航天器電源系統的動態特性研究

韓大鵬 稅海濤 曾國強 王炎娟

（1 國防科技大學航天科學與工程學院，長沙 410073）

（2 國防科技大學信息系統與管理學院，長沙 410073）

（3 北京航天飛行控制中心，北京 100083）

1 引言

對航天器來說，電源系統的性能是電子系統穩定工作的基礎和前提。隨著技術的發展，鋰離子電池逐漸成為應用研究的主流方向［1］。當前的研究者主要關注以下兩方面的問題：太陽電池陣與蓄電池組的充放電管理［2］，以及二次電源的精度與可靠性［3-4］。這兩方面是直接關系到電源系統能否長期穩定工作的關鍵因素，而本文主要關注另外一個容易被忽視的問題——航天器電源系統的動態特性。

所謂電源的動態特性，是指用電狀態改變時電流或電壓的瞬時動態變化特性。盡管瞬變過程的持續時間很短，只有十幾微秒到幾毫秒，但對電源系統的潛在危害是不能忽視的。不適當的設計會誘發較大的尖峰電流、電壓突降以及反向電壓，其持續時間和幅度可能會達到電子系統的敏感門限，從而造成部件故障；航天器電源系統工作在真空、輻照環境下，而任何突發的狀況都可能引起不可預知的連鎖反應，導致災難性的后果；更為嚴重的是，動態特性會隨輻射劑量累積、元器件老化等因素發生難以預測的變化，成為電源系統的長期工作的隱患。要從根本上消除上述問題，必須對航天器電源系統的動態特性進行專門的原理分析與工程設計。實際上，凡是對安全性要求高的用電場合，均對電源動態特性提出了要求［5-6］。對于航天器電源系統，有研究者對二次電源的動態特性進行了研究［7］，但沒有涉及電源系統的全局特性。本文針對電池通過不經調節的母線給部件供電的電源系統，從理論和技術兩方面對供電部件（電池）和用電部件的動態特性進行了分析，針對容易出現的動態特性異常問題，提出了解決方案。

2 電池動態特性分析

隨著電源技術的發展，鋰離子電池正逐漸成為電池主流選擇。一般認為，鋰離子電池與鎳氫電池相比，瞬間釋放電流的能力不足，這是由鋰離子電池內阻特性引起的。以某型鋰離子電池為例，在啟動某用電部件時，實測得到圖1所示的電壓波形。

圖1 用電部件啟動瞬間的電壓波動Fig．1 Voltage ripple at start-up of power-consuming unit

由圖1可知，電壓下降達4V 之多，這是由用電部件的瞬時電流和電池內阻引起的。設電池內阻為RB，當前輸出電壓為Unom，電源系統能夠工作的最低輸出電壓為Ulow，則母線上能夠提供的瞬時電流為

當用電部件的啟動電流超過后，電池電壓將下降到不能接受的程度。壓降值ΔU＝Unom-Ulow＝ⅠpmaxRB，就對應了瞬時動態特性。只要啟動電流得到限制，那么動態特性就不足以造成損害。不過，實際上情況可能更壞，其原因在于：鋰離子電池的內阻是動態的，隨輸出電流頻率的增加而增大，因此在電流突然增大的瞬間可能形成一個惡性正反饋，導致ΔU的幅度超出預期。選用內阻小且穩定的電池，可以緩解惡劣的動態特性。考慮到電池老化導致的電池內阻特性變化，在設計時應預留足夠的裕量。

如前所述，用電部件的瞬間啟動電流如果太大，將對母線電壓的動態特性造成不良影響。一般而言，瞬間啟動電流是由于部件內部的容性負載造成的。圖2虛框中為用電部件等效電路。啟動瞬間，濾波電容C接近短路，會產生Ⅰp＝Ubus／RES的瞬態電流，其中RES為C的等效串聯內阻（ESR），Ubus為母線電壓。用電部件的內部電路為了獲取足夠的電源穩定度，往往會使用大容量的電容，相應地，其ESR 取值較小，往往在0．8Ω 以下。以12V 供電為例，0．5Ω 的ESR 會導致24A 的瞬態電流，即使扣除計算偏差和各種電路損耗，仍然是相當可觀的。因此，在進行部件的電源設計時，其輸入端應盡可能選用高ESR 的電容。但是，ESR 過大，又會導致穩態工作時電容的濾波效果減弱，因此必須在瞬態特性和穩態特性間取得平衡。

圖2 用電部件等效電路Fig．2 Equivalent circuit of a power-consuming unit

圖3為鋰離子電池與用電部件等效電路。其中：由理想電源UB和串聯內阻RB模擬電池，用電部件內的濾波電容由理想電容C和等效內阻RES串聯替代，用電部件的等效內阻由可調電阻RL模擬。

圖3 鋰離子電池與用電部件等效電路Fig．3 Equivalent circuit for lithium-ion battery and power-consuming unit

