國外小天體探測器電源系統(tǒng)設(shè)計分析

朱立穎 劉治鋼 張曉峰

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

從1958年美國發(fā)射第1個月球探測器先驅(qū)者0號開始，人類開展深空探測任務(wù)已經(jīng)有60年的歷史，共發(fā)射了200多個探測器，涵蓋月球、各大行星、小行星、彗星及太陽等多個探測目標。行星、太陽和小天體的探測作為重要的發(fā)展方向，從20世紀90年代開始，以小天體為目標的探測活動日益增多，成為深空探測領(lǐng)域備受關(guān)注的熱點，并獲得了較為豐碩的成果。

國際上小天體(主要指小行星和彗星)探測已有30多年，美、歐、日先后完成了標志性的任務(wù)，如日本隼鳥號(Hayabusa)[1]、歐洲羅塞塔(Rosseta)[2]及美國黎明號(Dawn)[3]等。小天體探測任務(wù)也逐漸由“飛越探測”向“繞飛-附著-采樣”直至“偏轉(zhuǎn)-操控-利用”方向發(fā)展。隨著探測任務(wù)的復雜、探測距離的增加，電源系統(tǒng)作為探測器的“心臟”，其電能供應(yīng)的需求也大幅度的提高。小天體探測器多采用電推進作為主推進器。電推進負載具有功耗大、母線電壓高及工作模式多樣等特點，對電源系統(tǒng)的設(shè)計提出了新的需求和挑戰(zhàn)。目前，電源系統(tǒng)常用的拓撲結(jié)構(gòu)包括順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器(S3R)、串聯(lián)型順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器(S4R)[4]、最大功率點跟蹤(MPPT)[5]等。其中：S3R和S4R拓撲的電路形式簡單可靠、效率高，技術(shù)相對成熟；MPPT拓撲串聯(lián)了開關(guān)調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽電池發(fā)電功率的最大利用。

我國小天體探測器的電源系統(tǒng)研究工作起步較晚，可借鑒以美國、日本為代表的國外小天體探測器電源系統(tǒng)的設(shè)計、研制經(jīng)驗。本文對上述幾個小天體探測器的電源系統(tǒng)設(shè)計進行了介紹和分析，結(jié)合我國電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出我國小天體探測器電源系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，給出了發(fā)展建議。

1 國外典型小天體探測器電源系統(tǒng)設(shè)計概況

1.1 隼鳥號探測器電源系統(tǒng)設(shè)計

隼鳥號探測器由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)宇宙科學研究本部(ISAS)研制，其任務(wù)是探測近地小行星25143 Itokawa并獲取樣本返回。其特點主要體現(xiàn)在輕小型化要求、空間環(huán)境及負載電壓等方面。為了實現(xiàn)著陸-取樣-返回任務(wù)，受火箭及著陸條件的限制，對隼鳥號探測器的輕小型化提出了極高的要求，也嚴格限制了各個分系統(tǒng)單機的質(zhì)量。它距離地球的最遠距離在1.6 AU以上，在從近地軌道飛往小行星的過程中，光照條件及溫度變化較大，電源系統(tǒng)要適應(yīng)光照條件和溫度的變化，且電源系統(tǒng)的輸出效率較高。隼鳥號探測器采用離子電推進作為主推進，整器的功率需求在2000 W以上，電推進的工作電壓為0～120 V，平臺負載的工作電壓為(40±10)V，因此要求電源系統(tǒng)能滿足電推進和平臺負載的供電需求。

隼鳥號探測器電源系統(tǒng)原理框圖見圖1，主要參數(shù)見表1。電源系統(tǒng)采用不調(diào)節(jié)母線，設(shè)計時采用了新標準、新技術(shù)，具有如下特點。

