中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺供配電系統(tǒng)設計與驗證

喬明 朱立穎 趙冰欣

(1 中國空間技術研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094) (2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

供配電系統(tǒng)關系整星命脈，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，可能會給衛(wèi)星帶來災難性的后果。因此，供配電系統(tǒng)的可靠性設計顯得尤為重要；同時，隨著衛(wèi)星設計壽命的不斷提高，供配電系統(tǒng)長壽命設計需求越來越迫切；對于遙感衛(wèi)星，載荷配置變化大，因而對能源系統(tǒng)功率需求差別較大，需要供配電系統(tǒng)具有多任務適應性能力；供配電系統(tǒng)質(zhì)量在衛(wèi)星中占比較大，隨著功率等級提高，質(zhì)量問題更加凸顯，需要供配電系統(tǒng)開展減重設計，提高功率密度。

在可靠性設計方面，傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星供配電系統(tǒng)所有功能均由硬件實現(xiàn)，沒有故障自主管理能力；中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(ZY2000 Remote Sensing Satellite Platform)供配電系統(tǒng)在電源控制器、配電管理器中均配置了下位機，可自主實現(xiàn)蓄電池充放電管理、能源自主管理及故障診斷[1-2]，提高供配電系統(tǒng)可靠性；同時，傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星配電通路開關全部采用繼電器，無法實現(xiàn)配電通路過流保護功能。國外具有過流保護功能的固態(tài)開關技術成熟，并在意大利空間對地觀測系統(tǒng)(COSMO-SKYMED)、德國重力反演與氣候試驗(GRACE)衛(wèi)星、歐空局空間天體測量(GAIA)衛(wèi)星等廣泛應用。雖然國內(nèi)在空間站上已經(jīng)使用了100 V固態(tài)開關產(chǎn)品，但沒有42 V/30.5 V固態(tài)開關工程應用。中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺供配電系統(tǒng)設計了基于限流控制器(LCL)、固態(tài)功率控制器(SSPC)[3]的42 V/30.5 V固態(tài)開關配電控制通路，可實現(xiàn)負載過流、短路故障的自主切除,提高了配電通路的可靠性。

在壽命方面，此前國內(nèi)低軌衛(wèi)星供配電設計壽命一般為3～5年，而目前遙感衛(wèi)星壽命需求已經(jīng)提高到了8年。影響壽命的主要因素是蓄電池循環(huán)壽命及星外太陽電池陣耐受空間環(huán)境能力。中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺供配電系統(tǒng)通過開展鋰離子蓄電池組長壽命設計和地面壽命驗證試驗、太陽電池陣互聯(lián)片長壽命設計和耐空間環(huán)境試驗將供配電系統(tǒng)壽命提升到8年以上。

在多任務適應性方面，以資源衛(wèi)星為代表的遙感衛(wèi)星供配電系統(tǒng)，母線電壓為28 V，功率等級為3000 W，無功率擴展能力，無法滿足功率3000 W以上的衛(wèi)星需求；中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺供配電系統(tǒng)采用模塊化設計，規(guī)范標準接口和通信協(xié)議，實現(xiàn)電源控制器、蓄電池組等產(chǎn)品模塊化。提高母線電壓和功率等級適應能力。

在功率密度方面，此前國內(nèi)多數(shù)遙感衛(wèi)星供配電系統(tǒng)主要使用混合型功率拓撲,控制單機包括分流器、放電調(diào)節(jié)器等多臺獨立設備，控制單機功率密度僅有33.3 W/kg；海洋二號衛(wèi)星供配電系統(tǒng)對控制單機進行了整合，功率密度提升到了56.6 W/kg，但未實現(xiàn)功率調(diào)制統(tǒng)一控制，功率密度提升有限；中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺供配電系統(tǒng)開展了串聯(lián)順序開關分流調(diào)節(jié)(S4R)[4-5]型拓撲研制，進一步提升了控制單機功率密度。

1 供配電系統(tǒng)設計

供配電系統(tǒng)利用太陽電池陣和蓄電池組作為發(fā)電和儲能設備[6]，通過電源控制器的調(diào)節(jié)和管理，通過充電分流電路(S4R)及分流電路(S3R)、放電調(diào)節(jié)電路(BDR)，向配電管理器輸出穩(wěn)定的一次電源母線。配電管理器將一次電源分配到各分系統(tǒng)用電設備，并通過LCL限流電路、固態(tài)功率控制器(SSPC)過流電路實現(xiàn)對負載過流故障的保護。蓄電池組向配電管理器提供火工品母線，由配電管理器完成整星火工品管理功能。供配電系統(tǒng)組成如圖1所示。

