CN210898532U - 42v和30v双母线系统拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及42V和30V双母线系统拓扑结构，包括均串联到母线的太阳能电池阵，锂离子蓄电池组和降压功率调节电路，母线末端输出电压为42V，降压功率调节电路输出电压为30V，太阳能电池阵与母线和锂离子蓄电池组均通过限频式充电分流调节电路连接；降压功率调节电路包括两个滤波电感，滤波电感包括输入电感和续流电感，输入电感连接电容形成滤波组件，续流电感串联在电容到输入电感上游的回路中，电容并联有降压开关。本实用新型的有益效果是：42V母线采用半调节形式，不需要设计升压调节器(BDR)，可以减小电源分系统的热耗及体积重量，地影期蓄电池组直接放电供给能量，产生的热耗要比全调节减小很多，仅是线缆引起的热耗，响应速度提高。
Description
技术领域
本实用新型属于卫星供电设备领域，尤其是涉及一种42V和30V双母线系统拓扑结构。
背景技术
为了适应大功率，长寿命低轨小卫星平台技术，需要将传统的30V母线增加到42V母线以满足功率日趋增大的需求。由于平台部分用电为30V，载荷用电为42V，故此需要研制出两条供电母线的系统拓扑来满足卫星1600W的功率需求，现有双母线平台需配备镉镍电池和锂离子电池两套电池，对电池的控制电路是完全独立的两套系统拓扑，电路体积庞大，重量大，比能量较低。
针对具体的母线形式，全调节母线相对于半调节母线能适应卫星各种工作模式下母线电压固定的要求，这需要电池经放电调节器(BDR)升压到42V母线电压，为了满足地影期长期负载的功率，需要配置三个BDR模块，不仅体积大、发热量大、还有很大的效率损耗。传统的充电调节器(BCR)和分流调节器(S3R) 所用到的控制电路较复杂，且耗能较大，对于体积、重量、能源等资源有限的卫星这种控制方法已不再适用于锂离子电池。
发明内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种42V和30V双母线系统拓扑结构。
本实用新型采用的技术方案是：42V和30V双母线系统拓扑结构，包括均连接到母线的太阳能电池阵，锂离子蓄电池组和降压功率调节电路，母线末端输出电压为42V，降压功率调节电路输出电压为30V。
优选地，太阳能电池阵与母线和锂离子蓄电池组均通过限频式充电分流调节电路连接。
优选地，限频式充电分流调节电路包括供电S4R模块和充电S4R模块，供电S4R模块连接太阳能电池阵和母线，充电S4R模块连接太阳能电池阵和锂离子蓄电池组。
优选地，供电S4R模块设有分流功率NMOS管开关，充电S4R模块设有充电功率PMOS管开关，分流功率NMOS管开关连接有主误差放大器，充电功率 PMOS管开关连接有电池误差放大器。
优选地，太阳能电池阵包括多个太阳能电池分阵；每一个太阳能电池分阵均连接有供电S4R模块和充电S4R模块；
或者部分太阳能电池分阵连接有供电S4R模块和充电S4R模块，其余部分太阳能电池分阵仅连接有供电S4R模块。
优选地，连接有塔架充电口的太阳能电池分阵，在其连接塔架充电口位置的上游和下游分别设有一个正向二极管。
优选地，锂离子蓄电池组与母线间设有电池开关，电池开关下游设有隔离二极管，电池开关并联有充电旁路二极管。
优选地，降压功率调节电路包括两个滤波电感，滤波电感包括输入电感和续流电感，输入电感连接电容形成滤波组件，续流电感串联在电容到地线之间，所述NMOS管Q8为降压拓扑的PWM开关管。
优选地，降压功率调节电路还设有控制芯片，所述控制芯片比较所述降压功率调节电路输出电压与所述基准电压，所述控制芯片连接所述NMOS管Q8。
优选地，降压功率调节电路包括并联的多路，每路降压功率调节电路均设有通断开关。
