一種衛(wèi)星電源控制單機(jī)設(shè)計(jì)

摘 要：電源系統(tǒng)是衛(wèi)星正常工作的最基礎(chǔ)和最重要的分系統(tǒng)之一，而電源控制單機(jī)是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的控制核心部件。在此論述了一種電源控制單機(jī)模塊化設(shè)計(jì)方案，具備調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、穩(wěn)定的母線(xiàn)電壓、長(zhǎng)壽命、高可靠性和能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，為衛(wèi)星電源系統(tǒng)提供更好的電源品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：母線(xiàn)；控制單機(jī)；模塊化

衛(wèi)星電源系統(tǒng)在額定電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生、儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)、控制電能，為所有平臺(tái)和有效載荷供電，并在出現(xiàn)可靠性故障時(shí)對(duì)電源系統(tǒng)所有部件提供保護(hù)。除返回式衛(wèi)星外，國(guó)內(nèi)外90%以上的航天器電源系統(tǒng)采用了太陽(yáng)電池陣/蓄電池組（SA/B）電源系統(tǒng)[1]。在光照期由太陽(yáng)電池陣發(fā)電，對(duì)星上設(shè)備供電和對(duì)儲(chǔ)能電池組充電；在地影期間由儲(chǔ)能電池組對(duì)星上設(shè)備供電。電源控制單機(jī)通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能電池組的充放電調(diào)節(jié)控制、太陽(yáng)電池陣輸出多余功率的分流調(diào)節(jié)，完成電源系統(tǒng)一次電源變換控制，保持電源母線(xiàn)供電的穩(wěn)定，滿(mǎn)足整星負(fù)載的供配電要求。文章描述了一種衛(wèi)星電源控制單機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，控制單機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于組裝維護(hù)，重量輕。

1 控制單機(jī)概述

電源控制單機(jī)采用SAST4000平臺(tái)，雙獨(dú)立母線(xiàn)設(shè)計(jì)，一條是平臺(tái)母線(xiàn)，其為全調(diào)節(jié)母線(xiàn)，電源控制單機(jī)負(fù)責(zé)平臺(tái)負(fù)載的供配電，另一條是載荷不調(diào)節(jié)母線(xiàn)，不經(jīng)過(guò)電源控制單機(jī)，直接進(jìn)行載荷的供電。

1.1 平臺(tái)母線(xiàn)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

平臺(tái)母線(xiàn)選擇為全調(diào)節(jié)母線(xiàn)，從而保證給星上其他分系統(tǒng)供電電壓的穩(wěn)定，及母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定。當(dāng)衛(wèi)星在地影期時(shí)，通過(guò)平臺(tái)放電調(diào)節(jié)電路完成從平臺(tái)蓄電池組到平臺(tái)母線(xiàn)的升壓變換并穩(wěn)定母線(xiàn)電壓。當(dāng)衛(wèi)星處于光照期時(shí)且平臺(tái)蓄電池能量充足時(shí)，通過(guò)平臺(tái)充電/分流電路完成平臺(tái)母線(xiàn)的供電與多余平臺(tái)太陽(yáng)電池陣的分流并穩(wěn)定母線(xiàn)電壓。當(dāng)衛(wèi)星處于光照期時(shí)且平臺(tái)蓄電池能量不足時(shí)，通過(guò)平臺(tái)充電/分流電路完成平臺(tái)母線(xiàn)的供電與平臺(tái)蓄電池組的充電補(bǔ)充并穩(wěn)定母線(xiàn)電壓。優(yōu)先級(jí)：平臺(tái)太陽(yáng)電池陣優(yōu)先滿(mǎn)足平臺(tái)母線(xiàn)電壓供電，再對(duì)不足的平臺(tái)蓄電池組補(bǔ)充能量，最后才將多余的太陽(yáng)電池陣能量分流以器件熱輻射形式發(fā)散。

1.2 載荷母線(xiàn)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

光照期，載荷工作時(shí)由太陽(yáng)電池陣與蓄電池組聯(lián)合供電，載荷不工作時(shí)太陽(yáng)電池陣通過(guò)TR充電控制電路完成蓄電池組的能量補(bǔ)充。地影期全部由蓄電池組供電。這種方式優(yōu)點(diǎn)是在軌使用普遍，技術(shù)成熟。

2 控制單機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1 單機(jī)模塊組成

當(dāng)兩條母線(xiàn)的調(diào)節(jié)方式確立后，意味著電源控制單機(jī)的平臺(tái)和載荷充放電控制方式確定，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)要求可以把電源控制單機(jī)的功能進(jìn)行分解，其主要由平臺(tái)放電調(diào)節(jié)模塊、平臺(tái)充電分流模塊、TR充電分流模塊、濾波模塊、遙測(cè)遙控模塊、平臺(tái)鋰離子均衡模塊、TR鋰離子均衡模塊及下位機(jī)模塊組成，如下圖1所示。

