CN106100026A - 一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器 - Google Patents

Abstract

一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器，涉及卫星电源对蓄电池组充电领域。本发明是为了解决现有缺少保证卫星电源对蓄电池组的稳定充电与稳定终止充电的调节装置的问题。boost拓扑结构电路将输入的母线电压进行升压转换；电流与电压采样反馈控制单元对充电输出的电流与电压进行采样与信号合成完成对反馈信号的获取与输出；PWM控制单元通过反馈信号输出相应的脉宽信号驱动boost电路的NMOS管；控制单元接收卫星电源母线电压的误差放大得到的充电使能信号，该信号有效时控制整个充电电路接通，同时获取蓄电池组的工作温度与电压，在蓄电池组电压达到温度监测信号对应的充电终止电压时停止充电，完成充电过程。用于母线对蓄电池组充电。

Description

一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器

技术领域

本发明涉及一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器。属于卫星电源对蓄电池组充电领域。

背景技术

随着航空航天技术的高速发展，人造地球卫星被广泛应用于军事、民用以及科学研究等领域。卫星电源***是卫星平台的重要分***，它担负着卫星的其他分***和有效载荷供电的重要功能，其基本功能是通过某种物理变化或化学变化，将光能、核能或化学能转换成电能，根据需要进行储存、调节和变换，然后向航天器各分***供电。蓄电池是卫星电源***的重要组成部分，为航天器在地影期的正常工作提供稳定电能。因此在光照期间对其有效的充电尤为重要，并直接影响飞行器在地影期的任务质量。充电调节器是卫星电源***功率调节功能实现的重要功能单元。在轨道周期内的光照期间，当太阳电池阵的输出功率大于负载需求时电源***进入充电域，通过充电调节器实现将多余的功率向蓄电池组进行充电，实现稳定卫星电源母线电压与蓄电池组充电的功能。

发明内容

本发明是为了解决现有缺少保证卫星电源对蓄电池组的稳定充电与稳定终止充电的调节装置的问题。现提供一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器。

一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器，它包括蓄电池组和卫星电源母线，它还包括boost拓扑结构电路、电压与电流采样反馈控制单元、PWM控制单元、驱动电路、控制单元和开关S，

boost拓扑结构电路，用于将卫星电源母线输出的电压进行相应的升压转换，实现由卫星电源母线电压向蓄电池组的充电电能传输，然后将充电输出的电压及电流输出给电压与电流采样反馈控制单元；

电压与电流采样反馈控制单元，用于对充电输出的电压及电流进行采样，将电压及电流采样信号进行合成得到统一的采样反馈控制信号，然后将该信号反馈给PWM控制单元；

PWM控制单元，用于将接收到的采样反馈控制信号经内部的误差放大器与其内部的基准电压进行比较，通过调整开关信号的占空比以实现充电电压的稳定输出，最终输出脉宽信号，该脉宽信号通过驱动电路驱动boost拓扑结构电路的NMOS管；

控制单元，用于接收对卫星电源母线电压的误差放大得到的充电使能信号，在使能信号有效时控制开关S闭合，使boost拓扑结构电路接通，从而使整个充电电路接通为蓄电池组充电，同时获取蓄电池组在充电过程中的温度监测信号T_battery与电压监测信号V_battery，根据温度监测信号T_battery得到其相对应的充电终止电压V_stop，当电压监测信号V_battery达到充电终止电压的V_stop，输出充电终止信号，切断开关S，从而断开boost拓扑结构电路，使整个充电电路停止对蓄电池的充电。

本发明的有益效果为：本发明采用基于boost电路原理的开关电源电路，由boost拓扑结构电路、电压与电流采样反馈控制单元，PWM控制单元，控制单元组成。boost拓扑结构电路实现充电调节的功率传输与电平转换功能，将输入电压进行相应的升压转换。电压与电流采样反馈控制单元实现对充电输出的电流与电压进行采样与信号合成，完成对反馈信号的获取与输出。PWM控制单元通过反馈信号输出相应的脉宽信号并驱动boost电路的开关管。控制单元接受对卫星电源母线电压的误差放大得到的充电使能信号，在使能信号有效时控制开关S开启，使得boost拓扑结构电路接通从而使得整个充电电路接通。并通过获取蓄电池组的工作温度与电压，在蓄电池组电压达到温度监测信号对应的充电终止电压时停止充电，完成充电过程。

