王 鍇

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

近幾年，我國在通信衛(wèi)星領(lǐng)域廣泛布局，可以預(yù)見未來在三大衛(wèi)星領(lǐng)域之一的遙感衛(wèi)星領(lǐng)域?qū)㈤_啟零星合成孔徑雷達成像(SAR)衛(wèi)星應(yīng)用到星座組網(wǎng)批量化模式，滿足軍、民用領(lǐng)域的業(yè)務(wù)擴展需求。在低成本、高效費比要求和星載SAR 載荷技術(shù)跨越式發(fā)展的雙重推動下，輕小型星載SAR 將迎來加速發(fā)展的階段[1]。SAR 衛(wèi)星因工作波長能穿透云層、塵埃乃至地表或植被的等掩蓋信息，可全天候、全天時獲取高分辨率圖像，是近年來軍用、民用遙感衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展的熱門方向，其具有成像模式多、峰值功率大以及脈沖工作等特點，對衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計提出了新的需求和挑戰(zhàn)。

1 電源系統(tǒng)輸入約束

1.1 任務(wù)需求及功率限定

一次電源系統(tǒng)任務(wù)主要是為整星供電，滿足衛(wèi)星各種工作模式下的功率需求，在地面測試及各種地面試驗期間，為衛(wèi)星提供電源；在軌運行期間，為衛(wèi)星提供電源，保證各儀器設(shè)備的正常工作；電源分系統(tǒng)在日照期利用太陽電池陣發(fā)電，為衛(wèi)星各設(shè)備供電，并對蓄電池充電；在地影期由蓄電池為衛(wèi)星各設(shè)備供電。實施在軌運行期間的電源管理和控制，包括對蓄電池充放電的控制，系統(tǒng)內(nèi)部信號的遙測，并提供所需的遙測、遙控接口；接收執(zhí)行綜合電子發(fā)出的間接指令，并接收執(zhí)行測控設(shè)備的直接指令。

一次電源系統(tǒng)的功率需求為：軌道高度550～650 km；軌道周期5 800 s，最長地影時間約為2 133 s；在軌壽命3 年；SAR 載荷母線電壓56～66 V，平臺母線電壓(28±0.5) V；SAR載荷母線，峰值功率20 kW，平均功率12.8 kW，連續(xù)工作時長6.9 min，常值功率385 W；平臺功率810 W，峰值功率1 250 W；載荷初期每4 軌工作2 次，壽命末期載荷可5 軌工作2 次。選取的功率范圍基本可覆蓋當前低軌SAR 衛(wèi)星的任務(wù)需求。

1.2 太陽電池及蓄電池限定

隨著航天技術(shù)的日趨成熟，國內(nèi)外空間三節(jié)砷化鎵(GalnP2/GaAs/Ge)電池已經(jīng)大量在軌應(yīng)用，當前在軌衛(wèi)星的太陽電池多以30%效率為主，規(guī)格型號種類繁多，以30 mm×40 mm、40 mm×60 mm 及40 mm×80 mm 居多。從成本和提高太陽電池利用率方面考慮，國外已經(jīng)開始大量使用單體面積更大的太陽電池片，而國內(nèi)主要開發(fā)了80 mm×80 mm 和64 mm×128 mm 太陽電池片。針對后續(xù)幾年SAR 載荷類對太陽電池高效輕質(zhì)的需求，選擇規(guī)格40 mm×80 mm、厚度80 μm、效率32%的太陽電池單體作為設(shè)計方案選型。太陽電池片及主要參數(shù)值如圖1 和表1 所示。

表1 太陽電池片參數(shù)

