一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，该装置由功率调节电路与最大功率跟踪控制调节电路组成。功率调节电路包括有升降压电路和充放电双向电路。最大功率跟踪控制调节电路包括有电源自动切换单元(1)、保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)。本发明专利技术装置具有最大功率跟踪、分布式和电源重构等功能。同时能够实现升降压、全调节母线和具有高功率密度的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电源变换器，更特别地说，是指一种针对平流层浮空器使用的分布式电源功率调节电路与最大功率跟踪控制电路，简称为分布式高功率密度电源变换装置。
技术介绍
浮空器是一种采用航空飞行器设计思路，一般具有较大的气囊，充满轻质气体(一般是指比重轻于空气)，依靠浮力升空的飞行器。近年来，平流层浮空器以其驻空时间长、运行成本低、安全性好等优点，在高分辨率观测和监视、预警探测、通信保障等方面应用潜力巨大，已成为各国研究的热点。平流层浮空器要想实现长时间驻空停留，需要持续的电源系统提供动力，电源系统包括柔性薄膜太阳能电池阵、高比能蓄电池组以及电源控制器。目前世界范围内还没有长期驻空的平流层浮空器的相关飞行或试验报道，因此对平流层浮空器的电源管理也没有成熟的技术方案，基本参考卫星电源管理方案，崔波等人在2010年11月第19卷第6期《航天器工程》公开了“Galileo导航卫星电源技术概述”，文中提到了目前大部分卫星采用的电源管理拓扑，采用集中式供电管理、能量直接传递(非最大功率跟踪)、纯升压或纯降压、充电模块(BCR)和放电模块(BDR)单独控制和处理。柔性薄膜太阳能电池一般放在平流层浮空器的顶部，蓄电池组和电源控制器集中放在平流层浮空器底部的吊舱内。由于平流层浮空器功率巨大(从几十千瓦至几百千瓦)造成功率传输线径较粗和平流层浮空器囊体较大导致走线特别长，最终导致功率在传输过程中损耗较大。平流层浮空器一般采用聚合物蒙皮制成，表面呈曲面，不能采用普通常规呈刚性的硅或砷化镓太阳能电池，只能使用具有柔性薄膜太阳能电池，但柔性薄膜太阳能电池发电效率较低，因此造成平流层浮空器的电源使用较紧张。柔性薄膜太阳能电池铺装面积很大和蒙皮表面具有一定的弧度，不同区域的太阳能电池阵最大功率点也不同，此时若采用类似卫星电源集中供电的拓扑结构形式，容易造成较大的电源浪费，不能满足浮空器对电能需求；同时针对平流层浮空器的高压大功率电源系统的控制及最大功率跟踪的研究也较少。
技术实现思路
针对上述需求和现有技术不足，本专利技术针对平流层浮空器使用的分布式电源，设计了功率调节电路与最大功率跟踪控制调节电路，即分布式高功率密度电源变换装置。本专利技术设计的分布式高功率密度电源变换装置是一种分布式电源集中控制的拓扑结构，具有最大功率跟踪、分布式和电源重构等功能；同时，本专利技术装置能够实现升降压和全调节母线和具有高功率密度的特点。本专利技术设计了一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：该装置由功率调节电路与最大功率跟踪控制调节电路组成；功率调节电路包括有升降压电路和充放电双向电路；最大功率跟踪控制调节电路包括有电源自动切换单元(1)、保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)；功率调节电路分别与驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)、最大功率跟踪单元(7)、柔性薄膜太阳能电池阵、锂电池组和负载连接；电源自动切换单元(1)分别与保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)连接。本专利技术的功率调节电路中通过开关互为备份，且功率调节电路中通过开关能够实现故障隔离和切换。