高軌長壽命衛(wèi)星電源子系統(tǒng)充放電的設計與試驗驗證

王 鍇，馬力君，邵蘭娟，李文華

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

電源子系統(tǒng)作為衛(wèi)星電源子系統(tǒng)的核心控制單機，負責將太陽電池陣和蓄電池組結合在一起構成電源子系統(tǒng)，完成為整星提供穩(wěn)定的供電母線，并完成系統(tǒng)的能量平衡。在光照期保證整星供電及蓄電池組的充電前提下，將太陽電池陣產(chǎn)生的多余能量分流，以保持系統(tǒng)功率平衡；在地影期將存儲在蓄電池組的能量調(diào)節(jié)到母線上，以滿足整星用電需求。采用具有比能量更高、熱效應更小、無記憶效應等多種性能優(yōu)點的鋰離子蓄電池組作為儲能單元，目前國內(nèi)DFH-3B 衛(wèi)星平臺、DFH-4 衛(wèi)星平臺、DFH-5 衛(wèi)星平臺等已全面推廣采用鋰離子電池作為儲能電池。電源子系統(tǒng)的充放電功能需要充分考慮鋰離子蓄電池組的充放電特性以及在軌進出影循環(huán)模式來設計。本文在介紹系統(tǒng)的充、放電設計原理的基礎上，對衛(wèi)星電源子系統(tǒng)在軌充放電的試驗情況進行分析和總結。

1 電源子系統(tǒng)充放電管理設計

1.1 系統(tǒng)功能及組成

衛(wèi)星電源子系統(tǒng)設計采用太陽電池陣——蓄電池組系統(tǒng)拓撲形式，拓撲由發(fā)電裝置、儲能裝置及電源控制裝置三部分組成(圖1)。

圖1 電源子系統(tǒng)拓撲圖

太陽電池陣是衛(wèi)星電源子系統(tǒng)的發(fā)電裝置，電池陣包括-Y、+Y 兩個太陽電池翼，每翼由內(nèi)、中、外3 塊板構成，單板尺寸為2 360 mm×2 500 mm×25.4 mm,每塊板布置4 級分流陣，整星6 塊板共布置25 764 片30.6 mm×40.3 mm 高效三結砷化鎵太陽電池。

鋰離子蓄電池組是衛(wèi)星電源子系統(tǒng)的儲能裝置，整星由-Y 蓄電池組(A、B 模塊)和-Y 蓄電池組(C、D 模塊)75 Ah 組成，每組蓄電池組包含3 并22 串容量為25 Ah 單體電池。

電源控制裝置是衛(wèi)星電源子系統(tǒng)的控制中心，負責將太陽電池陣和蓄電池組結合在一起構成電源子系統(tǒng)。電源控制裝置由4 個SUN 模塊(每個模塊包括6 級分流調(diào)節(jié)電路)、4個BCDR 模塊(每個BCDR 模塊分別包括1 個BCR 調(diào)節(jié)器和1個BDR 調(diào)節(jié)器)，2 個BDR 模塊(只包括1 個BDR 調(diào)節(jié)器)及2個TM-TC 模塊(互為冷備份)共12 個模塊組成，整個裝置采用模塊設計理念(圖2)。

圖2 電源子系統(tǒng)充放電設計原理圖

電源子系統(tǒng)主要功能是協(xié)調(diào)太陽電池陣和蓄電池組的能量傳輸和功率平衡，為衛(wèi)星提供穩(wěn)定的供電母線。電源子系統(tǒng)采用“S3R 三域”全調(diào)節(jié)母線拓撲形式[1-3]，母線電壓設計值為(100.30±0.29) V。全調(diào)節(jié)母線采用三域管理方式，即主誤差放大器統(tǒng)一管理電源子系統(tǒng)內(nèi)部的全部功率調(diào)節(jié)模塊。在光照期，分流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)太陽電池陣對星上負載供電，同時，通過充電調(diào)節(jié)器給蓄電池組充電；在地影期，通過放電調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)蓄電池對星上負載供電。

1.2 充電功能控制設計

電源子系統(tǒng)的充電調(diào)節(jié)功能采用冷備份設計，采用硬件電路控制鋰離子蓄電池組的恒流、恒壓充電控制。衛(wèi)星在軌運行經(jīng)歷地影期蓄電池組放電工況，出影進入到光照期后需要及時進行蓄電池組補充充電。出影后，電源子系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入恒流充電模式為蓄電池組充電；當充電電壓達到恒壓設定值時，電源子系統(tǒng)通過恒壓環(huán)電路進行控制，逐漸減小充電電流使蓄電池組保持恒壓充電狀態(tài)；當充電電流按照指數(shù)規(guī)律逐漸減小為零時，蓄電池組需要的電量已經(jīng)充滿，可停止充電。

