航天器能源管理技術(shù)研究進展

陳洪偉，張新華，和 陽，朱紀洪

0 引 言

航天器需要長期在軌運行，任務(wù)載荷數(shù)量多，復雜程度高，功能多樣化.為滿足上述需求，未來航天器需要向長壽命、大功率化、輕型化和智能化等方向發(fā)展.為減少航天器的重量和發(fā)射成本，增加電子設(shè)備數(shù)量，提高的航天器應用范圍，要求航天器的能源系統(tǒng)具有較大的載荷供電能力[1].由于太陽能電池是航天器的唯一發(fā)電裝置，這就要求太陽能電池陣列面積越來越大，而航天器的重量和體積受限于火箭推力和空間限制，因此質(zhì)量和功率成為航天器設(shè)計的重要約束條件，這就要求必須提高能源系統(tǒng)的功率重量比和效率.

航天器主要采用以太陽能電池陣列、儲能電池組構(gòu)成的能源系統(tǒng).能源系統(tǒng)作為航天器的重要組成部分，要為航天器各個階段的任務(wù)負載提供可靠穩(wěn)定的電能.在外界條件突變或任務(wù)負載調(diào)整時，能源管理技術(shù)調(diào)節(jié)太陽能電池陣列輸出功率滿足負載功率需求，同時管理儲能電池組，實現(xiàn)高效能源調(diào)度；在供電能力不足時，優(yōu)化負載管理，保障關(guān)鍵負載正常運行，合理調(diào)度能源；當發(fā)生故障時，及時定位、隔離故障，保證航天器安全運行.

無論是探測器，還是大型航天器、人造衛(wèi)星等，都需要能源管理技術(shù)合理調(diào)配能源，完成電能輸出與負載功率需求的高效平衡，提高突發(fā)情況的自主調(diào)節(jié)能力，延長航天器使用壽命.本文先分析能源管理技術(shù)的任務(wù)，總結(jié)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，接著從系統(tǒng)建模、硬件結(jié)構(gòu)、控制策略等方面展開介紹.

1 能源管理技術(shù)

1.1 能源管理技術(shù)主要任務(wù)

航天器能源系統(tǒng)由太陽能電池陣列和儲能電池組成，如圖1所示，太陽能電池陣列在陽照區(qū)產(chǎn)生電能，為任務(wù)負載和儲能電池組提供電能；儲能電池組在地影區(qū)為負載提供電能.航天器能源管理技術(shù)的主要任務(wù)是在有限的能源供給條件下，監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)、優(yōu)化負載管理，高效完成能源調(diào)度和檢測隔離故障，提高航天器的在軌運行壽命，保證任務(wù)順利完成[2].

圖1 航天器能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Spacecraft energy system structure block diagram

能源管理技術(shù)的具體任務(wù)有：(1)檢測能源狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測能源系統(tǒng)運行狀態(tài)并根據(jù)預測模型，對太陽能池陣、儲能電池組等當前性能和后續(xù)供給性能進行估算；(2)主控制器接受發(fā)送指令或根據(jù)檢測的運行狀態(tài)進入任務(wù)階段，依據(jù)負載優(yōu)先級別，優(yōu)化任務(wù)負載管理；(3)根據(jù)電能的輸出功率和負載的功率需求高效調(diào)配能量，當能源供給充足時，在滿足任務(wù)負載功率需求前提下儲能電池組存儲多余能量，提高能源利用率；當因故障或外界條件變化導致能源供給不足時，主控制器依據(jù)負載優(yōu)先級別控制功率分配單元保證關(guān)鍵負載能源供給，實現(xiàn)航天器的能源均衡和安全運行；(4)主控制器實時監(jiān)測功率分配單元數(shù)據(jù)，當任務(wù)負載出現(xiàn)故障，依據(jù)故障管理策略控制功率分配模塊隔離故障.

1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

上個世紀70年代之前，航天器主要采用傳統(tǒng)遙控管理，通過地面發(fā)送指令進行配電管理，采用熔斷器和過流保護電路隔離故障.美國最早進行能源管理技術(shù)研究，上個世紀70年代為解決航天飛機的安全性和可靠性，提出了使用主控制器參與故障隔離和負載調(diào)配，形成能源管理技術(shù)的雛形.上個世紀80年代，NASA正式提出航天器能源管理系統(tǒng)，包括太陽能電池組管理、蓄電池管理、負載管理、能源調(diào)度、系統(tǒng)故障診斷和隔離等功能，其主要任務(wù)是根據(jù)電能供給和負載需求情況調(diào)節(jié)電源輸出、調(diào)度能源和管理負載.航天器能源管理系統(tǒng)可自主管理能源、隔離故障，減少對地面控制系統(tǒng)依賴.目前，該能源系統(tǒng)已經(jīng)應用于國際空間站、“羅塞塔”號探測器等任務(wù)中[3].