本专利技术的最大功率跟踪控制调节电路中输出恒压、输出恒流、最大功率闭环及保护电路自动切换，以及升压电路和降压电路采用同一组闭环控制电路，以此降低最大功率跟踪控制的复杂度。在最大功率跟踪控制调节电路中，一方面当与存在差值的情况下，则选取电压误差信号另一方面当与存在差值的情况下，则选取电流转换后的电压误差信号则需要将与作比，选较小的误差值将作为闭环电路的PWM控制信号；在最大功率跟踪模式下，电源的输入最大功率点对应的输入电压由给定目标电压VMPPT-REF控制，此时最大功率点对应的电压差值|VMPPT-REF-VMPPT-BACK|接近于零，电压环和电流环差值都较大；在恒压模式下，电源的输出电压由给定的目标电压控制，此时电压环电压差值接近于零，最大功率跟踪环和电流环的电流差值都较大；在恒流模式下，电源的输出电流由给定的目标电流控制，此时电流环电压差值接近于零，最大功率跟踪环和电压环的电压差值都较大。本专利技术设计的分布式高功率密度电源变换装置的优点在于：①本专利技术的功率调节电路采用改进的升降压电路拓扑，比单升压或单降压电路拓扑能够提高变换效率，同时能够更好的满足太阳能电池阵的串并联优化设计。②本专利技术功率调节电路将充电单元和放电单元拓扑结构合并成一个拓扑结构，能够更好的提高电源的功率密度和比重量。③本专利技术最大功率跟踪控制电路采用分布式电源管理和模块化设计思想，能够大大减少线损，提高效率和提高能源系统的可靠性。④本专利技术控制电路采用复合自动切换电路，包括输出恒压、输出恒流、最大功率闭环及保护电路自动切换，同时采用同一组闭环控制系统，降低了控制的复杂度。附图说明图1是本专利技术设计的分布式高功率密度电源变换装置的结构框图。图2是本专利技术设计的功率调节电路的原理图。图2A是本专利技术功率调节电路实现升压调节的原理图。图2B是本专利技术功率调节电路实现降压调节的原理图。图2C是本专利技术功率调节电路实现直通调节的原理图。图2D是本专利技术功率调节电路实现充电模式的原理图。图2E是本专利技术功率调节电路实现放电模式的原理图。图3是本专利技术最大功率跟踪控制电路中的控制单元的电路原理图。图3A是本专利技术最大功率跟踪控制电路中的PWM控制单元的电路原理图。图3B是本专利技术最大功率跟踪控制电路中的驱动单元的电路原理图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。参见图1所示，本专利技术是一种针对平流层浮空器使用的分布式电源的功率调节电路与最大功率跟踪控制电路，简称为分布式高功率密度电源变换装置。所述功率调节电路包括有升降压电路和充放电双向电路。所述最大功率跟踪控制调节电路包括有电源自动切换单元1、保护电路闭环调节单元2、PWM控制器3、驱动单元4、输出恒压闭环调节单元5、输出恒流闭环调节单元6和最大功率跟踪单元7。功率调节电路分别与驱动单元4、输出恒压闭环调节单元5、输出恒流闭环调节单元6、最大功率跟踪单元7、柔性薄膜太阳能电池阵、锂电池组和负载连接。电源自动切换单元1分别与保护电路闭环调节单元2、PWM控制器3、输出恒压闭环调节单元5、输出恒流闭环调节单元6和最大功率跟踪单元7连接。功率调节电路在本专利技术中，功率调节电路第一方面用于实现对柔性薄膜太阳能电池阵的功率进行升降压调控；第二方面用于实现对蓄电池组进行充放电的双向调节；第三方面用于实现对母线的调节。如图2所示本专利技术设计的功率调节电路，通过改进的四开关Buck/Boost电路连接到负载端(即R1、R2、……、Rn)，柔性薄膜太阳能电池阵分为多个独立的太阳能电池子阵列(即P1、P2、……、Pn)，临近两个独立的太阳能电池子阵列之间通过开关(即S1-1、S2-1、……、Sn-1)互为备份，改进的四开关Buck/Boost电路输出端通过开关(即S1-1、S2-1、……、Sn-1)能够实现故障隔离，无故障情况下开关(即S1-1、S2-1、……、Sn-1)默认为关闭状态，故本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