王 樸，崔文和，梁貴芬

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220）

衛(wèi)星電源系統(tǒng)是衛(wèi)星最基本的組成部分，其主要功能是為衛(wèi)星正常運(yùn)行提供穩(wěn)定的電源供給，并對電能進(jìn)行儲存、分配和控制。衛(wèi)星電源系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)是衛(wèi)星電源技術(shù)的發(fā)展方向之一，模塊化衛(wèi)星電源系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，而功率輸出模塊并聯(lián)均流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大功率衛(wèi)星電源系統(tǒng)模塊化的基礎(chǔ)技術(shù)。均流技術(shù)(current sharing technique)就是對系統(tǒng)中各并聯(lián)模塊的輸出電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的各模塊輸出電流盡量一致，保證衛(wèi)星電源系統(tǒng)可靠性運(yùn)行。通過采用均流技術(shù)提高衛(wèi)星電源系統(tǒng)可靠性是本文研究的重點(diǎn)。

1 衛(wèi)星電源概述

衛(wèi)星電源系統(tǒng)是衛(wèi)星上產(chǎn)生、儲存、變換、調(diào)節(jié)和分配電能的衛(wèi)星分系統(tǒng)。一般衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要是由太陽電池陣（發(fā)電）、蓄電池組（儲能）及電源控制裝置（控制）等組成，在光照期間太陽電池陣通過光電轉(zhuǎn)換把光能轉(zhuǎn)換為電能，為負(fù)載供電及蓄電池充電，在星蝕期間由蓄電池組為負(fù)載供電。電源控制裝置是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的重要組成部分，電源控制裝置是用來處理太陽電池陣輸出功率、母線電壓調(diào)節(jié)、蓄電池充放電控制及測控管理等工作，電源控制裝置由各種調(diào)節(jié)模塊、測控模塊（TM/TC）和接口模塊等組成。衛(wèi)星電源系統(tǒng)框圖如圖1所示。

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，要求衛(wèi)星的壽命越來越長，功率越來越大，同時(shí)需要衛(wèi)星電源產(chǎn)品具備可靠度高、轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量輕、體積小、可實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展等諸多特性。衛(wèi)星電源模塊化是大功率衛(wèi)星電源系統(tǒng)電源技術(shù)的發(fā)展方向，模塊的并聯(lián)均流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大功率衛(wèi)星電源系統(tǒng)模塊化的基礎(chǔ)技術(shù)。模塊化使衛(wèi)星電源系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）電源調(diào)節(jié)模塊可以方便地組合成大功率的衛(wèi)星電源系統(tǒng)，其容量可以擴(kuò)展；（2）可以方便地實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，提高其可靠性；（3）針對不同的衛(wèi)星平臺需求，根據(jù)需要進(jìn)行各種模塊的組合，方便靈活。為此需要大功率、長壽命和高可靠的電源系統(tǒng)與之配套。

衛(wèi)星電源調(diào)節(jié)模塊包括放電調(diào)節(jié)模塊(battery discharge regulators，BDR)、充電調(diào)節(jié)模塊(battery charge regulators，BCR)和分流調(diào)節(jié)模塊(S3R)，它們是衛(wèi)星電源系統(tǒng)控制裝置的重要組成部分。這些模塊中涉及到并聯(lián)均流的主要是放電調(diào)節(jié)模塊，其主要功能是保證星蝕期間蓄電池組的升壓（或降壓）放電及母線電壓調(diào)節(jié)。理想的、相同特性的放電調(diào)節(jié)模塊多模塊并聯(lián)，不需要均流即可構(gòu)成大功率衛(wèi)星電源系統(tǒng)。但實(shí)際上，真正保證各并聯(lián)模塊特性完全一致是不可能的，不一致就可能造成相并聯(lián)的各模塊輸出電流有差異不均流，不均流就可能造成電、熱應(yīng)力不平衡而導(dǎo)致各模塊輸出不均流進(jìn)一步加劇，從而影響系統(tǒng)特性和可靠運(yùn)行。均流技術(shù)是對系統(tǒng)中各并聯(lián)BDR 模塊的輸出電流進(jìn)行控制，保證衛(wèi)星電源系統(tǒng)的輸出電流盡可能按各個(gè)BDR 模塊的數(shù)量均攤，確保整個(gè)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的可靠性。