圖1 太陽電池片示意圖

SAR 衛(wèi)星對能源分系統(tǒng)的要求是十分嚴格的，它需要在短時間內(nèi)實現(xiàn)大功率、大電流脈沖式供電。而鋰離子蓄電池具有高比能量、高電壓、良好的低溫性能、較低的自放電率和無記憶效應(yīng)等一系列優(yōu)點，國外TerraSAR 和Cosmo-Skymed衛(wèi)星對電源的容量要求比較高，都采用了鋰離子蓄電池組技術(shù)[2]。而國內(nèi)鋰離子電池也大量應(yīng)用于通信、導(dǎo)航等中高軌衛(wèi)星以及星網(wǎng)工程等低軌衛(wèi)星，過去國內(nèi)大量發(fā)射的通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星平均功率都較大，導(dǎo)致鋰離子蓄電池長期追求高比能特性，不能滿足當前大功率遙感SAR 衛(wèi)星對電源脈沖特性的需求，蓄電池的質(zhì)量在電源系統(tǒng)中的占比在60%以上，甚至更大。比如國外的SAR 衛(wèi)星Cosmo-Skymed，10 s 19 kW 功率輸出，選用的18650 高比能電池達72 并設(shè)計。隨著國內(nèi)外SAR 衛(wèi)星對脈沖功率的不斷增大的需求和鋰離子蓄電池技術(shù)的進步，適合脈沖電流工作的高功率電池及兼顧高比能和高功率的“雙高”型鋰離子蓄電池應(yīng)運而生，如本單位10 Ah 超高功率鋰離子電池比能量達到100 Wh/kg，比功率達到10 kW/kg，40C連續(xù)放電可以放出1C容量的93%以上，比功率指標達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，并已經(jīng)實現(xiàn)在軌應(yīng)用。采用本單位的220 Wh/kg 高比能10 Ah 單體(F 型電池)和10 kW/kg 高比功率10 Ah 單體進行方案設(shè)計。高比能10 Ah 電池可實現(xiàn)1C放電、0.5C充電，40%放電深度(DOD)條件下，低軌道(LEO)運行具有7 年壽命；高功率10 Ah 電池50%DOD使用條件下，LEO 軌道運行具有5 年壽命。圖2 為10 Ah 高比能電池和10 Ah 高功率電池實物。

圖2 10 Ah 高比能電池和10 Ah高功率電池

2 方案介紹

2.1 MPPT 型單電池組復(fù)合母線

系統(tǒng)采用復(fù)合母線拓撲，如圖3 所示(方案1)，提供兩條不同電壓的母線分別為SAR 載荷供電和平臺負載供電，載荷和平臺共用一組雙高型鋰離子蓄電池組。載荷母線電壓采用最大功率跟蹤(MPPT)控制模式的不調(diào)節(jié)母線方式，高壓不調(diào)節(jié)母線具有極低的輸出阻抗，最大限度地滿足了SAR 載荷短期峰值負載和脈沖負載的供電需要[3]，可滿足SAR 載荷峰值功率20 kW 的需求，鋰電池組采用16 串方式，載荷母線電壓56～66 V。載荷母線通過隔離降壓模塊(Buck)實現(xiàn)平臺母線電壓28 V 輸出。光照期，太陽電池通過MPPT 控制的功率變換器將太陽能供給載荷和平臺負載，如有多余能量，則為蓄電池組充電；地影期，蓄電池組通過降壓模塊(Buck)為衛(wèi)星平臺母線供電，同時為SAR 載荷工作提供能源。綜上分析，此方案為MPPT 控制太陽電池陣，配置單組雙高型電池組以及隔離型DCDC 變換器為平臺母線，此方案記為方案1。方案2 與方案1 幾乎相同，只是將MPPT 控制太陽電池的策略改為傳統(tǒng)的S3R 拓撲。但與方案1 相比，方案2 會增加太陽電池面積。

圖3 MPPT型單電池組復(fù)合母線示意圖

2.2 S3R 型雙電池組雙母線

圖4 為S3R 型雙電池組雙母線示意圖，系統(tǒng)采用雙母線拓撲，提供兩條不同電壓的母線，分別為SAR 載荷供電和平臺負載供電，載荷和平臺分別設(shè)置兩組電池，由于載荷峰值功率比較大，采用高功率型電池，平臺負載工作穩(wěn)定，采用高比能電池組。載荷母線電壓56～66 V。平臺母線采用28 V 不調(diào)節(jié)母線，控制方式為S3R 型直接能量傳輸(DET)控制方式，母線電壓25.2～28.7 V。綜上分析，圖4 所示方案(方案3)采用兩組蓄電池、兩條母線，由于采用兩組蓄電池，可發(fā)揮蓄電池組高比能和高功率的優(yōu)勢，同時載荷母線和平臺母線獨立設(shè)計，載荷工作時，對平臺設(shè)備干擾最小。圖4 方案中，平臺母線為不調(diào)節(jié)母線，如果全調(diào)節(jié)母線需要增加降壓電路。

圖4 S3R型雙電池組雙母線示意圖

2.3 MPPT 型雙電池組雙母線

圖5 為MPPT 型雙電池組雙母線示意圖，太陽電池的功率調(diào)節(jié)上采用MPPT 模式，而且采用降壓型MPPT 控制方式，降壓型控制方式較升降壓MPPT 控制方式效率更高；兩組蓄電池可發(fā)揮蓄電池組高比能和高功率的優(yōu)勢，同時載荷母線和平臺母線獨立設(shè)計，載荷工作時對平臺設(shè)備干擾較小。MPPT 型雙電池組雙母線方案中，平臺采用全調(diào)節(jié)母線，全調(diào)節(jié)母線常用的有S3R+蓄電池充電調(diào)節(jié)器(BCR)+蓄電池放電調(diào)節(jié)器(BDR)或S4R+BDR 的配置。圖5 所示方案(方案4)中，由于雙母線的架構(gòu)，平臺如果采取較成熟和轉(zhuǎn)換效率高的降壓電路實現(xiàn)平臺母線電壓的恒定輸出，較傳統(tǒng)模式質(zhì)量輕、體積小及效率更高。

