一种新型的充放电及分流一体化空间电源控制技术

蔡晓东 何小斌 张明 林文立

（1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）（2 上海空间电源研究所，上海 200245）

1 引言

为了降低发射成本、提升发射效益，各国航天部门采用如增大火箭承载能力、卫星平台、载荷轻量化设计［1］等措施，从而保证一次发射任务可装载更多的有效载荷。电源系统作为卫星平台的重要组成部分，其质量约占卫星总重的10%～30%，因此电源系统的轻量化、集成化成为关注的重点［2］，其中，采用高集成化的电源控制器［4］是最有效的手段之一。为了实现电源控制器高效化、轻量化、模块化的设计，国内外纷纷研究具有集成化、易于扩展特性的电源系统拓扑，如顺序开关分流调节技术（Sequential Switching Shunt Regulator，S3R）［3］、顺序开关分流串联调节技术S4R（Series Sequential Switching Shunt Regulator）［4］、电池充放电一体化（Battery Charge Discharge Shunt Regulator，BCDSR）［5-6］等，BCDSR 是目前研究的热点。

本文首先对BCDSR 的拓扑结构进行了选择，并对蓄电池充电调节器（BCR）、蓄电池放电调节器（BDR）两种状态下的工作波形以及BCDSR 供电系统效率进行了介绍，然后对BCDSR 电路分别在蓄电池放电和充电模式进行了建模仿真，最后对BCDSR供电系统进行了电路设计和控制芯片选型，并给出了结论。

2 BCDSR 拓扑结构设计与仿真

BCDSR 是欧洲航天局（ESA）基于电源系统集成化设计提出的一类功率拓扑结构，它与以往的S3R、S4R 等方式不同，能在蓄电池误差放大器、母线误差放大器和开关控制单元的控制下，实现分流调节器（SR）、BCR 和BDR 三种功能，非常适合于锂离子蓄电池充放电一体化控制。本文在对现有的各种功率拓扑结构分析的基础上，通过优化改进，设计出最便于锂离子电池充放电一体化、且适用性强的最优功率调节拓扑结构。

2.1 BCDSR拓扑结构

2.1.1 BCDSR 拓扑结构选择

空间应用的锂离子电池组充放电一体化供电系统，一般需要满足三个条件：①充电方式是降压充电，②不会导致蓄电池组对地短路，③要同时满足太阳电池分流、蓄电池组充电和蓄电池组放电功能。

图1为几种锂离子电池组充放电一体化拓扑结构框图，其中图1（a）为传统的BCDSR 拓扑结构，其主要的优点就是电池的电压可以低于母线电压，但是，这种结构不能实现对地的分流功能。其主要原因是在B点对地的短路会导致电池组电压通过S1的体二极管对地短路。图1（b）为带SR 功能的BCDSR 拓扑结构，增加的SR 功能模块背离了研究BCDSR一体化的初衷，另外，其充电效率也会降低。图1（c）为零纹波丘克（Cuk）电路的BCDSR 拓扑结构，可以实现升降压功能，对电池的选择非常有利，其主要缺点就是输入输出极性正好相反，这在系统设计中是不允许的，而且Cuk拓扑结构在SR 运行的情况下，锂离子蓄电池组存在一定的冲击电流，这会影响蓄电池的寿命和可靠性，对电源系统而言是个致命的缺点。图1（d）为改进的BCDSR 拓扑结构，这种拓扑结构工作于充放电状态时，开关管零电流开通，取得同步整流的效果，体二极管D1、D2都是自然导通和关断，因此能够很好地改善电路性能，并且太阳电池阵直接给蓄电池充电，提高了系统充电效率。通过以上比较分析，确定图1（d）为最优拓扑结构；前3种充放电一体化拓扑结构均无法满足空间应用的实际需求，第4种为最优拓扑结构。

图1 几种锂离子电池组充放电一体化拓扑框图Fig.1 Some Li-ion battery charge and discharge shunt regulator toplogy

