趙海峰，徐 偉，喬學(xué)榮，解曉莉，陳杏娜

(中國電子科技集團(tuán)有限公司第十八研究所，天津 300384)

中法海洋衛(wèi)星是中國和法國合作研制的首顆衛(wèi)星，衛(wèi)星裝載了中法兩國聯(lián)合研制的衛(wèi)星載荷，首次實現(xiàn)在全球范圍內(nèi)對海風(fēng)和海浪的大面積、高精度同步觀測。

1 電源分系統(tǒng)組成及工作原理

中法海洋衛(wèi)星設(shè)計壽命為3 年，電源分系統(tǒng)采用電源控制器、鎘鎳蓄電池組和太陽電池陣構(gòu)成。太陽電池陣在光照期利用光伏效應(yīng)將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能為負(fù)載供電，同時給蓄電池充電，是衛(wèi)星的能量來源[1-2]。鎘鎳蓄電池組是儲能部件，光照期充電儲存能量，陰影期放電滿足負(fù)載的功率需求。電源控制器是電源分系統(tǒng)的控制中心[3]，通過功率調(diào)節(jié)與管理，在整個壽命期間為衛(wèi)星提供不間斷、穩(wěn)定的母線電壓。

電源分系統(tǒng)采用全調(diào)節(jié)模式，無論是主動段，還是在軌運行期間，均為星上設(shè)備提供(28.5±1) V 的穩(wěn)定電源電壓。電源分系統(tǒng)原理框圖見圖1。

圖1 電源分系統(tǒng)原理框圖

鎘鎳蓄電池充電控制的方式有V-T 曲線和第三電極，V-T曲線控制是主要控制方式，應(yīng)用于許多工程型號中[4]。中法海洋衛(wèi)星充電控制采用V-T 曲線控制和電子電量計(軟件)控制兩種方式，兩者互為備份[5]。

與其他由鎘鎳電池組成的低軌衛(wèi)星電源系統(tǒng)相比較，中法海洋衛(wèi)星電源系統(tǒng)有如下兩個特點：(1)載荷功率需求大，且每天24 h 不間斷開機(jī)；(2)有效載荷為波譜儀和散射計，二者均具有低頻脈動負(fù)載特性，脈動負(fù)載會對平臺母線產(chǎn)生較大的干擾。

2 電源分系統(tǒng)設(shè)計

2.1 鎘鎳蓄電池組設(shè)計

2.1.1 大容量鎘鎳蓄電池開發(fā)的必要性

目前低軌道衛(wèi)星使用的鎘鎳蓄電池組放電深度(DOD)普遍設(shè)計在20%左右，如某低軌道衛(wèi)星30 Ah 鎘鎳蓄電池組放電深度為18%～20%，其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)如下：45 Ah 鎘鎳蓄電池組在軌放電深度為9.1%～23%，55 Ah 鎘鎳蓄電池組在軌放電深度為19.4%～21.8%。中法海洋衛(wèi)星地影期間功率需求為752～842 W，如果按負(fù)載功率752 W 工作25 min，鎘鎳蓄電池組放電容量約為16.08 Ah；若選用55 Ah 鎘鎳蓄電池組，放電深度達(dá)到29.2%，遠(yuǎn)超過20%，因此需要開發(fā)更大容量的電池。從產(chǎn)品可靠性及低軌道衛(wèi)星未來發(fā)展需求考慮，鎘鎳蓄電池容量設(shè)計為70 Ah 比較合理，其放電深度與目前在軌衛(wèi)星用鎘鎳蓄電池組的放電深度基本相當(dāng)。表1 為不同容量的鎘鎳蓄電池放電深度計算。

表1 不同容量的鎘鎳蓄電池放電深度計算

2.1.2 70 Ah 單體電池設(shè)計

大電流放電能力是中法海洋衛(wèi)星鎘鎳蓄電池研制過程的技術(shù)難點。

目前在軌的衛(wèi)星中某低軌道衛(wèi)星最大放電電流13.3 A，放電倍率0.44C；另一低軌道衛(wèi)星最大放電電流11.15 A，放電倍率0.34C。中法海洋衛(wèi)星地影期最大負(fù)載時，蓄電池組放電電流達(dá)到了43.2 A，放電倍率為0.62C，所以在70 Ah 單體電池的設(shè)計中充分考慮了大電流放電的能力。

