MEO衛(wèi)星地面一次電源模擬系統(tǒng)

喬偉男，常景娜，徐 冬

（中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201210）

0 引 言

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)作為衛(wèi)星的重要組成部分[1]，主要負責星上產(chǎn)生、存儲、變換、調(diào)節(jié)和分配電能，是保證航天器及其他子系統(tǒng)正常工作的基礎。一個高可靠性的電源系統(tǒng)對提高衛(wèi)星的性能，延長衛(wèi)星的工作周期起著決定性作用[2]。

1 電源分系統(tǒng)的工作原理

電源分系統(tǒng)的主要功能是為衛(wèi)星平臺和有效載荷提供一條全調(diào)節(jié)、高精度的供電母線，滿足衛(wèi)星在整個壽命周期、各種工作模式下的功率需求。其中，太陽電池陣為衛(wèi)星的主要供電能源，蓄電池組是衛(wèi)星儲能裝置，電池管理單元保證電池組全壽命周期單體性能的一致性，電源控制器負責對能源進行調(diào)節(jié)與控制。MEO采取分散供配電體制，衛(wèi)星平臺、載荷的供配電分別由主配電器和輔配電器實施，主要包括42 V電源和28 V輔母線電源的供配電，詳細供配電如圖1所示。

電源分系統(tǒng)工作原理如下：太陽電池陣在分流調(diào)節(jié)電路的作用下為星上負載供電，同時通過充電調(diào)節(jié)器為蓄電池組充電，充電功率從供電母線提取，當充電結(jié)束后，充電功率返回供電母線。在光照期，當太陽電池陣輸出功率大于負載和蓄電池充電所需的功率時，分流調(diào)節(jié)電路由誤差放大器控制，開始逐級順序分流，調(diào)節(jié)方陣輸出功率，控制母線電壓。在月影期，太陽電池陣通過電源控制器控制，優(yōu)先保證星上負載用電；若太陽電池陣輸出功率小于負載用電要求時，蓄電池組經(jīng)放電調(diào)節(jié)器補充供電（聯(lián)合供電）。在地影期，蓄電池組經(jīng)電源控制器中的放電調(diào)節(jié)器給母線供電。MEO衛(wèi)星電源系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖1 MEO衛(wèi)星供配電框圖

2 電源分系統(tǒng)設計

2.1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)工作特性分析

電源分系統(tǒng)是整個衛(wèi)星系統(tǒng)的動力來源。為了確保衛(wèi)星在軌飛行時能夠正常工作，必須保證電源分系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在對衛(wèi)星電源分系統(tǒng)進行完善設計時，模擬電源分系統(tǒng)需要具備以下特性[3]。

圖2 MEO衛(wèi)星電源系統(tǒng)組成

2.1.1 模擬衛(wèi)星在軌飛行時電源分系統(tǒng)供電能力

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)是所有分系統(tǒng)工作的動力來源。衛(wèi)星各個分系統(tǒng)所需的驅(qū)動力會隨著工作狀態(tài)的變化而變化。當所有分系統(tǒng)工作時，電源系統(tǒng)面臨最大的壓力；同時，分系統(tǒng)的關閉和啟動也會對整個電源系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出產(chǎn)生影響。

MEO衛(wèi)星采用的高效三結(jié)砷化鎵太陽電池帆板在壽命末期需要提供負載功率大于1 500 W。因而，地面測試時需要模擬衛(wèi)星在各種狀態(tài)切換時電源系統(tǒng)的供電能力，包括電壓范圍、電流范圍和精度以及切換時間等。

2.1.2 模擬蓄電池的充放電特性

MEO衛(wèi)星依據(jù)輕量化設計原則采用鋰離子電池作為衛(wèi)星的儲能電池。蓄電池組的單體串聯(lián)數(shù)為9節(jié)，蓄電池組輸出電壓范圍為29.7～37.8 V。根據(jù)衛(wèi)星負載功率及最大地影時間（1.2 h），確定使用容量為60 Ah的兩組鋰離子蓄電池。為了提高蓄電池組的可靠性，每組60 Ah鋰離子蓄電池組采用20 Ah單體3并9串構(gòu)成。

衛(wèi)星在軌工作時通過太陽能帆板供電，當衛(wèi)星處于太陽照射不到的陰影區(qū)時，只能通過電源系統(tǒng)供電。根據(jù)MEO軌道的特點，除去每年兩個45 d的陰影季需要鋰離子蓄電池供電之外，其他時間衛(wèi)星長期運行在光照區(qū)，鋰離子蓄電池基本上都處于擱置備用的狀態(tài)。前期研究結(jié)果表明，鋰離子蓄電池長期處于滿荷電態(tài)對容量保持不利，而蓄電池荷電態(tài)過低則對衛(wèi)星的供電安全不利，對于壽命要求大于12年的衛(wèi)星而言，鋰離子蓄電池在長光照期的狀態(tài)管理成為電池保持容量和電壓性能能否滿足衛(wèi)星壽命要求的重要因素。

