姜東升，雷英俊，張曉峰，張博溫，何德華

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.深圳市航天新源科技有限公司，廣東 深圳 518057)

總體部研制的某微小衛(wèi)星公用平臺(tái)可以承載光學(xué)遙感相機(jī)、SAR 載荷、通信載荷等有效載荷，本文研究了一種適合該微小衛(wèi)星公用平臺(tái)不同載荷任務(wù)的供配電組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。衛(wèi)星供配電組件負(fù)責(zé)在發(fā)射場(chǎng)待發(fā)段、發(fā)射段、自主飛行段、各個(gè)飛行階段向衛(wèi)星負(fù)載提供連續(xù)的電能，并提供瞬時(shí)的峰值功率。在軌運(yùn)行光照期間，通過(guò)太陽(yáng)電池陣將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，為星上儀器設(shè)備供電并對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電；地影期間或在峰值負(fù)載時(shí)，控制蓄電池組放電，為星上儀器設(shè)備補(bǔ)充供電。供配電組件由電源控制器、功率管理模塊、載荷鋰離子蓄電池組、固定太陽(yáng)電池陣、展開太陽(yáng)電池陣組成。

太陽(yáng)翼選用最新的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%；采用最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將太陽(yáng)翼的輸出功率利用率提高到95%；采用多母線體制配電管理；蓄電池采用超高功率電極結(jié)構(gòu)，放電倍率達(dá)到20C，最大連續(xù)放電功率10 kW。整個(gè)分系統(tǒng)僅重40 kg 左右，極大地提高了電源分系統(tǒng)的比功率和比能量指標(biāo)。

1 電源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)擬采用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池、鋰離子蓄電池組、基于MPPT 的能量傳輸體制，載荷選用不調(diào)節(jié)母線，平臺(tái)選用5、±12、30.5 V 全調(diào)節(jié)母線集中供電模式。

主要技術(shù)指標(biāo)為：三結(jié)砷化鎵電池效率32%；太陽(yáng)翼利用率95%；太陽(yáng)翼輸出功率500 W；全調(diào)節(jié)母線5、±12、(30.5±0.5)V；不調(diào)節(jié)母線60～82 V；脈沖連續(xù)放電功率10 kW；分系統(tǒng)質(zhì)量約40 kg。電源組件設(shè)備指標(biāo)如表1 所示。

表1 電源組件設(shè)備指標(biāo)

1.1 MPPT 功率傳輸體制

電源系統(tǒng)的能量傳遞方式采用MPPT 控制。傳統(tǒng)的分流調(diào)節(jié)技術(shù)，太陽(yáng)電池陣的工作點(diǎn)設(shè)定為固定的參考值，不能隨峰值功率點(diǎn)變化，無(wú)法在整個(gè)壽命期間最大限度利用太陽(yáng)電池陣電能[1-2]。

MPPT 技術(shù)能夠克服環(huán)境條件引起的太陽(yáng)電池陣峰值功率點(diǎn)變化對(duì)輸出功率的影響，在整個(gè)壽命期間能最大限度利用電池陣產(chǎn)生的電能。其基本原理是：通過(guò)控制技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整太陽(yáng)電池陣工作點(diǎn)使之跟隨峰值功率點(diǎn)變化，最大限度輸出太陽(yáng)電池陣功率[3-4]。MPPT 掃描工作區(qū)間如圖1 所示。

圖1 MPPT掃描工作區(qū)間

MPPT 模式控制電路采用四開關(guān)管電流模式單電感器架構(gòu)，如圖2 所示。監(jiān)視輸入電壓、電流，輸出電壓、電流，形成四個(gè)反饋環(huán)路控制四路N 溝道MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)。最大功率點(diǎn)的追蹤算法采用擾動(dòng)和觀察控制算法[5-6]。

圖2 MPPT控制電路框圖

1.2 太陽(yáng)翼設(shè)計(jì)