圖1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)框圖

2 放電調(diào)節(jié)模塊的均流

2.1 放電調(diào)節(jié)模塊采用的均流方法

2.1.1 改變輸出電阻特性法

改變輸出電阻法（外特性下垂法，改變輸出斜率法）是最簡單的一種均流方法。它利用電流反饋信號或者直接輸出串聯(lián)電阻，調(diào)節(jié)BDR模塊單元的輸出阻抗，外特性的斜率趨于一致，實(shí)現(xiàn)均流。改變輸出電阻法均流控制框圖如圖2所示。圖2中，Vi為電流放大器輸出信號，與BDR模塊輸出電流成比例；Ki、Vi為電壓反饋信號，V－=Kv×Vo+Ki×Io，當(dāng)某個(gè)模塊電流增加時(shí)，Vi上升，Ve下降，通過反饋使該模塊輸出電壓隨之下降，使其外特性向下傾斜，接近其他模塊的外特性，從而使其他模塊輸出電流增大，實(shí)現(xiàn)近似均流。電壓誤差放大器E/A具有很大的直流增益Ko，假設(shè)Ko→∞時(shí)，Vo=Vref/Kv-IoKi/Kv=Vomax-IoKi/Kv，改變電壓環(huán)電流環(huán)的參數(shù)可以獲得期望的外特性。

圖2 改變輸出電阻特性法均流控制框圖

另外，在模塊輸出端與負(fù)載之間串聯(lián)一定阻值的電阻也是一種調(diào)節(jié)輸出電阻的方法，其缺點(diǎn)為串聯(lián)電阻會消耗額外的電能。較為經(jīng)濟(jì)的辦法是串聯(lián)熱敏電阻，其阻值隨著電阻上消耗的熱能變化而變化，同樣達(dá)到近似均流。改變輸出內(nèi)阻特性法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，不需要另加專用的均流控制電路，屬于開環(huán)調(diào)控；缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)精度不高，每個(gè)電源模塊須進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。

2.1.2 主/從均流法

圖3 主從均流法原理框圖

當(dāng)多個(gè)BDR模塊并聯(lián)使用時(shí)，選定其中一個(gè)BDR模塊單元為主模塊，其余的模塊為從模塊，原理框圖如圖3所示。主BDR 模塊工作于電壓源模式，而從BDR模塊工作于電流源模式，從模塊的誤差放大器接成跟隨器。系統(tǒng)的工作過程為：主BDR模塊的工作電流與輸出反饋信號進(jìn)行比較，將差值信號反饋給各個(gè)BDR模塊的控制電路，從而調(diào)節(jié)各BDR模塊輸出電流的大小。主/從均流法的優(yōu)點(diǎn)是精度很高，控制結(jié)構(gòu)簡單，無須外加專用的均流控制電路，但各個(gè)模塊間需要有通信聯(lián)系，連線較復(fù)雜，其最大缺點(diǎn)是一旦主模塊出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致整個(gè)電源系統(tǒng)癱瘓。作為衛(wèi)星的電源，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，在多個(gè)BDR模塊并聯(lián)時(shí)，可根據(jù)需要采用兩個(gè)模塊為主模塊，其余的模塊為從模塊。這樣設(shè)計(jì)的好處是，當(dāng)一個(gè)主模塊發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)主模塊可接替有故障的主模塊繼續(xù)工作，保證整個(gè)電源系統(tǒng)連續(xù)工作，提高了電源系統(tǒng)的可靠性。在使用主、從均流方法時(shí)，主、從模塊間的連線要盡量短。