歐洲航天局發(fā)射的XMN-Newton探測器具有基本的自主能源管理能力，采用了儲能電池自動充放電、負荷優(yōu)先級管理、故障診斷和恢復等技術(shù).這些功能已經(jīng)在航天飛機模型得到驗證，提高了航天器在軌能源管理效率和高可靠性.俄羅斯在地面有一套模型同步模擬的“空間”號空間站運行，對能源系統(tǒng)的能源調(diào)度和故障模擬提供驗證，為空間站的能源管理技術(shù)提供支持[4].

我國雖然對航天器能源管理技術(shù)研究起步晚，但隨著航天事業(yè)快速發(fā)展，在能源管理技術(shù)上的進步不容小覷.國內(nèi)現(xiàn)有的能源系統(tǒng)要求航天器運行期間載荷能力不降低，同時保證儲能電池組及時充電，確保一次電源正常運行.國內(nèi)許多在軌或研制的衛(wèi)星的能源系統(tǒng)主要包括太陽能電池監(jiān)控與調(diào)試、儲能電池組管理、負載管理.

2 能源系統(tǒng)輸出特性

2.1 太陽能電池特性

精確的太陽能電池模型是能源系統(tǒng)提高功率輸出的關(guān)鍵，也是能源管理技術(shù)預估性能和壽命的基礎(chǔ).太陽能電池等效電路如圖2所示.

由圖1可得太陽能電池組的數(shù)學等效模型[5]為：

(1)

式中，Iph—光生電流(A)；I0—二極管反向飽和電流(A)；I—輸出電流(A)；U—輸出電壓(V)；q—電子電荷；T—絕對溫度(K)；K—玻爾茲曼常數(shù)；A—二極管因子數(shù)；Rs—等效串聯(lián)電阻(Ω)；Rsh—等效并聯(lián)電阻(Ω).

圖3是太陽能電池在25 ℃時，3種不同光照強度(s=200 W/m2、s=600 W/m2、s=1 000 W/m2)下的P-U特性曲線，隨著光照強度變化，最大功率點也隨之移動，其對應的電壓也變化.作為航天器能源系統(tǒng)的唯一發(fā)電裝置，為滿足負載功率需求，提高能源系統(tǒng)的輸出功率，常采用最大功率點跟蹤技術(shù)(Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)通過實時控制太陽能電池的工作點，使其一直工作在最大功率點[6].

圖2 太陽能電池等效電路Fig.2 Solar cell equivalent circuit

圖3 太陽能電池功率-電壓特性曲線Fig.3 Solar cell power-voltage characteristic curve

2.2 儲能電池特性

儲能電池組在能源系統(tǒng)中既能為任務(wù)負載供電，又可以儲存太陽能電池板產(chǎn)生的多余電能，其在能源系統(tǒng)中重要性不言而喻.能源管理技術(shù)對儲能電池組狀態(tài)檢測、性能估算和能源調(diào)度都需要準確獲得儲能電池荷電狀態(tài)(SOC).

精確地計算電池的荷電狀態(tài)是電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵[7]，目前比較常見的SOC估算方法主要有：(1)安時積分法[8]；(2)開路電壓法；(3)卡爾曼濾波法；(4)負載電壓法；(5)內(nèi)阻法；(6)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等.

安時積分法只需SOC(t0)、α和i，即可積分得到電池的電荷量SOC(t).但該方法也存在積分累積誤差、測量精度不準、測量電流波動等問題，SOC計算精度受到影響.

開路電壓法需要將電池靜止足夠長時間，影響系統(tǒng)時效性[9].內(nèi)阻法通過電池內(nèi)阻特性來實現(xiàn)對電池剩余電荷量的檢測，由于獲得內(nèi)阻比較復雜且內(nèi)阻不斷變化，所以測得SOC值精度存在問題.而負載電壓法綜合上面兩種方案，通過檢測電池負載端電壓以及電池電流和內(nèi)阻估算SOC值，但這種方法仍未解決開路電壓的弊端.

