一种可以规避分流调节状态的S3R电源系统

赵海峰，徐 伟，陈杏娜，贾文涛，黄 晓

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384）

1 S3R电源系统概述

顺序开关分流调节（Sequential Switching Shunt Regulator，S3R）电源系统主要包括太阳能电池阵（发电）、锂离子蓄电池组（储能）以及电源控制器（系统功率调节与控制管理），典型30 V母线电压的S3R电源系统框架如图1所示[1-3]。

图1 S3R电源系统原理框架

电源控制器由主误差放大器统一控制和协调放电调节器、充电调节器以及分流电路的工作，实现太阳能电池、蓄电池和负载设备之间的功率调节，并稳定母线电压[4]。主误差放大器先保证卫星负载供电，若太阳能电池阵功率不够，蓄电池组通过放电调节器放电补充供电[5]。若光照期太阳能电池阵大于负载功率，则先满足蓄电池充电功率需求，剩余功率进行分流[6]。系统工作状态如表1所示[7-10]。

表1 S3R电源系统工作状态

对于S3R电源系统，为了保证能源系统供电安全，一般在系统设计时需要保证太阳能电池阵输出功率大于负载功率与充电功率之和，即光照区一般都会有分流电路处于分流状态或分流调节状态。但对于某些科学载荷而言，可能不希望电源系统处于分流调节状态，因此采用常规S3R电源系统设计无法满足这些科学载荷的需求。

2 系统设计与验证

2.1 需求分析

通过分析S3R电源系统工作状态可知，仅在太阳能电池阵输出功率大于负载功率需求与充电功率需求之和时，电源系统才会出现分流或分流调节。因此，若在满足系统能量平衡和供电安全的前提下将功率富余的太阳能电池电路提前设置为强制分流状态，即可实现不出现分流和分流调节。

2.2 强制分流电路设计

强制分流电路接口如图2所示。

图2 强制分流电路接口

第1级到第8级分流电路统一由母线误差放大器控制，分流顺序是从第1级到第8级。当主误差放大器输出电压大于3 V时，第1级分流电路由截止状态进入分流调节状态。随着主误差放大器电压升高，由分流调节状态进入分流状态，对应的太阳能电池电路输出电功率被全部分流，不能给母线供电。随着主误差放大器电压继续升高，第2级到第8级分流电路以同样的方式投入工作。当负载和充电所需功率稳定时，分流电路只会有一级处于分流调节状态（在分流与供电状态之间不断切换），其他各级分流电路处于分流状态（导通）或供电状态（截止）。

太阳能电池阵输出电流约为31 A，负载电流约为14.5 A，充电电流需求为10 A左右。为了实现电源系统不出现分流调节状态，综合考虑系统安全性与能量平衡，第5、6、7、8级分流电路设置强制分流接口，由电源下位机依据软件逻辑在保证能量平衡的前提下，提前将相应的分流电路设置为强制分流。强制分流采用电平型指令，电平为高时执行强制分流。由于主误差放大器控制的分流或分流调节顺序是从第1级开始，强制分流是从第8级开始，所以第5～8级分流电路仅在分流和供电之间通过强制分流指令切换，不会出现分流调节状态。由于太阳能电池阵可以供电到母线上的功率始终小于负载功率需求与充电功率需求之和，第1～4级不会出现分流和分流调节状态。

2.3 强制分流软件设计

电源下位机冷启动或热启动时，软件强制分流控制功能默认禁止，由指令启动。当软件强制分流功能禁止指令发出时，强制分流电平指令全部输出低电平；当发出强制分流功能启动指令时，S5～S8强制分流指令输出默认状态，并进入软件自主判断流程。同时，设置上注数据块接受函数，用于强制分流模式各阈值的上注修改，具体参数设置如表2所示。

表2 强制分流上注修改参数表

软件强制分流流程如图3所示，强制分流逐步启动流程如图4所示，强制分流逐步退出流程如图5所示。

图3 强制分流流程

图4 强制分流逐步启动流程

图5 强制分流逐步退出流程

在进行强制分流控制时，从第8级开始，先判断第8级是否在强制分流状态，如果是，则判断第7级、第6级、第5级；若不是，则第8级设置为强制分流（并设置强制分流标志），从高到低依次判断、依次强制分流。在进行强制分流退出时，从第5级开始先判断是否在供电状态，如果是则判断第6级、第7级、第8级；如果不是，则退出强制分流转为供电状态，从低到高依次判断，依次退出强制分流转为供电状态。

2.4 测试验证

2020年10月，在电源控制器研制完成后，与蓄电池组及太阳能电池阵模拟器组成电源系统，依据卫星在轨工作模式进行测试验证。结果表明，电源系统工作正常，可以规避分流调节状态，满足任务需求。

3 结 论

通过软件与硬件相结合的方法，在传统S3R电源系统框架下规避了分流调节状态，满足部分科学载荷的需求。目前该方法已经应用到工程型号设备上，经过验证是合理、可行的，具有一定的推广价值。