一種新型的充放電及分流一體化空間電源控制技術

蔡曉東 何小斌 張明 林文立

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2 上海空間電源研究所，上海 200245）

1 引言

為了降低發射成本、提升發射效益，各國航天部門采用如增大火箭承載能力、衛星平臺、載荷輕量化設計［1］等措施，從而保證一次發射任務可裝載更多的有效載荷。電源系統作為衛星平臺的重要組成部分，其質量約占衛星總重的10%～30%，因此電源系統的輕量化、集成化成為關注的重點［2］，其中，采用高集成化的電源控制器［4］是最有效的手段之一。為了實現電源控制器高效化、輕量化、模塊化的設計，國內外紛紛研究具有集成化、易于擴展特性的電源系統拓撲，如順序開關分流調節技術（Sequential Switching Shunt Regulator，S3R）［3］、順序開關分流串聯調節技術S4R（Series Sequential Switching Shunt Regulator）［4］、電池充放電一體化（Battery Charge Discharge Shunt Regulator，BCDSR）［5-6］等，BCDSR 是目前研究的熱點。

本文首先對BCDSR 的拓撲結構進行了選擇，并對蓄電池充電調節器（BCR）、蓄電池放電調節器（BDR）兩種狀態下的工作波形以及BCDSR 供電系統效率進行了介紹，然后對BCDSR 電路分別在蓄電池放電和充電模式進行了建模仿真，最后對BCDSR供電系統進行了電路設計和控制芯片選型，并給出了結論。

2 BCDSR 拓撲結構設計與仿真

BCDSR 是歐洲航天局（ESA）基于電源系統集成化設計提出的一類功率拓撲結構，它與以往的S3R、S4R 等方式不同，能在蓄電池誤差放大器、母線誤差放大器和開關控制單元的控制下，實現分流調節器（SR）、BCR 和BDR 三種功能，非常適合于鋰離子蓄電池充放電一體化控制。本文在對現有的各種功率拓撲結構分析的基礎上，通過優化改進，設計出最便于鋰離子電池充放電一體化、且適用性強的最優功率調節拓撲結構。

2.1 BCDSR拓撲結構

2.1.1 BCDSR 拓撲結構選擇

空間應用的鋰離子電池組充放電一體化供電系統，一般需要滿足三個條件：①充電方式是降壓充電，②不會導致蓄電池組對地短路，③要同時滿足太陽電池分流、蓄電池組充電和蓄電池組放電功能。

圖1為幾種鋰離子電池組充放電一體化拓撲結構框圖，其中圖1（a）為傳統的BCDSR 拓撲結構，其主要的優點就是電池的電壓可以低于母線電壓，但是，這種結構不能實現對地的分流功能。其主要原因是在B點對地的短路會導致電池組電壓通過S1的體二極管對地短路。圖1（b）為帶SR 功能的BCDSR 拓撲結構，增加的SR 功能模塊背離了研究BCDSR一體化的初衷，另外，其充電效率也會降低。圖1（c）為零紋波丘克（Cuk）電路的BCDSR 拓撲結構，可以實現升降壓功能，對電池的選擇非常有利，其主要缺點就是輸入輸出極性正好相反，這在系統設計中是不允許的，而且Cuk拓撲結構在SR 運行的情況下，鋰離子蓄電池組存在一定的沖擊電流，這會影響蓄電池的壽命和可靠性，對電源系統而言是個致命的缺點。圖1（d）為改進的BCDSR 拓撲結構，這種拓撲結構工作于充放電狀態時，開關管零電流開通，取得同步整流的效果，體二極管D1、D2都是自然導通和關斷，因此能夠很好地改善電路性能，并且太陽電池陣直接給蓄電池充電，提高了系統充電效率。通過以上比較分析，確定圖1（d）為最優拓撲結構；前3種充放電一體化拓撲結構均無法滿足空間應用的實際需求，第4種為最優拓撲結構。

圖1 幾種鋰離子電池組充放電一體化拓撲框圖Fig.1 Some Li-ion battery charge and discharge shunt regulator toplogy

BCDSR 主電路拓撲結構如圖2所示。

圖3是BCDSR 拓撲結構中電感在不同模式下的電流變化情況。可見，在Buck模式下，流經功率電感L1的平均電流為正，在Boost模式下，流經L1的平均電流為負。

圖2 BCDSR 主電路拓撲結構Fig.2 BCDSR power circuit topology map

圖3 不同模式下電感L1 電流變化情況（一個工作周期）Fig.3 Current of inductance in deferent mode

2.1.2 BDR 狀態工作波形

BCDSR一體化供電系統在BDR 狀態時電路為Buck降壓工作模式，如圖4所示。能量由A 傳送到B，提供給負載的電流等于Ⅰ1＋Ⅰ2，Ⅰ1、Ⅰ2的紋波電流很小，模塊可以根據ⅠSA的大小自動調節放電電流維持母線平衡，最有效的是反饋母線電壓，調節占空比D維持母線電壓恒定。由于穩態情況下，電感的伏秒值是平衡的，所以該電路的輸入輸出電壓比為