2.2 單機(jī)各模塊功能

2.2.1 平臺(tái)放電調(diào)節(jié)模塊

光照期，若出現(xiàn)峰值功率，平臺(tái)太陽(yáng)電池陣的輸出功率無(wú)法滿(mǎn)足平臺(tái)母線(xiàn)負(fù)載的功率需求，則由平臺(tái)蓄電池組通過(guò)電源控制單機(jī)的變換、調(diào)節(jié)后補(bǔ)充供電；在地影期，平臺(tái)母線(xiàn)負(fù)載的功率需求全部由平臺(tái)蓄電池組通過(guò)電源控制單機(jī)變換、調(diào)節(jié)后提供。其中，電源控制單機(jī)的變換、調(diào)節(jié)功能由放電調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 平臺(tái)濾波模塊

平臺(tái)放電調(diào)節(jié)電路以及平臺(tái)充電分流調(diào)節(jié)電路均屬于開(kāi)關(guān)電源，平臺(tái)濾波模塊主要是在平臺(tái)母線(xiàn)輸出端口使用電容濾波模塊，提高平臺(tái)母線(xiàn)的電源品質(zhì)，使母線(xiàn)的輸出紋波和動(dòng)態(tài)響應(yīng)滿(mǎn)足指標(biāo)要求，同時(shí)在平臺(tái)濾波模塊上還包括電源分系統(tǒng)所使用的二次電源模塊，以及對(duì)平臺(tái)母線(xiàn)電流遙測(cè)及有線(xiàn)接口。

2.2.3 平臺(tái)充電分流模塊

充電分流控制模塊控制電路充分利用了太陽(yáng)電池陣I-V曲線(xiàn)的特性，可直接并在太陽(yáng)電池分陣兩端，根據(jù)系統(tǒng)母線(xiàn)負(fù)載的用電需求，在滿(mǎn)足母線(xiàn)穩(wěn)定的同時(shí)把太陽(yáng)電池分陣供入的富裕功率提供給蓄電池組充電。對(duì)太陽(yáng)電池陣而言，太陽(yáng)電池供電陣、充電陣采用了合一的設(shè)計(jì)方案，電源下位機(jī)通過(guò)充電分流控制硬件接口，實(shí)現(xiàn)軟件充電控制，蓄電池組過(guò)壓和單體過(guò)壓保護(hù)等功能。

2.2.4 遙測(cè)遙控模塊

完成母線(xiàn)電壓和蓄電池組電壓等主要電源參數(shù)模擬值的遙測(cè)采樣，接受和執(zhí)行地面遙控指令。

2.2.5 TR充電控制模塊

充電控制由軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)，軟件可以通過(guò)地面注數(shù)選擇控制任意一路充電電路，當(dāng)軟件故障時(shí)可通過(guò)地面直接遙控指令將軟件控制切出改為硬件單獨(dú)控制。考慮到蓄電池組一節(jié)單體失效的情況，在硬件電路中設(shè)置主、備兩個(gè)限壓控制點(diǎn)。當(dāng)電池組電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，限壓充電控制電路開(kāi)始起作用，將太陽(yáng)陣電流全部分流。

2.2.6 均衡管理模塊

保證鋰離子蓄電池單體間的電壓均一性，采取旁路電阻分流充電電流的均衡控制策略。在光照期的充電過(guò)程中，當(dāng)任意單體蓄電池電壓與最低蓄電池單體電壓之差達(dá)到80mV（暫定，可在軌修改）或單體電壓超過(guò)4.15V（暫定，可在軌修改）時(shí)，電源下位機(jī)發(fā)出均衡指令，接通電壓較高單體的分流電路，旁路掉240mA 左右的電流，從而減緩該蓄電池單體電壓的上升速度，達(dá)到均衡充電的目的；當(dāng)衛(wèi)星工作于地影期或均衡時(shí)間滿(mǎn)足一定條件時(shí)，斷開(kāi)均衡電路，防止蓄電池單體的過(guò)放電。

2.2.7 下位機(jī)管理模塊

下位機(jī)管理模塊由軟件與硬件組成，主要功能如下：（1）完成總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議規(guī)定的應(yīng)答操作；（2）采集、處理一次電源的工程參數(shù)，并對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行數(shù)字濾波；（3）通過(guò)總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)完成遙測(cè)傳送和指令接收功能；（4）完成平臺(tái)及TR蓄電池組的充電控制功能，電壓控制參數(shù)具備在軌注入調(diào)整功能；（5）完成平臺(tái)及TR蓄電池組均衡管理功能；（6）完成平臺(tái)及TR蓄電池組充電控制過(guò)壓保護(hù)功能；（7）完成平臺(tái)蓄電池組欠壓報(bào)警功能；（8）完成對(duì)平臺(tái)和TR蓄電池組電壓、單體電壓的采集、處理功能；（9）提供TR蓄電池過(guò)流報(bào)警功能和欠壓報(bào)警功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章簡(jiǎn)要介紹了一種衛(wèi)星電源控制單機(jī)模塊化設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)是單獨(dú)功能模塊設(shè)計(jì)布局與安裝較便捷，維護(hù)替換方便，具有一定的可拓展性。目前該產(chǎn)品已投入研制，從調(diào)試、測(cè)試和環(huán)境模擬試驗(yàn)驗(yàn)證等研制生產(chǎn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方法合理可行。

參考文獻(xiàn)

[1]穆肯德·帕特爾.航天器電源系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2010：100-121.