：该装置由功率调节电路与最大功率跟踪控制调节电路组成；功率调节电路包括有升降压电路和充放电双向电路；最大功率跟踪控制调节电路包括有电源自动切换单元(1)、保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)；功率调节电路分别与驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)、最大功率跟踪单元(7)、柔性薄膜太阳能电池阵、锂电池组和负载连接；电源自动切换单元(1)分别与保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)连接。

【技术特征摘要】
1.一种适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：该装置由功率调节电路与最大功率跟踪控制调节电路组成；功率调节电路包括有升降压电路和充放电双向电路；最大功率跟踪控制调节电路包括有电源自动切换单元(1)、保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)；功率调节电路分别与驱动单元(4)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)、最大功率跟踪单元(7)、柔性薄膜太阳能电池阵、锂电池组和负载连接；电源自动切换单元(1)分别与保护电路闭环调节单元(2)、PWM控制器(3)、输出恒压闭环调节单元(5)、输出恒流闭环调节单元(6)和最大功率跟踪单元(7)连接。2.根据权利要求1所述的适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：功率调节电路中通过开关互为备份，且功率调节电路中通过开关能够实现故障隔离和切换。3.根据权利要求1所述的适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：最大功率跟踪控制调节电路中输出恒压、输出恒流、最大功率闭环及保护电路自动切换，以及升压电路和降压电路采用同一组闭环控制电路，以此降低最大功率跟踪控制的复杂度。4.根据权利要求1所述的适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：在最大功率跟踪控制调节电路中，一方面当与存在差值的情况下，则选取电压误差信号另一方面当与存在差值的情况下，则选取电流转换后的电压误差信号则需要将与作比，选较小的误差值将作为闭环电路的PWM控制信号；在最大功率跟踪模式下，电源的输入最大功率点对应的输入电压由给定目标电压VMPPT-REF控制，此时最大功率点对应的电压差值|VMPPT-REF-VMPPT-BACK|接近于零，电压环和电流环差值都较大；在恒压模式下，电源的输出电压由给定的目标电压控制，此时电压环电压差值接近于零，最大功率跟踪环和电流环的电流差值都较大；在恒流模式下，电源的输出电流由给定的目标电流控制，此时电流环电压差值接近于零，最大功率跟踪环和电压环的电压差值都较大。5.根据权利要求1所述的适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：功率调节电路由升降压电路和充放电双向电路组成；其中，结构相同的升降压电路的组数是由柔性薄膜太阳能电池阵分组数决定的；第一组升降压电路由二极管D1-1、电容C1-1、电容C1-2、电感L1-1、场效应管Q1-1、场效应管Q1-2、场效应管Q1-3、场效应管Q1-4、场效应管Q1-5、开关S1-1和开关S1-2组成；第二组升降压电路由二极管D2-1、电容C2-1、电容C2-2、电感L2-1、场效应管Q2-1、场效应管Q2-2、场效应管Q2-3、场效应管Q2-4、场效应管Q2-5、开关S2-1和开关S2-2组成；第n组升降压电路由二极管Dn-1、电容Cn-1、电容Cn-2、电感Ln-1、场效应管Qn-1、场效应管Qn-2、场效应管