(1)采用雙母線拓撲，一條母線由太陽電池陣未經(jīng)變換直接給電推進供電，另一條母線經(jīng)降壓變換器調(diào)壓后供給平臺其他負載。

(2)太陽電池陣為雙翼結(jié)構(gòu)，有效面積為11 m2，采用三結(jié)砷化鎵電池，太陽電池片的轉(zhuǎn)換效率為26%。

(3)采用全新的母線電壓控制技術(shù)。母線電壓控制沒有采用分流控制方式，而是采用串聯(lián)轉(zhuǎn)換調(diào)壓恒壓(SSR-CV)控制方式。隼鳥號探測器與太陽間的距離變化幅度很大(0.86～1.69 AU)，太陽電池片伏安特性曲線的變化也相當大。為了充分、有效地利用電能，電源系統(tǒng)采用SSR-CV母線電壓控制(見圖1)。SSR-CV母線拓撲結(jié)構(gòu)中降壓變換模塊實現(xiàn)MPPT串聯(lián)控制，即使在太陽電池陣伏安特性曲線變化很大的情況下，仍可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)(乃至到最大功率點)，不需要進行分流及設(shè)置分流控制電路。

(4)為確保輕小型化且滿足長達5年乃至更長時間在軌運行的需要，隼鳥號探測器采用鋰離子(Li-ion)蓄電池，鋰離子電池額定容量為13.2 A·h，由2個16串單體電池組成。

此外，隼鳥號探測器搭載了具有異常監(jiān)視和自主判斷能力、可進行自主診斷的智能衛(wèi)星控制軟件調(diào)節(jié)系統(tǒng)ISACS-DOC。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測電源系統(tǒng)，保證管理與控制人員在故障發(fā)生之前了解可能出現(xiàn)的故障，并留有較充足的時間研討應(yīng)采取哪些對策。

參數(shù)指標產(chǎn)生電能(壽命末期)/W2575(距太陽1AU)太陽電池陣三結(jié)砷化鎵,11m2蓄電池鋰離子,13.2A·h母線電壓/V50設(shè)計壽命/年5

1.2 羅塞塔探測器電源系統(tǒng)設(shè)計

羅塞塔探測器是首個彗星附著探測器，主要任務(wù)是檢測彗核和彗發(fā)的成分，對彗核進行監(jiān)測，研究彗星的起源、彗星與星際物質(zhì)之間的關(guān)系、太陽系的起源。羅塞塔探測器要追趕彗星飛行10年以上，在任務(wù)期間，與太陽距離跨度大(0.90～5.25 AU)，溫度變化范圍大(-130～+50 ℃)，工作模式多樣。因此對電源系統(tǒng)提出了更高的要求：太陽電池陣既能滿足近日點的功率需求，也要滿足遠日點的功率需求；在不同的工作模式下，能提供穩(wěn)定的母線電壓。

羅塞塔探測器電源系統(tǒng)原理框圖見圖2，設(shè)計方案的主要特點如下。

圖2 羅塞塔探測器電源系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Rosseta power system functional block diagram

(1)電源系統(tǒng)采用全調(diào)節(jié)功率母線，母線電壓范圍為(28.0±0.1)V。

(2)太陽電池陣為雙翼結(jié)構(gòu)，每個翼包含5個單板，單板尺寸為2.25 m×2.736 m，太陽電池陣總面積約為61.5 m2。太陽電池陣采用硅太陽電池片，每個單板的布局為25串91并。太陽電池陣的最大輸出功率為7.125 kW(壽命初期，1 AU，+50 ℃)，在距太陽的距離為5.25 AU(+130 ℃)時僅為400 W。

(3)電源控制器中包含6個APR，每個翼的功率輸出并聯(lián)連接到3個APR。2個APR模塊中配置3個熱備份的APR單元，跟蹤太陽電池陣的電壓特性，直到與最大功率點輸出一致。APR在MPPT模式下進行調(diào)節(jié)，從而控制在該級的太陽電池陣輸出功率。

