本发明涉及一种用于蓄电池充电调节电路的保护电路，属于航天器蓄电池充电保护技术领域。
背景技术：
蓄电池作为近地航天器在轨运行的主要储能设备，目前其充电体制普遍采用多路太阳电池子阵分流调节方式和两段式的充电管理制度，一路充电调节电路开路失效意味着对应一路太阳电池充电子阵功率失控，其输出电流全部流入蓄电池造成蓄电池组过充电，损害蓄电池寿命和性能，影响航天器在轨任务完成度，甚至威胁航天器在轨运行安全。无论从电源系统稳定运行，保障供电可靠性，还是从提高航天器在轨运行寿命，维持航天器任务需求角度出发，都需要改善蓄电池充电电路的可靠性，避免蓄电池过充电的发生。
蓄电池充电电路失效已经成为影响航天器在轨任务和寿命的重要因素。对我国航天器电源系统在轨故障产生原因分析表明，由于蓄电池充电电路失效造成的故障约占近来年全部故障量的10％，对蓄电池充电路采取保护措施已经成为一种提高航天器电源系统可靠性和安全性的必要手段。
蓄电池充电普遍采用分流调节方式，广泛应用在近地轨道卫星、月球探测和火星探测等领域的国内外航天器上。通过文献调研可知，国内外对蓄电池充电调节电路开路的保护方式研究较少，国内航天器采取的蓄电池充电保护方式主要集中在防止充电电路短路方面，主要有以下方式：一是采用多个充电通路的冗余设计，通过充电子阵数量的设计余量增加以提高充电可靠性，二是采用充电电路主备份冗余设计，通过充电电路备份设计以提高充电可靠性，上述方式在实际工程应用上存在以下局限性：1.方法一仅适用于单路充电电路分流调节短路故障带来的充电功率损失故障处理，不适用于充电电路分流调节开路带来的蓄电池组过充故障处理；2.方式二不能够应对由于充电电路自身设计缺陷带来的共因开路失效故障，仅通过主备份切换不能够彻底消除故障影响。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种蓄电池充电调节电路的保护电路。
本发明的技术解决方案是：
一种蓄电池充电调节保护电路，包括：充电保护主电路、故障诊断电路和自主保护使能电路；
故障诊断电路监测蓄电池的充电调节通路的工作状态，并在充电调节通路工作异常时发送故障切除指令给自主保护使能电路，自主保护使能电路对接收到的所述故障切除指令进行通断控制，从而实现自主保护功能的使能或禁止；当自主保护使能电路处于自主保护禁止状态下，故障切除指令信号被自主保护使能电路切断，不能送至充电保护主电路；当自主保护使能电路处于自主保护使能状态下，故障切除指令信号通过自主保护使能电路送至充电保护主电路，充电保护主电路在接收故障切除指令信号后执行充电保护动作。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明这种可用于蓄电池充电调节的保护电路，实现了航天器在轨任务期间蓄电池充电电路的保护；保护主电路采用了保护开关与充电功率调节电路串联的方式，实现方式简单；设置了故障诊断电路，可以快速有效的检测故障情况、定位和切除故障通路；设置了自主保护使能开关，提供了自主保护和被动保护两种保护模式，在自主保护使能的前提下，故障诊断电路的保护信号才能够断开充电保护开关。在自主保护禁止状态，仅可通过地面发送遥控指令控制充电保护开关通断。
(2)本发明应用范围广，本发明的保护设计不仅可以应对单路充电调节开关器件失效故障，还可以应对单路充电驱动控制电路故障带来的异常处理，可以覆盖蓄电池充电调节电路的主要故障模式。
(3)本发明实现方式简便、控制方式灵活，本发明的保护设计可直接嵌入各类典型充电调节电路，并为各通路配置独立的故障诊断电路和控制电路，不改变原有电源充电控制拓扑和充电控制方式；设计了自主保护和被动保护两种保护模式，可根据实际需求进行模式切换。
(4)本发明的可靠性高，本发明采用物理隔离的电流采集方式，可实现故障诊断通路与充电主通路的完全隔离，保证充电的可靠性；并设计了自主保护功能退出机制，可以保证自主保护功能故障不影响充电调节电路的正常工作。
附图说明
图1为本发明蓄电池充电调节保护电路的原理图。
具体实施方式
蓄电池充电调节保护电路的主要功能是对蓄电池的充电调节电路进行保护，可避免充电调节电路分流管开路或其他故障引起的充电电流无法调整问题，实现在轨任务期间蓄电池充电保护。