根據基爾霍夫定律［8］可得

式中：ⅠB為母線電流；Ubus為母線電壓。

式中：ⅠC為容性負載電流；ⅠL為阻性負載電流。

式中：UC為理想電容C上的分壓。

式中：t為變化時間。

用拉普拉斯算子s替代，以Ubus為未知量，解方程得到

根據拉普拉斯算子的性質，當s→∞時得到啟動瞬時的Ubus值［9］，即

可見，電池內阻RB與用電部件的等效內阻RL的匹配關系是決定母線上瞬時壓降的主要因素，RB／RES與RB／RL越小越好。一般而言，電 池內阻RB從電池廠商得到，等效內阻RL可由用電部件的穩態電流Ⅰstable推算得到（見式（8）），電容等效內阻RES可由用電部件內部濾波電容的選型直接得到，也可由瞬態峰值電流Ⅰpeak推算得到（見式（9））。實際工程設計中，3個等效電阻的取值受制于多種因素，因而使得電源的綜合分析與優化變得困難。

式中：Usupply為供電電壓。

3 動態特性的建模分析

有研究表明，電源系統的動態特性可通過特殊器件加以改善［10］，但是這種技術在航天應用還有一定距離。為使電源動態特性處于可控范圍，通常要對用電策略提出要求。本節將在前文單一用電部件分析結果的基礎上，針對帶有多個用電部件的電源系統進行綜合動態特性分析，建立一種仿真模型來輔助工程設計，為用電分配提供直觀的參考依據。

如圖4所示，第i個用電部件的電流由ⅠiL-ⅠiC表示，第1項對應的是穩態電流，第2項對應的是瞬態電流。整個電源系統劃分為兩部分：虛線左側為供電單元，其傳遞函數以ⅠB為輸入，Ubus為輸出；虛線右側為用電部件，傳遞函數以Ubus為輸入，以全部用電部件的電流總和ⅠB為輸出。整個系統的建模，就是以這兩類傳遞函數相互作用實現的。

圖4 多個用電部件情況下的電源網絡建模Fig．4 Modeling of power network for multiple power-consuming units

首先給出用電部件的開關標志量Ki，其定義為：當用電部件i未接入供電時，取值為0；當用電部件i接入供電時，取值為1。

供電單元的傳遞函數為

用電部件i的傳遞函數推導如下。

式中：和Ci分別為第i個用電部件的等效內阻和內部濾波電容。

式中：為第i個用電部件的等效內阻。

使用雙線性變換法進行離散化。設系統采樣周期為T，差分算子記為z，把帶入式（12）得

在系統運行過程中，開關狀態會出現多種狀態，即集合K＝｛K1，K2，…，Kn｝是時變的。

電源系統動態特性的離散仿真步驟如下。按照迭代次數j＝1，2，…，n循環仿真：①讀取當前狀態Ubus（j），ⅠiL（j），ⅠiC（j），ⅠB（j）；②更新部件開關狀態集合K（j）；③當前狀態Ubus（j）代入式（13），更新ⅠB（j＋1）；④ⅠB（j＋1）代入式（10），更新Ubus（j＋1）；⑤j＋1→j，跳轉至下一個循環。該循環步驟可以基于Matlab軟件的Simulink工具箱實現。為了確保能及時反映系統內部件開關引起的動態特性變化，要求離散化周期小于星載計算機控制周期。

4 范例

設電池內阻為0．06Ω，電池電壓為12V，假設電源系統是從所有電源開關關閉的狀態開始運行的，那么初始狀態Ubus（0）＝12V，ⅠB（0）＝0A。假設有4個用電部件，其參數列于表1。

表1 用電部件內阻參數Table 1 Inner resistance parameters of power-consuming units

設星載計算機管理系統的控制周期為100ms，按照1～4的順序依次打開全部設備，開啟時間點分別位于0．5s、0．6s、2．0s和2．1s。在Simulink軟件下進行仿真，得到母線電壓變化曲線如圖5所示。仿真結果表明：第2個用電部件雖然穩態電流小，但是瞬態電流很大，因而引起的母線電壓波動最大，降到了9V，因此，應在該部件啟動后延時更長再啟動其他用電部件，另外，這種幅度的電壓波動難以承受，容易觸發低壓保護等內部機制，應考慮使用瞬時限流措施；第3、4個用電部件雖然穩態電流很大，但同時啟動是沒有問題的。

圖5 4個用電部件啟動時母線電壓動態變化Fig．5 Dynamic variation curve of bus voltage at 4power-consuming units start-up

5 結束語

本文從阻抗匹配原理出發，借助傳遞函數對電源系統的動態特性問題進行了探討，給出了離散化的仿真分析模型。本文的分析雖然是針對不經二次調節的母線電壓的，但是對具有二次電源做電壓調節的電源系統也具有借鑒意義。在后續研究中，將把太陽電池陣供電融合進去，以得到更加完整、實用的仿真結果。

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