因而，需要地面模擬在軌衛(wèi)星蓄電池的在軌管理和均衡技術(shù)，在保證電池容量的前提下，減小電池工作應力，如通過調(diào)節(jié)電池在不同壽命階段的充電截止電壓，提高容量利用效率，從而延長電池的使用壽命。

2.1.3 模擬衛(wèi)星的負載工作特性

衛(wèi)星一次電源太陽電池陣和儲能電源蓄電池組的電源輸出直接提供給電源控制器，由電源控制器實現(xiàn)一次電源的調(diào)節(jié)與控制，并由電源控制器經(jīng)主、輔配電器統(tǒng)一提供給所有負載供電。其中，主配電器主要向星載計算機、數(shù)據(jù)處理終端、磁力矩器、測控單機、姿控單機、推進閥門加熱器等平臺設備供電。輔配電器主要向跳頻應答機、載荷、貯箱、推進管路、原子鐘、紅外地平儀以及蓄電池組等熱控加熱器供電。

從不同工作模式（包括安全對日模式、地球捕獲模式、穩(wěn)態(tài)對地模式和軌道控制模式）來看，衛(wèi)星總的負載特性是一個動態(tài)變化的過程，安全模式負載小于250 W，穩(wěn)態(tài)對地模式約為1 500 W。為了確保電源系統(tǒng)在所有負載情況下能正常工作，就需要模擬衛(wèi)星負載的動態(tài)變化過程，包括電壓范圍、電流范圍及精度等性能指標。因此，衛(wèi)星一次電源模擬系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成：太陽能陣列模擬子系統(tǒng)、負載模擬子系統(tǒng)和蓄電池模擬子系統(tǒng)。

2.2 模擬電源系統(tǒng)功能設計

整套一次電源模擬系統(tǒng)通過模擬太陽電池陣在軌工作特性、星上負載的工作特性和星上大容量蓄電池產(chǎn)品的放電特性，實現(xiàn)對星上電源系統(tǒng)的性能考核和驗證。具體功能包括以下幾方面。

2.2.1 太陽能陣列模擬子系統(tǒng)的主要功能

第一，在電源分系統(tǒng)測試時（整星狀態(tài)或電源分系統(tǒng)單獨狀態(tài)），模擬太陽電池陣在軌工作特性，檢查電源分系統(tǒng)性能、功能及對外接口關系的相容性；第二，在衛(wèi)星電性能測試及各種試驗期間，模擬星上太陽電池陣為整星供電；第三，在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)，為星上負載供電，為蓄電池充電。

2.2.2 負載模擬子系統(tǒng)的主要功能

第一，模擬星上負載的工作特性，用于測試星上電源系統(tǒng)；第二，試驗驗證星上鋰離子蓄電池工作特性，在調(diào)試和測試電源分系統(tǒng)產(chǎn)品時代替星上負載對太陽能陣列模擬系統(tǒng)和蓄電池模擬系統(tǒng)進行功能測試。

2.2.3 蓄電池模擬子系統(tǒng)的主要功能

第一，模擬星上大容量蓄電池產(chǎn)品的放電特性；第二，試驗驗證鋰離子蓄電池的放電特性，在調(diào)試和測試電源分系統(tǒng)產(chǎn)品時代替星上蓄電池進行放電功能測試。

3 軟硬件設計

衛(wèi)星一次電源模擬系統(tǒng)是在軟件自動控制下對星上電源進行模擬和驗證的一個系統(tǒng)[4-5]。它由硬件和軟件兩部分組成，通過對軟件的設置和調(diào)整來控制硬件平臺，從而對多種功能和狀態(tài)進行驗證和模擬。通用小衛(wèi)星電源模擬系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星一次電源模擬系統(tǒng)框圖

3.1 軟件設計

衛(wèi)星一次電源模擬系統(tǒng)的控制軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，層次結(jié)構(gòu)簡明清晰。軟件包括充/供電功能、電子負載設置、數(shù)據(jù)分析、報表管理、系統(tǒng)自檢和其他5大功能模塊，分別控制對應的硬件來實現(xiàn)對星上電源的功能和狀態(tài)的驗證及模擬。

充/供電功能是太陽模擬陣測試系統(tǒng)軟件的核心部分。它包括充供電陣的電壓/電流曲線設置、上電啟動、實時監(jiān)控和顯示電壓/電流狀態(tài)、修改設置參數(shù)、模擬進陰影功能、實時檢測狀態(tài)存檔功能和斷電數(shù)據(jù)存檔功能。充供電陣的電壓/電流曲線設置包括各個分陣開路電壓、短路電流、工作電壓和工作電流的設置，還包括過壓保護和過流保護設置；進陰影功能夠模擬衛(wèi)星在軌運行時的光照變化規(guī)律，軌道周期和陰影時間調(diào)節(jié)，以及太陽電池陣列進出陰影時的I-V曲線過渡過程。充/供電軟件的工作原理框圖如圖4所示。

