航天電源產品產品化研制模式的實踐

戴藝凱、譚文華、王建軍、張飛宇 /北京航天發射技術研究所

一、電源產品現狀分析

目前，美國貿易保護主義抬頭，受到部分關鍵領域的出口限制，從美國進口的商品價格大幅提升，促使國內市場加強對關鍵領域核心高端自主可控重要性的意識，核心產業有望進一步得到政策扶持，助推高科技領域尤其是軍用領域產品向更高可靠性、更強環境實用性、更高性能方向發展。在國產替代需求下，電源產品的國產化比例有望進一步提升，催生大規模產品的替代空間和新增市場容量。

面對國內日益增長的軍品市場需求，北京航天發射技術研究所在電源領域本身具備軍品研制配套經驗豐富、研發體系完備、掌握產品核心技術、具備完備試驗設施等優勢。但以往針對小批量定制化研制生產模式存在的不適應性也逐步顯現，主要體現在以下2 個方面：一是隨著單機產品需求量增加，許多項目在國產化率、可靠性和成本預算上出現差異化需求，單一滿足功能性需求的產品難以對標覆蓋上述需求；二是行業技術發展迅速，以任務需求為導向的定制化研發模式缺乏中長期技術發展規劃，面對新興市場技術競爭力不夠強，研制周期較長，逐漸不能滿足新形勢下短平快且高可靠的研制需求。

針對上述問題，研究所針對地面電源產品開展了一系列產品化建設研究實踐工作。

二、電源產品的產品化建設

1.產品化建設概述

產品化是以產品為對象，研究產品的體系框架、型譜、成熟度、可靠性等諸多要素的系統性工程。相比定制化研制模式，產品化研制模式能夠做到統籌開發、提前布局，改被動變主動，預先設計產品，使得企業更能把握住轉瞬的市場機遇。同時，形成高可靠性、高成熟度的產品，滿足航天型號日益提高的發展速度、質量和可靠性要求。

以往電源產品的研制模式以型號項目為導向，根據型號的具體需求立項設計滿足功能的電源單機產品，即使不同型號的需求相似，有時也會設計不同的電源單機產品，這在很大程度上浪費了設計部門的人力資源。針對此類情況，研究所提出在產品設計前將產品化研制理念深入貫徹進產品研發規劃中的思想。

科室將產品化研制理念由單機拓展至分系統，采用系統架構設計，劃分電氣系統配電方案的基本型。目前已經形成高低壓直流配電的基本型。電驅底盤一體化供配電隨多個型號的研制正在構建。推進電氣、機械、軟件等軟硬件接口統型工作；推進元器件統型、軟件重用庫建設。單機產品型號布局參與到系統設計規劃中，優先使用自研產品，深化對產品化認識，處理好單機與分系統關系。

供配電系統分為交流供配電、低壓直流供配電和高壓直流供配電等3 個基本型，其型譜結構如圖1 所示。

圖1 分系統級產品型譜

以高壓直流供配電系統為例，其基本型一般采用高壓直流600V 供電體制、分布式配電模式，主要由一次電源、二次電源、配電設備和監控設備組成，系統框架如圖2 所示。其中，一次電源主要包括市電、高壓直流發電機組、行車取力發電（高壓直流）或高壓動力鋰電池組等，是供配電系統的能源來源。二次電源主要包括DC/AC 逆變電源、DC/DC 直流穩壓電源等，其中DC/DC 負責將高壓直流電轉換為中低壓電（28V、48V、96V、160V、270V 等）為用電負載供電。在供配電基本型架構統型后，單機的類別就已經固定，進而成為單機級電源類產品型譜設計的依據。

圖2 高壓直流供配電系統示意圖

單機級電源是供配電系統中的最小單元之一，主要功能是實現電能轉換，在產品化體系中按電能變換的形式劃分為直直變換電源（DC/DC）、交直變換電源（AC/DC）、直交變換電源（DC/AC）、交交變換電源（AC/AC）共4 個大類，其總型譜結構如圖3 所示。

圖3 單機級產品型譜

2.產品型譜建設

電源單機產品的預研工作規劃應具有先進性、前瞻性、經濟性以及可實現性，因此組織開展了產品需求分析和行業發展分析活動。產品需求分析主要包括環境適應性、結構尺寸、成本要求、配電體制變化、新市場需求等方面。行業發展分析著重產品狀態清理、同類產品對標、技術發展趨勢分析、經濟性分析等方面。