2.1.3 平均電流自動均流法

這種方法不用外加均流控制器，并聯(lián)工作的每個(gè)BDR模塊的電流值取平均后，將平均電流值送給每個(gè)模塊。各模塊都以這個(gè)平均電流值為目標(biāo)自動調(diào)節(jié)自己的輸出電流，從而達(dá)到各模塊均流的目的。圖4為N個(gè)并聯(lián)模塊中一個(gè)模塊按平均電流自動均流的控制電路原理圖。并聯(lián)各模塊的電流放大器輸出端，通過一個(gè)電阻R接到均流母線上，電壓放大器輸入為Vref'，是基準(zhǔn)電壓Vref和均流控制電壓Vc的綜合，它與Vf進(jìn)行比較后，產(chǎn)生電壓誤差Ve，控制PWM及驅(qū)動器。Vi為電流放大器的輸出信號，和每個(gè)模塊的負(fù)載電流成正比，Vb為母線電壓。當(dāng)N=2時(shí)，也就是兩個(gè)模塊并聯(lián)使用狀態(tài)時(shí)，Vi1和Vi2分別為模塊1和模塊2的電流信號，都經(jīng)過阻值為R的電阻接到母線b，母線電流I值計(jì)為：

當(dāng)母線電流I=0時(shí)，由式(1)得：

母線電壓Vb是Vi1和Vi2的平均值，也代表了模塊1、模塊2的輸出電流平均值。代表均流誤差的Vi與Vb之差，經(jīng)過調(diào)節(jié)放大器，輸出電壓Vc，Vc值可正可負(fù)。當(dāng)Vb=Vi時(shí)，電阻R上的電壓為零，調(diào)整電壓Vc=0，實(shí)現(xiàn)了均流。一旦模塊間的電流分配不均勻，Vb≠Vi，電阻R承受電壓，此時(shí)Vref'=Vref±Vc，電路通過調(diào)節(jié)放大器改變Vref'，以達(dá)到均流目的。這種方法能夠精確地實(shí)現(xiàn)均流，但均流母線發(fā)生短路，或接在母線上的任何一個(gè)模塊不能工作時(shí)，均流母線電壓下降，將促使各模塊電壓下調(diào)，甚至達(dá)到下限值，引起電源系統(tǒng)故障。

圖4 平均電流法自動均流控制原理圖

2.1.4 最大電流均流法（民主均流法、自動均流法）

這種方法采用一套最大值比較器，每一時(shí)刻輸出電流最大模塊作為主模塊，其輸出電流轉(zhuǎn)化成的電壓信號Ui送至均流母線CSB，即CSB上的電壓Ucsb反映的是各電源模塊單元中Ui的最大值，即電流最大值。圖5為最大電流均流法原理框圖。多個(gè)電源模塊并聯(lián)時(shí)，正常情況下各模塊輸出電流均衡，當(dāng)某個(gè)模塊電流增大成為并聯(lián)模塊中最大電流時(shí)，該模塊的電流能夠使與其連接的二極管導(dǎo)通，從而均流母線的電壓即為該電源模塊的電壓。該模塊自動成為主模塊，其余為從模塊。各從模塊的Ui與Ucsb比較自動調(diào)節(jié)輸出電流達(dá)到均流。最大電流均流法的優(yōu)點(diǎn)是均流精度高，動態(tài)響應(yīng)快，使用時(shí)一次只有一個(gè)模塊參與調(diào)節(jié)，主模塊始終存在且是隨機(jī)產(chǎn)生的，很好地實(shí)現(xiàn)冗余；缺點(diǎn)是均流母線與各模塊間的二極管存在正向壓降，會使主模塊的均流出現(xiàn)誤差，均流是一個(gè)從模塊電流增大并超過主模塊電流的過程，系統(tǒng)中主、從模塊的身份不斷地變換，各模塊輸出電流存在低頻振蕩。

