多能源調節變換器技術研究

馬力君，宋 濤，代 磊，張 明，魯 偉，宋相毅，趙 健

(1.中電科藍天科技股份有限公司，天津 300384；2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；3.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢 430070)

考慮月球日周期長度和月球表面晝夜溫差問題對駐留區能源的影響。針對未來多能源功率調節的需求，需要研制駐留區能量管理模塊，駐留區能量管理模塊對多種能量單元(太陽電池陣、核反應堆、RTG、燃料電池、鋰電池)進行功率的調節，輸出100 V 穩定可靠的母線電壓，滿足負載所需的能量來源。

駐留區能源管理模塊采用多源電力變換與功率調節技術，能夠實現對太陽電池陣發電、核反應堆發電、燃料電池發電、蓄電池儲能、RTG 發電等多種發電源的統一控制與高效功率調節，對外輸出100 V 平臺母線，實現能源系統多源輸入下可靠穩定運行，具備為駐留區遠近場無線能量傳輸模塊、燃料電池電解的供電能力。

經過對任務的分析與解剖，得出了以下的結論：

(1)能源類型多樣。根據不同任務階段、環境特點采用不同的高效、輕質能源類型，包括太陽電池陣、燃料電池、鋰離子電池、RTG 核反應堆等。

(2)長期大功率月面能源基地的建設采用模塊化擴展、逐步構建，且在初期采用太陽能發電構造基礎能源，在此基礎上逐步構建核電源系統。

(3)月面能源系統中，如何高效實現長時間(14 d)、低溫(－187 ℃)的月夜能源供給，無線能量傳輸、RTG 保溫等方式具有可行性。

1 多能源管理模塊系統

1.1 模塊劃分與能量調度

駐留區能量管理模塊共計設置7 個模塊，如圖1所示。其中RTG 模塊負責RTG 功率調節和控制，核反應堆模塊負責核反應堆的功率調節，太陽電池陣模塊負責太陽電池的功率調節與控制功率調節，燃料電池模塊負責燃料電池功率調節，蓄電池模塊負責鋰電池充放電調節，下位機模塊完成遙測遙控和通信功能。

圖1 駐留區能量管理單元模塊劃分

駐留區能量管理模塊的系統能量調度方案主要有統一的MEA 控制和下垂控制兩種，由于駐留區能量管理模塊能源較為集中，采用統一的MEA 控制方式。參考傳統衛星的三域調節器，將駐留區能量管理模塊設計成六域調節器，如圖2 所示。通過統一的MEA 誤差信號對多種能源進行功率控制調節，不同的單元在誤差信號的作用下，工作于適合的工作狀態，同時在域與域之間，設置相應的死區，防止出現多個變換器共同控制母線的情況。首先當RTG 能源滿足系統要求時，RTG 負責穩定母線電壓，隨著功率需求的增加，RTG 處于最大功率跟蹤的狀態[1]，由核反應堆放電穩定母線電壓，依次隨著各個單元功率增加而處于最大功率跟蹤狀態或特定工作狀態時，即由下一個單元來穩定母線電壓。

圖2 供電順序

1.2 系統控制方式與拓撲結構

系統控制方式考慮數字控制和模擬控制兩種，模擬控制可靠性高，數字控制靈活方便，考慮到研制周期與進度要求，采用傳統的模擬控制。

能量管理模塊由多個功能模塊組成，如何在各模塊可靠工作的同時保證各個模塊協調一致地工作，其中拓撲結構的選型確定對于功率密度影響最大。采用隔離拓撲結構雖然可以實現功率開關器件的軟開關從而實現寬范圍輸入輸出變比情況下的高效率，但是軟開關隔離變換器必不可少的是隔離變壓器和諧振元件，相較于非隔離拓撲，在功率密度方面并不占優勢。這也是航天器電源控制器一般采用非隔離硬開關拓撲的重要原因。除了RTG 和燃料電池存在高變比的情況外，其余能源輸入和輸出均較為接近，采用硬開關非隔離拓撲依然可以獲得不錯的效率，因此本研究所有能源的功率變換均采用硬開關非隔離拓撲結構。

2 能源管理模塊

2.1 RTG 功率調節模塊

對于RTG 功率調節的要求是輸入功率≥300 W，輸入電壓30～40 V，輸出為100 V 母線。

RTG 輸入電壓低，需采用升壓MPPT 拓撲結構實現最佳功率點的跟蹤和輸出母線電壓調節。根據RTG 輸出特點，為了防止RTG 熱端溫度過高而造成性能退化率增加，影響其工作壽命，在RTG 電源系統應用過程中需要兼顧如下幾條實用原則：(1)RTG 在軌不允許長時間工作在開路狀態。

(2)負載功率小于RTG 最大輸出功率時，調節系統能自動完成RTG 輸出與負載功率之間的動態匹配控制，保持系統能量平衡。

(3)負載功率大于RTG 輸出功率時，調節系統自動完成RTG 最大功率模式輸出，同時自動完成備份能源的接入，以滿足飛行器能源平臺。

(4) 調節系統能夠自動適應RTG 最大功率點漂移變化，保證在飛行器整個壽命周期內RTG 輸出能量的充分利用。

(5) 最大程度范圍內減小整個電源系統功能配置，減輕電源系統質量，減低發射成本。

根據上述原則，需要開發功率自適應溫差發電電源系統設計，滿足以RTG 為代表的熱電能源系統的應用，滿足后續深空探測任務的需求。

由于RTG 內阻大，輸出動態影響能力弱，因此要求與其連接的功率調節單元輸入電流連續，根據其輸出功率與輸出電流的曲線可知，隨著其輸出功率增大，其輸出電壓逐漸變化，當其輸出功率達到最大時，其輸出電壓達到其額定工作點。

