智能管理一體化能源模塊技術(shù)

王然 馮世強(qiáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所 天津市 300384）

1 引言

衛(wèi)星能源系統(tǒng)是衛(wèi)星上進(jìn)行電能產(chǎn)生、儲(chǔ)存、變換、調(diào)節(jié)和分配的分系統(tǒng)，其主要功能是向衛(wèi)星其他子系統(tǒng)提供電能，維持衛(wèi)星的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。航天器供配電系統(tǒng)為有效載荷和各服務(wù)系統(tǒng)提供電能，它可靠、充裕的能源供給可以保證航天器運(yùn)行期間各設(shè)備正常工作，確保飛行任務(wù)順利完成[1]。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，載荷愈發(fā)多樣化、任務(wù)越加復(fù)雜化，能源的智能管理需求也愈發(fā)迫切。

2 航天器供配電智能管理技術(shù)研究進(jìn)展

目前，在航天器的供配電智能管理方面已近開(kāi)展了部分探索性的設(shè)計(jì)應(yīng)用。21世紀(jì)以來(lái)，隨著小衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、空間機(jī)器人等研究領(lǐng)域不斷發(fā)展，供配電系統(tǒng)的模塊化、小型化和智能化需求愈加迫切[2-3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的遙控式供配電管理方式，智能管理一體化能源技術(shù)利用計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)優(yōu)勢(shì)，參與供配電管理和能源分配決策，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備和負(fù)載的狀態(tài)信息和用電情況，可以根據(jù)飛行階段、環(huán)境狀況和能源情況控制負(fù)載通斷[4]。

3 智能管理一體化能源模塊技術(shù)方案

智能管理一體化能源模塊技術(shù)的關(guān)鍵是：航天器智能配電管理、能源動(dòng)態(tài)計(jì)劃調(diào)度、供配電故障在軌自主實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和隔離技術(shù)。在電源控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)下位機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)量的采集與預(yù)處理，通過(guò)總線(xiàn)與數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。下位機(jī)可以通過(guò)電量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)蓄電池的在軌充電管理，對(duì)冷冗余的供配電設(shè)備設(shè)定自主管理判據(jù)，當(dāng)主份供配電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)自主實(shí)施主／備份切換。在蓄電池放電深度過(guò)深時(shí)，斷開(kāi)部分負(fù)載，以降低蓄電池放電深度，保證電源的輸出功率與負(fù)載相匹配，降低航天器運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。但是，對(duì)于航天器智能化管理水平、能源動(dòng)態(tài)計(jì)劃調(diào)度、故障的在軌自主實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和隔離技術(shù)以及能量水平的預(yù)測(cè)分析，仍然存在諸多不確定性的因素，需要進(jìn)一步研究。

常規(guī)的能源系統(tǒng)主要由發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、能源管理單元三部分組成（如圖1A）。發(fā)電單元主要為太陽(yáng)電池電路和結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)組成的太陽(yáng)電池陣，是衛(wèi)星能量的來(lái)源，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星可以利用的能源；儲(chǔ)能單元為蓄電池單體和模組結(jié)構(gòu)組成蓄電池組，是能源存儲(chǔ)再利用的場(chǎng)所，可以保證衛(wèi)星在沒(méi)有太陽(yáng)能來(lái)源或者太陽(yáng)能不足的情況為衛(wèi)星提供能量來(lái)源；能源管理單元包含了功率調(diào)節(jié)和信號(hào)調(diào)節(jié)，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池陣和蓄電池向后端負(fù)載供電，調(diào)節(jié)太陽(yáng)和蓄電池的供電模式，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)翼控制單元、蓄電池控制單元及星務(wù)之間的信息交互。

智能管理一體化能源系相較于傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)，各個(gè)模塊都加入了主動(dòng)管理功能，將被動(dòng)的輸入輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽氐闹鲃?dòng)管理（如圖1B）。統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，能源模塊包含能量輸入單元太陽(yáng)電池陣及其太陽(yáng)能控制部分；能量存儲(chǔ)單元包含蓄電池組及其電池控制部分；供配電智能控制部分包含設(shè)備功率流配電控制和信息流中轉(zhuǎn)傳輸。運(yùn)行過(guò)程中，太陽(yáng)電池陣產(chǎn)生并對(duì)外輸送能量，蓄電池組存儲(chǔ)能量并在需要的時(shí)候?qū)ν廨敵瞿芰浚孛鏈y(cè)試過(guò)程中配備外部穩(wěn)壓源可以直接對(duì)各載荷提供能源。能源模塊配置信息采集端點(diǎn)和載荷供電控制開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)供配電智能控制部分或者星上計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和配電控制。衛(wèi)星發(fā)射階段不帶電，通過(guò)入軌信息判定進(jìn)行加電操作。

能源模塊作為衛(wèi)星的能源來(lái)源與控制端，需要保證整機(jī)工作時(shí)能源被合理的分配和控制。能源模塊配置信息采集端點(diǎn)和載荷供電控制開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)供配電智能控制實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、超前預(yù)警、能源調(diào)度及故障的自主識(shí)別與處理，提高能源處理效率，減少整機(jī)數(shù)據(jù)分析量，增加衛(wèi)星的星上控制能力，減少遠(yuǎn)程持續(xù)控制與干預(yù)，有可能使衛(wèi)星無(wú)需地面監(jiān)管，獨(dú)立工作，完成更復(fù)雜的工作，降低運(yùn)營(yíng)成本。

