北京三号A/B卫星供配电分系统设计

颉萌 江国强 赵淑莉 柴逸 黄晓 郝春晓

(1 航天东方红卫星有限公司,北京 100094)(2 中国电子科技集团公司第十八研究所,天津 300384)

北京三号A卫星于2021年6月11日成功发射,北京三号B卫星于2022年8月24日成功发射,2颗卫星采用三超(超敏捷、超稳定、超精度)平台,是具有国际领先水平的高敏捷、高分辨率、轻量化的新一代对地观测卫星。卫星供配电分系统由太阳电池阵、锂离子蓄电池组、电源调控器及低频电缆网组成。其采用42.0V半调节母线拓扑,选用45A·h高比能量镍钴铝(NCA)锂离子蓄电池单体,太阳电池片平均效率不低于32%,电源调控器集成了分流模块、降压模块、配电模块及火工品模块等功能模块。

本文介绍了北京三号A/B卫星供配电分系统及其单机设计,以及供配电分系统仿真计算模型,最后给出了供配电分系统在轨测试验证情况。

1 供配电分系统设计

北京三号A/B卫星峰值功耗达到1600W,对电源系统也提出了更高需求,若继续采用30.0V母线,母线电流会超过50A,电缆质量及热耗都会很大,为降低导线电流及发热量,选用标称42.0V半调节母线。这种半调节拓扑结构更简单,省去了全调节母线的电池充电调节器(BCR)模块及电池放电调节器(BDR)模块,有效减小了电源调控器的质量及体积,提高了系统的充放电效率。

北京三号A/B卫星供配电分系统的设计原理如图1所示。卫星采用内单外双母线配置,一次电源主母线为42.0V半调节母线,在太阳电池阵电流足够时,42.0V母线电压变化范围为45.5V±1.0V,太阳电池阵和蓄电池组联合供电或卫星处于阴影区时,42.0V母线电压变化范围为35.6～46.0V;通过降压型直流变换器(DC-DC)变换出1条30.0V全调节母线,该母线电压稳定在30.0V±1.0V,2条母线同时对外输出;此外,还有1条短时使用的火工品母线,电压变化范围为25.0～29.0V。

图1 卫星供配电分系统原理框图

供配电分系统电源调控器设置了6级顺序开关分流串联调节器(S4R)电路(1～6级)及2级顺序开关分流调节器(S3R)电路(7～8级),每级分流能力达到7.0A。42.0V半调节母线中太阳电池阵通过S3R电路为负载供电,S4R电路除了为负载供电外,还用于为锂离子蓄电池组充电[1-2],多余能量被分流,从而保持母线稳定;在阳照区太阳电池阵电流不足或卫星处于阴影区时,蓄电池组通过放电开关直接为整星用电设备供电。

卫星在阳照区太阳电池板对日时,太阳电池阵为整星负载供电并向蓄电池组充电;载荷成像期间卫星对地时,由于太阳电池板无法正照,太阳电池阵输出电流随整星姿态变化而变化,当太阳电池阵输出电流不足时,供配电分系统过渡到太阳电池阵和蓄电池组联合供电,此时母线电压被钳位至蓄电池组电压,若卫星姿态机动使太阳电池板完全不受照或卫星处于阴影区时,蓄电池组是整星唯一的能源。此外,锂离子蓄电池组在寿命初期和寿命末期充满电后分别设置为单体4.0V档和4.1V档,对应母线电压也设计为2档可调。

锂离子蓄电池组采用先恒流后恒压的充电控制方式,通过S4R电路实现充电控制。S4R在主误差放大器(MEA)及蓄电池误差放大器(BEA)的联合作用下,太阳电池阵功率富余时实现蓄电池组恒流充电,在BEA信号控制下实现蓄电池组恒压充电。恒流段的充电电流可通过上注指令进行调整,以实现在轨的灵活控制。

北京三号A/B卫星采用分散配电体制,一次母线通过电缆网向整星各分系统电子设备供电。42.0V母线分4个长期供电区,分别为42.0V直通供电区(星务分系统、测控分系统)、控制分系统供电区、载荷供电1区(数据处理与传输分系统)、载荷供电2区(相机分系统)。30.0V母线为部分平台设备供电,并为各分系统提供指令母线。火工品母线为太阳翼、天线和相机解锁火工品供电,火工品母线由蓄电池组抽头引出,不经过放电开关。