(4)電源系統(tǒng)具有2個獨立的配電單元(PDU)，其中包含電子鎖存限流器(LCL)、限制反流器(FCL)、火工品控制器、切割器和專用加熱器控制開關(guān)。這些開關(guān)為探測器提供輸出接口和必要的線路保護，以限制負載故障的傳播。

(5)鋰離子蓄電池包括3個獨立的模塊，每個模塊包含11串6并的Sony 18650HC鋰離子電池。3個模塊鋰離子電池的總?cè)萘繛?5 A·h，比能量為104 W·h/kg。

1.3 黎明號探測器電源系統(tǒng)設(shè)計

黎明號探測器的任務(wù)目標是測量谷神星和灶神星小行星的質(zhì)量、形狀、體積和自旋狀態(tài)，考察2顆小行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并進行對比研究，在此基礎(chǔ)上研究太陽系形成后早期的狀態(tài)，了解太陽系的起源與演化。其任務(wù)需求特點包括：探測距離達到3 AU以遠；采用離子推進技術(shù)，且推進器的使用時間長，可適應(yīng)的母線電壓范圍為80～140 V；工作模式多，功率需求大，在巡航模式時(1.0～2.9 AU)功率需求大于3000 W，在對谷神星(2.2～2.5 AU)和灶神星(2.8～2.9 AU)探測時功率需求大于600 W。

根據(jù)黎明號探測器的任務(wù)特點，對電源系統(tǒng)具體要求包括：為電推進提供高壓母線，要求電源系統(tǒng)能夠適應(yīng)電推進系統(tǒng)大功率工作和增加或減小負載的需求；為平臺提供低壓母線；在1 AU時的功率需求為10 700 W，其探測任務(wù)的最遠距離達到3 AU以遠，電源系統(tǒng)在遠距離時須提供足夠的功率，同時在近地時也可滿足負載需求。因此，電源系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)充分考慮遠距離小行星探測任務(wù)在低溫低光照條件下對電源系統(tǒng)的影響。

黎明號探測器電源系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示，其設(shè)計方案主要特點如下。

(1)采用不調(diào)節(jié)母線體制，電源系統(tǒng)為電推進提供80～140 V的高壓母線，為平臺其他負載提供22～35 V母線。

(2)太陽電池陣為雙翼結(jié)構(gòu)，每個翼由5塊單板組成，總面積約為36.5 m2。它采用三結(jié)砷化鎵電池，電池轉(zhuǎn)換效率大于27.5%。太陽電池的選擇考慮了電池低強度/低溫(LILT)的性能，通過試驗篩選得到適用于LILT環(huán)境的太陽電池片。在1.0 AU(壽命終止)時，太陽電池陣可產(chǎn)生超過10 700 W的功率；在3.0 AU時，太陽電池陣輸出功率約為1100 W。

(3)電源控制器為電推進負載和其他負載分別提供80～140 V高壓母線和22～35 V低壓母線。高壓母線由太陽電池陣未經(jīng)變換直接提供給電推進和加熱器。其他負載的供電由太陽電池陣部分功率經(jīng)高壓降壓變換器(HVDC)提供。HVDC是降壓拓撲型DC/DC變換器，主要以2種模式運行：①太陽電池陣電壓調(diào)節(jié)(跟蹤峰值功率點)；②電池充電限制(包括電流限制和電壓/溫度限制)。

(4)太陽電池陣功率調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)HVDC實現(xiàn)基于MPPT的功率控制技術(shù)，并沒有專門設(shè)置MPPT控制模塊。

