李小飛 劉奕宏 馬亮

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)是我國(guó)空基規(guī)劃業(yè)務(wù)衛(wèi)星之一，定位于中等分辨率、大幅寬觀測(cè)和定量化遙感任務(wù)。與以往同類衛(wèi)星相比，資源一號(hào)02D衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命提高至5年，具備一軌多次側(cè)擺機(jī)動(dòng)及偏航定標(biāo)功能，配置了新研高光譜相機(jī)，這對(duì)供配電分系統(tǒng)的供電能力、母線品質(zhì)、質(zhì)量、可靠性等方面都提出了更高的要求[1-5]。為了滿足任務(wù)要求，供配電分系統(tǒng)通過新型限頻串聯(lián)順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)(S4R)模塊化電源控制器、長(zhǎng)壽命鋰離子蓄電池、高剛度太陽(yáng)翼等核心產(chǎn)品，并采用星上能源自主管理方案，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星在軌高可靠穩(wěn)定運(yùn)行；供配電分系統(tǒng)采用基于高比功率的功率控制技術(shù)、高比能量的儲(chǔ)能技術(shù)、高精度的能量平衡設(shè)計(jì)與分析等技術(shù)的系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了一次電源相對(duì)以往同類衛(wèi)星質(zhì)量減小150 kg；采取軟件與硬件冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)5年壽命高可靠性設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵單機(jī)開展了壽命驗(yàn)證。

本文在介紹資源一號(hào)02D衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)的組成、工作模式基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)基于S4R限頻調(diào)節(jié)的電源控制技術(shù)、輕量化方案設(shè)計(jì)、高精度能量平衡方案、能源自主管理設(shè)計(jì)、功率鏈路可靠性設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行論述。最后，根據(jù)衛(wèi)星在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)，給出了供配電分系統(tǒng)單機(jī)和系統(tǒng)性能指標(biāo)的在軌驗(yàn)證情況。

1 供配電分系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 分系統(tǒng)主要功能和性能指標(biāo)要求

資源一號(hào)02D衛(wèi)星相比以往同類衛(wèi)星，具備一軌多次側(cè)擺能力和偏航90°定標(biāo)功能，需要供配電分系統(tǒng)滿足正常飛行姿態(tài)，以及側(cè)擺、偏航飛行姿態(tài)下的衛(wèi)星能源需求，在能源方面不限制衛(wèi)星工作模式編排，同時(shí)需要保證母線穩(wěn)定度的前提下，具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，以滿足新研高光譜相機(jī)等有效載荷的脈動(dòng)功率特性。衛(wèi)星主要性能指標(biāo)為：母線電壓穩(wěn)定度優(yōu)于1%，母線紋波小于400 mV，母線供電能力大于3000 W，分系統(tǒng)質(zhì)量小于175 kg。

1.2 分系統(tǒng)組成

根據(jù)具體功能，供配電分系統(tǒng)由太陽(yáng)電池陣、蓄電池組及管理器、控制器三部分組成。供配電分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：BEA為蓄電池誤差放大信號(hào)；MEA為主誤差放大信號(hào)；S3R為順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)；BDR為放電調(diào)節(jié)模塊。

1.3 主要工作模式

在光照期，太陽(yáng)電池陣通過S3R使用MEA母線主誤差放大信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，母線控制在(30.5±0.5)V；同時(shí)，在剛進(jìn)入光照時(shí)，充電分流控制邏輯電路根據(jù)系統(tǒng)母線負(fù)載的用電需求，在滿足母線負(fù)載穩(wěn)定供電的同時(shí)把太陽(yáng)電池陣的富余功率給蓄電池組充電，剩余功率分流。充電過程受蓄電池誤差放大信號(hào)BEA的控制，完成從恒流到限壓充電的轉(zhuǎn)換。在充電分流控制邏輯電路設(shè)計(jì)中融入制約控制技術(shù)，以有效避免充電和分流功率管工作時(shí)相互干涉現(xiàn)象，保證母線輸出電壓的穩(wěn)定[6-8]。

在地影期，蓄電池通過8路BDR穩(wěn)定母線電壓。在進(jìn)地影過程中，太陽(yáng)電池陣功率逐步下降，不能滿足整星功率時(shí)，MEA將順序關(guān)閉分流和充電，并開啟放電調(diào)節(jié)進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)充供電，直到進(jìn)入全地影。在出地影過程中，太陽(yáng)電池陣功率逐步增加，S3R為全輸出，放電調(diào)節(jié)輸出電流逐步減小，進(jìn)行聯(lián)合供電，直到進(jìn)入全光照，由MEA關(guān)閉放電調(diào)節(jié)并進(jìn)行蓄電池充電。不論衛(wèi)星軌道狀態(tài)和負(fù)載特性在正常范圍內(nèi)如何變化，通過MEA的統(tǒng)一控制，一次電源都保持輸出穩(wěn)定的母線電源。

