CN110262327B - 一种电源系统自主切换mppt模式的控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路及控制方法，包含母线采样电路、母线控制电路、比较电路、保持电路、逻辑选通电路、MPPT算法电路、太阳电池电压采样电路、太阳电池控制电路。本发明能根据探测器的载荷需求，自主切换电源系统工作模式，实现MPPT模式与非MPPT模式的平滑切换，从而保证了电源系统母线的稳定。本发明实现了太阳电池功率的合理利用，电路简单，易于工程实现，可靠性高，在航天电源系统领域中具有非常重要的应用价值。

Description

一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路及控制方法,属于航天电源控制技术领域。

背景技术

电源系统是航天所有设备工作的电源，它是电能产生、储存、变换、传输分配和管理的重要系统。目前应用最广泛的太阳电池电路-蓄电池组供电系统，通过电源控制器实现功率调节。

太阳电池电路的最佳工作点与负载特性有关，在负载需要的情况下，自动跟踪太阳电池电路的最大功率点，把太阳电池电路的全部功率都发挥出来。在负载较轻的情况下，太阳电池电路工作点需要偏离最大功率点。

目前，我国尚未在航天领域中采用最大功率点跟踪方式。相对于传统的直接能量传输方式，MPPT模式控制方法相对不成熟，主要依赖软件算法控制，可靠性较差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路及控制方法，实现MPPT模式与非MPPT模式的平滑切换，保了电源系统母线的稳定。本发明结构简单，控制系统稳定，根据负载的需求，自主进入MPPT模式和退出MPPT模式，实现了电源系统能量的自主管理。

本发明的技术解决方案是：

一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，包括：母线采样电路、母线控制电路、比较电路、保持电路、逻辑选通电路、MPPT算法电路、太阳电池电压采样电路以及太阳电池控制电路；

母线采样电路实现对载荷的输出电压进行采样处理；母线采样信号经过母线控制电路与预设的第一固定基准进行闭环PI控制；母线控制电路输出的母线控制PI输出信号送入比较电路中，经过比较器与预设的第二固定基准进行比较，比较电路的输出信号经过保持电路进行保持；保持电路的输出电压送入逻辑选通电路中，与预设的第三固定基准进行比较，比较器输出信号一方面控制电子开关接通非MPPT模式基准，另一方面还送入非门，控制电子开关接通MPPT模式基准，该MPPT模式基准由MPPT算法电路得到；逻辑选通电路产生的基准信号与太阳电池电压采样电路得到的太阳电池阵输出电压均送入太阳电池控制电路进行闭环PI控制，产生整体控制电路的控制信号并输出。

所述的逻辑选通电路包含第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、基准稳压管D1、电压比较器U1、非门U2以及电子开关U3；

第一分压电阻R1正端接入电源电压Vcc，第一分压电阻R1负端同时接基准稳压管D1的正端和第二分压电阻R2正端，第二分压电阻R2负端接第三分压电阻R3正端，第三分压电阻R3负端与基准稳压管D1的负端同时接地，第二分压电阻R2负端引出为逻辑选通电路的基准信号，即第三固定基准；

电压比较器U1的同相端接保持电路，电压比较器U1的反相端接第二分压电阻R2负端，电压比较器U1的输出用于表征非MPPT模式逻辑选通信号；

非门U2的输入接电压比较器U1的输出，非门U2的输出用于表征MPPT模式逻辑选通信号；

电子开关U3的第一控制端1C接电压比较器U1的输出，电子开关U3的第二控制端2C接非门U2的输出，电子开关U3的第一输入端1I接地信号，电子开关U3的第二输入端2I接MPPT算法电路，电子开关U3的第一输出端1O接电子开关U3的第二输出端2O，得到太阳电池电压的控制基准信号。

所述的太阳电池电压采样电路包含第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6、第一差分电阻R7、第二差分电阻R8、第三差分电阻R9、第四差分电阻R10以及运算放大器U4；

第四分压电阻R4正端接入太阳电池电压信号VSA，第四分压电阻R4负端接第五分压电阻R5正端，第五分压电阻R5负端接第六分压电阻R6正端，第六分压电阻R6负端接地，第五分压电阻R5两端的电位即为太阳电池电压分压信号；

第一差分电阻R7正端接第四分压电阻R4负端，第一差分电阻R7负端接第二差分电阻R8正端，同时接运算放大器U4的同相端，第二差分电阻R8负端接地信号；第三差分电阻R9正端接第六分压电阻R6正端，第三差分电阻R9负端接第四差分电阻R10正端，同时接运算放大器U4的反相端，第四差分电阻R10负端接运算放大器U4输出，得到太阳电池阵输出电压。

