資源一號02D衛星供配電分系統設計與在軌驗證

李小飛 劉奕宏 馬亮

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

資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)是我國空基規劃業務衛星之一，定位于中等分辨率、大幅寬觀測和定量化遙感任務。與以往同類衛星相比，資源一號02D衛星設計壽命提高至5年，具備一軌多次側擺機動及偏航定標功能，配置了新研高光譜相機，這對供配電分系統的供電能力、母線品質、質量、可靠性等方面都提出了更高的要求[1-5]。為了滿足任務要求，供配電分系統通過新型限頻串聯順序開關分流調節(S4R)模塊化電源控制器、長壽命鋰離子蓄電池、高剛度太陽翼等核心產品，并采用星上能源自主管理方案，實現了衛星在軌高可靠穩定運行；供配電分系統采用基于高比功率的功率控制技術、高比能量的儲能技術、高精度的能量平衡設計與分析等技術的系統輕量化設計方案，實現了一次電源相對以往同類衛星質量減小150 kg；采取軟件與硬件冗余設計實現5年壽命高可靠性設計，并對關鍵單機開展了壽命驗證。

本文在介紹資源一號02D衛星供配電分系統的組成、工作模式基礎上，重點對基于S4R限頻調節的電源控制技術、輕量化方案設計、高精度能量平衡方案、能源自主管理設計、功率鏈路可靠性設計等方面進行論述。最后，根據衛星在軌運行數據，給出了供配電分系統單機和系統性能指標的在軌驗證情況。

1 供配電分系統簡介

1.1 分系統主要功能和性能指標要求

資源一號02D衛星相比以往同類衛星，具備一軌多次側擺能力和偏航90°定標功能，需要供配電分系統滿足正常飛行姿態，以及側擺、偏航飛行姿態下的衛星能源需求，在能源方面不限制衛星工作模式編排，同時需要保證母線穩定度的前提下，具有高動態響應速度，以滿足新研高光譜相機等有效載荷的脈動功率特性。衛星主要性能指標為：母線電壓穩定度優于1%，母線紋波小于400 mV，母線供電能力大于3000 W，分系統質量小于175 kg。

1.2 分系統組成

根據具體功能，供配電分系統由太陽電池陣、蓄電池組及管理器、控制器三部分組成。供配電分系統結構如圖1所示。

注：BEA為蓄電池誤差放大信號；MEA為主誤差放大信號；S3R為順序開關分流調節；BDR為放電調節模塊。

1.3 主要工作模式

在光照期，太陽電池陣通過S3R使用MEA母線主誤差放大信號實現對母線電壓的穩定調節，母線控制在(30.5±0.5)V；同時，在剛進入光照時，充電分流控制邏輯電路根據系統母線負載的用電需求，在滿足母線負載穩定供電的同時把太陽電池陣的富余功率給蓄電池組充電，剩余功率分流。充電過程受蓄電池誤差放大信號BEA的控制，完成從恒流到限壓充電的轉換。在充電分流控制邏輯電路設計中融入制約控制技術，以有效避免充電和分流功率管工作時相互干涉現象，保證母線輸出電壓的穩定[6-8]。

在地影期，蓄電池通過8路BDR穩定母線電壓。在進地影過程中，太陽電池陣功率逐步下降，不能滿足整星功率時，MEA將順序關閉分流和充電，并開啟放電調節進行聯合補充供電，直到進入全地影。在出地影過程中，太陽電池陣功率逐步增加，S3R為全輸出，放電調節輸出電流逐步減小，進行聯合供電，直到進入全光照，由MEA關閉放電調節并進行蓄電池充電。不論衛星軌道狀態和負載特性在正常范圍內如何變化，通過MEA的統一控制，一次電源都保持輸出穩定的母線電源。

下位機模塊對電源控制器工作狀態進行實時監控，并通過1553B總線、直接遙測信號和直接指令的連接模式與星上數管分系統進行數據交換和控制。通過422總線與A、B組蓄電池的均衡管理器通信，完成對均衡管理器的控制。下位機模塊實時監測供配電分系統的健康狀態，形成健康預報字；完成電量計累計并協助BEA電路完成對蓄電池的在軌管理功能。

2 技術特點

2.1 基于S4R限頻調節的電源控制技術

為提高功率密度和功率調節效率，資源一號02D衛星電源控制器采用全開關、全調節設計，對太陽電池陣輸出功率、蓄電池組輸出功率進行控制，通過統一MEA控制，實現分流調節電路、充電分流調節電路、放電調節電路協同工作，各功能電路均采用模塊化、標準化和通用化設計，可根據功率需求進行調整，實現電源控制器的質量、體積優化設計。電源控制器采用S4R拓撲結構，考慮到單路分流電流達到8 A，為降低開關熱耗，在分流、充電電路采用限頻調節技術，開關頻率為0～5 kHz。與傳統的脈寬調制電路相比，限頻調節電路元器件少，結構形式簡單，開關頻率大幅降低，能夠全部分流太陽電池陣輸出電流，允許母線負載零負載或開路[9-10]。限頻分流調節電路具體見圖2。

