SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)研究

王 鍇

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

近幾年，我國在通信衛(wèi)星領(lǐng)域廣泛布局，可以預(yù)見未來在三大衛(wèi)星領(lǐng)域之一的遙感衛(wèi)星領(lǐng)域?qū)㈤_啟零星合成孔徑雷達(dá)成像(SAR)衛(wèi)星應(yīng)用到星座組網(wǎng)批量化模式，滿足軍、民用領(lǐng)域的業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求。在低成本、高效費(fèi)比要求和星載SAR 載荷技術(shù)跨越式發(fā)展的雙重推動(dòng)下，輕小型星載SAR 將迎來加速發(fā)展的階段[1]。SAR 衛(wèi)星因工作波長能穿透云層、塵埃乃至地表或植被的等掩蓋信息，可全天候、全天時(shí)獲取高分辨率圖像，是近年來軍用、民用遙感衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展的熱門方向，其具有成像模式多、峰值功率大以及脈沖工作等特點(diǎn)，對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的需求和挑戰(zhàn)。

1 電源系統(tǒng)輸入約束

1.1 任務(wù)需求及功率限定

一次電源系統(tǒng)任務(wù)主要是為整星供電，滿足衛(wèi)星各種工作模式下的功率需求，在地面測(cè)試及各種地面試驗(yàn)期間，為衛(wèi)星提供電源；在軌運(yùn)行期間，為衛(wèi)星提供電源，保證各儀器設(shè)備的正常工作；電源分系統(tǒng)在日照期利用太陽電池陣發(fā)電，為衛(wèi)星各設(shè)備供電，并對(duì)蓄電池充電；在地影期由蓄電池為衛(wèi)星各設(shè)備供電。實(shí)施在軌運(yùn)行期間的電源管理和控制，包括對(duì)蓄電池充放電的控制，系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)的遙測(cè)，并提供所需的遙測(cè)、遙控接口；接收?qǐng)?zhí)行綜合電子發(fā)出的間接指令，并接收?qǐng)?zhí)行測(cè)控設(shè)備的直接指令。

一次電源系統(tǒng)的功率需求為：軌道高度550～650 km；軌道周期5 800 s，最長地影時(shí)間約為2 133 s；在軌壽命3 年；SAR 載荷母線電壓56～66 V，平臺(tái)母線電壓(28±0.5) V；SAR載荷母線，峰值功率20 kW，平均功率12.8 kW，連續(xù)工作時(shí)長6.9 min，常值功率385 W；平臺(tái)功率810 W，峰值功率1 250 W；載荷初期每4 軌工作2 次，壽命末期載荷可5 軌工作2 次。選取的功率范圍基本可覆蓋當(dāng)前低軌SAR 衛(wèi)星的任務(wù)需求。

1.2 太陽電池及蓄電池限定

隨著航天技術(shù)的日趨成熟，國內(nèi)外空間三節(jié)砷化鎵(GalnP2/GaAs/Ge)電池已經(jīng)大量在軌應(yīng)用，當(dāng)前在軌衛(wèi)星的太陽電池多以30%效率為主，規(guī)格型號(hào)種類繁多，以30 mm×40 mm、40 mm×60 mm 及40 mm×80 mm 居多。從成本和提高太陽電池利用率方面考慮，國外已經(jīng)開始大量使用單體面積更大的太陽電池片，而國內(nèi)主要開發(fā)了80 mm×80 mm 和64 mm×128 mm 太陽電池片。針對(duì)后續(xù)幾年SAR 載荷類對(duì)太陽電池高效輕質(zhì)的需求，選擇規(guī)格40 mm×80 mm、厚度80 μm、效率32%的太陽電池單體作為設(shè)計(jì)方案選型。太陽電池片及主要參數(shù)值如圖1 和表1 所示。

表1 太陽電池片參數(shù)

圖1 太陽電池片示意圖

SAR 衛(wèi)星對(duì)能源分系統(tǒng)的要求是十分嚴(yán)格的，它需要在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大功率、大電流脈沖式供電。而鋰離子蓄電池具有高比能量、高電壓、良好的低溫性能、較低的自放電率和無記憶效應(yīng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，國外TerraSAR 和Cosmo-Skymed衛(wèi)星對(duì)電源的容量要求比較高，都采用了鋰離子蓄電池組技術(shù)[2]。而國內(nèi)鋰離子電池也大量應(yīng)用于通信、導(dǎo)航等中高軌衛(wèi)星以及星網(wǎng)工程等低軌衛(wèi)星，過去國內(nèi)大量發(fā)射的通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星平均功率都較大，導(dǎo)致鋰離子蓄電池長期追求高比能特性，不能滿足當(dāng)前大功率遙感SAR 衛(wèi)星對(duì)電源脈沖特性的需求，蓄電池的質(zhì)量在電源系統(tǒng)中的占比在60%以上，甚至更大。比如國外的SAR 衛(wèi)星Cosmo-Skymed，10 s 19 kW 功率輸出，選用的18650 高比能電池達(dá)72 并設(shè)計(jì)。隨著國內(nèi)外SAR 衛(wèi)星對(duì)脈沖功率的不斷增大的需求和鋰離子蓄電池技術(shù)的進(jìn)步，適合脈沖電流工作的高功率電池及兼顧高比能和高功率的“雙高”型鋰離子蓄電池應(yīng)運(yùn)而生，如本單位10 Ah 超高功率鋰離子電池比能量達(dá)到100 Wh/kg，比功率達(dá)到10 kW/kg，40C連續(xù)放電可以放出1C容量的93%以上，比功率指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用。采用本單位的220 Wh/kg 高比能10 Ah 單體(F 型電池)和10 kW/kg 高比功率10 Ah 單體進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。高比能10 Ah 電池可實(shí)現(xiàn)1C放電、0.5C充電，40%放電深度(DOD)條件下，低軌道(LEO)運(yùn)行具有7 年壽命；高功率10 Ah 電池50%DOD使用條件下，LEO 軌道運(yùn)行具有5 年壽命。圖2 為10 Ah 高比能電池和10 Ah 高功率電池實(shí)物。

