宽范围输出电压电池充电调节器的研究

The research on a battery charger regulator with a wide range of output voltage

郭伟文1，张兴胜2

（1. 广州日滨科技发展有限公司，广州 510660；2.哈尔滨工业大学 深圳研究生院，深圳 518055）

GUO Wei-wen1,　ZHANG Xing-sheng2



宽范围输出电压电池充电调节器的研究

The research on a battery charger regulator with a wide range of output voltage

郭伟文1，张兴胜2

（1. 广州日滨科技发展有限公司，广州 510660；2.哈尔滨工业大学 深圳研究生院，深圳 518055）

GUO Wei-wen1,ZHANG Xing-sheng2

摘要：旨在设计一款单向、非隔离、降压型的宽范围输出电压电池充电调节器（Battery Charge Regulator, BCR），作为卫星电源系统母线至蓄电池的充电通路。选择耦合电感Superbuck变换器作为电池充电调节器的主拓扑。分析变换器工作原理后，得到耦合电感的零输入电流纹波条件，推导出系统开环传递函数；得到避免右半平面零点出现的阻尼参数限制条件。根据先恒流后恒压的充电控制策略，选择平均电流控制模式作为变换器控制方式，在恒流充电阶段，仅电流内环工作，变换器工作在电流源状态；恒压充电阶段，利用平均电流模式的双环控制特点，变换器工作在电压源状态。通过仿真和实验结果验证了设计的正确性。

关键词：电池充电调节器；Superbuck变换器；耦合电感；宽范围输出

0　引言

太阳能电池阵列-蓄电池组联合电源是现在广泛使用的空间电源系统。太阳能阵列-蓄电池组电源系统由给整个系统供电的太阳电池阵列（主电源）、蓄电池组（储能单元）和功率调节单元（Power Conditioning Unit，PCU）组成，而卫星的功率调节单元是整个卫星电源系统能量调节的中枢部分[1]。PCU是航天器的动力核心，为航天器中所有用电设备提供所需电能，维持航天器的能量平衡。PCU般由分流调节器（Shunt Regulator, SR），蓄电池充电调节器（Battery Charge Regulator, BCR），蓄电池放电调节器（Battery Discharge Regulator, BDR）部分构成[2～4]。BCR 是母线至蓄电池的充电通路，作用为在太阳能阵列产生功率大于所有负载所需总的功率时，为蓄电池充电以存贮电能。因此，电池充电器调节器设计的优劣直接影响电源系统储能蓄电池的使用寿命。

单向DC-DC变换器硬件电路简单，控制简单，能够减弱电池的退化程度。非隔离型拓扑相对结构简单、体积小、重量轻、功率密度大，通常情况下，开关管的数量也少，效率也会相对提高。航天器电源系统中，升压型DC-DC拓扑用于电池放电调节器，而降压型DC-DC拓扑用于电池充电调节器[5]。综上所述，本文将针对单向、非隔离、降压型拓扑做主要研究分析。

1　原理与设计

Superbuck变换器由于输入滤波电感的存在，具有输入输出电流均连续的特点，而且动态和静态特性都类似于传统Buck变换器。通过把输入和输出电感耦合到起，调整耦合系数，可以得到理想的“零纹波”输入条件，进步减小对输入端的影响，提高变换器的功率密度[6～13]。本文确定耦合电感Superbuck为电池充电调节器的拓扑。

本文选用阶段充电法，即先恒流后恒压的充电方式来实现电池充电调节器的宽范围电压输出。选取平均电流模式控制方式，在恒流充电阶段，仅电流内环工作，控制平均电感电流，使变换器工作在电流源状态；恒压充电阶段，利用平均电流模式的双环控制特点，使变换器工作在电压源状态。具体恒流恒压转换控制电路如图1所示。

图1　改进充电模式转换电路

电池负载下，可以把电池等效为可变电阻Ro，忽略计生参数，耦合电感的Superbuck输出电流到控制的传递函数的分子为：

图2　有阻尼网络的耦合电感Superbuck

1.1输入零纹波条件

根据开关导通或关断期间的电感微分方程，可得到电感纹波大小：

由式(2)可知，当M=L2，即时，变换器的电流输入纹波为零，考虑计生参数时，为了获得较理想的零输入纹波条件，应使L1远大于L2。电感L1（耦合系数）对电路影响下文会继续分析[6,7]。

