航天电源产品产品化研制模式的实践

戴艺凯、谭文华、王建军、张飞宇 /北京航天发射技术研究所

一、电源产品现状分析

目前，美国贸易保护主义抬头，受到部分关键领域的出口限制，从美国进口的商品价格大幅提升，促使国内市场加强对关键领域核心高端自主可控重要性的意识，核心产业有望进一步得到政策扶持，助推高科技领域尤其是军用领域产品向更高可靠性、更强环境实用性、更高性能方向发展。在国产替代需求下，电源产品的国产化比例有望进一步提升，催生大规模产品的替代空间和新增市场容量。

面对国内日益增长的军品市场需求，北京航天发射技术研究所在电源领域本身具备军品研制配套经验丰富、研发体系完备、掌握产品核心技术、具备完备试验设施等优势。但以往针对小批量定制化研制生产模式存在的不适应性也逐步显现，主要体现在以下2 个方面：一是随着单机产品需求量增加，许多项目在国产化率、可靠性和成本预算上出现差异化需求，单一满足功能性需求的产品难以对标覆盖上述需求；二是行业技术发展迅速，以任务需求为导向的定制化研发模式缺乏中长期技术发展规划，面对新兴市场技术竞争力不够强，研制周期较长，逐渐不能满足新形势下短平快且高可靠的研制需求。

针对上述问题，研究所针对地面电源产品开展了一系列产品化建设研究实践工作。

二、电源产品的产品化建设

1.产品化建设概述

产品化是以产品为对象，研究产品的体系框架、型谱、成熟度、可靠性等诸多要素的系统性工程。相比定制化研制模式，产品化研制模式能够做到统筹开发、提前布局，改被动变主动，预先设计产品，使得企业更能把握住转瞬的市场机遇。同时，形成高可靠性、高成熟度的产品，满足航天型号日益提高的发展速度、质量和可靠性要求。

以往电源产品的研制模式以型号项目为导向，根据型号的具体需求立项设计满足功能的电源单机产品，即使不同型号的需求相似，有时也会设计不同的电源单机产品，这在很大程度上浪费了设计部门的人力资源。针对此类情况，研究所提出在产品设计前将产品化研制理念深入贯彻进产品研发规划中的思想。

科室将产品化研制理念由单机拓展至分系统，采用系统架构设计，划分电气系统配电方案的基本型。目前已经形成高低压直流配电的基本型。电驱底盘一体化供配电随多个型号的研制正在构建。推进电气、机械、软件等软硬件接口统型工作；推进元器件统型、软件重用库建设。单机产品型号布局参与到系统设计规划中，优先使用自研产品，深化对产品化认识，处理好单机与分系统关系。

供配电系统分为交流供配电、低压直流供配电和高压直流供配电等3 个基本型，其型谱结构如图1 所示。

图1 分系统级产品型谱

以高压直流供配电系统为例，其基本型一般采用高压直流600V 供电体制、分布式配电模式，主要由一次电源、二次电源、配电设备和监控设备组成，系统框架如图2 所示。其中，一次电源主要包括市电、高压直流发电机组、行车取力发电（高压直流）或高压动力锂电池组等，是供配电系统的能源来源。二次电源主要包括DC/AC 逆变电源、DC/DC 直流稳压电源等，其中DC/DC 负责将高压直流电转换为中低压电（28V、48V、96V、160V、270V 等）为用电负载供电。在供配电基本型架构统型后，单机的类别就已经固定，进而成为单机级电源类产品型谱设计的依据。

图2 高压直流供配电系统示意图

单机级电源是供配电系统中的最小单元之一，主要功能是实现电能转换，在产品化体系中按电能变换的形式划分为直直变换电源（DC/DC）、交直变换电源（AC/DC）、直交变换电源（DC/AC）、交交变换电源（AC/AC）共4 个大类，其总型谱结构如图3 所示。

图3 单机级产品型谱

2.产品型谱建设

电源单机产品的预研工作规划应具有先进性、前瞻性、经济性以及可实现性，因此组织开展了产品需求分析和行业发展分析活动。产品需求分析主要包括环境适应性、结构尺寸、成本要求、配电体制变化、新市场需求等方面。行业发展分析着重产品状态清理、同类产品对标、技术发展趋势分析、经济性分析等方面。

