空間S4R電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李建平，徐 偉，錢成喜

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

空間S4R電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李建平，徐 偉，錢成喜

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

采用S4R功率調(diào)節(jié)技術(shù)能降低電源系統(tǒng)的控制難度，并具有較高的充電效率，同時(shí)能降低PCU的質(zhì)量和熱功耗，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的衛(wèi)星電源技術(shù)。介紹了一套42 V母線S4R功率調(diào)節(jié)技術(shù)空間電源系統(tǒng)，對(duì)S4R功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行分析總結(jié)。

S4R；42 V；電源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

S4R功率調(diào)節(jié)技術(shù)于20世紀(jì)90年代中期由EAS電源研究室開發(fā)成功，S4R在S3R的基礎(chǔ)上拓展增加了太陽電池陣的直接充電功能。S4R電源系統(tǒng)采用“兩域”控制方式，與S3R系統(tǒng)[1]的“三域”控制方式相比，降低了一次電源系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度，提高了電源系統(tǒng)跨域動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；由于S4R系統(tǒng)具有太陽電池陣的直接充電功能，不需要配置獨(dú)立的BCR充電模塊，可減輕電源控制器(PCU)的質(zhì)量。S4R系統(tǒng)[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(shí)降低PCU熱功耗，降低PCU的熱控難度。

S4R功率調(diào)節(jié)技術(shù)可以滿足各種軌道航天器電源系統(tǒng)的應(yīng)用需求，尤其適用于需要頻繁地進(jìn)行大電流充電的航天器電源系統(tǒng)。

1 S4R電源系統(tǒng)簡介

如圖1所示，42 V母線S4R電源系統(tǒng)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(fù)載模擬器以及測(cè)試用的TM/TC、上位機(jī)等相關(guān)儀器設(shè)備。

1.1 S4R電源控制器

電源控制器是S4R功率調(diào)節(jié)技術(shù)電源系統(tǒng)的核心，電源控制器采用兩域(S4R)全調(diào)節(jié)母線體制，實(shí)現(xiàn)母線電壓調(diào)節(jié)、太陽電池陣模擬器輸出功率的分流調(diào)節(jié)、蓄電池組模擬器充電控制及放電調(diào)節(jié)，以及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品過壓、限流保護(hù)。

S4R功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供電母線電壓范圍設(shè)計(jì)為 (42±0.3) V。本課題研制電源控制器采用兩域(S4R)全調(diào)節(jié)母線體制，主要功能包括：

圖1 S4R功率調(diào)節(jié)技術(shù)電源系統(tǒng)框圖

(1)電源控制器一共包括12級(jí)順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器，分別為6個(gè)S3R分流調(diào)節(jié)器和6個(gè)S4R分流調(diào)節(jié)器；

(2)在太陽電池陣輸出功率滿足整星負(fù)載的條件下，多余的輸出功率才會(huì)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(shí)，則蓄電池組通過放電調(diào)節(jié)器給母線供電，并通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各個(gè)升壓調(diào)節(jié)器均流控制；

(4)具備對(duì)蓄電池組進(jìn)行均衡充電控制的能力；

(5)每個(gè)放電調(diào)節(jié)模塊具有均流的能力。

1.2 太陽電池陣模擬器

對(duì)應(yīng)電源控制器的12級(jí)分流調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)一共設(shè)置了12級(jí)太陽電池陣模擬器，每級(jí)太陽電池陣模擬器分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)分流電路。太陽電池陣模擬器由Agilent公司生產(chǎn)，型號(hào)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(jié)容量為30 Ah的鋰離子單體電池串聯(lián)組成。每節(jié)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(fù)載

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

1.5 測(cè)試用儀器

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試用儀器設(shè)備主要有：電源控制器專檢設(shè)備TM/TC(包含上位機(jī))、4通道Tektronix MSO4054示波器、Agilent 34401A數(shù)字萬用表、KYORITSU KEW SNAP 2004電流卡鉗表等。

