北京三號(hào)A/B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

頡萌 江國(guó)強(qiáng) 趙淑莉 柴逸 黃曉 郝春曉

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)(2 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所,天津 300384)

北京三號(hào)A衛(wèi)星于2021年6月11日成功發(fā)射,北京三號(hào)B衛(wèi)星于2022年8月24日成功發(fā)射,2顆衛(wèi)星采用三超(超敏捷、超穩(wěn)定、超精度)平臺(tái),是具有國(guó)際領(lǐng)先水平的高敏捷、高分辨率、輕量化的新一代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)由太陽(yáng)電池陣、鋰離子蓄電池組、電源調(diào)控器及低頻電纜網(wǎng)組成。其采用42.0V半調(diào)節(jié)母線拓?fù)?選用45A·h高比能量鎳鈷鋁(NCA)鋰離子蓄電池單體,太陽(yáng)電池片平均效率不低于32%,電源調(diào)控器集成了分流模塊、降壓模塊、配電模塊及火工品模塊等功能模塊。

本文介紹了北京三號(hào)A/B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)及其單機(jī)設(shè)計(jì),以及供配電分系統(tǒng)仿真計(jì)算模型,最后給出了供配電分系統(tǒng)在軌測(cè)試驗(yàn)證情況。

1 供配電分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星峰值功耗達(dá)到1600W,對(duì)電源系統(tǒng)也提出了更高需求,若繼續(xù)采用30.0V母線,母線電流會(huì)超過(guò)50A,電纜質(zhì)量及熱耗都會(huì)很大,為降低導(dǎo)線電流及發(fā)熱量,選用標(biāo)稱(chēng)42.0V半調(diào)節(jié)母線。這種半調(diào)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,省去了全調(diào)節(jié)母線的電池充電調(diào)節(jié)器(BCR)模塊及電池放電調(diào)節(jié)器(BDR)模塊,有效減小了電源調(diào)控器的質(zhì)量及體積,提高了系統(tǒng)的充放電效率。

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。衛(wèi)星采用內(nèi)單外雙母線配置,一次電源主母線為42.0V半調(diào)節(jié)母線,在太陽(yáng)電池陣電流足夠時(shí),42.0V母線電壓變化范圍為45.5V±1.0V,太陽(yáng)電池陣和蓄電池組聯(lián)合供電或衛(wèi)星處于陰影區(qū)時(shí),42.0V母線電壓變化范圍為35.6～46.0V;通過(guò)降壓型直流變換器(DC-DC)變換出1條30.0V全調(diào)節(jié)母線,該母線電壓穩(wěn)定在30.0V±1.0V,2條母線同時(shí)對(duì)外輸出;此外,還有1條短時(shí)使用的火工品母線,電壓變化范圍為25.0～29.0V。

圖1 衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)原理框圖

供配電分系統(tǒng)電源調(diào)控器設(shè)置了6級(jí)順序開(kāi)關(guān)分流串聯(lián)調(diào)節(jié)器(S4R)電路(1～6級(jí))及2級(jí)順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)器(S3R)電路(7～8級(jí)),每級(jí)分流能力達(dá)到7.0A。42.0V半調(diào)節(jié)母線中太陽(yáng)電池陣通過(guò)S3R電路為負(fù)載供電,S4R電路除了為負(fù)載供電外,還用于為鋰離子蓄電池組充電[1-2],多余能量被分流,從而保持母線穩(wěn)定;在陽(yáng)照區(qū)太陽(yáng)電池陣電流不足或衛(wèi)星處于陰影區(qū)時(shí),蓄電池組通過(guò)放電開(kāi)關(guān)直接為整星用電設(shè)備供電。

衛(wèi)星在陽(yáng)照區(qū)太陽(yáng)電池板對(duì)日時(shí),太陽(yáng)電池陣為整星負(fù)載供電并向蓄電池組充電;載荷成像期間衛(wèi)星對(duì)地時(shí),由于太陽(yáng)電池板無(wú)法正照,太陽(yáng)電池陣輸出電流隨整星姿態(tài)變化而變化,當(dāng)太陽(yáng)電池陣輸出電流不足時(shí),供配電分系統(tǒng)過(guò)渡到太陽(yáng)電池陣和蓄電池組聯(lián)合供電,此時(shí)母線電壓被鉗位至蓄電池組電壓,若衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)使太陽(yáng)電池板完全不受照或衛(wèi)星處于陰影區(qū)時(shí),蓄電池組是整星唯一的能源。此外,鋰離子蓄電池組在壽命初期和壽命末期充滿(mǎn)電后分別設(shè)置為單體4.0V檔和4.1V檔,對(duì)應(yīng)母線電壓也設(shè)計(jì)為2檔可調(diào)。