如图1所示，本发明提出的一种蓄电池充电调节保护电路，包括：充电保护主电路、故障诊断电路和自主保护使能电路。
故障诊断电路对蓄电池充电电路工作状态进行监测，并在故障情况下发送故障切除指令从而实现故障实时识别和处理；每个故障诊断电路对应一路充电保护主电路，每个故障诊断电路具有蓄电池电压监测功能和充电电流检测功能，可以通过蓄电池电压和充电电流判断出该蓄电池充电调节电路的工作状态是否正常；当蓄电池电压高于设定值且充电电流高于设定值时，表明蓄电池容量充满但该蓄电池充电调节电路的充电电流未按设计值调整，判定为该充电通路故障，故障诊断电路输出高电平的故障切除信号到自主保护使能电路；在其他情况下，故障诊断电路均输出低电平，低电平信号不起控制作用。
自主保护使能电路对故障诊断电路的输出指令进行通断控制从而实现蓄电池充电保护模式的切换。当自主保护功能设置为禁止时，故障诊断电路输出的故障切除信号被自主保护使能电路切断，不能送至充电保护主电路；当自主保护功能设置为使能时，故障切除指令信号通过自主保护使能电路送至充电保护主电路，充电保护主电路在接收故障切除指令信号后执行充电保护动作。
充电保护主电路对蓄电池充电调节通路进行通断控制，充电保护主电路与蓄电池的充电调节电路数量一致；每个充电保护主电路在蓄电池充电调节电路输入端串联保护开关，充电电流测量采用的霍尔电流传感器与充电通路完全隔离，可以在不影响蓄电池充电调节电路正常工作的前提下实现该路太阳电池子阵功率输入的通断控制，从而保证了蓄电池充电的可靠性。充电保护主电路的保护开关通断动作可通过两种途径实现，一是通过地面发送的遥控指令，二是通过故障诊断电路输出的故障切除信号，其中故障诊断电路输出的故障切除信号受自主保护使能电路的约束，因此蓄电池充电电路可处于两种保护状态：自主保护状态、被动保护状态。
若蓄电池充电电路处于自主保护状态，当蓄电池充电电路发生蓄电池组充满但充电电流异常故障时，故障诊断电路检测到故障情况并发送故障切除信号，自主保护使能电路将故障诊断电路发出的故障切除信号送至充电保护主电路，充电保护主电路的保护开关关断，故障的充电通路断开，自主保护动作完成；若蓄电池充电通路处于被动保护状态，当蓄电池充电通路发生蓄电池组充满但充电电流异常故障时，故障诊断电路检测到故障情况并发送故障切除信号，自主保护使能电路将故障诊断电路发出的故障切除信号断开，不送至充电保护主电路，充电主电路保护开关不动作。若地面发送保护开关断开的地面遥控指令，则不论蓄电池充电电路处于何种保护状态，充电保护主电路均执行保护开关关断，断开该充电电路，完成被动保护动作。
如图1所示，充电保护主电路包括：磁保持继电器J1、三极管Q2、Q3、霍尔电流传感器H4、限流电阻R5和电源VCC41、VCC42、VCC43；充电保护主电路的数量与蓄电池的充电调节电路数量一致。
起保护功能的磁保持继电器J1串联在太阳电池阵输出隔离二极管D6负极与所述蓄电池的充电调节通路输入端之间，实现电流采集功能的霍尔电流传感器H4测量位置在太阳电池阵输出隔离二极管D6负极与磁保持继电器J1公共端之间，H4电源正输入端与电源VCC42相连，H4电源负输入端与电源VCC43相连，H4接地端接地，H4输出端输出表征蓄电池充电电流幅值的电压信号signal_3；
磁保持继电器J1的第一组线包正极和第二组线包正极相连后通过限流电阻R5与电源VCC41相连，第一组线包负极和第二组线包负极分别接收外部遥控指令；三极管Q2的集电极与磁保持继电器J1的第二组线包负极相连，三极管Q2发射极与三极管Q3集电极相连，三极管Q3发射极接地，三极管Q2的基极和Q3的基极相连后共同接收自主保护使能电路输出信号Signal_1。
充电保护主电路还可以包括隔离二极管D7和D8；隔离二极管D7和D8用于消除磁保持继电器J1线包反电动势，隔离二极管D7串接在磁保持继电器J1的第一组线包正负极之间，其中D7正极与J1的第一组线包负极相连；隔离二极管D8串接在磁保持继电器J1的第二组线包正负极之间，其中D8正极与J1的第二组线包负极相连。
