戴永亮 許峰 陳達興 鄭勛績 王曉銳 李健

(上海空間電源研究所，上海 200245)

嫦娥四號探測器電源系統(tǒng)由太陽電池陣、鋰離子蓄電池組和電源控制器組成。其中，電源控制器采用了休眠喚醒技術，結合同位素熱/電源保障探測器安全度過月夜，全面圓滿地完成電源系統(tǒng)各項任務。

深空探測器軌道環(huán)境具有光照和溫度差別大等特點[1]，光照差別必然引起太陽電池利用難度，溫度差別大進一步增加探測器熱控系統(tǒng)功率需求。針對能源輸入需求更多和利用率需求更高，電源系統(tǒng)需要具備更的高功率密度。為此，本文提出了一種深空探測器電源系統(tǒng)設計，可為后續(xù)深空探測，特別是距離太陽較遠、光照強度弱的探測(如火星、小行星)等空間電源設計提供參考。

1 電源系統(tǒng)構成

針對深空探測器電源系統(tǒng)的高輕量化和電源能量自主管理需求，本文電源系統(tǒng)設計(見圖1)采用高轉換效率三結砷化鎵太陽電池和半剛性基板輕量化技術方案；采用高比能鋰離子蓄電池組；在電源控制器中采用一種基于順序開關分流(S3R)結構擾動交錯法的最大功率點跟蹤(MPPT)技術，充分利用太陽能提高電源系統(tǒng)比功率，同時使用機內測試技術(BIT)提升電源的自主管理能力。

圖1 電源系統(tǒng)構成

2 高比能太陽電池陣-蓄電池組

空間電源一般采用“太陽電池陣-蓄電池組”供電方式[2]。提高太陽電池陣效率是提高太陽電池能量密度的有效途徑，本文將高效率三結砷化鎵太陽電池和半剛性基板作為系統(tǒng)優(yōu)選方案[3]。鋰離子蓄電池組是空間電源儲能電源，深空探測要求具有長壽命、高比能特點的鋰離子蓄電池組，本文將鈷酸鋰離子電池組作為系統(tǒng)優(yōu)選方案。

1)高比能太陽電池陣

太陽能利用能力取決于太陽電池光電轉換效率，光電轉換效率往往由太陽電池結構決定。32%三結砷化鎵太陽電池為晶格失配結構，是在30%效率電池的基礎上改進的，其中包括：增加頂電池、中電池的銦組分，降低帶隙寬度，采用晶格失配材料，并且在中電池和底電池之間增加了銦鎵砷應力漸變緩沖層，將電池的晶格常數(shù)從鍺逐漸增加到目標晶格層，從而獲得高質量、低位錯密度的晶格失配材料，實現(xiàn)三結子電池電流匹配，有效地提高了電池短路電流和轉換效率。32%效率砷化鎵太陽電池已通過鑒定并有在軌飛行經(jīng)驗，未來5年內轉換效率有望進一步提升至33%～34%[4]。在選取高轉換效率太陽電池片同時，本文系統(tǒng)采用半剛性基板。半剛性基板主要包括密柵網(wǎng)格型半剛性基板和疏柵繃弦式半剛性基板結構。密柵網(wǎng)格型選擇標準尺寸4 cm×6 cm的32%三結砷化鎵太陽電池，疏柵繃弦式選擇標準尺寸8 cm×8 cm的32%三結砷化鎵太陽電池，經(jīng)過仿真分析和力學、噪聲和熱真空試驗，疏柵繃弦式半剛性基板由于模塊面密度更高效、輕量化、抗輻、力學適應性好等特點，成為優(yōu)選結構。因此，本文系統(tǒng)采用32%效率三結砷化鎵太陽電池并采用疏柵繃弦式半剛性基板結構，以實現(xiàn)高比能太陽電池陣。

