一種高效星載功率調節與配電單元設計與實現

蔡曉東 杜青 徐澤鋒 張俊亭 楊袆 夏寧 王超

(1北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)(2上?？臻g電源研究所,上海 200245)

供配電分系統作為探測器重要分系統之一,主要任務是為探測器產生、貯存和分配電能,以滿足探測器在整個飛行過程中的一次電源供電、配電等需求;提供運載火箭和探測器間,軌道器與著陸器、返回器間,著陸器與上升器間、以及各用電設備間的電氣接口;通過低頻電纜網實現功率和信息的傳遞,并構成完整可靠的接地系統,其中最核心功能是實現功率調節、能源配給和火工品起爆控制。

深空探測器供配電分系統設計的難點之一就是質量約束嚴苛[1-8]。深空探測器受運載能力制約質量要求嚴苛,其中可見報道的“奧德賽”火星探測器供配電系統質量在整個探測器中的占比為11.9%,某月球環繞探測器質量占比9.9%,某月球環繞巡視探測器質量占比4%;同時,受運載整流罩空間限制,深空探測器對平臺設備和載荷設備的體積提出更高的要求,必須通過設備的小型化設計和總裝的優化布局,盡可能的提高探測器空間利用率,最大程度的提升探測任務的價值[9-14]。為了滿足任務需求,必須從單機設計方面開展優化設計,提高探測器能源系統的功率質量比和體積比功率。

1 電源控制裝置國外研究現狀

目前國外航天器使用的電源控制裝置可分為電源控制器(Power Conditioning Units,PCU)和電能控制與配電單元(Power Conditioning and Distribution Units,PCDU)兩類,下面分別進行介紹。

1)PCU

國外PCU一般采用順序開關分流調節器(S3R)三域調節控制技術,ESA空間電源實驗室于20世紀90年代中期全球首次開發成功順序開關串聯分流調節器(S4R)調節技術,S4R可有效的縮小電源控制器的體積質量,提高電源控制器的功率調節密度。國外電源控制器普遍采用模塊化設計,具有較強的功率擴展能力,并且達到了較高的工藝水平和批量生產能力。典型產品為阿爾卡特(Alcatel ETCA)公司研制的SB4000平臺,輸出功率9～21kW可擴展,南北蓄電池組各對應8個電池放電管理器(BDR)及2個蓄電池充電調壓器(BCR)。阿爾卡特空間公司(Alcatel)與阿斯特里姆公司(Astrium)聯合開發的阿爾法客車(Alphabus)采用新一代電源控制裝置,功率范圍可擴展到8～26kW,可適應多結GaAs太陽電池陣、Li-Ion電池;分流調節沿用S3R,充電采用S4R,在輸出功率、效率、模塊化等多個性能指標都有明顯的優勢。

表1給出了國外部分航天器PCU的基本參數情況。其中,火星快車整星功率1500W,PCU質量只有8.2kg;Astrium某PCU產品能提供5000W功率,質量僅為25kg,均具有較高的功率質量比。

表1 國外航天器電源控制器基本性能參數

2)PCDU

國外電源控制裝置另一發展趨勢是PCDU,包含功率控制和功率分配兩部分,功率控制完成功率流的控制和與星上計算機的通信,功率分配根據星上指令為載荷、平臺電子設備、加熱器和可展開裝置配電。PCDU內設置有包括蓄電池充放電管理在內的自主管理功能,外形結構采用柔性的模塊化設計,可擴展性好。Astrium公司研制的PCDU產品外形圖如圖1所示。

圖1 國外PCDU產品外形圖

與傳統獨立的多臺設備相比,PCDU產品具有更高的功率質量比。從航天器設備生產商Astrium對外提供的PCDU產品資料可以了解到該公司生產的某型號PCDU可提供一條5.5kW/50V不調節母線和一條1.5kW/28V全調節母線,質量僅為22.5kg。表2給出了部分國外航天器使用的PCDU產品與國內航天器使用獨立的多臺產品的功率質量比的比較,探測器全球星-2(Globalstar-2)、麗莎探路者(LISApathfinder)、蓋亞(GAIA)等所采用的PCDU設備的功率質量比均介于43～133W/kg之間,而國內獨立設備的綜合功率質量比僅為33～40W/kg。

