一種高效星載功率調(diào)節(jié)與配電單元設(shè)計與實現(xiàn)

蔡曉東 杜青 徐澤鋒 張俊亭 楊袆 夏寧 王超

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2上海空間電源研究所,上海 200245)

供配電分系統(tǒng)作為探測器重要分系統(tǒng)之一,主要任務(wù)是為探測器產(chǎn)生、貯存和分配電能,以滿足探測器在整個飛行過程中的一次電源供電、配電等需求;提供運載火箭和探測器間,軌道器與著陸器、返回器間,著陸器與上升器間、以及各用電設(shè)備間的電氣接口;通過低頻電纜網(wǎng)實現(xiàn)功率和信息的傳遞,并構(gòu)成完整可靠的接地系統(tǒng),其中最核心功能是實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)、能源配給和火工品起爆控制。

深空探測器供配電分系統(tǒng)設(shè)計的難點之一就是質(zhì)量約束嚴苛[1-8]。深空探測器受運載能力制約質(zhì)量要求嚴苛,其中可見報道的“奧德賽”火星探測器供配電系統(tǒng)質(zhì)量在整個探測器中的占比為11.9%,某月球環(huán)繞探測器質(zhì)量占比9.9%,某月球環(huán)繞巡視探測器質(zhì)量占比4%;同時,受運載整流罩空間限制,深空探測器對平臺設(shè)備和載荷設(shè)備的體積提出更高的要求,必須通過設(shè)備的小型化設(shè)計和總裝的優(yōu)化布局,盡可能的提高探測器空間利用率,最大程度的提升探測任務(wù)的價值[9-14]。為了滿足任務(wù)需求,必須從單機設(shè)計方面開展優(yōu)化設(shè)計,提高探測器能源系統(tǒng)的功率質(zhì)量比和體積比功率。

1 電源控制裝置國外研究現(xiàn)狀

目前國外航天器使用的電源控制裝置可分為電源控制器(Power Conditioning Units,PCU)和電能控制與配電單元(Power Conditioning and Distribution Units,PCDU)兩類,下面分別進行介紹。

1)PCU

國外PCU一般采用順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器(S3R)三域調(diào)節(jié)控制技術(shù),ESA空間電源實驗室于20世紀90年代中期全球首次開發(fā)成功順序開關(guān)串聯(lián)分流調(diào)節(jié)器(S4R)調(diào)節(jié)技術(shù),S4R可有效的縮小電源控制器的體積質(zhì)量,提高電源控制器的功率調(diào)節(jié)密度。國外電源控制器普遍采用模塊化設(shè)計,具有較強的功率擴展能力,并且達到了較高的工藝水平和批量生產(chǎn)能力。典型產(chǎn)品為阿爾卡特(Alcatel ETCA)公司研制的SB4000平臺,輸出功率9～21kW可擴展,南北蓄電池組各對應(yīng)8個電池放電管理器(BDR)及2個蓄電池充電調(diào)壓器(BCR)。阿爾卡特空間公司(Alcatel)與阿斯特里姆公司(Astrium)聯(lián)合開發(fā)的阿爾法客車(Alphabus)采用新一代電源控制裝置,功率范圍可擴展到8～26kW,可適應(yīng)多結(jié)GaAs太陽電池陣、Li-Ion電池;分流調(diào)節(jié)沿用S3R,充電采用S4R,在輸出功率、效率、模塊化等多個性能指標都有明顯的優(yōu)勢。

表1給出了國外部分航天器PCU的基本參數(shù)情況。其中,火星快車整星功率1500W,PCU質(zhì)量只有8.2kg;Astrium某PCU產(chǎn)品能提供5000W功率,質(zhì)量僅為25kg,均具有較高的功率質(zhì)量比。

表1 國外航天器電源控制器基本性能參數(shù)

2)PCDU

國外電源控制裝置另一發(fā)展趨勢是PCDU,包含功率控制和功率分配兩部分,功率控制完成功率流的控制和與星上計算機的通信,功率分配根據(jù)星上指令為載荷、平臺電子設(shè)備、加熱器和可展開裝置配電。PCDU內(nèi)設(shè)置有包括蓄電池充放電管理在內(nèi)的自主管理功能,外形結(jié)構(gòu)采用柔性的模塊化設(shè)計,可擴展性好。Astrium公司研制的PCDU產(chǎn)品外形圖如圖1所示。