本实用新型具有的优点和积极效果是：42V母线采用半调节形式，不需要设计升压调节器(BDR)，可以减小电源分系统的热耗及体积重量，地影期蓄电池组直接放电供给能量，产生的热耗要比全调节减小很多，仅是线缆引起的热耗，响应速度提高；另外，本方案采用先进的限频S4R电路，将充电电路和分流电路集成设计，提高了效率和可靠性，使产品小型化和轻量化。
附图说明
图1是本实用新型一个实施例电路结构示意图。
B1～B11：11节锂离子蓄电池组串联；
C1～C4：电容；
D1～D25：肖特基二极管；
D19：稳压二极管；
K1、K2：磁保持继电器；
Q1、Q3、Q7：PMOS管；
Q2、Q4、Q5、Q6、Q8：NMOS管；
R1～R23：电阻；
T1～T6：三极管；
U1～U8：运算放大器；
IC1：SG1525芯片,芯片的各脚定义如下：1、误差放大器反相端；2、误差放大器同相端；3、外同步信号输入端；4、时钟输出端；5、振荡器频率定时电容CX；6、振荡器频率定时电阻RX；7、CX放电端；8、软后动端；9、误差放大器补偿端；10、输出关断端；11、输出驱动端A；12、公共地；13、输出级电源正级(+VC)；14、输出驱动端B；15、电源正级(+V)；16、基准输出端。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的一个实施例做出说明。
如图1所示，本实用新型涉及42V和30V双母线系统拓扑结构，包括均连接到母线的太阳能电池阵，锂离子蓄电池组和降压功率调节电路，母线末端输出电压为42V，降压功率调节电路输出电压为30V，太阳能电池阵与母线和锂离子蓄电池组均通过限频式充电分流调节电路连接；限频式充电分流调节电路(S4R) 包括供电S4R模块和充电S4R模块，供电S4R模块连接太阳能电池阵和母线，充电S4R模块连接太阳能电池阵和锂离子蓄电池组；太阳能电池阵包括多个太阳能电池分阵。
各个太阳能电池分阵均通过独立的S4R电路连接，根据供电充电功能，S4R 电路可以仅包括供电S4R模块，或者为同时包括供电S4R模块和充电S4R模块，使得相应的太阳能电池分阵只具有供电功能，或既能够用于供电也能够用于向锂离子蓄电池组充电。供电S4R模块设有分流功率NMOS管开关，充电S4R模块设有充电功率PMOS管开关，分流功率NMOS管开关连接有主误差放大器，充电功率PMOS管开关连接有电池误差放大器，主误差放大器和电池误差放大器均相应连接有逻辑电路，用于控制分流功率NMOS管开关和充电功率PMOS管开关的开闭。锂离子蓄电池组与母线间设有电池开关，电池开关闭合后，电池开关下游设有隔离二极管，由锂离子蓄电池组向母线供电，电池开关并联有充电旁路二极管，避免电池开关断开时无法向锂离子蓄电池组充电。
与S4R电路相对应的太阳电池阵产生的电流有三个通路：第一，通过隔离二极管(D2、D4和D5、D6、D7)向母线供电；第二，通过充电功率PMOS管开关(Q1、Q3)向蓄电池充电；第三，通过分流功率NMOS管开关(Q2、Q4、 Q5、Q6)对地分流。由于三条通路所对应的电位不同，所以太阳电池阵所产生的电流在任一时刻只能流向三个通路中的一个通路，在任一时刻太阳电池阵所产生的电流流向三个通路中的哪个通路由主误差放大器(MEA)、电池误差放大器 (BEA)和逻辑控制电路共同控制判定，控制逻辑为向母线供电通路有最高优先权，其次是向蓄电池充电通路，再次为对地分流通路。通过功率PMOS管开关和功率NMOS管开关的接通(ON)与断开(OFF)来完成逻辑状态的选择，即决定太阳电池产生的电流在某一时刻流向哪条通路，S4R控制逻辑状态见表1所示。
表1 S4R控制逻辑状态表