值得注意的是，書籍編輯類電腦軟件只是一種便于操作的排版程序，它永遠也無法替代人腦工作，也不可能代替設計者去思考。書籍設計是一項極富創造性與美感的工作，它的編輯與排版并不一定符合固有的生產思維方式，而是更具隨機性和多樣化，它本身便是設計者個性與經歷的體現。[1]所以，在書籍設計教學中，要注重學生多維度思考方式的鍛煉，以及個性化特征的培養，使學生的書籍設計既體現“情理之中，意料之外”的原則，又能夠帶有更多原創的可能性，并為其找到新的市場定位，以體現其現實價值。

表2 國外PCDU產品與國內獨立設備功率質量比

2 功率調節與配電單元組成及功能設計

PCDU組成如圖2所示,通常電源設備的本體結構、設備間功率和信號線纜的連接在供配電系統中質量占比較高,對供電設備、配電設備和火工品管理設備進行集成化設計可有效降低獨立設備和功率線纜的質量和體積,同時,增加下位機模塊,使供配電設備自身具備遙測采集和收發指令的功能,可大大降低信號線纜的質量,因而本文將功率調節PCU模塊、配電和火工品PDU模塊、智能接口(PIU)模塊進行集成化設計,如圖3所示,模塊間采用二次電源集中供電,結構通過拉桿固連,功率通過匯流條傳輸,信號通過母板傳輸,采用多層板和表貼元器件進一步提升集成度,以實現系統的輕小型化。其中功率調節模塊包括放電模塊、充電分流模塊,火工品模塊包含全調節母線配電模塊,不調節母線配電模塊,火工品模塊,二次電源模塊。

圖2 PCDU組成框圖

圖3 集成化PCDU設計原理圖

功率調節模塊實現光照期對太陽電池陣的分流調節和陰影期對蓄電池組放電調節,配電和火工控制模塊實現對全調節、不調節母線負載的加斷電控制,火工品起爆和分離電連接器電分離控制,PIU采用主備機冷備份設計,實現遙控指令接收、遙測信號采集,為蓄電池組在軌保護、故障診斷與處置和容量實時評估提供軟件支持。單機研制通過模塊化設計、采用匯流條、霍爾元件與印制電路板的一體化設計等方法,進一步節約質量資源。集成化和輕小型化設計大大減少了結構、器件和電纜等質量,簡化了設備內部接口復雜程度,提高了設備供電可靠性。

3 關鍵技術

3.1 多母線融合控制技術

為了提高太陽翼發電利用率,根據雙母線負載功率需求,采用S4R電路和S3R電路相結合的方式。S4R電路輸出既與全調節母線相連,又與不調節母線相連,優先為全調節母線負載供電,同時兼顧為不調節母線負載供電和為蓄電池充電;S3R充電分流電路輸出與不調節母線相連,為不調節母線負載供電和為蓄電池充電。

為了避免全調節、不調節母線負載同時用電對S4R電路的競爭和干擾,S4R電路和S3R采用逆向分流法,即當S4R電路為全調節母線供電時,分流順序為從高到低;當S4R電路為不調節母線供電時,分流順序為從低到高。這種方式在保證S4R電路優先為全調節母線供電,同時提高了對發電的利用率。該方式通過控制主誤差放大器(MEA)及蓄電池組誤差放大器(BEA)之間進行合理匹配實現。

雙母線融合主誤差放大器及蓄電池組誤差放大器分配示意圖如圖4所示。

圖4 MEA及BEA匹配示意圖

全調節/不調節母線電壓采樣值與目標值做差后經3取2表決電路得到MEA/BEA信號,一方面送入S4R控制邏輯電路實現全調節母線優先供電控制,另一方面送入驅動電路與每路分陣分流基準值進行比較,通過對分流基準值進行設定即可控制每路分陣的調節順序。

3.2 多路放電均流技術

為了能夠實現PCDU放電電路的均流控制和輕量化、高功率質量比的特點,采用優化的雙環控制方法,如圖5所示。輸出電壓U0為電壓采樣信號,經過三路誤差放大器運算,再經過三取二表決電路后,與各個電路的電流信號比較。雙環控制方法即繼承了主從設置法的高精度均流效果,又保證了電路的可靠性和穩定性。脈沖寬度調制(PWM)控制器采用峰值電流控制方式,通過功率開關管的峰值電流直接受誤差放大信號控制,可以及時、靈敏的檢測功率開關管或輸出的瞬態電流值,逐個周期對脈沖電流檢測,只要限制參考電流信號,就可以準確限制通過功率開關管的電流,使系統具有自動限流和短路保護的能力。相比電壓模式,電流模式PWM控制器更能改善系統的穩定性。