衛(wèi)星太陽(yáng)翼包括1 塊展開式太陽(yáng)電池陣和1 塊安裝在衛(wèi)星星體上的鋁基板上的固定太陽(yáng)電池陣組成。展開式太陽(yáng)電池陣尺寸為2 141 mm×750 mm，體裝式太陽(yáng)電池陣尺寸為2 141 mm×520 mm。為滿足整星功率需求，太陽(yáng)電池陣采用平均光電轉(zhuǎn)換效率不低于30%的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池作為發(fā)電單元。整個(gè)太陽(yáng)電池陣劃分為3 個(gè)分陣，對(duì)應(yīng)PCU 的3個(gè)分流級(jí)，由PCU 將太陽(yáng)翼的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成統(tǒng)一母線輸出到各個(gè)配電器。

太陽(yáng)電池陣采用30.6 mm×40.3 mm 三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池為發(fā)電單元，每片電池均安裝旁路二極管,太陽(yáng)電池表面粘貼摻鈰玻璃蓋片。太陽(yáng)電池片如圖3 所示。

圖3 30.6 mm×40.3 mm 的GaInP2/GaAs/Ge單體電池

30.6 mm×40.3 mm 的GaInP2/GaAs/Ge 三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的性能參數(shù)如下：短路電流密度17.1 mA/cm2，開路電壓2 700 mV，最佳工作點(diǎn)電流密度為16.8 mA/cm2，最佳工作點(diǎn)電壓為2 410 mV，填充因子FF=0.87，光電轉(zhuǎn)換效率為30%。測(cè)試條件：溫度(25±2)℃，1 Sun。

太陽(yáng)電池陣為串、并混聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用一種規(guī)格的太陽(yáng)電池，有利于太陽(yáng)電池電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高太陽(yáng)電池陣的布片系數(shù)，減少剩磁等[7-8]。展開式太陽(yáng)電池陣基板尺寸為2 141 mm×750 mm，串聯(lián)片數(shù)為20 片，在基板尺寸條件下，可以排布49 串電路，去除壓緊點(diǎn)及鉸鏈處，可布置980 片太陽(yáng)電池。體裝式太陽(yáng)電池陣基板尺寸為2 141 mm×520 mm，串聯(lián)片數(shù)為24 片，在基板尺寸條件下，可以排布28 串電路，去除壓緊點(diǎn)及鉸鏈處，可布置672 片太陽(yáng)電池。整星共布置1 652 片太陽(yáng)電池。圖4 為太陽(yáng)翼構(gòu)型圖。

圖4 太陽(yáng)翼構(gòu)型圖

1.3 蓄電池組設(shè)計(jì)

衛(wèi)星蓄電池組包括1 臺(tái)平臺(tái)蓄電池組和一臺(tái)載荷蓄電池組。平臺(tái)電池組采用由高比能量18650 單體電池組成的鋰離子蓄電池組，載荷電池組采用高功率電池組成的鋰離子蓄電池組。

平臺(tái)鋰離子蓄電池組的容量為15 Ah，由42 節(jié)鋰離子蓄電池進(jìn)行6 并7 串組成。蓄電池組結(jié)構(gòu)采用套筒式結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，這種套筒-底板一體化結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：(1)抗力學(xué)能力強(qiáng)，能滿足衛(wèi)星發(fā)射的力學(xué)環(huán)境要求；(2)熱傳導(dǎo)性能好，電池工作產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)套筒直接傳導(dǎo)到衛(wèi)星安裝面上；(3)盡可能減輕了電池組結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。

圖5 平臺(tái)鋰離子蓄電池組結(jié)構(gòu)

載荷鋰離子蓄電池組單體電池采用超高功率鋰離子電池[9]。單體電池的結(jié)構(gòu)采用圓柱形結(jié)構(gòu)。圓柱形鋰離子蓄電池由正極、負(fù)極、隔膜、電解液、電池殼體、電池正極端蓋、電池負(fù)極端蓋(電池正極端蓋、電池負(fù)極端蓋以下統(tǒng)稱為電池蓋)、負(fù)極柱、絕緣密封圈等幾部分組成。采用鋁合金材料做電池外殼，電池外殼、上蓋和下蓋均采用鋁合金材料，電池殼與電池蓋采用電子束焊接連接。電池的正、負(fù)極柱在電池的兩端，電池正極柱與電池外殼連接，電池負(fù)極柱為金屬銅，與電池殼體絕緣。蓄電池組由20 只5 Ah 圓柱型鋰離子蓄電池通過(guò)20 串組成，電池組結(jié)構(gòu)采用套筒式結(jié)構(gòu)，單體電池固定在套筒式結(jié)構(gòu)內(nèi)，如圖6 所示。