MPPT模式是指载荷较重时，通过控制太阳电池电路的输出电压使其工作在最大功率点附近，保证太阳电池电路的输出能力最大化。

非MPPT模式是指载荷较轻时，通过控制太阳电池电路的输出电压使其偏离最大功率点，保证太阳电池电路输出功率正好满足载荷需求。

载荷较重时，母线电压采样信号低，母线控制电路产生高电位信号，经过比较电路输出为低信号，经保持电路后仍为低信号，逻辑选通电路1C为低信号，2C为高信号，将MPPT算法电路产生的MPPT基准信号接入，太阳电池电路工作在MPPT模式。

载荷较重具体是指航天系统载荷需求功率变大时，当前太阳阵输出功率不足以提供载荷需求，母线电压降低，控制电路自主将太阳电池电路接入MPPT模式，保证太阳电池电路的输出能力最大化；

逻辑选通电路1C具体是指电子开关U3的第一控制端1C的输入信号，第一控制端1C为高电平信号，第一输入端1I与第一输出端1O处于接通状态，第一控制端1C为低电平信号，第一输入端1I与第一输出端1O处于断开状态；逻辑选通电路2C具体是指电子开关U3的第二控制端2C的输入信号，第二控制端2C为高电平信号，第二输入端2I与第二输出端2O处于接通状态，第二控制端2C为低电平信号，第二输入端2I与第二输出端2O处于断开状态。

载荷较轻时，母线电压采样信号高，母线控制电路产生低电位信号，经过比较电路输出为高信号，经保持电路后仍为高信号，逻辑选通电路1C为高信号，2C为低信号，将参考地作为基准信号接入，太阳电池电路工作在非MPPT模式。

所述载荷较轻具体是指航天系统载荷需求功率变小时，当前太阳阵输出功率大于载荷需求，母线电压升高，控制电路自主将太阳电池电路接入非MPPT模式，通过控制太阳电池电路的输出电压使其偏离最大功率点，保证太阳电池电路输出功率正好满足载荷需求。

一种基于所述的电源系统自主切换MPPT模式的控制电路实现的控制方法，步骤如下：

(1)母线采样电路对载荷的输出电压进行采样处理，生成母线采样信号；

(2)母线采样信号经过母线控制电路与预设的第一固定基准Vref1进行闭环PI控制；载荷较重时，母线电压采样信号低，母线控制电路产生高电位信号；载荷较轻时，母线电压采样信号高，母线控制电路产生低电位信号；

(3)母线控制电路输出的母线控制PI输出信号送入比较电路中，经过比较器与预设的第二固定基准Vref2进行比较；母线控制PI输出高电平信号经过比较后，产生低电平信号；母线控制PI输出低电平信号经过比较后，产生高电平信号；

(4)比较电路的输出信号经过保持电路进行保持；比较电路的输出低电平信号经保持电路后仍为低电平信号，比较电路的输出高电平信号经保持电路后仍为高电平信号；

(5)保持电路的输出电压送入逻辑选通电路中，与预设的第三固定基准Vref3进行比较；比较器输出高电平信号，控制电子开关接通非MPPT模式基准，非MPPT模式基准为参考地信号，比较器输出低电平信号，经非门后得到高电平信号，控制电子开关接通MPPT模式基准，该MPPT模式基准由MPPT算法电路得到；

(6)逻辑选通电路产生的基准信号与太阳电池电压采样电路得到的太阳电池阵输出电压均送入太阳电池控制电路进行闭环PI控制，产生整体控制电路的控制信号并输出。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明根据探测器的载荷需求，自主切换电源系统工作模式，实现MPPT模式与非MPPT模式的平滑切换，从而保证了电源系统母线的稳定。该方法实现了太阳电池功率的合理利用，电路简单，易于工程实现，可靠性高。

(2)本发明对太阳电池电路采样信号进行控制，实现了太阳电池电路输出功率的自主可调性。

附图说明

图1为本发明控制电路原理图；

图2是本发明控制电路处于MPPT模式示意图；

图3是本发明控制电路处于非MPPT模式示意图；

图4是本发明控制电路逻辑选通电路示意图；

图5是本发明控制电路太阳电池电压采样电路示意图；

具体实施方式

本发明是通过以下的技术方案实现的，其包括如下步骤：

如图1所示，本发明提出了一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，该电路包括：母线采样电路、母线控制电路、比较电路、保持电路、逻辑选通电路、MPPT算法电路、太阳电池电压采样电路以及太阳电池控制电路；

