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航天电源控制器集成模块的控制策略及参数设计方法

更新时间：2019-12-24 21:23:02 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：航天电源控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

在航天器太阳电池阵——蓄电池电源系统中,采用新型电源控制器(PCU)集成模块替代原有PCU中的多个功率调节器,可以简化电路结构,降低系统成本.但是PCU集成模块的控制策略需要改进,并且电路参数设计更加复杂.提出该模块在两种不同续流方式时的控制策略,并对其中的分域控制和双频率PWM控制进行详述.在此基础上,通过详细分析不同工作模式时的输入、输出特性,提出PCU集成模块的电路参数设计方法.最后,搭建了一套110W的原理样机并进行了实验验证.

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V01．31

Apt．

No．8

2016

2016年4月电工技术学报

第31卷第8期TRANSACTIONSOF CHINAELECTROTEcHNIcAL SOCIETY

航天电源控制器集成模块的控制策略及

参数设计方法

游小杰

艳

李

芳

李

(北京交通大学电气工程学院北京 100044)

郭希铮

摘要

在航天器太阳电池阵——蓄电池电源系统中，采用新型电源控制器(PCU)集成模块

替代原有PCU中的多个功率调节器，可以简化电路结构，降低系统成本。但是PCU集成模块的

控制策略需要改进，并且电路参数设计更加复杂。提出该模块在两种不同续流方式时的控制策略，

并对其中的分域控制和双频率PWM控制进行详述。在此基础上，通过详细分析不同工作模式时

的输入、输出特性，提出PCU集成模块的电路参数设计方法。最后，搭建了一套110W的原理样

机并进行了实验验证。

关键词：电源控制器

中图分类号：TM46

集成模块控制策略双频率PWM控制参数设计

Control

andParameter

of Power

Unit

Strategy

Design

Modulefor Satellite

Conditioning

Integrated

^LiFang

Applications

You

Li Yan

Guo

Xiaojie

Xizheng

(Institute

of PowerElectronics

100044

with

China)

Beijing Jiaotong University

Beijing

Abstract

In the solar

the conventional

module has such

array-battery power system

satellites，compared

novel

contains three

power conditioning

unit(PCU)that

converters，the

integrated

and lower

control

and

advantages

simpler circuit，more

compact

cost．However，the

strategy

for the module

strategies

this novel module are

control

parameter design

very complex．The

different

proposed

contain domain control and _{dual—frequency}PWM

operating

control，are

different

freewheeling methods，which

in this

the detail

and

characteristics at

output

paper．Based

analysis

1 1 0W

provided．A

input

is built to

the

operating modes，parameter design

prototype

verify

theoretical

analysis．

Keywords：Power

_{strategy，dual-frequency}PWM

conditioning unit，integrated module，control

control，parameter

design

器(Battery Charge Regulator，BCR)和蓄电池放电

引言

调节器(Battery Discharge Regulator，BDR)三个功

率调节器，以及母线支撑电容和母线电压主误差放

近地轨道卫星的太阳电池阵——蓄电池电源系

统主要由太阳电池阵(Solar

大器(MainError

Amplifier．MEA)【1’4。。

Array,SA)、可充电蓄

电池组和电源控制器(Power

Unit．

PCU通过MEA控制功率调节器的工作状态，

实现对太阳电池阵和蓄电池的功率调节，从而维持

母线电压稳定。当卫星位于地影期或者SA不足以

提供负载功率时，蓄电池组通过BDR放电以维持母

线电压稳定；当卫星位于阳照期，若SA能量不足

以提供蓄电池最大电流充电时，BCR调节蓄电池的

Conditioning

PCU)组成。目前PCU通常采用基于顺序开关分流

Shunt

调节器(Sequential

Regulator．S3R)

Switching

的全调节母线结构，包含S3R、蓄电池充电功率调节

北京市科技计划课题资助项目(Z141100003114011)