圖1：能源系統(tǒng)組成框圖

圖2：電源模塊原理框圖

圖3：MPPT智能控制電路

太陽(yáng)電池陣的智能控制部分采用內(nèi)置MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）算法的增強(qiáng)型DC-DC轉(zhuǎn)換器，在不受溫度和太陽(yáng)輻射量影響的情況下，可以最大化利用光電板產(chǎn)生的能量。轉(zhuǎn)換器內(nèi)置大功率MOSFET，以用做動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)，同步整流，減少了外圍器件。需要注意的是，4項(xiàng)交錯(cuò)拓?fù)涞腄C-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)盡量避免使用電解電容，這將嚴(yán)重影響使用壽命。MPPT算法精度在0.2%，工作電壓0-36V，具有過(guò)壓，過(guò)流和超溫保護(hù)，內(nèi)置了軟起動(dòng)，效率高達(dá)98%。轉(zhuǎn)換器工作在PWM模式的固定頻率，占空比受控于運(yùn)行MPPT算法的內(nèi)置邏輯。開(kāi)關(guān)頻率，由內(nèi)部產(chǎn)生和設(shè)定在100KHZ，而且是外部可調(diào)的。占空比以0.2%的步進(jìn)值在5%到90%范圍內(nèi)可調(diào)。當(dāng)輸出過(guò)壓或者超溫時(shí)，轉(zhuǎn)化器將自動(dòng)停止運(yùn)行。應(yīng)用電路如圖3所示。

為了滿(mǎn)足電池所需的循環(huán)壽命，電池組的大小必須同時(shí)考慮衛(wèi)星電壓的要求、放電電流的能力，電池放電的深度。為了防止蓄電池組過(guò)放電，造成深度放電，一般當(dāng)鋰離子蓄電池單體電池電壓為3.4V時(shí)，要控制配電數(shù)量，減少負(fù)載運(yùn)行量；當(dāng)單體電池電壓降低到3V時(shí)，則必須啟動(dòng)過(guò)放保護(hù)，將蓄電池組與母線(xiàn)斷開(kāi)，保證蓄電池組不被過(guò)放電。

針對(duì)具體的任務(wù)需求，結(jié)合衛(wèi)星的運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)以及電源控制單元在太空中需要完成的任務(wù)，電源智能控制單元配備電源分系統(tǒng)遙測(cè)采集、指令發(fā)送（包括TTL和OC指令）、自主控制、電量計(jì)算、安全報(bào)警等功能，可以與綜合電子間的總線(xiàn)通信，完成參數(shù)上注。工作過(guò)程中信息流接收中心計(jì)算機(jī)指令，經(jīng)直接指令或間接指令完成對(duì)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的控制，并將電源系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)信息回傳給中心計(jì)算機(jī)。CPU選用混合集成電路LSMEU01星載嵌入式管理執(zhí)行單元，其內(nèi)部以抗輻照MCU LCSoC801E為內(nèi)核，外部擴(kuò)展CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，AD與DA的放大電路以及OC指令驅(qū)動(dòng)電路等。支持模塊外部存儲(chǔ)器與IO擴(kuò)展。由電壓轉(zhuǎn)換模塊、處理器模塊、模擬量采集模塊、指令模塊、接口電路等組成，通過(guò)軟件對(duì)硬件資源進(jìn)行協(xié)調(diào)和配合，共同完成控制單元的所有功能。主要包含處理器電路、看門(mén)狗電路、切機(jī)電路、供電電路。其邏輯框圖如圖4所示。

電源下位機(jī)的主要功能有：完成一次電源系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)的采集和遙控指令的執(zhí)行；完成溫度遙測(cè)的采集變換；自主控制；具備參數(shù)上注功能，可實(shí)現(xiàn)重要參數(shù)值的設(shè)置更改；完成蓄電池組的過(guò)充、過(guò)放保護(hù)的預(yù)警與控制功能；電源下位機(jī)工作狀態(tài)和電源系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視；完成對(duì)鋰離子蓄電池組容量的實(shí)時(shí)計(jì)算；具備1路RS232形式的UART通訊接口；完成對(duì)一次電源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和管理，對(duì)一次電源系統(tǒng)的故障進(jìn)行判斷并采取相應(yīng)的故障隔離措施；具備軟硬件看門(mén)狗功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4：電源下位機(jī)系統(tǒng)框圖

傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)需要較多依賴(lài)于衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)的信息處理和指令控制，復(fù)雜的信息流會(huì)占有較多的星上資源，既浪費(fèi)了軟件的處理資源，又浪費(fèi)了整星的硬件資源（傳輸連接器、電纜）。而智能管理一體化電源模塊技術(shù)可以減少單機(jī)約束性，各單機(jī)用電信息相互獨(dú)立，成為獨(dú)立的能力云個(gè)體，解決設(shè)計(jì)規(guī)劃問(wèn)題，提高故障處理能力，增強(qiáng)能源使用效率。在未來(lái)可以進(jìn)行可預(yù)見(jiàn)性能力分析，優(yōu)化工作模式，通過(guò)人工智能的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)能源的智能管理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的自主可控智能管理一體化。