喬偉男，常景娜，徐 冬

（中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201210）

0 引 言

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)作為衛(wèi)星的重要組成部分[1]，主要負(fù)責(zé)星上產(chǎn)生、存儲(chǔ)、變換、調(diào)節(jié)和分配電能，是保證航天器及其他子系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。一個(gè)高可靠性的電源系統(tǒng)對(duì)提高衛(wèi)星的性能，延長衛(wèi)星的工作周期起著決定性作用[2]。

1 電源分系統(tǒng)的工作原理

電源分系統(tǒng)的主要功能是為衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷提供一條全調(diào)節(jié)、高精度的供電母線，滿足衛(wèi)星在整個(gè)壽命周期、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，蓄電池組是衛(wèi)星儲(chǔ)能裝置，電池管理單元保證電池組全壽命周期單體性能的一致性，電源控制器負(fù)責(zé)對(duì)能源進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。MEO采取分散供配電體制，衛(wèi)星平臺(tái)、載荷的供配電分別由主配電器和輔配電器實(shí)施，主要包括42 V電源和28 V輔母線電源的供配電，詳細(xì)供配電如圖1所示。

電源分系統(tǒng)工作原理如下：太陽電池陣在分流調(diào)節(jié)電路的作用下為星上負(fù)載供電，同時(shí)通過充電調(diào)節(jié)器為蓄電池組充電，充電功率從供電母線提取，當(dāng)充電結(jié)束后，充電功率返回供電母線。在光照期，當(dāng)太陽電池陣輸出功率大于負(fù)載和蓄電池充電所需的功率時(shí)，分流調(diào)節(jié)電路由誤差放大器控制，開始逐級(jí)順序分流，調(diào)節(jié)方陣輸出功率，控制母線電壓。在月影期，太陽電池陣通過電源控制器控制，優(yōu)先保證星上負(fù)載用電；若太陽電池陣輸出功率小于負(fù)載用電要求時(shí)，蓄電池組經(jīng)放電調(diào)節(jié)器補(bǔ)充供電（聯(lián)合供電）。在地影期，蓄電池組經(jīng)電源控制器中的放電調(diào)節(jié)器給母線供電。MEO衛(wèi)星電源系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖1 MEO衛(wèi)星供配電框圖

2 電源分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)工作特性分析

電源分系統(tǒng)是整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的動(dòng)力來源。為了確保衛(wèi)星在軌飛行時(shí)能夠正常工作，必須保證電源分系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在對(duì)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)進(jìn)行完善設(shè)計(jì)時(shí)，模擬電源分系統(tǒng)需要具備以下特性[3]。

圖2 MEO衛(wèi)星電源系統(tǒng)組成

2.1.1 模擬衛(wèi)星在軌飛行時(shí)電源分系統(tǒng)供電能力

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)是所有分系統(tǒng)工作的動(dòng)力來源。衛(wèi)星各個(gè)分系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)力會(huì)隨著工作狀態(tài)的變化而變化。當(dāng)所有分系統(tǒng)工作時(shí)，電源系統(tǒng)面臨最大的壓力；同時(shí)，分系統(tǒng)的關(guān)閉和啟動(dòng)也會(huì)對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出產(chǎn)生影響。

MEO衛(wèi)星采用的高效三結(jié)砷化鎵太陽電池帆板在壽命末期需要提供負(fù)載功率大于1 500 W。因而，地面測試時(shí)需要模擬衛(wèi)星在各種狀態(tài)切換時(shí)電源系統(tǒng)的供電能力，包括電壓范圍、電流范圍和精度以及切換時(shí)間等。

2.1.2 模擬蓄電池的充放電特性

MEO衛(wèi)星依據(jù)輕量化設(shè)計(jì)原則采用鋰離子電池作為衛(wèi)星的儲(chǔ)能電池。蓄電池組的單體串聯(lián)數(shù)為9節(jié)，蓄電池組輸出電壓范圍為29.7～37.8 V。根據(jù)衛(wèi)星負(fù)載功率及最大地影時(shí)間（1.2 h），確定使用容量為60 Ah的兩組鋰離子蓄電池。為了提高蓄電池組的可靠性，每組60 Ah鋰離子蓄電池組采用20 Ah單體3并9串構(gòu)成。

