基于高低压混合母线架构的先进能源系统研究

李亚群，彭 越，张金刚，梁晨光，周广铭

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

传统运载火箭电源多为分布式供电，主要采用多块电池为运载火箭各系统仪器设备提供一次直流电源，包括为火箭控制、利用、安全、遥测、故检系统提供电能[1]。火箭电池主要以锌银电池为主。该方案虽有利于故障隔离和排查，具有可靠性高和技术成熟等优点，也同时兼有地面测试无法长时间使用电池导致对电源测试覆盖不全面，电池种类、数量过多且上下箭操作繁杂等弊端。

随着航天技术尤其是空间电源的快速发展，新型航天运载器对电源系统功率输出能力的要求越来越高，复杂的地面测试和“零窗口”的发射要求均对航天运载器电源系统提出挑战[2]，传统的一次性电池及分布式供电方式已无法满足新需求[3]。

由于后续新型运载火箭显著增长的箭上千瓦级大功率用电负载需求越来越迫切，因此，对全箭能源系统进行统一供配电规划设计满足不同设备的用电需求显得尤为重要[4]。

1 高低压混合母线配置设计

1.1 国内外发展情况

中国运载领域箭上一次供电电压体制主要来源于航空行业，航空电源系统的发展从28 V低压直流电源、112 V直流电源，逐步发展为115 V/200 V、400 Hz恒频交流电源以及 270 V高压直流电源，目前正在向270 V高压直流和恒压变频交流电源系统发展。

在高压元器件、原材料方面，国外在十几年前已经开始在航天器电推进、星上高压大功率载荷中广泛开展高压大功率电源设备的应用，最近几年随着电推进、天基武器等需求的提升，空间用高压电源设备也随之逐渐兴起，相关开关功率器件、电连接器、导线、配电开关等逐渐成熟。阿里安5火箭对于高电压主干供电线路的连接主要采用外部汇流条+螺接+高温焊接方式取代电连接器+导线焊接方式，质量、线阻、绝缘、散热等方面均有良好性能，对于大电流的主干电路的应用也是很好的借鉴。

1.2 高低压混合母线设计

1.2.1 子级独立供配电分析

中国现役运载火箭控制系统、测量系统等箭上电气分系统均采用独立供配电，箭上电池和供配电线路的余量没有共享，导致每个系统都设计了大量冗余供电线路和冗余配电设备，造成了严重的资源浪费。目前国际上各国主推火箭早已实现了统一供配电和系统级冗余，通过统一供配电可为箭上设备和电缆网减重。如果不实现统一供配电，供配电的系统级冗余将十分困难。

此外，现有供配电系统还存在大量跨部段供电，如芯级给助推供电、二级给一级供电、地面通过箭上电缆网给箭上供电等。国外运载火箭以阿里安5为例，各部段自主供电，减少了部段间电气联系，简化了部段间电气接口和电磁兼容性设计，使各部段可以成为独立的模块单元。更重要的是，供电电缆质量与供电距离的平方成正比，因此对距离十分敏感。采用部段内独立供电可以大大缩短供电线路的距离，有效减少箭上电缆网质量。取消跨部段间的供配电还将显著减少分离连接器的数量，提高可靠性。各部段可以在装配测试后直接运送发射场组装成火箭后进行测试，缩短了测试周期，省去了总装厂进行全箭测试的运输和测试费用。此外，各部段自主供电为助推器意外分离后进行自主式自毁提供能源，或为进行助推器、一级落点控制、助推器回收等提供能源。

因此，在未来新型运载火箭能源系统按照部段分为芯级、助推等几个独立区域[5]，设计部段内部的独立供配电，可使部段之间没有交叉供电接口，减少由于跨部段供电距离增加带来的箭上电缆网负担。

1.2.2 需求分析

火箭各部段分别配置28 V标准电池和高压电池两类电池，28 V标准电池在电源管理设备的管理下形成DC28 V仪器母线，高压电池经过电源管理设备输出高压母线以及动力母线。对于主要仪器设备等采用DC28 V仪器母线就近集中有线配电，对远端的无线传感器采用内置电池的方式。对于电动伺服机构、发动机调节电机等大功率用电设备采用高压母线进行局部供电，以减少线缆压降和电缆质量。对于火工品/电磁阀等大电流脉冲负载采用动力母线进行供电[6]。