圖5 雙環控制方法

3.3 PCDU集成技術

為了實現整個產品的集成度,同時保證各個功能模塊有機結合、功能信號能夠無誤互聯,互不干擾,功率回路保證足夠的功率輸出能力,需要在設計的各個過程中考慮集成化技術。主要從以下方面進行研究來實現整體電路集成化。

1)單機模塊集成一體化

PCDU的高度集成首先體現在多個設備功能的集成。因此,在結構設計當中,將各個模塊進行功能劃分。為了能夠近一步減輕結構的質量,在保證整個產品熱性能和機械性能的基礎上,采用了鎂合金材料。

2)印制板的高度集成

為了實現整個產品的高度集成化和高功率質量比要求,采用了多層印制板和表貼元器件。多層印制板的使用,大大縮小印制板的面積;相對傳統印制板(如雙層印制板)的雙列直插器件,表貼元器件的使用,大大提高了印制板面積的利用率,進一步提升了整個產品模塊化的集成度。

3)電纜技術的集成化

為了減輕產品質量、提高各模塊間的集成度,摒棄了傳統模塊采用導線互聯的方式。各模塊信號部分,采用全新的信號母板方式;功率部分采用設計足額的匯流條的結構方式;內外部接插采用與印制板無縫結合的方式,不但減少了電路中導線的使用數量,而且大大提升了整個模塊的空間利用率;另外此設計方式對于整個電路的拆卸和調試提供了極大的方便。

4)二次電源集中供電技術

為了節約整個產品的空間和質量,二次電源模塊提供了各個功能模塊所需的±12 V,+5 V,+30V的電源模塊,實現了二次電源的集中供電。各個模塊對二次電源的需求,通過信號母板獲得,提高了二次電源的利用率。

通過PCDU集成技術,成功將PCDU的功率調節模塊、配電模塊、火工品模塊、智能接口單元等4個功能性產品集成為1臺產品,實現了功能集成;同時采用優化的結構設計,提升整個產品單模塊面積利用率和產品空間利用率,從而實現整個產品更加緊湊、輕巧,保證了整個產品高度集成、高功率質量比的需求。PCDU技術指標實現情況如表3所示,功率質量比達167 W/kg,優于表2中最高的Globalstar-2。

表3 PCDU主要技術指標

4 仿真驗證

為了驗證功率調節單元的設計正確性,通過運用經典網絡樹分析法和定量分析法,對功率調節單元進行仿真,搭建了功率調節仿真平臺,完成了對功率調節與配電單元10種穩態工況的量化分析過程,4路太陽電池S4R供電陣與6路太陽電池S3R供電陣與母線電壓信號的對應關系與開啟順序如圖6～圖7所示,分析結果與期望值一致,滿足設計要求。逆向分流法有效避免了全調節、不調節母線負載同時用電對S4R電路的競爭和干擾,提高了對發電的利用率。

圖6 S4R供電陣分流信號與全調節母線關系

圖7 S3R供電陣分流信號與蓄電池母線關系

5 試驗驗證

在單機測試過程中,對供電模式的可靠性、安全性進行了測試和驗證,通過控制太陽電池陣功率的輸出,模擬進出陰影區工況。在多種工作模式下,模擬太陽電池陣供電模式、蓄電池供電模式、聯合供電模式3種運行工況,對其遙測波形與進出影動態波形進行分析,生成進出影動態波形圖見圖8～圖9。從遙測曲線與動態波形可以看出,進出陰影區期間,母線電壓穩定,蓄電池轉內電和充放電功能正常,測試結果與設計狀態一致。

圖8 出陰影動態波形圖

圖9 入陰影動態波形圖

6 結束語

本文設計的功率調節與配電單元采用多功能模塊一體化方案,實現了對多母線融合控制、多功能模塊集成化設計、多路放電均流技術等關鍵技術的突破。功率調節與配電單元在軌工作正常、安全可靠,有力的支持了我國深空探測任務圓滿完成,功率調節與配電單元的拉桿式結構、匯流條和母板等多功能模塊集成化設計方案和多母線融合控制等關鍵技術,可為我國深空探測及其它領域功率調節與配電裝置一體化設計提供參考和借鑒。