張文爽 李峰 康慶

(中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部， 北京 100094)

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大功率航天器并聯(lián)充電調(diào)節(jié)器的比較分析

張文爽 李峰 康慶

(中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部， 北京 100094)

針對多個充電調(diào)節(jié)器(BCR)并聯(lián)的系統(tǒng)，建立了穩(wěn)定度和效率的計(jì)算模型，并針對ETCA公司的兩代電源控制器(PCU)，利用計(jì)算模型比較了兩種BCR的功率拓展方案。根據(jù)工程應(yīng)用中幾種較為典型的功率需求，分別對兩種方案進(jìn)行了合理的配置，從穩(wěn)定性、效率、可靠性等多方面加以比較并確立了較優(yōu)的方案。最后，對性能較優(yōu)方案進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：該方案效率和穩(wěn)定性均滿足BCR設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)定性和效率計(jì)算模型準(zhǔn)確，可為新一代BCR的設(shè)計(jì)提供參考。

充電調(diào)節(jié)器；效率；穩(wěn)定性

1 引言

根據(jù)我國航天裝備的需求和發(fā)展規(guī)劃，我國現(xiàn)有衛(wèi)星平臺已不能滿足新一代航天器的需求[1]。在未來5～15年內(nèi)，衛(wèi)星技術(shù)將得到迅速發(fā)展，衛(wèi)星容量和性能都將得到較大的提高[1]。

新型衛(wèi)星平臺中，輸出功率可能擴(kuò)展到20 kW以上，蓄電池最大容量擴(kuò)充到250 Ah以上，因此對充電模塊的充電功率需求也將大幅度增加。現(xiàn)有衛(wèi)星平臺充電調(diào)節(jié)器(BCR)具備單臺最大2 kW的充電能力，對功率晶體管、功率整流二極管、功率電感的選用及設(shè)計(jì)已經(jīng)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。大功率衛(wèi)星平臺將需要更大的充電功率，僅僅依靠提高單個BCR充電功率非常困難，利用多個BCR模塊并聯(lián)對蓄電池組充電是大功率航天器的最佳選擇。

電源系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性是航天器電源設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。以往對于航天器電源系統(tǒng)的研究多數(shù)停留在整個電源系統(tǒng)或單個BCR模塊的層面上[2-4]，本文旨在對功率擴(kuò)展后的多模塊BCR系統(tǒng)進(jìn)行比對研究。首先建立了BCR并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率計(jì)算模型，以法國ETCA公司制造的兩代電源調(diào)節(jié)單元(PCU)為應(yīng)用背景，在幾種典型功率需求下對兩種并聯(lián)方式的BCR進(jìn)行了計(jì)算分析，并結(jié)合靈活性和可靠性，從應(yīng)用角度給出了比對結(jié)果。搭建原理樣機(jī)對綜合性能占優(yōu)的BCR并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了效率和穩(wěn)定性的測試，試驗(yàn)結(jié)果表明：并聯(lián)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和效率指標(biāo)，同時證明了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

2 數(shù)學(xué)建模

2.1 穩(wěn)定性模型

BCR模塊通常由主電路、采樣電路、脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電路和主誤差放大器(MEA)電路組成[5]。根據(jù)經(jīng)典控制理論，評估線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法有多種，包括勞斯穩(wěn)定判據(jù)、Nyquist判據(jù)、波特圖中的Nyquist判據(jù)等[6]。波特圖對于穩(wěn)定性的表征最為直觀，本文采用波特圖中的Nyquist判據(jù)對BCR模塊的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。穩(wěn)定性模型建立的基礎(chǔ)為小信號模型。大量文獻(xiàn)針對如何建立有效的變換器小信號模型進(jìn)行了分析，提出了不同的建模方法[7-8]。本文采用狀態(tài)空間平均法對并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性建模。電源系統(tǒng)一般要求相位裕度為30°～60°，空間電源一般要求相位裕度大于60°，這樣可以使系統(tǒng)參數(shù)波動后，仍可以保持穩(wěn)定[5]。

單個BCR模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 單個BCR控制框圖Fig.1 Block diagram of BCR control

(1)

電壓控制環(huán)的外環(huán)傳遞函數(shù)為

Tout=KVSAifGoutZCbus

(2)

式中：ZCbus為母線電容傳遞函數(shù)。多個BCR模塊并聯(lián)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 多個BCR控制框圖Fig.2 Block diagram of BCRs control

根據(jù)N個BCR模塊并聯(lián)工作的系統(tǒng)框圖，得出電壓控制環(huán)的外環(huán)傳遞函數(shù)為

Tout=NKVSAifGoutZCbus

(3)

2.2 效率模型

效率模型的建立依靠元器件參數(shù)的準(zhǔn)確等效估算，對充電調(diào)節(jié)器建立效率計(jì)算模型，主要包括以下三方面的損耗。

1)電感損耗

電感損耗包括銅損和鐵損，即繞組損耗和磁芯損耗。其中，繞組損耗只計(jì)算直流電阻造成的損耗。磁芯損耗主要通過查詢廠家的損耗曲線估算，由Magnetics提供的公式計(jì)算。因此，銅損和鐵損分別為[10]