本发明一方面，根据镍镉蓄电池的电化学特性，在光照期实现镍镉蓄电池组的恒流恒压充电功能，另一方面，根据镍镉蓄电池的温度特性，充电的过程中根据温度监测信号与其对应的V-T充电终止曲线得到相应温度对应的充电终止电压，从而在合适的充电终止电压时完成充电终止功能。综上两方面，实现卫星电源在光照期实现对蓄电池组的稳定充电与稳定终止充电。放电调节器是卫星电源***功率调节的关键单元，本设计的成果将成为卫星电源***重要组成单元，其研制具有很大的现实意义与实用价值。

本发明具有的优点为：

1、实现基于boost电路的充电电路实现充电功率传输与电平转换；

2、实现充电电流与充电电压采样并实现电路采样信号与电压采样信号合并；

3、实现PWM反馈控制环路功能，稳定输出电压与电流的稳定；

4、实现对蓄电池组温度信号与电压信号的处理并输出充电终止信号完成整个充电过程。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器的原理图；

图2为一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器中boost拓扑结构电路的原理图；

图3为boost拓扑结构电路的工作波形图，其中，u_g表示开关管栅极电压，u_VT表示二极管正极电压，u_L表示电感电压，i_L表示电感电流，i_VT表示二极管电流，i_C表示电容电流I₁表示电感电流变化最小值，I₂表示电感电流变化最大值，t₁表示开关挂在一个周期内的导通时间，t₂表示开关周期结束时间，U_d表示输入电压稳态值，U_o表示电感L电流的变化；

图4为boost拓扑结构电路中NMOS管的导通状态图；

图5为boost拓扑结构电路中NMOS管的关闭状态图；

图6为一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器中电压与电流采样反馈控制单元的原理图；

图7为一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器中PWM控制单元的原理图；

图8为一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器中控制单元的原理图；

图9为控制单元的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器，它包括蓄电池组和卫星电源母线，它还包括boost拓扑结构电路1、电压与电流采样反馈控制单元2、PWM控制单元3、驱动电路4、控制单元5和开关S，

boost拓扑结构电路1，用于将卫星电源母线输出的电压进行相应的升压转换及实现充电调节，然后将充电输出的电压及电流输出给电压与电流采样反馈控制单元2；

电压与电流采样反馈控制单元2，用于对充电输出的电压及电流进行采样，将电压及电流采样信号进行合成得到统一的采样反馈控制信号，然后将该信号反馈给PWM控制单元3；

PWM控制单元3，用于将接收到的采样反馈控制信号经内部的误差放大器后，通过调整开关信号的占空比以实现充电电压的稳定输出，最终输出脉宽信号，该脉宽信号通过驱动电路4驱动boost拓扑结构电路1的NMOS管；

控制单元5，用于接收对卫星电源母线电压的误差放大得到的充电使能信号，在使能信号有效时控制开关S闭合，使boost拓扑结构电路1接通，从而使整个充电电路接通为蓄电池组充电，同时获取蓄电池组在充电过程中的温度监测信号T_battery与电压监测信号V_battery，根据温度监测信号T_battery得到其相对应的充电终止电压V_stop，当电压监测信号V_battery达到充电终止电压的V_stop，输出充电终止信号，切断开关S，从而断开boost拓扑结构电路1，使整个充电电路停止对蓄电池的充电。

本实施方式中，控制单元接收对卫星电源母线电压的误差放大得到的充电使能信号，在使能信号有效时控制开关S接通boost拓扑结构电路1，使整个充电电路接通。并通过获取蓄电池组的工作温度与电压，在蓄电池组电压达到温度监测信号对应的充电终止电压时停止充电，完成充电过程。

本实施方式中，控制单元设计如图8所示。控制单元接收蓄电池组在充电过程中的温度监测信号T_battery与电压监测信号V_battery，根据温度监测信号T_battery得到其相对应的充电终止电压V_stop，当电压监测信号达到充电终止电压的V_stop，是输出充电终止信号，切断充电电路，实现充电终止操作，软件设计如图9所示。。

