馬力君，宋 濤，代 磊，張 明，魯 偉，宋相毅，趙 健

(1.中電科藍(lán)天科技股份有限公司，天津 300384；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；3.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430070)

考慮月球日周期長度和月球表面晝夜溫差問題對(duì)駐留區(qū)能源的影響。針對(duì)未來多能源功率調(diào)節(jié)的需求，需要研制駐留區(qū)能量管理模塊，駐留區(qū)能量管理模塊對(duì)多種能量單元(太陽電池陣、核反應(yīng)堆、RTG、燃料電池、鋰電池)進(jìn)行功率的調(diào)節(jié)，輸出100 V 穩(wěn)定可靠的母線電壓，滿足負(fù)載所需的能量來源。

駐留區(qū)能源管理模塊采用多源電力變換與功率調(diào)節(jié)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽電池陣發(fā)電、核反應(yīng)堆發(fā)電、燃料電池發(fā)電、蓄電池儲(chǔ)能、RTG 發(fā)電等多種發(fā)電源的統(tǒng)一控制與高效功率調(diào)節(jié)，對(duì)外輸出100 V 平臺(tái)母線，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)多源輸入下可靠穩(wěn)定運(yùn)行，具備為駐留區(qū)遠(yuǎn)近場(chǎng)無線能量傳輸模塊、燃料電池電解的供電能力。

經(jīng)過對(duì)任務(wù)的分析與解剖，得出了以下的結(jié)論：

(1)能源類型多樣。根據(jù)不同任務(wù)階段、環(huán)境特點(diǎn)采用不同的高效、輕質(zhì)能源類型，包括太陽電池陣、燃料電池、鋰離子電池、RTG 核反應(yīng)堆等。

(2)長期大功率月面能源基地的建設(shè)采用模塊化擴(kuò)展、逐步構(gòu)建，且在初期采用太陽能發(fā)電構(gòu)造基礎(chǔ)能源，在此基礎(chǔ)上逐步構(gòu)建核電源系統(tǒng)。

(3)月面能源系統(tǒng)中，如何高效實(shí)現(xiàn)長時(shí)間(14 d)、低溫(－187 ℃)的月夜能源供給，無線能量傳輸、RTG 保溫等方式具有可行性。

1 多能源管理模塊系統(tǒng)

1.1 模塊劃分與能量調(diào)度

駐留區(qū)能量管理模塊共計(jì)設(shè)置7 個(gè)模塊，如圖1所示。其中RTG 模塊負(fù)責(zé)RTG 功率調(diào)節(jié)和控制，核反應(yīng)堆模塊負(fù)責(zé)核反應(yīng)堆的功率調(diào)節(jié)，太陽電池陣模塊負(fù)責(zé)太陽電池的功率調(diào)節(jié)與控制功率調(diào)節(jié)，燃料電池模塊負(fù)責(zé)燃料電池功率調(diào)節(jié)，蓄電池模塊負(fù)責(zé)鋰電池充放電調(diào)節(jié)，下位機(jī)模塊完成遙測(cè)遙控和通信功能。

圖1 駐留區(qū)能量管理單元模塊劃分

駐留區(qū)能量管理模塊的系統(tǒng)能量調(diào)度方案主要有統(tǒng)一的MEA 控制和下垂控制兩種，由于駐留區(qū)能量管理模塊能源較為集中，采用統(tǒng)一的MEA 控制方式。參考傳統(tǒng)衛(wèi)星的三域調(diào)節(jié)器，將駐留區(qū)能量管理模塊設(shè)計(jì)成六域調(diào)節(jié)器，如圖2 所示。通過統(tǒng)一的MEA 誤差信號(hào)對(duì)多種能源進(jìn)行功率控制調(diào)節(jié)，不同的單元在誤差信號(hào)的作用下，工作于適合的工作狀態(tài)，同時(shí)在域與域之間，設(shè)置相應(yīng)的死區(qū)，防止出現(xiàn)多個(gè)變換器共同控制母線的情況。首先當(dāng)RTG 能源滿足系統(tǒng)要求時(shí)，RTG 負(fù)責(zé)穩(wěn)定母線電壓，隨著功率需求的增加，RTG 處于最大功率跟蹤的狀態(tài)[1]，由核反應(yīng)堆放電穩(wěn)定母線電壓，依次隨著各個(gè)單元功率增加而處于最大功率跟蹤狀態(tài)或特定工作狀態(tài)時(shí)，即由下一個(gè)單元來穩(wěn)定母線電壓。

圖2 供電順序

1.2 系統(tǒng)控制方式與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)控制方式考慮數(shù)字控制和模擬控制兩種，模擬控制可靠性高，數(shù)字控制靈活方便，考慮到研制周期與進(jìn)度要求，采用傳統(tǒng)的模擬控制。