電源子系統(tǒng)設計了蓄電池組過充保護功能，當檢測到蓄電池組電壓達到過充保護設定值時，自動停止充電，防止蓄電池組過充。

電源子系統(tǒng)充電控制設計了電池誤差放大器電路(BEA)來調(diào)節(jié)控制充電調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)恒流-恒壓控制充電方式轉(zhuǎn)換。BEA 主要包括母線調(diào)壓控制通路、恒壓控制通路與恒流控制通路三部分，輸出BEA 信號控制充電調(diào)節(jié)器完成充電功能。如果整星功率不滿足充電功率要求時，充電調(diào)節(jié)器工作在自動調(diào)節(jié)母線的模式；當整星功率滿足充電要求，而此時未到達到時設定蓄電池組恒壓值時，充電調(diào)節(jié)器工作在恒流充電的模式；電池電壓逐漸升高，當電池電壓達到設定值時，充電調(diào)節(jié)器工作在恒壓充電的模式。

對于GEO 軌道衛(wèi)星，在地影季鋰離子蓄電池組進行充放電循環(huán)時，最長地影時間為1.2 h，光照期可充電時間大于20 h。衛(wèi)星出影后留給蓄電池組的充電時間相對較長，電源子系統(tǒng)一般情況下將恒流充電默認檔位設置不大于0.1C，即可滿足蓄電池組補充充電需求，在軌也可根據(jù)實際情況通過遙控指令進行恒流檔位的調(diào)整。當蓄電池組電壓上升進入恒壓充電控制階段，電池組電壓穩(wěn)定，充電電流逐漸減小，恒壓充電默認檔位的設置一般對應蓄電池單體電壓為4.05或4.10 V，根據(jù)電池組的使用狀態(tài)在軌也可通過遙控指令進行恒壓檔位的調(diào)整。

1.3 放電功能控制設計

當太陽電池陣的輸出功率不滿足負載需求或處于軌道陰影期時，放電調(diào)節(jié)器負責輸出功率和母線調(diào)節(jié)工作。每組蓄電池配置對應的放電調(diào)節(jié)器，采用熱備份工作方式，失效1 個放電調(diào)節(jié)器后輸出功率依然滿足設計要求。針對放電調(diào)節(jié)器多模塊熱備份的工作方式，設計上采用統(tǒng)一主誤差放大信號控制放電調(diào)節(jié)器的輸出電流，這種方式有效地解決了多個BDR 并聯(lián)工作電流輸出均衡的問題。

每個放電調(diào)節(jié)器均接收通斷指令的控制，正常情況下全部放電調(diào)節(jié)器處于工作狀態(tài)。如果1 個放電調(diào)節(jié)器出現(xiàn)失效，應該執(zhí)行此放電調(diào)節(jié)器關斷指令，為保持兩組蓄電池放電均衡，需要同時切斷另一組蓄電池對應的放電調(diào)節(jié)器。

放電調(diào)節(jié)器設計了輸入過流保護電路，輸入過流保護電路由電流采樣和功率開關兩個部分組成。當放電調(diào)節(jié)器內(nèi)部電路或元器件失效導致輸出過流后，過流保護電路自動切斷功率開關，使放電調(diào)節(jié)器和蓄電池組隔離。輸入過流保護功能一經(jīng)觸發(fā)即處于鎖定狀態(tài)，可通過指令使放電調(diào)節(jié)器重新上電完成電路復位。

2 系統(tǒng)試驗驗證系統(tǒng)搭建

搭建的充放電試驗驗證系統(tǒng)的連接圖如圖3 所示，該系統(tǒng)包含的主要單機產(chǎn)品和測試設備見表1。

表1 試驗驗證系統(tǒng)的單機和設備組成

圖3 電源子系統(tǒng)驗證試驗框圖

儲能電源采用高比能量的鋰離子蓄電池組，設置兩組鋰離子蓄電池組，每組電池組由45 Ah 鋰離子單體電池3 并20串組成，每組鋰離子蓄電池組額定容量135 Ah。光照期測試時采用24 級太陽電池陣模擬器來模擬24 級太陽電池陣輸出功率。

充放電試驗包含的測試項目如表2。

表2 充放電試驗的測試項目

3 系統(tǒng)試驗驗證情況

3.1 模擬地影72 min 放電試驗

模擬地影期，進行72 min 地影放電試驗，蓄電池組以0.32C放電，電源子系統(tǒng)的輸出功率6 000 W。

放電過程中持續(xù)監(jiān)視蓄電池組放電電流和蓄電池組電壓，放電過程中蓄電池組放電電流范圍為41.3～45.2 A，蓄電池組電壓由80.86 V 逐漸降至72.58 V(圖4)。

圖4 放電曲線

放電過程中持續(xù)監(jiān)視母線電壓和母線紋波，母線電壓保持穩(wěn)定為(100.30±0.29)V，母線紋波小于200 mV(圖5)。

圖5 放電母線紋波小于200 mV

3.2 模擬光照期補充充電試驗

模擬電源子系統(tǒng)由地影期轉(zhuǎn)換到光照期后進行補充充電，充電電流設置為0.1C，電源子系統(tǒng)的輸出功率6 000 W。

充電過程中持續(xù)監(jiān)視蓄電池組充電電流和蓄電池組電壓，恒流段對蓄電池組的充電電流保持為13.5 A，恒流充電過程蓄電池組電壓由71.2 V 逐漸升到80.89 V；進入恒壓充電階段后蓄電池組電壓恒定為80.89 V，充電電流由13.5 A 按平滑曲線狀態(tài)逐漸減小(圖6)。