2)高比能鋰離子蓄電池組

目前，空間電源選用的高比能鋰離子蓄電池主要有鎳鈷鋁(NCA)體系(Li(NixCoyAl(1-x-y))O2)[5]和鈷酸鋰LiCoO2體系[5]2類。NCA體系單體優(yōu)勢在于長壽命，但倍率和低溫性能較差，適用于設計壽命長、工作溫度范圍可控制在10～35 ℃的高低軌衛(wèi)星上；LiCoO2體系單體優(yōu)勢在于工作溫度范圍寬，但壽命較短，適用于設計壽命短、工作溫度范圍寬的深空探測器[6]。深空探測電源系統(tǒng)既有鋰離子蓄電池組低溫性能好要求，又有循環(huán)次數(shù)多的長壽命要求。本文系統(tǒng)選用低溫性能好、能量密度195 W·h/kg的LiCoO2鋰離子蓄電池組。目前，國內已開展在LiCoO2鋰離子蓄電池組正極材料摻雜錳材料離子蓄電池組研制工作，預計未來5年，鋰離子蓄電池組能量密度可達250 W·h/kg。

3 電源控制器

電源控制器負責空間電源電能變換、調節(jié)和管理。傳統(tǒng)太陽電池陣母線調節(jié)器是直接能量傳輸(DET)方式，工作點固定，造成了太陽電池能量的浪費。MPPT方式能夠在不同的壽命階段及各種環(huán)境條件下，按照負載需求實時跟蹤太陽電池陣最大功率點，從而最大限度利用太陽電池陣輸出功率，以滿足深空探測器大載荷、輕量化等應用需求。電源系統(tǒng)設計表明，太陽電池轉換效率每提升5%，太陽翼面積可減少5%，因此，采用MPPT技術，在同樣功率需求下，可減小電源系統(tǒng)質量。本文提出一種S3R結構電壓電流交錯擾動法MPPT技術[7]。

3.1 MPPT控制技術

MPPT技術是電源系統(tǒng)提高太陽能利用率的有效手段。其最典型應用是NASA的多任務模塊化平臺電源系統(tǒng)，并已用于“太陽峰年”(SMM)和陸地衛(wèi)星-4，5(Landsat-4，5)等多顆衛(wèi)星及部分深空航天器。ESA的“蜂群”(SWARM)衛(wèi)星和“國際空間站”等的中小功率電源控制及其配電單元產(chǎn)品已廣泛采用模塊化的MPPT架構，采用低紋Buck變換和三重多數(shù)投票MPPT技術，母線電壓范圍為20～50 V，MPPT模塊效率達95%以上，MPPT跟蹤精度大于99%。國內MPPT目前已經(jīng)成功應用于火星正樣產(chǎn)品，可穩(wěn)定追蹤最大工作點電壓幅值33～55 V，電流0.5～5.5 A，MPPT拓撲效率可達91%，追蹤精度達到98%。MPPT技術應用于深空探測器電源系統(tǒng)主要面臨以下問題：①電源系統(tǒng)高可靠要求；②太陽電池遮擋引起多極點最大功率點跟蹤問題。成功應用MPPT技術關鍵在于設計高可靠性的MPPT拓撲結構和MPPT算法。為此，本文提出了一種基于S3R改進型串并聯(lián)MPPT拓撲結構的高可靠交錯擾動法。

3.1.1 MPPT拓撲結構

MPPT主要有串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)3種結構。串并聯(lián)MPPT結構效率高，為最常用的拓撲結構。目前，比較優(yōu)化的MPPT拓撲結構包括：①母線調節(jié)器(BR)和BDR結合的結構，如圖2(a)所示[8]；②BR、BCR和BDR全部結合的B3R串并聯(lián)MPPT結構，如圖2(b)所示；③在S3R的基礎上進行改進，得到的順序開關分流最大功率跟蹤(S3MPPR)結構，如圖2(c)所示。圖中：L1～L3為電感；C，C1～C4為電容；RC為電阻；D1～D3為功率二極管；M1～M3為功率開關管；K1，K2為繼電器開關；EA為誤差放大器；MEA為主誤差放大器；VBUS為母線電壓采樣；VMPPT為MPPT參考電平；PWM為脈寬調制。