本方案S4R电路是在S3R电路的基础上增加了一个为电池充电的串联开关 (Q1、Q3)，使太阳电池阵能直接为蓄电池充电；如图1所示电源控制器共设置 8级太阳电池阵，其中1～6级S4R电路既有供电和分流功能，又有充电功能，7～ 8级S4R仅有供电和分流功能，每级电路分别通过隔离二极管D2、D4和D5、 D6、D7将功率传输至母线上。
另外还会包括连接有塔架充电口的太阳能电池分阵，在其连接塔架充电口位置的上游和下游分别设有一个二极管；例如图1所示，第5级和第6级S4R电路中太阳电池阵经过两个隔离二极管D4和D5输出功率至母线，这样设计是为了使卫星在塔架上通过第5级和第6级地面方阵模拟器给锂离子蓄电池组充电，通过隔离二极管(D4)防止地面方阵模拟器的输出功率给太阳电池阵倒灌。
降压功率调节电路采用了Superbuck电路拓扑，包括两个滤波电感，该拓扑结构有被称为双电感降压器。滤波电感包括输入电感和续流电感，输入电感连接电容形成滤波组件，续流电感串联在电容到地线之间，电容并联有降压开关。与基本Buck电路相比具有两项优势，输入电感L1与电容C1组成了BUCK电路的输入滤波组件，使得降压器输入电流连续；续流电感L2在回路中与电容C1 串联，利用了电感电流不能突变的特性，使电流在电容C1充电放电过程中没有较大的峰值。
降压功率调节电路还设有控制芯片，控制芯片比较降压功率调节电路输出电压与基准电压，控制芯片连接降压开关。降压功率调节电路包括并联的多路，每路降压功率调节电路均设有通断开关。芯片IC1的1脚电压取自BUCK电路的输入电流采样，2脚电压取自母线电压，两电压进行比较后由芯片的11脚和14 脚输出具有可调占空比的PWM脉宽信号驱动NMOS管Q8导通或截止，实现 BUCK电路的降压功能，将输出电压稳定在30V。降压功率调节器中的每路 BUCK电路都在输入端设计了串联在功率正线上的PMOS管Q7，通过对Q7的控制实现了每路Buck电路独立的接通、关断功能和输出过压、输入欠压、输入过流保护功能。其中，输出过压保护(OVP)是将输出二极管(D22-D25)前的单路Buck输出电压做分压后与Vref比较，当运算放大器U8输出低时通过APS 和驱动电路控制Q7关断；输入欠压保护是将在42V母线电压达到稳压管D19 的工作电压后控制Q7接通，不满足条件时关断；输入过流保护(OCP)是将输入电流采样与Vref比较，当运算放大器U7输出低时通过APS和驱动电路控制 Q7关断。
实施例：
42V和30V双母线系统拓扑结构，包括均连接到母线的太阳能电池阵1-8，锂离子蓄电池组和降压功率调节电路A-D，母线末端输出电压为42V，降压功率调节电路输出电压为30V，太阳能电池阵与母线和锂离子蓄电池组均通过限频式充电分流调节电路S4R连接。锂离子蓄电池组与母线间设有电池开关K1、K2，电池开关下游设有隔离二极管D10-D15，电池开关并联有充电旁路二极管D16、 D17。
限频式充电分流调节电路包括供电S4R模块和充电S4R模块，供电S4R模块连接太阳能电池阵和母线，充电S4R模块连接太阳能电池阵和锂离子蓄电池组，太阳能电池分阵1-6连接有供电S4R模块和充电S4R模块，太阳能电池分阵7-8只连接有供电S4R模块。供电S4R模块设有分流功率NMOS管开关(Q2、 Q4、Q5、Q6)，充电S4R模块设有充电功率PMOS管开关(Q1、Q3)，分流功率NMOS管开关连接有主误差放大器，充电功率PMOS管开关连接有电池误差放大器。太阳能电池分阵5、6连接有塔架充电口，在其连接塔架充电口位置的上游和下游分别设有一个二极管D4、D5。
每一路降压功率调节电路包括两个滤波电感，滤波电感包括输入电感L1和续流电感L2，输入电感L1连接电容C1形成滤波组件，续流电感L2串联在电容C1到输入电感上游的回路中，电容C1并联有降压开关，降压功率调节电路还设有控制芯片IC1，控制芯片IC1比较输入电感上游的电压与降压功率调节电路输出电压，控制芯片连接降压开关Q8，每路降压功率调节电路均设有通断开关Q7。
