QC案例：高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU研制

◆ “電源科技”QC小組 / 文

QC案例：高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU研制

◆ “電源科技”QC小組 / 文

空間飛行器的研制重量資源有限，功率需求也越來越大，供配電系統(tǒng)的重量占整個(gè)飛行器重量較大的比例。供配電系統(tǒng)中的電源控制器負(fù)責(zé)太陽電池陣和蓄電池組產(chǎn)生能量的變換與傳輸，飛行器的全部能量傳輸都要經(jīng)過電源控制器，電源控制器的高重量比功率設(shè)計(jì)顯得尤為重要。據(jù)美國航空航天局(NASA)統(tǒng)計(jì)，衛(wèi)星每公斤發(fā)射成本約1萬美金。若電源控制器重量比功率過低，則同樣的負(fù)載功率需要的重量就會(huì)增加，會(huì)增加飛行器的重量。另外，隨著高軌通信衛(wèi)星對(duì)大功率電源控制器需求的日益提高，高軌通信衛(wèi)星對(duì)能源的要求極為苛刻，提高電源控制器的重量比功率迫在眉睫。為了提高重量比功率，需要對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行研究，將新的技術(shù)應(yīng)用到電源控制器產(chǎn)品中，使電源控制器的重量比功率在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高。

1．選擇課題

1）類似國外PCDU研制

國外PCDU不僅包括傳統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)與配電，火工品起爆控制等功能，還包括加熱器控制、推進(jìn)系統(tǒng)配電等功能。將多臺(tái)單機(jī)設(shè)備集成在一臺(tái)設(shè)備中，集成度較高。國內(nèi)沒有相關(guān)研究。國外PCDU設(shè)備的功率質(zhì)量比在164W/ kg～425W/kg之間。

2）高重量比功率PCU研制

PCU（功率調(diào)節(jié)單元）為國內(nèi)普遍應(yīng)用的產(chǎn)品，主要包括功率調(diào)節(jié)功能。其他的配電功能，火工品起爆控制等功能在其他分系統(tǒng)的控制單機(jī)設(shè)備內(nèi)。我國對(duì)PCU產(chǎn)品具有豐富的研制經(jīng)驗(yàn)，成熟度高，可在其基礎(chǔ)上改進(jìn)。然而，國內(nèi)PCU設(shè)備功率質(zhì)量比為68W/ kg～133W/kg。PCU集成度不高，不適合未來發(fā)展趨勢。

3）高重量比功率PCDU研制

傳統(tǒng)PCDU除包括PCU外，還包括配電單元，火工品起爆控制，智能接口單元等。高重量比功率PCDU集成度高，而PCDU中包括PCU，具有良好的繼承性，可在繼承的基礎(chǔ)上改進(jìn)。PCDU不但具有高的集成度，其中各個(gè)集成模塊均有技術(shù)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。從電路技術(shù)研究角度，可進(jìn)一步改進(jìn)充電分流電路和放電電路的技術(shù)，通過減少元器件和提高效率達(dá)到降低重量并減少損耗的目的。從結(jié)構(gòu)材料研究角度，可選擇較輕的結(jié)構(gòu)材料減輕重量。

因此，最終從技術(shù)可行性、應(yīng)用前景、技術(shù)提升以及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，確定高軌衛(wèi)星PCDU研制為研究課題。

2．設(shè)定目標(biāo)

針對(duì)高軌衛(wèi)星PCDU調(diào)查研究已經(jīng)以往經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，小組最終設(shè)定高軌衛(wèi)星高重量PCDU研制的指標(biāo)為：重量比功率達(dá)到350W/ kg。其中，PCDU要供給飛行器能量，需設(shè)定PCDU的輸出功率范圍從7.2kW～21.6kW，質(zhì)量不超過60kg。

（1）母線電壓：全調(diào)節(jié)母線為100.3±0.29V；

（2）母線紋波：峰-峰值不大于400mVp-p（0～20MH）。

3．提出方案并確定最佳方案

為滿足高軌衛(wèi)星大容量需求，QC小組成員極力推行高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU研制集成化、模塊化。集成化設(shè)計(jì)主要通過元器件表貼化和功率印制板化得以實(shí)現(xiàn)。模塊化設(shè)計(jì)主要采取相同電路功能固化，使得功率增減轉(zhuǎn)變成模塊的增減。其中配電模塊由繼電器組成，不進(jìn)行方案選擇，采用固化設(shè)計(jì)。