鋰離子蓄電池組采用先恒流后恒壓的充電控制方式,通過(guò)S4R電路實(shí)現(xiàn)充電控制。S4R在主誤差放大器(MEA)及蓄電池誤差放大器(BEA)的聯(lián)合作用下,太陽(yáng)電池陣功率富余時(shí)實(shí)現(xiàn)蓄電池組恒流充電,在BEA信號(hào)控制下實(shí)現(xiàn)蓄電池組恒壓充電。恒流段的充電電流可通過(guò)上注指令進(jìn)行調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)在軌的靈活控制。

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星采用分散配電體制,一次母線通過(guò)電纜網(wǎng)向整星各分系統(tǒng)電子設(shè)備供電。42.0V母線分4個(gè)長(zhǎng)期供電區(qū),分別為42.0V直通供電區(qū)(星務(wù)分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng))、控制分系統(tǒng)供電區(qū)、載荷供電1區(qū)(數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng))、載荷供電2區(qū)(相機(jī)分系統(tǒng))。30.0V母線為部分平臺(tái)設(shè)備供電,并為各分系統(tǒng)提供指令母線?；鸸て纺妇€為太陽(yáng)翼、天線和相機(jī)解鎖火工品供電,火工品母線由蓄電池組抽頭引出,不經(jīng)過(guò)放電開(kāi)關(guān)。

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)設(shè)計(jì)有能源安全模式,電源下位機(jī)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的遙測(cè)參數(shù)有30.0V母線電壓、蓄電池組電壓、蓄電池組當(dāng)前電量及蓄電池組溫度,當(dāng)這些遙測(cè)參數(shù)中的某個(gè)或某幾個(gè)超出設(shè)計(jì)閾值后,供配電分系統(tǒng)相應(yīng)標(biāo)志位置位,星務(wù)分系統(tǒng)讀取能源安全模式信息,并執(zhí)行保護(hù)能源指令序列,整星能源安全模式設(shè)置使能功能。此外,供配電分系統(tǒng)還針對(duì)蓄電池組采用過(guò)充及過(guò)放保護(hù)設(shè)計(jì)。蓄電池組發(fā)生過(guò)充后,電源下位機(jī)自主發(fā)送充電終止指令,強(qiáng)制停止充電;蓄電池組發(fā)生過(guò)放保護(hù)后,電源下位機(jī)自主發(fā)送放電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)指令,衛(wèi)星在陰影區(qū)斷電,進(jìn)入陽(yáng)照區(qū)太陽(yáng)電池板重新受照后,衛(wèi)星再次上電,蓄電池組過(guò)放保護(hù)只是斷開(kāi)了放電回路,充電回路并沒(méi)有斷開(kāi),放電開(kāi)關(guān)旁并聯(lián)了二極管,以保證在放電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的情況下能夠?yàn)樾铍姵亟M充電,待蓄電池組充滿(mǎn)后再通過(guò)指令將蓄電池組接入。因蓄電池組過(guò)放保護(hù)后整星將會(huì)掉電,因此只能作為最后一道防護(hù)手段使用。除此之外,供配電分系統(tǒng)還具有能源預(yù)警、重要設(shè)置參數(shù)掉電保存等功能,使衛(wèi)星更加好用、易用。

電源調(diào)控器設(shè)置有穩(wěn)壓源供電口,整星可以由穩(wěn)壓源直接加電,該供電方式可以用于衛(wèi)星首次加電測(cè)試前的供電接口檢查;此外,S4R模塊5和模塊6設(shè)計(jì)有方陣模擬器塔架充電接口,可以用于太陽(yáng)翼裝星后的方陣模擬器供電,能夠防止方陣模擬器的電流對(duì)太陽(yáng)電池陣形成倒灌。整星力學(xué)試驗(yàn)或者發(fā)射場(chǎng)太陽(yáng)翼裝星后,整星采用穩(wěn)壓源+5級(jí)、6級(jí)方陣模擬器的供電方式,其中,穩(wěn)壓源為負(fù)載供電,5級(jí)、6級(jí)方陣模擬器主要為蓄電池組充電。

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

(1)衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為8年,且在軌期間每軌都有地影,選取的鋰離子蓄電池單體容量保持率更高、循環(huán)特性更加優(yōu)良。