(5)采用氫鎳蓄電池組儲能。蓄電池額定容量為35 A·h，包含11個單體單元，滿足陰影期所有載荷的供電需求，同時保證在發(fā)射異常的最壞情況下蓄電池仍有約10%的容量余量。氫鎳蓄電池組充放電控制采用過壓控制、電壓/溫度(V/T)控制和壓力控制。其中：過壓控制用于監(jiān)測蓄電池是否過壓；V/T控制即溫度補償電壓控制，采用8檔設(shè)計，當蓄電池處于某一溫度條件時，蓄電池組容量是蓄電池組充電電壓的函數(shù)這一特性實現(xiàn)充電控制；壓力控制是利用氫鎳蓄電池可以通過內(nèi)部壓力指示電池荷電狀態(tài)的特性實現(xiàn)充電控制，即充電時電池內(nèi)部壓力隨容量的增加而升高。充電控制的電流分為大電流控制和涓流控制2種。其中：大電流控制有2檔，充電倍率分別為C/2和C/10(C為蓄電池額定容量)；涓流控制有4檔，分別為C/50，C/100，C/200，C/400。

(6)電源系統(tǒng)的PDU單元配置了電源模塊、遙測模塊、遙控模塊及繼電器模塊，能實現(xiàn)總線通信和配電功能。

(7)電能匹配由飛行軟件自主實現(xiàn)。當太陽電池陣可用功率不能滿足離子推進器和其他負載需求時，自動降低電推進系統(tǒng)的電源處理單元(PPU)輸入功率和推力水平(電推進系統(tǒng)的PPU可用功率為太陽電池陣功率減去非PPU負載功率，再減去電池充電功率)。

圖3 黎明號探測器電源系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Dawn power system functional block diagram

1.4 小天體探測器電源系統(tǒng)設(shè)計特點

小天體探測任務(wù)特點可歸納如下。

(1)軌道特點。對于近地小天體，其軌道在地球附近，近日點距離小于1.3 AU。近地小天體自轉(zhuǎn)周期一般較短，為4 min～2 h，體積較小，大多數(shù)直徑在100～2000 m的范圍內(nèi)(如Itokawa小行星，尺寸約為500 m×300 m)，僅有少數(shù)特殊的近地小天體直徑在2～10 km。對于主帶小天體，其分布于火星和木星之間，距太陽約2～4 AU，主帶小天體直徑多大于近地小天體，太陽系中目前發(fā)現(xiàn)最大的小天體是位于主帶的谷神星，直徑約946 km，其次是智神星和灶神星，平均直徑都超過400 km。

(2)光照條件。近地小天體軌道距離約為1 AU，其光照條件與地球靜止軌道(GEO)光照條件相近。對于主帶小天體，如灶神星，距離地球約3.5 AU，其光照度較近地小天體大幅度減弱，近似與距離的平方成反比。

(3)負載特點。除常規(guī)載荷外，電推進負載成為小天體探測器的重要用電負載之一。如隼鳥號和黎明號探測器均采用了電推進技術(shù)。電推進負載具有功耗大、母線電壓高及工作模式多樣等特點。

綜上所述，小天體探測的探測距離遠、光照條件變化劇烈、負載功耗大等，對探測器電源系統(tǒng)的設(shè)計提出了新的需求和挑戰(zhàn)。結(jié)合對典型小天體探測器電源系統(tǒng)的方案總結(jié)分析，可得其設(shè)計特點如下。

(1)電推進負載由太陽電池陣直接供電。這樣具有極低的輸入阻抗，能最大限度地滿足電推進負載分段開機的供電需求。隼鳥號和黎明號探測器都采用了這種方式。不過，太陽電池陣電壓因光強和溫度等的變化造成較大的電壓變化范圍，要求電推進系統(tǒng)可以適應(yīng)這個變化范圍，增加了電推進系統(tǒng)PPU的電源變換復雜性。

(2)太陽電池陣均使用MPPT功率調(diào)節(jié)方式。對太陽電池陣輸出的電能，有分流調(diào)節(jié)和MPPT控制2種調(diào)節(jié)方式。對于太陽電池陣光照調(diào)節(jié)和工作溫度多變的任務(wù)，使用MPPT控制方式可以有效地減小太陽電池陣面積，進而減小質(zhì)量和降低研制成本；另外，使用MPPT控制方式可以有效地利用太陽電池陣，使蓄電池的充電時間更短，可有效地響應(yīng)突發(fā)的任務(wù)，降低電源系統(tǒng)對任務(wù)的約束。