圖5 最大電流均流法原理框圖

2.1.5 數(shù)字化均流方法

并聯(lián)使用的多個(gè)電源模塊，使用模擬均流控制技術(shù)可以精確地實(shí)現(xiàn)均流，并實(shí)現(xiàn)冗余系統(tǒng)，但模擬均流技術(shù)存在的固有缺陷難以克服。而采用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)均流控制，控制方法靈活，容易做到并聯(lián)系統(tǒng)中某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)不影響其他模塊的正常運(yùn)行。

數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)電源模塊間的自動均流，各模塊必須具備數(shù)據(jù)交換能力，將模塊自身輸出電流、輸出電壓、溫度等參數(shù)傳輸給控制模塊?？刂颇K對各個(gè)電源模塊進(jìn)行監(jiān)控和管理，控制模塊可檢測電源模塊的數(shù)量，設(shè)置電源模塊工作方式，輸出電壓與輸出電流值；接收各電源模塊發(fā)送的信息，判斷模塊的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)有故障模塊時(shí)，立即隔離該模塊，并啟動備份模塊接替故障模塊的工作；接收各模塊輸出電壓、電流信息，求出模塊間電壓、電流的平均值并與各模塊輸出電壓、電流值進(jìn)行比較，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的均流精度要求計(jì)算出某個(gè)需進(jìn)行怎樣的調(diào)整并對模塊發(fā)送調(diào)整信息，通過調(diào)節(jié)達(dá)到電源系統(tǒng)均流要求。

采用數(shù)字均流方法的關(guān)鍵是，模塊間采用何種通訊方式能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠與高速交換，同時(shí)又能使通訊接口簡單。目前多數(shù)衛(wèi)星都通過下位機(jī)對PCU進(jìn)行管理，在BDR中嵌入單片機(jī)（或DSP控制器），通過單片機(jī)內(nèi)部的通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，不僅實(shí)現(xiàn)電源模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，也可實(shí)現(xiàn)電源與PCU下位機(jī)的通訊。單片機(jī)（或DSP控制器）有多種總線模式可供選擇。CAN總線支持分布式和實(shí)時(shí)控制，具有很好的可靠性、實(shí)用性和靈活性，能夠滿足均流控制的實(shí)時(shí)通訊需求。

數(shù)字均流法的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字控制可以簡化硬件電路，增強(qiáng)抗干擾能力，提高控制系統(tǒng)的可靠性，控制靈活，通用性強(qiáng)，均流控制精度高，使得電源系統(tǒng)的智能化程度更高，性能更強(qiáng)。

2.1.6 外接控制器法

在各個(gè)并聯(lián)的BDR模塊之外，使用一個(gè)外加的均流控制器，比較所有BDR模塊的電流，調(diào)節(jié)相應(yīng)的反饋信號實(shí)現(xiàn)均流。此方法是對每個(gè)BDR模塊的輸出電流進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)化為電壓信號，與給定的電壓基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，所得差值輸入到各個(gè)BDR模塊的控制部分，進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)各模塊輸出電流的并聯(lián)均流。這種控制方法效果較好，但需要一個(gè)外加的均流控制器和附加的多路連線，且連線較復(fù)雜。

2.1.7 熱應(yīng)力自動均流法

這一方法是按電源系統(tǒng)中每個(gè)BDR模塊單元的電流和溫度（熱應(yīng)力）來實(shí)現(xiàn)自動均流，根據(jù)各個(gè)模塊自身內(nèi)部溫度來調(diào)節(jié)輸出電流，使溫度高的電源模塊輸出電流減小，溫度低的電源模塊輸出電流增大。各模塊的輸出電流不一定相等，模塊的內(nèi)部溫度決定其輸出電流的大小，通過調(diào)整使各個(gè)模塊內(nèi)部溫度趨于相等。在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電源系統(tǒng)中，各模塊由于安裝位置和模塊的散熱條件不同，造成模塊溫度不同，運(yùn)用熱應(yīng)力自動均流法較為適合，在設(shè)計(jì)和使用時(shí)可以不考慮各模塊的分布情況，是一種既經(jīng)濟(jì)可靠性又高的均流方法。