北京三号A/B卫星供配电分系统设计有能源安全模式,电源下位机重点监测的遥测参数有30.0V母线电压、蓄电池组电压、蓄电池组当前电量及蓄电池组温度,当这些遥测参数中的某个或某几个超出设计阈值后,供配电分系统相应标志位置位,星务分系统读取能源安全模式信息,并执行保护能源指令序列,整星能源安全模式设置使能功能。此外,供配电分系统还针对蓄电池组采用过充及过放保护设计。蓄电池组发生过充后,电源下位机自主发送充电终止指令,强制停止充电;蓄电池组发生过放保护后,电源下位机自主发送放电开关断开指令,卫星在阴影区断电,进入阳照区太阳电池板重新受照后,卫星再次上电,蓄电池组过放保护只是断开了放电回路,充电回路并没有断开,放电开关旁并联了二极管,以保证在放电开关断开的情况下能够为蓄电池组充电,待蓄电池组充满后再通过指令将蓄电池组接入。因蓄电池组过放保护后整星将会掉电,因此只能作为最后一道防护手段使用。除此之外,供配电分系统还具有能源预警、重要设置参数掉电保存等功能,使卫星更加好用、易用。

电源调控器设置有稳压源供电口,整星可以由稳压源直接加电,该供电方式可以用于卫星首次加电测试前的供电接口检查;此外,S4R模块5和模块6设计有方阵模拟器塔架充电接口,可以用于太阳翼装星后的方阵模拟器供电,能够防止方阵模拟器的电流对太阳电池阵形成倒灌。整星力学试验或者发射场太阳翼装星后,整星采用稳压源+5级、6级方阵模拟器的供电方式,其中,稳压源为负载供电,5级、6级方阵模拟器主要为蓄电池组充电。

北京三号A/B卫星供配电分系统具有如下特点。

(1)卫星设计寿命为8年,且在轨期间每轨都有地影,选取的锂离子蓄电池单体容量保持率更高、循环特性更加优良。

(2)与我国之前的对地观测小卫星相比,北京三号A/B卫星功能更为强大,整星的平台功耗及载荷功耗也更大,长期功耗约1000W,峰值功耗约1600W,供配电分系统选取高效率的太阳电池片,保证整星能源平衡。

(3)北京三号A/B卫星平台采用轻量化设计,选用高集成度电子设备,供配电分系统也遵循这一原则,将传统的电源控制器和配电器合并为1台单机,并共用下位机与结构,减少了结构和电缆网的质量,同时采用模块化设计,便于扩展升级。

(4)为了在保证能源安全的前提下充分释放卫星使用潜力,任务规划软件中加入了供配电分系统仿真计算模型。该模型在任务规划给定输入条件下,能精确计算评估供配电分系统的关键参数及卫星能源平衡情况,为规划任务的可行性提供决策依据。

2 单机设计

2.1 太阳电池阵

北京三号A/B卫星的太阳电池阵均由3块太阳电池板组成,单板尺寸为1390mm×2000mm,采用平均效率不低于32%的三结砷化镓GaInP2/GaAs/Ge太阳电池。太阳电池阵共8个分阵,8个分阵在3块太阳电池板的分布如图2所示。太阳电池阵在8年寿命末期夏至日,工作温度为90℃,母线电压为46.0V,太阳光正照的情况下,输出功率约为2060W,满足整星的能源平衡需求并留有足够余量。根据在轨数据,发射初期夏至日,太阳电池阵输出功率约为2180W,太阳电池片平均效率为29%时,相同面积太阳电池阵输出功率约为1960W(根据在轨数据等效折算后)[3]。可见,高效率的太阳电池片大大提升了太阳电池阵输出功率,保证了卫星能源平衡。

2.2 锂离子蓄电池组

北京三号A/B卫星锂离子蓄电池组[4]由22个高比能量的45A·h单体2并11串组成,额定容量90A·h。该蓄电池组采用比能量更高的NCA材料,大大减小了设备质量,且NCA材料体系相比上一代钴酸锂(LCO)体系寿命循环特性更好。此外,蓄电池组的结构(如图3所示)还采用优化设计,在满足力学环境要求和热设计要求的前提下尽可能减小结构件的质量,提高蓄电池组的比能量。北京三号A/B卫星锂离子蓄电池组比能量高达150W·h/kg,LCO体系蓄电池组比能量仅为130W·h/kg。

图3 卫星蓄电池组结构示意

NCA体系和LCO体系30%放电深度(DOD)低轨循环对比曲线如图4所示。LCO体系的电池电压平台在循环初期高于NCA体系的电池,但衰降速率大于NCA体系的电池;循环到5000次后,LCO体系的电池放电终止电压已经低于NCA体系的电池放电终止电压。NCA体系电池的容量保持率明显高于LCO体系电池的容量保持率。北京三号A/B卫星设计寿命为8年,该指标高于绝大部分低轨小卫星,性能良好的蓄电池组对保证卫星在轨稳定运行具有重要意义。

