中法海洋衛星電源分系統設計與在軌應用

趙海峰，徐 偉，喬學榮，解曉莉，陳杏娜

(中國電子科技集團有限公司第十八研究所，天津 300384)

中法海洋衛星是中國和法國合作研制的首顆衛星，衛星裝載了中法兩國聯合研制的衛星載荷，首次實現在全球范圍內對海風和海浪的大面積、高精度同步觀測。

1 電源分系統組成及工作原理

中法海洋衛星設計壽命為3 年，電源分系統采用電源控制器、鎘鎳蓄電池組和太陽電池陣構成。太陽電池陣在光照期利用光伏效應將太陽光能轉換為電能為負載供電，同時給蓄電池充電，是衛星的能量來源[1-2]。鎘鎳蓄電池組是儲能部件，光照期充電儲存能量，陰影期放電滿足負載的功率需求。電源控制器是電源分系統的控制中心[3]，通過功率調節與管理，在整個壽命期間為衛星提供不間斷、穩定的母線電壓。

電源分系統采用全調節模式，無論是主動段，還是在軌運行期間，均為星上設備提供(28.5±1) V 的穩定電源電壓。電源分系統原理框圖見圖1。

圖1 電源分系統原理框圖

鎘鎳蓄電池充電控制的方式有V-T 曲線和第三電極，V-T曲線控制是主要控制方式，應用于許多工程型號中[4]。中法海洋衛星充電控制采用V-T 曲線控制和電子電量計(軟件)控制兩種方式，兩者互為備份[5]。

與其他由鎘鎳電池組成的低軌衛星電源系統相比較，中法海洋衛星電源系統有如下兩個特點：(1)載荷功率需求大，且每天24 h 不間斷開機；(2)有效載荷為波譜儀和散射計，二者均具有低頻脈動負載特性，脈動負載會對平臺母線產生較大的干擾。

2 電源分系統設計

2.1 鎘鎳蓄電池組設計

2.1.1 大容量鎘鎳蓄電池開發的必要性

目前低軌道衛星使用的鎘鎳蓄電池組放電深度(DOD)普遍設計在20%左右，如某低軌道衛星30 Ah 鎘鎳蓄電池組放電深度為18%～20%，其他衛星數據如下：45 Ah 鎘鎳蓄電池組在軌放電深度為9.1%～23%，55 Ah 鎘鎳蓄電池組在軌放電深度為19.4%～21.8%。中法海洋衛星地影期間功率需求為752～842 W，如果按負載功率752 W 工作25 min，鎘鎳蓄電池組放電容量約為16.08 Ah；若選用55 Ah 鎘鎳蓄電池組，放電深度達到29.2%，遠超過20%，因此需要開發更大容量的電池。從產品可靠性及低軌道衛星未來發展需求考慮，鎘鎳蓄電池容量設計為70 Ah 比較合理，其放電深度與目前在軌衛星用鎘鎳蓄電池組的放電深度基本相當。表1 為不同容量的鎘鎳蓄電池放電深度計算。

表1 不同容量的鎘鎳蓄電池放電深度計算

2.1.2 70 Ah 單體電池設計

大電流放電能力是中法海洋衛星鎘鎳蓄電池研制過程的技術難點。

目前在軌的衛星中某低軌道衛星最大放電電流13.3 A，放電倍率0.44C；另一低軌道衛星最大放電電流11.15 A，放電倍率0.34C。中法海洋衛星地影期最大負載時，蓄電池組放電電流達到了43.2 A，放電倍率為0.62C，所以在70 Ah 單體電池的設計中充分考慮了大電流放電的能力。

70 Ah 電池較55 Ah 電池正負極板活性物質增重有降低(正極活性物質單位體積增重降低16%，負極活性物質單位體積增重降低21%)，降低活性物質填充量能夠提高極板大電流循環過程的膨脹應力，同時也有利于提高活性物質的利用率。

單體電池高方向尺寸的增加會導致電池內阻增加，所以70 Ah 電池的設計只在該方向增加10 mm。單體電池長和寬方向尺寸的增加有效增加了反應面積，降低了電流密度，同時也降低了電池內阻。表2 為70 Ah 鎘鎳蓄電池與55 Ah 鎘鎳蓄電池主要技術參數比較。

表2 70 Ah 鎘鎳蓄電池與55 Ah 鎘鎳蓄電池主要技術參數比較

2.1.3 電池組設計

鎘鎳蓄電池組由單體電池、電連接器、二極管保護組件和結構等組成，采用端板-拉桿式結構，分為兩個物理模塊，A模塊由9 只單體串聯，B 模塊由9 只單體串聯，允許其中1 節單體電池開路或短路失效，為17∶18 備份。

電源分系統采用額定容量為70 Ah 的鎘鎳蓄電池，其平均放電電流、放電容量、放電深度及兩階段充電時間計算結果見表3。從表3 可以看出，兩階段充電電流設計合理，蓄電池組當圈能夠實現能量平衡。

表3 中法海洋衛星鎘鎳蓄電池組充放電計算結果

式中：PD為蓄電池組輸出功率，W；PL為整星負載功率，W；η為放電調節器效率，η＝0.92；KL為損耗因子，KL=0.964 3[6]。

式中：QD為蓄電池組放電容量，Ah；PD為蓄電池組輸出功率，W；TD為地影時間，h；N為單體電池串聯數，N＝18；VP為單體電池平均放電電壓，VP=1.22 V。