供配電系統(tǒng)對外輸出一條全調(diào)節(jié)母線，可根據(jù)需求配置成30.5 V±0.5 V或42.0 V±0.5 V。供配電分系統(tǒng)充分采用模塊化的設計思想，將太陽翼、蓄電池、電源控制器和配電管理器等設備均進行模塊劃分，可根據(jù)整星功率需求進行裁剪或擴展。高分多模衛(wèi)星作為中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺首發(fā)星，供配電系統(tǒng)采用典型配置方案。

太陽電池陣分機械太陽翼和太陽電池電路兩部分考慮模塊化。機械太陽翼有2種單板尺寸，面積分別為2.64 m2和4.5 m2。其中，2.64 m2太陽翼單板適用于敏捷衛(wèi)星平臺，具有高剛度的特點。典型配置為雙太陽翼，每翼3塊2.64 m2基板。其它型號可根據(jù)整星功率需求及敏捷需求選用不同尺寸單板，覆蓋2000～5000 W的功率范圍。太陽電池陣電路由多個分陣電路構成，每個分陣電路通過太陽電池片串并聯(lián)組合構成。通過更改分陣數(shù)量，或者改變每個分陣中并聯(lián)的太陽電池串的數(shù)量，均可以靈活地調(diào)整太陽陣輸出功率。

鋰離子蓄電池組由30 Ah鋰離子蓄電池單體通過串、并聯(lián)組合構成。典型配置為兩組鋰離子蓄電池組，每組為30 Ah單體3并9串，總容量180 Ah。在選用30.5 V母線體制的情況下，電池組的單體串聯(lián)數(shù)量固定為7節(jié)，通過調(diào)整并聯(lián)數(shù)量可以調(diào)整電池組的總容量。

電源控制器的分流電路和充電電路與太陽電池陣的分陣數(shù)量對應，每個電路的調(diào)節(jié)能力為8 A。典型配置下，電源控制器中有兩個分流模塊和兩個充電分流模塊，每個模塊中包含4級調(diào)節(jié)電路,共16路調(diào)節(jié)電路。按照4路一個單元步進，可對調(diào)節(jié)電路數(shù)量進行調(diào)整。電源控制器中單個放電調(diào)節(jié)電路功率為600 W，典型配置包含8個放電調(diào)電路，放電調(diào)節(jié)能力4800 W，按照2路一個單元步進，調(diào)整為6個或10個模塊，覆蓋3600～6000 W的放電調(diào)節(jié)功率范圍。

配電管理器同樣采用了模塊化的設計思路，其配電部分可通過增加LCL、SSPC模塊數(shù)量提高對載荷設備的配電能力；典型配置為8路LCL電路和12路SSPC電路，分別按照8路一個單元步進和4路一個單元步進對配電路數(shù)進行調(diào)整。火工品控制部分采用了主模塊加子模塊的設計方式，可通過增加子模塊提高火工品控制通道數(shù)量。每個子模塊具有16路控制通路，典型配置為4個子模塊共64路通路。

2 技術特點

2.1 高剛度并聯(lián)型太陽翼

考慮到衛(wèi)星敏捷機動對太陽翼剛度的需求，新研了并聯(lián)型高剛度太陽翼基板。基板尺寸1200 mm×2200 mm，配置雙太陽翼，每翼3塊基板并聯(lián)，太陽翼展開狀態(tài)基頻可達到2 Hz以上。太陽翼由根部鉸鏈、1塊中心板、2塊側板、4個側板鉸鏈、1套側板釋放裝置和4套壓緊裝置組成，太陽翼上無連接架，根部鉸鏈與中心板直接相連，兩塊側板分別通過兩個鉸鏈與中心板長邊相連，形成根部鉸鏈與中心板串聯(lián)，中心板與兩側板并聯(lián)的構形的技術狀態(tài)。太陽翼構型如圖2所示。

圖2 太陽翼壓緊狀態(tài)和展開狀態(tài)構形Fig.2 Fold and deploy status of solar wing

太陽電池電路采用光電轉(zhuǎn)換效率30%的三結砷化鎵太陽電池，2翼共16個子陣，一個子陣由26串14并電池單元組合而成。在標準測試條件(AM0)下太陽電池電路輸出功率為5 447.8 W，壽命末期最大光照角29°條件下負載端輸出功率為3 085.3 W。輸出功率如表1所示。

表1 太陽電池陣輸出功率Table 1 Output power of solar array

2.2 采用S4R拓撲的模塊化電源控制器

電源控制器采用S4R全調(diào)節(jié)拓撲形式，典型配置下，由6路分流電路、10路充電分流電路、8路放電電路、微電極陣列(MEA)電路、BEA電路和下位機電路組成。