圖4 充/供電軟件的工作原理框圖

電子負載設置功能項用于對星上負載供電前的模擬調(diào)試。用戶可以設置電子負載的所有通道，設置方式為恒壓模式（CV MODE）、恒流模式（CC MODE）和恒阻模式（CR MODE）。該電子負載有3個通道。

歷史數(shù)據(jù)分析功能項用于分析歷次實時采集的歷史數(shù)據(jù)，支持每一個充供電分陣的電壓/電流曲線顯示，曲線顯示具有縮放（ZOOM）和標簽（MARKER）的功能；支持直接打印圖形曲線；支持提取某一特定時刻的所有充供電分陣狀態(tài)列表，并可生成報表文檔。

曲線設定功能項用于模擬調(diào)試前的各種上電/工作曲線的編輯和設定。用戶可以為供電陣/充電陣分別設定10條不同的上電/工作曲線。

報表管理功能用于管理程序運行中生成的實時檢測狀態(tài)報告和歷史數(shù)據(jù)分析報告（Excel報表格式），具有報表打開、另存、修改和打印功能。

系統(tǒng)自檢用于檢測太陽電池模擬模塊的SAS輸出特性。將要檢測的SAS模塊與電子負載相連接，設定SAS輸出曲線，軟件控制負載測量出SAS模塊的真實輸出曲線，通過給定的誤差范圍自動判斷SAS模塊是否指標合格。

其他功能項包括幫助、修改密碼、版本信息和退出程序。用戶可通過幫助功能在線打開幫助文件；版本信息用于顯示系統(tǒng)軟硬件版本信息；修改密碼功能用于密碼修改，用戶可定期修改安全密碼；退出程序結(jié)束系統(tǒng)軟件程序。

3.2 硬件設計

衛(wèi)星一次電源模擬系統(tǒng)的硬件包括系統(tǒng)控制器PC controller、GPIB接口和控制電纜、機柜、電子負載、太陽電池模擬器、直流穩(wěn)壓源以及配電控制箱PDB。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件框架圖

系統(tǒng)所有硬件集成在一個機柜內(nèi)，包含5臺太陽方陣模擬器、2臺電子負載、2臺直流穩(wěn)壓源、1臺系統(tǒng)控制器、1臺配電控制箱。每臺太陽方陣模擬器裝有2個方陣輸出模塊，用于實現(xiàn)太陽能陣列模擬子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)實現(xiàn)10路定制輸出（65 V/8.5 A）的太陽電池陣列模擬功能。每臺電子負載裝五個電子負載模塊，用于實現(xiàn)負載模擬子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)實現(xiàn)10路300 W負載的模擬功能，通道之間還可以并聯(lián)組合。

3.3 系統(tǒng)測試

測試軟件用測試程序軟件VEE（Visual Engineering Environment）開發(fā)，圖形化操作界面，對上述儀表進行程控，實現(xiàn)衛(wèi)星充/供電模擬測試功能，包括太陽能陣列模擬子系統(tǒng)軟件、負載模擬子系統(tǒng)軟件和蓄電池模擬子系統(tǒng)軟件。

4 實驗結(jié)果與分析

按照某MEO衛(wèi)星在軌進出影情況設置，整星太陽電池陣供電按照780 min周期進行進出影測試，同時監(jiān)測蓄電池組A/B的720 min充電、60 min放電過程。模擬電源一次進出陰影轉(zhuǎn)換曲線如圖6所示，模擬蓄電池充放電如圖7所示。

圖6 模擬電源一次進出陰影轉(zhuǎn)換曲線

圖7 模擬蓄電池充放電

測試結(jié)果表明，在模擬衛(wèi)星在軌進出影過程中，蓄電池充放電曲線符合預期，測試結(jié)果驗證了太陽能陣列模擬子系統(tǒng)在光照期對整星供電以及對蓄電池充電工作，驗證了蓄電池模擬子系統(tǒng)在地影期放電為整星提供能源保障，負載模擬子系統(tǒng)起到了模擬衛(wèi)星負載作用。

5 結(jié) 論

電源分系統(tǒng)是整個衛(wèi)星系統(tǒng)的“心臟”，確保衛(wèi)星在軌飛行時能正常工作，電源分系統(tǒng)的穩(wěn)定性是至關重要。本文主要設計了一套對某MEO衛(wèi)星電源系統(tǒng)的地面模擬模擬系統(tǒng)，通過系統(tǒng)搭建、模擬測試驗證及與在軌運行衛(wèi)星數(shù)據(jù)對比，比較完整地復刻了能源系統(tǒng)運行的真實情況，適用于衛(wèi)星能源系統(tǒng)這種對可靠性要求極高的場所。本系統(tǒng)設計可拓展性較強，可針對多種衛(wèi)星進行能源系統(tǒng)地面模擬，打破傳統(tǒng)部分衛(wèi)星測試“專用設備”限制，轉(zhuǎn)為“通用設備”系統(tǒng)，為后續(xù)衛(wèi)星的能源系統(tǒng)可靠在軌運行提供參考。