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基于升压和降压转换的太阳能电池阵列调节器和包含此调节器的太阳能电池功率系统技术方案

技术编号:8026887 阅读:214 留言:0更新日期:2012-11-29 12:54
一种太阳能电池阵列调节器(SAR),具有连接到太阳能电池阵列(SA)的输入端口以及连接到功率总线(PB)的输出端口,包括:开关电压转换器(SVC),包括级联连接的降压(PC1)和升压(PC2)功率单元;以及控制电路(CC),用于取决于输入控制信号(PSR)和指示所述开关电压转换器的工作条件的至少一个反馈信号(SILF)将所述电压转换器驱动在升压、降压或直接能量传送模式,其特征在于,所述至少一个反馈信号(SILF)指示流过所述降压和所述升压功率单元之间的电流强度(IL),由此控制电路实现内部电流反馈控制。一种太阳能电池功率系统包括:至少一个这种太阳能电池阵列调节器;连接到所述或各个太阳能电池阵列调节器的输入端口的至少一个太阳能电池阵列(SA)以及连接到所述或各个太阳能电池阵列调节器的输出端口的功率总线(PB)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及基于升压和降压转换器的专门用于航天器上的太阳能电池阵列调节器。本专利技术还涉及包括这种调节器的太阳能电池功率系统。
技术介绍
例如卫星和空间探测器的航天器通常包括光电发生器,意在为装载设备供电并且在衰退期间为供电的电池充电。用于航天器的太阳能电池功率系统一般包括一组太阳能电池阵列,功率总线、可充电电池和一个或多个调节器电路用于将功率从太阳能电池阵列传送到功率总线。最简单并且使用最广泛的太阳能电池阵列调节器(SAR)基于直接能量传送(DET),这意味着它们将太阳能电池阵列直接连接到功率总线。由于性能、简洁性和功率密度之间实现的良好折中,连续开关旁路调节器(S3R)大概是最流行的DET太阳能电池阵列调节器。为了描述这种调节器架构,参见美国专利4,186,336和D. O,Sullivan, A. Weinberg 在 1977 年 9 月 21-23 日的 Third ESTECSpacecraftPower Conditioning Seminar,Nordwijk,The Netherlands,题为“The sequential SerialShunt Regulator” 的文章。在S3R调节器中,太阳能电池阵列被分成几个部分,工作在各自“恒流”区域并且比作电流源。调节器包括开关,用于将各部分彼此独立地旁路或连接到功率总线。调节器连续操作开关从而调节总线电压这意味着在任何时候,太阳能电池阵列部分的第一组连接到总线,第二组被旁路并且以开关模式操作单个部分从而获得电压调节。随着功率总线负载需求增加,旁路部分的数量减小,在需要最大功率时,所有部分连接到功率总线。针对连续开关旁路调节器的电性能的主要优势在于以下事实在总线功率需求高时(在所有太阳能电池阵列部分连接到总线来递送功率时),由于仅存在通过旁路二极管、线束、连接器等的传导损失,S3R的效率极佳。从功率效率观点来看,在太阳能电池阵列部分最大功率点电压(Vmp)精确等于主总线电压(加上相关二极管或二极管和线束电压降)时,优化S3R的应用。通常,设计S3R太阳能电池功率系统从而确保在功率系统余量最小时实现这种条件,典型地为《寿命终结》条件。DET功率系统的缺点在于,它们需要对具有太阳能电池阵列的调节器电子电路的特定适应性,由此防止DET-SAR调节器被开发为可能在许多任务中与不同的太阳能电池阵列结构使用的现成的再现产品。DET概念的另一缺点在于,在一个部分附接到总线(旁路开关打开)时,递送到总线太阳能电池阵列功率取决于太阳能电池阵列特征和功率总线电压水平两者。众所周知,太阳能电池阵列特征以及由此相关的最大功率点电压由于温度、老化、福射、太阳能电池视界角、太阳强度等变化。因此,不得不考虑太阳能电池阵列功率的非最优传送。而且,具有S3R的优化功率传送校准可以仅实现按用于具有恒定电压电平的调节总线,而不用于存在某些电压变化的非调节(电池)总线。调节总线在低地球轨道卫星(LEO)中的使用受到电池放电调节器重量的阻碍,其尺寸和质量取决于掩食时间和轨道周期之间的比率。因此,电池总线常用于LEO卫星。