中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

喬明 朱立穎 趙冰欣

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094) (2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

供配電系統(tǒng)關(guān)系整星命脈，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，可能會(huì)給衛(wèi)星帶來災(zāi)難性的后果。因此，供配電系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)顯得尤為重要；同時(shí)，隨著衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命的不斷提高，供配電系統(tǒng)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)需求越來越迫切；對(duì)于遙感衛(wèi)星，載荷配置變化大，因而對(duì)能源系統(tǒng)功率需求差別較大，需要供配電系統(tǒng)具有多任務(wù)適應(yīng)性能力；供配電系統(tǒng)質(zhì)量在衛(wèi)星中占比較大，隨著功率等級(jí)提高，質(zhì)量問題更加凸顯，需要供配電系統(tǒng)開展減重設(shè)計(jì)，提高功率密度。

在可靠性設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星供配電系統(tǒng)所有功能均由硬件實(shí)現(xiàn)，沒有故障自主管理能力；中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)(ZY2000 Remote Sensing Satellite Platform)供配電系統(tǒng)在電源控制器、配電管理器中均配置了下位機(jī)，可自主實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電管理、能源自主管理及故障診斷[1-2]，提高供配電系統(tǒng)可靠性；同時(shí)，傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星配電通路開關(guān)全部采用繼電器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)配電通路過流保護(hù)功能。國(guó)外具有過流保護(hù)功能的固態(tài)開關(guān)技術(shù)成熟，并在意大利空間對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)(COSMO-SKYMED)、德國(guó)重力反演與氣候試驗(yàn)(GRACE)衛(wèi)星、歐空局空間天體測(cè)量(GAIA)衛(wèi)星等廣泛應(yīng)用。雖然國(guó)內(nèi)在空間站上已經(jīng)使用了100 V固態(tài)開關(guān)產(chǎn)品，但沒有42 V/30.5 V固態(tài)開關(guān)工程應(yīng)用。中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于限流控制器(LCL)、固態(tài)功率控制器(SSPC)[3]的42 V/30.5 V固態(tài)開關(guān)配電控制通路，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載過流、短路故障的自主切除,提高了配電通路的可靠性。

在壽命方面，此前國(guó)內(nèi)低軌衛(wèi)星供配電設(shè)計(jì)壽命一般為3～5年，而目前遙感衛(wèi)星壽命需求已經(jīng)提高到了8年。影響壽命的主要因素是蓄電池循環(huán)壽命及星外太陽(yáng)電池陣耐受空間環(huán)境能力。中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)供配電系統(tǒng)通過開展鋰離子蓄電池組長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)和地面壽命驗(yàn)證試驗(yàn)、太陽(yáng)電池陣互聯(lián)片長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)和耐空間環(huán)境試驗(yàn)將供配電系統(tǒng)壽命提升到8年以上。

在多任務(wù)適應(yīng)性方面，以資源衛(wèi)星為代表的遙感衛(wèi)星供配電系統(tǒng)，母線電壓為28 V，功率等級(jí)為3000 W，無(wú)功率擴(kuò)展能力，無(wú)法滿足功率3000 W以上的衛(wèi)星需求；中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)供配電系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)接口和通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)電源控制器、蓄電池組等產(chǎn)品模塊化。提高母線電壓和功率等級(jí)適應(yīng)能力。

在功率密度方面，此前國(guó)內(nèi)多數(shù)遙感衛(wèi)星供配電系統(tǒng)主要使用混合型功率拓?fù)?控制單機(jī)包括分流器、放電調(diào)節(jié)器等多臺(tái)獨(dú)立設(shè)備，控制單機(jī)功率密度僅有33.3 W/kg；海洋二號(hào)衛(wèi)星供配電系統(tǒng)對(duì)控制單機(jī)進(jìn)行了整合，功率密度提升到了56.6 W/kg，但未實(shí)現(xiàn)功率調(diào)制統(tǒng)一控制，功率密度提升有限；中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)供配電系統(tǒng)開展了串聯(lián)順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)(S4R)[4-5]型拓?fù)溲兄疲M(jìn)一步提升了控制單機(jī)功率密度。

