王 鍇，馬力君，邵蘭娟，李文華

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

電源子系統(tǒng)作為衛(wèi)星電源子系統(tǒng)的核心控制單機(jī)，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)電池陣和蓄電池組結(jié)合在一起構(gòu)成電源子系統(tǒng)，完成為整星提供穩(wěn)定的供電母線，并完成系統(tǒng)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(yáng)電池陣產(chǎn)生的多余能量分流，以保持系統(tǒng)功率平衡；在地影期將存儲(chǔ)在蓄電池組的能量調(diào)節(jié)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(yīng)更小、無(wú)記憶效應(yīng)等多種性能優(yōu)點(diǎn)的鋰離子蓄電池組作為儲(chǔ)能單元，目前國(guó)內(nèi)DFH-3B 衛(wèi)星平臺(tái)、DFH-4 衛(wèi)星平臺(tái)、DFH-5 衛(wèi)星平臺(tái)等已全面推廣采用鋰離子電池作為儲(chǔ)能電池。電源子系統(tǒng)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(jìn)出影循環(huán)模式來(lái)設(shè)計(jì)。本文在介紹系統(tǒng)的充、放電設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)衛(wèi)星電源子系統(tǒng)在軌充放電的試驗(yàn)情況進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 電源子系統(tǒng)充放電管理設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能及組成

衛(wèi)星電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用太陽(yáng)電池陣——蓄電池組系統(tǒng)拓?fù)湫问剑負(fù)溆砂l(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置及電源控制裝置三部分組成(圖1)。

圖1 電源子系統(tǒng)拓?fù)鋱D

太陽(yáng)電池陣是衛(wèi)星電源子系統(tǒng)的發(fā)電裝置，電池陣包括-Y、+Y 兩個(gè)太陽(yáng)電池翼，每翼由內(nèi)、中、外3 塊板構(gòu)成，單板尺寸為2 360 mm×2 500 mm×25.4 mm,每塊板布置4 級(jí)分流陣，整星6 塊板共布置25 764 片30.6 mm×40.3 mm 高效三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池。

鋰離子蓄電池組是衛(wèi)星電源子系統(tǒng)的儲(chǔ)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(wèi)星電源子系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)電池陣和蓄電池組結(jié)合在一起構(gòu)成電源子系統(tǒng)。電源控制裝置由4 個(gè)SUN 模塊(每個(gè)模塊包括6 級(jí)分流調(diào)節(jié)電路)、4個(gè)BCDR 模塊(每個(gè)BCDR 模塊分別包括1 個(gè)BCR 調(diào)節(jié)器和1個(gè)BDR 調(diào)節(jié)器)，2 個(gè)BDR 模塊(只包括1 個(gè)BDR 調(diào)節(jié)器)及2個(gè)TM-TC 模塊(互為冷備份)共12 個(gè)模塊組成，整個(gè)裝置采用模塊設(shè)計(jì)理念(圖2)。

圖2 電源子系統(tǒng)充放電設(shè)計(jì)原理圖

電源子系統(tǒng)主要功能是協(xié)調(diào)太陽(yáng)電池陣和蓄電池組的能量傳輸和功率平衡，為衛(wèi)星提供穩(wěn)定的供電母線。電源子系統(tǒng)采用“S3R 三域”全調(diào)節(jié)母線拓?fù)湫问絒1-3]，母線電壓設(shè)計(jì)值為(100.30±0.29) V。全調(diào)節(jié)母線采用三域管理方式，即主誤差放大器統(tǒng)一管理電源子系統(tǒng)內(nèi)部的全部功率調(diào)節(jié)模塊。在光照期，分流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池陣對(duì)星上負(fù)載供電，同時(shí)，通過(guò)充電調(diào)節(jié)器給蓄電池組充電；在地影期，通過(guò)放電調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)蓄電池對(duì)星上負(fù)載供電。

1.2 充電功能控制設(shè)計(jì)

電源子系統(tǒng)的充電調(diào)節(jié)功能采用冷備份設(shè)計(jì)，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(wèi)星在軌運(yùn)行經(jīng)歷地影期蓄電池組放電工況，出影進(jìn)入到光照期后需要及時(shí)進(jìn)行蓄電池組補(bǔ)充充電。出影后，電源子系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒流充電模式為蓄電池組充電；當(dāng)充電電壓達(dá)到恒壓設(shè)定值時(shí)，電源子系統(tǒng)通過(guò)恒壓環(huán)電路進(jìn)行控制，逐漸減小充電電流使蓄電池組保持恒壓充電狀態(tài)；當(dāng)充電電流按照指數(shù)規(guī)律逐漸減小為零時(shí)，蓄電池組需要的電量已經(jīng)充滿，可停止充電。