(3)為平臺配置全調(diào)節(jié)母線或半調(diào)節(jié)母線。平臺設(shè)備多為穩(wěn)定的負載，需要較高品質(zhì)的母線實現(xiàn)高效、精確的探測器控制，因此，上述的小天體探測器配置了全調(diào)節(jié)母線或半調(diào)節(jié)母線。由太陽電池陣輸出的電能經(jīng)DC/DC變換后輸出供給母線；配置了一套蓄電池，實現(xiàn)了太陽電池陣和蓄電池組的高效率用；而且，在遠距離深空探測中，太陽電池陣輸出功率逐漸減小直至電推進不工作時，仍能滿足為平臺提供電能的需求。

2 電源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MPPT拓撲

MPPT拓撲能夠隨時跟蹤太陽電池陣的最大功率輸出點，實現(xiàn)對太陽電池發(fā)電功率的最大利用，因此特別適用于太陽光照條件變化劇烈的情況。MPPT拓撲可以使電源系統(tǒng)在相同的太陽電池和蓄電池配置條件下，輸出更多的電量，從而減少整個探測器的體積和質(zhì)量。MPPT拓撲已在多個航天器中應(yīng)用，如火星快車、金星快車、羅塞塔、信使號等。MPPT拓撲對比如表2所示。

表2 MPPT多拓撲比較

續(xù) 表

MPPT拓撲結(jié)構(gòu)的選擇主要依據(jù)負載特性要求、質(zhì)量功耗限制綜合考慮，以達到系統(tǒng)最優(yōu)。

2.2 電能自主運行和管理

從地球到小天體，若探測距離達到3 AU以遠，單程的通信時間最長可達23 min，地面測控站及地面應(yīng)用站無法實時與探測器建立聯(lián)系，無法實現(xiàn)對探測器的實時控制。因此，小天體探測器，尤其是遠距離的小天體探測器，應(yīng)具備較強的自主運行和管理能力。其中，電能自主運行和管理應(yīng)至少體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)電能的監(jiān)測和調(diào)節(jié)。電源系統(tǒng)應(yīng)能自主監(jiān)測太陽電池陣、蓄電池等電能供給和存儲設(shè)備的功率水平，并可對功率進行統(tǒng)一調(diào)節(jié)，自主實現(xiàn)太陽電池陣供電、分流，蓄電池充放電等功能；電源系統(tǒng)還應(yīng)具備功率調(diào)節(jié)模塊狀態(tài)監(jiān)測、自主主備切換等能力。

(2)電能的分配。電能分配應(yīng)按級分配，按負載優(yōu)先級管理，依據(jù)電能的供給自主調(diào)節(jié)，實現(xiàn)無人干預時電能的分配與供給匹配。

(3)電能的保護。電能保護應(yīng)至少具備防蓄電池過充、過放保護，以及欠壓保護等能力，具備緊急模式的最小電能供給及系統(tǒng)故障診斷、隔離、恢復能力，具備電源系統(tǒng)故障模式下的重構(gòu)能力。

(4)電能自洽。電源系統(tǒng)在應(yīng)對多種復雜模式下的供電需求時，比如小天體探測的附著采樣階段，在負載功率需求增加、采用聯(lián)合供電模式仍然供電能力不足時，能通過自身電能平衡的預分析判斷電能供給時間，進行附著采樣工作任務(wù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電能的自洽。

3 啟示與建議

本文對小天體探測器電源系統(tǒng)的需求特點及解決方案進行了分析和總結(jié)，結(jié)合我國小天體探測器電源系統(tǒng)的發(fā)展情況，提出如下建議。

