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(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

新一代導(dǎo)航衛(wèi)星電源系統(tǒng)自主管理方法

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(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

對新一代導(dǎo)航衛(wèi)星電源系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹，詳細(xì)論述了母線控制方式、充電管理方法、電池均衡技術(shù)、在軌管理策略等，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)高可靠、長壽命的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

高可靠;新一代導(dǎo)航衛(wèi)星;電源管理;衛(wèi)星電源系統(tǒng)

隨著我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃的啟動，建立高可靠、長壽命衛(wèi)星電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在綜合電子體系下的電源自主管理，成為我國自主研制的新一代導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺能力提升的關(guān)鍵問題[1-2]。本文對新一代導(dǎo)航衛(wèi)星電源系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹，并根據(jù)在軌工作模式，提出了具體的自主管理策略和運(yùn)行方案。

1 電源系統(tǒng)組成

導(dǎo)航衛(wèi)星電源系統(tǒng)由雙太陽電池陣，雙蓄電池組，均衡器和電源控制器組成[3],其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電源系統(tǒng)主要功能是為衛(wèi)星平臺和有效載荷提供一條42 V高精度供電母線，滿足衛(wèi)星在整個壽命期間、各種工作模式下的功率需求。其中太陽電池陣為衛(wèi)星的主要供電能源，采用了光電轉(zhuǎn)換效率30%的三結(jié)砷化鎵太陽電池，考慮10年壽命末期空間輻照衰降后電壓和電流，確保輸出功率滿足整星功率需求；蓄電池組是衛(wèi)星儲能裝置，采用了高比功率的鋰離子蓄電池組，地影期整星功率由蓄電池組提供，最大放電深度不超過65%；均衡器對鋰離子蓄電池單體電壓進(jìn)行采集監(jiān)控，通過均衡電路保證電池組全壽命周期電池單體性能的一致性；電源控制器通過功率調(diào)節(jié)電路對能源實(shí)施調(diào)節(jié)與控制，保證導(dǎo)航衛(wèi)星各種工況下的母線電壓穩(wěn)定，同時負(fù)責(zé)鋰離子電池的維護(hù)和充放電控制。

圖1 新一代導(dǎo)航衛(wèi)星電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電源系統(tǒng)供電模式：

(1)全光照期間，太陽帆板通過機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動保證對日定向，太陽電池陣經(jīng)分流調(diào)節(jié)器穩(wěn)定母線，提供全部負(fù)載功率以及蓄電池組的充電功率。

(2)地影和月影期間，蓄電池組通過放電調(diào)節(jié)器穩(wěn)定母線，提供全部負(fù)載功率。

(3)光照不足和進(jìn)出影期間，太陽方陣和蓄電池組聯(lián)合供電提供負(fù)載功率。

2 控制方式

導(dǎo)航衛(wèi)星主要載荷的工作特點(diǎn)具有動態(tài)負(fù)載特性，即正常工作模式下負(fù)載功率具有周期性變化的特點(diǎn)，為此電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三域全調(diào)節(jié)控制方式，可以滿足在電源各工況下良好的動態(tài)響應(yīng)能力。電源系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 電源系統(tǒng)控制框圖

圖2中K為母線電壓采樣系數(shù)；Vref為基準(zhǔn)電壓；A為誤差放大器增益；G為各工作域跨導(dǎo)。將工作域分為分流調(diào)節(jié)域、充電調(diào)節(jié)域和放電調(diào)節(jié)域，各域之間設(shè)有一定的死區(qū)。工作域的劃分如圖3所示。這種方式既保證了太陽電池陣所發(fā)電能的充分利用，也使各區(qū)間工作帶寬相對穩(wěn)定。

圖3 工作域的劃分

3 充電方式

對鋰離子蓄電池組采用恒流恒壓控制方法進(jìn)行充電控制，當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定值后，受蓄電池內(nèi)阻影響，充電電流逐漸減小并最終減小至零。電池電壓與控制電壓之間的關(guān)系滿足：

式中：Vcell為電池電壓；Vcon為控制電壓；Ic為充電電流；Rc為電池極化電阻。

恒壓控制段充電方法可以使鋰離子蓄電池最終電量不受充電電流大小的影響，可以準(zhǔn)確控制鋰離子蓄電池的實(shí)際電量。

蓄電池單體電壓的均衡控制由均衡器完成，控制框圖如圖4。

圖4 蓄電池組均衡控制框圖

采樣電路對各個單體電池電壓進(jìn)行采集，并通過16位AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過比較各單體的最大值和最小值，當(dāng)最大電壓超過最小電壓100 mV，對最大單體進(jìn)行分流；當(dāng)該單體的電壓與最小電壓差值小于20 mV停止分流。鋰電池單體電壓正?？刂圃?.5～4.1 V范圍內(nèi)，如果最小單體低于3.3 V，取次小單體電壓作為參考比較。

4 能源管理

根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的中高軌道特點(diǎn)，一年當(dāng)中存在長光照季和地影季，在大部分時間都處于光照區(qū)，不會發(fā)生蓄電池放電情況，因此對長光照期的鋰離子蓄電池進(jìn)行擱置管理顯得尤為重要。如果鋰離子蓄電池長期處于滿電荷狀態(tài)，會發(fā)生明顯的容量衰降，對長壽命要求的導(dǎo)航衛(wèi)星是難以接受的。為此，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了半荷電態(tài)控制的管理策略，來保證鋰離子蓄電池的可靠性。在控制程序中，首先設(shè)定電池上限電壓對應(yīng)約80%電池荷電態(tài)和下限電壓對應(yīng)約70%電池荷電態(tài)，然后將檢測到的實(shí)際電池電壓與門限電壓進(jìn)行比較判斷，在電池電壓高于上限電壓停止為蓄電池補(bǔ)充充電，并在電池電壓低于下限電壓為蓄電池進(jìn)行小電流補(bǔ)充充電，同時蓄電池溫度保持在0～10℃。在進(jìn)入地影季時，提高蓄電池儲存溫度保持15～25℃，并將蓄電池充電至滿荷電態(tài)。控制流程示意圖如圖5。

圖5 控制流程示意圖

5 結(jié)論

本文分析了導(dǎo)航衛(wèi)星電源系統(tǒng)工作原理以及控制方法，提出充電控制和保證單體一致性的解決措施，針對在軌工作狀態(tài)研究設(shè)計(jì)了荷電態(tài)控制方案，可以有效提高電源的使用壽命和可靠性，對中高軌道衛(wèi)星電源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

[1]胡彩波.日本QZSS導(dǎo)航系統(tǒng)-GPS增強(qiáng)系統(tǒng)性能分析[J].無線電工程，2009(6)：37-39.

[2]趙靜.GNSS系統(tǒng)及其技術(shù)的發(fā)展研究[J].全球定位系統(tǒng)，2008，40(3)：27-30.

[3]崔波.Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星電源技術(shù)概述[J].航天器工程，2010，19(6)：115-116.

Power management of a new generation navigation satellite

ZHANG Tai-feng(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The composition,structure and working principle of the new generation navigation satellite power system were introduced.The main-bus control,battery charging,battery balancing,on-orbit management were presented in detail.Satellite power system with high reliability and long life was achieved.

high reliability;new generation navigation satellite;power management;satellite power system

TM 919

A

1002-087 X(2017)07-1055-02

2016-12-20

張?zhí)┓澹?981—），男，河南省人，博士，主要研究方向?yàn)榭臻g電源技術(shù)。