本实施方式中，将本发明所述的充电调节器的输入端接入卫星母线获取输入电能；将本发明所述的充电调节器的输出端接入蓄电池组镍镉蓄电池组输出充电电能；将控制单元接入充电使能信号，在充电使能信号控制下接通充电电路使充电调节器的电能输入经过boost电路输出稳定的充电电压；将控制单元接入蓄电池组温度信号以及电压信号以在充电过程中判断是否达到该温度下的充电终止电压，当达到充电终止电压时断开充电电路，完成充电过程。

具体实施方式二：参照图2至图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器作进一步说明，本实施方式中，boost拓扑结构电路1包括电感L、NMOS管VT、二极管D、电容C和电阻R，

电感L的一端同时连接二极管D的正极和NMOS管VT的漏极，

二极管D的负极同时连接电容C的一端和电阻R的一端，电容C的另一端同时连接电阻R的另一端、NMOS管VT的源极和卫星电源母线的一端，

电感L的另一端连接开关S的一端，开关S的另一端连接卫星电源母线的另一端，NMOS管VT的栅极连接驱动电路4的驱动输出端，

电阻R的一端连接蓄电池组的正极，电阻R的另一端连接蓄电池组的负极，

蓄电池组的正极和二极管D的负极作为boost拓扑结构电路1的电压及电流输出端。

本实施方式中，升压式变换电路即boost电路，是一种输出电压高于输入电压的非隔离式PWM DC/DC变换器，其基本拓扑结构如图2所示。

根据NMOS管的开关状态，工作过程中各个状态波形如图3所示。

其工作过程如下：

1.NMOS管导通状态t₀≤t≤t₁＝K·T其中，t₀表示开关周期的起始时间，t表示NMOS管工作时间，K表示NMOS管工作占空比，T表示开关周期表示。

二极管D被关断，等效电路拓扑如图4所示，在理想条件下条件，u_d和u_o维持不变，为恒定值。有：

$u_L=u_d=L\frac{di}{dt}=L\frac{\mathrm{\Δ}I}{t_1}---(1-1)$

式中，u_L表示电感L电压，u_d表示输入电压，u_o表示输出电压，

$\mathrm{\Δ}I=\frac{U_d}{L}{t}_1---(1-2)$

式中，△I表示电感L电流的变化，U_d表示输入电压稳态值，

2.NMOS管关闭状态t₁≤t≤T

此时二极管D处于导通模式，电感续流，其等效电路拓扑结构如图5所示，有：

$u_L=u_d-u_o=L\frac{di}{dt}=L\frac{I_1-I_2}{t_2-t_1}=-L\frac{\mathrm{\Δ}I}{t_2-t_1}---(1-3)$

$\mathrm{\Δ}I=-\frac{(U_d-U_o)}{L}(t_2-t_1)---(1-4)$

式中，U_o表示电感L电流的变化，t₂表示开关周期结束时间。

考虑到电路稳态工作时的周期性，NMOS管的开状态与关闭状态的△I相等，即：

$-\frac{(U_d-U_o)}{L}(t_2-t_1)=\frac{U_d}{L}{t}_1---(1-5)$

其中：t₂＝T,得到：

$U_o=\frac{t_2}{t_2-t_1}{U}_d=\frac{1}{1-K}{U}_d---(1-6)$

根据上述工作过程，实现由母线电压向蓄电池组的充电电能传输与电平转换。

具体实施方式三：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器作进一步说明，本实施方式中，它还包括电阻R_s，

电阻R_s的一端连接二极管D的负极，电阻R_s的另一端连接蓄电池组的正极。

本实施方式中，电阻R_s的是隔离。

具体实施方式四：参照图6具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器作进一步说明，本实施方式中，电压与电流采样反馈控制单元2包括电流分流监视器、电阻R₁和电阻R₂，

电流分流监视器的正输入端连接电阻R_s的一端，

电流分流监视器的负输入端同时连接电阻R_s的另一端和电阻R₁的一端，电阻R₁的另一端同时连接电阻R₂的一端、电阻R₂的另一端和蓄电池组的负极、电源地和电流分流监视器的接地端，

