高軌長壽命衛星電源子系統充放電的設計與試驗驗證

王 鍇，馬力君，邵蘭娟，李文華

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

電源子系統作為衛星電源子系統的核心控制單機，負責將太陽電池陣和蓄電池組結合在一起構成電源子系統，完成為整星提供穩定的供電母線，并完成系統的能量平衡。在光照期保證整星供電及蓄電池組的充電前提下，將太陽電池陣產生的多余能量分流，以保持系統功率平衡；在地影期將存儲在蓄電池組的能量調節到母線上，以滿足整星用電需求。采用具有比能量更高、熱效應更小、無記憶效應等多種性能優點的鋰離子蓄電池組作為儲能單元，目前國內DFH-3B 衛星平臺、DFH-4 衛星平臺、DFH-5 衛星平臺等已全面推廣采用鋰離子電池作為儲能電池。電源子系統的充放電功能需要充分考慮鋰離子蓄電池組的充放電特性以及在軌進出影循環模式來設計。本文在介紹系統的充、放電設計原理的基礎上，對衛星電源子系統在軌充放電的試驗情況進行分析和總結。

1 電源子系統充放電管理設計

1.1 系統功能及組成

衛星電源子系統設計采用太陽電池陣——蓄電池組系統拓撲形式，拓撲由發電裝置、儲能裝置及電源控制裝置三部分組成(圖1)。

圖1 電源子系統拓撲圖

太陽電池陣是衛星電源子系統的發電裝置，電池陣包括-Y、+Y 兩個太陽電池翼，每翼由內、中、外3 塊板構成，單板尺寸為2 360 mm×2 500 mm×25.4 mm,每塊板布置4 級分流陣，整星6 塊板共布置25 764 片30.6 mm×40.3 mm 高效三結砷化鎵太陽電池。

鋰離子蓄電池組是衛星電源子系統的儲能裝置，整星由-Y 蓄電池組(A、B 模塊)和-Y 蓄電池組(C、D 模塊)75 Ah 組成，每組蓄電池組包含3 并22 串容量為25 Ah 單體電池。

電源控制裝置是衛星電源子系統的控制中心，負責將太陽電池陣和蓄電池組結合在一起構成電源子系統。電源控制裝置由4 個SUN 模塊(每個模塊包括6 級分流調節電路)、4個BCDR 模塊(每個BCDR 模塊分別包括1 個BCR 調節器和1個BDR 調節器)，2 個BDR 模塊(只包括1 個BDR 調節器)及2個TM-TC 模塊(互為冷備份)共12 個模塊組成，整個裝置采用模塊設計理念(圖2)。

圖2 電源子系統充放電設計原理圖

電源子系統主要功能是協調太陽電池陣和蓄電池組的能量傳輸和功率平衡，為衛星提供穩定的供電母線。電源子系統采用“S3R 三域”全調節母線拓撲形式[1-3]，母線電壓設計值為(100.30±0.29) V。全調節母線采用三域管理方式，即主誤差放大器統一管理電源子系統內部的全部功率調節模塊。在光照期，分流調節器調節太陽電池陣對星上負載供電，同時，通過充電調節器給蓄電池組充電；在地影期，通過放電調節器調節蓄電池對星上負載供電。

1.2 充電功能控制設計

電源子系統的充電調節功能采用冷備份設計，采用硬件電路控制鋰離子蓄電池組的恒流、恒壓充電控制。衛星在軌運行經歷地影期蓄電池組放電工況，出影進入到光照期后需要及時進行蓄電池組補充充電。出影后，電源子系統自動轉入恒流充電模式為蓄電池組充電；當充電電壓達到恒壓設定值時，電源子系統通過恒壓環電路進行控制，逐漸減小充電電流使蓄電池組保持恒壓充電狀態；當充電電流按照指數規律逐漸減小為零時，蓄電池組需要的電量已經充滿，可停止充電。

