CN111949064A - 一种实现高精度mppt技术的模拟控制系统电路 - Google Patents

一种实现高精度mppt技术的模拟控制系统电路 Download PDF

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Abstract

一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，包括：电压采样电路、电流采样电路、功率采集电路、电压增降检测电路、基准产生电路、PWM控制电路；电压采样电路采集太阳阵输出电压，电流采样电路采集太阳阵输出电流，功率采集电路演算出太阳电池阵输出功率，电压增降检测电路检测功率采集电路和电压采样电路的输出电压增降，基准产生电路和PWM控制电路用于控制太阳电池的输出电压。本发明可以通过分立元器件实现，无需微处理器，成本低廉，控制精度高且易于工程实现。

Description

一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路
技术领域
本发明涉及一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，属于航天电源控制器技术领域，尤其涉及高精度MPPT模拟控制电技术。
背景技术
航天器(卫星、飞船、空间站、探测器等)需要太阳能电池(简称光伏电池)接受太阳的光能，并直接转化为电能供用电载荷使用。一个完整的航天器电源系统包括太阳能电池帆板、蓄电池组和电源控制器。其中太阳能电池帆板的技术和制造成本最高，为了控制整个电源系统的成本，需要减少太阳能电池帆板的面积，这就要求更加高效地利用太阳能电池产生的电能。充电效率的提高则是能源利用率提高的关键因素。
目前国内飞行器中配套的充电分流电路，根据蓄电池或者用电载荷的特性利用部分太阳能电池产生的电能，多余的能量由分流电路消耗。其能源的利用率低下，在特定用电条件下需要较大的太阳电池帆板面积。
根据太阳能电池的功率输出特性，MPPT(max power point trace，最大功率点跟踪)技术逐渐用以取代传统的充电分流电路。太阳能电池在特定的光照条件下呈现出特定的V-I输出曲线如图5所示，总体上表现为输出电压与输出电流负相关，但又存在明显的输出功率拐点。在恒流源区域，太阳能电池的输出电压变化伴随微小的输出电流变化，其输出功率与输出电压正相关；在恒压源区域，输出电压变化伴随极大的输出电流变化，其输出功率与输出电压负相关。因此在特定的光照条件下，太阳能电池输出功率的拐点在恒流源区域与恒压源区域的交界处。MPPT技术通过控制太阳能电池的输出电压使其始终工作于最大功率点附近，提高了能源的利用率，有效降低太阳能电池帆板的面积，从而在总体上控制电源分系统的成本。
MPPT控制可以由多种算法实现，如扰动观察法、电导增量法。这些算法需要复杂的数字运算电路，通常采用DSP和微处理器实现，成本高昂，并且数字电路不太适用于辐射条件恶劣的太空环境中。目前纯模拟实现的MPPT控制技术主要采用恒定电压法，由于太阳能电池的最大功率点通常为开路电压的0.78倍处，通过采集某单片太阳能电池的开路电压，并控制整组太阳能电池的输出电压在开路电压的0.78倍附近实现MPPT控制，无需DSP和微处理器，但控制精度难以保证。但该方法损失了一定的太阳电池片用于检测开路电压，且控制精度通常无法保证。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，解决现有的MPPT模拟控制技术精度较低的问题，且电路结构简单，易于工程实现。
本发明的技术方案是：
一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，包括：电压采样电路、电流采样电路、功率采集电路、电压增降检测电路A、电压增降检测电路B、基准产生电路和PWM控制电路；
电压采样电路和基准产生电路之间通过电压增降检测电路A连接；功率采集电路和基准产生电路之间通过电压增降检测电路B连接；
电压采样电路采集太阳电池阵的输出电压作为采样电压Vsense，电压采样电路将所述采样电压Vsense分别传输给PWM控制电路、电压增降检测电路A和功率采集电路；
电流采样电路采集太阳电池阵的输出电流作为采样电流Isense，并传输给功率采集电路；
功率采集电路接收电压采样电路传输的采样电压Vsense和电流采样电路传输的电流采样Isense，根据采样电压Vsense和电流采样Isense确定输出电压Psense并传输给电压增降检测电路B；
电压增降检测电路A和电压增降检测电路B分别用于检测电压采样电路输出电压的增降和功率采集电路输出电压的增降；
电压采样电路的输出电压增加时，电压增降检测电路A输出高电平给基准产生电路，反之输出低电平；
