关键字 |
| 双向控制，电池管理系统，调节器，电池充电调节器，电池放电调节器。 |
介绍 |
| 任何航天器的主要动力来源都是太阳能电池板，因为它在太空中大量可用，与其他潜在的主要来源相比，它的转换过程很容易。太阳能阵列系统通常与可充电电池相结合作为二次电源，在日食期间提供负载。该系统也被称为光伏电池系统。光伏电池的工作原理是光电效应，即通过光伏电池中使用的半导体材料吸收光(光子)来发电。太阳能电池阵列产生的直流电压取决于太阳辐射能的可用性;光伏电池接收到的能量随与太阳距离的平方而变化。PV电池排列在串并联组合中以获得所需的电压和电流。在太阳辐射存在的情况下，太阳能阵列为电源总线供电，电源总线是连接到它的负载的源，同时为电池充电。当日食发生时，PV电池处于阴影下，这相当于没有输入源。在这种情况下，先前充电的电池将开始为电源总线供电。 |
相关工作 |
| 在有阳光的情况下，由于照度的变化，输入电压是一个变量。为电池充电提供了一个调节电压，这是由电池充电调节器[1]完成的。从VBUS >VBAT开始，它必须降压以匹配电池电压。得到的输出电压应该总是小于应用的输入，用于此目的的DC-DC变换器是Buck变换器。因此，电池充电调节器实现了降压转换器的功能。在日食期间，太阳能电池阵列的输入将不可用。电池为总线服务，由于VBAT < VBUS;VBAT必须提高或提升到母线电压水平。这是由电池放电调节器[1]完成的。 |
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| 图1，显示了传统的全调节总线架构，其中电池充电调节器和放电调节器是单独的单元。通过将其组合在一个拓扑中，减少了模块的空间和成本。在论文[3]中，解释了使用两个开关和两个电感的六种不同的双向变换器拓扑结构，其中六种配置中的一种可以用作双向BCR/BDR。本文考虑了VBAT >VBUS和VBAT < VBUS两种情况。 |
提出拓扑 |
| 为了实现电池充放电调节器在单一拓扑中的操作，双向DC-DC变换器与太阳能电池阵列和电池串联，如图2所示。在输入端，太阳能阵列的串串与每串串上的分流开关并行连接。母线电压必须保持在恒定的28V电压。 |
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| 图2显示了采用双向BCR/BDR电路的全调节总线。假设VBUS为>VBAT为此电路。电源总线将连接到各种负载，电池是其中一种负载。但本文只关注电池部分。没有固定的输入端和输出端，在BDR模式下，电池是输入端，电源总线是输出端。在BCR模式下，太阳能电池阵列的输入和电源总线，电池是输出。该电路由两个开关和一个感应器组成。开关转换器的操作由PWM控制器IC控制。如图3所示的uc2825 PWM IC用于控制开关转换器。uc2825是一个高频PWM控制器;工作频率可设置为1MHz，并与电压模式或电流控制模式技术兼容。 In voltage control mode, the dc output voltage is the feedback signal and it will be compared with the predetermined dc voltage reference and the difference of these two signals gives rise to amplified error signal. A control signal is generated and it controls the pulse width of the gate pulses. Therefore, the conduction time of the switches is controlled by varying the duty cycle. The closed loop operation takes care of the conduction time of the switches in both the modes. The operating frequency is programmed to desired value by connecting appropriate values of timing capacitor CT and timing resistor RT [2]. This IC has two regulated output ports OUT A and OUT B. the special feature of the IC are the integrated error amplifier, soft start current mode control. The duty cycle that can obtain at each output pins is max of 50%. The pin diagram of the IC is as shown in figure 3: |
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| 在OUT A处获得的PWM脉冲用于驱动开关。开关的选择使其能够允许电流在两个方向上流动。n通道mosfet被用作电源开关。PWM输出连接到变压器的一次端，二次端作为栅极连接以驱动开关。分流开关的驱动是通过补充OUT A来获得的。 |
| A.电池放电调节器型号 |
| 最初它被认为是太阳能阵列输入是不存在的，因为太阳能电池板还没有部署。电池为负载服务，直到太阳能阵列输入可用。在BDR模式下，电池电压VBAT被提升到VBUS水平。该模式下串联开关Q1为开，并联开关Q2为关。 |
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| 电池是输入源，总线是负载。C2为输入电容，C1为输出电容。电感器在BCR和BDR中都很常见。L1是输入电感。图4a为开关Q2“on”时BDR的工作情况，电池电流IBAT流过电感L1，以磁场的形式储存能量。电感电压将等于输入电压。 |
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| 图4b显示了开关Q2“关”时的BDR操作，存储在电感器中的能量和输入能量一起形成输出电压。负载由输入源和存储在电感器L1中的能量提供。来自电感和输入的能量通过二极管传递到负载，因为二极管在这段时间内会正向偏置 |
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| Vbus = vl + vbat .........................(2) |
| 电池电压范围为18-24V，升压至28V。给出VBUS作为反馈信号，并通过在分压器上选择适当比例的电阻来调节。 |
| B.电池充电调节器型号 |