圖6 載荷鋰離子蓄電池組結(jié)構(gòu)

1.4 PCU 及配電轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

功率控制單元(PCU)是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的核心設(shè)備，起著調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池、蓄電池和負(fù)載之間功率平衡的作用[10]。該P(yáng)CU 為衛(wèi)星提供一條不調(diào)節(jié)母線，5、±12、30 V 等多條不同電壓調(diào)節(jié)母線，同時(shí)為平臺(tái)蓄電池和載荷蓄電池提供充放電管理功能。當(dāng)衛(wèi)星工作在光照期時(shí)，太陽(yáng)電池陣功率經(jīng)過(guò)3 個(gè)電源控制調(diào)節(jié)模塊輸出經(jīng)中間母線給蓄電池充電，并傳輸功率到不調(diào)節(jié)母線和多條不同電壓調(diào)節(jié)母線。圖7 所示為PCU整機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖7 PCU 整機(jī)結(jié)構(gòu)

電源控制器的設(shè)計(jì)基于低成本商業(yè)級(jí)器件，LT8490 是一款具有MPPT 功能的高電壓、大電流降壓-升壓型電池充電控制芯片。該器件可采用高于、低于或等于輸出電壓的輸入電壓運(yùn)作，并能由太陽(yáng)電池板供電。LT8490 實(shí)現(xiàn)升降壓控制，通過(guò)MPPT 算法對(duì)太陽(yáng)電池陣實(shí)現(xiàn)MPPT 功率控制，對(duì)鋰離子蓄電池采用限流恒壓控制，控制電路高度集成，使電路面積大大減小，模塊質(zhì)量輕，同時(shí)也減少了成本。

電源變換電路，主備各選用一片5 V 及±12 V DC/DC 電源模塊，同時(shí)對(duì)于主備份5 V DC/DC 及±12 V DC/DC 電源模塊，共用一片濾波器進(jìn)行濾波。主備濾波器的輸入端采用熔斷器并聯(lián)的方式保證主備電源模塊任何一個(gè)故障后電源變換電路仍能正常工作，不會(huì)拉低一次母線。

2 能量平衡分析

針對(duì)某一特征軌道衛(wèi)星任務(wù)指標(biāo)：太陽(yáng)同步軌道晨昏軌道；太陽(yáng)翼輸出功率530 W；平臺(tái)長(zhǎng)期功耗260 W；載荷功耗5 000 W(持續(xù)30 s)；軌道周期94.6 min；最長(zhǎng)地影時(shí)間22 min。

通過(guò)仿真分析軟件，對(duì)該特征軌道任務(wù)的電源系統(tǒng)能量平衡進(jìn)行分析，確認(rèn)在當(dāng)前設(shè)計(jì)邊界條件下，最大22 min 地影，最大光照角30.8°，最惡劣條件相疊加作用下，SAR 脈沖大功率載荷每工作一次，電源系統(tǒng)放電深度達(dá)到15.2%，經(jīng)過(guò)5個(gè)軌道周期能實(shí)現(xiàn)能量平衡，如圖8～圖10 所示。

圖8 太陽(yáng)翼法線矢量與太陽(yáng)矢量夾角

圖9 一年內(nèi)軌道地影時(shí)間變化

圖10 能量平衡分析

3 結(jié)論

對(duì)于脈沖大功率載荷的微小衛(wèi)星公用平臺(tái)，本文給出了一種適用不同載荷任務(wù)需求的衛(wèi)星電源分系統(tǒng)方案，可以滿足一種SAR 大功率脈沖載荷在軌任務(wù)的能源需求。文中給出的能量平衡仿真實(shí)例證明了該方案的任務(wù)滿足有效性。