供电母线的配置包括母线电压和母线数量的确定，对能源系统整体电源、电池、输电线路、电源变换器件等架构有较大影响。运载火箭各用电负载初步反馈的工作电压包括28 V、45 V、100 V及270 V等多种直流电压体制。母线电压和数量的选择应综合考虑负载功率需求水平、负载类型、功率电缆网的质量和损耗、元器件的耐压水平、对负载二次电源转换效率及可靠性的影响等等。

大功率用电设备的应用，使得未来运载火箭箭上电气系统的功耗将远大于现役运载火箭。如果仍采用现役运载火箭的 DC28 V一次母线电压体制，对于40 kW级用电负载将产生1 kA级线路电流，对于供电电缆的线路压降损耗、线路/设备发热及电缆网质量都是巨大的挑战。

对于一定功率的负载而言，母线电压直接影响的是工作电流，工作电流对功率电缆网的质量和损耗影响巨大，国际宇航局（National Aeronautics and Sрace Administration，NASA）给出了箭上设备电功率/铜质电缆网质量比的理论计算公式：

式中M为线缆质量；P为功率；L为线缆距离；V为工作电压；4.3为经验常数。

可见在一定的距离和功耗下，电缆网的质量和工作电压成反比，针对10 kW、50 kW、100 kW用电功率需求，100 m传输距离，分别对28 V、100 V、270 V供电母线电压下箭上电缆网质量进行预估（见表1和图1），可以看出母线电压提升对电缆网减重效果明显，100 V时电缆网质量仅为28 V时的28%，270 V时电缆网质量仅为 28 V时的 10%。当母线电压增大到250 V以上时减重效果下降。

因此，需要根据用电负载的实际需求，对未来运载火箭箭上电气系统的一次供电母线电压进行提高，通过提高供电电压以降低线路工作电流，减小线路损耗、发热及电缆网质量，最终满足大功率用电设备的使用需求。同时，通过综合考虑多种负载工作电压的需求，提供合适的母线电压和数量的配置方案。

表1 箭上电缆网质量预估Tab.1 Estimation of Cable Weight on the Rocket

图1 母线电压与箭上电缆网质量关系Fig.1 The Relationshiр between Power Вus Voltage and Weight of the Cable

1.2.3 高低压混合母线配置设计及电源管理

未来运载火箭能源系统供电母线的设计方案，在继承传统航天领域设计经验的基础上，借鉴航空和卫星领域的应用经验，考虑不同电压平台下元器件的成熟度，为满足负载工作需求，供电母线的设计方案包括以下4种，其中高压母线电压可根据实际情况设定。

a）方案a：提供一条供电母线，沿用传统DC28V，不同工作电压的负载通过连接在母线上的 DC/DC变换器获得稳定的电压输入，如图2a所示。

b）方案b：提供一条供电母线，采用直流高压母线，不同工作电压的负载通过连接在母线上的DC/DC变换器获得稳定的电压输入，如图2b所示。

c）方案c：提供4条供电母线，分别提供28 V、45 V、100 V直流电压及直流高压母线电压平台，如图2c所示。

d）方案d：提供2条供电母线，根据功率需求提供28 V直流电压、直流高压母线电压平台，仪器设备使用28 V母线，大功率负载和大电流脉冲负载通过直流高压母线经过 DC/DC变换器获取所需功率，如图2d所示。

图2 供电母线设计方案Fig.2 Design Scheme of Power Suррly Вus

对于方案a，DC28V供电体制可以很好地满足仪器设备、火工品、电磁阀的用电需求，且负载端DC/DC、点火电路、线圈等不需要更改状态，技术状态成熟可靠，且单母线体制维护管理简单；但对于大功率用电负载都从母线上取电，因此母线上将产生千安级电流，对于输入端的电池设计、供电线路的设计都带来巨大困难。

对于方案b，采用高压电池提供直流高压，可以大大降低大功率负载产生的母线电流，相关高压电池技术相对成熟，也可以较好地满足大功率用电负载的应用需求，且单母线体制维护管理简单，但仪器设备由于和大功率负载并联在同一个母线上，大功率负载的启动/断电容易对仪器设备产生较强干扰，并且供电线路全部采用高压传输，绝缘防护难度大。

对于方案c，分别由独立电池提供多条电压母线，用电负载各取所需，负载端不用再配置单独的DC/DC变换设备，供电拓扑简单，高压母线和大功率负载可以就近布置，绝缘防护容易，但多母线造成电池数量较多，维护和管理难度大。

