寬范圍輸出電壓電池充電調(diào)節(jié)器的研究

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

郭偉文1，張興勝2

（1. 廣州日濱科技發(fā)展有限公司，廣州 510660；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，深圳 518055）

GUO Wei-wen1,　ZHANG Xing-sheng2

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寬范圍輸出電壓電池充電調(diào)節(jié)器的研究

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

郭偉文1，張興勝2

（1. 廣州日濱科技發(fā)展有限公司，廣州 510660；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，深圳 518055）

GUO Wei-wen1,ZHANG Xing-sheng2

摘要：旨在設(shè)計(jì)一款單向、非隔離、降壓型的寬范圍輸出電壓電池充電調(diào)節(jié)器（Battery Charge Regulator, BCR），作為衛(wèi)星電源系統(tǒng)母線至蓄電池的充電通路。選擇耦合電感Superbuck變換器作為電池充電調(diào)節(jié)器的主拓?fù)洹７治鲎儞Q器工作原理后，得到耦合電感的零輸入電流紋波條件，推導(dǎo)出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)；得到避免右半平面零點(diǎn)出現(xiàn)的阻尼參數(shù)限制條件。根據(jù)先恒流后恒壓的充電控制策略，選擇平均電流控制模式作為變換器控制方式，在恒流充電階段，僅電流內(nèi)環(huán)工作，變換器工作在電流源狀態(tài)；恒壓充電階段，利用平均電流模式的雙環(huán)控制特點(diǎn)，變換器工作在電壓源狀態(tài)。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：電池充電調(diào)節(jié)器；Superbuck變換器；耦合電感；寬范圍輸出

0　引言

太陽(yáng)能電池陣列-蓄電池組聯(lián)合電源是現(xiàn)在廣泛使用的空間電源系統(tǒng)。太陽(yáng)能陣列-蓄電池組電源系統(tǒng)由給整個(gè)系統(tǒng)供電的太陽(yáng)電池陣列（主電源）、蓄電池組（儲(chǔ)能單元）和功率調(diào)節(jié)單元（Power Conditioning Unit，PCU）組成，而衛(wèi)星的功率調(diào)節(jié)單元是整個(gè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)的中樞部分[1]。PCU是航天器的動(dòng)力核心，為航天器中所有用電設(shè)備提供所需電能，維持航天器的能量平衡。PCU般由分流調(diào)節(jié)器（Shunt Regulator, SR），蓄電池充電調(diào)節(jié)器（Battery Charge Regulator, BCR），蓄電池放電調(diào)節(jié)器（Battery Discharge Regulator, BDR）部分構(gòu)成[2～4]。BCR 是母線至蓄電池的充電通路，作用為在太陽(yáng)能陣列產(chǎn)生功率大于所有負(fù)載所需總的功率時(shí)，為蓄電池充電以存貯電能。因此，電池充電器調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響電源系統(tǒng)儲(chǔ)能蓄電池的使用壽命。

單向DC-DC變換器硬件電路簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，能夠減弱電池的退化程度。非隔離型拓?fù)湎鄬?duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、功率密度大，通常情況下，開(kāi)關(guān)管的數(shù)量也少，效率也會(huì)相對(duì)提高。航天器電源系統(tǒng)中，升壓型DC-DC拓?fù)溆糜陔姵胤烹娬{(diào)節(jié)器，而降壓型DC-DC拓?fù)溆糜陔姵爻潆娬{(diào)節(jié)器[5]。綜上所述，本文將針對(duì)單向、非隔離、降壓型拓?fù)渥鲋饕芯糠治觥?/p>

1　原理與設(shè)計(jì)

Superbuck變換器由于輸入濾波電感的存在，具有輸入輸出電流均連續(xù)的特點(diǎn)，而且動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性都類(lèi)似于傳統(tǒng)Buck變換器。通過(guò)把輸入和輸出電感耦合到起，調(diào)整耦合系數(shù)，可以得到理想的“零紋波”輸入條件，進(jìn)步減小對(duì)輸入端的影響，提高變換器的功率密度[6～13]。本文確定耦合電感Superbuck為電池充電調(diào)節(jié)器的拓?fù)洹?/p>

本文選用階段充電法，即先恒流后恒壓的充電方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池充電調(diào)節(jié)器的寬范圍電壓輸出。選取平均電流模式控制方式，在恒流充電階段，僅電流內(nèi)環(huán)工作，控制平均電感電流，使變換器工作在電流源狀態(tài)；恒壓充電階段，利用平均電流模式的雙環(huán)控制特點(diǎn)，使變換器工作在電壓源狀態(tài)。具體恒流恒壓轉(zhuǎn)換控制電路如圖1所示。

圖1　改進(jìn)充電模式轉(zhuǎn)換電路

電池負(fù)載下，可以把電池等效為可變電阻Ro，忽略計(jì)生參數(shù)，耦合電感的Superbuck輸出電流到控制的傳遞函數(shù)的分子為：

圖2　有阻尼網(wǎng)絡(luò)的耦合電感Superbuck

1.1輸入零紋波條件

根據(jù)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷期間的電感微分方程，可得到電感紋波大?。?/p>

由式(2)可知，當(dāng)M=L2，即時(shí)，變換器的電流輸入紋波為零，考慮計(jì)生參數(shù)時(shí)，為了獲得較理想的零輸入紋波條件，應(yīng)使L1遠(yuǎn)大于L2。電感L1（耦合系數(shù)）對(duì)電路影響下文會(huì)繼續(xù)分析[6,7]。

