空間S4R電源系統的設計與實現

李建平，徐 偉，錢成喜

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

空間S4R電源系統的設計與實現

李建平，徐 偉，錢成喜

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

采用S4R功率調節技術能降低電源系統的控制難度，并具有較高的充電效率，同時能降低PCU的質量和熱功耗，是一種具有廣泛應用前景的衛星電源技術。介紹了一套42 V母線S4R功率調節技術空間電源系統，對S4R功率調節系統的技術特點、設計方法和實驗情況進行分析總結。

S4R；42 V；電源實驗系統

S4R功率調節技術于20世紀90年代中期由EAS電源研究室開發成功，S4R在S3R的基礎上拓展增加了太陽電池陣的直接充電功能。S4R電源系統采用“兩域”控制方式，與S3R系統[1]的“三域”控制方式相比，降低了一次電源系統控制的復雜程度，提高了電源系統跨域動態響應能力；由于S4R系統具有太陽電池陣的直接充電功能，不需要配置獨立的BCR充電模塊，可減輕電源控制器(PCU)的質量。S4R系統[2]中，太陽電池陣能直接為蓄電池組充電，使PCU具有更高的充電效率，同時降低PCU熱功耗，降低PCU的熱控難度。

S4R功率調節技術可以滿足各種軌道航天器電源系統的應用需求，尤其適用于需要頻繁地進行大電流充電的航天器電源系統。

1 S4R電源系統簡介

如圖1所示，42 V母線S4R電源系統主要包括S4R電源控制器、太陽方陣模擬器、鋰離子蓄電池組、電子負載模擬器以及測試用的TM/TC、上位機等相關儀器設備。

1.1 S4R電源控制器

電源控制器是S4R功率調節技術電源系統的核心，電源控制器采用兩域(S4R)全調節母線體制，實現母線電壓調節、太陽電池陣模擬器輸出功率的分流調節、蓄電池組模擬器充電控制及放電調節，以及實現產品過壓、限流保護。

S4R功率調節系統的供電母線電壓范圍設計為 (42±0.3) V。本課題研制電源控制器采用兩域(S4R)全調節母線體制，主要功能包括：

圖1 S4R功率調節技術電源系統框圖

(1)電源控制器一共包括12級順序開關分流調節器，分別為6個S3R分流調節器和6個S4R分流調節器；

(2)在太陽電池陣輸出功率滿足整星負載的條件下，多余的輸出功率才會通過S4R電路為蓄電池組提供充電；

(3)在陰影期或太陽陣輸出功率不足時，則蓄電池組通過放電調節器給母線供電，并通過設計實現各個升壓調節器均流控制；

(4)具備對蓄電池組進行均衡充電控制的能力；

(5)每個放電調節模塊具有均流的能力。

1.2 太陽電池陣模擬器

對應電源控制器的12級分流調節器，系統一共設置了12級太陽電池陣模擬器，每級太陽電池陣模擬器分別對應于一個分流電路。太陽電池陣模擬器由Agilent公司生產，型號為E4351B，最大輸出功率480 W。

1.3 鋰離子蓄電池組

鋰離子蓄電池組由中電18所研制，蓄電池組一共由9節容量為30 Ah的鋰離子單體電池串聯組成。每節單體電池的正常工作電壓范圍在3.3～4.1 V，整組蓄電池組的工作電壓范圍則控制在29.7～36.9 V。

1.4 電子負載

電子負載模擬器由德國H&H公司研制，型號為ZS3212 Electric Load，配置為120 V，150 A，3 000 W。

1.5 測試用儀器

本實驗系統測試用儀器設備主要有：電源控制器專檢設備TM/TC(包含上位機)、4通道Tektronix MSO4054示波器、Agilent 34401A數字萬用表、KYORITSU KEW SNAP 2004電流卡鉗表等。

2 S4R電源系統設計

2.1 系統設計

S4R系統為二域控制系統，電源控制器的主誤差放大器(MEA)信號的整個有效范圍分為兩個區域，中間設置死區隔離。BDR工作對應一個區域，S3R電路和S4R電路對應另一個區域，S3R電路和S4R電路對應的區域是連續的，因此稱為二域控制系統，見圖2。

圖2 MEA控制趨勢示意圖

主誤差電壓(Vmea)對應于母線輸出功率。當母線輸出功率較負載功率不足時(太陽電池陣供電不足或無輸出)，主誤差電壓控制放電調節器工作；當母線輸出功率較負載功率過剩時，主誤差電壓控制S4R電路中的充電調節電路工作；若太陽電池陣輸出功率大于負載功率和充電功率，主誤差電壓控制S4R電路中分流調節電路工作，達到母線輸出功率與負載功率平衡，這時充電電流受BEA電路控制(恒流限壓模式)。

在S4R模塊調節域中，MEA對于S3R、S4R電路單元的控制完全相同，只是S4R電路單元設置在低端，S3R電路單元設置在高端。在S4R電路中獨立設置了充電與分流的邏輯控制電路，保證充電過程必須在分流域內進行，也就是說S4R電路只能將太陽電池陣產生的功率供給負載后所剩的功率進行充電，再將滿足負載和充電后的其余功率分流。S4R對太陽電池陣所產生功率的分配原則為先負載、再充電、后分流，因此供負載和充電過程、充電過程和分流過程不會發生沖突。