对于方案d，根据负载类型，分成了标准母线和高压母线，标准母线采用DC28 V，为箭上仪器设备供电；高压母线采用高压直流满足大功率用电负载的需求，不同用电设备通过自身的 DC/DC变换器从母线获取功率，由于箭上火工品、电磁阀数量较多，分散较广，因此采用统一的 DC/DC变换器从高压母线上变换多28 V动力母线为火工品、电磁阀等瞬时脉冲负载供电，即解决了大功率供电在低压下难以设计的问题，又满足仪器母线稳定性好的需求，电池数量较少，供电拓扑相对简单。

4种母线配置方案的对比分析见表2，可见直流高压、DC28 V组成的高、低压双母线方案各项特性均衡，即可以很好地满足型号各类负载需求，又满足电缆网减重、经济性好等优点，未来运载火箭能源系统优选此方案作为论证方向。

表2 母线配置方案对比Tab.2 Comрarison of Вus Allocation Scheme

电源管理功能是未来运载火箭能源系统的核心功能，在地面测试过程中通过无线供电接口接收地面供电[6]，对箭上电池进行充放电管理，同时对箭上负载供电。在飞行过程中，实现对负载状态和电池状态进行监测，对电池故障进行重构，实现系统级的冗余和智能管理，电源管理设备按综合电子架构进行设计。

对于28 V仪器母线，通过电源管理设备中的控制功能，实现对28 V标准电池充放电控制调节，形成稳定的 28 V母线为负载进行供电；高压电池可以看作28 V仪器母线的负载，通过电源管理设备的控制功能，实现高压电池的充放电管理，形成稳定的高压母线，为箭上大功率负载供电。

未来运载火箭的电源管理相比于传统运载火箭的供配电功能，实现了由单纯的供配电控制向具有一定智能化水平的电源管理发展，可以实时对火箭的负载状态进行监控，并相应地调节功率输出，并在出现严重电池故障时，可以实现系统级的重构，具有较高的可靠性和安全性。

2 供配电控制设计

2.1 国内外发展情况

航空领域的供配电控制拓扑经历了从常规配电、遥控配电到数字配电的发展过程。常规配电是指配电线全部引入座舱内的中心配电装置，二级配电中心或电气负载从中心配电装置获得电能，这种配电系统的优越性在于技术成熟，在小飞机上仍然应用的非常广泛，但其缺点是电网质量大，操作人员负担重。

遥控配电是指配电汇流条靠近用电设备，座舱内只引入控制线，操作人员或通过主控器采用遥控方式控制配电系统中的功率开关设备。这种配电系统由于大部分电力线不需要敷设到主控设备，因而可大大减轻功率电网质量，但其缺点是离散控制线过多，没有电气负载自动管理功能，由操控员手动管理，自动化程度不高。典型的如波音757、767，苏-27、歼-8系列都采用了这种供配电架构。

常规配电和遥控配电都是基于传统电磁继电器+熔断器的配电控制组件，数字配电采用基于固态功率控制器（Solid State Power Controller，SSPC）的配电控制组件，克服了传统的粗放式配电方式，多路传输配电系统取消了众多的离散信号控制线，由计算机通过数据总线传递控制信号和状态信号，通过检测更多的配电系统信息实现配电系统的智能化管理。典型的如波音787、F22等新一代军、民用飞机采用了这种供配电架构。

中国现役运载火箭供配电系统目前采用继电器作为配电执行器件，地供继电器一般放在地面配电控制组合中，完成在地面测试和发射准备过程中的地面供电控制，发射时通过箭上配电器中的继电器转箭上电池供电。

2.2 供配电控制拓扑设计

在母线电压和母线数量确定后，供配电控制方案解决箭地之间能量传输、箭地供电转换控制、各供电支路的配电控制方式等问题。

按照未来运载火箭对能源系统的研制需求，借鉴航空领域的发展和成熟应用经验，在继承传统设计经验的基础上，考虑未来运载火箭电气系统数字总线的全面应用，供配电控制指令和测控信息可全部通过数字总线进行传输，因此重点对配电控制的拓扑结构提出3种设计方案，见图3。

a）方案1：如图3a所示。沿用中国现役运载火箭配电控制拓扑，由地面配电控制设备控制地供状态上各支路的通断状态，箭上配电管理设备控制箭供通路的通断状态，该方案控制逻辑、产品状态成熟，在箭上的一体化供配电的基础上，实现地面供配电设备的集成化、一体化；该方案优点是箭上配电控制设备功能简单，不足之处是箭地之间需要较多的供电支路，且各支路间需要做平衡压降设计。