(2)與我國(guó)之前的對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星相比,北京三號(hào)A/B衛(wèi)星功能更為強(qiáng)大,整星的平臺(tái)功耗及載荷功耗也更大,長(zhǎng)期功耗約1000W,峰值功耗約1600W,供配電分系統(tǒng)選取高效率的太陽(yáng)電池片,保證整星能源平衡。

(3)北京三號(hào)A/B衛(wèi)星平臺(tái)采用輕量化設(shè)計(jì),選用高集成度電子設(shè)備,供配電分系統(tǒng)也遵循這一原則,將傳統(tǒng)的電源控制器和配電器合并為1臺(tái)單機(jī),并共用下位機(jī)與結(jié)構(gòu),減少了結(jié)構(gòu)和電纜網(wǎng)的質(zhì)量,同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì),便于擴(kuò)展升級(jí)。

(4)為了在保證能源安全的前提下充分釋放衛(wèi)星使用潛力,任務(wù)規(guī)劃軟件中加入了供配電分系統(tǒng)仿真計(jì)算模型。該模型在任務(wù)規(guī)劃給定輸入條件下,能精確計(jì)算評(píng)估供配電分系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)及衛(wèi)星能源平衡情況,為規(guī)劃任務(wù)的可行性提供決策依據(jù)。

2 單機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)電池陣

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星的太陽(yáng)電池陣均由3塊太陽(yáng)電池板組成,單板尺寸為1390mm×2000mm,采用平均效率不低于32%的三結(jié)砷化鎵GaInP2/GaAs/Ge太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池陣共8個(gè)分陣,8個(gè)分陣在3塊太陽(yáng)電池板的分布如圖2所示。太陽(yáng)電池陣在8年壽命末期夏至日,工作溫度為90℃,母線電壓為46.0V,太陽(yáng)光正照的情況下,輸出功率約為2060W,滿(mǎn)足整星的能源平衡需求并留有足夠余量。根據(jù)在軌數(shù)據(jù),發(fā)射初期夏至日,太陽(yáng)電池陣輸出功率約為2180W,太陽(yáng)電池片平均效率為29%時(shí),相同面積太陽(yáng)電池陣輸出功率約為1960W(根據(jù)在軌數(shù)據(jù)等效折算后)[3]?？梢?jiàn),高效率的太陽(yáng)電池片大大提升了太陽(yáng)電池陣輸出功率,保證了衛(wèi)星能源平衡。

2.2 鋰離子蓄電池組

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星鋰離子蓄電池組[4]由22個(gè)高比能量的45A·h單體2并11串組成,額定容量90A·h。該蓄電池組采用比能量更高的NCA材料,大大減小了設(shè)備質(zhì)量,且NCA材料體系相比上一代鈷酸鋰(LCO)體系壽命循環(huán)特性更好。此外,蓄電池組的結(jié)構(gòu)(如圖3所示)還采用優(yōu)化設(shè)計(jì),在滿(mǎn)足力學(xué)環(huán)境要求和熱設(shè)計(jì)要求的前提下盡可能減小結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量,提高蓄電池組的比能量。北京三號(hào)A/B衛(wèi)星鋰離子蓄電池組比能量高達(dá)150W·h/kg,LCO體系蓄電池組比能量?jī)H為130W·h/kg。

圖3 衛(wèi)星蓄電池組結(jié)構(gòu)示意

NCA體系和LCO體系30%放電深度(DOD)低軌循環(huán)對(duì)比曲線如圖4所示。LCO體系的電池電壓平臺(tái)在循環(huán)初期高于NCA體系的電池,但衰降速率大于NCA體系的電池;循環(huán)到5000次后,LCO體系的電池放電終止電壓已經(jīng)低于NCA體系的電池放電終止電壓。NCA體系電池的容量保持率明顯高于LCO體系電池的容量保持率。北京三號(hào)A/B衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為8年,該指標(biāo)高于絕大部分低軌小衛(wèi)星,性能良好的蓄電池組對(duì)保證衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

圖4 NCA體系和LCO體系蓄電池單體30% DOD循環(huán)對(duì)比

2.3 PCDU

PCDU[5-6]是供配電分系統(tǒng)的中心設(shè)備,該設(shè)備將傳統(tǒng)電源控制器及配電器的功能合二為一,并共用下位機(jī)及結(jié)構(gòu),大大減小了供配電分系統(tǒng)的質(zhì)量,提高了集成度。PCDU對(duì)太陽(yáng)電池陣功率進(jìn)行調(diào)節(jié),得到穩(wěn)定一次母線電壓及30.0V母線電壓,完成整星用電設(shè)備功率分配和火工品起爆控制。