产品化创新研制模式下，型谱特征参数是划分电源类产品型谱规格序列的主要依据，按模块化、系列化、功率可扩展为基本原则建立型谱。

一是应针对产品主要功能和性能需求，选择最能描述产品固有能力的主要参数作为产品型谱特征参数；

二是产品型谱特征参数应能够区分该类产品的不同基本型差异；

三是引入技术平台概念，基于技术平台的原则开发单机系列产品。考虑到产品的技术继承性，采用相同的主电路拓扑（包含采用器件）为一个技术平台。技术平台应体现在产品的命名规则中；

四是针对航天军品用户用电习惯和实际需求，在型号选用时将最关心的技术参数作为产品型谱特征参数。归纳的参数与电源行业通用分类方法略有不同，因此输出电压等级确定为特征参数；

五是为了满足不同用户对成本的需求，根据成本、器件质量等级及国产化率，产品主要分A、B、C、D、E5 个版本，各版本产品的机械接口、电气接口、软件接口、技术指标等完全一致，可直接互换。

基于技术平台的原则开发单机系列产品。目前LLC 技术电源有3 个技术平台，PDA、PDB 和PDC 系列。PDA 系列主电路拓扑采用半桥LLC 技术，主功率器件为SiC；PDB 系列主电路拓扑采用移相全桥LLC 技术，主功率器件也为SiC；PDC系列为三电平半桥LLC 技术（第4 代电源），采用GaN 器件。“十四五”规划提出的技术平台有PDD、PDE 和PDF 系列。

按型号需求从输出电压与功率等级2 个方面确定产品的型谱规划，型谱的划分如图4 所示。

图4 电源产品型谱划分示意图

以PDA 系列电源为例，以系统内存在的输出电压等级为分类根据，采用模块并联方式进行功率扩展，最终覆盖用户需求。目前已形成300W、1.2kW和3.5kW 级别共有17 种产品可供选用，并有6 种产品在研或完成规划，针对航天系统内地面电源供电需求形成了较为完备的产品型谱。

针对不同型号项目在成本预算和可靠性上的需求差异较大，为提高竞标产品竞争力，通过快速设计拓展出适应不同可靠性需求、成本需求的同功能子系列产品，子系列产品的型号尾缀用于表示可靠性及成本情况，具体代表含义如下：

无尾缀：选用工业级器件，一般为原理样机阶段产品，中试产品。成本低、生产周期短。可作为横向产品和系统研制初期使用。

A：满足国产化“双九五”。属于国产化进程中的中间过渡产品。

B：价格适中且与进口件可靠性相当的器件，例如阻容器件及低功率半导体器件选用国产普军级，为现阶段主打性价比产品。

C：满足器件国产化“百分之百”要求。器件质量等级以普军为主。成本较低，可满足用户对国产化的要求。

D：满足器件国产化“百分之百”要求。器件质量等级为较高。成本和可靠性较高。可同时满足用户对高可靠和国产化的要求。

E：满足器件国产化“百分之百”要求。器件质量等级一般为国产工业级或汽车级（工作温度满足－40℃～＋85℃）。可同时满足成本低和国产化的要求。

3.产品货架建设

根据院标《地面通用单机产品成熟度定级模型》和所标《电气类产品成熟度定级》对成熟度进行提升，同时根据电源产品特点在实际执行过程中进行加严控制，主要体现在以下几点：

一是可能导致方案反复的研制试验尽可能提前做，例如在2 级成熟度阶段就要求做完电磁兼容摸底、极限拉偏等试验项目；

二是在产品化研制生产模式中，电源单机的生产数量远远超过以往定制化型号电源，因此新的成熟度定级标准不再使用宇航单机产品成熟度定级标准，以飞行考核次数作为成熟度定级依据，而是以更加严格的可靠性增长试验、多型号应用考核以及批产数量作为成熟度定级的依据；