電源子系統設計了蓄電池組過充保護功能，當檢測到蓄電池組電壓達到過充保護設定值時，自動停止充電，防止蓄電池組過充。

電源子系統充電控制設計了電池誤差放大器電路(BEA)來調節控制充電調節器，實現恒流-恒壓控制充電方式轉換。BEA 主要包括母線調壓控制通路、恒壓控制通路與恒流控制通路三部分，輸出BEA 信號控制充電調節器完成充電功能。如果整星功率不滿足充電功率要求時，充電調節器工作在自動調節母線的模式；當整星功率滿足充電要求，而此時未到達到時設定蓄電池組恒壓值時，充電調節器工作在恒流充電的模式；電池電壓逐漸升高，當電池電壓達到設定值時，充電調節器工作在恒壓充電的模式。

對于GEO 軌道衛星，在地影季鋰離子蓄電池組進行充放電循環時，最長地影時間為1.2 h，光照期可充電時間大于20 h。衛星出影后留給蓄電池組的充電時間相對較長，電源子系統一般情況下將恒流充電默認檔位設置不大于0.1C，即可滿足蓄電池組補充充電需求，在軌也可根據實際情況通過遙控指令進行恒流檔位的調整。當蓄電池組電壓上升進入恒壓充電控制階段，電池組電壓穩定，充電電流逐漸減小，恒壓充電默認檔位的設置一般對應蓄電池單體電壓為4.05或4.10 V，根據電池組的使用狀態在軌也可通過遙控指令進行恒壓檔位的調整。

1.3 放電功能控制設計

當太陽電池陣的輸出功率不滿足負載需求或處于軌道陰影期時，放電調節器負責輸出功率和母線調節工作。每組蓄電池配置對應的放電調節器，采用熱備份工作方式，失效1 個放電調節器后輸出功率依然滿足設計要求。針對放電調節器多模塊熱備份的工作方式，設計上采用統一主誤差放大信號控制放電調節器的輸出電流，這種方式有效地解決了多個BDR 并聯工作電流輸出均衡的問題。

每個放電調節器均接收通斷指令的控制，正常情況下全部放電調節器處于工作狀態。如果1 個放電調節器出現失效，應該執行此放電調節器關斷指令，為保持兩組蓄電池放電均衡，需要同時切斷另一組蓄電池對應的放電調節器。

放電調節器設計了輸入過流保護電路，輸入過流保護電路由電流采樣和功率開關兩個部分組成。當放電調節器內部電路或元器件失效導致輸出過流后，過流保護電路自動切斷功率開關，使放電調節器和蓄電池組隔離。輸入過流保護功能一經觸發即處于鎖定狀態，可通過指令使放電調節器重新上電完成電路復位。

2 系統試驗驗證系統搭建

搭建的充放電試驗驗證系統的連接圖如圖3 所示，該系統包含的主要單機產品和測試設備見表1。

表1 試驗驗證系統的單機和設備組成

圖3 電源子系統驗證試驗框圖

儲能電源采用高比能量的鋰離子蓄電池組，設置兩組鋰離子蓄電池組，每組電池組由45 Ah 鋰離子單體電池3 并20串組成，每組鋰離子蓄電池組額定容量135 Ah。光照期測試時采用24 級太陽電池陣模擬器來模擬24 級太陽電池陣輸出功率。

充放電試驗包含的測試項目如表2。

表2 充放電試驗的測試項目

3 系統試驗驗證情況

3.1 模擬地影72 min 放電試驗

模擬地影期，進行72 min 地影放電試驗，蓄電池組以0.32C放電，電源子系統的輸出功率6 000 W。

放電過程中持續監視蓄電池組放電電流和蓄電池組電壓，放電過程中蓄電池組放電電流范圍為41.3～45.2 A，蓄電池組電壓由80.86 V 逐漸降至72.58 V(圖4)。

圖4 放電曲線

放電過程中持續監視母線電壓和母線紋波，母線電壓保持穩定為(100.30±0.29)V，母線紋波小于200 mV(圖5)。

圖5 放電母線紋波小于200 mV

3.2 模擬光照期補充充電試驗

模擬電源子系統由地影期轉換到光照期后進行補充充電，充電電流設置為0.1C，電源子系統的輸出功率6 000 W。

充電過程中持續監視蓄電池組充電電流和蓄電池組電壓，恒流段對蓄電池組的充電電流保持為13.5 A，恒流充電過程蓄電池組電壓由71.2 V 逐漸升到80.89 V；進入恒壓充電階段后蓄電池組電壓恒定為80.89 V，充電電流由13.5 A 按平滑曲線狀態逐漸減小(圖6)。

