載人月面巡視器混合電源系統設計

曹 哲，張雪怡

(1.空間智能機器人系統技術與應用北京市重點實驗室，北京 100094； 2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；3.首都醫科大學生物醫學工程學院，北京 100069)

1 引言

隨著太空探測技術的發展，各國陸續開展了對外層空間的探測。作為人類探測太陽系內其他行星最理想的跳板和中轉基地，美國[1]、歐空局[2]、俄羅斯[3]、印度[4]、日本[5]等國家和組織都制定了雄心勃勃的探月計劃。載人月面巡視器是航天員在進行月面探測過程中必不可少的探測工具。作為一種適于在月面上行駛的特殊電動車輛，其研究進展的快慢、功能的完善程度與性能的優劣，將直接關系到整個月球探測及行星探測的進程，其設計與研制更是實現我國登月探測計劃的前提條件[6]。載人月面巡視器的電源系統是其中重要的服務系統，用于支持其有效地完成多種科研探測任務。巡視器受到發射能力限制，各項系統均受到重量的約束。隨著航天任務越來越復雜化，出現了短時大功率的場景，如上坡、加速等。截至2018年，人類共有3輛載人巡視器，于1971至1972年由美國的阿波羅15、16、17號帶至月表[3]。阿波羅巡視器的電源系統結構可歸納為圖1。

圖1 阿波羅15-17號載人巡視器電源系統框圖[3]Fig.1 Block diagram of Apollo rover(15-17) power source circuit[3]

受各國航天路線影響，當前針對航天器與無人巡視器的研究較為充分，載人巡視器的研究較少，近年來的載人巡視器電源系統研究更是少有提及。參照無人巡視器電源系統研究與已在月表的阿波羅載人巡視器電源系統可知，儲能通常采用蓄電池即化學方式，功率密度低，不具備提供瞬時大功率的能力，限制了電源的負載能力。傳統的地面解決方案是通過增加化學電池數量的方案提升功率。為考慮常見的短時大功率場景(如行進加速或開啟大功率載荷)增加電池數量，雖提升了功率，但也帶來了過于冗余的電池容量，這種方法難以運用于受重量制約的載人月面巡視器電源系統乃至空間電源系統。

混合電源系統指的是由多種電源共同提供能源的系統。傳統的蓄電池具有能量密度高的特點，而新型的超級電容器擁有功率密度高的特點。由蓄電池與超級電容器組成的混合電源在電動汽車領域的研究已經比較成熟，美國、日本在空間領域也進行了初步研究[7-9]，中國進行了在軌試驗[10]。巡視器領域電源系統近年來的研究主要集中在太陽電池陣優化[11]、蓄電池優化[12]、“太陽電池陣-蓄電池”傳統電源系統總體設計[13-14]等方面，將混合電源用于巡視器是一種嶄新的短時間大功率供電實現方式，其研究還較為少見。

在以上所述的研究背景下，針對提升載人月球車的短時間供電功率所涉及的理論及關鍵技術，本文開展載人月面巡視器的“太陽電池陣-蓄電池-超級電容器”混合電源研究。

2 混合電源設計與短時大功率輸出試驗

2.1 混合電源設計方案

當前國內外的“太陽電池陣-蓄電池-超級電容器”電源系統，或采用直接并聯的方式，難以充分利用超級電容器存儲的能量[9]；或使用獨立的太陽電池陣對超級電容器充電，難以充分利用太陽電池陣的能量[7]；或基于技術驗證目的，采用“雙母線供電”方式，增加了電源系統的設計復雜程度[10]。

針對以上問題，本文建立了包含DC/DC直流變換器的共太陽電池陣單母線結構混合電源。與上述混合電源結構相比，本文采用了DC/DC直流變換器，其意義為可提升超級電容器放電深度；采用了共太陽電池陣的設計，其意義為確保太陽陣充分利用光照；采用了單母線供電的設計，其意義為減少電源系統的線纜、接口，降低復雜度。電源系統的總體結構如圖2所示。

圖2 混合電源的電路結構框圖Fig.2 Block diagram of hybrid power source circuit

混合電源主要由太陽電池陣、蓄電池、超級電容器、DC/DC直流變換器、電池充電調節器(BCR)、電源調節模塊(PCM)和電源分配模塊(PDM)組成。太陽電池陣將太陽輻射入射光子轉換成直流電壓，并在外圍負載回路產生電流。BCR對太陽電池進行最大功率點跟蹤，同時通過DC/DC變換器提供母線電壓下的電流。BCR在進行DC/DC變換時，其效率是可變的，且基于負載所需功率來提升或降低效率，保證供電與耗電的平衡。PCM的作用是將母線電壓分成負載所需的多種電壓，提供給PDM，并最終提供給負載使用。PDM的作用是在負載故障時保護電源系統。