圖4 BCDSR 主電路BDR 工作模式電流流向Fig.4 Direction of current in BDR mode of BCDSR power circuit

2.1.3 BCR 狀態工作波形

工作在BCR 模式下時，電路以Boost方式運行，如圖5所示。能量由B 傳送到A，在這個狀態下，太陽電池陣輸出電流ⅠSA的大小足夠提供負載電流，多余部分可以提供給電池充電。隨著ⅠSA的增加，母線電壓上升，誤差放大器反饋輸出增大，充電電流增加以調節母線電壓回到設定值。在BCR 模式下，太陽電池的輸出電流等于負載電流與充電電流之和。

圖5 BCDSR 主電路BCR 工作模式電流流向Fig.5 Direction of current in BCR mode of BCDSR power circuit

由于穩態情況下，電感的伏秒值是平衡的，同樣可以得到此時電路的輸入電壓（VBat）和輸出電壓（VLoad）之比為1／D。

在BCR 工作過程中，蓄電池的充電電流等于太陽電池的輸出電流與負載電流之差，如果太陽電池的輸出電流足夠大，這個差值可能會超過蓄電池允許的最大充電電流，此時，模塊的反饋需要由蓄電池組的充電電流來控制，這樣可以保持電池的最大充電電流恒定。負載減小，通過比較器完全開通S2，太陽電池對地短路，進入SR 模式，當母線誤差放大器到達SR模式設定值時，S2斷開，再回到BCR模式。

2.1.4 BCDSR 一體化供電系統效率

在系統效率方面，影響效率的關鍵因素是電路中的功率器件損耗，尤其是MOS 和二極管。在Buck和Boost電路中所有損耗只是MOS和二極管的導通損耗，此處忽略交流開關損耗。由模態分析可知，BCDSR 電路中的MOS管S1、S2是零電壓開通，取得同步整流的效果，二極管D1、D2都是自然導通和關斷。

在理想BCR 狀態下，有如下比較。S4R 的充電損耗為

式中：Ⅰ為流經MOS和二級管的電流；Udiode為二極管的導通壓降；UMOS為MOS管導通壓降。BCDSR的充電損耗為

式中：Ⅰ1，US1分別為MOS管S1的電流和壓降；Ⅰ2，US2為MOS管S2的電流和壓降。

可以看出，BCDSR 的充電效率不會比S4R 的低，同時由于是太陽電池陣直接給蓄電池充電，所以比S3R 充電效率更高。

2.2 BCDSR電路仿真

利用PSPICE軟件對所設計的BCDSR 一體化供電系統電路進行了仿真分析，元器件選用參數如下：L1a＝L1b＝100 μH，S1、S2選用器件型號為IRF250，C1＝100μF，Cb＝1000μF，R＝6Ω，得到了不同太陽電池輸出電流下的BCDSR 電路電感電流、變換器電流、負載電流和太陽電池電流波形。

2.2.1 蓄電池放電模式

蓄電池放電模式下，設置太陽電池陣輸出電流ⅠSA＝0A，蓄電池組輸出電壓Va＝36V，蓄電池放電模式下的仿真波形如圖6所示。

圖6 BDR 模式仿真波形Fig.6 Simulation waveform in BDR mode

2.2.2 蓄電池充電模式

蓄電池充電模式下，設置太陽電池輸出電流ⅠSA＝10A，蓄電池組電壓Va＝27V。蓄電池充電模式下的仿真波形如圖7所示。

圖7 BCR 模式仿真波形Fig.7 Simulation waveform in BCR mode

圖6、圖7中，紅色曲線表示流經L1a的電流，藍色曲線表示流經L1b的電流，綠色曲線表示流經充放電模塊的電流，紫色曲線表示流經負載的電流，黃色曲線表示流經太陽電池陣的電流。由圖6、圖7所示，無論工作在蓄電池放電模式、充電模式，BCDSR 電路系統不僅能夠工作在穩態、且可以實現能量的雙向傳輸，在電流方向改變的過程中，所采用的電壓外環加平均值電流內環的方案使得電路可以自動實現平滑的過渡。