圖6 充電曲線

充電過程中持續監視母線電壓和母線紋波，母線電壓保持穩定為(100.30±0.29)V，母線紋波小于600 mV(圖7)。

圖7 充電母線紋波小于600 mV

設置電子負載為1 500 W 的靜態負載再加上4 200 W 的瞬態躍變負載(頻率33 Hz)，電壓系統工作在光照期充電至地影期放電的跨域模式，監視母線電壓和母線紋波，母線電壓保持在(100.30±0.29)V 范圍內，母線紋波峰峰值為5.76 V，測試波形如圖8 所示。

圖8 跨域模式瞬態負載母線響應

設置電子負載為1 800 W 的靜態負載再加上4 200 W 的瞬態躍變負載(頻率33 Hz)，電源子系統工作在地影放電模式，監視母線電壓和母線紋波，母線電壓保持在(100.30±0.29)V 范圍內，母線紋波峰峰值為2.6 V，測試波形如圖9 所示。

圖9 放電模式瞬態負載母線響應

3.3 在軌工作情況

北斗三號導航GEO-1、GEO-2 及GEO-3 組網衛星分別于2018 年11 月1 日、2020 年3 月9 日和2020 年6 月23 日在西 昌發射中心升空，目前三顆衛星在軌工作良好。三顆衛星均采用100 V 全調節母線，整星設計功率為6 000 W，其中GEO-1衛星在軌母線在100.07～100.45 V 范圍內之間正常波動，整星負載在39.05～52.36 A 范圍內變化；GEO-2 衛星在軌母線在100.51～100.57 V 范圍內之間正常波動，整星負載在40.04～54.44 A 范圍內變化；GEO-3 衛星在軌母線在100.02～100.58 V 范圍內之間正常波動，整星負載在39.36～52.29 A 范圍內變化。從在軌數據分析可知，無論在光照期及地影期電源子系統一次母線電壓一直穩定，達到了電源子系統的設計目標。

三顆衛星在軌光照期主要變化曲線如圖10～圖12 所示。由圖可以看出，三顆衛星負載狀況基本一致：GEO-1 衛星-Y+Y 太陽電池陣輸出電流從發射至目前分別衰減2.75%、2.91%(每年衰減近1%)；GEO-2 衛星-Y+Y 太陽電池陣輸出電流從發射至目前分別衰減2.20%、2.64%(每年衰減近1.1%)；GEO-3 衛星-Y+Y 太陽電池陣輸出電流從發射至目前分別衰減1.44%、1.33%,光照期分流功能滿足設計功能要求。

圖10 G1母線電壓、母線電流及太陽電池陣翼輸出電流曲線

圖11 G2母線電壓、母線電流及太陽電池陣翼輸出電流曲線

圖12 G3母線電壓、母線電流及太陽電池陣翼輸出電流曲線

三顆衛星在軌地影期主要變化曲線如圖13～圖15 所示。由圖可以看出：GEO-1 衛星AB、CD 蓄電池組最低荷電量分別為39.73 和38.71 Ah，最大放電深度為52.97%、51.61%；GEO-2 衛星AB、CD 蓄電池組最低荷電量分別為41.79 和41.4 Ah，最大放電深度為55.72% 和55.20%；GEO-3 衛星AB、CD 蓄電池組最低荷電量分別為40.22 和39.42 Ah，最大放電深度為53.63%和52.56%。地影期充、放電功能滿足設計功能要求。

圖13 G1蓄電池組電壓及荷電態曲線

圖14 G2蓄電池組電壓及荷電態曲線

圖15 G3蓄電池組電壓及荷電態曲線

4 結論

本文針對GEO 軌道衛星的應用需求介紹了電源子系統充、放電功能的原理設計，并結合電源子系統在軌驗證對設計功能進行分析和總結，提出的充放電設計思路以及在軌驗證結果對GEO 軌道衛星的電源子系統設計具有一定的指導意義。