電源系統內部充放電方式為：太陽電池陣、蓄電池、超級電容器共用母線對負載供電。太陽電池陣輸出電流經過BCR轉換后，通過1、2、3路分別對負載、超級電容器、蓄電池供電。DC/DC直流變換器內部負極相連(公共地)，故在外部也可將負極連通。S1、S2、S3由電源系統控制。D1、D2負責避免超級電容器與蓄電池相互充電。這是由于當超級電容器電壓過低時，蓄電池直接對其充電，會造成充電電流過大，損害蓄電池。

在本電路結構中，DC/DC直流變換器的輸出電壓略高于一次電源母線電壓，確保超級電容器在S3閉合接入母線后可以對負載優先供電。

2.2 試驗平臺構建

為突出驗證混合電源短時大功率輸出能力(即負載能力)且簡化試驗，將混合電源的電路結構中去除太陽電池陣、BCR、S2、S3。試驗所用裝置選型如表1所示，試驗裝置實物如圖3所示。

圖3 混合電源放電試驗裝置Fig.3 Experiment device of hybrid power source

2.3 試驗過程及結果分析

混合電源大功率放電時，蓄電池輸出電流、超級電容器輸出電流、DC/DC輸出電流(即超級電容器經DC/DC變換后的電流)、輸入負載電流如圖4所示，電壓如圖5所示。

圖4 混合電源大功率放電時的電流Fig.4 Current of hybrid power source when discharging in high power

圖5 混合電源大功率放電時的電壓Fig.5 Voltage of hybrid power source when discharging in high power

6.8 s前由蓄電池對負載供電，6.8 s后閉合S1接入了超級電容器與DC/DC。由于DC/DC電壓高于蓄電池電壓，超級電容器經DC/DC對負載供電。由于DC/DC在進行電壓變換時會出現一定的功率損耗，故超級電容器輸出電流大于DC/DC輸出電流。

9.3 s提升了電子負載的電流，模擬大功率工作情況。由于本試驗所選的電子負載本身特性，在提升電流前會短暫斷開，類似對電阻箱的操作。9.3 s后由超級電容器經DC/DC對負載供電，超級電容器電壓拉低后不斷下降。電壓拉低是由于輸出電流增大。與此同時，為保持輸出供電，電流不斷提升。

29.8 s降低了電子負載的電流，模擬大功率工作結束，重回常態功率的情況。同樣由于電子負載本身特性，使得有短暫的斷路。29.8 s后由超級電容器經DC/DC對負載供電，超級電容器電壓稍微回升后繼續，回升與輸出電流減小有關。電流下降的過程與6.8 s～9.3 s類似，但由于超級電容器電壓更低，故電流較6.8 s～9.3 s更大。

36.2 s斷開S1，切換至蓄電池對負載供電。蓄電池由于輸出了電流，電壓拉低。超級電容器不再輸出電流，電壓稍微提升。DC/DC雖然與超級電容器斷開，但由于內部有磁感線圈，電壓緩慢下降。

使用圖5分析混合電源的負載能力。隨著電流的提升(如上文所述，電子負載在提升電流前會短暫斷開，類似對電阻箱的操作，真實場景中無此現象)，混合電源由其中的超級電容器通過DC/DC對負載供電，電壓不下降。

蓄電池與混合電源輸出大電流(約7 A)時的電壓變化情況如圖6、圖7所示。蓄電池輸出大電流時，電壓由約14 V下降至約8 V；混合電源輸出大電流時，電壓未見下降。對比可知，混合電源相比于傳統的純蓄電池電源，可短時大功率輸出，負載能力提升。

圖6 蓄電池輸出需求升至約7 A電流時的電壓Fig.6 Voltage of battery when current increased to 7 A

圖7 混合電源輸出需求升至約7 A電流時的電壓變化Fig.7 Changes of voltage of hybrid power source when current increased to 7 A

3 巡視器電源關鍵模塊數學模型

3.1 太陽能電池模塊

太陽能電池的光生電流與轉化效率μ、面積A、光照強度Irr、入射角度θ、溫度Tsolar有關，如式(1)所示：

I=f(μ,A,Irr,θ,Tsolar)

(1)

(2)

其中，

(3)

(4)

光照強度、入射角度和溫度會對太陽能電池I-V曲線造成影響，需要增加修正方程。定義光照強度Irr，溫度Tsolar，太陽能電池片輸出電流Isolar、電壓Vsolar，短路電流Isc，開路電壓Voc，工作在最大功率點時的電流Imp、電壓Vmp，太陽光入射角θ，電流溫度系數KI，電壓溫度系數KV。修正方程如式(5)～(8)：

(5)

(6)

(7)

(8)