Qn-3、场效应管Qn-4、场效应管Qn-5、开关Sn-1和开关Sn-2组成；所述充放电双向电路由电容C1-3、电容C1-4、电感L1-0、场效应管Q1-6、场效应管Q1-7组成；太阳能电池组P1经二极管D1-1连接到场效应管Q1-1的漏极D端，且二极管D1-1的一端经开关S1-1与第二组升降压电路中的二极管D2-1的一端连接；电容C1-1的一端与场效应管Q1-2的漏极D端连接，且场效应管Q1-2的漏极D端与场效应管Q1-1的漏极D端连接；电容C1-1的另一端与场效应管Q1-3的源极S端连接，且场效应管Q1-3的漏极D端与电感L1-1的一端连接；电感L1-1的另一端与场效应管Q1-4的源极S端和场效应管Q1-5的漏极D端连接；场效应管Q1-4的漏极D端与场效应管Q1-1的源极S端连接；电容C1-2的一端与场效应管Q1-1的源极S端连接，电容C1-2的另一端与场效应管Q1-5的源极S端连接；场效应管Q1-1的源极S端经开关S1-2连接到负载R1上；太阳能电池组P2经二极管D2-1连接到场效应管Q2-1的漏极D端，且二极管D2-1的一端经开关S2-2与第n组升降压电路中的二极管Dn-1的一端连接；电容C2-1的一端与场效应管Q2-2的漏极D端连接，且场效应管Q2-2的漏极D端与场效应管Q2-1的漏极D端连接；电容C2-1的另一端与场效应管Q2-3的源极S端连接，且场效应管Q2-3的漏极D端与电感L2-1的一端连接；电感L2-1的另一端与场效应管Q2-4的源极S端和场效应管Q2-5的漏极D端连接；场效应管Q2-4的漏极D端与场效应管Q2-1的源极S端连接；电容C2-2的一端与场效应管Q2-1的源极S端连接，电容C2-2的另一端与场效应管Q2-5的源极S端连接；场效应管Q2-1的源极S端经开关S2-2连接到负载R2上；太阳能电池组Pn经二极管Dn-1连接到场效应管Qn-1的漏极D端，且二极管Dn-1的一端经开关Sn-1与该组升降压电路的前一组升降压电路中的二极管的一端连接；电容Cn-1的一端与场效应管Qn-2的漏极D端连接，且场效应管Qn-2的漏极D端与场效应管Qn-1的漏极D端连接；电容Cn-1的另一端与场效应管Qn-3的源极S端连接，且场效应管Qn-3的漏极D端与电感Ln-1的一端连接；电感Ln-1的另一端与场效应管Qn-4的源极S端和场效应管Qn-5的漏极D端连接；场效应管Qn-4的漏极D端与场效应管Qn-1的源极S端连接；电容Cn-2的一端与场效应管Qn-1的源极S端连接，电容Cn-2的另一端与场效应管Qn-5的源极S端连接；场效应管Qn-1的源极S端经开关Sn-2连接到负载Rn上；在充放电双向电路中，电容C1-3的一端与场效应管Q1-6的漏极D端连接，电容C1-3的另一端与场效应管Q1-7的源极S端连接；场效应管Q1-6的源极S端分别与电感L1-0的一端和场效应管Q1-7的漏极D端连接；电容C1-4的一端与电感L1-0的另一端连接，电容C1-4的另一端与场效应管Q1-7的源极S端连接；同时电感L1-0的另一端连接到锂电池组B的正极，电容C1-3的另一端、场效应管Q1-7的源极S端和电容C1-4的另一端连接到锂电池组B的负极。6.根据权利要求1所述的适用于平流层浮空器用分布式高功率密度电源变换装置，其特征在于：最大功率跟踪控制电路中的运算放大器选用TL084芯片，继电器选用AGQ20006芯片，脉宽调制器选用SG2525A芯片，门驱动光电耦合器选用HCPL-316J芯片；最大功率跟踪控制调节电路中各引脚的连接方式如下：反馈电压信号Uo的信号端一方面经电阻R1-2连接到运算放大器U1A的2脚，另一方面经电阻R1-15连接到运算放大器U4A的2脚；目标电压信号Ug的信号端一方面经电阻R1-3连接到运算放大器U1A的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐国宁，李兆杰，杨燕初，高阳，苗颖，刘乾石，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11