圖2 限頻分流調節電路示意Fig.2 Diagram of frequency limiting shunt regulation circuit

2.2 輕量化方案設計

通過優化系統配置和采用高比能量設備，實現供配電分系統質量減小設計，具體途徑如下。

(1)采用高效發電裝置。隨著三結砷化鎵太陽電池制造技術和工藝的改進，電池效率逐步提高，與硅太陽片相比，三結砷化鎵太陽電池轉換效率高、衰減率低。資源一號02D衛星采用轉換效率28%的三結砷化鎵太陽電池，相比資源一號02C衛星，在輸出功率增加12%的前提下，太陽翼面積和質量均下降。

(2)優化功率調節方式。采用S4R電路拓撲和限頻控制技術，可以最大限度利用太陽電池功率，簡化充電控制電路，與傳統分陣式開關分流調節電路相比，在同等功率等級下(小于19 kW)，質量可降低30%。

(3)選用高質量比能量儲能裝置。資源一號02D衛星采用額定容量90 A·h的鈷酸鋰體系鋰離子電池，鋰離子電池的質量比能量是鎘鎳蓄電池的4倍，在減小質量的同時還可以通過將電池并聯組合靈活擴展容量，并具有較長的循環壽命，是目前空間儲能設備的首選方案。

2.3 高精度衛星能量平衡分析

為保證資源一號02D衛星高頻率側擺成像任務模式下的能源裕度，供配電分系統開展高精度的能量平衡仿真分析，依據太陽翼遮擋陰影視頻、布片圖和設計參數，得到各典型工況太陽電池陣輸出能力的受遮擋情況，使太陽電池陣供電能力的分析誤差在±2%范圍內，通過建立全壽命的能量平衡分析模型，給出了衛星在軌各個模式下的能量平衡結果，具體見表1和圖3。

表1 太陽翼遮擋影響分析Table 1 Influence analysis of solar array

圖3 夏至1圈軌道太陽電池陣輸出電流曲線Fig.3 Solar array output current during one orbit on summer solstice

2.4 能源自主管理設計

供配電系統的智能化管理能力成為衡量其先進性的一個重要標準，同時也是提高其可靠性的重要手段。資源一號02D衛星明確提出了對供配電系統自主管理的需求，利用一次電源子系統控制單機智能化手段，實現蓄電池充放電管理、遙測遙控處理、故障檢測、恢復與隔離設計，提高供配電系統的可靠性，實現能源自主管理和衛星安全用電。供配電系統配置了下位機，為實現故障自主管理提供了條件，可通過全面的測試點設置及故障檢測、隔離軟件算法，實現故障自主管理，提高沒有地面干預條件下的衛星在軌自主運行能力。能源自主管理層次關系，具體見圖4。

2.5 功率鏈路可靠性設計

為保證整星功率鏈路高可靠設計，供配電分系統從3個方面開展衛星功率鏈路的可靠性設計。①功率通路的裕度：主要包括整星主功率通路和指令電源通路，涉及電連接器、功率電纜、繼電器、大功率器件等的降額和冗余設計。②功率通路的絕緣防護：主要包括衛星功率電纜、星箭電纜、設備內部功率通路，涉及功率電纜綁扎固定點和過孔處二次絕緣處理、設備內部安全間距控制等。③功率通路的保護設計：主要包括過流保護、欠壓保護，各功率通路分支入口端均應設置有效的過流保護電路，同時控制、測控、數管等關鍵設備應能適應母線在過流保護動作期間的電壓波動。在衛星出廠前的衛星能源安全性復查工作的基礎上，對發射場實施的整星主功率電纜通路、火工品功率電纜通路、包帶電纜通路和星箭電纜通路的最終狀態進行專項復查確認。衛星功率鏈路可靠性設計，具體見圖5。

圖5 衛星功率鏈路可靠性設計Fig.5 Reliability design of satellite power link

3 在軌飛行情況

資源一號02D衛星入軌后，太陽翼成功展開鎖定，輸出電壓建立，并快速對日定向。在飛行過程中，供配電分系統在克服大角度側擺遮擋影響情況下，順利完成衛星各飛行姿態各類工作模式的供電能力驗證，衛星能量裕度滿足設計要求。母線電壓穩定在30.51 V，母線電壓總線遙測穩定在30.5 V±0.1 V，均優于30.5 V±0.5 V設計指標。太陽電池陣輸出電流與設計值誤差小于1%。具體見圖6和圖7。其中，圖6采用點圖形式，可以看出母線電壓遙測穩定，波動在一個分層值范圍。

圖6 母線電壓遙測曲線Fig.6 Telemetry curve of main bus voltage

圖7 太陽電池陣輸出電流遙測曲線Fig.7 Telemetry curve of solar array current

4 結束語

針對資源一號02D衛星長壽命、側擺機動成像的能源需求特點，供配電分系統設計了基于S4R限頻調節技術的電源方案，配置了長壽命鋰離子蓄電池、高剛度太陽翼等核心產品，并采用星上能源自主管理方案，實現了衛星在軌高可靠穩定運行。衛星在軌飛行對供配電分系統的功能性能進行了充分測試，測試結果表明：供配電分系統功能正常，性能優于設計指標要求，可為未來遙感衛星供配電分系統設計提供參考。