3種串并聯(lián)MPPT結構優(yōu)缺點如表1所示。S3MPPR一方面繼承了S3R拓撲及其調節(jié)能力，另一方面加入了MPPT控制，一旦MPPT故障失效，仍可切換為S3R模式工作，因此，該拓撲具有繼承性好，效率高，控制簡單，易實現(xiàn)，而成為深空探測領域電源系統(tǒng)核心技術之一[9]。

圖2 3種串并聯(lián)MPPT結構

表1 3種串并聯(lián)MPPT結構優(yōu)缺點比較

3.1.2 MPPT跟蹤算法

目前，MPPT跟蹤算法比較成熟的有擾動觀察法和增量電導法[10]。它們都存在電壓偏差階躍擾動影響系統(tǒng)可靠性的問題，本文依據(jù)太陽電池伏安曲線特點，設計了一種電壓電流交錯擾動法。

1)交錯擾動法

交錯擾動法的原理是：基于太陽電池伏安曲線，通過采集太陽電池的電壓信號和電流信號，使得擾動電壓信號和擾動電流信號分別變?yōu)樵妷汉驮娏餍盘柕?.97倍(該比例可調節(jié))，其運動趨勢是相對于太陽電池陣的最大功率點向后一小步向前一大步，即電壓、電流的變化使得太陽電池陣的工作點向最大功率點靠近，系統(tǒng)會較快地找到最大功率點，如圖3(a)所示。雖然電壓、電流一直存在擾動，但是太陽電池陣的輸出功率能穩(wěn)定在某一范圍內。圖3(b)是追蹤過程中電壓、電流及功率的變化情況。交錯擾動法不但摒棄了傳統(tǒng)算法中存在的大量乘除法運算，而且可以通過硬件電路實現(xiàn)；另外，該算法擾動電壓偏差是趨向性的擾動，而不是一個電壓偏差的階越擾動，因此具有較快的追蹤速度和較高的可靠性。

2)算法控制電路

電壓電流交錯擾動法控制算法電路如圖4所示，電路控制邏輯如圖5所示?？刂扑惴ê诵脑谟陔娫纯刂破魍ㄟ^采樣太陽電池陣電壓電流，電壓電流擾動經(jīng)比較器和觸發(fā)器產(chǎn)生控制電平，該控制電平經(jīng)過信號轉換電路轉換為MPPT控制信號，作為控制電路參考。通過控制器調節(jié)實現(xiàn)MPPT跟蹤算法的最大功率跟蹤閉環(huán)控制，具有電路簡單、易實現(xiàn)、可靠性高等特點。

3)MPPT固定點調制方法

一般情況，在一定的光強和溫度環(huán)境下，太陽電池陣只有一個工作點輸出功率最大，該點稱為峰值功率點。MPPT電路設計是根據(jù)該太陽電池伏安曲線特性進行設計。但由于深空探測環(huán)境復雜，太陽電池陣受遮擋、溫度、光照角、星塵等影響，實際輸出伏安曲線可能出現(xiàn)多個類似最佳工作點的情況。如圖6(a)所示，一旦追蹤到一個類似最佳工作點時，太陽電池陣輸出便徘徊在該點附近，而非真正最大功率點跟蹤，造成能源浪費。本文提出一種固定點調制方法，可有效避免太陽電池伏安曲線臺階附近跳動問題。該方法可獲得比DET方式輸出更多的功率，如圖6(b)所示。其控制核心思想是檢測太陽電池遙測采樣和太陽光照角計電流是否嚴重不符。若不符，則將MPPT跟蹤算法電平切換為固定值，以該固定值進行電路調制。計算該固定點太陽電池陣輸出功率，再將系統(tǒng)切回MPPT跟蹤算法，重新計算最大功率點，獲得該點太陽電池功率。比較兩者功率，若前者大，則使用固定值調制；若后者大，則保持MPPT跟蹤算法調制。若固定值調制，則繼續(xù)比對，直至切換回MPPT跟蹤算法調制。