1 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供配電系統(tǒng)利用太陽(yáng)電池陣和蓄電池組作為發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備[6]，通過電源控制器的調(diào)節(jié)和管理，通過充電分流電路(S4R)及分流電路(S3R)、放電調(diào)節(jié)電路(BDR)，向配電管理器輸出穩(wěn)定的一次電源母線。配電管理器將一次電源分配到各分系統(tǒng)用電設(shè)備，并通過LCL限流電路、固態(tài)功率控制器(SSPC)過流電路實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載過流故障的保護(hù)。蓄電池組向配電管理器提供火工品母線，由配電管理器完成整星火工品管理功能。供配電系統(tǒng)組成如圖1所示。

供配電系統(tǒng)對(duì)外輸出一條全調(diào)節(jié)母線，可根據(jù)需求配置成30.5 V±0.5 V或42.0 V±0.5 V。供配電分系統(tǒng)充分采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將太陽(yáng)翼、蓄電池、電源控制器和配電管理器等設(shè)備均進(jìn)行模塊劃分，可根據(jù)整星功率需求進(jìn)行裁剪或擴(kuò)展。高分多模衛(wèi)星作為中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)首發(fā)星，供配電系統(tǒng)采用典型配置方案。

太陽(yáng)電池陣分機(jī)械太陽(yáng)翼和太陽(yáng)電池電路兩部分考慮模塊化。機(jī)械太陽(yáng)翼有2種單板尺寸，面積分別為2.64 m2和4.5 m2。其中，2.64 m2太陽(yáng)翼單板適用于敏捷衛(wèi)星平臺(tái)，具有高剛度的特點(diǎn)。典型配置為雙太陽(yáng)翼，每翼3塊2.64 m2基板。其它型號(hào)可根據(jù)整星功率需求及敏捷需求選用不同尺寸單板，覆蓋2000～5000 W的功率范圍。太陽(yáng)電池陣電路由多個(gè)分陣電路構(gòu)成，每個(gè)分陣電路通過太陽(yáng)電池片串并聯(lián)組合構(gòu)成。通過更改分陣數(shù)量，或者改變每個(gè)分陣中并聯(lián)的太陽(yáng)電池串的數(shù)量，均可以靈活地調(diào)整太陽(yáng)陣輸出功率。

鋰離子蓄電池組由30 Ah鋰離子蓄電池單體通過串、并聯(lián)組合構(gòu)成。典型配置為兩組鋰離子蓄電池組，每組為30 Ah單體3并9串，總?cè)萘?80 Ah。在選用30.5 V母線體制的情況下，電池組的單體串聯(lián)數(shù)量固定為7節(jié)，通過調(diào)整并聯(lián)數(shù)量可以調(diào)整電池組的總?cè)萘俊?/p>

電源控制器的分流電路和充電電路與太陽(yáng)電池陣的分陣數(shù)量對(duì)應(yīng)，每個(gè)電路的調(diào)節(jié)能力為8 A。典型配置下，電源控制器中有兩個(gè)分流模塊和兩個(gè)充電分流模塊，每個(gè)模塊中包含4級(jí)調(diào)節(jié)電路,共16路調(diào)節(jié)電路。按照4路一個(gè)單元步進(jìn)，可對(duì)調(diào)節(jié)電路數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。電源控制器中單個(gè)放電調(diào)節(jié)電路功率為600 W，典型配置包含8個(gè)放電調(diào)電路，放電調(diào)節(jié)能力4800 W，按照2路一個(gè)單元步進(jìn)，調(diào)整為6個(gè)或10個(gè)模塊，覆蓋3600～6000 W的放電調(diào)節(jié)功率范圍。

配電管理器同樣采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，其配電部分可通過增加LCL、SSPC模塊數(shù)量提高對(duì)載荷設(shè)備的配電能力；典型配置為8路LCL電路和12路SSPC電路，分別按照8路一個(gè)單元步進(jìn)和4路一個(gè)單元步進(jìn)對(duì)配電路數(shù)進(jìn)行調(diào)整。火工品控制部分采用了主模塊加子模塊的設(shè)計(jì)方式，可通過增加子模塊提高火工品控制通道數(shù)量。每個(gè)子模塊具有16路控制通路，典型配置為4個(gè)子模塊共64路通路。