b）方案2：如图3b所示。同方案1相比，将地供控制转移到箭上，由箭上配电管理设备实现地供、箭供状态下各支路的通断控制。该方案优点是箭地之间接口简单，仅需要一路正、负功率母线。该方案不足之处在于，增加了箭上配电管理设备的复杂程度，增加了非飞行过程中需要的功能器件。

c）方案3：如图3c所示。该方案方案2的基础上，简化箭上配电控制逻辑，由分支路的箭供控制变为通过对母线的统一控制，优点是箭上配电控制设备得到简化，不足之处是母线控制开关需承受较大的电流，对器件本身及散热有较高的要求。

图3 供配电控制拓扑方案Fig.3 Power Suррly and Distribution Control Toрology Scheme

续图3

综合上述分析，从简化箭地接口，提高设备一体化、集成化程度上来看，未来运载火箭供配电控制拓扑结构优选方案3作为论证方向。

2.3 电池的选用

锂离子电池是目前应用的比能量最高的化学电源，具有较好的循环寿命[7]，在近年的研究和发展中锂离子电池的能量密度、功率密度以及安全性都得到了很大程度的提升[8]。未来运载火箭可采用锂离子电池作为主电池。

3 可靠性安全性论证

未来运载火箭能源系统由于采用了高压直流供电体制，相对于传统的28 V安全电压，必须对测试、使用过程中的安全性采取足够的保障措施，能源系统高压直流供电采用的安全性设计手段包括：

a）采用悬浮体制，即两根正、负导线对地悬浮，若人体意外接触其中一根导线或电池端子时，虽然可能会存在一定的容性电流，但该电流极小，不足以对人体造成伤害，更重要的是，电流不能通过大地形成回路，可以避免在人体产生持续电流进而触电。

b）高压母线采用对地悬浮体制，当某处线路出现绝缘降低或接地故障后，会出现一定的接地电流，如果有人接触了另一极电路或电池端子，将造成电击事故，因此，高压母线上配置绝缘保护装置，对母线的绝缘情况进行监测，当出现漏电问题时及时发出警告，必要时切断故障电路。

c）高压配电保护模块采用基于SSPC固态功率控制技术[9]，总体结构与28 V固态配电保护模块基本一致，但增加了辅助功率管，如图4所示，可以起到泄漏箝位与保护的作用，实现的原理如图5所示。

图4 高压配电模块Fig.4 High Voltage Power Distribution Module

图5 高压配电保护电路原理Fig.5 Princiрle of High Voltage Power Distribution Protecting Circuit

1）在主SSPC关断的状态下，功率回路中仍然会有少量的漏电流存在，当负载呈现一定的容性时，长时间关断状态下，漏电流将会在负载上累积一定的电压。如果该电压大于安全电压，会产生安全危害，因此必须对功率输出端进行箝位。当漏电流产生的功率输出端的电压超过安全电压时，泄漏箝位电路使辅助功率管开通，使功率输出端的电压维持在安全电压以下。

2）固态功率控制器件接阻容性负载关断瞬间，如图5a所示，泄漏箝位电路也将使辅助功率管开通从而形成快速放电回路，使负载电压快速下降。

3）固态功率控制器件接阻感性负载关断时，如图5b所示，将在电感两端产生的感应电压，感应电压和高电压同极性加在主功率管两端，如果感应电压很大，将会损坏主功率管。而辅助功率管内部寄生的反并联二极管则为关断瞬间的阻感性负载提供了电流续流回路，起到保护主电路的作用。

4 结 论

新型运载火箭对电池进行充放电管理，实现在线的智能程序化管理将是电源系统未来发展的重要方向；通过新型数字式配电管理技术，在配电环节对关键状态和参数进行实时监测，结合数据总线，实现电源系统的智能配电和负载自动管理技术，对负载故障进行隔离，防止故障漫延，通过专家系统实现电源系统的健康管理和故障预测将是电源智能化控制的重要发展趋势。

本文对未来新型运载火箭能源系统进行了设计，对基于高低压混合母线架构设计进行了研究，其各部段内能源集中管理，统一配电的设计思想，具有较高的安全可靠性，体现了智慧火箭的设计思路，为未来运载火箭能源系统设计提供了方向。