圖3 交錯擾動法追蹤過程

圖4 MPPT算法電路

Fig.4 Algorithmic circuit of MPPT

注：R1為電阻。

圖5 MPPT電路控制邏輯

Fig.5 Logic control circuit of MPPT

圖6 MPPT固定點調制方法

3.2 一種應用于空間電源系統(tǒng)的BIT技術

BIT最初主要應用于集成度較高的電子技術領域和航空領域。隨著航天技術發(fā)展，系統(tǒng)、設備內部提供的檢測、隔離故障的自動測試需求逐漸增加，BIT技術也應用到航天器電源系統(tǒng)設計中。它能對航天器電源系統(tǒng)整體設計、分系統(tǒng)設計、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和維修決策等進行在軌判斷，同時也是改善裝備系統(tǒng)或設備測試性與診斷能力的重要手段。因此，電源系統(tǒng)配備BIT，能在其運行階段通過BIT的診斷能力自我辨識運行狀態(tài)和故障，從而提高電源系統(tǒng)自主管理能力。本節(jié)主要從設計層面入手，以下位機實現(xiàn)選取制定最優(yōu)的測試策略，保證在軌自主維護，減少甚至消除設計方面導致的虛警[11-13]。

常用的BIT設計技術有很多，為適應航天領域深空探測需求，本文設計BIT策略分為上電BIT、指令BIT和周期BIT。上電BIT是指設備剛上電時對系統(tǒng)健康狀態(tài)進行監(jiān)測，設備還沒有進入正常工作狀態(tài)。該模式下智能接口單元主要監(jiān)測通信總線功能是否正常、電源模塊輸出是否正常、系統(tǒng)時鐘是否正常、內部ROM、RAM是否正常等，最終將BIT信息上報。如果出現(xiàn)上述異常，則控制切換備份下位機。指令BIT是指在正常工作過程中，根據(jù)發(fā)送的BIT指令進行測試，該模式下智能接口單元主要監(jiān)測部分功能模塊，并根據(jù)其工作狀態(tài)遙測參數(shù)進行測試，最終將BIT信息上報。周期BIT是指設備周期檢查自身工作狀態(tài)，并不影響正常工作。它不僅包括啟動BIT中與正常工作狀態(tài)不沖突的狀態(tài)監(jiān)測部分，還有對設備工作時的性能狀態(tài)監(jiān)測，BIT信息定時上報。

電源系統(tǒng)BIT需要具備處理電源系統(tǒng)在軌大部分故障的功能，所以BIT控制策略需要涵蓋電源分系統(tǒng)可能預想到的故障模式，保證各種功能模塊在單點失效后均可采取處理措施。本文的電源分系統(tǒng)功能包括太陽電池陣調節(jié)功能、蓄電池組充放電功能、蓄電池組充放電保護功能以及其單體均衡功能，通過分析電源控制器各功能模塊，確定各模塊的BIT控制策略，明確控制策略的執(zhí)行結果。

3.2.1 太陽電池陣調節(jié)控制策略

電源系統(tǒng)中使用MPPT控制技術，太陽電池陣及MPPT電路可能出現(xiàn)的故障包括太陽電池遮擋、太陽電池電流減小、MPPT電路單路失效等。系統(tǒng)在綜合判斷蓄電池組電壓、充電電流、負載電流等參數(shù)后，進行MPPT電路主備份切換。MPPT電路開路失效和短路失效保護策略如圖7和圖8所示。

圖7 MPPT電路開路失效保護策略

圖8 MPPT電路短路失效策略

利用該策略，在MPPT電路開路或短路失效時，可迅速切換至備份電路，不影響整器功率利用，如采用傳統(tǒng)的地面判斷，很容易因判斷及操作時間過長造成長時間功率損失使蓄電池組過放。

3.2.2 蓄電池組過充控制策略

蓄電池組在軌運行期間一旦發(fā)生過充，輕則整器夜間不能工作，重則造成蓄電池組損壞，從而直接導致探測任務失敗。本文根據(jù)蓄電池組單體特性設計了單體電壓不超過4.2 V過充保護控制策略，并考慮了允許1節(jié)單體失效情況。一旦周期BIT檢測單體電壓超過閾值，通過指令BIT，控制蓄電池組充電開關通斷，最終實現(xiàn)蓄電池組過充保護，如圖9所示。