能量管理模塊由多個(gè)功能模塊組成，如何在各模塊可靠工作的同時(shí)保證各個(gè)模塊協(xié)調(diào)一致地工作，其中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選型確定對(duì)于功率密度影響最大。采用隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然可以實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)器件的軟開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)寬范圍輸入輸出變比情況下的高效率，但是軟開關(guān)隔離變換器必不可少的是隔離變壓器和諧振元件，相較于非隔離拓?fù)?，在功率密度方面并不占?yōu)勢(shì)。這也是航天器電源控制器一般采用非隔離硬開關(guān)拓?fù)涞闹匾?。除了RTG 和燃料電池存在高變比的情況外，其余能源輸入和輸出均較為接近，采用硬開關(guān)非隔離拓?fù)湟廊豢梢垣@得不錯(cuò)的效率，因此本研究所有能源的功率變換均采用硬開關(guān)非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 能源管理模塊

2.1 RTG 功率調(diào)節(jié)模塊

對(duì)于RTG 功率調(diào)節(jié)的要求是輸入功率≥300 W，輸入電壓30～40 V，輸出為100 V 母線。

RTG 輸入電壓低，需采用升壓MPPT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最佳功率點(diǎn)的跟蹤和輸出母線電壓調(diào)節(jié)。根據(jù)RTG 輸出特點(diǎn)，為了防止RTG 熱端溫度過高而造成性能退化率增加，影響其工作壽命，在RTG 電源系統(tǒng)應(yīng)用過程中需要兼顧如下幾條實(shí)用原則：(1)RTG 在軌不允許長時(shí)間工作在開路狀態(tài)。

(2)負(fù)載功率小于RTG 最大輸出功率時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)能自動(dòng)完成RTG 輸出與負(fù)載功率之間的動(dòng)態(tài)匹配控制，保持系統(tǒng)能量平衡。

(3)負(fù)載功率大于RTG 輸出功率時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)完成RTG 最大功率模式輸出，同時(shí)自動(dòng)完成備份能源的接入，以滿足飛行器能源平臺(tái)。

(4) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠自動(dòng)適應(yīng)RTG 最大功率點(diǎn)漂移變化，保證在飛行器整個(gè)壽命周期內(nèi)RTG 輸出能量的充分利用。

(5) 最大程度范圍內(nèi)減小整個(gè)電源系統(tǒng)功能配置，減輕電源系統(tǒng)質(zhì)量，減低發(fā)射成本。

根據(jù)上述原則，需要開發(fā)功率自適應(yīng)溫差發(fā)電電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足以RTG 為代表的熱電能源系統(tǒng)的應(yīng)用，滿足后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)的需求。

由于RTG 內(nèi)阻大，輸出動(dòng)態(tài)影響能力弱，因此要求與其連接的功率調(diào)節(jié)單元輸入電流連續(xù)，根據(jù)其輸出功率與輸出電流的曲線可知，隨著其輸出功率增大，其輸出電壓逐漸變化，當(dāng)其輸出功率達(dá)到最大時(shí)，其輸出電壓達(dá)到其額定工作點(diǎn)。

根據(jù)RTG 發(fā)電單元特性及其應(yīng)用工況，并結(jié)合飛行器負(fù)載用電需求，通過調(diào)節(jié)RTG 輸出電壓來匹配其輸出與負(fù)載用電功率。

圖3 為RTG 拓?fù)淇驁D。

圖3 RTG拓?fù)淇驁D

當(dāng)RTG 溫差發(fā)電單元輸出的功率大于負(fù)載用電時(shí)，電源控制器的RTG 功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)RTG 輸出電壓來匹配負(fù)載功率需求，以穩(wěn)定母線，同時(shí)自主一體化儲(chǔ)能單元完成對(duì)蓄電池組補(bǔ)充電量；當(dāng)RTG 輸出功率不滿足負(fù)載用電時(shí)，功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)RTG 輸出在最大功率工作點(diǎn)。

功率調(diào)節(jié)器采用SuperBoost 的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]，SuperBoost 輸入電流和輸出電流連續(xù)，可以滿足RTG輸出電壓變換要求，通過調(diào)節(jié)控制電路完成輸出母線控制及RTG 工作點(diǎn)調(diào)節(jié)，當(dāng)RTG 輸出功率不滿足負(fù)載功率時(shí)，調(diào)節(jié)控制電路通過RTG 輸出電壓、電流的變化來動(dòng)態(tài)跟蹤RTG 的最大功率點(diǎn)，高效地利用RTG 輸出能量。當(dāng)負(fù)載功率小于RTG 輸出功率時(shí)，調(diào)節(jié)控制電路通過調(diào)節(jié)RTG 輸出功率來平衡負(fù)載用需求，穩(wěn)定輸出母線。

2.2 核反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)模塊

核反應(yīng)堆電源功率調(diào)節(jié)的要求是：輸入功率≥1 kW，輸入電壓范圍65～85 V。經(jīng)過調(diào)研，國內(nèi)現(xiàn)有的核反應(yīng)堆輸出特性與RTG 輸出特性類似，因此，核反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)模塊采用與RTG 功率調(diào)節(jié)相類似方案，即核反應(yīng)堆單元輸出的功率大于負(fù)載用電時(shí)，電源控制器的核反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)核反應(yīng)堆輸出電壓來匹配負(fù)載功率需求，以穩(wěn)定母線；當(dāng)核反應(yīng)堆輸出功率不滿足負(fù)載用電時(shí)，功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)核反應(yīng)堆單元輸出在最大功率工作點(diǎn)。有區(qū)別的是輸入電壓范圍和功率等級(jí)，需要針對(duì)參數(shù)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