如图1所示，故障诊断电路的数量与充电保护主电路数量一致，故障诊断电路包括运算放大器U11～U14、三极管Q15、Q16、隔离二极管D9、D10、限流电阻R21～R32、分压电阻R33～R36以及电源VCC45；运算放大器U11正输入端通过限流电阻R21串联在蓄电池正极，运算放大器U11输出端通过限流电阻R23与运算放大器U12正输入端相连，分压电阻R33和R34将电源VCC45电压分压后与运算放大器U12负输入端相连，U12输出端与三极管Q15基极相连，三极管Q15集电极与电源VCC45相连，Q15发射极通过限流电阻R26接地；
霍尔电流传感器H4输出的电压信号Signal_3输入到运算放大器U13正输入端，运放U13输出端通过限流电阻R29与运放U14正输入端相连，分压电阻R35和R36将电源VCC45电压分压后与运放U14负输入端相连，U14输出端与三极管Q16基极相连，三极管Q16集电极与电源VCC45相连，Q16发射极通过限流电阻R32接地；
隔离二极管D9负端与三极管Q15发射极相连，隔离二极管D10负端与三极管Q16发射极相连，隔离二极管D9正端和D10正端相连后通过限流电阻R27与电源VCC45相连并输出信号Signal_2给所述自主保护使能电路。
故障诊断电路还可以包括电阻R17～R20，起负反馈作用；电阻R17串联在运放U12负输入端和输出端之间，电阻R18串联在运放U14负输入端和输出端之间，电阻R19串联在运放U11负输入端和输出端之间，电阻R20串联在运放U13负输入端和输出端之间。
如图1所示，自主保护使能电路包括电源VCC44、磁保持继电器J40、限流电阻R37；磁保持继电器J40公共端与信号Signal_2相连，J40动作端输出信号Signal_1；磁保持继电器J40的第一组线包正极和第二组线包正极相连后通过限流电阻R37与电源VCC44相连，第一组线包负极和第二组线包负极分别接收外部遥控指令。
自主保护使能电路还可以包括隔离二极管D38和D39；隔离二极管D38和D39用于消除磁保持继电器J40线包反电动势，隔离二极管D38串接在磁保持继电器J40的第一组线包正负极之间，其中D38正极与J40的第一组线包负极相连；隔离二极管D39串接在磁保持继电器J40的第二组线包正负极之间，其中D39正极与J40的第二组线包负极相连。
本发明中涉及到五个VCC电源，且电源VCC41、VCC42、VCC43、VCC44和VCC45共地。
实施例：
如图1所示，充电保护主电路中，J1开关采用磁保持继电器，Q2、Q3为三极管，起分流作用，H4为霍尔电流传感器，SAS为太阳电池子阵，BAT为蓄电池。充电保护主电路由串联继电器开关、二极管、三极管和电阻组成。初始状态，继电器J1接通，三极管Q2、Q3关断。以J1所示磁保持继电器为例，1脚和2脚是第一组线包(线包a)，9脚和10脚则是第二组线包(线包b)。3、4、5脚和6、7、8脚分别组成两组触点开关，触点开关接通和断开动作分别由两组线包控制。为防止触点误动作，采用两组触点开关串联。其中3脚和6脚是公共触点，磁保持继电器正常工作时，3脚触点只能和同组开关的4脚和5脚触点中的一个相连，6脚触点同理，只能与7脚和8脚触点中的一个相连。线包a加电时，3脚触点和4脚触点相连，6脚触点和7脚触点相连；线包b加电时，3脚触点和5脚触点相连，6脚触点和8脚触点相连；若线包a和线包b同时加电，则线包a起作用。不妨假设磁保持继电器J1接到接通的遥控指令(J1_on)，则有电源作用于线包a的1脚和2脚，当脉冲电流由1脚进入从2脚流出时，触点开关动作，3脚触点和4脚触点相连，6脚触点和7脚触点相连，此时继电器闭合，充电通路接通。若假设磁保持继电器J1接收到断开的遥控指令(J1_off)，则有电源作用于线包b的9脚和10脚，当脉冲电流由9脚进入从10脚流出时，触点开关动作，3脚触点和5脚触点相连，6脚触点和8脚触点相连，此时继电器断开，充电通路断开，被动保护功能生效。若假设充电保护主电路接收到故障切除信号(Signal_1)，则三极管Q2和Q3导通，有电源作用于线包b的9脚和10脚(12V)，3脚触点和5脚触点相连，6脚触点和8脚触点相连，此时继电器断开，充电通路断开，主动保护功能生效，随后Signal_1转为低电平。