功率采集电路的输出电压增加时，电压增降检测电路B输出高电平给基准产生电路，反之输出低电平；
基准产生电路接收电压增降检测电路A和电压增降检测电路B传输的电平信号，根据所述电平信号产生基准电压Vref并传输给PWM控制电路；
PWM控制电路根据基准产生电路传输的基准电压Vref和电压采样电路传输的采样电压Vsense调节占空比，利用所述占空比调节主动率拓扑开关器件的通断，从而调节太阳电池阵的输出电压，改变太阳电池阵的输出功率。
电压增降检测电路A包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和比较器P1；
电阻R1的一端作为输入端，用于接收外部的输入电压；电阻R1的另一端连接比较器P1的输入正端，电阻R3的一端连接电阻R1的一端，电阻R3的另一端连接电容C1的一端和电阻R2的一端，电容C1的另一端接地处理；电阻R2的另一端连接比较器P1的输入负端，比较器P1的输出端用于向基准产生电路传输电平信号。
基准产生电路包括：异或门、反相器1、反相器2、反相器3、电阻R20和电容C3；
异或门的两个输入端分别用于接收电压增降检测电路A、电压增降检测电路B传输的电平信号；
异或门的输出端依次连接反相器1、反相器2、反相器3、电阻R20和电容C3的一端；电容C3的另一端接地处理，电容C3与电阻R20相连的一端作为输出端，用于向PWM控制电路输出基准电压Vref。
电压采样电路与太阳电池阵的正、负极相连。
电压采样电路为由电阻串联分压的采样电路，或为差分电压采样电路。
电流采样电路与太阳电池阵的正极串联采集太阳电池阵输出正线电流，或与太阳电池阵的负极串联采集太阳电池阵输出回线上的电流。
所述的电流采样电路采用镜像电流源电流检测电路，或采用电流互感器采样形式的电流采样电路。
功率采集电路为由对数放大器、指数放大器以及比例放大器组成的模拟乘法器。
PWM控制电路根据基准产生电路传输的基准电压Vref和电压采样电路传输的采样电压Vsense调节占空比，具体为：比较基准电压Vref和采样电压Vsense，当基准电压Vref大于采样电压Vsense时，输出占空比降低；反之，输出占空比升高。
基准产生电路产生的基准电压Vref与太阳阵采样电压Vsense和功率采集电路的输出电压Psense满足如下逻辑关系：若太阳电池阵采样电压Vsense增大时功率采集电路的输出电压Psense也随之增大，则基准电压Vref增大；若太阳电池阵采样电压Vsense增大时功率采集电路的输出电压Psense减小，则基准电压Vref降低。
本发明具有以下优点：
本发明实现了采用模拟控制大方法实现了高精度的MPPT控制技术，极大简化了电路设计，纯模拟电路大大提高了电路的稳定性，具有低成本、高可靠性的特点，易于工程实现。
附图说明
图1是本发明本发明一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路框图；
图2是本发明实施例中功率采集电路的电路原理图；
图3是本发明实施例中关键点电压波形图；
图4是本发明实施例中基准电压产生原理仿真波形图；
图5是太阳电池阵输出特性曲线；
图6是本发明实施例中电压增降检测电路的电路原理图；
图7是本发明实施例中基准产生电路的电路原理图；
图8是本发明实施例中PWM控制电路的电路原理图。
具体实施方式
出于适应空间飞行器的复杂环境，并控制电路设计和生产成本，本发明提出了一种实现MPPT技术的纯模拟控制电路，相比于恒定电压法，其控制精度更高，且电路逻辑简单，易于工程实现。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
为了实现上述的技术目标，本发明公开了一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路。高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，包括：电压采样电路、电流采样电路、功率采集电路、电压增降检测电路、基准产生电路、PWM控制电路、Super-buck功率拓扑；电压采样电路采集太阳阵输出电压，电流采样电路采集太阳阵输出电流，功率采集电路演算出太阳电池阵功率输出，电压增降检测电路检测功率采集电路和电压采样电路的输出电压增降，基准产生电路和PWM控制电路用于控制太阳电池的输出电压从而控制太阳电池阵的输出功率。
本发明一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，包括：电压采样电路、电流采样电路、功率采集电路、电压增降检测电路A、电压增降检测电路B、基准产生电路和PWM控制电路；
电压采样电路与太阳电池阵的正、负极相连。