2.3.1 分流模塊

PCDU對(duì)應(yīng)8級(jí)太陽(yáng)電池陣,共設(shè)置2級(jí)S3R電路和6級(jí)S4R電路。S4R技術(shù)克服了混合型功率調(diào)節(jié)技術(shù)使用獨(dú)立充電陣的現(xiàn)象,將分陣的功能進(jìn)行了擴(kuò)展,使6級(jí)S4R分陣在光照期時(shí)既具有供電陣的功能又具有充電陣的功能;同時(shí),由于該功率調(diào)節(jié)技術(shù)的充電單元直接連在分陣的輸出端,克服了S3R技術(shù)中充電控制器連接在母線上所帶來(lái)的功率損耗和質(zhì)量都過(guò)大的缺點(diǎn),提高了充電效率。

2.3.2 BUCK電路模塊

BUCK電路的主要功能是將42.0V主母線轉(zhuǎn)換為平臺(tái)和載荷需要的30.0V母線。為確保30.0V母線的安全可靠,BUCK電路采用2路熱備份的工作方式,1個(gè)BUCK電路的輸出功率即可滿(mǎn)足負(fù)載的功率需求,30.0V母線還用作衛(wèi)星的指令母線。降壓調(diào)節(jié)器的電路拓?fù)洳捎肧uperbuck結(jié)構(gòu),具有效率高、輸入和輸出電流連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。

2.3.3 配電模塊

配電模塊負(fù)責(zé)將太陽(yáng)電池陣或者鋰離子蓄電池組的功率分配至星上所有用電設(shè)備[7]。衛(wèi)星有4個(gè)長(zhǎng)期供電區(qū),即1個(gè)直通供電區(qū)和3個(gè)開(kāi)關(guān)控制供電區(qū)(控制分系統(tǒng)供電區(qū)、載荷一區(qū)及載荷二區(qū))。為確保用電安全,配電模塊設(shè)計(jì)供電自檢功能,衛(wèi)星加電后,自主發(fā)送自檢供電通指令,接通自檢供電開(kāi)關(guān),通過(guò)遙測(cè)判斷對(duì)應(yīng)供電區(qū)是否有短路異常。

2.3.4 火工品模塊

火工品模塊為太陽(yáng)翼、天線和相機(jī)解鎖火工品提供驅(qū)動(dòng)電路?；鸸て饭╇婋娐凡捎眯羌蛛x開(kāi)關(guān)+火工品母線開(kāi)關(guān)+火工品起爆開(kāi)關(guān)的3級(jí)串聯(lián)控制和正線保護(hù)插頭設(shè)計(jì),防止火工品誤起爆。同時(shí),為確?？煽啃?各級(jí)開(kāi)關(guān)和指令均采用冗余設(shè)計(jì)?；鸸て饭╇婋娐分苯硬捎娩囯x子蓄電池組供電?；鸸て纺妇€正、負(fù)線從鋰離子蓄電池組直接引出,不經(jīng)過(guò)放電開(kāi)關(guān),以減少因中間環(huán)節(jié)工作異常所帶來(lái)的影響。此外,這種方式減少了火工品起爆時(shí)對(duì)一次電源母線的沖擊和對(duì)其他電子設(shè)備的影響和干擾。為保護(hù)蓄電池組,火工品控制環(huán)節(jié)中加入限流電阻,控制起爆電流的同時(shí)保護(hù)蓄電池組。

上述模塊均為模塊化設(shè)計(jì),可以很好地解決功率器件的散熱、安裝及功率擴(kuò)展的問(wèn)題;同時(shí),易于安裝與調(diào)試。例如,衛(wèi)星有2個(gè)分流模塊,每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)4個(gè)太陽(yáng)電池分陣,若太陽(yáng)電池陣面積增大,根據(jù)需要增加1個(gè)分流模塊即可。

3 仿真計(jì)算模型

在軌任務(wù)規(guī)劃是北京三號(hào)A/B衛(wèi)星的一大特色,為在保證衛(wèi)星能源安全的前提下提高載荷利用率,任務(wù)規(guī)劃軟件中加入了供配電分系統(tǒng)仿真計(jì)算模型。在任務(wù)規(guī)劃給定輸入條件下,該模型能精確計(jì)算評(píng)估供配電分系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)及衛(wèi)星能源平衡情況,為規(guī)劃任務(wù)的可行性提供決策依據(jù)。