產品化創新研制模式下，型譜特征參數是劃分電源類產品型譜規格序列的主要依據，按模塊化、系列化、功率可擴展為基本原則建立型譜。

一是應針對產品主要功能和性能需求，選擇最能描述產品固有能力的主要參數作為產品型譜特征參數；

二是產品型譜特征參數應能夠區分該類產品的不同基本型差異；

三是引入技術平臺概念，基于技術平臺的原則開發單機系列產品。考慮到產品的技術繼承性，采用相同的主電路拓撲（包含采用器件）為一個技術平臺。技術平臺應體現在產品的命名規則中；

四是針對航天軍品用戶用電習慣和實際需求，在型號選用時將最關心的技術參數作為產品型譜特征參數。歸納的參數與電源行業通用分類方法略有不同，因此輸出電壓等級確定為特征參數；

五是為了滿足不同用戶對成本的需求，根據成本、器件質量等級及國產化率，產品主要分A、B、C、D、E5 個版本，各版本產品的機械接口、電氣接口、軟件接口、技術指標等完全一致，可直接互換。

基于技術平臺的原則開發單機系列產品。目前LLC 技術電源有3 個技術平臺，PDA、PDB 和PDC 系列。PDA 系列主電路拓撲采用半橋LLC 技術，主功率器件為SiC；PDB 系列主電路拓撲采用移相全橋LLC 技術，主功率器件也為SiC；PDC系列為三電平半橋LLC 技術（第4 代電源），采用GaN 器件。“十四五”規劃提出的技術平臺有PDD、PDE 和PDF 系列。

按型號需求從輸出電壓與功率等級2 個方面確定產品的型譜規劃，型譜的劃分如圖4 所示。

圖4 電源產品型譜劃分示意圖

以PDA 系列電源為例，以系統內存在的輸出電壓等級為分類根據，采用模塊并聯方式進行功率擴展，最終覆蓋用戶需求。目前已形成300W、1.2kW和3.5kW 級別共有17 種產品可供選用，并有6 種產品在研或完成規劃，針對航天系統內地面電源供電需求形成了較為完備的產品型譜。

針對不同型號項目在成本預算和可靠性上的需求差異較大，為提高競標產品競爭力，通過快速設計拓展出適應不同可靠性需求、成本需求的同功能子系列產品，子系列產品的型號尾綴用于表示可靠性及成本情況，具體代表含義如下：

無尾綴：選用工業級器件，一般為原理樣機階段產品，中試產品。成本低、生產周期短。可作為橫向產品和系統研制初期使用。

A：滿足國產化“雙九五”。屬于國產化進程中的中間過渡產品。

B：價格適中且與進口件可靠性相當的器件，例如阻容器件及低功率半導體器件選用國產普軍級，為現階段主打性價比產品。

C：滿足器件國產化“百分之百”要求。器件質量等級以普軍為主。成本較低，可滿足用戶對國產化的要求。

D：滿足器件國產化“百分之百”要求。器件質量等級為較高。成本和可靠性較高。可同時滿足用戶對高可靠和國產化的要求。

E：滿足器件國產化“百分之百”要求。器件質量等級一般為國產工業級或汽車級（工作溫度滿足－40℃～＋85℃）。可同時滿足成本低和國產化的要求。

3.產品貨架建設

根據院標《地面通用單機產品成熟度定級模型》和所標《電氣類產品成熟度定級》對成熟度進行提升，同時根據電源產品特點在實際執行過程中進行加嚴控制，主要體現在以下幾點：

一是可能導致方案反復的研制試驗盡可能提前做，例如在2 級成熟度階段就要求做完電磁兼容摸底、極限拉偏等試驗項目；

二是在產品化研制生產模式中，電源單機的生產數量遠遠超過以往定制化型號電源，因此新的成熟度定級標準不再使用宇航單機產品成熟度定級標準，以飛行考核次數作為成熟度定級依據，而是以更加嚴格的可靠性增長試驗、多型號應用考核以及批產數量作為成熟度定級的依據；