电压采样电路采集太阳电池阵的输出电压作为采样电压Vsense，电压采样电路将所述采样电压Vsense分别传输给电压增降检测电路和功率采集电路；
电压采样电路可以是电阻串联分压采样电路，也可以是差分电压采样电路，或其他形式的电压采样电路；
电流采样电路采集太阳电池阵的输出电流作为采样电流Isense，并传输给功率采集电路；
电流采样电路与太阳电池阵的正极串联采集太阳电池阵输出正线电流，或与太阳电池阵的负极串联采集太阳电池阵输出回线上的电流；
所述的电流采样电路采用镜像电流源电流检测电路，也可以采用电流互感器采样等其他形式的电流采样电路；
功率采集电路为由对数放大器、指数放大器以及比例放大器组成的模拟乘法器；
功率采集电路的输入电压为采样电压Vsense和电流采样Isense，输出电压为两者的乘积进行比例缩小后的电压Psense；功率采集电路的输出电压Psense为电压增降检测电路的输入电压。
功率采集电路接收电压采样电路传输的采样电压Vsense和电流采样电路传输的电流采样Isense，根据采样电压Vsense和电流采样Isense确定输出电压Psense并传输给电压增降检测电路；
功率采集电路和基准产生电路之间通过电压增降检测电路B连接；
电压采样电路和基准产生电路之间通过电压增降检测电路A连接；
电压增降检测电路，用于检测输入电压的增降。输入电压增加时电压增降检测电路输出高电平，输入电压降低时电压增降检测电路输出低电平；电压增降检测电路分别检测电压采样电路的输出电压增降和功率采集电路输出电压的增降，电压增降检测电路的输出电压作为基准产生电路的输入电压；所述的电压增降检测电路比较器的正端为需检测的输入电压，比较器的负端为需检测的输入电压经过RC延时电路的电压。电压采样电路的输出电压增加时，电压增降检测电路A输出高电平给基准产生电路，反之输出低电平。功率采集电路的输出电压增加时，电压增降检测电路B输出高电平给基准产生电路，反之输出低电平。
基准产生电路接收电压增降检测电路A和电压增降检测电路B传输的电平信号，根据所述电平信号产生基准电压Vref并传输给PWM控制电路；Vref与太阳阵输出电压和输出功率满足如下逻辑关系：若太阳电池阵采样电压Vsense增大时功率采集电路的输出电压Psense也随之增大，则基准电压Vref增大；若太阳电池阵采样电压Vsense增大时功率采集电路的输出电压Psense减小，则基准电压Vref降低。
基准产生电路如图7所示：异或门和3个反相器串联，输出经过RC低通滤波电路产生基准电压Vref；所述的基准产生电路，异或门的两个输入电压分别为电压增降检测电路的输出电压Vcomp1和Vcomp2。
PWM控制电路根据基准产生电路传输的基准电压Vref和电压采样电路传输的采样电压Vsense调节占空比，利用所述占空比调节主动率拓扑开关器件的通断，从而调节太阳电池阵的输出电压，即改变了太阳电池阵的输出功率；
比较基准电压Vref和采样电压Vsense，当基准电压Vref大于采样电压Vsense时，输出占空比降低；反之，输出占空比升高。参考说明书附图1，太阳电池阵输出电压V0为主功率拓扑的输入电压，主功率拓扑的输出电压为蓄电池的电压视为稳定不变的V1，则两者满足V1＝D*V0，其中D是占空比，通过改变占空比D便可以改变太阳阵输出电压V0，Vref增大时，D减小，则V0增大，可见太阳电池阵的输出电压与Vref是正相关，即可实现MPPT控制。
PWM控制电路如图8所示：运放的负输入端为基准电压产生电路的输出基准电压Vref，正输入端为电压采样电路输出电压Vsense，运放的输出电压作为控制芯片1525的占空比控制信号，1525芯片输出占空比信号用于驱动主功率拓扑的开关器件；所述的PWM控制电路也可采用具有类似功能的集成PWM控制芯片。
电压增降检测电路A包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和比较器P1；
电阻R1的一端作为输入端，用于接收外部的输入电压；电阻R1的另一端连接比较器P1的输入正端，电阻R3的一端连接电阻R1的一端，电阻R3的另一端连接电容C1的一端和电阻R2的一端，电容C1的另一端接地处理；电阻R2的另一端连接比较器P1的输入负端，比较器P1的输出端用于向基准产生电路传输电平信号。
基准产生电路包括：异或门、反相器1、反相器2、反相器3、电阻R20和电容C3；
异或门的两个输入端分别用于接收电压增降检测电路A、电压增降检测电路B传输的电平信号；
异或门的输出端依次连接反相器1、反相器2、反相器3、电阻R20和电容C3的一端；电容C3的另一端接地处理，电容C3与电阻R20相连的一端作为输出端，用于向PWM控制电路输出基准电压Vref。
在上述高精度MPPT技术的模拟控制系统中，各个子电路的参数设置应满足如下要求：