母线采样电路实现对载荷的输出电压进行采样处理；母线采样信号经过母线控制电路与预设的第一固定基准进行闭环PI控制；母线控制电路输出的母线控制PI输出信号送入比较电路中，经过比较器与预设的第二固定基准进行比较，比较电路的输出信号经过保持电路进行保持；保持电路的输出电压送入逻辑选通电路中，与预设的第三固定基准进行比较，比较器输出信号一方面控制电子开关接通非MPPT模式基准，另一方面还送入非门，控制电子开关接通MPPT模式基准，该MPPT模式基准由MPPT算法电路得到；逻辑选通电路产生的基准信号与太阳电池电压采样电路得到的太阳电池阵输出电压均送入太阳电池控制电路进行闭环PI控制，产生整体控制电路的控制信号并输出。

如图4所示，逻辑选通电路包含第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、基准稳压管D1、电压比较器U1、非门U2以及电子开关U3；

第一分压电阻R1正端接入电源电压Vcc，第一分压电阻R1负端同时接基准稳压管D1的正端和第二分压电阻R2正端，第二分压电阻R2负端接第三分压电阻R3正端，第三分压电阻R3负端与基准稳压管D1的负端同时接地，第二分压电阻R2负端引出为逻辑选通电路的基准信号，即第三固定基准；

电压比较器U1的同相端接保持电路，电压比较器U1的反相端接第二分压电阻R2负端，电压比较器U1的输出用于表征非MPPT模式逻辑选通信号；

非门U2的输入接电压比较器U1的输出，非门U2的输出用于表征MPPT模式逻辑选通信号；

电子开关U3的第一控制端1C接电压比较器U1的输出，电子开关U3的第二控制端2C接非门U2的输出，电子开关U3的第一输入端1I接地信号，电子开关U3的第二输入端2I接MPPT算法电路，电子开关U3的第一输出端1O接电子开关U3的第二输出端2O，得到太阳电池电压的控制基准信号。

如图5所示，太阳电池电压采样电路包含第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6、第一差分电阻R7、第二差分电阻R8、第三差分电阻R9、第四差分电阻R10以及运算放大器U4；

第四分压电阻R4正端接入太阳电池电压信号VSA，第四分压电阻R4负端接第五分压电阻R5正端，第五分压电阻R5负端接第六分压电阻R6正端，第六分压电阻R6负端接地，第五分压电阻R5两端的电位即为太阳电池电压分压信号；

第一差分电阻R7正端接第四分压电阻R4负端，第一差分电阻R7负端接第二差分电阻R8正端，同时接运算放大器U4的同相端，第二差分电阻R8负端接地信号；第三差分电阻R9正端接第六分压电阻R6正端，第三差分电阻R9负端接第四差分电阻R10正端，同时接运算放大器U4的反相端，第四差分电阻R10负端接运算放大器U4输出，得到太阳电池阵输出电压。

MPPT模式是指载荷较重时，通过控制太阳电池电路的输出电压使其工作在最大功率点附近，保证太阳电池电路的输出能力最大化。如图2所示，载荷较重时，母线电压采样信号低，母线控制电路产生高电位信号，经过比较电路输出为低信号，经保持电路后仍为低信号，逻辑选通电路1C为低信号，2C为高信号，将MPPT算法电路产生的MPPT基准信号接入，太阳电池电路工作在MPPT模式。

载荷较重具体是指航天系统载荷需求功率变大时，当前太阳阵输出功率不足以提供载荷需求，母线电压降低，控制电路自主将太阳电池电路接入MPPT模式，保证太阳电池电路的输出能力最大化；

逻辑选通电路1C具体是指电子开关U3的第一控制端1C的输入信号，第一控制端1C为高电平信号，第一输入端1I与第一输出端1O处于接通状态，第一控制端1C为低电平信号，第一输入端1I与第一输出端1O处于断开状态；逻辑选通电路2C具体是指电子开关U3的第二控制端2C的输入信号，第二控制端2C为高电平信号，第二输入端2I与第二输出端2O处于接通状态，第二控制端2C为低电平信号，第二输入端2I与第二输出端2O处于断开状态。

非MPPT模式是指载荷较轻时，通过控制太阳电池电路的输出电压使其偏离最大功率点，保证太阳电池电路输出功率正好满足载荷需求。如图3所示，载荷较轻时，母线电压采样信号高，母线控制电路产生低电位信号，经过比较电路输出为高信号，经保持电路后仍为高信号，逻辑选通电路1C为高信号，2C为低信号，将参考地作为基准信号接入，太阳电池电路工作在非MPPT模式。