衛(wèi)星在軌工作時(shí)通過太陽能帆板供電，當(dāng)衛(wèi)星處于太陽照射不到的陰影區(qū)時(shí)，只能通過電源系統(tǒng)供電。根據(jù)MEO軌道的特點(diǎn)，除去每年兩個(gè)45 d的陰影季需要鋰離子蓄電池供電之外，其他時(shí)間衛(wèi)星長期運(yùn)行在光照區(qū)，鋰離子蓄電池基本上都處于擱置備用的狀態(tài)。前期研究結(jié)果表明，鋰離子蓄電池長期處于滿荷電態(tài)對(duì)容量保持不利，而蓄電池荷電態(tài)過低則對(duì)衛(wèi)星的供電安全不利，對(duì)于壽命要求大于12年的衛(wèi)星而言，鋰離子蓄電池在長光照期的狀態(tài)管理成為電池保持容量和電壓性能能否滿足衛(wèi)星壽命要求的重要因素。

因而，需要地面模擬在軌衛(wèi)星蓄電池的在軌管理和均衡技術(shù)，在保證電池容量的前提下，減小電池工作應(yīng)力，如通過調(diào)節(jié)電池在不同壽命階段的充電截止電壓，提高容量利用效率，從而延長電池的使用壽命。

2.1.3 模擬衛(wèi)星的負(fù)載工作特性

衛(wèi)星一次電源太陽電池陣和儲(chǔ)能電源蓄電池組的電源輸出直接提供給電源控制器，由電源控制器實(shí)現(xiàn)一次電源的調(diào)節(jié)與控制，并由電源控制器經(jīng)主、輔配電器統(tǒng)一提供給所有負(fù)載供電。其中，主配電器主要向星載計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理終端、磁力矩器、測控單機(jī)、姿控單機(jī)、推進(jìn)閥門加熱器等平臺(tái)設(shè)備供電。輔配電器主要向跳頻應(yīng)答機(jī)、載荷、貯箱、推進(jìn)管路、原子鐘、紅外地平儀以及蓄電池組等熱控加熱器供電。

從不同工作模式（包括安全對(duì)日模式、地球捕獲模式、穩(wěn)態(tài)對(duì)地模式和軌道控制模式）來看，衛(wèi)星總的負(fù)載特性是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，安全模式負(fù)載小于250 W，穩(wěn)態(tài)對(duì)地模式約為1 500 W。為了確保電源系統(tǒng)在所有負(fù)載情況下能正常工作，就需要模擬衛(wèi)星負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化過程，包括電壓范圍、電流范圍及精度等性能指標(biāo)。因此，衛(wèi)星一次電源模擬系統(tǒng)由3個(gè)子系統(tǒng)組成：太陽能陣列模擬子系統(tǒng)、負(fù)載模擬子系統(tǒng)和蓄電池模擬子系統(tǒng)。

2.2 模擬電源系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

整套一次電源模擬系統(tǒng)通過模擬太陽電池陣在軌工作特性、星上負(fù)載的工作特性和星上大容量蓄電池產(chǎn)品的放電特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)星上電源系統(tǒng)的性能考核和驗(yàn)證。具體功能包括以下幾方面。

2.2.1 太陽能陣列模擬子系統(tǒng)的主要功能

第一，在電源分系統(tǒng)測試時(shí)（整星狀態(tài)或電源分系統(tǒng)單獨(dú)狀態(tài)），模擬太陽電池陣在軌工作特性，檢查電源分系統(tǒng)性能、功能及對(duì)外接口關(guān)系的相容性；第二，在衛(wèi)星電性能測試及各種試驗(yàn)期間，模擬星上太陽電池陣為整星供電；第三，在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)，為星上負(fù)載供電，為蓄電池充電。

2.2.2 負(fù)載模擬子系統(tǒng)的主要功能

第一，模擬星上負(fù)載的工作特性，用于測試星上電源系統(tǒng)；第二，試驗(yàn)驗(yàn)證星上鋰離子蓄電池工作特性，在調(diào)試和測試電源分系統(tǒng)產(chǎn)品時(shí)代替星上負(fù)載對(duì)太陽能陣列模擬系統(tǒng)和蓄電池模擬系統(tǒng)進(jìn)行功能測試。