首先根据太阳电池阵的开路电压、蓄电池和负载的电压选择相应的功率拓扑；设置合适的电压采样系数和电流采样系数，使电压采样电路的输出电压Vsense和电流采样电路的输出电压Isense在3V～6V之间；如图2所示的功率采集电路中，功率采集电路输出电压Psense在3V～6V之间，op3的线性放大倍数应设置为0.5倍；如图6所示，电压增降检测电路中的RC延时电路，电阻设为500Ω，电容1nF，两路RC延时电路的参数应相同；图7基准产生电路中的RC电路参数和图8PWM控制电路中的PI参数共同决定了本系统控制的精度和稳定性。
如图1，在本实施例中，一种高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，包括：电压采样电路、电流采样电路、功率采集电路、电压增降检测电路、基准产生电路、PWM控制电路、Super-buck功率拓扑。太阳电池阵电压采样电路其与太阳电池阵的正、负极相连，采集太阳电池阵的输出电压，电压采样电路的输出电压作为电压增降检测电路和功率采集电路的输入电压；电流采样电路与太阳电池阵的正极连接采集太阳电池输出正线电流，输出电压作为功率采集电路的输入电压；功率采集电路的输入电压为采样电压Vsense和电流采样Isense，输出电压为两者的乘积比例缩小后的电压Vsense，作为电压增降检测电路的输入电压；电压增降检测电路在于检测输入电压的增降，输入电压增加时比较器输出高电平，输入电压降低时比较器输出低电平，电压增降检测电路分别检测电压采样电路的输出电压增降和功率采集电路输出电压的增降，输出电压作为基准产生电路的输入电压；基准产生电路的两个输入电压分别为电压增降检测电路的输出电压Vcomp1和Vcomp2；PWM控制电路运放的负输入端为基准电压产生电路的输出电压Vref，正输入端为电压采样电路输出电压Vsense，运放的输出电压作用控制芯片1525的占空比控制信号，运放采用PI补偿网络，1525芯片输出占空比信号用于驱动主功率拓扑的开关器件。
图2是本发明实施例的功率采样电路。功率采样电路的前两个158运算放大器和两个3700NPN晶体管构成对数放大器；三极管的集电极电流IC、饱和电流IS和电压VBE间满足关系式：
Figure BDA0002563171580000091
上式可以转化为对数函数形式：
Figure BDA0002563171580000092
在本实施例中，可得运算放大器的输出电压为：
Figure BDA0002563171580000093
Figure BDA0002563171580000094
经过放大比例为0.5的反相放法器后，可得输出电压为：
Figure BDA0002563171580000095
该电压经过指数放大器和反相器后可得功率采样电压为：
Figure BDA0002563171580000096
化简得：
Figure BDA0002563171580000097
上式说明功率采样电路可以取样太阳电池阵输出电压和输出电流的乘积。通过调节r7、r9和r16的阻值使Psense在3V～6V之间。
太阳电池阵的输出功率和输出电压满足一定的逻辑关系，在电流源区，输出功率与输出电压正相关；在电压源区，输出功率与输出电压负相关。将太阳电池阵输出功率、输出电压和所得基准电压的增减分别定义为逻辑“1”和逻辑“0”，可列出真值表：
Figure BDA0002563171580000098
Figure BDA0002563171580000101
可得输出的基准电压Y和A、B满足同或的逻辑关系，即：
Figure BDA0002563171580000102
在本实施例中，基准产生电路中的异或门和反相器组成同或门输出高低电平信号，该信号经过RC低通滤波后即为基准电压Vref。
图3是本发明实施例中关键点电压波形图。在系统达到稳态时，太阳电池阵输出电压为均值99V的三角波，频率为100kHz，基准电压的频率为开关频率的2倍。该太阳电池阵的最大功率点在98.5V-99.5V之间，控制精度在99％以上。在电路具体实施中，应将Vsense、Isense、Psense三者的电压调试至接近值以确保系统控制的精度。
图4是本发明实施例中基准电压产生原理仿真波形图。在稳态条件下，基准电压是逻辑门输出电压的幅值乘以有效占空比。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，其特征在于，包括：电压采样电路、电流采样电路、功率采集电路、电压增降检测电路A、电压增降检测电路B、基准产生电路和PWM控制电路；
电压采样电路和基准产生电路之间通过电压增降检测电路A连接；功率采集电路和基准产生电路之间通过电压增降检测电路B连接；
电压采样电路采集太阳电池阵的输出电压作为采样电压Vsense，电压采样电路将所述采样电压Vsense分别传输给PWM控制电路、电压增降检测电路A和功率采集电路；