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 高剛度并聯(lián)型太陽(yáng)翼

考慮到衛(wèi)星敏捷機(jī)動(dòng)對(duì)太陽(yáng)翼剛度的需求，新研了并聯(lián)型高剛度太陽(yáng)翼基板。基板尺寸1200 mm×2200 mm，配置雙太陽(yáng)翼，每翼3塊基板并聯(lián)，太陽(yáng)翼展開狀態(tài)基頻可達(dá)到2 Hz以上。太陽(yáng)翼由根部鉸鏈、1塊中心板、2塊側(cè)板、4個(gè)側(cè)板鉸鏈、1套側(cè)板釋放裝置和4套壓緊裝置組成，太陽(yáng)翼上無(wú)連接架，根部鉸鏈與中心板直接相連，兩塊側(cè)板分別通過兩個(gè)鉸鏈與中心板長(zhǎng)邊相連，形成根部鉸鏈與中心板串聯(lián)，中心板與兩側(cè)板并聯(lián)的構(gòu)形的技術(shù)狀態(tài)。太陽(yáng)翼構(gòu)型如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)翼壓緊狀態(tài)和展開狀態(tài)構(gòu)形Fig.2 Fold and deploy status of solar wing

太陽(yáng)電池電路采用光電轉(zhuǎn)換效率30%的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，2翼共16個(gè)子陣，一個(gè)子陣由26串14并電池單元組合而成。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(AM0)下太陽(yáng)電池電路輸出功率為5 447.8 W，壽命末期最大光照角29°條件下負(fù)載端輸出功率為3 085.3 W。輸出功率如表1所示。

表1 太陽(yáng)電池陣輸出功率Table 1 Output power of solar array

2.2 采用S4R拓?fù)涞哪K化電源控制器

電源控制器采用S4R全調(diào)節(jié)拓?fù)湫问剑湫团渲孟拢?路分流電路、10路充電分流電路、8路放電電路、微電極陣列(MEA)電路、BEA電路和下位機(jī)電路組成。

6路分流電路和10路充電分流電路分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)電池陣A翼和B翼太陽(yáng)電池子陣輸出，每翼太陽(yáng)電池陣對(duì)應(yīng)3路分流電路和5路充電分流電路；8路放電電路對(duì)應(yīng)兩組鋰電池蓄電池組，每4路對(duì)應(yīng)一組蓄電池組；放電電路和充電電路均為“四取三”熱備份工作模式。MEA和BEA電路采用“三取二”熱備份工作模式，下位機(jī)采用主備冷備份工作模式。

電源控制器是通用化產(chǎn)品，能夠適應(yīng)不同型號(hào)和不同功率的需求。因此，電源控制器在設(shè)計(jì)上具有可擴(kuò)展性。電源控制器整體采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊集成功能相同或相近的電路并在結(jié)構(gòu)上對(duì)應(yīng)一結(jié)構(gòu)塊，各模塊功能獨(dú)立互不影響。對(duì)電源控制器模塊的劃分如表2所示。

表2 電源控制器模塊劃分Table 2 Modules of power control unit

2.3 大容量鋰離子蓄電池組

根據(jù)整星地影期功率需求和鋰離子蓄電池單體型譜，選擇30 Ah單體通過3并組合形成90 Ah電池組。配置兩組鋰離子蓄電池組，每個(gè)組件為27個(gè)30 Ah單體形成的3并9串組合，整星兩組電池共180 Ah容量。蓄電池組采用拉桿式結(jié)構(gòu)。蓄電池組的前后板、底板以及側(cè)面拉桿組成，每組蓄電池通過6根拉桿拉緊固定，來保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)單體蓄電池之間的緊裝配，防止單體蓄電池變形。單體蓄電池同結(jié)構(gòu)件之間隔有絕緣的聚酰亞胺壓敏膠帶，在串聯(lián)單體蓄電池之間的縫隙填充導(dǎo)熱硅膠以加強(qiáng)蓄電池組強(qiáng)度。

每個(gè)電池組件上自帶溫度傳感器，輸出的溫度信號(hào)由綜合電子接口單元采集。每節(jié)電池外貼加熱帶，由綜合電子接口單元對(duì)其進(jìn)行溫度控制。

為了避免鋰離子電池單體出現(xiàn)性能嚴(yán)重衰降或者失效后對(duì)電池組性能造成嚴(yán)重影響，考慮電池組的開路防護(hù)和切除性能嚴(yán)重衰降的單體，在每節(jié)電池(3并的組合)上安裝一個(gè)旁路開關(guān)(bypass)器件，由均衡管理器內(nèi)的bypass驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)，能夠在該節(jié)電池發(fā)生單體失效或性能嚴(yán)重衰降時(shí)將其旁路。