圖5 MPPT型雙電池組雙母線示意圖

2.4 升壓型復(fù)合母線

圖6 為升壓型復(fù)合母線示意圖，系統(tǒng)采用復(fù)合母線拓撲，提供兩條不同電壓的母線，分別為SAR 載荷供電和平臺負載供電，使用兩組電池，平臺使用高比能蓄電池，載荷使用高功率電池。圖6 所示方案與圖3～5 所示方案最大的不同之處在于高功率電池的能量來自于電源平臺能量，對于既有成熟平臺電源，尤其蓄電池具備高比能特性時，對需要擴展類似SAR 等脈沖電源的載荷，可以不改變現(xiàn)有成熟電源平臺，只需要外圍增加升壓變換器模塊和高功率電池組即可，通過平臺給高功率電池充電，高功率電池儲能后可以滿足SAR 載荷的放電需求，后續(xù)的方案比較中不作此方案比較。

圖6 升壓型復(fù)合母線示意圖

2.5 方案比較

表2 為四種方案對比表。由表2 可知，對太陽電池陣調(diào)節(jié)采用MPPT 方式，充分利用太陽電池陣輸出功率，可減小太陽電池陣的面積和質(zhì)量，降低研制成本。蓄電池充電時間更短，可有效響應(yīng)突發(fā)的任務(wù)規(guī)劃，降低電源系統(tǒng)對任務(wù)規(guī)劃的約束[4]。本文中太陽電池功率需求面積為10 m2左右，通過分析可知，采用MPPT 的調(diào)節(jié)方式較傳統(tǒng)S3R 調(diào)節(jié)方式，可以節(jié)省近1 m2的太陽電池，如果再考慮基板的質(zhì)量，使用MPPT調(diào)節(jié)方式不僅可大幅減小電源系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，在衛(wèi)星壽命初期輸出功率可以比S3R 調(diào)節(jié)方式多12%～20%，對于壽命初期需要載荷完成更多任務(wù)的工況具有明顯優(yōu)勢。

表2 四種方案比較

平臺和載荷獨立配置蓄電池組，平臺蓄電池組采用能量型鋰離子蓄電池單體，滿足平臺設(shè)備的長期供電能量需求，載荷蓄電池組采用功率型鋰離子蓄電池單體，滿足SAR 載荷的短時大功率脈沖供電需求，可以分別對平臺和載荷鋰離子蓄電池進行優(yōu)化設(shè)計[5]。鑒于當前雙高型鋰離子蓄電池，國內(nèi)正處于攻關(guān)階段，本文中，采用220 Wh/kg 的F 型高比能蓄電池結(jié)合芯片化自主均衡，減少對系統(tǒng)資源的依賴，同時采用高功率電池，較容易實現(xiàn)SAR 載荷功率寬范圍擴展，針對平臺和載荷供電需求特點，發(fā)揮了兩種蓄電池各自的優(yōu)勢。

通過對方案的比較，推薦使用方案4，太陽電池功率得到最大化利用，兩組蓄電池發(fā)揮了高比能和高功率的優(yōu)勢，同時較容易實現(xiàn)載荷功率的擴展，兩條獨立母線最大限度降低了脈沖類載荷工作對平臺精密設(shè)備的干擾。功率調(diào)節(jié)單元本質(zhì)都是傳統(tǒng)非隔離降壓電路，轉(zhuǎn)換效率高，拓撲簡單可靠，成本低，系統(tǒng)復(fù)雜度適中。圖7 為電源控制器和蓄電池模型圖。

圖7 蓄電池組及電源控制器模型

通過分析四種方案，SAR 電源系統(tǒng)質(zhì)量相差僅5 kg 左右，且蓄電池質(zhì)量占比電源系統(tǒng)質(zhì)量都大于65%，因此對于SAR 等脈沖類衛(wèi)星電源系統(tǒng)，進一步做到輕量化，重點還在于電池性能的提升，以減小蓄電池的質(zhì)量。

3 結(jié)束語

對SAR 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的任務(wù)、功率需求及太陽電池和蓄電池的規(guī)格型號進行限定，立足國內(nèi)衛(wèi)星電源系統(tǒng)當前的技術(shù)水平，后續(xù)1～3 年的發(fā)展情況，介紹了適合SAR 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的五種方案，對前四種方案進行了定量分析、比較和剖析，分析了方案的優(yōu)缺點，提出了后續(xù)需要優(yōu)化提升的關(guān)鍵點，這對于我國后續(xù)SAR 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。