70 Ah 電池較55 Ah 電池正負(fù)極板活性物質(zhì)增重有降低(正極活性物質(zhì)單位體積增重降低16%，負(fù)極活性物質(zhì)單位體積增重降低21%)，降低活性物質(zhì)填充量能夠提高極板大電流循環(huán)過程的膨脹應(yīng)力，同時也有利于提高活性物質(zhì)的利用率。

單體電池高方向尺寸的增加會導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加，所以70 Ah 電池的設(shè)計只在該方向增加10 mm。單體電池長和寬方向尺寸的增加有效增加了反應(yīng)面積，降低了電流密度，同時也降低了電池內(nèi)阻。表2 為70 Ah 鎘鎳蓄電池與55 Ah 鎘鎳蓄電池主要技術(shù)參數(shù)比較。

表2 70 Ah 鎘鎳蓄電池與55 Ah 鎘鎳蓄電池主要技術(shù)參數(shù)比較

2.1.3 電池組設(shè)計

鎘鎳蓄電池組由單體電池、電連接器、二極管保護(hù)組件和結(jié)構(gòu)等組成，采用端板-拉桿式結(jié)構(gòu)，分為兩個物理模塊，A模塊由9 只單體串聯(lián)，B 模塊由9 只單體串聯(lián)，允許其中1 節(jié)單體電池開路或短路失效，為17∶18 備份。

電源分系統(tǒng)采用額定容量為70 Ah 的鎘鎳蓄電池，其平均放電電流、放電容量、放電深度及兩階段充電時間計算結(jié)果見表3。從表3 可以看出，兩階段充電電流設(shè)計合理，蓄電池組當(dāng)圈能夠?qū)崿F(xiàn)能量平衡。

表3 中法海洋衛(wèi)星鎘鎳蓄電池組充放電計算結(jié)果

式中：PD為蓄電池組輸出功率，W；PL為整星負(fù)載功率，W；η為放電調(diào)節(jié)器效率，η＝0.92；KL為損耗因子，KL=0.964 3[6]。

式中：QD為蓄電池組放電容量，Ah；PD為蓄電池組輸出功率，W；TD為地影時間，h；N為單體電池串聯(lián)數(shù)，N＝18；VP為單體電池平均放電電壓，VP=1.22 V。

式中：DOD為蓄電池組放電深度；QD為蓄電池組放電容量，Ah；Q為蓄電池組額定容量，Ah。

2.2 太陽電池陣設(shè)計

太陽電池陣+X 太陽翼、-X 太陽翼各有4 塊板，每塊板布置18 個18 片串聯(lián)電路，8 塊板共包括144 個18 片串太陽電池電路，使用39.8 mm×60.4 mm 的三結(jié)砷化鎵太陽電池數(shù)2 592 片。太陽電池陣統(tǒng)一劃分為10 級電路，每翼5 級電路，其中1、3、5、7、9 級由內(nèi)到外分布在+X 翼，2、4、6、8、10 級由內(nèi)到外分布在-X 翼。

同時，采用18 片20 mm×40 mm 的三結(jié)砷化鎵電池串聯(lián)作為涓流充電陣，布置在+X 翼中內(nèi)板上。在軌工作正照條件下，壽命初期涓流陣工作電流約為0.13 A。

2.3 電源控制器設(shè)計

中法海洋衛(wèi)星設(shè)計壽命3 年，要求電源分系統(tǒng)盡量采用成熟、可靠的技術(shù)。依據(jù)衛(wèi)星軌道條件以及功率需求，最終確定以某衛(wèi)星平臺電源控制器為基礎(chǔ)，同時依據(jù)載荷特點和功率需求進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計。如圖2 所示，電源控制器采用模塊化設(shè)計，由平臺母線濾波模塊、信號變換模塊、分流調(diào)節(jié)模塊、放電調(diào)節(jié)模塊(3 個)、V-T 充電控制模塊、充電調(diào)節(jié)模塊、載荷母線濾波模塊、電源下位機(jī)模塊(2 個)和二次電源模塊等組成。

圖2 電源控制器產(chǎn)品

中法海洋衛(wèi)星主要有效載荷為微波散射計和海洋波譜儀，兩者用電需求比較特殊，均具有低頻脈動負(fù)載特性，且載荷長期開機(jī)。具體特性如下：(1)平臺母線負(fù)載特性：負(fù)載為20 A，以直流為主；平臺母線供電電壓紋波要求不大于350 mV。(2)載荷母線負(fù)載特性：基礎(chǔ)負(fù)載電流為6.5 A，疊加一個幅度為7 A，頻率為150 Hz，占空比為50%的負(fù)載階躍，負(fù)載躍變速率為1×105A/s；載荷母線供電電壓紋波要求不大于1 V。