2.2.3 蓄電池模擬子系統(tǒng)的主要功能

第一，模擬星上大容量蓄電池產(chǎn)品的放電特性；第二，試驗(yàn)驗(yàn)證鋰離子蓄電池的放電特性，在調(diào)試和測試電源分系統(tǒng)產(chǎn)品時(shí)代替星上蓄電池進(jìn)行放電功能測試。

3 軟硬件設(shè)計(jì)

衛(wèi)星一次電源模擬系統(tǒng)是在軟件自動(dòng)控制下對(duì)星上電源進(jìn)行模擬和驗(yàn)證的一個(gè)系統(tǒng)[4-5]。它由硬件和軟件兩部分組成，通過對(duì)軟件的設(shè)置和調(diào)整來控制硬件平臺(tái)，從而對(duì)多種功能和狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證和模擬。通用小衛(wèi)星電源模擬系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星一次電源模擬系統(tǒng)框圖

3.1 軟件設(shè)計(jì)

衛(wèi)星一次電源模擬系統(tǒng)的控制軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，層次結(jié)構(gòu)簡明清晰。軟件包括充/供電功能、電子負(fù)載設(shè)置、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表管理、系統(tǒng)自檢和其他5大功能模塊，分別控制對(duì)應(yīng)的硬件來實(shí)現(xiàn)對(duì)星上電源的功能和狀態(tài)的驗(yàn)證及模擬。

充/供電功能是太陽模擬陣測試系統(tǒng)軟件的核心部分。它包括充供電陣的電壓/電流曲線設(shè)置、上電啟動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示電壓/電流狀態(tài)、修改設(shè)置參數(shù)、模擬進(jìn)陰影功能、實(shí)時(shí)檢測狀態(tài)存檔功能和斷電數(shù)據(jù)存檔功能。充供電陣的電壓/電流曲線設(shè)置包括各個(gè)分陣開路電壓、短路電流、工作電壓和工作電流的設(shè)置，還包括過壓保護(hù)和過流保護(hù)設(shè)置；進(jìn)陰影功能夠模擬衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)的光照變化規(guī)律，軌道周期和陰影時(shí)間調(diào)節(jié)，以及太陽電池陣列進(jìn)出陰影時(shí)的I-V曲線過渡過程。充/供電軟件的工作原理框圖如圖4所示。

圖4 充/供電軟件的工作原理框圖

電子負(fù)載設(shè)置功能項(xiàng)用于對(duì)星上負(fù)載供電前的模擬調(diào)試。用戶可以設(shè)置電子負(fù)載的所有通道，設(shè)置方式為恒壓模式（CV MODE）、恒流模式（CC MODE）和恒阻模式（CR MODE）。該電子負(fù)載有3個(gè)通道。

歷史數(shù)據(jù)分析功能項(xiàng)用于分析歷次實(shí)時(shí)采集的歷史數(shù)據(jù)，支持每一個(gè)充供電分陣的電壓/電流曲線顯示，曲線顯示具有縮放（ZOOM）和標(biāo)簽（MARKER）的功能；支持直接打印圖形曲線；支持提取某一特定時(shí)刻的所有充供電分陣狀態(tài)列表，并可生成報(bào)表文檔。

曲線設(shè)定功能項(xiàng)用于模擬調(diào)試前的各種上電/工作曲線的編輯和設(shè)定。用戶可以為供電陣/充電陣分別設(shè)定10條不同的上電/工作曲線。

報(bào)表管理功能用于管理程序運(yùn)行中生成的實(shí)時(shí)檢測狀態(tài)報(bào)告和歷史數(shù)據(jù)分析報(bào)告（Excel報(bào)表格式），具有報(bào)表打開、另存、修改和打印功能。

系統(tǒng)自檢用于檢測太陽電池模擬模塊的SAS輸出特性。將要檢測的SAS模塊與電子負(fù)載相連接，設(shè)定SAS輸出曲線，軟件控制負(fù)載測量出SAS模塊的真實(shí)輸出曲線，通過給定的誤差范圍自動(dòng)判斷SAS模塊是否指標(biāo)合格。