根據RTG 發電單元特性及其應用工況，并結合飛行器負載用電需求，通過調節RTG 輸出電壓來匹配其輸出與負載用電功率。

圖3 為RTG 拓撲框圖。

圖3 RTG拓撲框圖

當RTG 溫差發電單元輸出的功率大于負載用電時，電源控制器的RTG 功率調節器調節RTG 輸出電壓來匹配負載功率需求，以穩定母線，同時自主一體化儲能單元完成對蓄電池組補充電量；當RTG 輸出功率不滿足負載用電時，功率調節器調節RTG 輸出在最大功率工作點。

功率調節器采用SuperBoost 的電路拓撲結構[2]，SuperBoost 輸入電流和輸出電流連續，可以滿足RTG輸出電壓變換要求，通過調節控制電路完成輸出母線控制及RTG 工作點調節，當RTG 輸出功率不滿足負載功率時，調節控制電路通過RTG 輸出電壓、電流的變化來動態跟蹤RTG 的最大功率點，高效地利用RTG 輸出能量。當負載功率小于RTG 輸出功率時，調節控制電路通過調節RTG 輸出功率來平衡負載用需求，穩定輸出母線。

2.2 核反應堆功率調節模塊

核反應堆電源功率調節的要求是：輸入功率≥1 kW，輸入電壓范圍65～85 V。經過調研，國內現有的核反應堆輸出特性與RTG 輸出特性類似，因此，核反應堆功率調節模塊采用與RTG 功率調節相類似方案，即核反應堆單元輸出的功率大于負載用電時，電源控制器的核反應堆功率調節器調節核反應堆輸出電壓來匹配負載功率需求，以穩定母線；當核反應堆輸出功率不滿足負載用電時，功率調節器調節核反應堆單元輸出在最大功率工作點。有區別的是輸入電壓范圍和功率等級，需要針對參數進行特殊設計。

在核反應堆功率調節模塊設置相應的保護電路，保證在功率調節電路發生故障的情況下，不會影響駐留區能量管理模塊母線電壓。

2.3 SAS模塊

太陽電池陣：輸入功率≥1 kW；根據電壓和功率等級，采用一級MPPT 即可以實現功率要求，設計一級太陽電池陣最大功率跟蹤。

SAS 模塊共設計了四種工作模式：MPPT 工作模式、限流工作模式、恒壓工作模式、開路模式。

2.4 燃料電池模塊

燃料電池的功率調節分為燃料電池放電和燃料電池電解兩個功率模塊，且所需求的功率均為1 000 W。燃料電池放電模塊在模擬月夜時將可再生燃料電池產生的電供母線負載使用，燃料電池電解模塊用于模擬在月晝能量管理模塊能量充足時，將100 V變換為燃料電池電解所需要的28 V 電壓。

燃料電池放電采用Superboost 功率拓撲結構，燃料電池電解采用Buck 功率拓撲結構。為了避免單個器件失效導致母線和蓄電池輸出過載，在輸入和輸出端口設計了過流保護電路。保護電路由電流采樣和功率開關兩個部分組成，過流保護電路位于調節器輸入口高端。

圖4 為燃料電池變換器框圖。

圖4 燃料電池變換器框圖

2.5 BCDR 模塊

BDR 電路功率為1 000 W，BCR 功率為500 W，模塊內部包括輸入保護電路及濾波電路、母線端輸入保護電路及濾波電路、電池充放電電流采樣、功率變換電路、母線輸出電流采樣、PWM 控制電路[5]。為了保持設計的一致性，BDR 采用在駐留區能量管理模塊中得到應用的Superboost 電路，BCR 采用Buck電路，充放電調節模塊如圖5 所示。

圖5 充放電調節器功率拓撲

為了避免單個器件失效導致母線和蓄電池輸出過載，在輸入和輸出端口設計了過流保護電路[6]。保護電路由電流采樣和功率開關兩個部分組成，過流保護電路位于調節器輸入口高端。

針對鋰離子電池組采用先恒流后恒壓的充電控制方式，在電池組未達到恒壓段時，充電電流由充定值與MEA 決定，隨著電池組電壓逐漸升高；當電池組電壓接近或達到恒壓設定值時，BCR 充電電流受控于BEA，充電電流隨著BEA 的減小而逐漸減小，從而維持電池組的恒壓狀態，確保鋰離子電池組不被過充。

2.6 下位機模塊

下位機模塊是能量管理模塊的控制中心，通過RS422 總線實現與中控機數據交互，接收中控機發送總線指令對總線數據進行解析處理；根據中控機發送遙測輪詢指令，按照總線協議反饋系統的工程遙測參數，實現中控機對駐留區能量管理模塊控制與管理功能。

3 多能源調節變換器結構設計

駐留區能量管理模塊結構采用模塊化設計，模塊化結構可很好地解決功率器件的散熱、安裝、功率擴展的問題。同時，易于安裝與調試。能量管理模塊產品見圖6 所示。

圖6 產品照片

4 總結

本文首先討論了多能源調節變換器的必要性與需求，通過分析科研站駐留區各個能源單機的需求和性能，采用MEA 控制方式將駐留區能量管理模塊設計成六域調節器。研究駐留區多能源調節變換器技術，通過對多能源的合理調度和利用，旨在提高多能源利用效率和可靠性，為未來在軌應用提供重要的技術支持。