3.2 蓄電池模塊

當太陽電池電流不足負載使用時，蓄電池放電。太陽電池提供的電流足夠負載使用時，則可對蓄電池充電。考慮蓄電池效率ηbattery，蓄電池的充放電功率可寫作式(9)：

(9)

其中,Pbattery(t)<0表示充電，Pbattery(t)≥0表示放電或靜置。

(10)

3.3 超級電容器模塊

(11)

其中，Psc(t)>0表示放電，Psc(t)<0表示充電，Psc(t)=0表示靜置。

(12)

4 混合電源建模與有效性驗證

4.1 功率分配控制策略的建立

4.1.1 基本思想

功率分配控制策略對混合電源進行控制。通過判斷負載功率，功率分配控制策略控制太陽電池陣對蓄電池、超級電容器的充電，同時也控制太陽電池陣、蓄電池、超級電容器對負載的放電。含有混合電源功率分配控制策略的電源模型框圖如圖8所示。

考慮到在軌驗證難度大、周期長，本文使用能量平衡精細化分析方法[20]進行地面仿真，以驗證混合電源的功率分配控制策略的有效性。

圖8 含有混合電源功率分配控制策略的電源模型框圖Fig.8 Block diagram of power model containing hybrid power distribution control strategy

4.1.2 實施策略

圖9 功率分配控制策略對開關操作的邏輯Fig.9 Logic of switch operation of power distribution control strategy

根據上述基本思想，實施策略如圖9所示。根據負載與太陽電池陣的功率，混合電源存在三種情況：①大功率工況，超級電容器-負載構成回路，太陽電池陣-蓄電池構成回路；②太陽電池陣沒有多余功率給超級電容器充電，太陽電池陣-蓄電池-負載構成傳統電源系統回路，超級電容器斷路；③太陽電池陣有多余功率給超級電容器充電，太陽電池陣-超級電容器-負載構成回路，蓄電池斷路。這種設計方式側重于優先對蓄電池充電，保證航天員對巡視器的基礎功能使用。

4.1.3 策略分析

分析之前，給定蓄電池與超級電容器的初始SoC。

第一步，判斷太陽電池陣提供的功率是否足夠負載使用。當蓄電池不需要充電但超級電容器需要充電時，放電功率如式(13)所示：

Psc(t)=Pload(t)-Psolar(t)

(13)

當蓄電池需要充電且充電功率未超過蓄電池自身限制時，蓄電池功率如式(14)所示：

(14)

當蓄電池需要充電且充電功率超過蓄電池自身限制時，蓄電池功率如式(15)所示：

(15)

當超級電容器在當前時刻靜置時，其放電功率如式(16)所示：

(16)

若太陽電池陣提供的功率不足以供負載使用，則進入下一步。

第二步，通過檢測負載所需功率，判斷是否為大功率運行狀態。若非，則由蓄電池放電，蓄電池功率如式(17)所示：

Pbattery(t)=Pload(t)-Psolar(t)

(17)

若是大功率運行狀態，則進入第三步。

第三步，開啟超級電容器對負載供電。超級電容器功率如式(18)所示：

(18)

若蓄電池需要充電，則由太陽電池陣對蓄電池充電。檢測當前充電速度是否超出蓄電池的最大輸入功率限制。

當充電功率未超過蓄電池自身限制時，蓄電池功率如式(19)所示：

(19)

當充電功率超過蓄電池自身限制時，蓄電池功率依照式(15)計算。

以上分析完成后，可計算下一時刻的蓄電池SoC與超級電容器SoC，如式(20)～(21)所示：

(20)

(21)

巡視器未利用的太陽電池陣功率如式(22)所示：

(22)

接下來重新回到第一步，分析下一時刻的充放電情況。

4.2 有效性驗證背景設計

4.2.1 太陽光照情況

設定太陽光垂直入射太陽電池陣。仿真選擇了某年1月1日的光照條件，查表可知，地球軌道光照強度為1397.64 W/m2。

通過太陽能電池模塊求出太陽電池陣的最大功率點功率，如圖10所示。經過BCR變換后，可得相應的等效一次電源功率。

圖10 太陽電池陣最大功率點功率 Fig.10 The maximum power of solar array

4.2.2 載人巡視器工作模式與負載情況

載荷消耗的能量實質為太陽電池陣提供的能量。為分析巡視器在仿真條件下太陽電池陣收集的能量能否足夠大功率工作模式的使用，設定兩種巡視器工作模式，分別進行仿真。第一種為常規工作模式，模擬巡視器以常規速度行進，將功率設定為穩態功率Pboard進行仿真，分析電源系統各部件的功率，同時分析仿真時間段內未利用功率是否足夠大功率工作模式使用；第二種為大功率工作模式，模擬加速等工況，仿真時出現模擬兩次各20 s加速，分析電源系統各部件的功率變化，以及蓄電池和超級電容器的SoC，如圖11所示。