針對上述要求，為避免平臺設(shè)備和載荷設(shè)備相互干擾，傳統(tǒng)的設(shè)計方案是采用雙母線設(shè)計，即一條母線為穩(wěn)定負(fù)載供電-平臺母線，一條母線為脈沖負(fù)載供電-載荷母線。但這種設(shè)計方案的缺點是電源系統(tǒng)的設(shè)備多、體積大、質(zhì)量重、成本高，而體積、質(zhì)量、成本都是衛(wèi)星總體無法接受的。

綜合考慮成本、體積、質(zhì)量等約束條件，提出了一種替代方案——“內(nèi)單外雙”母線設(shè)計。電源控制器內(nèi)部一條母線但是分雙路輸出，一條母線對應(yīng)平臺設(shè)備，另一條母線對應(yīng)有效載荷設(shè)備。平臺母線與載荷母線通過濾波電路進(jìn)行隔離，如圖3 所示。采用“內(nèi)單外雙”的準(zhǔn)雙母線設(shè)計，平臺母線與載荷母線在一定程度上實現(xiàn)隔離，盡量避免或降低載荷工作時脈動負(fù)載對平臺母線和其他設(shè)備造成的影響，同時又能夠簡化配置，減少電源系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量，體積小，質(zhì)量輕，大大降低了研制成本[7]。

圖3 電源控制器“內(nèi)單外雙”母線示意圖

載濾波模塊采用CLC 型濾波電路，可以對脈動負(fù)載對母線產(chǎn)生的干擾進(jìn)行有效抑制。對直流而言：CLC 型濾波電路中的C1 和C2 相當(dāng)于開路，而電感L 對直流分量的感抗等于零，相當(dāng)于短路，所以濾波電路對直流分量幾乎沒有影響。對交流而言：電容器的容抗很小，近似于短路，而電感對各種交流分量的感抗很大，所以濾波電路對交流分量有阻礙作用[8]。當(dāng)負(fù)載電流增加時，載荷濾波電路內(nèi)電流流向如圖4 所示；當(dāng)負(fù)載電流減小時，載荷濾波電路內(nèi)電流流向如圖5所示。

圖4 負(fù)載電流增加時載荷濾波電路內(nèi)電流流向

圖5 負(fù)載電流減小時載荷濾波電路內(nèi)電流流向

載荷濾波模塊如圖6 所示。經(jīng)過多次試驗和調(diào)整，最終確定了電容C1、C2 和電感L 的取值，并在整機(jī)產(chǎn)品狀態(tài)下進(jìn)行了測試驗證。

圖6 載荷濾波模塊

(1)測試條件：平臺母線負(fù)載設(shè)置為20 A 直流負(fù)載；載荷母線負(fù)載在6.5 A 直流負(fù)載上，施加一個幅度為7 A、頻率為150 Hz、占空比為50%的負(fù)載躍變，負(fù)載躍變速率為1×105A/s。

(2)測試結(jié)果：測試結(jié)果詳見表4，平臺母線電壓紋波不大于350 mV，載荷母線紋波不大于1 V，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表4 電源分系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)及測試結(jié)果

3 在軌應(yīng)用

中法海洋衛(wèi)星于2018 年10 月29 日發(fā)射入軌，已在軌穩(wěn)定運行超過3 年。圖7 所示為2021 年12 月份電源分系統(tǒng)的主要遙測數(shù)據(jù)曲線，從遙測數(shù)據(jù)分析可以看出：蓄電池組電壓范圍為22.143～25.306 V，母線電壓范圍為28.611～29.447 V，方陣最大輸出電流為60 A，一階段充電電流為17.5 A，二階段充電電流為11.5 A，放電電流最大達(dá)到31.2 A，均處于設(shè)計范圍內(nèi)；電源分系統(tǒng)工作正常、性能穩(wěn)定。

圖7 電源分系統(tǒng)的主要遙測數(shù)據(jù)曲線

中法海洋衛(wèi)星電源分系統(tǒng)在軌運行時間已超過了3 年的設(shè)計壽命；在軌飛行時間內(nèi)，電源分系統(tǒng)未發(fā)生異常問題或失效事件，確保了衛(wèi)星在軌運行期間的供電正常；以目前電源分系統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)分析，仍可以繼續(xù)保證衛(wèi)星供電。