3 BCDSR 一體化供電系統設計

3.1 系統結構

一體化供電系統的總體結構框圖如圖8所示。系統由三個BCDSR 模塊組成，每個BCDSR 模塊實現蓄電池充電控制器、蓄電池放電調節器和太陽電池陣分流調節器三種功能，該電源控制器模塊采用的是帶有耦合電感的低紋波降壓-低紋波升壓控制模式，所有的無源器件都在蓄電池這一側，充電控制器通過一個隔離二極管與電壓源（輸出母線）相連。MEA 為測量誤差放大器。

圖8 一體化供電系統總體結構框圖Fig.8 Structure block of the integrated BCDSR PCU

充放電一體化技術的關鍵是雙向DC／DC 電路，該變換器用一套變換電路實現能量的雙向傳遞，可以省去一套充電、分流或放電DC／DC 變換器。具體到實際電路設計中，所需功率器件和電感數量減半，控制電路減半，印刷電路板面積相應減少，最終可將變換器的體積和重量減少，適合應用于小功率衛星電源控制器。

隨著衛星處于軌道周期的不同時刻，電路將工作于不同的模態，其總體控制邏輯如表1所示。

BCDSR 拓撲比較適合于低軌道小功率系統，尤其是對鋰離子電池適用，其電流輸出穩定，采用耦合電感方式減小電流紋波。

表1 BCDSR 一體化功率調節電路控制邏輯Table 1 BCDSR circuit control logic

3.2 BCDSR模塊硬件單元設計

BCDSR 模塊由主功率控制單元、誤差放大器（MEA）和控制單元組成。主控制電路采集母線電壓電流以及蓄電池組的電壓電流，經過一定的控制算法，轉換成脈沖寬度調制（PWM）信號控制S1、S2的占空比，從而實現功率控制單元母線電壓輸出的穩定以及不同工作模式的切換。BCDSR 總體結構如圖9所示。

圖9 BCDSR 總體結構圖Fig.9 Structure block of integrated BCDSR

BCDSR 采用兩域控制，相對三域控制比較而言，兩域控制將BCR 與SR 合并成一個SR 域。在BDR 與SR 之間需要回差來設定死區。兩域控制的主要特點就是將電池的充電電流作為SA 的一種可變負載，在母線電壓進入SR 區間后，多余的能量給電池充電，如果還有富足，就對地瀉放。一種可行的兩域控制實現框圖如圖10所示。

BCDSR 系統可以采用電壓電流雙環控制方式，如圖11所示。獲得優良的綜合動靜態性能，其中電流控制采用平均值電流控制方式。平均值電流控制方式由于檢測的是系統的平均電流，因此可以不依賴于采樣電流的流動方向，用相同的控制電路，在正負電流下可以產生相應的控制信號，控制電路會自動地在不同的電路模式之間作平滑的切換，因而控制簡單。同時，平均電流控制可以很方便的實現自動主從法的均流控制。

圖10 BCDSR 兩域控制電原理框圖（AMP為運算放大器，CMP為比較器）Fig.10 Schematic diagram of BCDSR two-domain control

圖11 BCDSR 電壓電流雙環控制原理圖Fig.11 Schematic diagram of voltage and current double closed-loop control for BCDSR

3.3 主控制芯片選型

綜合考慮處理器所具有的算法格式、數據寬度、處理速度、接口功能和開發性能特點，電池管理系統控制單元最終選用了TI公司的TMS320LF2407A型數字信號處理（DSP）芯片。它是一種具有特殊結構的微處理器，DSP芯片內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP 指令，可以用來實現快速的數字信號處理算法［7］。

3.4 軟件總體設計

軟件設計方面，采用CCS2000作為編程開發軟件。軟件主要有實時監測模塊、電池荷電狀態（SOC）估算模塊、模式診斷及分析模塊、CAN 總線通信模塊和脈沖寬度調制（PWM）控制模塊組成，如圖12所示。

圖12 軟件總體框圖Fig.12 Structure block of system software

4 結束語

本文設計了一種基于BCDSR 的一體化電源系統，采用單一電源調節模塊完成太陽陣分流、電池充電控制、電池放電調節三種功能，對BDR、BCR 兩種狀態下的工作波形以及BCDSR 一體化供電系統效率進行了介紹，對BCDSR 一體化供電系統進行了電路設計和控制芯片選型。通過對BCDSR 電路的建模仿真結果表明，無論在蓄電池放電、充電模式下，BCDSR 電路系統均能穩定工作，并且可以實現能量的雙向傳輸以及模式間平滑過渡。

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