以上对本实用新型的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.42V和30V双母线系统拓扑结构，其特征在于：包括均串联到母线的太阳能电池阵，锂离子蓄电池组和降压功率调节电路，所述母线末端输出电压为42V，所述降压功率调节电路输出电压为30V。
2.根据权利要求1所述的42V和30V双母线系统拓扑结构，其特征在于：所述太阳能电池阵与所述母线和所述锂离子蓄电池组均通过限频式充电分流调节电路连接。
3.根据权利要求2所述的42V和30V双母线系统拓扑结构，其特征在于：所述限频式充电分流调节电路包括供电S4R模块和充电S4R模块，所述供电S4R模块连接所述太阳能电池阵和所述母线，所述充电S4R模块连接所述太阳能电池阵和所述锂离子蓄电池组。
4.根据权利要求3所述的42V和30V双母线系统拓扑结构，其特征在于：所述供电S4R模块设有分流功率NMOS管开关，所述充电S4R模块设有充电功率PMOS管开关，所述分流功率NMOS管开关连接有主误差放大器，所述充电功率PMOS管开关连接有电池误差放大器。
5.根据权利要求3或4所述的42V和30V双母线系统拓扑结构，其特征在于：所述太阳能电池阵包括多个太阳能电池分阵；
每一个所述太阳能电池分阵均连接有所述供电S4R模块和所述充电S4R模块；或者部分所述太阳能电池分阵连接有所述供电S4R模块和所述充电S4R模块，其余部分所述太阳能电池分阵仅连接有所述供电S4R模块。
6.根据权利要求5所述的42V和30V双母线系统拓扑结构，其特征在于：连接有塔架充电口的所述太阳能电池分阵，在其连接所述塔架充电口位置的上游和下游分别设有一个正向二极管。
7.根据权利要求5所述的42V和30V双母线系统拓扑结构，其特征在于：所述锂离子蓄电池组与所述母线间设有电池开关，所述电池开关下游设有隔离二极管，所述电池开关并联有充电旁路二极管。
8.根据权利要求1所述的42V和30V双母线系统拓扑结构，其特征在于：所述降压功率调节电路包括两个滤波电感，所述滤波电感包括输入电感和续流电感，所述输入电感连接电容形成滤波组件，所述续流电感串联在电容到地线之间，所述输入电感连接有降压拓扑的PWM开关管，所述降压拓扑的PWM开关管为NMOS管。
9.根据权利要求8所述的42V和30V双母线系统拓扑结构，其特征在于：所述降压功率调节电路还设有控制芯片，所述控制芯片比较所述降压功率调节电路输出电压与基准电压，所述控制芯片连接所述降压拓扑的PWM开关管。
10.根据权利要求8或9所述的42V和30V双母线系统拓扑结构，其特征在于：所述降压功率调节电路包括并联的多路，每路所述降压功率调节电路均设有通断开关。
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| CN112821537A (zh) * | 2021-02-25 | 2021-05-18 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | 一种新型的无人机标准模块与拓扑结构 |
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2019
- 2019-11-13 CN CN201921949441.0U patent/CN210898532U/zh active Active
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