卡爾曼濾波法實時估算電池SOC值和端電壓，解決了安時積分法因初始SOC值不準確導致的誤差變大的問題，但只適用于線性系統(tǒng).針對電池的非線性特性，可采用擴展卡爾曼濾波法[10]、雙卡爾曼濾波法.針對線性化造成的誤差大、收斂性難問題，相關(guān)學者提出基于采樣統(tǒng)計線性化的濾波算法，只需通過確定采樣點近似非線性函數(shù)的概率密度分布，如無跡卡爾曼濾波法、容積卡爾曼濾波法[11]等.這些算法估算精度可達到三階，算法相對復雜，數(shù)值穩(wěn)定性較差.針對穩(wěn)定性問題，可采用基于平方根的Sigma點的卡爾曼濾波法[12]減少運算量，提高效率，同時保證計算結(jié)果的非負定性.

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法不考慮網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部的狀態(tài)和特征，解決了電池因非線性特性引起的建模困難問題，適用多種電池.目前常采用基于梯度下降法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13].但BP網(wǎng)絡(luò)存在訓練時間過長、容易陷入局部極小值的問題.有學者提出基于量子微粒群算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]，通過修正收縮擴張的系數(shù)來控制算法的收斂性，并且發(fā)揮算法簡單、控制參數(shù)少等優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)的BP法收斂速度慢、不穩(wěn)定的問題.

3 能源系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

3.1 功率調(diào)節(jié)單元

太陽能電池陣列作為能源系統(tǒng)的唯一發(fā)電裝置，其輸出特性具有非線性特征，輸出功率受外界環(huán)境影響.為最大限度利用太陽能電池陣列的功率輸出能力，滿足任務(wù)負載的功率需求，能源采用功率調(diào)節(jié)單元控制太陽能電池的輸出功率.

如圖4所示，太陽能電池陣列與負載和儲能電池之間串聯(lián)MPPT模塊，控制太陽能列陣輸出功率滿足航天器的功率需求.太陽能電池通過光電反應將光能轉(zhuǎn)化為電能，電能首先輸送MPPT模塊，電壓、電流信號由MPPT模塊送至主控制器，主控制器經(jīng)過計算輸出PWM控制MPPT模塊的DC-DC變換器(如圖5所示)，實現(xiàn)太陽能電池組最大功率輸出，輸出電能經(jīng)過母線上的DC-DC調(diào)節(jié)電壓給儲能電池組和負載供電.航天器運行在陽照區(qū)時，太陽能電池陣列通過MPPT模塊輸出最大功率給任務(wù)負載和儲能系統(tǒng)，而運行到地球陰影區(qū)時，太陽能電池不產(chǎn)生電能，儲能系統(tǒng)通過輸出端的DC-DC轉(zhuǎn)換器為任務(wù)負載提供電能.

圖4 能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Energy system block diagram

圖5 MPPT模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 MPPT block diagram

由太陽能電池的P-U特性曲線可知，當太陽能電池處于最大功率點時，對應輸出電壓為Um，其輸出最大功率.若外界條件發(fā)生變化，最大功率點也會發(fā)生變化，對應的Um也會左右移動，為跟蹤最大功率點，需要一個阻抗變換器調(diào)節(jié)等效阻抗，使太陽能電池工作在最大功率點處[15].

在一定條件下，可將太陽能電池等效為一個電壓源和可變電阻.主控制器通過調(diào)節(jié)MMPT模塊的DC-DC電路占空比，使任務(wù)負載與太陽能電池可變電阻值相等，實現(xiàn)太陽能電池最大功率輸出.

3.2 功率分配單元

功率分配單元根據(jù)能源供給狀況和任務(wù)負載功率需求，實現(xiàn)能源調(diào)度、負載管理和故障隔離功能.

目前我國大多數(shù)航天器的功率分配單元采用傳統(tǒng)繼電器控制方式，由地面控制中心或主控制器對任務(wù)負載進行斷電或加電操作.隨著大型航天器發(fā)展，設(shè)備數(shù)量和復雜程度增大，繼電器因存在體積大和重量重、自動化程度低和電磁干擾等缺點，難以滿足航天器能源系統(tǒng)輕型化、高可靠性、高功率重量比的要求.為提高能源管理系統(tǒng)自主動態(tài)管理負載、能源調(diào)度，功率分配單元采用固態(tài)功率控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁繼電器，對負載進行固態(tài)配電.固態(tài)配電技術(shù)具有響應速度快、無電磁干擾、無觸點、可靠性高等優(yōu)點，能實時監(jiān)測任務(wù)負載狀態(tài)，提高能源系統(tǒng)的自主配電能力.國外spacebus4000已經(jīng)使用固態(tài)配電技術(shù)實現(xiàn)智能配電，完成在軌故障診斷、隔離和重組等自主管理.我國“天宮一號”航天器也采用固態(tài)配電技術(shù)，實現(xiàn)負載管理，故障定位和隔離功能.