载荷较轻具体是指航天系统载荷需求功率变小时，当前太阳阵输出功率大于载荷需求，母线电压升高，控制电路自主将太阳电池电路接入非MPPT模式，通过控制太阳电池电路的输出电压使其偏离最大功率点，保证太阳电池电路输出功率正好满足载荷需求。

进一步的，本发明基于上述的电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，还提出一种电源系统自主切换MPPT模式的控制方法，也即本发明控制电路的工作原理，步骤如下：

(1)母线采样电路对载荷的输出电压进行采样处理，生成母线采样信号；

(2)母线采样信号经过母线控制电路与预设的第一固定基准Vref1进行闭环PI控制；载荷较重时，母线电压采样信号低，母线控制电路产生高电位信号；载荷较轻时，母线电压采样信号高，母线控制电路产生低电位信号；

(3)母线控制电路输出的母线控制PI输出信号送入比较电路中，经过比较器与预设的第二固定基准Vref2进行比较；母线控制PI输出高电平信号经过比较后，产生低电平信号；母线控制PI输出低电平信号经过比较后，产生高电平信号；

(4)比较电路的输出信号经过保持电路进行保持；比较电路的输出低电平信号经保持电路后仍为低电平信号，比较电路的输出高电平信号经保持电路后仍为高电平信号；

(5)保持电路的输出电压送入逻辑选通电路中，与预设的第三固定基准Vref3进行比较；比较器输出高电平信号，控制电子开关接通非MPPT模式基准，非MPPT模式基准为参考地信号，比较器输出低电平信号，经非门后得到高电平信号，控制电子开关接通MPPT模式基准，该MPPT模式基准由MPPT算法电路得到；

(6)逻辑选通电路产生的基准信号与太阳电池电压采样电路得到的太阳电池阵输出电压均送入太阳电池控制电路进行闭环PI控制，产生整体控制电路的控制信号并输出。

本发明实现了MPPT模式与非MPPT模式的平滑切换，保了电源系统母线的稳定。同时，本发明结构简单，控制系统稳定，根据负载的需求，自主进入MPPT模式和退出MPPT模式，实现了电源系统能量的自主管理，在航天电源系统领域中具有非常重要的应用价值。

Claims (10)

1.一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，其特征在于包括：母线采样电路、母线控制电路、比较电路、保持电路、逻辑选通电路、MPPT算法电路、太阳电池电压采样电路以及太阳电池控制电路；

母线采样电路实现对载荷的输出电压进行采样处理；母线采样信号经过母线控制电路与预设的第一固定基准进行闭环PI控制；母线控制电路输出的母线控制PI输出信号送入比较电路中，经过比较电路中比较器与预设的第二固定基准进行比较，比较电路的输出信号经过保持电路进行保持；保持电路的输出电压送入逻辑选通电路中，与预设的第三固定基准进行比较，逻辑选通电路中比较器输出信号一方面控制电子开关接通非MPPT模式基准，另一方面还送入非门，控制电子开关接通MPPT模式基准，该MPPT模式基准由MPPT算法电路得到；逻辑选通电路产生的基准信号与太阳电池电压采样电路得到的太阳电池阵输出电压均送入太阳电池控制电路进行闭环PI控制，产生整体控制电路的控制信号并输出。

2.如权利要求1所述的一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，其特征在于，所述的逻辑选通电路包含第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、基准稳压管D1、电压比较器U1、非门U2以及电子开关U3；

第一分压电阻R1正端接入电源电压Vcc，第一分压电阻R1负端同时接基准稳压管D1的正端和第二分压电阻R2正端，第二分压电阻R2负端接第三分压电阻R3正端，第三分压电阻R3负端与基准稳压管D1的负端同时接地，第二分压电阻R2负端引出为逻辑选通电路的基准信号，即第三固定基准；

电压比较器U1的同相端接保持电路，电压比较器U1的反相端接第二分压电阻R2负端，电压比较器U1的输出用于表征非MPPT模式逻辑选通信号；

非门U2的输入接电压比较器U1的输出，非门U2的输出用于表征MPPT模式逻辑选通信号；

电子开关U3的第一控制端1C接电压比较器U1的输出，电子开关U3的第二控制端2C接非门U2的输出，电子开关U3的第一输入端1I接地信号，电子开关U3的第二输入端2I接MPPT算法电路，电子开关U3的第一输出端1O接电子开关U3的第二输出端2O，得到太阳电池电压的控制基准信号。

3.如权利要求1所述的一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，其特征在于，所述的太阳电池电压采样电路包含第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6、第一差分电阻R7、第二差分电阻R8、第三差分电阻R9、第四差分电阻R10以及运算放大器U4；