傳統(tǒng)方法的衛(wèi)星能源系統(tǒng)對(duì)載荷使用的約束一般基于衛(wèi)星研制初期階段的能源平衡分析;但是,在這種分析過(guò)程中,陽(yáng)照區(qū)光照條件較為寬泛,給出的載荷使用約束通常簡(jiǎn)單規(guī)定為單圈不超過(guò)若干分鐘。實(shí)際在軌時(shí),每軌載荷開(kāi)機(jī)時(shí)的光照條件(主要包括日地距離、太陽(yáng)光與太陽(yáng)電池陣法線夾角)不同,載荷開(kāi)機(jī)時(shí)刻也不同(陽(yáng)照區(qū)開(kāi)始階段載荷開(kāi)機(jī)可能影響蓄電池組充電,陽(yáng)照區(qū)中后期蓄電池組已進(jìn)入恒壓充電或者充電終止階段因此不受影響),允許載荷開(kāi)機(jī)的時(shí)長(zhǎng)也就不同。仿真計(jì)算模型可以針對(duì)具體某軌的光照條件和載荷開(kāi)機(jī)情況進(jìn)行更為精確的計(jì)算。若某軌載荷開(kāi)機(jī)時(shí),方陣電流相比對(duì)日定向時(shí)變化較小,則單從能源角度考慮,不必受限于單圈不超過(guò)若干分鐘的規(guī)定,在其他分系統(tǒng)均滿(mǎn)足要求的前提下,可以延長(zhǎng)載荷開(kāi)機(jī)時(shí)間,提高載荷利用率。例如:北京三號(hào)B衛(wèi)星單圈允許工作不超過(guò)10min,但實(shí)際在某些圈次開(kāi)機(jī)15min也不會(huì)影響能源平衡。

任務(wù)規(guī)劃給定的輸入條件包括:①衛(wèi)星軌道圈時(shí)間秒值,該值從1開(kāi)始,以軌道周期時(shí)間結(jié)束,且陰影區(qū)在前,陽(yáng)照區(qū)在后;②日地距離因子;③太陽(yáng)光與太陽(yáng)電池陣法線夾角[8];④衛(wèi)星陰影區(qū)和陽(yáng)照區(qū)標(biāo)志位;⑤衛(wèi)星在軌道周期內(nèi)任意時(shí)刻的功耗。仿真計(jì)算模型的輸出結(jié)果為:按照衛(wèi)星軌道圈時(shí)間秒值給出任意時(shí)刻衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)的重要電壓電流值、蓄電池組DOD及能源平衡情況[9]。

供配電分系統(tǒng)仿真模型具有以下特征。①考慮了鋰離子蓄電池組恒流-恒壓充電過(guò)程中非線性的恒壓充電部分,并建立了恒壓充電電流的指數(shù)模型[10]。②計(jì)算蓄電池組電壓時(shí)考慮了蓄電池組內(nèi)阻的影響,在充電電流較大時(shí),蓄電池組內(nèi)阻對(duì)蓄電池組恒流恒壓充電的影響已經(jīng)不可忽略。③精確計(jì)算單圈內(nèi)任意時(shí)刻衛(wèi)星電源系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)(母線電壓、蓄電池組電壓、太陽(yáng)電池陣電流(即方陣電流)、負(fù)載電流、充電電流、放電電流、蓄電池組DOD等)。④給出了判斷蓄電池組處于放電、恒流充電、恒壓充電、充電終止幾種狀態(tài)的定量分析方法。⑤考慮了衛(wèi)星陽(yáng)照區(qū)充電過(guò)程中姿態(tài)機(jī)動(dòng)導(dǎo)致蓄電池組補(bǔ)充放電的多種工況。