1.2阻尼参数计算

控制到输出电流的传递函数为：

其中：

加入阻尼网络的Superbuck变换器控制到输出电流的传递函数分子为：

根据劳斯-赫尔维茨判据，没有右半平面零点的充分必要条件为：

在占空比D=0.9情况下，根据表1参数，图3是不加阻尼网络时控制到输出电流的传递函数Bode图，可以看出，由于右半平面谐振零点的出现，产生了180°的滞后相位，相位角从360°下降到-90°。本文选择阻尼网络参数Cd=30uF，Rd=1.5Ω，能够达到良好的阻尼效果，避免右半平面零点的的出现，并且得到Superbuck变换器控制到输出电流的传递函数，Bode图如图4所示，虽然加入阻尼网络的Superbuck变换器为五阶系统，可是最终表现为类似于基本Buck变换器的二阶系统特性，成功避免了由右半平面谐振零点的出现。

表1　变换器参数

图3　无阻尼网络状态Gid的Bode图

图4　有阻尼网络状态Gid的Bode图

由式(3)，相同参数下，在确定L2=M电感值后，不同电感L1值，即不同的电感耦合系数k，对控制到输出电流的传递函数Gid谐振零点也有影响，图5所示为电感L1分别取L1=200uH，250uH，300uH时的Gid的Bode图。

从Bode图可以看出，输出电流到控制变量传递函数Gid的谐振零点确实受耦合系数影响，使阻尼网络的效果减弱。上文提到，阻尼参数相同时，选择L1越大，即耦合系数越小，输入电流纹波越小。所以，在电感L2=M的取值确定后，电感L1的选取，即电感耦合系数应该结合实际折中考虑。本文选择L1=200uH，即耦合电感的耦合系数进行研究。

图5　不同电感L1值时Gid的Bode图

在输出电压60V时，设计控制器参数，使其在该点达到最佳补偿效果，并在其他工作点也能使系统稳定。补偿后的电流环Bode图如图6所示。同理，电压源输出时，针对半载情况进行补偿。

图6　电流环闭环Bode图

2　实验结果

在先恒流后恒压充电方法中，电池充电器主要作为电流源工作在恒流充电阶段，因此本文主要对电流源工作的耦合电感Superbuck电路进行测试。

在输入电压100V，图7分别为在输出负载电压10V、30V、60V、90V下测得的实验波形，其中2通道为输出电压，3通道为输出电流，4通道为输入电流。

由实验波形可知，变换器在输出负载电压10V、输出负载电压30V、60V、90V均能够稳定工作。电感L1电流纹波很小，考虑到寄生参数的原因与理论计算的零输入纹波状态相近，电感L2上纹波也在要求范围之内。虽然在低压情况，输出电流有波动，可是在容许范围之内，变换器实现了宽范围输出电压。

图7　变换器恒流输出时各点波形

进入恒压充电模式后，电池充电电流会减小的非常快，即输出负载功率等级下降的非常迅速，要求变换器具有快速的动态响应，而且能在不同输出功率等级下都稳定运行。本文在输出电压95V，输出电流7A，功率650W状态下，进行实验。测得波形如图8所示，其中2通道为输出电压，3通道为输出电流，4通道为输入电流。

图8　恒压模式下输出电压与电流波形

平均电流控制模式下，变换器能够稳定工作，输出和输入电感电流纹波足够小，与仿真结果致，符合本文对电池充电调节器的要求。

3　结论

本文选取耦合电感Superbuck变换器作为主拓扑，采用先恒流后恒压的充电控制策略，设计出款性能良好的宽范围输出电压电池充电调节器。通过两个简单假设，得出耦合电感Superbuck变换器对阻尼参数要求，避免大占空比工作状态传递函数右半平面零点的出现，提高控制带宽，使变换器动态响应得到善。Superbuck变换器实现宽范围输出电压，输出电压极低情况下，仍能恒流输出，稳定工作，并且通过引入耦合电感，使输入电流纹波几乎为零。

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作者简介：郭伟文（1971 -），男，广州人，本科，研究方向为电力电子及电力传动。

收稿日期：2015-08-18

中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1009-0134(2016)03-0028-05