6路分流電路和10路充電分流電路分別對應太陽電池陣A翼和B翼太陽電池子陣輸出，每翼太陽電池陣對應3路分流電路和5路充電分流電路；8路放電電路對應兩組鋰電池蓄電池組，每4路對應一組蓄電池組；放電電路和充電電路均為“四取三”熱備份工作模式。MEA和BEA電路采用“三取二”熱備份工作模式，下位機采用主備冷備份工作模式。

電源控制器是通用化產(chǎn)品，能夠適應不同型號和不同功率的需求。因此，電源控制器在設計上具有可擴展性。電源控制器整體采用模塊化設計，每個模塊集成功能相同或相近的電路并在結構上對應一結構塊，各模塊功能獨立互不影響。對電源控制器模塊的劃分如表2所示。

表2 電源控制器模塊劃分Table 2 Modules of power control unit

2.3 大容量鋰離子蓄電池組

根據(jù)整星地影期功率需求和鋰離子蓄電池單體型譜，選擇30 Ah單體通過3并組合形成90 Ah電池組。配置兩組鋰離子蓄電池組，每個組件為27個30 Ah單體形成的3并9串組合，整星兩組電池共180 Ah容量。蓄電池組采用拉桿式結構。蓄電池組的前后板、底板以及側面拉桿組成，每組蓄電池通過6根拉桿拉緊固定，來保證整體結構的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)單體蓄電池之間的緊裝配，防止單體蓄電池變形。單體蓄電池同結構件之間隔有絕緣的聚酰亞胺壓敏膠帶，在串聯(lián)單體蓄電池之間的縫隙填充導熱硅膠以加強蓄電池組強度。

每個電池組件上自帶溫度傳感器，輸出的溫度信號由綜合電子接口單元采集。每節(jié)電池外貼加熱帶，由綜合電子接口單元對其進行溫度控制。

為了避免鋰離子電池單體出現(xiàn)性能嚴重衰降或者失效后對電池組性能造成嚴重影響，考慮電池組的開路防護和切除性能嚴重衰降的單體，在每節(jié)電池(3并的組合)上安裝一個旁路開關(bypass)器件，由均衡管理器內(nèi)的bypass驅(qū)動模塊驅(qū)動，能夠在該節(jié)電池發(fā)生單體失效或性能嚴重衰降時將其旁路。

每節(jié)電池(3并的組合)均向外輸出電壓采樣線和均衡處理線，可由均衡管理器采集每節(jié)電池電壓，并對其進行均衡處理。

2.4 具有過流保護功能的配電管理器

典型配置下，配電管理器產(chǎn)品共包括13個功能組件：下位機組件2個，火工及起爆控制組件5個，LCL配電組件1個，SSPC配電組件3個，配電組件1個，DC/DC組件1個，各組件在整機的分布情況如圖3所示。

圖3 配電管理器功能組件構成布局Fig.3 Structure of power distribution unit

配電管理器配電通路有三種類型，分別為：

(1)繼電器配電。對于平臺數(shù)管、測試、控制等在軌長通電分系統(tǒng)，采用繼電器配電方式。以上3個分系統(tǒng)在軌需要長期工作，否則會導致整星失效，因此未配置固態(tài)開關。

(2)LCL配電。LCL控制模塊采用基于金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的限流保護開關作為供電開關，其主要特性是在啟動和負載發(fā)生過流、短路等故障時，將控制開關的輸出電流限定在一定范圍內(nèi)。LCL通路額定電流為4 A，在額定電流Ie的1.2～1.4 A進入限流保護，特性如圖4所示。

圖4 LCL的開關電流特性Fig.4 Characteristics of LCL current switching

配電管理器共配置了8路LCL通路，給整星分散的小功率負載配電。

(3)SSPC配電。發(fā)生突發(fā)過流事件時，SSPC將按I2t反時限曲線跳閘保護，即關斷時間與其電流值的大小成反比關系，電流越大，所允許通過的時間越短。SSPC額定電流20 A，在額定電流的1.4～1.6倍進入保護，SSPC電路的保護特性如圖5所示。

圖5 SSPC的I2t曲線Fig.5 I2t curve of SSPC

配電管理器配置了12路SSPC通路，為分系統(tǒng)或大功率負載設備配電。

2.5 分系統(tǒng)自主管理功能

供配電自主管理從2個方面開展：①功能性自主管理，包括電量計控制、均衡控制、遙測參數(shù)預處理、星上能源調(diào)度[7]；②故障自主管理，包括故障隔離及健康預報。自主管理供電信息流如圖6所示。

3 驗證情況

3.1 8年長壽命驗證

1)鋰離子蓄電池8年壽命試驗

針對應用的鋰離子蓄電池，開展了實時壽命循環(huán)、加速壽命循環(huán)試驗及壽命預測工作。實時壽命試驗最多進行約12 000周循環(huán)，放電截至電壓從初始的3.927 0 V衰減至最低3.883 4 V，單體電壓降低約0.043 6 V。電流加倍壽命試驗最多進行約22 000周，放電截至電壓從初始的3.928 0 V衰減至最低3.849 8 V，單體電壓降低約0.078 02 V。所有單體放電截止電壓均遠高于規(guī)定的在軌最低電壓需求。