典型的仿真模擬工況為:長(zhǎng)期功耗500W,陽(yáng)照區(qū)峰值功耗1800W,進(jìn)入陽(yáng)照區(qū)1000s后載荷開(kāi)機(jī),開(kāi)機(jī)時(shí)間400s,載荷工作結(jié)束后,衛(wèi)星恢復(fù)對(duì)日定向。圖5為仿真結(jié)果,為便于顯示,僅示出了方陣電流、放電電流、充電電流及負(fù)載電流4條曲線。從仿真結(jié)果可以看出:該工況下供配電分系統(tǒng)經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。①衛(wèi)星陰影區(qū)放電,方陣電流與充電電流為0A,負(fù)載電流與放電電流相等。②進(jìn)入陽(yáng)照區(qū)后,方陣電流快速增大,首先對(duì)蓄電池組進(jìn)行恒流充電,充電電流為設(shè)定最大值,放電電流為0A,負(fù)載電流為長(zhǎng)期負(fù)載。③蓄電池組進(jìn)入恒壓充電階段,充電電流逐漸減小,放電電流與負(fù)載電流與恒流充電階段相同。④在蓄電池組恒壓充電過(guò)程中,衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的同時(shí)載荷開(kāi)機(jī),方陣電流迅速減小,負(fù)載電流增大,蓄電池組補(bǔ)充放電,充電電流變?yōu)?A。⑤在衛(wèi)星恢復(fù)對(duì)日定向的過(guò)程中,方陣電流逐漸增大,放電電流逐漸減小,當(dāng)方陣電流大于負(fù)載電流后,重新出現(xiàn)充電電流,放電電流變?yōu)?A。⑥衛(wèi)星完全恢復(fù)對(duì)日定向后,方陣電流恢復(fù)為最大值,負(fù)載電流恢復(fù)為長(zhǎng)期負(fù)載,蓄電池組繼續(xù)恒壓充電。由于機(jī)動(dòng)過(guò)程中蓄電池組補(bǔ)充放電,因此蓄電池組第2次恒壓充電開(kāi)始時(shí)的充電電流大于機(jī)動(dòng)開(kāi)始前的恒壓充電電流值。⑦蓄電池組充電終止,當(dāng)圈實(shí)現(xiàn)能源平衡。

圖5 供配電分系統(tǒng)仿真結(jié)果

4 在軌測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)北京三號(hào)B衛(wèi)星2023年4月22日某完整一軌遙測(cè)進(jìn)行分析,42.0V母線電壓與蓄電池組電壓變化趨勢(shì)如圖6所示,方陣電流、42.0V負(fù)載電流、充電電流及放電電流變化趨勢(shì)如圖7所示。從圖6和圖7中可以看出:衛(wèi)星在陰影區(qū)時(shí),母線電壓隨蓄電池組電壓的降低而降低;進(jìn)入陽(yáng)照區(qū)后,蓄電池組首先進(jìn)行恒流充電,隨后姿態(tài)機(jī)動(dòng)且載荷工作,載荷工作結(jié)束后恢復(fù)對(duì)日定向,并繼續(xù)進(jìn)行恒流恒壓充電,直至充電終止。充電終止意味著本軌實(shí)現(xiàn)了能源平衡,驗(yàn)證了供配電分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。圖8為姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中的局部放大圖,可以看出:方陣電流劇烈變化,負(fù)載電流增加,且蓄電池組短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充放電。

圖6 北京三號(hào)B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)電壓遙測(cè)變化趨勢(shì)

圖7 北京三號(hào)B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)電流遙測(cè)變化趨勢(shì)

圖8 姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中北京三號(hào)B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)遙測(cè)變化趨勢(shì)

為驗(yàn)證在軌仿真模型的準(zhǔn)確性,根據(jù)在軌遙測(cè)得到仿真計(jì)算模型的輸入條件,包括太陽(yáng)入射角、整星功耗等。運(yùn)行仿真模型得到42.0V母線電壓與蓄電池組電壓仿真結(jié)果如圖9所示;方陣電流、42.0V負(fù)載電流、充電電流及放電電流仿真結(jié)果如圖10所示,姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中仿真結(jié)果局部放大圖如圖11所示。

圖9 北京三號(hào)B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)電壓仿真模型結(jié)果

圖10 北京三號(hào)B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)電流仿真模型結(jié)果

圖11 姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中北京三號(hào)B衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)仿真模型結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出:各電壓電流量變化趨勢(shì)與在軌實(shí)際變化趨勢(shì)相同,即使考慮了非線性的恒壓充電部分,模型仍然具有較高精度,實(shí)際在軌發(fā)生充電終止的時(shí)刻在該軌的4875s,仿真結(jié)果為5013s,二者基本一致,證明模型可以比較好地對(duì)北京三號(hào)衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算,該模型可以在軌為規(guī)劃任務(wù)的可行性提供決策依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星在軌正常運(yùn)行,供配電分系統(tǒng)在軌運(yùn)行穩(wěn)定,各項(xiàng)功能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)預(yù)期。在軌仿真計(jì)算模型結(jié)果與實(shí)際在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)一致,為任務(wù)規(guī)劃決策提供了良好依據(jù)。衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)的成功應(yīng)用,可為類(lèi)似功率等級(jí)的衛(wèi)星提供選擇與參考。