霍尔电流传感器H4采用电压模式供电，引脚1、3为电源输入端，引脚2为霍尔电压输出端，引脚4为接地端；实现电流采集功能的霍尔电流传感器H4测量位置在太阳电池阵输出隔离二极管D6负极与磁保持继电器J1公共端之间，H4电源正输入端与电源VCC42相连，H4电源负输入端与电源VCC43相连，H4接地端接地，H4输出端输出表征蓄电池充电电流幅值的电压信号signal_3。限流电阻R5阻值取100Ω，电源VCC41电压为+28V，电源VCC42电压为-12V，电源VCC43电压为+12V。
若充电通路发生故障，则会引起该路太阳电池子阵电流全部供给蓄电池，造成蓄电池过充，严重损害蓄电池性能。当出现上述故障时，可通过地面发送遥控指令J1_off或在自主保护功能使能前提下自主接收故障切除指令Signal_1，断开磁保持继电器J1，从而断开该路太阳电池子阵至蓄电池的功率通路，彻底断开该充电通路。
故障诊断电路用于蓄电池充电故障识别和处理，如图1所示。故障诊断电路中，VCC45为电源，U11为电压采样芯片LM158，封装形式为DIP-8，单片集成2路运算放大电路(以下简称“运放”)。3脚为正输入端，2脚为负输入端，1脚为输出端。理想的集成运放正常工作时，2脚和3脚电压相等，称之为“虚短”；灌入芯片内部的电流为零，称之为“虚断”。以U11为例，根据“虚短”则2脚电压等于3脚电压，因为1脚与2脚相连后电压相等，所以1脚电压等于3脚电压，实现了信号采样和放大功能。U12和U14为比较器LM108，封装形式为DIP-8，单片集成2路比较电路，正输入端3脚，负输入端2脚，输出端1脚。如果2脚电压高于3脚电压，则比较器输出低电平，反之则输出高电平。U13为信号放大器LM324，封装形式为DIP-8，单片集成2路运算放大电路。3脚为正输入端，2脚为负输入端，1脚为输出端，增强输入信号。Q15和Q16为三极管，起信号放大作用。D9和D10为隔离二极管，与电源VCC45组成与门逻辑电路，输出信号Signal_1，D9和D10输入信号均为高电平，Signal_1输出高电平，D9和D10输入信号在其他电平组合情况Signal_1均为低电平。若假设蓄电池电压高于设定值，充电电流高于设定值，则比较器U12、U14均输出高电平，三极管Q15、Q16导通，均输出高电平，此时故障诊断电路输出高电平，即发出故障切除的保护指令。若假设蓄电池电压和充电电流两者均低于或任一低于设定值，则故障诊断电路输出低电平，对充电保护主电路不起作用。R21～R32为限流电阻，其中R21、R23、R29阻值取100Ω，其余限流电阻阻值取1kΩ；R33～R36为分压电阻，阻值范围为1kΩ～5kΩ；R17～R20为反馈电阻，阻值5.1kΩ；电源VCC45电压为+12V。
自主保护使能电路用于使能或禁止充电自主保护功能，保护使能电路中，J40开关采用磁保持继电器。初始状态，继电器J40断开，自主保护使能电路无输出。假设发送自主保护使能指令(J40_on)，继电器J40触点开关动作，3脚触点和4脚触点相连，6脚触点和7脚触点相连，接通故障诊断电路发送的故障切除信号传输通路，此时故障切除信号可输出至充电保护主电路；若发送自主保护禁止指令(J40_off)，继电器J40的3脚触点和5脚触点相连，6脚触点和8脚触点相连，断开故障诊断电路发送的故障切除信号传输通路，此时故障切除信号被切断，不能送至充电保护主电路。D38和D39为继电器线包消反电动势二极管；R37为限流电阻，阻值取1kΩ；电源VCC45电压为+28V。
工作原理：
本发明电路包括充电保护主电路、故障诊断电路、自主保护使能电路；故障诊断电路在检测到蓄电池充电调节电路工作状态异常后发送故障切除信号至自主保护使能电路；自主保护使能电路对故障诊断电路输出的故障切除信号进行约束，在自主保护使能状态，自主保护使能电路输出控制信号，在自主保护禁止状态，自主保护电路不输出；充电保护主电路在接收自主保护使能电路输出的控制信号后，关断串联在蓄电池充电调节电路输入端的保护开关，完成自主保护动作；此外，充电保护主电路还可接收地面发送的遥控指令，关断串联在蓄电池充电调节电路输入端的保护开关，完成被动保护动作。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。