1)優(yōu)化MPPT功率調(diào)節(jié)方式

MPPT技術(shù)使太陽電池陣工作在最大功率點，可最大限度地利用太陽電池陣的輸出功率。對于小天體探測器，其太陽光照變化劇烈，因此優(yōu)選MPPT調(diào)節(jié)方式。MPPT有多種調(diào)節(jié)方式，其中不調(diào)節(jié)MPPT和S3MPR方式拓撲簡單，缺點是不能提供穩(wěn)定的母線電壓；全調(diào)節(jié)MPPT可提供穩(wěn)定的母線電壓，但結(jié)構(gòu)復雜。隼鳥號與黎明號探測器都利用了MPPT技術(shù)。但是，對于電推進負載，并沒有直接使用串聯(lián)或者并聯(lián)型的MPPT，而是直接由太陽電池陣為電推進負載供電，這種方式既能減小系統(tǒng)的質(zhì)量，又能通過調(diào)節(jié)負載實現(xiàn)MPPT控制的功能。我國小天體探測器若采用電推進系統(tǒng)，可優(yōu)選太陽電池陣直接為電推進供電，并通過調(diào)節(jié)平臺供電的變換器實現(xiàn)MPPT控制功能。

2)重視電能自主運行和管理研究

深遠距離的小天體探測探測器應(yīng)具備較強的自主運行能力，能應(yīng)對復雜的多模式探測任務(wù)及遠距離通信帶來的時延。電能自主運行和管理應(yīng)至少具備電能的監(jiān)測和調(diào)節(jié)、電能的分配、電能的保護、電能自洽。目前，我國探測器的電能自主管理主要由綜合電子系統(tǒng)完成，在任務(wù)分解和電能平衡分析方面還存在一定的問題，例如：多系統(tǒng)接口復雜，管理困難，主要體現(xiàn)在綜合電子系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、載荷接口多，控制時相互迭代困難，電能流管理復雜；器載控制器資源浪費，電源控制器與綜合電子系統(tǒng)都具備控制能力，但電源控制器主控機利用率低；電能平衡分析仍然由地面計算實現(xiàn)。對于小天體探測器，尤其是一次實現(xiàn)伴飛、著陸及采樣等任務(wù)，因小天體表面特性、自轉(zhuǎn)周期、對探測器遮擋情況都不能確定，因此為了實現(xiàn)電能自分析及電源系統(tǒng)自主運行和管理，采用粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等控制算法，結(jié)合健康管理傳感器網(wǎng)絡(luò)和魯棒特征故障提取方法、分層類聚智能故障診斷算法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動與失效物理結(jié)合的故障預測算法，實現(xiàn)電能自洽，減少與其他分系統(tǒng)與單機控制接口。為了實現(xiàn)電能自主運行和管理，應(yīng)盡早開展上述算法的研究，優(yōu)化算法設(shè)計。

3)深入開展電源系統(tǒng)的輕小型化設(shè)計

對于深空探測任務(wù)，尤其是小天體探測任務(wù)，由于距地球距離遠，受運載能力限制，探測器的質(zhì)量要求限制嚴格，這也對電源系統(tǒng)的輕小型化設(shè)計提出了更高要求。電源系統(tǒng)的輕小型化設(shè)計，除考慮高比功率電源系統(tǒng)拓撲、高比功率蓄電池及高性能太陽電池陣之外，應(yīng)優(yōu)選集成化設(shè)計方式。目前，我國已經(jīng)應(yīng)用功率調(diào)節(jié)與配電單元(PCDU)，且大幅提高了電源系統(tǒng)的比功率。我國的小天體探測器電源系統(tǒng)也可優(yōu)先采用PCDU。同時，片上系統(tǒng)(SoC)和系統(tǒng)級封裝(SIP)技術(shù)的發(fā)展迅速，芯片電源逐漸成熟，電源系統(tǒng)可考慮采用封裝技術(shù)實現(xiàn)更高的集成化設(shè)計，MPPT控制模塊采用集成技術(shù)，同時采用總線化設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的輕小型化。

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