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(jì)部,北京 100094)(2上?？臻g電源研究所,上海 200245)

供配電分系統(tǒng)作為探測(cè)器重要分系統(tǒng)之一,主要任務(wù)是為探測(cè)器產(chǎn)生、貯存和分配電能,以滿(mǎn)足探測(cè)器在整個(gè)飛行過(guò)程中的一次電源供電、配電等需求;提供運(yùn)載火箭和探測(cè)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(guò)低頻電纜網(wǎng)實(shí)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(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)、能源配給和火工品起爆控制。

深空探測(cè)器供配電分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一就是質(zhì)量約束嚴(yán)苛[1-8]。深空探測(cè)器受運(yùn)載能力制約質(zhì)量要求嚴(yán)苛,其中可見(jiàn)報(bào)道的“奧德賽”火星探測(cè)器供配電系統(tǒng)質(zhì)量在整個(gè)探測(cè)器中的占比為11.9%,某月球環(huán)繞探測(cè)器質(zhì)量占比9.9%,某月球環(huán)繞巡視探測(cè)器質(zhì)量占比4%;同時(shí),受運(yùn)載整流罩空間限制,深空探測(cè)器對(duì)平臺(tái)設(shè)備和載荷設(shè)備的體積提出更高的要求,必須通過(guò)設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)和總裝的優(yōu)化布局,盡可能的提高探測(cè)器空間利用率,最大程度的提升探測(cè)任務(wù)的價(jià)值[9-14]。為了滿(mǎn)足任務(wù)需求,必須從單機(jī)設(shè)計(jì)方面開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì),提高探測(cè)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(guó)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)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(lèi),下面分別進(jìn)行介紹。

1)PCU

國(guó)外PCU一般采用順序開(kāi)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(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)90年代中期全球首次開(kāi)發(fā)成功順序開(kāi)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(guó)外電源控制器普遍采用模塊化設(shè)計(jì),具有較強(qiáng)的功率擴(kuò)展能力,并且達(dá)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(tái),輸出功率9～21kW可擴(kuò)展,南北蓄電池組各對(duì)應(yīng)8個(gè)電池放電管理器(BDR)及2個(gè)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(kāi)發(fā)的阿爾法客車(chē)(Alphabus)采用新一代電源控制裝置,功率范圍可擴(kuò)展到8～26kW,可適應(yīng)多結(jié)GaAs太陽(yáng)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(gè)性能指標(biāo)都有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1給出了國(guó)外部分航天器PCU的基本參數(shù)情況。其中,火星快車(chē)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?jī)H為25kg,均具有較高的功率質(zhì)量比。

表1 國(guó)外航天器電源控制器基本性能參數(shù)

2)PCDU

國(guó)外電源控制裝置另一發(fā)展趨勢(shì)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(jì)算機(jī)的通信,功率分配根據(jù)星上指令為載荷、平臺(tái)電子設(shè)備、加熱器和可展開(kāi)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(jì),可擴(kuò)展性好。Astrium公司研制的PCDU產(chǎn)品外形圖如圖1所示。

圖1 國(guó)外PCDU產(chǎn)品外形圖

與傳統(tǒng)獨(dú)立的多臺(tái)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(duì)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(hào)PCDU可提供一條5.5kW/50V不調(diào)節(jié)母線(xiàn)和一條1.5kW/28V全調(diào)節(jié)母線(xiàn),質(zhì)量?jī)H為22.5kg。表2給出了部分國(guó)外航天器使用的PCDU產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)航天器使用獨(dú)立的多臺(tái)產(chǎn)品的功率質(zhì)量比的比較,探測(cè)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(guó)內(nèi)獨(dú)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(shū)籍編輯類(lèi)電腦軟件只是一種便于操作的排版程序，它永遠(yuǎn)也無(wú)法替代人腦工作，也不可能代替設(shè)計(jì)者去思考。書(shū)籍設(shè)計(jì)是一項(xiàng)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(jī)性和多樣化，它本身便是設(shè)計(jì)者個(gè)性與經(jīng)歷的體現(xiàn)。[1]所以，在書(shū)籍設(shè)計(jì)教學(xué)中，要注重學(xué)生多維度思考方式的鍛煉，以及個(gè)性化特征的培養(yǎng)，使學(xué)生的書(shū)籍設(shè)計(jì)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(chǎng)定位，以體現(xiàn)其現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