收稿日期2014．05．04

改稿日期2014．06．06

万方数据

第31卷第8期

李

芳等

航天电源控制器集成模块的控制策略及参数设计方法

充电电流以维持母线电压稳定；若SA提供能量充

足，蓄电池以最大电流值限流充电，S3R工作以消

耗多余能量【5’6】。

为了降低电源系统的制造成本和航天器的发射

成本，新型电源控制技术向集成化和模块化发展，

多种新型的PCU优化拓扑被报道。如文献[7，8]将

BCR和BDR集成为双向功率变换器(Battery Charge

PCU集成模块

and

Discharge Regulator，BCDR)实现蓄电池充、放

图1

PCU集成模块结构示意幽

电功能：文献[9—11]采用S4R(sequential switching

shunt series

of_integratedPCU

module

regulator)结构同时调节母线电压和蓄电

Fig．1

Diagram

池充电电流，省去了BCR。以上两种方法将三个功

率调节器简化为两个，在文献[12．19]中将三个功率调

节器集成为一个。例如文献[12，13]中S3R添加了输

出电感，BCR与S3R共用开关管吸收回路，但电路

形式复杂，实用性不高。文献[14]提出B3R(buck．

足，蓄电池以限流值^i。充电，开关管S。存在长时

间导通过程，此时太阳电池阵输出电流全部被S，

分流，双向变换器工作在Boost与分流状态，S．以

高、低两个开关频率工作，S：续流。

当主控开关管工作时，另一只开关管作为辅助

buck—boost

管续流。续流方式有两种：可以通过体二极管续流；

也可以令开关管导通续流，即同步整流。图2为采

用体二极管续流时的工作模式示意图。两种续流方

式均可实现PCU集成模块功能，但是控制策略有所

regulator)结构，实现了功率集成，但是

器件个数较多且控制较复杂，部分开关器件耐压较

高，并不能有效减重。文献[15．17]提出基于双向

Superbuck的BCDSR

(battery charge discharge

shunt

不同，卜．文将分别介绍。

regulator)模块，可实现PCU全部功能，电路

^、一imiI+

简单并且集成度较高，但是并未详细分析各种工作

模式时的输入、输出关系。文献[18]提出隔离三端

口电路，由隔离变压器、三个开关管、两个同步整

流管组成，可实现多种工作模式，并且集成化程度

较高，但器件数量较多且控制方法相对复杂。

光照暖

}1、1E^

地影雎

文献『19，201提出一种新型非隔离PCU电路拓

扑，本文基于该PCU集成模块，对两种不同续流方

式的控制策略进行研究。通过详细分析各种工作模

式的输入、输出关系，提出PCU集成模块储能器件

光照呸

’1’BEA

地影廖

■存

尢j，疏

仃分流

Boost

Buck

I刳2 PCU集成模块工作模式示意图

参数设计方法。最后，搭建原理样机并验证了该集

成模块的可行性。

The

mode of

PCUmodule

integrated

Fig．2

working

1．1

体二极管续流

PCU集成模块及其控制策略

采用体二极管续流时，开关管的驱动信号恒为

PCU集成模块包括双向变换器、输出二极管

VD。和母线支撑电容cb。。三个部分，其中双向变换

器为Buck／'300st拓扑，结构如图1所示。

低电平，不工作。即工作模式I时，S2有驱动脉冲

信号，而Sl保持关断状态；工作模式II矛nIII时，S1

有驱动脉冲信号，而S2保持关断状态。PCU集成模

块采用体二极管续流方式时，双频率PWM控制策

略实现方法如图3a所示。

PCU集成模块有三种上作模式。模式I：在地

影期或太阳电池阵输出功率不足以提供负载时，蓄

电池通过Buck电路放电，此时S：作为主控管以高

频周期开关工作，s，续流，蓄电池的最大放电电流为

顶层分域控制策略与传统PCU分域控制策略

类似，母线电压MEA采集母线电压信号，经过补

偿器后输出控制信号vMEA。当母线电压略低时，蓄

电池放电，此时vM。A值较低，开关管S2的比较器

载波幅值较低，输出驱动脉冲信号，而开关管s，

的比较器载波幅值较高，驱动信号为低电平(Buck