电阻R₁的另一端作为电流采样反馈控制单元2的电压采样信号I_F输出端，

电流分流监视器的输出端作为电压与电流采样反馈控制单元2的电流采样信号I_F输出端。

本实施方式中，电压与电流采样反馈控制单元2的具体设计如图6所示，通过电流采样得到电流采样信号I_F、通过电压采样得到电压采样信号V_F，最后将电流采样信号与电流采样信号进行合成得到统一的采样反馈控制信号，S_F实现对充电输出的电流采样反馈与电压采样反馈。

1、电流采样：

通过对充电输出电流进行采样，并通过电流分流监测器将采样电阻产生的压降按照一定的倍数转化成相应的电压信号。

2、电压采样：

电压采样的实现方式通过高精度的分压电阻实现对充电输出电压输出进行分压实现

3、电流采样与电压采样信号合成

在对蓄电池充电过程中，由于充电初期的蓄电池组需要进行恒流充电阶段，此时电流采样反馈信号I_F大于电压采样反馈控制信号V_F，随着充电过程储蓄进行，蓄电池组的电压逐渐上升，维持恒流充电的充电电压相应地持续上升，使得电压反馈控制信号V_F逐渐增加，直到电压反馈信号V_F大于电流反馈控制信号I_F，此时充电进入到恒压充电模式。将电流采样反馈信号I_F与电压采样反馈控制信号V_F，通过二极管并联输出，将其合成为统一的采样反馈信号S_F，通过上述过程，实现对蓄电池组的恒流-恒压充电过程。

具体实施方式五：参照图7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器作进一步说明，本实施方式中，PWM控制单元3包括电阻R、电容C、电阻R_T、电容C_T和型号为UC3843的电流型PWM控制器，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的1号引脚同时连接电阻R的一端和电容C的一端，电阻R的另一端同时连接电容C的另一端和型号为UC3843的电流型PWM控制器的2号引脚，型号为UC3843的电流型PWM控制器的2号引脚作为PWM控制单元3的采样反馈控制信号输入端，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的5号引脚连接电阻R_T的一端，电阻R_T的另一端同时连接电容C_T的一端和型号为UC3843的电流型PWM控制器的4号引脚，电容C_T的另一端同时连接型号为UC3843的电流型PWM控制器的8号引脚和电源地，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的6号引脚连接供电电源，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的7号引脚作为PWM控制单元3的脉宽信号输出端。

本实施方式中，PWM控制单元将上述反馈信号S_F作为PWM控制器的输入信号，该反馈电压经PWM控制器内部的误差放大器后，调整开关信号的占空比以实现充电电压的稳定输出。本设计采用TI公司的UC3843电流型PWM控制器，硬件设计如图7所示，具体工作过程如下：

输入信号S_F输入到PWM控制器的反馈输入端VFB，并通过其内部的误差放大器与其内部的基准电压进行比较，放大器的输出端COMP与反馈信号的输入端VBF按照图7所示的方式连接，通过电阻R与电容C调节控制器的动态特性。

输出的脉宽信号的最大占空比与频率可通过不同数值的电阻R_T与电容C_T进行相应设置，根据式1-7可计算出不同值对应最大输出占空比。

$D_{MAX}=\frac{ln\left(\frac{V_{RT/CT\left(valley\right)}-V_{ref}}{V_{RT/CT\left(peak\right)}-V_{ref}}\right)}{ln(\frac{V_{RT/CT\left(valley\right)}-V_{ref}}{V_{RT/CT\left(peak\right)}-V_{ref}}\·\frac{R_T{I}_{dischg}+V_{RT/CT\left(peak\right)}-V_{ref}}{R_T{I}_{dischg}+V_{RT/CT\left(valley\right)}-V_{ref}})}---(1-7)$

其中V_{RT/CT(valley)}＝1.2V，V_RT/CT(peak)＝2.8V，V_ref＝5V，I_dischg＝8.3mA

输出信号频率由式1-8得出。

$f=\frac{1.8}{R_T\·C_T}---(1-8)$

通过当反馈信号S_F增大时，PWM控制器的输出信号占空比相应减小；反之，当反馈信号S_F减小时，PWM控制器的输出信号占空比相应增大。通过上述过程，实现对输出电压与输出电流的动态调节，使其稳定工作。

Claims (5)