三是試驗的目的不再是求通過，而是暴露問題。試驗子樣不再是以往的一兩臺子樣經過一次試驗就結束，而是同技術平臺產品多臺同時試驗，即使試驗通過后，也會再繼續進行下一輪；

四是對研制、生產及使用過程中的問題進行針對性地收集，對一次合格率、年故障率等進行統計和分析，有針對性地進行更改，不斷提升產品成熟度。

產品成熟度作為進入產品貨架的依據之一，產品進入貨架的條件具體包括（須同時滿足）：產品型譜內；達到三級成熟度要求，完成成熟度評定工作；2 個及以上用戶選用。

儲備庫入庫條件則為（滿足之一，但須在產品型譜內）：HTF 產品中具有通用性能，但成熟度未達到3 級；成熟度達3 級但用戶未達2 個；原1TY、TY 產品中具有廣泛應用前景；產品化牽引研制但成熟度未達到3 級。

4.產品選用規范

針對不同型號項目單機重復研制的問題，為提高研制效率效益和質量與可靠性，實現基于產品型譜的產品規劃、開發與選用的良性循環，研究所修訂了《電源產品選用控制流程及要素》。給出產品選用控制要求和選用要素，規范電源產品選用，提高型號產品的產品化率。

型號貨架產品選用一般原則為以下4 點：一是優先選用貨架中成熟度高的產品，同一成熟度產品優先選用批產量大、故障率低產品；二是在同一規格不同尾綴的產品，從性價比角度考慮，一般來說選擇順序為B、A、C、D；三是產品的選擇要綜合考慮可靠性、價格、器件國產化情況、生產周期、庫存狀況、售后、技術先進性、性能指標等；四是如果貨架無可直接選用產品，優先在成熟技術平臺上開發新品。開發新品時以改動最小為原則，重點關注變化的部分。

產品選用控制一般流程見圖5。

圖5 產品選用控制流程

產品選用控制要素從系統使用角度進行分類，可分為關鍵要素與一般要素。關鍵要素為產品不可或缺功能，涉及到重新研制的問題；一般要素為用戶可協商項，不需要單為此要素新研單機。電源產品選用流程中的控制要素如表1所示。一般要素涉及指標較多，一般均按標準或行業慣例執行，表中未一一列出。

表1 電源類產品控制要素表

三、實踐效果

目前電源單一規格產品生產數量已從幾十臺到幾百臺，再到2019 年批產千臺，從樣機小批研制到產品化的組批投產，實現了從量變到質變的跨越。電源產品的質量也經過逐年的批量化生產得到有效提升。以質量控制中的合格率為例，研究所詳細梳理了每年批產任務電源產品的出廠合格率、存在的問題以及設計及工藝改進方案。從逐年數據可以看出，電源產品在經多輪次批量生產及生產工藝改進后，其出廠合格率逐步提升至98.9%的較高水平。

按“預研一代、儲備一代、裝備一代”的技術更迭目標，新品研制周期大幅度縮短。3 年左右可形成一個新的技術平臺，同一技術平臺系列產品研制周期從過去的1 ～2 年縮短到6 個月以內。不同技術平臺產品相互補充，逐步拓展市場，滿足了不同用戶需求。

截至2021 年底，電源類產品已多達23 款，年批產量達3000 臺/套。形成了輸出電壓覆蓋28V、48V、96V、160V、270V、600V，可并聯使用，滿載效率可達95%以上的直流穩壓系列電源產品。產品在多個型號項目中被選用并承擔著重要任務，成熟的電源產品為現代武器裝備的自動化、信息化、智能化提供了穩定可靠的電力保障。

四、后續思路

通過產品化研制模式的實踐，基本解決了傳統研制模式不適應產業發展新常態的問題。形成了豐富的電源產品，在航天系統多院所中推廣使用，目前該研制模式已初步進入良性循環。

未來，研究所將繼續貫徹落實航天科技集團新時期產品化工作總體方案，以預研、型號和競爭性采購任務為牽引，進一步推進新產品開發持續推進產品化建設，以產品化建設為樣板，豐富各專業產品，提升產品成熟度，加大型號選用力度，提高型號產品化率；進一步推進產品標準體系建設，持續推動單位產品驗收的全面實施。將產品管理融入型號研制流程，明確產品與型號職責，共同支撐“三高”“雙一流”目標的實現。