電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了蓄電池組過(guò)充保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到蓄電池組電壓達(dá)到過(guò)充保護(hù)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停止充電，防止蓄電池組過(guò)充。

電源子系統(tǒng)充電控制設(shè)計(jì)了電池誤差放大器電路(BEA)來(lái)調(diào)節(jié)控制充電調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)恒流-恒壓控制充電方式轉(zhuǎn)換。BEA 主要包括母線調(diào)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(hào)控制充電調(diào)節(jié)器完成充電功能。如果整星功率不滿足充電功率要求時(shí)，充電調(diào)節(jié)器工作在自動(dòng)調(diào)節(jié)母線的模式；當(dāng)整星功率滿足充電要求，而此時(shí)未到達(dá)到時(shí)設(shè)定蓄電池組恒壓值時(shí)，充電調(diào)節(jié)器工作在恒流充電的模式；電池電壓逐漸升高，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，充電調(diào)節(jié)器工作在恒壓充電的模式。

對(duì)于GEO 軌道衛(wèi)星，在地影季鋰離子蓄電池組進(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)，最長(zhǎng)地影時(shí)間為1.2 h，光照期可充電時(shí)間大于20 h。衛(wèi)星出影后留給蓄電池組的充電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，電源子系統(tǒng)一般情況下將恒流充電默認(rèn)檔位設(shè)置不大于0.1C，即可滿足蓄電池組補(bǔ)充充電需求，在軌也可根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)遙控指令進(jìn)行恒流檔位的調(diào)整。當(dāng)蓄電池組電壓上升進(jìn)入恒壓充電控制階段，電池組電壓穩(wěn)定，充電電流逐漸減小，恒壓充電默認(rèn)檔位的設(shè)置一般對(duì)應(yīng)蓄電池單體電壓為4.05或4.10 V，根據(jù)電池組的使用狀態(tài)在軌也可通過(guò)遙控指令進(jìn)行恒壓檔位的調(diào)整。

1.3 放電功能控制設(shè)計(jì)

當(dāng)太陽(yáng)電池陣的輸出功率不滿足負(fù)載需求或處于軌道陰影期時(shí)，放電調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)輸出功率和母線調(diào)節(jié)工作。每組蓄電池配置對(duì)應(yīng)的放電調(diào)節(jié)器，采用熱備份工作方式，失效1 個(gè)放電調(diào)節(jié)器后輸出功率依然滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)放電調(diào)節(jié)器多模塊熱備份的工作方式，設(shè)計(jì)上采用統(tǒng)一主誤差放大信號(hào)控制放電調(diào)節(jié)器的輸出電流，這種方式有效地解決了多個(gè)BDR 并聯(lián)工作電流輸出均衡的問(wèn)題。

每個(gè)放電調(diào)節(jié)器均接收通斷指令的控制，正常情況下全部放電調(diào)節(jié)器處于工作狀態(tài)。如果1 個(gè)放電調(diào)節(jié)器出現(xiàn)失效，應(yīng)該執(zhí)行此放電調(diào)節(jié)器關(guān)斷指令，為保持兩組蓄電池放電均衡，需要同時(shí)切斷另一組蓄電池對(duì)應(yīng)的放電調(diào)節(jié)器。

放電調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)了輸入過(guò)流保護(hù)電路，輸入過(guò)流保護(hù)電路由電流采樣和功率開(kāi)關(guān)兩個(gè)部分組成。當(dāng)放電調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路或元器件失效導(dǎo)致輸出過(guò)流后，過(guò)流保護(hù)電路自動(dòng)切斷功率開(kāi)關(guān)，使放電調(diào)節(jié)器和蓄電池組隔離。輸入過(guò)流保護(hù)功能一經(jīng)觸發(fā)即處于鎖定狀態(tài)，可通過(guò)指令使放電調(diào)節(jié)器重新上電完成電路復(fù)位。

2 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)搭建

搭建的充放電試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的連接圖如圖3 所示，該系統(tǒng)包含的主要單機(jī)產(chǎn)品和測(cè)試設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的單機(jī)和設(shè)備組成

圖3 電源子系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)框圖

儲(chǔ)能電源采用高比能量的鋰離子蓄電池組，設(shè)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(cè)試時(shí)采用24 級(jí)太陽(yáng)電池陣模擬器來(lái)模擬24 級(jí)太陽(yáng)電池陣輸出功率。

充放電試驗(yàn)包含的測(cè)試項(xiàng)目如表2。

表2 充放電試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目

3 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證情況

3.1 模擬地影72 min 放電試驗(yàn)

模擬地影期，進(jìn)行72 min 地影放電試驗(yàn)，蓄電池組以0.32C放電，電源子系統(tǒng)的輸出功率6 000 W。

放電過(guò)程中持續(xù)監(jiān)視蓄電池組放電電流和蓄電池組電壓，放電過(guò)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(guò)程中持續(xù)監(jiān)視母線電壓和母線紋波，母線電壓保持穩(wěn)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(bǔ)充充電試驗(yàn)

