趙海峰，徐 偉，陳杏娜，賈文濤，黃 曉

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

1 S3R電源系統(tǒng)概述

順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)（Sequential Switching Shunt Regulator，S3R）電源系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能電池陣（發(fā)電）、鋰離子蓄電池組（儲(chǔ)能）以及電源控制器（系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)與控制管理），典型30 V母線(xiàn)電壓的S3R電源系統(tǒng)框架如圖1所示[1-3]。

圖1 S3R電源系統(tǒng)原理框架

電源控制器由主誤差放大器統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)放電調(diào)節(jié)器、充電調(diào)節(jié)器以及分流電路的工作，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池、蓄電池和負(fù)載設(shè)備之間的功率調(diào)節(jié)，并穩(wěn)定母線(xiàn)電壓[4]。主誤差放大器先保證衛(wèi)星負(fù)載供電，若太陽(yáng)能電池陣功率不夠，蓄電池組通過(guò)放電調(diào)節(jié)器放電補(bǔ)充供電[5]。若光照期太陽(yáng)能電池陣大于負(fù)載功率，則先滿(mǎn)足蓄電池充電功率需求，剩余功率進(jìn)行分流[6]。系統(tǒng)工作狀態(tài)如表1所示[7-10]。

表1 S3R電源系統(tǒng)工作狀態(tài)

對(duì)于S3R電源系統(tǒng)，為了保證能源系統(tǒng)供電安全，一般在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要保證太陽(yáng)能電池陣輸出功率大于負(fù)載功率與充電功率之和，即光照區(qū)一般都會(huì)有分流電路處于分流狀態(tài)或分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。但對(duì)于某些科學(xué)載荷而言，可能不希望電源系統(tǒng)處于分流調(diào)節(jié)狀態(tài)，因此采用常規(guī)S3R電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足這些科學(xué)載荷的需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 需求分析

通過(guò)分析S3R電源系統(tǒng)工作狀態(tài)可知，僅在太陽(yáng)能電池陣輸出功率大于負(fù)載功率需求與充電功率需求之和時(shí)，電源系統(tǒng)才會(huì)出現(xiàn)分流或分流調(diào)節(jié)。因此，若在滿(mǎn)足系統(tǒng)能量平衡和供電安全的前提下將功率富余的太陽(yáng)能電池電路提前設(shè)置為強(qiáng)制分流狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)不出現(xiàn)分流和分流調(diào)節(jié)。

2.2 強(qiáng)制分流電路設(shè)計(jì)

強(qiáng)制分流電路接口如圖2所示。

圖2 強(qiáng)制分流電路接口

第1級(jí)到第8級(jí)分流電路統(tǒng)一由母線(xiàn)誤差放大器控制，分流順序是從第1級(jí)到第8級(jí)。當(dāng)主誤差放大器輸出電壓大于3 V時(shí)，第1級(jí)分流電路由截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。隨著主誤差放大器電壓升高，由分流調(diào)節(jié)狀態(tài)進(jìn)入分流狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池電路輸出電功率被全部分流，不能給母線(xiàn)供電。隨著主誤差放大器電壓繼續(xù)升高，第2級(jí)到第8級(jí)分流電路以同樣的方式投入工作。當(dāng)負(fù)載和充電所需功率穩(wěn)定時(shí)，分流電路只會(huì)有一級(jí)處于分流調(diào)節(jié)狀態(tài)（在分流與供電狀態(tài)之間不斷切換），其他各級(jí)分流電路處于分流狀態(tài)（導(dǎo)通）或供電狀態(tài)（截止）。