圖6 充電曲線

充電過程中持續(xù)監(jiān)視母線電壓和母線紋波，母線電壓保持穩(wěn)定為(100.30±0.29)V，母線紋波小于600 mV(圖7)。

圖7 充電母線紋波小于600 mV

設置電子負載為1 500 W 的靜態(tài)負載再加上4 200 W 的瞬態(tài)躍變負載(頻率33 Hz)，電壓系統(tǒng)工作在光照期充電至地影期放電的跨域模式，監(jiān)視母線電壓和母線紋波，母線電壓保持在(100.30±0.29)V 范圍內(nèi)，母線紋波峰峰值為5.76 V，測試波形如圖8 所示。

圖8 跨域模式瞬態(tài)負載母線響應

設置電子負載為1 800 W 的靜態(tài)負載再加上4 200 W 的瞬態(tài)躍變負載(頻率33 Hz)，電源子系統(tǒng)工作在地影放電模式，監(jiān)視母線電壓和母線紋波，母線電壓保持在(100.30±0.29)V 范圍內(nèi)，母線紋波峰峰值為2.6 V，測試波形如圖9 所示。

圖9 放電模式瞬態(tài)負載母線響應

3.3 在軌工作情況

北斗三號導航GEO-1、GEO-2 及GEO-3 組網(wǎng)衛(wèi)星分別于2018 年11 月1 日、2020 年3 月9 日和2020 年6 月23 日在西 昌發(fā)射中心升空，目前三顆衛(wèi)星在軌工作良好。三顆衛(wèi)星均采用100 V 全調(diào)節(jié)母線，整星設計功率為6 000 W，其中GEO-1衛(wèi)星在軌母線在100.07～100.45 V 范圍內(nèi)之間正常波動，整星負載在39.05～52.36 A 范圍內(nèi)變化；GEO-2 衛(wèi)星在軌母線在100.51～100.57 V 范圍內(nèi)之間正常波動，整星負載在40.04～54.44 A 范圍內(nèi)變化；GEO-3 衛(wèi)星在軌母線在100.02～100.58 V 范圍內(nèi)之間正常波動，整星負載在39.36～52.29 A 范圍內(nèi)變化。從在軌數(shù)據(jù)分析可知，無論在光照期及地影期電源子系統(tǒng)一次母線電壓一直穩(wěn)定，達到了電源子系統(tǒng)的設計目標。

三顆衛(wèi)星在軌光照期主要變化曲線如圖10～圖12 所示。由圖可以看出，三顆衛(wèi)星負載狀況基本一致：GEO-1 衛(wèi)星-Y+Y 太陽電池陣輸出電流從發(fā)射至目前分別衰減2.75%、2.91%(每年衰減近1%)；GEO-2 衛(wèi)星-Y+Y 太陽電池陣輸出電流從發(fā)射至目前分別衰減2.20%、2.64%(每年衰減近1.1%)；GEO-3 衛(wèi)星-Y+Y 太陽電池陣輸出電流從發(fā)射至目前分別衰減1.44%、1.33%,光照期分流功能滿足設計功能要求。

圖10 G1母線電壓、母線電流及太陽電池陣翼輸出電流曲線

圖11 G2母線電壓、母線電流及太陽電池陣翼輸出電流曲線

圖12 G3母線電壓、母線電流及太陽電池陣翼輸出電流曲線

三顆衛(wèi)星在軌地影期主要變化曲線如圖13～圖15 所示。由圖可以看出：GEO-1 衛(wèi)星AB、CD 蓄電池組最低荷電量分別為39.73 和38.71 Ah，最大放電深度為52.97%、51.61%；GEO-2 衛(wèi)星AB、CD 蓄電池組最低荷電量分別為41.79 和41.4 Ah，最大放電深度為55.72% 和55.20%；GEO-3 衛(wèi)星AB、CD 蓄電池組最低荷電量分別為40.22 和39.42 Ah，最大放電深度為53.63%和52.56%。地影期充、放電功能滿足設計功能要求。

圖13 G1蓄電池組電壓及荷電態(tài)曲線

圖14 G2蓄電池組電壓及荷電態(tài)曲線

圖15 G3蓄電池組電壓及荷電態(tài)曲線

4 結論

本文針對GEO 軌道衛(wèi)星的應用需求介紹了電源子系統(tǒng)充、放電功能的原理設計，并結合電源子系統(tǒng)在軌驗證對設計功能進行分析和總結，提出的充放電設計思路以及在軌驗證結果對GEO 軌道衛(wèi)星的電源子系統(tǒng)設計具有一定的指導意義。