厶。模式II：在阳照期，若／’bat<“。，SA输出功率供

给负载后的剩余功率全部为蓄电池充电，变换器工

作在类Boost状态，此时s．作为丰控管以高频周期

开关工作，S，续流。模式III：在阳照期，若能量充

万方数据

电工技术学报

2016年4月

母线

母线电压环和蓄电池充电电流环，并且控制信号分

别与高频载波和低频载波相比较，输出驱动脉冲。

不同的是母线电压环仅有‘种载波信号，并且输出

为S。的驱动信号，即S：驱动信号的互补信号。

同步整流方式时，控制策略的工作原理是：工

作模式I和II时，蓄电池不需要限流充电，BEA信

号正饱和，比较器输出为低电平，此时仅母线电压

环工作。当母线电压略高时，MEA信号降低，输出

S．占空比增加，电感电流升高，供给母线负载电流

降低；当母线电压略低时，MEA信号升高，输出

S，占空比降低，电感电流减小(甚至反向增加)，

供给母线负载电流增加，母线电压逐渐升高。因此

在此控制策略下，工作模式I和II之间没有明显的

死区，仅仅是两个开关管占空比的变化。工作模式

III时，BEA信号退饱和，输出低频PWM信号。当

蓄电池的充电电流略高于设定值时，BEA信号略有

下降，低频PWM信号的高电平时问增加，即S．分

流时间增加，SA输出总功率减小，蓄电池的充电电

流减小；反之亦然。

a)体?搬管续流厅』℃

两种续流方式及其控制策略均利用蓄电池充电

较慢的特性，采用低频PWM控制即可实现一段时

间内对蓄电池充电电流的控制。由于工作模式III时，

控制信号中包含了两个频率的PWM信号，因此命

名为双频率PWM控制。

(b)同步整流方式

图3 双频率PWM控制策略实现方法示意图

The schematic

dual—frequency

Fig．3

diagram

PWMcontrol

状态)。当母线电压略高时，能量充足，蓄电池充电，

PCU集成模块的输入输出关系

此时vMEA较高，Sl开关工作，S2关断(Boost状态)。

当双向变换器工作蓄电池充电即Boost状态

虽然体二极管续流方式与同步整流方式的控制

策略不同，但是在工作模式I和II电感电流连续时，

两种续流方式的工作原理相同，即输入、输出关系

相同。而工作模式III存在长时间分流工况，此时电

感电流恒为太阳电池阵电流，sA，并且在开关管高频

动作阶段，电感电流可能下降到零，若采用体二极

管续流方式，电感电流1i可以反向，电感电流近似

为零，而同步整流方式电感电流下降过零后还可继

续下降。因此，工作模式III时的PCU集成模块两种

Error

时，若ibat<^。，蓄电池电流误差信号(Battery

Amplifier，BEA)负饱和，即BEA补偿器输出信号

vBEA与低频载波相比后输出恒为低电平，此时仅母

线电压环工作，Sl高频开关工作，S2关断。当蓄电

池限流充电时，BEA信号退饱和，输出低频PWM

驱动信号，该信号与高频PWM驱动信号逻辑“或”

之后为S。的最终驱动信号。当低频PWM驱动信号

为高电平时，S。长时间导通；为低电平时，S．工作

在高频开关状态。因此，通过母线电压环和蓄电池

充电电流环两个控制环的逻辑“或”运算，S。的驱

动信号包含高频占空比和低频占空比两个控制自由

度，可实现同时控制母线电压和蓄电池充电电流。

续流方式的输入、输出关系不同，下面将分别讨论。

2．1工作模式I

设高频开关周期为丁，开关管s2的占空比为印2，

假设电感电流的正方向如图1所示，蓄电池的放电

1．2

同步整流

电流为，d。h，开关管Sz导通和关断时的电感电压和

电容电流为

采用同步整流方式且工作模式I、11和III时，

Sl和S2均工作在开关状态，两者的信号为互补形

式。双频率PWM控制策略实现方法示意图如图3b

所示，与上一种控制策略相同，包含了两个环路，

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(1)

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， [0，q27]

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