下位機(jī)模塊對(duì)電源控制器工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過1553B總線、直接遙測(cè)信號(hào)和直接指令的連接模式與星上數(shù)管分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制。通過422總線與A、B組蓄電池的均衡管理器通信，完成對(duì)均衡管理器的控制。下位機(jī)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供配電分系統(tǒng)的健康狀態(tài)，形成健康預(yù)報(bào)字；完成電量計(jì)累計(jì)并協(xié)助BEA電路完成對(duì)蓄電池的在軌管理功能。

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 基于S4R限頻調(diào)節(jié)的電源控制技術(shù)

為提高功率密度和功率調(diào)節(jié)效率，資源一號(hào)02D衛(wèi)星電源控制器采用全開關(guān)、全調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出功率、蓄電池組輸出功率進(jìn)行控制，通過統(tǒng)一MEA控制，實(shí)現(xiàn)分流調(diào)節(jié)電路、充電分流調(diào)節(jié)電路、放電調(diào)節(jié)電路協(xié)同工作，各功能電路均采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計(jì)，可根據(jù)功率需求進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電源控制器的質(zhì)量、體積優(yōu)化設(shè)計(jì)。電源控制器采用S4R拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮到單路分流電流達(dá)到8 A，為降低開關(guān)熱耗，在分流、充電電路采用限頻調(diào)節(jié)技術(shù)，開關(guān)頻率為0～5 kHz。與傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制電路相比，限頻調(diào)節(jié)電路元器件少，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，開關(guān)頻率大幅降低，能夠全部分流太陽(yáng)電池陣輸出電流，允許母線負(fù)載零負(fù)載或開路[9-10]。限頻分流調(diào)節(jié)電路具體見圖2。

圖2 限頻分流調(diào)節(jié)電路示意Fig.2 Diagram of frequency limiting shunt regulation circuit

2.2 輕量化方案設(shè)計(jì)

通過優(yōu)化系統(tǒng)配置和采用高比能量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)供配電分系統(tǒng)質(zhì)量減小設(shè)計(jì)，具體途徑如下。

(1)采用高效發(fā)電裝置。隨著三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池制造技術(shù)和工藝的改進(jìn)，電池效率逐步提高，與硅太陽(yáng)片相比，三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率高、衰減率低。資源一號(hào)02D衛(wèi)星采用轉(zhuǎn)換效率28%的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，相比資源一號(hào)02C衛(wèi)星，在輸出功率增加12%的前提下，太陽(yáng)翼面積和質(zhì)量均下降。

(2)優(yōu)化功率調(diào)節(jié)方式。采用S4R電路拓?fù)浜拖揞l控制技術(shù)，可以最大限度利用太陽(yáng)電池功率，簡(jiǎn)化充電控制電路，與傳統(tǒng)分陣式開關(guān)分流調(diào)節(jié)電路相比，在同等功率等級(jí)下(小于19 kW)，質(zhì)量可降低30%。

(3)選用高質(zhì)量比能量?jī)?chǔ)能裝置。資源一號(hào)02D衛(wèi)星采用額定容量90 A·h的鈷酸鋰體系鋰離子電池，鋰離子電池的質(zhì)量比能量是鎘鎳蓄電池的4倍，在減小質(zhì)量的同時(shí)還可以通過將電池并聯(lián)組合靈活擴(kuò)展容量，并具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，是目前空間儲(chǔ)能設(shè)備的首選方案。

2.3 高精度衛(wèi)星能量平衡分析

為保證資源一號(hào)02D衛(wèi)星高頻率側(cè)擺成像任務(wù)模式下的能源裕度，供配電分系統(tǒng)開展高精度的能量平衡仿真分析，依據(jù)太陽(yáng)翼遮擋陰影視頻、布片圖和設(shè)計(jì)參數(shù)，得到各典型工況太陽(yáng)電池陣輸出能力的受遮擋情況，使太陽(yáng)電池陣供電能力的分析誤差在±2%范圍內(nèi)，通過建立全壽命的能量平衡分析模型，給出了衛(wèi)星在軌各個(gè)模式下的能量平衡結(jié)果，具體見表1和圖3。

表1 太陽(yáng)翼遮擋影響分析Table 1 Influence analysis of solar array

圖3 夏至1圈軌道太陽(yáng)電池陣輸出電流曲線Fig.3 Solar array output current during one orbit on summer solstice