模擬電源子系統(tǒng)由地影期轉(zhuǎn)換到光照期后進(jìn)行補(bǔ)充充電，充電電流設(shè)置為0.1C，電源子系統(tǒng)的輸出功率6 000 W。

充電過(guò)程中持續(xù)監(jiān)視蓄電池組充電電流和蓄電池組電壓，恒流段對(duì)蓄電池組的充電電流保持為13.5 A，恒流充電過(guò)程蓄電池組電壓由71.2 V 逐漸升到80.89 V；進(jìn)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(tài)逐漸減小(圖6)。

圖6 充電曲線

充電過(guò)程中持續(xù)監(jiān)視母線電壓和母線紋波，母線電壓保持穩(wěn)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(shè)置電子負(fù)載為1 500 W 的靜態(tài)負(fù)載再加上4 200 W 的瞬態(tài)躍變負(fù)載(頻率33 Hz)，電壓系統(tǒng)工作在光照期充電至地影期放電的跨域模式，監(jiān)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(nèi)，母線紋波峰峰值為5.76 V，測(cè)試波形如圖8 所示。

圖8 跨域模式瞬態(tài)負(fù)載母線響應(yīng)

設(shè)置電子負(fù)載為1 800 W 的靜態(tài)負(fù)載再加上4 200 W 的瞬態(tài)躍變負(fù)載(頻率33 Hz)，電源子系統(tǒng)工作在地影放電模式，監(jiān)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(nèi)，母線紋波峰峰值為2.6 V，測(cè)試波形如圖9 所示。

圖9 放電模式瞬態(tài)負(fù)載母線響應(yīng)

3.3 在軌工作情況

北斗三號(hào)導(dǎo)航GEO-1、GEO-2 及GEO-3 組網(wǎng)衛(wèi)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(fā)射中心升空，目前三顆衛(wèi)星在軌工作良好。三顆衛(wèi)星均采用100 V 全調(diào)節(jié)母線，整星設(shè)計(jì)功率為6 000 W，其中GEO-1衛(wèi)星在軌母線在100.07～100.45 V 范圍內(nèi)之間正常波動(dòng)，整星負(fù)載在39.05～52.36 A 范圍內(nèi)變化；GEO-2 衛(wèi)星在軌母線在100.51～100.57 V 范圍內(nèi)之間正常波動(dòng)，整星負(fù)載在40.04～54.44 A 范圍內(nèi)變化；GEO-3 衛(wèi)星在軌母線在100.02～100.58 V 范圍內(nèi)之間正常波動(dòng)，整星負(fù)載在39.36～52.29 A 范圍內(nèi)變化。從在軌數(shù)據(jù)分析可知，無(wú)論在光照期及地影期電源子系統(tǒng)一次母線電壓一直穩(wěn)定，達(dá)到了電源子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

三顆衛(wèi)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(wèi)星負(fù)載狀況基本一致：GEO-1 衛(wèi)星-Y+Y 太陽(yáng)電池陣輸出電流從發(fā)射至目前分別衰減2.75%、2.91%(每年衰減近1%)；GEO-2 衛(wèi)星-Y+Y 太陽(yáng)電池陣輸出電流從發(fā)射至目前分別衰減2.20%、2.64%(每年衰減近1.1%)；GEO-3 衛(wèi)星-Y+Y 太陽(yáng)電池陣輸出電流從發(fā)射至目前分別衰減1.44%、1.33%,光照期分流功能滿足設(shè)計(jì)功能要求。

圖10 G1母線電壓、母線電流及太陽(yáng)電池陣翼輸出電流曲線

圖11 G2母線電壓、母線電流及太陽(yáng)電池陣翼輸出電流曲線

圖12 G3母線電壓、母線電流及太陽(yáng)電池陣翼輸出電流曲線

三顆衛(wèi)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(wèi)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(wèi)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(wèi)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(shè)計(jì)功能要求。

圖13 G1蓄電池組電壓及荷電態(tài)曲線

圖14 G2蓄電池組電壓及荷電態(tài)曲線

圖15 G3蓄電池組電壓及荷電態(tài)曲線

4 結(jié)論

本文針對(duì)GEO 軌道衛(wèi)星的應(yīng)用需求介紹了電源子系統(tǒng)充、放電功能的原理設(shè)計(jì)，并結(jié)合電源子系統(tǒng)在軌驗(yàn)證對(duì)設(shè)計(jì)功能進(jìn)行分析和總結(jié)，提出的充放電設(shè)計(jì)思路以及在軌驗(yàn)證結(jié)果對(duì)GEO 軌道衛(wèi)星的電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。