圖2 10 Ah 高比能電池和10 Ah高功率電池

2 方案介紹

2.1 MPPT 型單電池組復(fù)合母線

系統(tǒng)采用復(fù)合母線拓?fù)?，如圖3 所示(方案1)，提供兩條不同電壓的母線分別為SAR 載荷供電和平臺(tái)負(fù)載供電，載荷和平臺(tái)共用一組雙高型鋰離子蓄電池組。載荷母線電壓采用最大功率跟蹤(MPPT)控制模式的不調(diào)節(jié)母線方式，高壓不調(diào)節(jié)母線具有極低的輸出阻抗，最大限度地滿足了SAR 載荷短期峰值負(fù)載和脈沖負(fù)載的供電需要[3]，可滿足SAR 載荷峰值功率20 kW 的需求，鋰電池組采用16 串方式，載荷母線電壓56～66 V。載荷母線通過隔離降壓模塊(Buck)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)母線電壓28 V 輸出。光照期，太陽電池通過MPPT 控制的功率變換器將太陽能供給載荷和平臺(tái)負(fù)載，如有多余能量，則為蓄電池組充電；地影期，蓄電池組通過降壓模塊(Buck)為衛(wèi)星平臺(tái)母線供電，同時(shí)為SAR 載荷工作提供能源。綜上分析，此方案為MPPT 控制太陽電池陣，配置單組雙高型電池組以及隔離型DCDC 變換器為平臺(tái)母線，此方案記為方案1。方案2 與方案1 幾乎相同，只是將MPPT 控制太陽電池的策略改為傳統(tǒng)的S3R 拓?fù)洹５c方案1 相比，方案2 會(huì)增加太陽電池面積。

圖3 MPPT型單電池組復(fù)合母線示意圖

2.2 S3R 型雙電池組雙母線

圖4 為S3R 型雙電池組雙母線示意圖，系統(tǒng)采用雙母線拓?fù)?，提供兩條不同電壓的母線，分別為SAR 載荷供電和平臺(tái)負(fù)載供電，載荷和平臺(tái)分別設(shè)置兩組電池，由于載荷峰值功率比較大，采用高功率型電池，平臺(tái)負(fù)載工作穩(wěn)定，采用高比能電池組。載荷母線電壓56～66 V。平臺(tái)母線采用28 V 不調(diào)節(jié)母線，控制方式為S3R 型直接能量傳輸(DET)控制方式，母線電壓25.2～28.7 V。綜上分析，圖4 所示方案(方案3)采用兩組蓄電池、兩條母線，由于采用兩組蓄電池，可發(fā)揮蓄電池組高比能和高功率的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)載荷母線和平臺(tái)母線獨(dú)立設(shè)計(jì)，載荷工作時(shí)，對(duì)平臺(tái)設(shè)備干擾最小。圖4 方案中，平臺(tái)母線為不調(diào)節(jié)母線，如果全調(diào)節(jié)母線需要增加降壓電路。

圖4 S3R型雙電池組雙母線示意圖

2.3 MPPT 型雙電池組雙母線

圖5 為MPPT 型雙電池組雙母線示意圖，太陽電池的功率調(diào)節(jié)上采用MPPT 模式，而且采用降壓型MPPT 控制方式，降壓型控制方式較升降壓MPPT 控制方式效率更高；兩組蓄電池可發(fā)揮蓄電池組高比能和高功率的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)載荷母線和平臺(tái)母線獨(dú)立設(shè)計(jì)，載荷工作時(shí)對(duì)平臺(tái)設(shè)備干擾較小。MPPT 型雙電池組雙母線方案中，平臺(tái)采用全調(diào)節(jié)母線，全調(diào)節(jié)母線常用的有S3R+蓄電池充電調(diào)節(jié)器(BCR)+蓄電池放電調(diào)節(jié)器(BDR)或S4R+BDR 的配置。圖5 所示方案(方案4)中，由于雙母線的架構(gòu)，平臺(tái)如果采取較成熟和轉(zhuǎn)換效率高的降壓電路實(shí)現(xiàn)平臺(tái)母線電壓的恒定輸出，較傳統(tǒng)模式質(zhì)量輕、體積小及效率更高。