2.4 能源自主管理設(shè)計(jì)

供配電系統(tǒng)的智能化管理能力成為衡量其先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是提高其可靠性的重要手段。資源一號(hào)02D衛(wèi)星明確提出了對(duì)供配電系統(tǒng)自主管理的需求，利用一次電源子系統(tǒng)控制單機(jī)智能化手段，實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電管理、遙測(cè)遙控處理、故障檢測(cè)、恢復(fù)與隔離設(shè)計(jì)，提高供配電系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)能源自主管理和衛(wèi)星安全用電。供配電系統(tǒng)配置了下位機(jī)，為實(shí)現(xiàn)故障自主管理提供了條件，可通過全面的測(cè)試點(diǎn)設(shè)置及故障檢測(cè)、隔離軟件算法，實(shí)現(xiàn)故障自主管理，提高沒有地面干預(yù)條件下的衛(wèi)星在軌自主運(yùn)行能力。能源自主管理層次關(guān)系，具體見圖4。

2.5 功率鏈路可靠性設(shè)計(jì)

為保證整星功率鏈路高可靠設(shè)計(jì)，供配電分系統(tǒng)從3個(gè)方面開展衛(wèi)星功率鏈路的可靠性設(shè)計(jì)。①功率通路的裕度：主要包括整星主功率通路和指令電源通路，涉及電連接器、功率電纜、繼電器、大功率器件等的降額和冗余設(shè)計(jì)。②功率通路的絕緣防護(hù)：主要包括衛(wèi)星功率電纜、星箭電纜、設(shè)備內(nèi)部功率通路，涉及功率電纜綁扎固定點(diǎn)和過孔處二次絕緣處理、設(shè)備內(nèi)部安全間距控制等。③功率通路的保護(hù)設(shè)計(jì)：主要包括過流保護(hù)、欠壓保護(hù)，各功率通路分支入口端均應(yīng)設(shè)置有效的過流保護(hù)電路，同時(shí)控制、測(cè)控、數(shù)管等關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)能適應(yīng)母線在過流保護(hù)動(dòng)作期間的電壓波動(dòng)。在衛(wèi)星出廠前的衛(wèi)星能源安全性復(fù)查工作的基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)射場(chǎng)實(shí)施的整星主功率電纜通路、火工品功率電纜通路、包帶電纜通路和星箭電纜通路的最終狀態(tài)進(jìn)行專項(xiàng)復(fù)查確認(rèn)。衛(wèi)星功率鏈路可靠性設(shè)計(jì)，具體見圖5。

圖5 衛(wèi)星功率鏈路可靠性設(shè)計(jì)Fig.5 Reliability design of satellite power link

3 在軌飛行情況

資源一號(hào)02D衛(wèi)星入軌后，太陽(yáng)翼成功展開鎖定，輸出電壓建立，并快速對(duì)日定向。在飛行過程中，供配電分系統(tǒng)在克服大角度側(cè)擺遮擋影響情況下，順利完成衛(wèi)星各飛行姿態(tài)各類工作模式的供電能力驗(yàn)證，衛(wèi)星能量裕度滿足設(shè)計(jì)要求。母線電壓穩(wěn)定在30.51 V，母線電壓總線遙測(cè)穩(wěn)定在30.5 V±0.1 V，均優(yōu)于30.5 V±0.5 V設(shè)計(jì)指標(biāo)。太陽(yáng)電池陣輸出電流與設(shè)計(jì)值誤差小于1%。具體見圖6和圖7。其中，圖6采用點(diǎn)圖形式，可以看出母線電壓遙測(cè)穩(wěn)定，波動(dòng)在一個(gè)分層值范圍。

圖6 母線電壓遙測(cè)曲線Fig.6 Telemetry curve of main bus voltage

圖7 太陽(yáng)電池陣輸出電流遙測(cè)曲線Fig.7 Telemetry curve of solar array current

4 結(jié)束語

針對(duì)資源一號(hào)02D衛(wèi)星長(zhǎng)壽命、側(cè)擺機(jī)動(dòng)成像的能源需求特點(diǎn)，供配電分系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于S4R限頻調(diào)節(jié)技術(shù)的電源方案，配置了長(zhǎng)壽命鋰離子蓄電池、高剛度太陽(yáng)翼等核心產(chǎn)品，并采用星上能源自主管理方案，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星在軌高可靠穩(wěn)定運(yùn)行。衛(wèi)星在軌飛行對(duì)供配電分系統(tǒng)的功能性能進(jìn)行了充分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：供配電分系統(tǒng)功能正常，性能優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，可為未來遙感衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。