每節(jié)電池(3并的組合)均向外輸出電壓采樣線和均衡處理線，可由均衡管理器采集每節(jié)電池電壓，并對(duì)其進(jìn)行均衡處理。

2.4 具有過流保護(hù)功能的配電管理器

典型配置下，配電管理器產(chǎn)品共包括13個(gè)功能組件：下位機(jī)組件2個(gè)，火工及起爆控制組件5個(gè)，LCL配電組件1個(gè)，SSPC配電組件3個(gè)，配電組件1個(gè)，DC/DC組件1個(gè)，各組件在整機(jī)的分布情況如圖3所示。

圖3 配電管理器功能組件構(gòu)成布局Fig.3 Structure of power distribution unit

配電管理器配電通路有三種類型，分別為：

(1)繼電器配電。對(duì)于平臺(tái)數(shù)管、測(cè)試、控制等在軌長(zhǎng)通電分系統(tǒng)，采用繼電器配電方式。以上3個(gè)分系統(tǒng)在軌需要長(zhǎng)期工作，否則會(huì)導(dǎo)致整星失效，因此未配置固態(tài)開關(guān)。

(2)LCL配電。LCL控制模塊采用基于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的限流保護(hù)開關(guān)作為供電開關(guān)，其主要特性是在啟動(dòng)和負(fù)載發(fā)生過流、短路等故障時(shí)，將控制開關(guān)的輸出電流限定在一定范圍內(nèi)。LCL通路額定電流為4 A，在額定電流Ie的1.2～1.4 A進(jìn)入限流保護(hù)，特性如圖4所示。

圖4 LCL的開關(guān)電流特性Fig.4 Characteristics of LCL current switching

配電管理器共配置了8路LCL通路，給整星分散的小功率負(fù)載配電。

(3)SSPC配電。發(fā)生突發(fā)過流事件時(shí)，SSPC將按I2t反時(shí)限曲線跳閘保護(hù)，即關(guān)斷時(shí)間與其電流值的大小成反比關(guān)系，電流越大，所允許通過的時(shí)間越短。SSPC額定電流20 A，在額定電流的1.4～1.6倍進(jìn)入保護(hù)，SSPC電路的保護(hù)特性如圖5所示。

圖5 SSPC的I2t曲線Fig.5 I2t curve of SSPC

配電管理器配置了12路SSPC通路，為分系統(tǒng)或大功率負(fù)載設(shè)備配電。

2.5 分系統(tǒng)自主管理功能

供配電自主管理從2個(gè)方面開展：①功能性自主管理，包括電量計(jì)控制、均衡控制、遙測(cè)參數(shù)預(yù)處理、星上能源調(diào)度[7]；②故障自主管理，包括故障隔離及健康預(yù)報(bào)。自主管理供電信息流如圖6所示。

3 驗(yàn)證情況

3.1 8年長(zhǎng)壽命驗(yàn)證

1)鋰離子蓄電池8年壽命試驗(yàn)

針對(duì)應(yīng)用的鋰離子蓄電池，開展了實(shí)時(shí)壽命循環(huán)、加速壽命循環(huán)試驗(yàn)及壽命預(yù)測(cè)工作。實(shí)時(shí)壽命試驗(yàn)最多進(jìn)行約12 000周循環(huán)，放電截至電壓從初始的3.927 0 V衰減至最低3.883 4 V，單體電壓降低約0.043 6 V。電流加倍壽命試驗(yàn)最多進(jìn)行約22 000周，放電截至電壓從初始的3.928 0 V衰減至最低3.849 8 V，單體電壓降低約0.078 02 V。所有單體放電截止電壓均遠(yuǎn)高于規(guī)定的在軌最低電壓需求。

采用循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)，完成了對(duì)蓄電池組8年壽命預(yù)測(cè)[8]，預(yù)測(cè)結(jié)果為在7年時(shí)，蓄電池截止電壓達(dá)到[3.775 6, 3.782 4]V，遠(yuǎn)大于3.3 V的截止電壓閾值，如圖7所示。

圖7 鋰電池8年壽命末期截止電壓Fig.7 Cut-off voltage at the end of lifetime of lithium-ion battery

2)太陽(yáng)電池電路原子氧適應(yīng)性試驗(yàn)