BCDSR 主电路拓扑结构如图2所示。

图3是BCDSR 拓扑结构中电感在不同模式下的电流变化情况。可见，在Buck模式下，流经功率电感L1的平均电流为正，在Boost模式下，流经L1的平均电流为负。

图2 BCDSR 主电路拓扑结构Fig.2 BCDSR power circuit topology map

图3 不同模式下电感L1 电流变化情况（一个工作周期）Fig.3 Current of inductance in deferent mode

2.1.2 BDR 状态工作波形

BCDSR一体化供电系统在BDR 状态时电路为Buck降压工作模式，如图4所示。能量由A 传送到B，提供给负载的电流等于Ⅰ1＋Ⅰ2，Ⅰ1、Ⅰ2的纹波电流很小，模块可以根据ⅠSA的大小自动调节放电电流维持母线平衡，最有效的是反馈母线电压，调节占空比D维持母线电压恒定。由于稳态情况下，电感的伏秒值是平衡的，所以该电路的输入输出电压比为

图4 BCDSR 主电路BDR 工作模式电流流向Fig.4 Direction of current in BDR mode of BCDSR power circuit

2.1.3 BCR 状态工作波形

工作在BCR 模式下时，电路以Boost方式运行，如图5所示。能量由B 传送到A，在这个状态下，太阳电池阵输出电流ⅠSA的大小足够提供负载电流，多余部分可以提供给电池充电。随着ⅠSA的增加，母线电压上升，误差放大器反馈输出增大，充电电流增加以调节母线电压回到设定值。在BCR 模式下，太阳电池的输出电流等于负载电流与充电电流之和。

图5 BCDSR 主电路BCR 工作模式电流流向Fig.5 Direction of current in BCR mode of BCDSR power circuit

由于稳态情况下，电感的伏秒值是平衡的，同样可以得到此时电路的输入电压（VBat）和输出电压（VLoad）之比为1／D。

在BCR 工作过程中，蓄电池的充电电流等于太阳电池的输出电流与负载电流之差，如果太阳电池的输出电流足够大，这个差值可能会超过蓄电池允许的最大充电电流，此时，模块的反馈需要由蓄电池组的充电电流来控制，这样可以保持电池的最大充电电流恒定。负载减小，通过比较器完全开通S2，太阳电池对地短路，进入SR 模式，当母线误差放大器到达SR模式设定值时，S2断开，再回到BCR模式。

2.1.4 BCDSR 一体化供电系统效率

在系统效率方面，影响效率的关键因素是电路中的功率器件损耗，尤其是MOS 和二极管。在Buck和Boost电路中所有损耗只是MOS和二极管的导通损耗，此处忽略交流开关损耗。由模态分析可知，BCDSR 电路中的MOS管S1、S2是零电压开通，取得同步整流的效果，二极管D1、D2都是自然导通和关断。

在理想BCR 状态下，有如下比较。S4R 的充电损耗为

式中：Ⅰ为流经MOS和二级管的电流；Udiode为二极管的导通压降；UMOS为MOS管导通压降。BCDSR的充电损耗为

式中：Ⅰ1，US1分别为MOS管S1的电流和压降；Ⅰ2，US2为MOS管S2的电流和压降。

可以看出，BCDSR 的充电效率不会比S4R 的低，同时由于是太阳电池阵直接给蓄电池充电，所以比S3R 充电效率更高。

2.2 BCDSR电路仿真

利用PSPICE软件对所设计的BCDSR 一体化供电系统电路进行了仿真分析，元器件选用参数如下：L1a＝L1b＝100 μH，S1、S2选用器件型号为IRF250，C1＝100μF，Cb＝1000μF，R＝6Ω，得到了不同太阳电池输出电流下的BCDSR 电路电感电流、变换器电流、负载电流和太阳电池电流波形。

2.2.1 蓄电池放电模式

蓄电池放电模式下，设置太阳电池阵输出电流ⅠSA＝0A，蓄电池组输出电压Va＝36V，蓄电池放电模式下的仿真波形如图6所示。

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

2.2.2 蓄电池充电模式

蓄电池充电模式下，设置太阳电池输出电流ⅠSA＝10A，蓄电池组电压Va＝27V。蓄电池充电模式下的仿真波形如图7所示。

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

图6、图7中，红色曲线表示流经L1a的电流，蓝色曲线表示流经L1b的电流，绿色曲线表示流经充放电模块的电流，紫色曲线表示流经负载的电流，黄色曲线表示流经太阳电池阵的电流。由图6、图7所示，无论工作在蓄电池放电模式、充电模式，BCDSR 电路系统不仅能够工作在稳态、且可以实现能量的双向传输，在电流方向改变的过程中，所采用的电压外环加平均值电流内环的方案使得电路可以自动实现平滑的过渡。