式中：DOD為蓄電池組放電深度；QD為蓄電池組放電容量，Ah；Q為蓄電池組額定容量，Ah。

2.2 太陽電池陣設計

太陽電池陣+X 太陽翼、-X 太陽翼各有4 塊板，每塊板布置18 個18 片串聯電路，8 塊板共包括144 個18 片串太陽電池電路，使用39.8 mm×60.4 mm 的三結砷化鎵太陽電池數2 592 片。太陽電池陣統一劃分為10 級電路，每翼5 級電路，其中1、3、5、7、9 級由內到外分布在+X 翼，2、4、6、8、10 級由內到外分布在-X 翼。

同時，采用18 片20 mm×40 mm 的三結砷化鎵電池串聯作為涓流充電陣，布置在+X 翼中內板上。在軌工作正照條件下，壽命初期涓流陣工作電流約為0.13 A。

2.3 電源控制器設計

中法海洋衛星設計壽命3 年，要求電源分系統盡量采用成熟、可靠的技術。依據衛星軌道條件以及功率需求，最終確定以某衛星平臺電源控制器為基礎，同時依據載荷特點和功率需求進行適應性設計。如圖2 所示，電源控制器采用模塊化設計，由平臺母線濾波模塊、信號變換模塊、分流調節模塊、放電調節模塊(3 個)、V-T 充電控制模塊、充電調節模塊、載荷母線濾波模塊、電源下位機模塊(2 個)和二次電源模塊等組成。

圖2 電源控制器產品

中法海洋衛星主要有效載荷為微波散射計和海洋波譜儀，兩者用電需求比較特殊，均具有低頻脈動負載特性，且載荷長期開機。具體特性如下：(1)平臺母線負載特性：負載為20 A，以直流為主；平臺母線供電電壓紋波要求不大于350 mV。(2)載荷母線負載特性：基礎負載電流為6.5 A，疊加一個幅度為7 A，頻率為150 Hz，占空比為50%的負載階躍，負載躍變速率為1×105A/s；載荷母線供電電壓紋波要求不大于1 V。

針對上述要求，為避免平臺設備和載荷設備相互干擾，傳統的設計方案是采用雙母線設計，即一條母線為穩定負載供電-平臺母線，一條母線為脈沖負載供電-載荷母線。但這種設計方案的缺點是電源系統的設備多、體積大、質量重、成本高，而體積、質量、成本都是衛星總體無法接受的。

綜合考慮成本、體積、質量等約束條件，提出了一種替代方案——“內單外雙”母線設計。電源控制器內部一條母線但是分雙路輸出，一條母線對應平臺設備，另一條母線對應有效載荷設備。平臺母線與載荷母線通過濾波電路進行隔離，如圖3 所示。采用“內單外雙”的準雙母線設計，平臺母線與載荷母線在一定程度上實現隔離，盡量避免或降低載荷工作時脈動負載對平臺母線和其他設備造成的影響，同時又能夠簡化配置，減少電源系統設備數量，體積小，質量輕，大大降低了研制成本[7]。

圖3 電源控制器“內單外雙”母線示意圖

載濾波模塊采用CLC 型濾波電路，可以對脈動負載對母線產生的干擾進行有效抑制。對直流而言：CLC 型濾波電路中的C1 和C2 相當于開路，而電感L 對直流分量的感抗等于零，相當于短路，所以濾波電路對直流分量幾乎沒有影響。對交流而言：電容器的容抗很小，近似于短路，而電感對各種交流分量的感抗很大，所以濾波電路對交流分量有阻礙作用[8]。當負載電流增加時，載荷濾波電路內電流流向如圖4 所示；當負載電流減小時，載荷濾波電路內電流流向如圖5所示。

圖4 負載電流增加時載荷濾波電路內電流流向

圖5 負載電流減小時載荷濾波電路內電流流向

載荷濾波模塊如圖6 所示。經過多次試驗和調整，最終確定了電容C1、C2 和電感L 的取值，并在整機產品狀態下進行了測試驗證。

圖6 載荷濾波模塊

(1)測試條件：平臺母線負載設置為20 A 直流負載；載荷母線負載在6.5 A 直流負載上，施加一個幅度為7 A、頻率為150 Hz、占空比為50%的負載躍變，負載躍變速率為1×105A/s。

(2)測試結果：測試結果詳見表4，平臺母線電壓紋波不大于350 mV，載荷母線紋波不大于1 V，滿足技術指標要求。

表4 電源分系統主要技術指標及測試結果

3 在軌應用

中法海洋衛星于2018 年10 月29 日發射入軌，已在軌穩定運行超過3 年。圖7 所示為2021 年12 月份電源分系統的主要遙測數據曲線，從遙測數據分析可以看出：蓄電池組電壓范圍為22.143～25.306 V，母線電壓范圍為28.611～29.447 V，方陣最大輸出電流為60 A，一階段充電電流為17.5 A，二階段充電電流為11.5 A，放電電流最大達到31.2 A，均處于設計范圍內；電源分系統工作正常、性能穩定。

圖7 電源分系統的主要遙測數據曲線

中法海洋衛星電源分系統在軌運行時間已超過了3 年的設計壽命；在軌飛行時間內，電源分系統未發生異常問題或失效事件，確保了衛星在軌運行期間的供電正常；以目前電源分系統遙測數據分析，仍可以繼續保證衛星供電。