4 能源系統(tǒng)的控制策略

4.1 太陽能電池MPPT算法

MPPT算法可使太陽能電池陣列工作在最大功率點，滿足能源系統(tǒng)高功率重量比的要求.下面對航天器能源系統(tǒng)常用的3種MPPT算法進行全面介紹和研究，歸納總結(jié)他們的優(yōu)點和不足，同時介紹相應算法的優(yōu)化方法.

4.1.1 恒定電壓法(Constant Voltage Tracking，簡稱CVT)

CVT法是對太陽能電池最大功率點所對應工作電壓的研究.由太陽能電池的P-U特性曲線可知，當溫度一定時，最大功率點電壓幾乎分布在一個固定電壓值的兩側(cè)，即最大功率電壓與其開路電壓UOC的比值近似為常數(shù)[16].因此，CVT控制法就是將太陽能電池輸出電壓控制在KUOC，則近似認為太陽能電池工作在最大功率點.

CVT法的控制方法屬于簡單的開環(huán)控制，只需采樣一個電壓信號，系統(tǒng)穩(wěn)定且輸出無振蕩.其主要應用于早期的人造衛(wèi)星.

CVT法雖然簡單易于實現(xiàn)，但得到的最大功率點和實際值存在偏差.且當光照、溫度等條件發(fā)生變化時，該算法無法跟蹤到太陽能電池最新的最大功率點，因而存在對太陽能電池利用率不高缺陷.目前，CVT法主要與其他算法配合進行控制，系統(tǒng)在初始階段用CVT法快速粗略地跟蹤最大功率點，然后用其他算法進行精細調(diào)節(jié).

4.1.2 擾動觀察法(Perturb & Observe Algorithm，簡稱P&O)

擾動觀察法的原理是通過觀察功率的變化值持續(xù)調(diào)整太陽能電池的工作電壓，實現(xiàn)最大功率點跟蹤.

擾動觀察法周期地給電壓一個增量，計算太陽能電池陣列輸出功率，比較當前功率與上一時刻功率的大小，來決定擾動方向使太陽能電池工作點不斷靠近最大功率點[17].

相比于CVT法，P&O法能獲得更高精度的最大功率點和更高的輸出功率.且該算法不要求主控制器具有高采樣速度和高計算速度，也不要求高的電壓、電流采樣精度，但它有明顯缺點：

(1)定步長擾動，在最大功率點附近振蕩，損耗能量，拉低能源系統(tǒng)的輸出功率.

(2)外界條件發(fā)生快速變化時，易出現(xiàn)跟蹤速度不及時或者誤判現(xiàn)象.

為彌補P&O法的快速性和精度上的矛盾，研究人員提出很多優(yōu)化方法，例如：改變擾動步長，多點測量追蹤等.

有學者提出了基于多點多區(qū)域的測量比較法，文獻[18]提出一種3點比較式變步長擾動觀察法，通過比較3個檢測點的相鄰兩點的輸出功率和電壓，確定擾動方向和擾動步長，離最大功率點近的，擾動值為ΔD,而離最大功率點遠的點擾動值為3ΔD.雖然該方法比較周期是傳統(tǒng)擾動觀察法的2倍，但無論是太陽能電池的輸出電壓、電流、還是功率都比傳統(tǒng)方法更迅速的趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定前的抖動值也較小.

文獻[19]提出梯度形變步長擾動觀察法，以本次采樣的功率和上次采樣功率的比值作為擾動電壓的變化因子.在尋優(yōu)過程中，隨著擾動功率的幅值不斷減小，擾動步長也隨之減小，在最大功率點附近，擾動步長趨于0，從而達到最大功率點跟蹤的目的.該方法既保證了外部條件變化時的動態(tài)追蹤能力，又減少了最大功率點附近的功率損耗，提高能源系統(tǒng)效率.