圖1 國外PCDU產(chǎn)品外形圖

與傳統(tǒng)獨立的多臺設(shè)備相比,PCDU產(chǎn)品具有更高的功率質(zhì)量比。從航天器設(shè)備生產(chǎn)商Astrium對外提供的PCDU產(chǎn)品資料可以了解到該公司生產(chǎn)的某型號PCDU可提供一條5.5kW/50V不調(diào)節(jié)母線和一條1.5kW/28V全調(diào)節(jié)母線,質(zhì)量僅為22.5kg。表2給出了部分國外航天器使用的PCDU產(chǎn)品與國內(nèi)航天器使用獨立的多臺產(chǎn)品的功率質(zhì)量比的比較,探測器全球星-2(Globalstar-2)、麗莎探路者(LISApathfinder)、蓋亞(GAIA)等所采用的PCDU設(shè)備的功率質(zhì)量比均介于43～133W/kg之間,而國內(nèi)獨立設(shè)備的綜合功率質(zhì)量比僅為33～40W/kg。

值得注意的是，書籍編輯類電腦軟件只是一種便于操作的排版程序，它永遠也無法替代人腦工作，也不可能代替設(shè)計者去思考。書籍設(shè)計是一項極富創(chuàng)造性與美感的工作，它的編輯與排版并不一定符合固有的生產(chǎn)思維方式，而是更具隨機性和多樣化，它本身便是設(shè)計者個性與經(jīng)歷的體現(xiàn)。[1]所以，在書籍設(shè)計教學(xué)中，要注重學(xué)生多維度思考方式的鍛煉，以及個性化特征的培養(yǎng)，使學(xué)生的書籍設(shè)計既體現(xiàn)“情理之中，意料之外”的原則，又能夠帶有更多原創(chuàng)的可能性，并為其找到新的市場定位，以體現(xiàn)其現(xiàn)實價值。

表2 國外PCDU產(chǎn)品與國內(nèi)獨立設(shè)備功率質(zhì)量比

2 功率調(diào)節(jié)與配電單元組成及功能設(shè)計

PCDU組成如圖2所示,通常電源設(shè)備的本體結(jié)構(gòu)、設(shè)備間功率和信號線纜的連接在供配電系統(tǒng)中質(zhì)量占比較高,對供電設(shè)備、配電設(shè)備和火工品管理設(shè)備進行集成化設(shè)計可有效降低獨立設(shè)備和功率線纜的質(zhì)量和體積,同時,增加下位機模塊,使供配電設(shè)備自身具備遙測采集和收發(fā)指令的功能,可大大降低信號線纜的質(zhì)量,因而本文將功率調(diào)節(jié)PCU模塊、配電和火工品PDU模塊、智能接口(PIU)模塊進行集成化設(shè)計,如圖3所示,模塊間采用二次電源集中供電,結(jié)構(gòu)通過拉桿固連,功率通過匯流條傳輸,信號通過母板傳輸,采用多層板和表貼元器件進一步提升集成度,以實現(xiàn)系統(tǒng)的輕小型化。其中功率調(diào)節(jié)模塊包括放電模塊、充電分流模塊,火工品模塊包含全調(diào)節(jié)母線配電模塊,不調(diào)節(jié)母線配電模塊,火工品模塊,二次電源模塊。

圖2 PCDU組成框圖

圖3 集成化PCDU設(shè)計原理圖

功率調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)光照期對太陽電池陣的分流調(diào)節(jié)和陰影期對蓄電池組放電調(diào)節(jié),配電和火工控制模塊實現(xiàn)對全調(diào)節(jié)、不調(diào)節(jié)母線負載的加斷電控制,火工品起爆和分離電連接器電分離控制,PIU采用主備機冷備份設(shè)計,實現(xiàn)遙控指令接收、遙測信號采集,為蓄電池組在軌保護、故障診斷與處置和容量實時評估提供軟件支持。單機研制通過模塊化設(shè)計、采用匯流條、霍爾元件與印制電路板的一體化設(shè)計等方法,進一步節(jié)約質(zhì)量資源。集成化和輕小型化設(shè)計大大減少了結(jié)構(gòu)、器件和電纜等質(zhì)量,簡化了設(shè)備內(nèi)部接口復(fù)雜程度,提高了設(shè)備供電可靠性。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多母線融合控制技術(shù)