电流采样电路采集太阳电池阵的输出电流作为采样电流Isense，并传输给功率采集电路；
功率采集电路接收电压采样电路传输的采样电压Vsense和电流采样电路传输的电流采样Isense，根据采样电压Vsense和电流采样Isense确定输出电压Psense并传输给电压增降检测电路B；
电压增降检测电路A和电压增降检测电路B分别用于检测电压采样电路输出电压的增降和功率采集电路输出电压的增降；
电压采样电路的输出电压增加时，电压增降检测电路A输出高电平给基准产生电路，反之输出低电平；
功率采集电路的输出电压增加时，电压增降检测电路B输出高电平给基准产生电路，反之输出低电平；
基准产生电路接收电压增降检测电路A和电压增降检测电路B传输的电平信号，根据所述电平信号产生基准电压Vref并传输给PWM控制电路；
PWM控制电路根据基准产生电路传输的基准电压Vref和电压采样电路传输的采样电压Vsense调节占空比，利用所述占空比调节主动率拓扑开关器件的通断，从而调节太阳电池阵的输出电压，改变太阳电池阵的输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，其特征在于，电压增降检测电路A包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和比较器P1；
电阻R1的一端作为输入端，用于接收外部的输入电压；电阻R1的另一端连接比较器P1的输入正端，电阻R3的一端连接电阻R1的一端，电阻R3的另一端连接电容C1的一端和电阻R2的一端，电容C1的另一端接地处理；电阻R2的另一端连接比较器P1的输入负端，比较器P1的输出端用于向基准产生电路传输电平信号。
3.根据权利要求1所述的一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，其特征在于，基准产生电路包括：异或门、反相器1、反相器2、反相器3、电阻R20和电容C3；
异或门的两个输入端分别用于接收电压增降检测电路A、电压增降检测电路B传输的电平信号；
异或门的输出端依次连接反相器1、反相器2、反相器3、电阻R20和电容C3的一端；电容C3的另一端接地处理，电容C3与电阻R20相连的一端作为输出端，用于向PWM控制电路输出基准电压Vref。
4.根据权利要求1所述的一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，其特征在于：电压采样电路与太阳电池阵的正、负极相连。
5.根据权利要求4所述的一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，其特征在于：电压采样电路为由电阻串联分压的采样电路，或为差分电压采样电路。
6.根据权利要求1所述的一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，其特征在于：电流采样电路与太阳电池阵的正极串联采集太阳电池阵输出正线电流，或与太阳电池阵的负极串联采集太阳电池阵输出回线上的电流。
7.根据权利要求6所述的一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，其特征在于：所述的电流采样电路采用镜像电流源电流检测电路，或采用电流互感器采样形式的电流采样电路。
8.根据权利要求4～7任意之一所述的一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，其特征在于：功率采集电路为由对数放大器、指数放大器以及比例放大器组成的模拟乘法器。
9.根据权利要求8所述的一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，其特征在于：PWM控制电路根据基准产生电路传输的基准电压Vref和电压采样电路传输的采样电压Vsense调节占空比，具体为：比较基准电压Vref和采样电压Vsense，当基准电压Vref大于采样电压Vsense时，输出占空比降低；反之，输出占空比升高。
10.根据权利要求9所述的一种实现高精度MPPT技术的模拟控制系统电路，其特征在于，基准产生电路产生的基准电压Vref与太阳阵采样电压Vsense和功率采集电路的输出电压Psense满足如下逻辑关系：若太阳电池阵采样电压Vsense增大时功率采集电路的输出电压Psense也随之增大，则基准电压Vref增大；若太阳电池阵采样电压Vsense增大时功率采集电路的输出电压Psense减小，则基准电压Vref降低。
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