3點比較式變步長擾動觀察法提高了得到的最大功率點的精度，但未加快尋優(yōu)速度；梯度形變步長擾動觀察法采用變步長，跟蹤速度和采樣精度都有提升，比較適合航天器太陽能電池的最大功率點跟蹤.

4.1.3 電導增量法(Incremental Conductance Algorithm，簡稱INC)

電導增量法的判斷依據(jù)是：“太陽能電池在最大功率點處的輸出功率P與輸出電壓U的導數(shù)值dP/dU為0”[20].

一般用I/U+dI/dU來代替dP/dU，即dP/dU=-I/U，判斷依據(jù)如下：

dP/dU>-I/U最大功率點左邊

dP/dU=-I/U最大功率點

dP/dU<-I/U最大功率點右邊

歐洲航天局(ESA)研制的“蓋婭”(GAIA)衛(wèi)星，就是采用3塊FPGA實現(xiàn)電導增量法[21]，對應算法流程如圖6所示.根據(jù)檢測的電壓、電流來計算功率、電流差和電壓差，只有電流電壓不變或dP/dU=-I/U時，太陽能電池才工作在最大功率點.

圖6 電導增量算法流程圖Fig.6 Incremental Conductance Algorithm flow chart

與P&O法相比，INC法不僅能跟蹤識別到最大功率點，而且避免了在最大功率點左右振蕩.該方法控制精度高，具有較好的穩(wěn)定性.由于使用定步長擾動，INC法尋優(yōu)速度和控制精度的矛盾依然存在.且要求主控制器具有較高的采樣精度和更快的處理速度.

文獻[22]提出了混合步長電導增量法：在遠離最大功率點時，使用較大步長的Uref，快速地靠近最大功率點附近；在最大功率點附近，選擇變化的步長Uref進行尋優(yōu).混合步長公式如下：

(2)

此方法有效加快了到達最大功率點的速度，減少算法尋優(yōu)過程的功率損耗.

文獻[23]提出自適應變步長電導增量法.當接近最大功率點時，無論是最大功率點的左側(cè)還是右側(cè)，dP/dU的絕對值都在減小.根據(jù)這一特性，構(gòu)造變化參考電壓步長的表達式：

(3)

式中，Pmax是最大功率，當距離最大功率點較遠時，步長較大，當接近最大功率點時，dP/dU的絕對值近似為0，步長很小.該方法不僅提高尋優(yōu)速度，還實現(xiàn)最大功率點左右兩側(cè)尋優(yōu)步長自適應變化，近一步提高精度.但當光照強度迅速變化時，動態(tài)響應速度會受影響.

混合步長電導增量法在遠離最大功率點時使用固定大步長，加快了尋優(yōu)速度，在靠近最大功率點時使用混合步長，提高了尋優(yōu)精度，但最大功率點右邊尋優(yōu)步長過大，會增大震蕩損耗.自適應變步長電導增量法依據(jù)dP/dU判斷尋優(yōu)點所處位置，自適應改變尋優(yōu)步長，并且解決了超過最大功率點時尋優(yōu)步長過大造成振蕩問題.但上述兩種方法都未解決光照突變時尋優(yōu)速度問題，而航天器在陽照區(qū)和地影區(qū)轉(zhuǎn)換時光照強度變化明顯，因此仍需對MPPT算法深入研究.

4.2 儲能電池組的管理技術(shù)

儲能電池組管理技術(shù)主要包括電池組充電控制技術(shù)和均衡技術(shù)，合理恰當?shù)某潆姺椒芴岣唠姵氐某潆娝俣群托室约把娱L使用壽命，均衡技術(shù)可提高電池組的有效容量和電池使用壽命.

4.2.1 電池組的充電控制技術(shù)

儲能電池的最佳充電電流公式為：

IC=I0e-αt

(4)

式中，IC為某時刻電池充電電流；I0初始時刻電池充電電流；t為充電時間，α為充電接受率.隨著充電進行，電池的最佳充電電流呈指數(shù)下降.在充電過程中，若充電電流高于最佳充電曲線上的電流，不但無法加快充電速度，還會損傷電池；若低于最佳充電電流，則會降低充電速度[24].常用的充電方式有：(1)恒流恒壓充電；(2)脈沖充電；(3)智能充電.