三是试验的目的不再是求通过，而是暴露问题。试验子样不再是以往的一两台子样经过一次试验就结束，而是同技术平台产品多台同时试验，即使试验通过后，也会再继续进行下一轮；

四是对研制、生产及使用过程中的问题进行针对性地收集，对一次合格率、年故障率等进行统计和分析，有针对性地进行更改，不断提升产品成熟度。

产品成熟度作为进入产品货架的依据之一，产品进入货架的条件具体包括（须同时满足）：产品型谱内；达到三级成熟度要求，完成成熟度评定工作；2 个及以上用户选用。

储备库入库条件则为（满足之一，但须在产品型谱内）：HTF 产品中具有通用性能，但成熟度未达到3 级；成熟度达3 级但用户未达2 个；原1TY、TY 产品中具有广泛应用前景；产品化牵引研制但成熟度未达到3 级。

4.产品选用规范

针对不同型号项目单机重复研制的问题，为提高研制效率效益和质量与可靠性，实现基于产品型谱的产品规划、开发与选用的良性循环，研究所修订了《电源产品选用控制流程及要素》。给出产品选用控制要求和选用要素，规范电源产品选用，提高型号产品的产品化率。

型号货架产品选用一般原则为以下4 点：一是优先选用货架中成熟度高的产品，同一成熟度产品优先选用批产量大、故障率低产品；二是在同一规格不同尾缀的产品，从性价比角度考虑，一般来说选择顺序为B、A、C、D；三是产品的选择要综合考虑可靠性、价格、器件国产化情况、生产周期、库存状况、售后、技术先进性、性能指标等；四是如果货架无可直接选用产品，优先在成熟技术平台上开发新品。开发新品时以改动最小为原则，重点关注变化的部分。

产品选用控制一般流程见图5。

图5 产品选用控制流程

产品选用控制要素从系统使用角度进行分类，可分为关键要素与一般要素。关键要素为产品不可或缺功能，涉及到重新研制的问题；一般要素为用户可协商项，不需要单为此要素新研单机。电源产品选用流程中的控制要素如表1所示。一般要素涉及指标较多，一般均按标准或行业惯例执行，表中未一一列出。

表1 电源类产品控制要素表

三、实践效果

目前电源单一规格产品生产数量已从几十台到几百台，再到2019 年批产千台，从样机小批研制到产品化的组批投产，实现了从量变到质变的跨越。电源产品的质量也经过逐年的批量化生产得到有效提升。以质量控制中的合格率为例，研究所详细梳理了每年批产任务电源产品的出厂合格率、存在的问题以及设计及工艺改进方案。从逐年数据可以看出，电源产品在经多轮次批量生产及生产工艺改进后，其出厂合格率逐步提升至98.9%的较高水平。

按“预研一代、储备一代、装备一代”的技术更迭目标，新品研制周期大幅度缩短。3 年左右可形成一个新的技术平台，同一技术平台系列产品研制周期从过去的1 ～2 年缩短到6 个月以内。不同技术平台产品相互补充，逐步拓展市场，满足了不同用户需求。

截至2021 年底，电源类产品已多达23 款，年批产量达3000 台/套。形成了输出电压覆盖28V、48V、96V、160V、270V、600V，可并联使用，满载效率可达95%以上的直流稳压系列电源产品。产品在多个型号项目中被选用并承担着重要任务，成熟的电源产品为现代武器装备的自动化、信息化、智能化提供了稳定可靠的电力保障。

四、后续思路

通过产品化研制模式的实践，基本解决了传统研制模式不适应产业发展新常态的问题。形成了丰富的电源产品，在航天系统多院所中推广使用，目前该研制模式已初步进入良性循环。

未来，研究所将继续贯彻落实航天科技集团新时期产品化工作总体方案，以预研、型号和竞争性采购任务为牵引，进一步推进新产品开发持续推进产品化建设，以产品化建设为样板，丰富各专业产品，提升产品成熟度，加大型号选用力度，提高型号产品化率；进一步推进产品标准体系建设，持续推动单位产品验收的全面实施。将产品管理融入型号研制流程，明确产品与型号职责，共同支撑“三高”“双一流”目标的实现。