圖9 蓄電池組過充保護流程

3.2.3 蓄電池組放電保護策略

鋰離子蓄電池組充放電次數(shù)直接與其放電深度相關，蓄電池組一旦發(fā)生過放，直接影響探測器任務。本文電源系統(tǒng)設定4級保護策略：第1級策略提醒探測器能源并不充裕，起到報警作用；第2級為保護策略，要求探測器計算機發(fā)送指令關閉載荷，降低能源需求，探測器以最小工作模式工作；第3級策略要求探測器計算機繼續(xù)發(fā)送指令關閉載荷，并預設探測器恢復供電條件；第4級為電源系統(tǒng)蓄電池組自主保護策略，一旦探測器突破第3級策略，放電開關斷開，探測器斷電，為蓄電池組在壽命周期內完成探測器任務提供保證。

3.2.4 蓄電池組均衡策略

蓄電池組均衡是保證蓄電池組單體一致性和蓄電池組長壽命的基本條件。一旦單體差異明顯，充放電過程進一步加劇單體間差異，容易造成單體局部過熱，蓄電組整體性能下降，進而縮短探測器任務周期。蓄電池組均衡措施是通過采集各鋰離子蓄電池單體電壓，以最低單體電壓為基準，當某節(jié)單體的電壓值與其電壓的差不小于規(guī)定閾值時，相應的控制通道輸出高電平，使其充電的旁路分流控制有效，對該單體實現(xiàn)分流均衡控制。當該單體的電壓下降，與最低單體電壓的差小于規(guī)定的閾值時，關閉相應的控制通道，結束對該單體的分流均衡控制。當某節(jié)單體電池出現(xiàn)短路故障時，均衡軟件運行時將其排除在外，不進行均衡處理。

通過對太陽電池陣和蓄電池組進行BIT控制策略設計，使電源系統(tǒng)自身能實現(xiàn)故障診斷、隔離，提高系統(tǒng)的可靠性、測試性和故障診斷能力。

4 設計驗證

深空探測器電源系統(tǒng)設計方案主要針對空間電源輕量化和能量自主管理2個方面開展。采用效率為32%晶格失配工藝三結砷化鎵太陽電池，半剛性基板取代碳纖維蜂窩鋁基板，提升了太陽電池陣能量密度。鋰離子蓄電池組比能量密度由155 W·h/kg提升到195 W·h/kg，能量密度提升25.8%。設計的改進型串并聯(lián)MPPT結構及高可靠的MPPT控制算法，提高了太陽電池陣利用率。BIT保護策略可實現(xiàn)電源系統(tǒng)在軌故障監(jiān)測和故障隔離，提升系統(tǒng)自主管理能力。

經(jīng)過驗證，MPPT追蹤精度達到98%，可穩(wěn)定追蹤最大工作點電壓幅值33～55 V，電流0.5～5.5 A，MPPT拓撲效率可達91%，其追蹤結果如表2所示。MPPT追蹤情況與設計預期一致，其追蹤情況及過程如圖10所示。

表2 MPPT追蹤結果

圖10 MPPT追蹤波形

5 結束語

深空探測領域因其環(huán)境特點，如光照強度差別大、溫度變換大、距離遠、通信延時等特點，不但加劇了能源危機，而且?guī)砹送ㄐ叛舆t問題。本文提出一種深空探測器電源系統(tǒng)設計方案，不但能提升電源系統(tǒng)的能量自主管理，而且能提高電源系統(tǒng)能量密度。隨著工藝技術水平的進一步提高，可以預計未來5年太陽電池效率提升到34%，鋰離子蓄電池組能量密度達到250 W·h/kg，在MPPT技術和BIT技術廣泛應用前景下，空間電源能量密度將得到更進一步提升，探測器可攜帶更多燃料，開展更深遠的探測任務。