| 在阳光照射条件下，太阳能电池阵列提供负载所需的必要电力，并为电池充电。由于VBUS>VBAT，总线电压降低了一些值，以匹配电池的要求。这是由电池充电调节器(BCR)完成的。在BCR模式下，串联进行，分流开关保持打开状态。 |
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| 图5a显示了开关Q1“on”时BCR的工作，输入电流通过L1流向电池。L1以吨为单位储存能量。 |
| VL= VIN-VBAT............ (iii) |
| 六世= -VBAT ..............(iv) |
| 图5b显示了当Q1“关闭”时BCR的工作，输入缺失，能量存储在电感飞轮中，通过电路和源负载。(iv)式中负号表示电流流向，(iv)式中负号表示电流流向，(iv)式中负号表示电流流向。 |
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| 太阳能电池阵列有两种负载，即电源总线和电池。输入电流由总线IBUS和电池IBAT共享。如果仅靠太阳能电池阵列无法满足负载要求，则电池开始与太阳能电池阵列输入一起支持负载。在这种情况下，即使有阳光，电池也处于放电模式。 |
实验结果 |
| 规格:VBUS = 28V, VBAT=18-24V, f=100 KHz, L1= 78μH, C1=168μF & C2= 86μF, Q1, Q2= n沟道MOSFET。 |
| PWM输出在IC的引脚11 (OUT A)和引脚14 (OUT B)处获得。为了获得PWM脉冲，通过连接定时电阻RT =3.9KΩ和定时电容CT= 2.2F编程所需的频率。每个输出的最大占空比可达50%，图6所示波形的占空比约为45%，幅度为12V，工作频率为100 KHz。输出波形之间有180度的相移。图6显示了两个输出引脚的PWM输出。 |
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| 图7显示了电感电压VL和电感电流IL波形。当开关Q1“开”时，电流开始流过电感器，在TON持续时间内观察到电感器电压VL，在TOFF持续时间内，二极管电压下降约0.4V出现在电感器上，这可以忽略不计，几乎等于零。电感电流波形是输出电流与电流纹波的和。纹波是由于充电和放电的行动的能量储存在电感。 |
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| 在图8中，以电感电压波形为参考，表明二极管在TOFF时间内导电。在TON持续时间内，Q1导通，二极管处于反向偏置状态。因此，在TON条件下，二极管不导电，从上面的波形观察到，二极管仅在TOFF持续时间内导电。 |
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| 图9显示了开关电流波形。开关在TON期间导通，在TOFF期间打开。电感电压VL作为比较“开”和“关”时间持续时间的参考。 |
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| 图10显示了串联开关和并联开关的Gate驱动器的波形。驱动q1的串联开关占空比约为75%，驱动Q2的分流开关占空比约为23%。占空比不必是常数或固定的;它可以改变，以确保在输出处获得一个调节电压。直流电平是指日食时电池流出的电流为正，表示电池处于放电状态。 |
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| 图11显示了栅极驱动器，电流流出电池和电池放电调节器的电感电流。从图中可以明显看出，分流开关“开”时电感电流逐渐增大，开关“关”时电流减小。 |
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| 图12显示了电感电流IL和电池电流IBAT的极性变化。当太阳能电池阵列输入可用时，来自电池的电流贡献减少，随着太阳能电池阵列输入的增加，它能够为电源总线服务以及为电池充电。电池电流IBAT的负极性表示电池已进入充电模式。电感电流极性显示工作方式已改变;电池放电调节器现在将执行电池充电调节器的功能 |
结论及未来范围 |
| 以前，单独的电池充放电调节器用于充放电管理。本文将实现BCR/BDR在同一变换器拓扑结构下单独组合运行的优势。由于该系统是闭环工作的，因此具有较高的效率和可靠性。作为输入施加到调节器的电压通常是可变的，但高于航天器所需的恒定母线电压。调节器将多余的电能转换成热量，再辐射到太空中。本文实现了BCR/BDR在同一变换器拓扑结构下联合运行的优点。因此，开发的模块需要更少的组件，更少的空间，更少的制造成本和更少的测试时间。从而完全降低了航天器的发射成本。实现了一个PWM控制器来控制BDR和BCR的操作。可以设计和实现更高额定功率的动力总线。 |
确认 |
| 在我完成这个项目工作的路上，我想对那些直接或间接参与这个项目并使这个项目成为可能的人表示感谢。 |
| 我想对我的指导老师，Usha P博士表示深深的感谢，她是班加罗尔电子与电气学院的教授，在这两年的学位学习中，她一直是我的灵感来源，并给予了她宝贵的指导和建议。 |
| 我还要特别感谢班加罗尔达亚南达萨加尔工程学院(D.S.C.E)的所有教学和非教学人员。 |
| 我要衷心感谢我亲爱的父母在这个项目的过程中对我精神上和精神上的支持。 |
参考文献 |
- Mukund。R. Patel: â '  '航天器动力systemsâ '  '， CRC出版社，美国2005。
- UC 2825 Datasheet
- J. Calvente, L. Martinez-Salamero, P. Garces, R. Leyva和A. cape1电子工程部门，电气自动化，阿尔卡特空间工业:â '  '电池充放电双向拓扑的动态优化Satellitesâ '  '， 0-7803-7067-8/01/$10.00 02001 IEEE，页1994-1999。
- www.ti.com
- www.irf.com
- www.mag-inc.com
- www.en.wikipedia.org
- S.H.Weinberg1, a.s lopez2,2CRISA S.A-马德里-西班牙，â ' ”卫星双向BDR/BCR applicationsâ ' ”，第五届欧洲空间力量会议论文集，西班牙，Tarragona, 1998年9月21-25日，ESA SP-416, 1998年9月，第27-32页。
- n .汉T。UndelandRiobbins，电力电子-转换器，应用和设计，- Wiley â '  '印度版。
- David A Bell，运算放大器和线性集成电路，第二版。
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