2 S4R電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

S4R系統(tǒng)為二域控制系統(tǒng)，電源控制器的主誤差放大器(MEA)信號(hào)的整個(gè)有效范圍分為兩個(gè)區(qū)域，中間設(shè)置死區(qū)隔離。BDR工作對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)域，S3R電路和S4R電路對(duì)應(yīng)另一個(gè)區(qū)域，S3R電路和S4R電路對(duì)應(yīng)的區(qū)域是連續(xù)的，因此稱為二域控制系統(tǒng)，見圖2。

圖2 MEA控制趨勢(shì)示意圖

主誤差電壓(Vmea)對(duì)應(yīng)于母線輸出功率。當(dāng)母線輸出功率較負(fù)載功率不足時(shí)(太陽電池陣供電不足或無輸出)，主誤差電壓控制放電調(diào)節(jié)器工作；當(dāng)母線輸出功率較負(fù)載功率過剩時(shí)，主誤差電壓控制S4R電路中的充電調(diào)節(jié)電路工作；若太陽電池陣輸出功率大于負(fù)載功率和充電功率，主誤差電壓控制S4R電路中分流調(diào)節(jié)電路工作，達(dá)到母線輸出功率與負(fù)載功率平衡，這時(shí)充電電流受BEA電路控制(恒流限壓模式)。

在S4R模塊調(diào)節(jié)域中，MEA對(duì)于S3R、S4R電路單元的控制完全相同，只是S4R電路單元設(shè)置在低端，S3R電路單元設(shè)置在高端。在S4R電路中獨(dú)立設(shè)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(nèi)進(jìn)行，也就是說S4R電路只能將太陽電池陣產(chǎn)生的功率供給負(fù)載后所剩的功率進(jìn)行充電，再將滿足負(fù)載和充電后的其余功率分流。S4R對(duì)太陽電池陣所產(chǎn)生功率的分配原則為先負(fù)載、再充電、后分流，因此供負(fù)載和充電過程、充電過程和分流過程不會(huì)發(fā)生沖突。

2.2 S4R電路設(shè)計(jì)

S3R技術(shù)與PWM分流技術(shù)相比有著電路簡潔，熱耗低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，S3R分流開關(guān)管控制電路由回差(施密特)比較器構(gòu)成。

S4R電路是在S3R電路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)串聯(lián)充電開關(guān)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(dú)立設(shè)置了供負(fù)載、充電與分流的邏輯控制電路，保證S4R對(duì)太陽電池陣所產(chǎn)生功率的分配原則為優(yōu)先供負(fù)載、其次充電、最后分流。

2.3 放電調(diào)節(jié)電路(BDR)設(shè)計(jì)

當(dāng)太陽方陣的輸出功率不滿足負(fù)載需求或處于軌道陰影期時(shí)，放電調(diào)節(jié)器完成母線調(diào)節(jié)工作。放電調(diào)節(jié)器采用熱備份工作方式，各個(gè)模塊的輸出電流統(tǒng)一由主誤差放大信號(hào)控制。

BDR設(shè)計(jì)采用升壓調(diào)節(jié)電路，其原理框圖如圖4所示。

圖4 BDR原理框圖

放電調(diào)節(jié)器的核心單元由功率場(chǎng)效應(yīng)管、整流二極管、電感等構(gòu)成的Boost轉(zhuǎn)換器和控制電路構(gòu)成。由于環(huán)路控制的需要，必須獲得輸出電流的平均值，用于MEA的電導(dǎo)控制，調(diào)節(jié)主母線電壓。輸出電流采樣設(shè)置在輸入端，為確保電流采樣信號(hào)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(gè)BDR有獨(dú)立的電流控制環(huán)，輸出電流均接受主誤差信號(hào)統(tǒng)一控制，從而實(shí)現(xiàn)了多個(gè)BDR的均流設(shè)計(jì)。

3 S4R電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

S4R功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)由12級(jí)分流電路組成，根據(jù)負(fù)載和充電的需求狀態(tài)，各級(jí)電路會(huì)處于不同的工作狀態(tài)。