在核反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)模塊設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)電路，保證在功率調(diào)節(jié)電路發(fā)生故障的情況下，不會(huì)影響駐留區(qū)能量管理模塊母線電壓。

2.3 SAS模塊

太陽電池陣：輸入功率≥1 kW；根據(jù)電壓和功率等級(jí)，采用一級(jí)MPPT 即可以實(shí)現(xiàn)功率要求，設(shè)計(jì)一級(jí)太陽電池陣最大功率跟蹤。

SAS 模塊共設(shè)計(jì)了四種工作模式：MPPT 工作模式、限流工作模式、恒壓工作模式、開路模式。

2.4 燃料電池模塊

燃料電池的功率調(diào)節(jié)分為燃料電池放電和燃料電池電解兩個(gè)功率模塊，且所需求的功率均為1 000 W。燃料電池放電模塊在模擬月夜時(shí)將可再生燃料電池產(chǎn)生的電供母線負(fù)載使用，燃料電池電解模塊用于模擬在月晝能量管理模塊能量充足時(shí)，將100 V變換為燃料電池電解所需要的28 V 電壓。

燃料電池放電采用Superboost 功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，燃料電池電解采用Buck 功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了避免單個(gè)器件失效導(dǎo)致母線和蓄電池輸出過載，在輸入和輸出端口設(shè)計(jì)了過流保護(hù)電路。保護(hù)電路由電流采樣和功率開關(guān)兩個(gè)部分組成，過流保護(hù)電路位于調(diào)節(jié)器輸入口高端。

圖4 為燃料電池變換器框圖。

圖4 燃料電池變換器框圖

2.5 BCDR 模塊

BDR 電路功率為1 000 W，BCR 功率為500 W，模塊內(nèi)部包括輸入保護(hù)電路及濾波電路、母線端輸入保護(hù)電路及濾波電路、電池充放電電流采樣、功率變換電路、母線輸出電流采樣、PWM 控制電路[5]。為了保持設(shè)計(jì)的一致性，BDR 采用在駐留區(qū)能量管理模塊中得到應(yīng)用的Superboost 電路，BCR 采用Buck電路，充放電調(diào)節(jié)模塊如圖5 所示。

圖5 充放電調(diào)節(jié)器功率拓?fù)?/p>

為了避免單個(gè)器件失效導(dǎo)致母線和蓄電池輸出過載，在輸入和輸出端口設(shè)計(jì)了過流保護(hù)電路[6]。保護(hù)電路由電流采樣和功率開關(guān)兩個(gè)部分組成，過流保護(hù)電路位于調(diào)節(jié)器輸入口高端。

針對(duì)鋰離子電池組采用先恒流后恒壓的充電控制方式，在電池組未達(dá)到恒壓段時(shí)，充電電流由充定值與MEA 決定，隨著電池組電壓逐漸升高；當(dāng)電池組電壓接近或達(dá)到恒壓設(shè)定值時(shí)，BCR 充電電流受控于BEA，充電電流隨著BEA 的減小而逐漸減小，從而維持電池組的恒壓狀態(tài)，確保鋰離子電池組不被過充。

2.6 下位機(jī)模塊

下位機(jī)模塊是能量管理模塊的控制中心，通過RS422 總線實(shí)現(xiàn)與中控機(jī)數(shù)據(jù)交互，接收中控機(jī)發(fā)送總線指令對(duì)總線數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理；根據(jù)中控機(jī)發(fā)送遙測(cè)輪詢指令，按照總線協(xié)議反饋系統(tǒng)的工程遙測(cè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)中控機(jī)對(duì)駐留區(qū)能量管理模塊控制與管理功能。

3 多能源調(diào)節(jié)變換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

駐留區(qū)能量管理模塊結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊化結(jié)構(gòu)可很好地解決功率器件的散熱、安裝、功率擴(kuò)展的問題。同時(shí)，易于安裝與調(diào)試。能量管理模塊產(chǎn)品見圖6 所示。

圖6 產(chǎn)品照片

4 總結(jié)

本文首先討論了多能源調(diào)節(jié)變換器的必要性與需求，通過分析科研站駐留區(qū)各個(gè)能源單機(jī)的需求和性能，采用MEA 控制方式將駐留區(qū)能量管理模塊設(shè)計(jì)成六域調(diào)節(jié)器。研究駐留區(qū)多能源調(diào)節(jié)變換器技術(shù)，通過對(duì)多能源的合理調(diào)度和利用，旨在提高多能源利用效率和可靠性，為未來在軌應(yīng)用提供重要的技術(shù)支持。