2.2 S4R電路設計

S3R技術與PWM分流技術相比有著電路簡潔，熱耗低，可靠性高等優點，S3R分流開關管控制電路由回差(施密特)比較器構成。

S4R電路是在S3R電路的基礎上增加了一個串聯充電開關管，使太陽電池陣能直接為蓄電池組充電。圖3為S4R電路原理框圖。

圖3 S4R電路原理框圖

在S4R電路中獨立設置了供負載、充電與分流的邏輯控制電路，保證S4R對太陽電池陣所產生功率的分配原則為優先供負載、其次充電、最后分流。

2.3 放電調節電路(BDR)設計

當太陽方陣的輸出功率不滿足負載需求或處于軌道陰影期時，放電調節器完成母線調節工作。放電調節器采用熱備份工作方式，各個模塊的輸出電流統一由主誤差放大信號控制。

BDR設計采用升壓調節電路，其原理框圖如圖4所示。

圖4 BDR原理框圖

放電調節器的核心單元由功率場效應管、整流二極管、電感等構成的Boost轉換器和控制電路構成。由于環路控制的需要，必須獲得輸出電流的平均值，用于MEA的電導控制，調節主母線電壓。輸出電流采樣設置在輸入端，為確保電流采樣信號免于電感電流的噪聲干擾，電流采樣電阻采用低電感電阻。每個BDR有獨立的電流控制環，輸出電流均接受主誤差信號統一控制，從而實現了多個BDR的均流設計。

3 S4R電源系統實驗驗證

S4R功率調節系統由12級分流電路組成，根據負載和充電的需求狀態，各級電路會處于不同的工作狀態。

3.1 輕度負載工況

負載較輕時，太陽電池陣輸出的電流之和在滿足負載電流和充電電流需要的同時仍然有富裕，此時有兩級分流級處于調整狀態。有一級調整級處于分流/供負載調整狀態，另一級調整級處于分流/充電調整狀態，其余各級穩定處于供負載狀態或充電狀態或分流狀態。該狀態下充電電流受BEA信號控制，蓄電池組處于恒流充電或者恒壓充電狀態。實驗波形如圖5所示。

圖5 輕負載時S4R實驗波形

3.2 中度負載工況

中度負載時，太陽電池陣產生的電流之和不能同時滿足負載電流和充電電流的需要，此時只有一級分流級在充電/分流/供負載三個狀態之間調整，其余分流級穩定處于供負載狀態或充電狀態。該狀態下調整級受MEA信號和BEA信號共同控制，蓄電池組處于恒流充電或者恒壓充電狀態。實驗波形如圖6所示。

圖6 中度負載時S4R實驗波形

3.3 重度負載工況

重度負載時，當太陽電池陣產生的電流之和不能同時滿足負載電流和充電電流的需要，此時只有一級分流級在充電/供負載兩個狀態之間調整，其余分流級穩定處于供負載或充電狀態。該狀態下充電電流受MEA信號控制，蓄電池組充電電流不足，未達到恒流充電或者恒壓充電狀態。實驗波形如圖7所示。

圖7 重負載時S4R實驗波形

3.4 母線特性

(1)母線紋波和工作頻率

母線紋波與回差比較器的回差值、母線電壓的衰減比例和MEA電路的放大倍數有關。

分流電路的工作頻率與母線紋波、太陽電池陣電流和母線濾波電容值有關，當調整級分流開關管的開關占空比系數=50%時，分流電路的工作頻率最大。

通過設計和實驗驗證表明，S4R電路調節的母線紋波特性較好。實驗波形如圖8所示，母線紋波為172 mV，工作頻率為1.25 kHz。

圖8 母線紋波實驗波形

(2)瞬態特性

瞬態特性是考量電源系統輸出特性的一個重要指標，瞬時負載躍變會造成母線電壓的瞬時變化。通過實驗驗證表明，基于限頻開關分流調節技術的S4R功率調節系統能夠非常好的實現輸出母線的穩壓功能，具有非常好的瞬態特性。從圖9可以看出負載躍變時母線電壓波動不大于220 mV。

圖9 負載躍變波形(負載變重)

4 結論

通過一套基于S4R功率調節技術的空間電源系統的設計和實現，介紹了S4R系統的技術特點、設計方法和實驗結果。文中對S4R功率調節電路的工作原理和控制策略進行介紹以及對S4R功率調節系統的各種工作狀態進行分析，并給出了相應的實驗驗證結果，其分析思路和實驗結果可以為空間S4R電源系統設計提供參考。

基于S4R拓撲原理設計和試驗驗證,證實了高效率、低質量的串聯開關與開關分流模塊結合組成的S4R拓撲結構設計,實現分流、充電模塊一體化,在太陽電池分陣接口設計不變化的情況下使得電源系統拓撲結構簡化。

采用S4R的電源系統的電池組充電電壓會鉗制太陽電池陣的工作電壓,方陣的功率利用率不充分,但由于串聯充電開關高效調節,可以彌補方陣功率利用率較低的不足。

空間電源S4R拓撲結構可以在大功率GEO、LEO衛星平臺中使用。

[1]SULIVAN O,WEINBER G.The sequential switching shunt regulator S3R[C]//Proceedings of the third ESTEC spacecraft power conditioning seminar.Noordwijk,Netherlands:The third ESTEC spacecraft power conditioning seminar,1977:123-131.

[2]CAPEL A,PEROL P.Comparative performance evaluation between the S4R and the S3R regulator bus topologies[J].IEEE,2001(4): 1963-1969.

Design and realization of S4R regulation technology power system

S4R power regulation technology was used to reduce control difficulty of power system and advances charge efficiency.The weight and volume of PCU could be decreased through the using of S4R power system.S4R power regulation technology was an abroad foreground application.A S4R regulation technology experimentation system with 42 V bus was introduced,and the design and realization of S4R power system were analyzed.

S4R;42 V;power experimentation system

TM 615

A

1002-087 X(2015)10-2218-04

2015-03-21

李建平(1982—)，男，福建省人，工程師，碩士，主要研究方向為空間電源系統及電源控制設備。