8年壽命太陽(yáng)電池電路將承受的原子氧總通量為2.95×1024m-2[9-10]，考慮2倍余量，需要能夠承受5.9×1024m-2的原子氧通量。在長(zhǎng)壽命專項(xiàng)試驗(yàn)中，已完成了5×1025m-2的原子氧通量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為：20 μm銀互連片從初始的0.007 84 g變化到0.006 81 g，質(zhì)量損失約為13.14%。根據(jù)互連片設(shè)計(jì)，互連片單個(gè)焊腳寬度1.3 mm，互連片厚度為20 μm，截面積為0.026 mm2，按銀材料安全載流量10 A/mm2來算，單個(gè)焊腳可以通過的安全電流為0.26 A，三片互連片可以通過的安全電流為2.34 A，遠(yuǎn)大于一片太陽(yáng)電池的輸出電流。經(jīng)原子氧腐蝕后的銀互連片載流能力，也能滿足太陽(yáng)電池的輸出電流。因此，太陽(yáng)電池能夠適應(yīng)原子氧環(huán)境。

3.2 在軌應(yīng)用驗(yàn)證

3.2.1 各衛(wèi)星應(yīng)用情況

使用中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)供配電系統(tǒng)，并在軌成功運(yùn)行的衛(wèi)星包括：高分多模、高分十一號(hào)、高分十四號(hào)、高分七號(hào)、5米光學(xué)、資源三號(hào)03星等衛(wèi)星。其中，高分十一號(hào)衛(wèi)星2018年7月發(fā)射入軌，5米光學(xué)衛(wèi)星2019年9月發(fā)射入軌，高分七號(hào)衛(wèi)星2019年11月發(fā)射入軌，高分多模衛(wèi)星2020年7月發(fā)射入軌，資源三號(hào)03星2020年7月發(fā)射入軌，高分十四號(hào)衛(wèi)星2020年12月發(fā)射入軌，其供配電系統(tǒng)在軌運(yùn)行狀態(tài)均良好，配置情況見表3。

表3 在軌衛(wèi)星供配電系統(tǒng)配置Table 3 Configuration of on orbit satellites power system

3.2.2 高分多模衛(wèi)星在軌測(cè)試情況

1)太陽(yáng)翼輸出功率

衛(wèi)星入軌拋罩后，太陽(yáng)電池陣逐漸有電流輸出，其中A翼最大約1.8 A、B翼最大約6.5 A；星箭分離后太陽(yáng)翼程控電爆解鎖，兩翼完全展開并鎖定。衛(wèi)星建立正常姿態(tài)后，A翼太陽(yáng)電池陣電流43.06 A，B翼太陽(yáng)電池陣電流44.08 A，如圖8所示。一次母線端輸出功率為3659 W，滿足3000 W指標(biāo)要求。

圖8 入軌后太陽(yáng)電池陣輸出電流Fig.8 Current of solar array on orbit

2)在軌能量平衡情況

地影期長(zhǎng)期負(fù)載下，A、B組蓄電池組平均放電電流均為18 A左右，每組放電9.9 Ah，當(dāng)圈放電深度約11%；地影期進(jìn)行30 min中繼回放放電深度最大，達(dá)到15.72%。光照期正常飛行姿態(tài)下，A翼+B翼太陽(yáng)電池陣總電流>80 A，能夠滿足負(fù)載供電和A、B組蓄電池組充電需求，在光照期各種工況下，不需要蓄電池組聯(lián)合供電。

光照期正常飛行姿態(tài)下，A、B組蓄電池組充電電流能夠保證達(dá)到25 A(充電限流檔位5檔)充電電流設(shè)計(jì)值要求，當(dāng)蓄電池組充電電壓達(dá)到36 V±0.35 V(充電限流檔位5檔)時(shí)，對(duì)鋰電池限流轉(zhuǎn)恒壓充電控制切換順利，并且當(dāng)圈可實(shí)現(xiàn)能量平衡。

4 結(jié)束語(yǔ)

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)供配電系統(tǒng)具有高可靠、小型化、智能化、長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，完成了15.84 m2高剛度太陽(yáng)翼、功率等級(jí)5000 W、母線電壓42 V電源控制器、長(zhǎng)壽命大容量180 Ah鋰離子蓄電池組、20路智能化配電管理器等單機(jī)產(chǎn)品研制、試驗(yàn)、及在軌驗(yàn)證；完成了鋰離子蓄電池組和太陽(yáng)電池電路8年壽命適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證。供配電系統(tǒng)各項(xiàng)功能性能均滿足指標(biāo)要求，在多顆遙感衛(wèi)星上得到應(yīng)用，在軌狀態(tài)良好，為后續(xù)遙感衛(wèi)星型號(hào)提供了供配電系統(tǒng)研制基線。