恒流恒壓充電方式是變電流快速充電方式，其通常分為三個階段：涓流充電、恒流充電和恒壓充電.該方式結(jié)構(gòu)簡單、控制方便且被廣泛采用，但缺點是電池存在極化現(xiàn)象，充電速度偏慢.

脈沖充電方式改善了恒流恒壓充電速度慢的缺點，第三階段是脈沖大電流充電.脈沖充電大電流充電可使電池電壓迅速上升，而停充期間給了電池內(nèi)部化學反應緩沖時間.脈沖充電打破最佳充電電流曲線約束，充電后期仍可使用大電流脈沖充電，充電效率高，溫度變化小，對電池壽命影響小[25].

智能充電方式是利用Δu/Δt控制技術(shù)，檢測電池的端電壓并計算電壓與時間變化率，以此推斷電池的狀態(tài)，計算出電池的最佳充電電流，讓充電電流始終穩(wěn)定在最佳充電電流曲線的周圍.該方法充電電流緊跟著最佳充電電流曲線，采用逐漸減小的分段恒流對電池充電，使電池溫度處于較低狀態(tài)并且變化小，對電池的損耗降到最低，實現(xiàn)了智能快速充電[26].

目前恒流恒壓充電應用廣泛，技術(shù)成熟，但充電速度慢；脈沖充電方式由于可以加快充電速度同時不影響電池壽命，得到國內(nèi)外專家認可；智能充電方式利用Δu/Δt控制技術(shù)，充電電流可緊跟最佳充電曲線，但需要精準地測得電池的最佳充電電流曲線.隨著各種智能算法的研究，智能充電控制技術(shù)逐漸應用于電池充電中.

4.2.2 電池組的均衡技術(shù)

電池組通常采用多個單體電池串并聯(lián)，電池的不一致影響了電池組的有效容量和使用壽命.為避免電池組串聯(lián)過程中的“短板效應”，需要對電池組進行均衡管理[27].

(1)能耗均衡技術(shù)

電池組常用均衡方式分為：能耗型和非能耗型.能耗型均衡(也稱被動均衡)技術(shù)是通過開關(guān)將電阻并聯(lián)在電池組單節(jié)電池兩端，分流消耗多余的能量.該方式電路簡單，容易實現(xiàn)且成本低.但存在電池溫度升高、能量浪費以及效率低等缺點.

(2)非能耗均衡技術(shù)

非能耗型均衡(主動均衡)技術(shù)是通過儲能元件將能量由高能量的單節(jié)電池傳送到低能量的電池內(nèi)，實現(xiàn)單節(jié)電池之間的能量均衡.

電容均衡方法[28]利用電容作為中介，通過開關(guān)管的不斷切換，將電壓較高單體電池的能量轉(zhuǎn)移到臨近電壓較低的電池，使電池容量達到均衡.此方法適用于大多數(shù)可充電電池，但均衡過程復雜，電池間電壓差不高，流過電容的均衡電流很小，均衡時間較長.

電感均衡方法[29]是以電感為中介，將能量高的單節(jié)電池多余能量轉(zhuǎn)移到相鄰低能量的電池中.但當電池數(shù)量較多，加大了電感元器件繞組數(shù)量，應用比較困難.同時此方法只能實現(xiàn)相鄰電池間均衡，均衡速度慢.有學者提出基于BUCK-BOOST電路的均衡方法[30]，該均衡方法只使用1個電感，可應用于多節(jié)電池且提高了均衡效果.

(3)復合均衡技術(shù)

為減少能耗損失和加快均衡速度，文獻[31]提出一種主被動復合均衡的電池充電控制技術(shù).如圖7所示，該技術(shù)將電池組平均分成N組，且有一個控制器、1個主動均衡控制模塊、N個電壓采樣電路和被動均衡電路.主控器控制主動均衡控制模塊對單個電池組動態(tài)分別充電，檢測單節(jié)電池電壓，根據(jù)每組電壓之和調(diào)節(jié)電池組的充電電壓，實現(xiàn)電池組組間主動均衡；組內(nèi)電池使用并聯(lián)電阻被動均衡方法，實現(xiàn)組內(nèi)電池均衡.這種方式既加快電池組的充電速度，又減少能量損耗，還減輕能源系統(tǒng)的重量，可將這種技術(shù)應用于航天器能源系統(tǒng)中.