3 BCDSR 一体化供电系统设计

3.1 系统结构

一体化供电系统的总体结构框图如图8所示。系统由三个BCDSR 模块组成，每个BCDSR 模块实现蓄电池充电控制器、蓄电池放电调节器和太阳电池阵分流调节器三种功能，该电源控制器模块采用的是带有耦合电感的低纹波降压-低纹波升压控制模式，所有的无源器件都在蓄电池这一侧，充电控制器通过一个隔离二极管与电压源（输出母线）相连。MEA 为测量误差放大器。

图8 一体化供电系统总体结构框图Fig.8 Structure block of the integrated BCDSR PCU

充放电一体化技术的关键是双向DC／DC 电路，该变换器用一套变换电路实现能量的双向传递，可以省去一套充电、分流或放电DC／DC 变换器。具体到实际电路设计中，所需功率器件和电感数量减半，控制电路减半，印刷电路板面积相应减少，最终可将变换器的体积和重量减少，适合应用于小功率卫星电源控制器。

随着卫星处于轨道周期的不同时刻，电路将工作于不同的模态，其总体控制逻辑如表1所示。

BCDSR 拓扑比较适合于低轨道小功率系统，尤其是对锂离子电池适用，其电流输出稳定，采用耦合电感方式减小电流纹波。

表1 BCDSR 一体化功率调节电路控制逻辑Table 1 BCDSR circuit control logic

3.2 BCDSR模块硬件单元设计

BCDSR 模块由主功率控制单元、误差放大器（MEA）和控制单元组成。主控制电路采集母线电压电流以及蓄电池组的电压电流，经过一定的控制算法，转换成脉冲宽度调制（PWM）信号控制S1、S2的占空比，从而实现功率控制单元母线电压输出的稳定以及不同工作模式的切换。BCDSR 总体结构如图9所示。

图9 BCDSR 总体结构图Fig.9 Structure block of integrated BCDSR

BCDSR 采用两域控制，相对三域控制比较而言，两域控制将BCR 与SR 合并成一个SR 域。在BDR 与SR 之间需要回差来设定死区。两域控制的主要特点就是将电池的充电电流作为SA 的一种可变负载，在母线电压进入SR 区间后，多余的能量给电池充电，如果还有富足，就对地泻放。一种可行的两域控制实现框图如图10所示。

BCDSR 系统可以采用电压电流双环控制方式，如图11所示。获得优良的综合动静态性能，其中电流控制采用平均值电流控制方式。平均值电流控制方式由于检测的是系统的平均电流，因此可以不依赖于采样电流的流动方向，用相同的控制电路，在正负电流下可以产生相应的控制信号，控制电路会自动地在不同的电路模式之间作平滑的切换，因而控制简单。同时，平均电流控制可以很方便的实现自动主从法的均流控制。

图10 BCDSR 两域控制电原理框图（AMP为运算放大器，CMP为比较器）Fig.10 Schematic diagram of BCDSR two-domain control

图11 BCDSR 电压电流双环控制原理图Fig.11 Schematic diagram of voltage and current double closed-loop control for BCDSR

3.3 主控制芯片选型

综合考虑处理器所具有的算法格式、数据宽度、处理速度、接口功能和开发性能特点，电池管理系统控制单元最终选用了TI公司的TMS320LF2407A型数字信号处理（DSP）芯片。它是一种具有特殊结构的微处理器，DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来实现快速的数字信号处理算法［7］。

3.4 软件总体设计

软件设计方面，采用CCS2000作为编程开发软件。软件主要有实时监测模块、电池荷电状态（SOC）估算模块、模式诊断及分析模块、CAN 总线通信模块和脉冲宽度调制（PWM）控制模块组成，如图12所示。

图12 软件总体框图Fig.12 Structure block of system software

4 结束语

本文设计了一种基于BCDSR 的一体化电源系统，采用单一电源调节模块完成太阳阵分流、电池充电控制、电池放电调节三种功能，对BDR、BCR 两种状态下的工作波形以及BCDSR 一体化供电系统效率进行了介绍，对BCDSR 一体化供电系统进行了电路设计和控制芯片选型。通过对BCDSR 电路的建模仿真结果表明，无论在蓄电池放电、充电模式下，BCDSR 电路系统均能稳定工作，并且可以实现能量的双向传输以及模式间平滑过渡。

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