采用循環(huán)測試數(shù)據(jù)，完成了對蓄電池組8年壽命預測[8]，預測結果為在7年時，蓄電池截止電壓達到[3.775 6, 3.782 4]V，遠大于3.3 V的截止電壓閾值，如圖7所示。

圖7 鋰電池8年壽命末期截止電壓Fig.7 Cut-off voltage at the end of lifetime of lithium-ion battery

2)太陽電池電路原子氧適應性試驗

8年壽命太陽電池電路將承受的原子氧總通量為2.95×1024m-2[9-10]，考慮2倍余量，需要能夠承受5.9×1024m-2的原子氧通量。在長壽命專項試驗中，已完成了5×1025m-2的原子氧通量試驗。試驗結果為：20 μm銀互連片從初始的0.007 84 g變化到0.006 81 g，質(zhì)量損失約為13.14%。根據(jù)互連片設計，互連片單個焊腳寬度1.3 mm，互連片厚度為20 μm，截面積為0.026 mm2，按銀材料安全載流量10 A/mm2來算，單個焊腳可以通過的安全電流為0.26 A，三片互連片可以通過的安全電流為2.34 A，遠大于一片太陽電池的輸出電流。經(jīng)原子氧腐蝕后的銀互連片載流能力，也能滿足太陽電池的輸出電流。因此，太陽電池能夠適應原子氧環(huán)境。

3.2 在軌應用驗證

3.2.1 各衛(wèi)星應用情況

使用中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺供配電系統(tǒng)，并在軌成功運行的衛(wèi)星包括：高分多模、高分十一號、高分十四號、高分七號、5米光學、資源三號03星等衛(wèi)星。其中，高分十一號衛(wèi)星2018年7月發(fā)射入軌，5米光學衛(wèi)星2019年9月發(fā)射入軌，高分七號衛(wèi)星2019年11月發(fā)射入軌，高分多模衛(wèi)星2020年7月發(fā)射入軌，資源三號03星2020年7月發(fā)射入軌，高分十四號衛(wèi)星2020年12月發(fā)射入軌，其供配電系統(tǒng)在軌運行狀態(tài)均良好，配置情況見表3。

表3 在軌衛(wèi)星供配電系統(tǒng)配置Table 3 Configuration of on orbit satellites power system

3.2.2 高分多模衛(wèi)星在軌測試情況

1)太陽翼輸出功率

衛(wèi)星入軌拋罩后，太陽電池陣逐漸有電流輸出，其中A翼最大約1.8 A、B翼最大約6.5 A；星箭分離后太陽翼程控電爆解鎖，兩翼完全展開并鎖定。衛(wèi)星建立正常姿態(tài)后，A翼太陽電池陣電流43.06 A，B翼太陽電池陣電流44.08 A，如圖8所示。一次母線端輸出功率為3659 W，滿足3000 W指標要求。

圖8 入軌后太陽電池陣輸出電流Fig.8 Current of solar array on orbit

2)在軌能量平衡情況

地影期長期負載下，A、B組蓄電池組平均放電電流均為18 A左右，每組放電9.9 Ah，當圈放電深度約11%；地影期進行30 min中繼回放放電深度最大，達到15.72%。光照期正常飛行姿態(tài)下，A翼+B翼太陽電池陣總電流>80 A，能夠滿足負載供電和A、B組蓄電池組充電需求，在光照期各種工況下，不需要蓄電池組聯(lián)合供電。

光照期正常飛行姿態(tài)下，A、B組蓄電池組充電電流能夠保證達到25 A(充電限流檔位5檔)充電電流設計值要求，當蓄電池組充電電壓達到36 V±0.35 V(充電限流檔位5檔)時，對鋰電池限流轉(zhuǎn)恒壓充電控制切換順利，并且當圈可實現(xiàn)能量平衡。

4 結束語

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺供配電系統(tǒng)具有高可靠、小型化、智能化、長壽命的優(yōu)點，完成了15.84 m2高剛度太陽翼、功率等級5000 W、母線電壓42 V電源控制器、長壽命大容量180 Ah鋰離子蓄電池組、20路智能化配電管理器等單機產(chǎn)品研制、試驗、及在軌驗證；完成了鋰離子蓄電池組和太陽電池電路8年壽命適應性試驗驗證。供配電系統(tǒng)各項功能性能均滿足指標要求，在多顆遙感衛(wèi)星上得到應用，在軌狀態(tài)良好，為后續(xù)遙感衛(wèi)星型號提供了供配電系統(tǒng)研制基線。