為了提高太陽翼發(fā)電利用率,根據(jù)雙母線負載功率需求,采用S4R電路和S3R電路相結(jié)合的方式。S4R電路輸出既與全調(diào)節(jié)母線相連,又與不調(diào)節(jié)母線相連,優(yōu)先為全調(diào)節(jié)母線負載供電,同時兼顧為不調(diào)節(jié)母線負載供電和為蓄電池充電;S3R充電分流電路輸出與不調(diào)節(jié)母線相連,為不調(diào)節(jié)母線負載供電和為蓄電池充電。

為了避免全調(diào)節(jié)、不調(diào)節(jié)母線負載同時用電對S4R電路的競爭和干擾,S4R電路和S3R采用逆向分流法,即當S4R電路為全調(diào)節(jié)母線供電時,分流順序為從高到低;當S4R電路為不調(diào)節(jié)母線供電時,分流順序為從低到高。這種方式在保證S4R電路優(yōu)先為全調(diào)節(jié)母線供電,同時提高了對發(fā)電的利用率。該方式通過控制主誤差放大器(MEA)及蓄電池組誤差放大器(BEA)之間進行合理匹配實現(xiàn)。

雙母線融合主誤差放大器及蓄電池組誤差放大器分配示意圖如圖4所示。

圖4 MEA及BEA匹配示意圖

全調(diào)節(jié)/不調(diào)節(jié)母線電壓采樣值與目標值做差后經(jīng)3取2表決電路得到MEA/BEA信號,一方面送入S4R控制邏輯電路實現(xiàn)全調(diào)節(jié)母線優(yōu)先供電控制,另一方面送入驅(qū)動電路與每路分陣分流基準值進行比較,通過對分流基準值進行設(shè)定即可控制每路分陣的調(diào)節(jié)順序。

3.2 多路放電均流技術(shù)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)PCDU放電電路的均流控制和輕量化、高功率質(zhì)量比的特點,采用優(yōu)化的雙環(huán)控制方法,如圖5所示。輸出電壓U0為電壓采樣信號,經(jīng)過三路誤差放大器運算,再經(jīng)過三取二表決電路后,與各個電路的電流信號比較。雙環(huán)控制方法即繼承了主從設(shè)置法的高精度均流效果,又保證了電路的可靠性和穩(wěn)定性。脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器采用峰值電流控制方式,通過功率開關(guān)管的峰值電流直接受誤差放大信號控制,可以及時、靈敏的檢測功率開關(guān)管或輸出的瞬態(tài)電流值,逐個周期對脈沖電流檢測,只要限制參考電流信號,就可以準確限制通過功率開關(guān)管的電流,使系統(tǒng)具有自動限流和短路保護的能力。相比電壓模式,電流模式PWM控制器更能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 雙環(huán)控制方法

3.3 PCDU集成技術(shù)

為了實現(xiàn)整個產(chǎn)品的集成度,同時保證各個功能模塊有機結(jié)合、功能信號能夠無誤互聯(lián),互不干擾,功率回路保證足夠的功率輸出能力,需要在設(shè)計的各個過程中考慮集成化技術(shù)。主要從以下方面進行研究來實現(xiàn)整體電路集成化。

1)單機模塊集成一體化

PCDU的高度集成首先體現(xiàn)在多個設(shè)備功能的集成。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計當中,將各個模塊進行功能劃分。為了能夠近一步減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,在保證整個產(chǎn)品熱性能和機械性能的基礎(chǔ)上,采用了鎂合金材料。

2)印制板的高度集成

為了實現(xiàn)整個產(chǎn)品的高度集成化和高功率質(zhì)量比要求,采用了多層印制板和表貼元器件。多層印制板的使用,大大縮小印制板的面積;相對傳統(tǒng)印制板(如雙層印制板)的雙列直插器件,表貼元器件的使用,大大提高了印制板面積的利用率,進一步提升了整個產(chǎn)品模塊化的集成度。