表2 國(guó)外PCDU產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)獨(dú)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(jì)

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(hào)線(xiàn)纜的連接在供配電系統(tǒng)中質(zhì)量占比較高,對(duì)供電設(shè)備、配電設(shè)備和火工品管理設(shè)備進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)可有效降低獨(dú)立設(shè)備和功率線(xiàn)纜的質(zhì)量和體積,同時(shí),增加下位機(jī)模塊,使供配電設(shè)備自身具備遙測(cè)采集和收發(fā)指令的功能,可大大降低信號(hào)線(xiàn)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(jìn)行集成化設(shè)計(jì),如圖3所示,模塊間采用二次電源集中供電,結(jié)構(gòu)通過(guò)拉桿固連,功率通過(guò)匯流條傳輸,信號(hào)通過(guò)母板傳輸,采用多層板和表貼元器件進(jìn)一步提升集成度,以實(shí)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(xiàn)配電模塊,不調(diào)節(jié)母線(xiàn)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(jì)原理圖

功率調(diào)節(jié)模塊實(shí)現(xiàn)光照期對(duì)太陽(yáng)電池陣的分流調(diào)節(jié)和陰影期對(duì)蓄電池組放電調(diào)節(jié),配電和火工控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)全調(diào)節(jié)、不調(diào)節(jié)母線(xiàn)負(fù)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(jī)冷備份設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)遙控指令接收、遙測(cè)信號(hào)采集,為蓄電池組在軌保護(hù)、故障診斷與處置和容量實(shí)時(shí)評(píng)估提供軟件支持。單機(jī)研制通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)、采用匯流條、霍爾元件與印制電路板的一體化設(shè)計(jì)等方法,進(jìn)一步節(jié)約質(zhì)量資源。集成化和輕小型化設(shè)計(jì)大大減少了結(jié)構(gòu)、器件和電纜等質(zhì)量,簡(jiǎn)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(xiàn)融合控制技術(shù)

為了提高太陽(yáng)翼發(fā)電利用率,根據(jù)雙母線(xiàn)負(fù)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(xiàn)相連,又與不調(diào)節(jié)母線(xiàn)相連,優(yōu)先為全調(diào)節(jié)母線(xiàn)負(fù)載供電,同時(shí)兼顧為不調(diào)節(jié)母線(xiàn)負(fù)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(xiàn)相連,為不調(diào)節(jié)母線(xiàn)負(fù)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(xiàn)負(fù)載同時(shí)用電對(duì)S4R電路的競(jìng)爭(zhēng)和干擾,S4R電路和S3R采用逆向分流法,即當(dāng)S4R電路為全調(diào)節(jié)母線(xiàn)供電時(shí),分流順序?yàn)閺母叩降?當(dāng)S4R電路為不調(diào)節(jié)母線(xiàn)供電時(shí),分流順序?yàn)閺牡偷礁?。這種方式在保證S4R電路優(yōu)先為全調(diào)節(jié)母線(xiàn)供電,同時(shí)提高了對(duì)發(fā)電的利用率。該方式通過(guò)控制主誤差放大器(MEA)及蓄電池組誤差放大器(BEA)之間進(jìn)行合理匹配實(shí)現(xiàn)。

雙母線(xiàn)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(xiàn)電壓采樣值與目標(biāo)值做差后經(jīng)3取2表決電路得到MEA/BEA信號(hào),一方面送入S4R控制邏輯電路實(shí)現(xiàn)全調(diào)節(jié)母線(xiàn)優(yōu)先供電控制,另一方面送入驅(qū)動(dòng)電路與每路分陣分流基準(zhǔn)值進(jìn)行比較,通過(guò)對(duì)分流基準(zhǔn)值進(jìn)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(diǎn),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(hào),經(jīng)過(guò)三路誤差放大器運(yùn)算,再經(jīng)過(guò)三取二表決電路后,與各個(gè)電路的電流信號(hào)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(guò)功率開(kāi)關(guān)管的峰值電流直接受誤差放大信號(hào)控制,可以及時(shí)、靈敏的檢測(cè)功率開(kāi)關(guān)管或輸出的瞬態(tài)電流值,逐個(gè)周期對(duì)脈沖電流檢測(cè),只要限制參考電流信號(hào),就可以準(zhǔn)確限制通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的電流,使系統(tǒng)具有自動(dòng)限流和短路保護(hù)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(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品的集成度,同時(shí)保證各個(gè)功能模塊有機(jī)結(jié)合、功能信號(hào)能夠無(wú)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(jì)的各個(gè)過(guò)程中考慮集成化技術(shù)。主要從以下方面進(jìn)行研究來(lái)實(shí)現(xiàn)整體電路集成化。