圖7 主被動復合均衡電路框圖Fig.7 Active and passive composite equalization circuit block diagram

4.3 能源系統(tǒng)調(diào)度策略

根據(jù)太陽能電池陣列輸出功率，儲能電池組的SOC以及負載功率需求，將航天器能源系統(tǒng)分為四種工作模式。

(1)儲能電池組充電模式

當航天器輕載運行時，太陽能電池陣列輸出功率大于任務(wù)負載功率需求，儲能電池組的SOC值低于規(guī)定值，太陽能電池陣列作為唯一能量來源，為保障能源系統(tǒng)的總電能，提高系統(tǒng)功率重量比，該模式下，太陽能電池工作在最大功率點，功率調(diào)節(jié)單元使太陽能電池輸出最大功率，功率分配單元合理分配儲能電池和任務(wù)負載的功率。儲能電池組采用均衡充電技術(shù)來提升充電速度和提高有效容量。此時，太陽能電池提供能量同時工作在最大功率點，儲能電池起負載作用。

(2)儲能電池組不工作模式

隨著儲能電池組的電量逐漸充滿，其SOC值接近100%，儲能電池組不再存儲電能，功率調(diào)節(jié)單元使太陽能電池輸出功率匹配任務(wù)負載功率，功率分配單元切除儲能電池組。此時，只有太陽能電池提供能量同時未工作在最大功率點，儲能電池組既不是電源也不是負載。

(3)儲能電池組輔助放電模式

當任務(wù)負載功率需求超過太陽能電池陣列的最大輸出功率時，為了保障航天器正常工作能力，儲能電池組必須輔助供電，功率調(diào)節(jié)單元使太陽能電池輸出最大功率，功率分配單元使儲能電池組輸出功率匹配任務(wù)負載所需剩余功率。該模式下，太陽能電池工作在最大功率點，儲能電池組作為電源放電。

(4)陰影區(qū)模式

太陽航天器在上述3種模式中均為工作于陽照區(qū)，當運行至地球陰影區(qū)，能源系統(tǒng)只有儲能電池組提供負載功率需求。此模式下，能源系統(tǒng)的功率取決于儲能電池組的輸出功率。此時，儲能電池組處于放電階段[32]。

功率調(diào)節(jié)單元和功率分配單元協(xié)調(diào)工作，相輔相成，針對不同的外界環(huán)境、負載需求變化，使用MPPT法和儲能電池管理技術(shù)實現(xiàn)能量大功率和高效率轉(zhuǎn)移調(diào)度。

5 結(jié) 論

能源系統(tǒng)管理技術(shù)作為航天器的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，直接決定了航天器的使用壽命、有效載荷能力和可靠性.

(1)在能源供給方面，本文分析了太陽能電池和儲能電池的功率輸出特性，研究太陽能電池在不同環(huán)境下的最佳工作狀態(tài)，歸納估算儲能電池的SOC的方法.為精確地監(jiān)測儲能電池組性能，需繼續(xù)深入研究估算儲能電池的SOC的方法.電能供給狀態(tài)確定是實現(xiàn)能源管理的基礎(chǔ)，太陽能電池和儲能電池的狀態(tài)估算精度影響了能源系統(tǒng)的功率輸出能力和能源調(diào)度效率，未來仍需提高太陽能電池和儲能電池狀態(tài)估算精度.

(2)在能源系統(tǒng)架構(gòu)方面，闡述了能源系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)單元和功率分配單元，二者相互配合，構(gòu)成了高效率、高功率的能源管理系統(tǒng).隨著我國空間航天器技術(shù)快速發(fā)展，對能源系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)單元和分配單元有更高要求，MPPT模塊逐漸應用于功率調(diào)節(jié)模塊，固態(tài)配電技術(shù)成為航天器配電系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢.

(3)在能源系統(tǒng)的控制策略方面，總結(jié)了太陽能電池控制技術(shù)、儲能電池組管理技術(shù)、系統(tǒng)的調(diào)度策略.MPPT法保證了能源系統(tǒng)高功率輸出，儲能電池組管理技術(shù)提升了儲能電池組有效容量，調(diào)度策略實現(xiàn)能源快速轉(zhuǎn)移.

隨著我國空間航天器和深空探測器快速發(fā)展，航天器需要長期在軌運行，面對的外太空環(huán)境更加復雜多變，能源管理技術(shù)在實現(xiàn)能源調(diào)度、負載管理和故障隔離的基礎(chǔ)上提高功率輸出、智能配電和故障自診斷能力，減少對地面控制系統(tǒng)依賴，朝著能源自主管理方向發(fā)展.