3)電纜技術(shù)的集成化

為了減輕產(chǎn)品質(zhì)量、提高各模塊間的集成度,摒棄了傳統(tǒng)模塊采用導(dǎo)線互聯(lián)的方式。各模塊信號部分,采用全新的信號母板方式;功率部分采用設(shè)計足額的匯流條的結(jié)構(gòu)方式;內(nèi)外部接插采用與印制板無縫結(jié)合的方式,不但減少了電路中導(dǎo)線的使用數(shù)量,而且大大提升了整個模塊的空間利用率;另外此設(shè)計方式對于整個電路的拆卸和調(diào)試提供了極大的方便。

4)二次電源集中供電技術(shù)

為了節(jié)約整個產(chǎn)品的空間和質(zhì)量,二次電源模塊提供了各個功能模塊所需的±12 V,+5 V,+30V的電源模塊,實現(xiàn)了二次電源的集中供電。各個模塊對二次電源的需求,通過信號母板獲得,提高了二次電源的利用率。

通過PCDU集成技術(shù),成功將PCDU的功率調(diào)節(jié)模塊、配電模塊、火工品模塊、智能接口單元等4個功能性產(chǎn)品集成為1臺產(chǎn)品,實現(xiàn)了功能集成;同時采用優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計,提升整個產(chǎn)品單模塊面積利用率和產(chǎn)品空間利用率,從而實現(xiàn)整個產(chǎn)品更加緊湊、輕巧,保證了整個產(chǎn)品高度集成、高功率質(zhì)量比的需求。PCDU技術(shù)指標實現(xiàn)情況如表3所示,功率質(zhì)量比達167 W/kg,優(yōu)于表2中最高的Globalstar-2。

表3 PCDU主要技術(shù)指標

4 仿真驗證

為了驗證功率調(diào)節(jié)單元的設(shè)計正確性,通過運用經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)樹分析法和定量分析法,對功率調(diào)節(jié)單元進行仿真,搭建了功率調(diào)節(jié)仿真平臺,完成了對功率調(diào)節(jié)與配電單元10種穩(wěn)態(tài)工況的量化分析過程,4路太陽電池S4R供電陣與6路太陽電池S3R供電陣與母線電壓信號的對應(yīng)關(guān)系與開啟順序如圖6～圖7所示,分析結(jié)果與期望值一致,滿足設(shè)計要求。逆向分流法有效避免了全調(diào)節(jié)、不調(diào)節(jié)母線負載同時用電對S4R電路的競爭和干擾,提高了對發(fā)電的利用率。

圖6 S4R供電陣分流信號與全調(diào)節(jié)母線關(guān)系

圖7 S3R供電陣分流信號與蓄電池母線關(guān)系

5 試驗驗證

在單機測試過程中,對供電模式的可靠性、安全性進行了測試和驗證,通過控制太陽電池陣功率的輸出,模擬進出陰影區(qū)工況。在多種工作模式下,模擬太陽電池陣供電模式、蓄電池供電模式、聯(lián)合供電模式3種運行工況,對其遙測波形與進出影動態(tài)波形進行分析,生成進出影動態(tài)波形圖見圖8～圖9。從遙測曲線與動態(tài)波形可以看出,進出陰影區(qū)期間,母線電壓穩(wěn)定,蓄電池轉(zhuǎn)內(nèi)電和充放電功能正常,測試結(jié)果與設(shè)計狀態(tài)一致。

圖8 出陰影動態(tài)波形圖

圖9 入陰影動態(tài)波形圖

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的功率調(diào)節(jié)與配電單元采用多功能模塊一體化方案,實現(xiàn)了對多母線融合控制、多功能模塊集成化設(shè)計、多路放電均流技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的突破。功率調(diào)節(jié)與配電單元在軌工作正常、安全可靠,有力的支持了我國深空探測任務(wù)圓滿完成,功率調(diào)節(jié)與配電單元的拉桿式結(jié)構(gòu)、匯流條和母板等多功能模塊集成化設(shè)計方案和多母線融合控制等關(guān)鍵技術(shù),可為我國深空探測及其它領(lǐng)域功率調(diào)節(jié)與配電裝置一體化設(shè)計提供參考和借鑒。