3.1 輕度負(fù)載工況

負(fù)載較輕時(shí)，太陽電池陣輸出的電流之和在滿足負(fù)載電流和充電電流需要的同時(shí)仍然有富裕，此時(shí)有兩級(jí)分流級(jí)處于調(diào)整狀態(tài)。有一級(jí)調(diào)整級(jí)處于分流/供負(fù)載調(diào)整狀態(tài)，另一級(jí)調(diào)整級(jí)處于分流/充電調(diào)整狀態(tài)，其余各級(jí)穩(wěn)定處于供負(fù)載狀態(tài)或充電狀態(tài)或分流狀態(tài)。該狀態(tài)下充電電流受BEA信號(hào)控制，蓄電池組處于恒流充電或者恒壓充電狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

圖5 輕負(fù)載時(shí)S4R實(shí)驗(yàn)波形

3.2 中度負(fù)載工況

中度負(fù)載時(shí)，太陽電池陣產(chǎn)生的電流之和不能同時(shí)滿足負(fù)載電流和充電電流的需要，此時(shí)只有一級(jí)分流級(jí)在充電/分流/供負(fù)載三個(gè)狀態(tài)之間調(diào)整，其余分流級(jí)穩(wěn)定處于供負(fù)載狀態(tài)或充電狀態(tài)。該狀態(tài)下調(diào)整級(jí)受MEA信號(hào)和BEA信號(hào)共同控制，蓄電池組處于恒流充電或者恒壓充電狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

圖6 中度負(fù)載時(shí)S4R實(shí)驗(yàn)波形

3.3 重度負(fù)載工況

重度負(fù)載時(shí)，當(dāng)太陽電池陣產(chǎn)生的電流之和不能同時(shí)滿足負(fù)載電流和充電電流的需要，此時(shí)只有一級(jí)分流級(jí)在充電/供負(fù)載兩個(gè)狀態(tài)之間調(diào)整，其余分流級(jí)穩(wěn)定處于供負(fù)載或充電狀態(tài)。該狀態(tài)下充電電流受MEA信號(hào)控制，蓄電池組充電電流不足，未達(dá)到恒流充電或者恒壓充電狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7 重負(fù)載時(shí)S4R實(shí)驗(yàn)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(shù)有關(guān)。

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(guān)，當(dāng)調(diào)整級(jí)分流開關(guān)管的開關(guān)占空比系數(shù)=50%時(shí)，分流電路的工作頻率最大。

通過設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，S4R電路調(diào)節(jié)的母線紋波特性較好。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)波形

(2)瞬態(tài)特性

瞬態(tài)特性是考量電源系統(tǒng)輸出特性的一個(gè)重要指標(biāo)，瞬時(shí)負(fù)載躍變會(huì)造成母線電壓的瞬時(shí)變化。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，基于限頻開關(guān)分流調(diào)節(jié)技術(shù)的S4R功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠非常好的實(shí)現(xiàn)輸出母線的穩(wěn)壓功能，具有非常好的瞬態(tài)特性。從圖9可以看出負(fù)載躍變時(shí)母線電壓波動(dòng)不大于220 mV。

圖9 負(fù)載躍變波形(負(fù)載變重)

4 結(jié)論

通過一套基于S4R功率調(diào)節(jié)技術(shù)的空間電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，介紹了S4R系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文中對(duì)S4R功率調(diào)節(jié)電路的工作原理和控制策略進(jìn)行介紹以及對(duì)S4R功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)進(jìn)行分析，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，其分析思路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為空間S4R電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

基于S4R拓?fù)湓碓O(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證,證實(shí)了高效率、低質(zhì)量的串聯(lián)開關(guān)與開關(guān)分流模塊結(jié)合組成的S4R拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)分流、充電模塊一體化,在太陽電池分陣接口設(shè)計(jì)不變化的情況下使得電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡化。

采用S4R的電源系統(tǒng)的電池組充電電壓會(huì)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(lián)充電開關(guān)高效調(diào)節(jié),可以彌補(bǔ)方陣功率利用率較低的不足。

空間電源S4R拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在大功率GEO、LEO衛(wèi)星平臺(tái)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?yàn)榭臻g電源系統(tǒng)及電源控制設(shè)備。