环路，用于将采样电流而得的电压与前述的误差信号进行比较，产生电流环路误差信号，对电感电流起控制作用。
本发明实施例还提供卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统的控制方法，包括：通过设置锂离子蓄电池电压采样电阻网络11的电阻分压值确定分压比例，与基准信号进行匹配，通过设置输入电感电流采样电路12的采样倍数，电压环PI控制器13的电阻R1、电容C1取值，以及电流环PI控制器14的电阻PI、电容C2取值来设置控制系统环路的带宽；在稳态条件下，电压环PI控制器13的输出信号Ve1、电流环PI控制器14的输出信号Ve2以及脉宽发生器15的输出信号均控制在稳定值；在动态条件下，整星电源母线上加载扰动信号，调整电流。
通过设置蓄电池电压采样电阻网络11的电阻分压值确定分压比例，与基准信号Vref进行匹配；通过输入电感电流采样电路12的采样倍数，电压环PI控制器13的R1、C1取值，电流环PI控制器14的R2、C2取值来设置控制系统环路的带宽，以满足对不同频率下的扰动信号的相应速度和调整精度。在本发明实施例中，蓄电池电压所需的恒压值为36V，基准信号为4V，则设定电阻网络的分压比例为8：1。由卫星上的多种负载带来的扰动频率为500Hz，则设置控制系统环路的带宽为不小于500Hz。
在本发明实施例中，在稳态条件下，即在无多负载开机状态下，控制系统环路的输入电压，即整星电源母线可认为时稳定的恒定的，整个环路控制系统无扰动干扰，则电压环PI控制器13的输出Ve1、电流环PI控制器14的输出Ve2，脉宽发生器15的输出方波信号d即认为是稳定值。基于该电路功率拓扑的输入输出关系：输出电压=d×输入电压，则输出电压，即锂离子蓄电池的电压可控制在稳定值上；输入电流，即充电电流也控制在稳定值。
在动态条件下，即在多负载开机状态下，控制系统环路的输入电压，即整星电源母线上被加上了一定频率，一定幅值的扰动信号。
当整星电源母线电压升高时，电感电流增加，即电感电流采样信号Is上升，由于输出电压经电容延时后再上升，因此电压环PI控制器13的输出Ve1暂时不变，而电流环PI控制器14优先响应，其输出Ve2下降，导致脉宽发生器15的输出方波信号d的占空比减小，减少输入电流，起到优先调整电流的作用，即抑制了该扰动对充电电流带来的影响。
当整星电源母线电压下降时，电感电流下降，即电感电流采样信号Is下降，由于输出电压经电容延时后再下降，因此电压环PI控制器13的输出Ve1暂时不变，而电流环PI控制器14优先响应，其输出Ve2上升，导致脉宽发生器15的输出方波信号d的占空比增大，增加输入电流，起到优先调整电流的作用，即抑制了该扰动对充电电流带来的影响。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统，其特征在于，包括：
锂离子蓄电池电压采样电阻网络，与锂离子蓄电池组的正端和负端连接，通过电阻网络的中间抽头进行蓄电池组电压采样，作为电压环PI控制器的反馈输入信号；
输入电感电流采样电路，与采样电阻的两端连接，对功率拓扑前端输入电感电流进行采样，将电流信号转化为电压信号，作为电流环PI控制器的反馈输入信号；
电压环PI控制器，其反相端输入为蓄电池组电压采样信号，同相端输入信号为电压基准信号，输出信号为误差放大信号Ve1，作为电流环PI控制器的输入；
电流环PI控制器，其反相端输入为输入电感电流采样信号，同相端输入信号为所述电压环PI控制器输出信号，输出信号为误差放大信号Ve2，作为脉宽发生器电路的输入；
驱动信号放大电路，其输出端与调制用MOS管的栅极连接；
脉宽发生器，其同相端输入为所述电流环PI控制器电路的输出信号Ve2，反相端输入为具有一定频率的锯齿波信号，输出信号为具有一定占空比的方波信号，作为所述驱动信号放大电路的输入。
2.如权利要求1所述的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统，其特征在于，蓄电池电压所需的恒压值为36v，基准信号为4v，则设定电阻网络的分压比例为8：1。
3.如权利要求1所述的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统，其特征在于，由卫星上的多种负载带来的扰动频率为500Hz，设置控制系统环路的带宽为不小于500Hz。
4.利用如权利要求1所述的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统的控制方法，其特征在于，包括：
通过设置锂离子蓄电池电压采样电阻网络的电阻分压值确定分压比例，与基准信号进行匹配，通过设置输入电感电流采样电路的采样倍数，电压环PI控制器的电阻R1、电容C1取值，以及电流环PI控制器的电阻PI、电容C2取值来设置控制系统环路的带宽；
在稳态条件下，电压环PI控制器的输出信号Ve1、电流环PI控制器的输出信号Ve2以及脉宽发生器的输出信号均控制在稳定值；
在动态条件下，整星电源母线上加载扰动信号，调整电流。
5.如权利要求4所述的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统的控制方法，其特征在于，在动态条件下，当整星电源母线电压升高时，电感电流增加，电压环PI控制器的输出信号Ve1暂时不变，电流环PI控制器优先响应，其输出信号Ve2下降，脉宽发生器的输出信号的占空比减小，减少输入电流。
6.如权利要求4所述的卫星用锂离子蓄电池恒压充电双环控制系统的控制方法，其特征在于，在动态条件下，当整星电源母线电压下降时，电感电流下降，电压环PI控制器的输出信号Ve1暂时不变，电流环PI控制器优先响应，其输出信号Ve2上升，脉宽发生器的输出信号的占空比增大，增加输入电流。
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