Pcu=(D·I)2·RL1+(D·I)2·RL2

(4)

PFE=P×VE

(5)

式中：RL1和RL2為濾波電感內(nèi)阻；D為開關(guān)占空比；I為流過電感電流；P由計(jì)算電感峰值磁通密度查得；VE為磁芯體積。電感峰值磁通密度為

(6)

式中：Vin為母線輸入電壓；L為主電路電感；N1，N2為繞組匝數(shù)；Ae為磁芯截面積；fSW為開關(guān)頻率。

2)功率晶體管損耗

主開關(guān)MOS管的損耗主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，為

Pmos=(D·I)2·Rds(on)+0.5·

D·I·Vds·tr·fSW

(7)

式中：Rds(on)為MOS管導(dǎo)通電阻；tr為MOS管導(dǎo)通所用時間；Vds為MOS管柵極和源極之間電壓。續(xù)流二極管的功耗為

Pd1=(1-D)·I·VF

(8)

式中：VF為二極管導(dǎo)通壓降。輸出二極管一直導(dǎo)通，功耗為

Pd2=I·VF

(9)

續(xù)流二極管反向恢復(fù)損耗為

Pd3=0.5Vrr·I·trr·fSW

(10)

式中：Vrr為續(xù)流二極管反向恢復(fù)電壓；trr為反向恢復(fù)時間。

3)其余器件功耗

其余器件功耗為

(11)

式中：Iin為輸入電流；Rin為輸入端等效電阻；Rout為輸出端等效電阻。所有損耗為

Pzong=PCU+PFE+PMOS+n1·Pd1+Pd2+Pd3+Pother+Pe

(12)

式中：n1為續(xù)流二極管的個數(shù)；Pe為其余器件功耗，Pother為估算的其他部分的損耗；對于多個BCR并聯(lián)的系統(tǒng)，計(jì)算單模塊的效率等于并聯(lián)后多個模塊的效率。

3 兩種BCR并聯(lián)系統(tǒng)的比較分析

本文研究的兩種BCR并聯(lián)系統(tǒng)需滿足最大充電功率4 kW的功率需求。本節(jié)對ETCA公司所用PCU中的兩種功率擴(kuò)展方案進(jìn)行比對分析(見表1)。

第一種方案為將單個最大充電功率為2 kW的BCR模塊進(jìn)行功率擴(kuò)展，直接將兩個大功率BCR模塊并聯(lián)。由于單模塊功率較大，最大充電電流為20 A，為減小輸入電流對母線的擾動，BCR以Superbuck為主拓?fù)鋄11]，最大充電功率為2 kW，支持兩模塊并聯(lián)。

表1 兩方案指標(biāo)

注：質(zhì)量為充電功率4 kW，放電功率21 kW時，兩種方案BCR和BDR質(zhì)量總和。

第二種方案以雙向DC/DC變換器為啟發(fā)，將BCR與放電調(diào)節(jié)器(BDR)合并為一個充放電調(diào)節(jié)器(BCDR)模塊，并將多個模塊并聯(lián)。為減輕整個PCU的質(zhì)量，BCR和BDR共用輸入輸出濾波和保護(hù)電路。由于在BCR模式下，雙向變換器只工作在其中一種模式，因此本文只分析其在此種模式下的工作狀態(tài)。此BCR每個模塊充電功率為250 W，最大支持16個模塊并聯(lián)。由于單模塊的功率降為250 W，BCR充電電流較小(<2.5 A)，且有輸入和輸出濾波器的存在，使得BCR對母線的擾動非常小。同時，由于Buck拓?fù)淇刂坪唵危骷?，有利于提高整機(jī)功率密度，因此選用Buck作為主功率拓?fù)洹?/p>

圖3 兩種方案的環(huán)路特性Fig.3 Loop characteristics of two scheme

應(yīng)用第2節(jié)建立的數(shù)學(xué)模型對兩種方案的穩(wěn)定性和效率進(jìn)行計(jì)算。兩個大功率模塊并聯(lián)后的環(huán)路特性和多個小功率模塊并聯(lián)后的環(huán)路特性如圖3所示。方案一相位裕度為68.6°。方案二模塊數(shù)量為16個，相位裕度為82.4°。多個模塊并聯(lián)的形式優(yōu)于兩個大功率模塊并聯(lián)的形式。

計(jì)算蓄電池充電電壓為95 V時，兩種BCR結(jié)構(gòu)的充電效率曲線估算結(jié)果見圖4。模型中變量取值見表2。

表2 效率計(jì)算模型中各個變量的取值

從效率曲線來看，當(dāng)小功率模塊并聯(lián)的BCR系統(tǒng)保持16個模塊全部工作時，由于單個模塊充電電流較小，因此無法達(dá)到充電效率的最高點(diǎn)，效率方面并不占優(yōu)勢。但在工程應(yīng)用中，并非在所有功率需求下都須開啟16個模塊。下面對兩種并聯(lián)方案進(jìn)行幾種典型功率模型的配置，其中效率所用數(shù)據(jù)為上文計(jì)算出的效率曲線，兩種方案的模塊個數(shù)均以系統(tǒng)效率最高為配置準(zhǔn)則。配置方式見表3，工況為蓄電池充電電壓為95 V。