其他功能項(xiàng)包括幫助、修改密碼、版本信息和退出程序。用戶可通過幫助功能在線打開幫助文件；版本信息用于顯示系統(tǒng)軟硬件版本信息；修改密碼功能用于密碼修改，用戶可定期修改安全密碼；退出程序結(jié)束系統(tǒng)軟件程序。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

衛(wèi)星一次電源模擬系統(tǒng)的硬件包括系統(tǒng)控制器PC controller、GPIB接口和控制電纜、機(jī)柜、電子負(fù)載、太陽電池模擬器、直流穩(wěn)壓源以及配電控制箱PDB。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件框架圖

系統(tǒng)所有硬件集成在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，包含5臺(tái)太陽方陣模擬器、2臺(tái)電子負(fù)載、2臺(tái)直流穩(wěn)壓源、1臺(tái)系統(tǒng)控制器、1臺(tái)配電控制箱。每臺(tái)太陽方陣模擬器裝有2個(gè)方陣輸出模塊，用于實(shí)現(xiàn)太陽能陣列模擬子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)10路定制輸出（65 V/8.5 A）的太陽電池陣列模擬功能。每臺(tái)電子負(fù)載裝五個(gè)電子負(fù)載模塊，用于實(shí)現(xiàn)負(fù)載模擬子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)10路300 W負(fù)載的模擬功能，通道之間還可以并聯(lián)組合。

3.3 系統(tǒng)測試

測試軟件用測試程序軟件VEE（Visual Engineering Environment）開發(fā)，圖形化操作界面，對(duì)上述儀表進(jìn)行程控，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星充/供電模擬測試功能，包括太陽能陣列模擬子系統(tǒng)軟件、負(fù)載模擬子系統(tǒng)軟件和蓄電池模擬子系統(tǒng)軟件。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照某MEO衛(wèi)星在軌進(jìn)出影情況設(shè)置，整星太陽電池陣供電按照780 min周期進(jìn)行進(jìn)出影測試，同時(shí)監(jiān)測蓄電池組A/B的720 min充電、60 min放電過程。模擬電源一次進(jìn)出陰影轉(zhuǎn)換曲線如圖6所示，模擬蓄電池充放電如圖7所示。

圖6 模擬電源一次進(jìn)出陰影轉(zhuǎn)換曲線

圖7 模擬蓄電池充放電

測試結(jié)果表明，在模擬衛(wèi)星在軌進(jìn)出影過程中，蓄電池充放電曲線符合預(yù)期，測試結(jié)果驗(yàn)證了太陽能陣列模擬子系統(tǒng)在光照期對(duì)整星供電以及對(duì)蓄電池充電工作，驗(yàn)證了蓄電池模擬子系統(tǒng)在地影期放電為整星提供能源保障，負(fù)載模擬子系統(tǒng)起到了模擬衛(wèi)星負(fù)載作用。

5 結(jié) 論

電源分系統(tǒng)是整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的“心臟”，確保衛(wèi)星在軌飛行時(shí)能正常工作，電源分系統(tǒng)的穩(wěn)定性是至關(guān)重要。本文主要設(shè)計(jì)了一套對(duì)某MEO衛(wèi)星電源系統(tǒng)的地面模擬模擬系統(tǒng)，通過系統(tǒng)搭建、模擬測試驗(yàn)證及與在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)比，比較完整地復(fù)刻了能源系統(tǒng)運(yùn)行的真實(shí)情況，適用于衛(wèi)星能源系統(tǒng)這種對(duì)可靠性要求極高的場所。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可拓展性較強(qiáng)，可針對(duì)多種衛(wèi)星進(jìn)行能源系統(tǒng)地面模擬，打破傳統(tǒng)部分衛(wèi)星測試“專用設(shè)備”限制，轉(zhuǎn)為“通用設(shè)備”系統(tǒng)，為后續(xù)衛(wèi)星的能源系統(tǒng)可靠在軌運(yùn)行提供參考。