1)單機(jī)模塊集成一體化

PCDU的高度集成首先體現(xiàn)在多個(gè)設(shè)備功能的集成。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中,將各個(gè)模塊進(jìn)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(gè)產(chǎn)品熱性能和機(jī)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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(duì)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(jìn)一步提升了整個(gè)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(xiàn)互聯(lián)的方式。各模塊信號(hào)部分,采用全新的信號(hào)母板方式;功率部分采用設(shè)計(jì)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(wú)縫結(jié)合的方式,不但減少了電路中導(dǎo)線(xiàn)的使用數(shù)量,而且大大提升了整個(gè)模塊的空間利用率;另外此設(shè)計(jì)方式對(duì)于整個(gè)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(gè)產(chǎn)品的空間和質(zhì)量,二次電源模塊提供了各個(gè)功能模塊所需的±12 V,+5 V,+30V的電源模塊,實(shí)現(xiàn)了二次電源的集中供電。各個(gè)模塊對(duì)二次電源的需求,通過(guò)信號(hào)母板獲得,提高了二次電源的利用率。

通過(guò)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(gè)功能性產(chǎn)品集成為1臺(tái)產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了功能集成;同時(shí)采用優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提升整個(gè)產(chǎn)品單模塊面積利用率和產(chǎn)品空間利用率,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品更加緊湊、輕巧,保證了整個(gè)產(chǎn)品高度集成、高功率質(zhì)量比的需求。PCDU技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況如表3所示,功率質(zhì)量比達(dá)167 W/kg,優(yōu)于表2中最高的Globalstar-2。

表3 PCDU主要技術(shù)指標(biāo)

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證功率調(diào)節(jié)單元的設(shè)計(jì)正確性,通過(guò)運(yùn)用經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)樹(shù)分析法和定量分析法,對(duì)功率調(diào)節(jié)單元進(jìn)行仿真,搭建了功率調(diào)節(jié)仿真平臺(tái),完成了對(duì)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(guò)程,4路太陽(yáng)電池S4R供電陣與6路太陽(yáng)電池S3R供電陣與母線(xiàn)電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系與開(kāi)啟順序如圖6～圖7所示,分析結(jié)果與期望值一致,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。逆向分流法有效避免了全調(diào)節(jié)、不調(diào)節(jié)母線(xiàn)負(fù)載同時(shí)用電對(duì)S4R電路的競(jìng)爭(zhēng)和干擾,提高了對(duì)發(fā)電的利用率。

圖6 S4R供電陣分流信號(hào)與全調(diào)節(jié)母線(xiàn)關(guān)系

圖7 S3R供電陣分流信號(hào)與蓄電池母線(xiàn)關(guān)系

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在單機(jī)測(cè)試過(guò)程中,對(duì)供電模式的可靠性、安全性進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證,通過(guò)控制太陽(yáng)電池陣功率的輸出,模擬進(jìn)出陰影區(qū)工況。在多種工作模式下,模擬太陽(yáng)電池陣供電模式、蓄電池供電模式、聯(lián)合供電模式3種運(yùn)行工況,對(duì)其遙測(cè)波形與進(jìn)出影動(dòng)態(tài)波形進(jìn)行分析,生成進(jìn)出影動(dòng)態(tài)波形圖見(jiàn)圖8～圖9。從遙測(cè)曲線(xiàn)與動(dòng)態(tài)波形可以看出,進(jìn)出陰影區(qū)期間,母線(xiàn)電壓穩(wěn)定,蓄電池轉(zhuǎn)內(nèi)電和充放電功能正常,測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)狀態(tài)一致。

圖8 出陰影動(dòng)態(tài)波形圖

圖9 入陰影動(dòng)態(tài)波形圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)多母線(xiàn)融合控制、多功能模塊集成化設(shè)計(jì)、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(guó)深空探測(cè)任務(wù)圓滿(mǎn)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(jì)方案和多母線(xiàn)融合控制等關(guān)鍵技術(shù),可為我國(guó)深空探測(cè)及其它領(lǐng)域功率調(diào)節(jié)與配電裝置一體化設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。