高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU系統(tǒng)圖如圖1所示，在保證安全可靠性情況下，對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，選擇更加優(yōu)質(zhì)材料使其密度小、重量輕具有良好導(dǎo)熱性能，機(jī)械性能；對(duì)于電路拓?fù)浼翱刂品椒ǎx擇高效拓?fù)浜透咝阅芸刂品椒?；?duì)于元器件，選擇低成本，高可靠性元器件。統(tǒng)籌兼顧三者，均衡優(yōu)化，制定最佳方案。

（1）通過對(duì)S4R控制、S3R控制和混合控制3種方案的比較分析，S3R電路方案由于重量較輕，體積小，易于調(diào)試。確定S3R控制分流電路為最佳方案。

（2）通過對(duì)B U C K電路、B U C K電路+L C電路和SuperBuck電路3種方案的比較分析，SuperBuck電路由于具有效率高，電感小、磁性元較輕、易穩(wěn)定、輸入紋波小，確定SuperBuck電路為充電電路為最佳方案。

（3）通過對(duì)boost交錯(cuò)并聯(lián)、Wenberg電路和Hi-Boost3種方案的比較分析，由于Hi-Boost電路具有效率非常高，可靠性好。確定為Hi-Boost電路為最佳方案。

（4）經(jīng)過對(duì)比分析垂直下降法、主從設(shè)置法、平均電流自動(dòng)均流法、外加均流控制器和雙環(huán)控制方法5種方法，雙環(huán)控制方法具有均流精度高，可靠性高，確定為最佳方案。

5）結(jié)構(gòu)材料通過鎂合金和鋁合金對(duì)比分析，由于鎂合金以其低密度、輕質(zhì)量和良好機(jī)械性能稱為最佳方案。

4．制定對(duì)策及對(duì)策實(shí)施

1）大功率寬范圍設(shè)計(jì)

大功率寬范圍主要實(shí)施，元器件表貼化設(shè)計(jì)和功率印制板化3結(jié)構(gòu)模塊化，可有效降低重量體積，

圖1 高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU框圖

提高高軌衛(wèi)星PCDU比功率。

2）母線紋波、均流技術(shù)和放電電路效率

母線紋波、并聯(lián)均流控制技術(shù)、HI-BOOST電路效率采用正交實(shí)驗(yàn)法。正交實(shí)驗(yàn)法可有效找到影響因子，并確定影響程度，最終得到最佳參數(shù)。

5．鞏固措施并確認(rèn)效果

高軌衛(wèi)星高重量比功率PCDU由8個(gè)S3R模塊、14個(gè)BCDR模塊、2個(gè)TMTC模塊構(gòu)成，最大輸出功率21.6kW，模塊重量為60Kg，重量比功率為360W/ kg。母線電壓100.3V，母線紋波為258mV，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。為進(jìn)一步鞏固成果，我們采取以下措施對(duì)研制成果加以鞏固，從2014年1月份開始至2014年2月份，對(duì)研制生產(chǎn)的PCDU進(jìn)了1個(gè)月的正弦振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、加速度試驗(yàn)、真空放電試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)等可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，產(chǎn)品性能指標(biāo)未發(fā)生變化，性能良好。

電源控制器重量比功率的提高適應(yīng)未來航天發(fā)展要求，是我國航天領(lǐng)域電源分系統(tǒng)的技術(shù)儲(chǔ)備。我國航天活動(dòng)進(jìn)入高軌衛(wèi)星領(lǐng)域，需求大容量、寬范圍的電源控制器產(chǎn)品，對(duì)電源控制器的重量比功率提出更高的要求。本次QC活動(dòng)成果突破了國內(nèi)電源控制器的重量比功率指標(biāo)，并趕超了國際水平，為我國開展高軌衛(wèi)星平臺(tái)建設(shè)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

（作者單位：上海空間電源研究所）