圖4 兩種方案效率估算結(jié)果圖Fig.4 Estimated efficiency of two scheme

功率需求/kW充電電流需求/A模塊個數(shù)每模塊充電電流/A效率/%模塊個數(shù)每模塊充電電流/A效率/%546160957320944729190958518952108152759586259561802021009588259562162521259571025956

對兩種方案的輸入功率和熱耗進(jìn)行比對，見圖5和圖6。

圖5 輸入功率曲線Fig.5 Curve of input power

圖6 熱耗曲線Fig.6 Curve of thermal power

圖5和圖6表明，多個小功率模塊根據(jù)不同的功率需求設(shè)置不同模塊數(shù)量之后，可將充電效率一直保持在自身效率曲線的較高點(diǎn)。從輸入功率角度和熱耗角度來看，方案一在效率方面的優(yōu)勢明顯降低。

考慮PCU的整體結(jié)構(gòu)，從總體角度考慮，多模塊并聯(lián)方式還具有如下幾個優(yōu)點(diǎn)：

(1)可靠性更優(yōu)，兩模塊并聯(lián)采取冷備份的方式，2∶1備份下，主份(或備份)BCR失效是1R級故障；多模塊并聯(lián)的采取N+1：N的熱備份方式，11∶10備份下，單份BCDR失效是3R級故障；后者故障等級明顯降低。

(2)對于不同功率等級的PCU，充電功率的需求配置更靈活。方案一中BCR考慮可靠性，至少須配備兩個模塊，遞進(jìn)擋位是2 kW。多模塊并聯(lián)的BCR遞進(jìn)擋位是250 W，更加靈活。新型大功率衛(wèi)星平臺中，提出了更多樣化的功率需求，多模塊并聯(lián)方式對新平臺的適應(yīng)性更強(qiáng)。

(3)由于將BCR與BDR合為BCDR一個模塊，可利用磁集成技術(shù)與BDR共用磁性元器件，降低成本，提高功率密度。利用方案一結(jié)構(gòu)BCR時，功率為21 kW的PCU的預(yù)計(jì)質(zhì)量約為61.6 kg，利用方案二擴(kuò)展至21 kW時，質(zhì)量僅需57 kg，功率密度較大。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本文針對綜合評估后水平占優(yōu)的多個小功率并聯(lián)的BCR搭建了21 kW原理樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。圖7為效率測試曲線與計(jì)算結(jié)果的比對，圖8為環(huán)路特性曲線的測試結(jié)果。

圖7 效率測試與計(jì)算曲線Fig.7 Curve of estimated and experiment efficiency

圖8 環(huán)路特性測試曲線Fig.8 Experiment curve of Loop characteristics

由圖7中可知，效率測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果誤差在一個百分點(diǎn)以內(nèi)，最高點(diǎn)充電效率優(yōu)于計(jì)算效率。由圖8可知，多模塊并聯(lián)BCR系統(tǒng)相角裕度為86°，大于60°，增益裕度為14 dB，大于10 dB。穿越頻率為2.2 kHz，除低頻和高頻噪聲波動較大之外，其余均與建模結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

本文基于ETCA公司的兩代PCU，建立了BCR并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率計(jì)算模型，對兩種BCR并聯(lián)方案進(jìn)行了效率和穩(wěn)定性的計(jì)算，并結(jié)合可靠性和靈活性進(jìn)行了比較，確立了多個小功率模塊并聯(lián)的優(yōu)勢。搭建原理樣機(jī)對此BCR并聯(lián)系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，此系統(tǒng)具有較高的效率和穩(wěn)定性，可為下一代衛(wèi)星平臺中BCR的設(shè)計(jì)提供參考。

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(編輯：李多)

Contrastive Analysis on Parallel Battery Charge Regulator of High Power Communications Satellite

ZHANG Wenshuang LI Feng KANG Qing

(Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

The paper sets up a model for calculation of stability and efficiency for parallel BCRs. For two generation PCUs from ETCA, this paper estimates their BCR’s stability and efficiency by using the modele. And then, two BCRs of different scheme are configured rationally according to several typical power demand in engineering and application, and compared in terms of stability, efficiency and reliability. Finally, tests are taken to the favorable scheme, which indicate that the stability and efficiency of the scheme can satisfy the need of BCR system, and the model is correct. It provides a reference for the design of next generation BCR.

battery charge regulator; efficiency; stability

2015-06-09；

2015-07-02

張文爽，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楹教炱麟娫纯傮w設(shè)計(jì)。Email：vansa.shuang@gmail.com。

V

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.013