太陽(yáng)能電池陣輸出電流約為31 A，負(fù)載電流約為14.5 A，充電電流需求為10 A左右。為了實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)不出現(xiàn)分流調(diào)節(jié)狀態(tài)，綜合考慮系統(tǒng)安全性與能量平衡，第5、6、7、8級(jí)分流電路設(shè)置強(qiáng)制分流接口，由電源下位機(jī)依據(jù)軟件邏輯在保證能量平衡的前提下，提前將相應(yīng)的分流電路設(shè)置為強(qiáng)制分流。強(qiáng)制分流采用電平型指令，電平為高時(shí)執(zhí)行強(qiáng)制分流。由于主誤差放大器控制的分流或分流調(diào)節(jié)順序是從第1級(jí)開(kāi)始，強(qiáng)制分流是從第8級(jí)開(kāi)始，所以第5～8級(jí)分流電路僅在分流和供電之間通過(guò)強(qiáng)制分流指令切換，不會(huì)出現(xiàn)分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。由于太陽(yáng)能電池陣可以供電到母線(xiàn)上的功率始終小于負(fù)載功率需求與充電功率需求之和，第1～4級(jí)不會(huì)出現(xiàn)分流和分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。

2.3 強(qiáng)制分流軟件設(shè)計(jì)

電源下位機(jī)冷啟動(dòng)或熱啟動(dòng)時(shí)，軟件強(qiáng)制分流控制功能默認(rèn)禁止，由指令啟動(dòng)。當(dāng)軟件強(qiáng)制分流功能禁止指令發(fā)出時(shí)，強(qiáng)制分流電平指令全部輸出低電平；當(dāng)發(fā)出強(qiáng)制分流功能啟動(dòng)指令時(shí)，S5～S8強(qiáng)制分流指令輸出默認(rèn)狀態(tài)，并進(jìn)入軟件自主判斷流程。同時(shí)，設(shè)置上注數(shù)據(jù)塊接受函數(shù)，用于強(qiáng)制分流模式各閾值的上注修改，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 強(qiáng)制分流上注修改參數(shù)表

軟件強(qiáng)制分流流程如圖3所示，強(qiáng)制分流逐步啟動(dòng)流程如圖4所示，強(qiáng)制分流逐步退出流程如圖5所示。

圖3 強(qiáng)制分流流程

圖4 強(qiáng)制分流逐步啟動(dòng)流程

圖5 強(qiáng)制分流逐步退出流程

在進(jìn)行強(qiáng)制分流控制時(shí)，從第8級(jí)開(kāi)始，先判斷第8級(jí)是否在強(qiáng)制分流狀態(tài)，如果是，則判斷第7級(jí)、第6級(jí)、第5級(jí)；若不是，則第8級(jí)設(shè)置為強(qiáng)制分流（并設(shè)置強(qiáng)制分流標(biāo)志），從高到低依次判斷、依次強(qiáng)制分流。在進(jìn)行強(qiáng)制分流退出時(shí)，從第5級(jí)開(kāi)始先判斷是否在供電狀態(tài)，如果是則判斷第6級(jí)、第7級(jí)、第8級(jí)；如果不是，則退出強(qiáng)制分流轉(zhuǎn)為供電狀態(tài)，從低到高依次判斷，依次退出強(qiáng)制分流轉(zhuǎn)為供電狀態(tài)。

2.4 測(cè)試驗(yàn)證

2020年10月，在電源控制器研制完成后，與蓄電池組及太陽(yáng)能電池陣模擬器組成電源系統(tǒng)，依據(jù)衛(wèi)星在軌工作模式進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，電源系統(tǒng)工作正常，可以規(guī)避分流調(diào)節(jié)狀態(tài)，滿(mǎn)足任務(wù)需求。

3 結(jié) 論

通過(guò)軟件與硬件相結(jié)合的方法，在傳統(tǒng)S3R電源系統(tǒng)框架下規(guī)避了分流調(diào)節(jié)狀態(tài)，滿(mǎn)足部分科學(xué)載荷的需求。目前該方法已經(jīng)應(yīng)用到工程型號(hào)設(shè)備上，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是合理、可行的，具有一定的推廣價(jià)值。