第四分压电阻R4正端接入太阳电池电压信号VSA，第四分压电阻R4负端接第五分压电阻R5正端，第五分压电阻R5负端接第六分压电阻R6正端，第六分压电阻R6负端接地，第五分压电阻R5两端的电位即为太阳电池电压分压信号；

第一差分电阻R7正端接第四分压电阻R4负端，第一差分电阻R7负端接第二差分电阻R8正端，同时接运算放大器U4的同相端，第二差分电阻R8负端接地信号；第三差分电阻R9正端接第六分压电阻R6正端，第三差分电阻R9负端接第四差分电阻R10正端，同时接运算放大器U4的反相端，第四差分电阻R10负端接运算放大器U4输出，得到太阳电池阵输出电压。

4.如权利要求2所述的一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，其特征在于：MPPT模式是指载荷较重时，通过控制太阳电池电路的输出电压使其工作在最大功率点附近，保证太阳电池电路的输出能力最大化。

5.如权利要求1所述的一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，其特征在于：非MPPT模式是指载荷较轻时，通过控制太阳电池电路的输出电压使其偏离最大功率点，保证太阳电池电路输出功率正好满足载荷需求。

6.如权利要求2所述的一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，其特征在于：载荷较重时，母线电压采样信号低，母线控制电路产生高电位信号，经过比较电路输出为低信号，经保持电路后仍为低信号，逻辑选通电路中第一控制端1C为低信号，第二控制端2C为高信号，将MPPT算法电路产生的MPPT基准信号接入，太阳电池电路工作在MPPT模式。

7.如权利要求4或6所述的一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，其特征在于：载荷较重具体是指航天系统载荷需求功率变大时，当前太阳阵输出功率不足以提供载荷需求，母线电压降低的情况；此时控制电路自主将太阳电池电路接入MPPT模式，保证太阳电池电路的输出能力最大化；

逻辑选通电路1C具体是指电子开关U3的第一控制端1C的输入信号，第一控制端1C为高电平信号，第一输入端1I与第一输出端1O处于接通状态，第一控制端1C为低电平信号，第一输入端1I与第一输出端1O处于断开状态；逻辑选通电路2C具体是指电子开关U3的第二控制端2C的输入信号，第二控制端2C为高电平信号，第二输入端2I与第二输出端2O处于接通状态，第二控制端2C为低电平信号，第二输入端2I与第二输出端2O处于断开状态。

8.如权利要求2所述的一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，其特征在于：载荷较轻时，母线电压采样信号高，母线控制电路产生低电位信号，经过比较电路输出为高信号，经保持电路后仍为高信号，逻辑选通电路1C为高信号，2C为低信号，将参考地作为基准信号接入，太阳电池电路工作在非MPPT模式。

9.如权利要求5或8所述的一种电源系统自主切换MPPT模式的控制电路，其特征在于：所述载荷较轻具体是指航天系统载荷需求功率变小时，当前太阳阵输出功率大于载荷需求，母线电压升高的情况；此时控制电路自主将太阳电池电路接入非MPPT模式，通过控制太阳电池电路的输出电压使其偏离最大功率点，保证太阳电池电路输出功率正好满足载荷需求。

10.一种基于权利要求1所述的电源系统自主切换MPPT模式的控制电路实现的控制方法，其特征在于步骤如下：

(1)母线采样电路对载荷的输出电压进行采样处理，生成母线采样信号；

(2)母线采样信号经过母线控制电路与预设的第一固定基准Vref1进行闭环PI控制；载荷较重时，母线电压采样信号低，母线控制电路产生高电位信号；载荷较轻时，母线电压采样信号高，母线控制电路产生低电位信号；

(3)母线控制电路输出的母线控制PI输出信号送入比较电路中，经过比较电路的比较器与预设的第二固定基准Vref2进行比较；母线控制PI输出高电平信号经过比较后，产生低电平信号；母线控制PI输出低电平信号经过比较后，产生高电平信号；

(4)比较电路的输出信号经过保持电路进行保持；比较电路的输出低电平信号经保持电路后仍为低电平信号，比较电路的输出高电平信号经保持电路后仍为高电平信号；

(5)保持电路的输出电压送入逻辑选通电路中，与预设的第三固定基准Vref3进行比较；逻辑选通电路的比较器输出高电平信号，控制电子开关接通非MPPT模式基准，非MPPT模式基准为参考地信号，比较器输出低电平信号，经非门后得到高电平信号，控制电子开关接通MPPT模式基准，该MPPT模式基准由MPPT算法电路得到；

(6)逻辑选通电路产生的基准信号与太阳电池电压采样电路得到的太阳电池阵输出电压均送入太阳电池控制电路进行闭环PI控制，产生整体控制电路的控制信号并输出。

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