圖5 MPPT型雙電池組雙母線示意圖

2.4 升壓型復(fù)合母線

圖6 為升壓型復(fù)合母線示意圖，系統(tǒng)采用復(fù)合母線拓?fù)?，提供兩條不同電壓的母線，分別為SAR 載荷供電和平臺(tái)負(fù)載供電，使用兩組電池，平臺(tái)使用高比能蓄電池，載荷使用高功率電池。圖6 所示方案與圖3～5 所示方案最大的不同之處在于高功率電池的能量來自于電源平臺(tái)能量，對(duì)于既有成熟平臺(tái)電源，尤其蓄電池具備高比能特性時(shí)，對(duì)需要擴(kuò)展類似SAR 等脈沖電源的載荷，可以不改變現(xiàn)有成熟電源平臺(tái)，只需要外圍增加升壓變換器模塊和高功率電池組即可，通過平臺(tái)給高功率電池充電，高功率電池儲(chǔ)能后可以滿足SAR 載荷的放電需求，后續(xù)的方案比較中不作此方案比較。

圖6 升壓型復(fù)合母線示意圖

2.5 方案比較

表2 為四種方案對(duì)比表。由表2 可知，對(duì)太陽電池陣調(diào)節(jié)采用MPPT 方式，充分利用太陽電池陣輸出功率，可減小太陽電池陣的面積和質(zhì)量，降低研制成本。蓄電池充電時(shí)間更短，可有效響應(yīng)突發(fā)的任務(wù)規(guī)劃，降低電源系統(tǒng)對(duì)任務(wù)規(guī)劃的約束[4]。本文中太陽電池功率需求面積為10 m2左右，通過分析可知，采用MPPT 的調(diào)節(jié)方式較傳統(tǒng)S3R 調(diào)節(jié)方式，可以節(jié)省近1 m2的太陽電池，如果再考慮基板的質(zhì)量，使用MPPT調(diào)節(jié)方式不僅可大幅減小電源系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，在衛(wèi)星壽命初期輸出功率可以比S3R 調(diào)節(jié)方式多12%～20%，對(duì)于壽命初期需要載荷完成更多任務(wù)的工況具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表2 四種方案比較

平臺(tái)和載荷獨(dú)立配置蓄電池組，平臺(tái)蓄電池組采用能量型鋰離子蓄電池單體，滿足平臺(tái)設(shè)備的長期供電能量需求，載荷蓄電池組采用功率型鋰離子蓄電池單體，滿足SAR 載荷的短時(shí)大功率脈沖供電需求，可以分別對(duì)平臺(tái)和載荷鋰離子蓄電池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。鑒于當(dāng)前雙高型鋰離子蓄電池，國內(nèi)正處于攻關(guān)階段，本文中，采用220 Wh/kg 的F 型高比能蓄電池結(jié)合芯片化自主均衡，減少對(duì)系統(tǒng)資源的依賴，同時(shí)采用高功率電池，較容易實(shí)現(xiàn)SAR 載荷功率寬范圍擴(kuò)展，針對(duì)平臺(tái)和載荷供電需求特點(diǎn)，發(fā)揮了兩種蓄電池各自的優(yōu)勢(shì)。

通過對(duì)方案的比較，推薦使用方案4，太陽電池功率得到最大化利用，兩組蓄電池發(fā)揮了高比能和高功率的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)較容易實(shí)現(xiàn)載荷功率的擴(kuò)展，兩條獨(dú)立母線最大限度降低了脈沖類載荷工作對(duì)平臺(tái)精密設(shè)備的干擾。功率調(diào)節(jié)單元本質(zhì)都是傳統(tǒng)非隔離降壓電路，轉(zhuǎn)換效率高，拓?fù)浜?jiǎn)單可靠，成本低，系統(tǒng)復(fù)雜度適中。圖7 為電源控制器和蓄電池模型圖。

圖7 蓄電池組及電源控制器模型

通過分析四種方案，SAR 電源系統(tǒng)質(zhì)量相差僅5 kg 左右，且蓄電池質(zhì)量占比電源系統(tǒng)質(zhì)量都大于65%，因此對(duì)于SAR 等脈沖類衛(wèi)星電源系統(tǒng)，進(jìn)一步做到輕量化，重點(diǎn)還在于電池性能的提升，以減小蓄電池的質(zhì)量。

3 結(jié)束語

對(duì)SAR 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的任務(wù)、功率需求及太陽電池和蓄電池的規(guī)格型號(hào)進(jìn)行限定，立足國內(nèi)衛(wèi)星電源系統(tǒng)當(dāng)前的技術(shù)水平，后續(xù)1～3 年的發(fā)展情況，介紹了適合SAR 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的五種方案，對(duì)前四種方案進(jìn)行了定量分析、比較和剖析，分析了方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了后續(xù)需要優(yōu)化提升的關(guān)鍵點(diǎn)，這對(duì)于我國后續(xù)SAR 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。