1.一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器，它包括蓄电池组和卫星电源母线，其特征在于，它还包括boost拓扑结构电路(1)、电压与电流采样反馈控制单元(2)、PWM控制单元(3)、驱动电路(4)、控制单元(5)和开关S，

boost拓扑结构电路(1)，用于将卫星电源母线输出的电压进行相应的升压转换，实现由卫星电源母线电压向蓄电池组的充电电能传输，然后将充电输出的电压及电流输出给电压与电流采样反馈控制单元(2)；

电压与电流采样反馈控制单元(2)，用于对充电输出的电压及电流进行采样，将电压及电流采样信号进行合成得到统一的采样反馈控制信号，然后将该信号反馈给PWM控制单元(3)；

PWM控制单元(3)，用于将接收到的采样反馈控制信号经内部的误差放大器与其内部的基准电压进行比较，通过调整开关信号的占空比以实现充电电压的稳定输出，最终输出脉宽信号，该脉宽信号通过驱动电路(4)驱动boost拓扑结构电路(1)的NMOS管；

控制单元(5)，用于接收对卫星电源母线电压的误差放大得到的充电使能信号，在使能信号有效时控制开关S闭合，使boost拓扑结构电路(1)接通，从而使整个充电电路接通为蓄电池组充电，同时获取蓄电池组在充电过程中的温度监测信号T_battery与电压监测信号V_battery，根据温度监测信号T_battery得到其相对应的充电终止电压V_stop，当电压监测信号V_battery达到充电终止电压的V_stop，输出充电终止信号，切断开关S，从而断开boost拓扑结构电路(1)，使整个充电电路停止对蓄电池的充电。

2.根据权利要求1所述的一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器，其特征在于，boost拓扑结构电路(1)包括电感L、NMOS管VT、二极管D、电容C和电阻R，

电感L的一端同时连接二极管D的正极和NMOS管VT的漏极，

二极管D的负极同时连接电容C的一端和电阻R的一端，电容C的另一端同时连接电阻R的另一端、NMOS管VT的源极和卫星电源母线的一端，

电感L的另一端连接开关S的一端，开关S的另一端连接卫星电源母线的另一端，NMOS管VT的栅极连接驱动电路(4)的驱动输出端，

电阻R的一端连接蓄电池组的正极，电阻R的另一端连接蓄电池组的负极，

蓄电池组的正极和二极管D的负极作为boost拓扑结构电路(1)的电压及电流输出端。

3.根据权利要求1或2所述的一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器，其特征在于，它还包括电阻R_s，

电阻R_s的一端连接二极管D的负极，电阻R_s的另一端连接蓄电池组的正极。

4.根据权利要求3所述的一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器，其特征在于，电压与电流采样反馈控制单元(2)包括电流分流监视器、电阻R₁和电阻R₂，

电流分流监视器的正输入端连接电阻R_s的一端，

电流分流监视器的负输入端同时连接电阻R_s的另一端和电阻R₁的一端，电阻R₁的另一端同时连接电阻R₂的一端、电阻R₂的另一端和蓄电池组的负极、电源地和电流分流监视器的接地端，

电阻R₁的另一端作为电流采样反馈控制单元(2)的电压采样信号I_F输出端，

电流分流监视器的输出端作为电压与电流采样反馈控制单元(2)的电流采样信号I_F输出端。

5.根据权利要求1所述的一种卫星电源镍镉蓄电池充电调节器，其特征在于，PWM控制单元(3)包括电阻R、电容C、电阻R_T、电容C_T和型号为UC3843的电流型PWM控制器，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的1号引脚同时连接电阻R的一端和电容C的一端，电阻R的另一端同时连接电容C的另一端和型号为UC3843的电流型PWM控制器的2号引脚，型号为UC3843的电流型PWM控制器的2号引脚作为PWM控制单元(3)的采样反馈控制信号输入端，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的5号引脚连接电阻R_T的一端，电阻R_T的另一端同时连接电容C_T的一端和型号为UC3843的电流型PWM控制器的4号引脚，电容C_T的另一端同时连接型号为UC3843的电流型PWM控制器的8号引脚和电源地，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的6号引脚连接供电电源，

型号为UC3843的电流型PWM控制器的7号引脚作为PWM控制单元(3)的脉宽信号输出端。