圖11 兩種工況下負載功率Fig.11 The load powers for two conditions

4.2.3 其他參數

超級電容器選用15 V/50 F，充電至14 V(約為14 V/46.67 F)，則可用式(23)獲得超級電容器的能量：

(23)

(24)

以上仿真參數如表2所示。

表2 輸入參數

4.3 有效性驗證結果及分析

在對功率分配控制策略進行分析之前，需要分析常規工作模式下是否有足夠的巡視器未利用太陽電池陣功率，提供給大功率工作模式下的超級電容器使用。將仿真參數(負載情況為常規工作模式)輸入模型，得到蓄電池容量、超級電容器容量、太陽電池陣等效一次電源功率、蓄電池等效一次電源功率、超級電容器等效一次電源功率、負載等效一次電源功率、未利用功率，如圖12所示。

圖12 常規工作模式下所選仿真時間內參數Fig.12 Parameters during the selected simulation time in normal operation mode

0 s至3000 s，由太陽電池陣對負載供電。3000 s開始，由于負載功率變大，太陽電池陣無法對負載足額供電，需要蓄電池提供功率輸出，蓄電池SoC下降。同時，太陽電池陣停止對超級電容器充電。隨著負載功率下降，由太陽電池陣對蓄電池充電，蓄電池SoC上升。蓄電池充電結束后，超級電容器再接受充電，直至充滿。

常規工作模式下，巡視器未利用功率在蓄電池充電結束時出現，并隨著太陽電池陣等效一次電源功率Psolar的變化而改變，如圖13所示。圖中陰影面積表示積累的能量，其數值解可用式(25)計算：

(25)

計算結果為Wcollect=14.23 W·h(51216.66 J)。

圖13 常規工作模式下巡視器未利用的太陽電池陣能量Fig.13 Unused solar array energy of the lunar rover in normal operation mode

超級電容器需要提供的能量Wsc可用式(26)計算：

(26)

式中，Pplayload、ton、toff分別表示大功率載荷的功率與開關時間。計算結果為1.04 W·h(3736.84 J)，比較可得式(27)：

Wcollect>Wsc

(27)

即當前仿真條件下，巡視器可滿足超級電容器用電需求。

將仿真參數(負載情況為大功率工作模式)輸入模型，即式(13)至(22)。得到蓄電池容量、超級電容器容量、太陽電池陣等效一次電源功率、蓄電池等效一次電源功率、超級電容器等效一次電源功率、負載等效一次電源功率、未利用功率，如圖14所示，圖中展現功率分配控制策略特點的位置可歸納為表3。

圖14 大功率工作模式下所選仿真時間內參數Fig.14 Parameters during the selected simulation time in high power operation mode

Table3Locationsofpowerdistributioncontrolstrategyfeaturesshowninthefigure

功率分配控制策略的特點圖中位置大功率工作模式由超級電容器對負載供電②⑤非大功率工作模式由蓄電池或太陽電池陣供電①④蓄電池優先于超級電容器充電③

結合功率變化，對超級電容器SoC進行分析可知：開啟大功率模式，超級電容器SoC下降，在蓄電池充電完畢后上升，隨后再次因大功率模式開啟時放電而下降。放電結束后，最終SoC升至100%，與超級電容器的初始SoC相同，驗證了超級電容器的能量需求可以在仿真時間內被未利用的功率Pcollect滿足。

結合功率變化，對蓄電池SoC進行分析可知：試驗開始時，蓄電池SoC在大功率模式開啟時未受影響，顯示了功率分配控制策略中“大功率工作模式下由超級電容器對負載供電”的特點。圖中④位置處，蓄電池供電，顯示了功率分配控制策略中“非大功率工作模式下由蓄電池或超級電容器對負載供電”的特點。隨后蓄電池SoC上升，直至充電完畢。

5 結論

本文在綜合分析當前載人巡視器電源系統負載能力受限因素、空間電源系統結構的基礎上提出了一種適用于載人巡視器的共太陽電池陣單母線結構混合電源結構及功率分配控制策略，獲得以下結論：

1) 試驗表明，該結構與傳統單一化學電源相比，在不替換蓄電池以保證電源系統穩定性與安全性的基礎上，可表現出更高的負載能力；

2) 仿真分析表明，該結構可實現大功率工作模式下由超級電容器對負載供電、非大功率工作模式下由蓄電池或太陽電池陣供電、蓄電池優先于超級電容器充電；

3) 理論分析表明，該結構采用的DC/DC直流變換器可提升超級電容器放電深度，共太陽電池陣單母線結構可提高太陽電池陣利用率。