1.2阻尼參數(shù)計(jì)算

控制到輸出電流的傳遞函數(shù)為：

其中：

加入阻尼網(wǎng)絡(luò)的Superbuck變換器控制到輸出電流的傳遞函數(shù)分子為：

根據(jù)勞斯-赫爾維茨判據(jù)，沒(méi)有右半平面零點(diǎn)的充分必要條件為：

在占空比D=0.9情況下，根據(jù)表1參數(shù)，圖3是不加阻尼網(wǎng)絡(luò)時(shí)控制到輸出電流的傳遞函數(shù)Bode圖，可以看出，由于右半平面諧振零點(diǎn)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了180°的滯后相位，相位角從360°下降到-90°。本文選擇阻尼網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Cd=30uF，Rd=1.5Ω，能夠達(dá)到良好的阻尼效果，避免右半平面零點(diǎn)的的出現(xiàn)，并且得到Superbuck變換器控制到輸出電流的傳遞函數(shù)，Bode圖如圖4所示，雖然加入阻尼網(wǎng)絡(luò)的Superbuck變換器為五階系統(tǒng)，可是最終表現(xiàn)為類(lèi)似于基本Buck變換器的二階系統(tǒng)特性，成功避免了由右半平面諧振零點(diǎn)的出現(xiàn)。

表1　變換器參數(shù)

圖3　無(wú)阻尼網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)Gid的Bode圖

圖4　有阻尼網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)Gid的Bode圖

由式(3)，相同參數(shù)下，在確定L2=M電感值后，不同電感L1值，即不同的電感耦合系數(shù)k，對(duì)控制到輸出電流的傳遞函數(shù)Gid諧振零點(diǎn)也有影響，圖5所示為電感L1分別取L1=200uH，250uH，300uH時(shí)的Gid的Bode圖。

從Bode圖可以看出，輸出電流到控制變量傳遞函數(shù)Gid的諧振零點(diǎn)確實(shí)受耦合系數(shù)影響，使阻尼網(wǎng)絡(luò)的效果減弱。上文提到，阻尼參數(shù)相同時(shí)，選擇L1越大，即耦合系數(shù)越小，輸入電流紋波越小。所以，在電感L2=M的取值確定后，電感L1的選取，即電感耦合系數(shù)應(yīng)該結(jié)合實(shí)際折中考慮。本文選擇L1=200uH，即耦合電感的耦合系數(shù)進(jìn)行研究。

圖5　不同電感L1值時(shí)Gid的Bode圖

在輸出電壓60V時(shí)，設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，使其在該點(diǎn)達(dá)到最佳補(bǔ)償效果，并在其他工作點(diǎn)也能使系統(tǒng)穩(wěn)定。補(bǔ)償后的電流環(huán)Bode圖如圖6所示。同理，電壓源輸出時(shí)，針對(duì)半載情況進(jìn)行補(bǔ)償。

圖6　電流環(huán)閉環(huán)Bode圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在先恒流后恒壓充電方法中，電池充電器主要作為電流源工作在恒流充電階段，因此本文主要對(duì)電流源工作的耦合電感Superbuck電路進(jìn)行測(cè)試。

在輸入電壓100V，圖7分別為在輸出負(fù)載電壓10V、30V、60V、90V下測(cè)得的實(shí)驗(yàn)波形，其中2通道為輸出電壓，3通道為輸出電流，4通道為輸入電流。

由實(shí)驗(yàn)波形可知，變換器在輸出負(fù)載電壓10V、輸出負(fù)載電壓30V、60V、90V均能夠穩(wěn)定工作。電感L1電流紋波很小，考慮到寄生參數(shù)的原因與理論計(jì)算的零輸入紋波狀態(tài)相近，電感L2上紋波也在要求范圍之內(nèi)。雖然在低壓情況，輸出電流有波動(dòng)，可是在容許范圍之內(nèi)，變換器實(shí)現(xiàn)了寬范圍輸出電壓。

圖7　變換器恒流輸出時(shí)各點(diǎn)波形

進(jìn)入恒壓充電模式后，電池充電電流會(huì)減小的非常快，即輸出負(fù)載功率等級(jí)下降的非常迅速，要求變換器具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而且能在不同輸出功率等級(jí)下都穩(wěn)定運(yùn)行。本文在輸出電壓95V，輸出電流7A，功率650W狀態(tài)下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)得波形如圖8所示，其中2通道為輸出電壓，3通道為輸出電流，4通道為輸入電流。

圖8　恒壓模式下輸出電壓與電流波形

平均電流控制模式下，變換器能夠穩(wěn)定工作，輸出和輸入電感電流紋波足夠小，與仿真結(jié)果致，符合本文對(duì)電池充電調(diào)節(jié)器的要求。

3　結(jié)論

本文選取耦合電感Superbuck變換器作為主拓?fù)?，采用先恒流后恒壓的充電控制策略，設(shè)計(jì)出款性能良好的寬范圍輸出電壓電池充電調(diào)節(jié)器。通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單假設(shè)，得出耦合電感Superbuck變換器對(duì)阻尼參數(shù)要求，避免大占空比工作狀態(tài)傳遞函數(shù)右半平面零點(diǎn)的出現(xiàn)，提高控制帶寬，使變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到善。Superbuck變換器實(shí)現(xiàn)寬范圍輸出電壓，輸出電壓極低情況下，仍能恒流輸出，穩(wěn)定工作，并且通過(guò)引入耦合電感，使輸入電流紋波幾乎為零。

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作者簡(jiǎn)介：郭偉文（1971 -），男，廣州人，本科，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹半娏鲃?dòng)。

收稿日期：2015-08-18

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0028-05