2.2 目前衛(wèi)星放電調(diào)節(jié)模塊使用的均流技術(shù)

均流技術(shù)的使用提高了衛(wèi)星電源系統(tǒng)的可靠性和壽命，目前在多種均流技術(shù)中使用較為廣泛的有：改變輸出電阻特性法、最大電流均流法、數(shù)字化均流方法。但每種均流方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。對于不同的衛(wèi)星平臺，應(yīng)根據(jù)其母線電壓功率及壽命選擇不同的均流方法。

（1）對于短時(shí)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的BDR模塊，可選用改變輸出電阻特性法實(shí)現(xiàn)模塊間的均流，此方法無須外加專用的均流控制電路，模塊之間不需要建立聯(lián)系，各模塊獨(dú)立調(diào)節(jié)。此方法雖然均流調(diào)節(jié)精度不高，但簡單經(jīng)濟(jì)，可以滿足多數(shù)系統(tǒng)的要求。改變內(nèi)阻均流法在提高均流性能的同時(shí)會導(dǎo)致模塊電壓調(diào)整率的下降，在電源系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后均流性能會下降，因此該方法適用于短時(shí)衛(wèi)星電源系統(tǒng)。

（2）高電壓、大功率、長壽命衛(wèi)星平臺對電源可靠性、效率和功率密度的要求越來越高，應(yīng)選用數(shù)字均流控制方法。數(shù)字均流控制方法控制精度高，硬件電路簡單，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，控制靈活，通用性強(qiáng)，單模塊發(fā)生故障時(shí)不影響電源系統(tǒng)的正常工作。在不改變硬件的情況下，通過軟件實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的升級，并能通過通訊接口實(shí)現(xiàn)對電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

（3）對于其他一些衛(wèi)星如中長壽命衛(wèi)星電源系統(tǒng)的BDR模塊，可選用最大電流均流法，該方法均流控制精度高，動態(tài)響應(yīng)快，主模塊隨機(jī)產(chǎn)生，很好地實(shí)現(xiàn)冗余。

3 結(jié)束語

由于并聯(lián)使用的BDR模塊特性并不完全一致，輸出電壓高的模塊可能承擔(dān)更多負(fù)載，而有的模塊則可能輕載甚至空載運(yùn)行，結(jié)果導(dǎo)致分擔(dān)電流多的模塊熱應(yīng)力大，降低了電源系統(tǒng)整體的可靠性。要保證系統(tǒng)能長期、無故障地可靠運(yùn)行，要求系統(tǒng)在任何時(shí)刻都得確保相并聯(lián)的各電源承受的電、熱應(yīng)力基本相當(dāng)。也就是說，必須采取某種相應(yīng)的措施，保證系統(tǒng)不會因相并各電源承載情況的差異，造成電、熱應(yīng)力不平衡而引起惡性循環(huán)，影響系統(tǒng)特性和可靠運(yùn)行。均流技術(shù)就是對系統(tǒng)中各并聯(lián)電源的輸出電流加以控制，盡可能均分系統(tǒng)輸入總電流，確保多臺電源可靠運(yùn)行的一種特殊措施。本文就均流技術(shù)及其應(yīng)用做了簡要討論。在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)具體情況選用合適的均流方法來實(shí)現(xiàn)自動均流。

[1]韋聰穎，張波.開關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行及其均流技術(shù)[J].電源世界，2004(1)：24-26.

[2]蔡萱三.并聯(lián)開關(guān)電源的均流技術(shù)[J].電工電能新技術(shù)，1995(3)：13-14.

[3]李敏.電源并聯(lián)系統(tǒng)數(shù)字化均流的研究[J].通信電源技術(shù)，2007(2)：14.