因此,对于太阳能电池阵列特征和/或主总线电压会变化的任务(例如,外层空间任务或LEO任务),通过切换太阳能电池阵列调节器用能从太阳能电池阵列提取最大功率的最大功率点跟踪(MPPT-SAR)可以便捷地替换DET-SAR。MPPT-SAR包括连接在太阳能阵列和功率总线之间的DC/DC开关电压转换器。在总线功率需求低于来自太阳能电池阵列的可用功率时,开关电压转换器根据载荷需求调节注入到功率总线的电流,根据情况包括以其最大充电电流对电池充电。在总线功率需要高于太阳能电池阵列功率容量时,最大功率点跟踪器(MPPT)所驱动的开关电压转换器将其输入电压设置在使得来自太阳能电池阵列的功率提取最大的值VMP。在此情况下,电池处于放电模式,或者减弱的电池充电模式,而从不处于最大充电电流模式。文献FR 2885237和US 2007/0024257披露了特别适合空间应用的完全模拟最大功率点跟踪器。F. Tonicello 和 S. Vazquez del Real 的题为 “Maximum Power PointTrackerapproach to a regulated bus” 的文章提供了对 MPPT-SAR 的概述。迄今,在MPPT-SAR功率系统中使用了两种主要方法。根据第一方法,DC/DC开关电压转换器为降压转换器(典型地为“降压”类型),其中总线电压必须总小于太阳能电池阵列电压。目前,这是最常见的架构。根据第二方法,DC/DC开关电压转换器为升压转换器(典型地为“升压”类型),其中总线电压必须总大于太阳能电池阵列电压。升压MPPT-SAR的控制比降压SAR更困难,这是由于稳定问题,至少在传统“升压”转换器执行向上转换时,其传送函数呈现为右半平面零点(RHPZ)。参见以下文章P. Rueda 和 B. van der Weerdt 在 2005 年 5 月 9-13 日 'Proceedings of the 7thEuropean Space Power Conference, Stresa, Italy,题为 “Segregated maximum powerpoint tracking based on step-up regulation,,的文章。B. van der Weerdt 和 P. Rueda 在 2008 年 9 月 14-19 日、Proceedings of the8th European Space Power Conference, Constance, Germany,题为 “Quasi-conductancecontrol for step-up regulation,,的文章。F. Tonicello 在 2005 年 5 月 9-13 日、Proceedings of the 7th European SpacePower Conference, Stresa, Italy,题为“The control problem of maximum powertracking in power systems,,的文章。MPPT-SAR的主要缺点在于,开关电压转换器引入明显损耗(小百分比),这会完全抵消在最大功率点操作所提供的优势。而且,在太阳能电池阵列电压和总线电压之间的差增大时,SAR的效率降低MPP电压与总线电压相差越大,SAR的效率越低(对于升压和降压转换器都是这样)。结果,并且有些意外的是,MPPT功率系统的总效率会低于输送相同功率的S3R的效率,这主要是因为在所有部分连接到功率总线时S3R没有开关损耗的事实。实现MPPT-SAR的第三个方法包括使用SEPIC (单端初级电感器电路)DC/DC转换器。SEPIC为DC/DC转换器,包括单开关型降压或升压转换器-但是能够取决于所述开关运行的占空比将输入电压升高或降低(输入/输出电压比率等于50%占空比的输入/输出电压比率)。对于SEPIC转换器对MPPT-SAR的应用参见文献WO 2006/002380。使用SEPIC而不是传统降压或升压转换器的优势在于,不必确保任何时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员:F·托尼赛勒O·木尔拉
申请(专利权)人:欧洲空间局
类型:发明
国别省市:

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