图4 NCA体系和LCO体系蓄电池单体30% DOD循环对比

2.3 PCDU

PCDU[5-6]是供配电分系统的中心设备,该设备将传统电源控制器及配电器的功能合二为一,并共用下位机及结构,大大减小了供配电分系统的质量,提高了集成度。PCDU对太阳电池阵功率进行调节,得到稳定一次母线电压及30.0V母线电压,完成整星用电设备功率分配和火工品起爆控制。

2.3.1 分流模块

PCDU对应8级太阳电池阵,共设置2级S3R电路和6级S4R电路。S4R技术克服了混合型功率调节技术使用独立充电阵的现象,将分阵的功能进行了扩展,使6级S4R分阵在光照期时既具有供电阵的功能又具有充电阵的功能;同时,由于该功率调节技术的充电单元直接连在分阵的输出端,克服了S3R技术中充电控制器连接在母线上所带来的功率损耗和质量都过大的缺点,提高了充电效率。

2.3.2 BUCK电路模块

BUCK电路的主要功能是将42.0V主母线转换为平台和载荷需要的30.0V母线。为确保30.0V母线的安全可靠,BUCK电路采用2路热备份的工作方式,1个BUCK电路的输出功率即可满足负载的功率需求,30.0V母线还用作卫星的指令母线。降压调节器的电路拓扑采用Superbuck结构,具有效率高、输入和输出电流连续等优点。

2.3.3 配电模块

配电模块负责将太阳电池阵或者锂离子蓄电池组的功率分配至星上所有用电设备[7]。卫星有4个长期供电区,即1个直通供电区和3个开关控制供电区(控制分系统供电区、载荷一区及载荷二区)。为确保用电安全,配电模块设计供电自检功能,卫星加电后,自主发送自检供电通指令,接通自检供电开关,通过遥测判断对应供电区是否有短路异常。

2.3.4 火工品模块

火工品模块为太阳翼、天线和相机解锁火工品提供驱动电路。火工品供电电路采用星箭分离开关+火工品母线开关+火工品起爆开关的3级串联控制和正线保护插头设计,防止火工品误起爆。同时,为确保可靠性,各级开关和指令均采用冗余设计。火工品供电电路直接采用锂离子蓄电池组供电。火工品母线正、负线从锂离子蓄电池组直接引出,不经过放电开关,以减少因中间环节工作异常所带来的影响。此外,这种方式减少了火工品起爆时对一次电源母线的冲击和对其他电子设备的影响和干扰。为保护蓄电池组,火工品控制环节中加入限流电阻,控制起爆电流的同时保护蓄电池组。

上述模块均为模块化设计,可以很好地解决功率器件的散热、安装及功率扩展的问题;同时,易于安装与调试。例如,卫星有2个分流模块,每个模块对应4个太阳电池分阵,若太阳电池阵面积增大,根据需要增加1个分流模块即可。

3 仿真计算模型

在轨任务规划是北京三号A/B卫星的一大特色,为在保证卫星能源安全的前提下提高载荷利用率,任务规划软件中加入了供配电分系统仿真计算模型。在任务规划给定输入条件下,该模型能精确计算评估供配电分系统的关键参数及卫星能源平衡情况,为规划任务的可行性提供决策依据。

传统方法的卫星能源系统对载荷使用的约束一般基于卫星研制初期阶段的能源平衡分析;但是,在这种分析过程中,阳照区光照条件较为宽泛,给出的载荷使用约束通常简单规定为单圈不超过若干分钟。实际在轨时,每轨载荷开机时的光照条件(主要包括日地距离、太阳光与太阳电池阵法线夹角)不同,载荷开机时刻也不同(阳照区开始阶段载荷开机可能影响蓄电池组充电,阳照区中后期蓄电池组已进入恒压充电或者充电终止阶段因此不受影响),允许载荷开机的时长也就不同。仿真计算模型可以针对具体某轨的光照条件和载荷开机情况进行更为精确的计算。若某轨载荷开机时,方阵电流相比对日定向时变化较小,则单从能源角度考虑,不必受限于单圈不超过若干分钟的规定,在其他分系统均满足要求的前提下,可以延长载荷开机时间,提高载荷利用率。例如:北京三号B卫星单圈允许工作不超过10min,但实际在某些圈次开机15min也不会影响能源平衡。

任务规划给定的输入条件包括:①卫星轨道圈时间秒值,该值从1开始,以轨道周期时间结束,且阴影区在前,阳照区在后;②日地距离因子;③太阳光与太阳电池阵法线夹角[8];④卫星阴影区和阳照区标志位;⑤卫星在轨道周期内任意时刻的功耗。仿真计算模型的输出结果为:按照卫星轨道圈时间秒值给出任意时刻卫星供配电分系统的重要电压电流值、蓄电池组DOD及能源平衡情况[9]。

供配电分系统仿真模型具有以下特征。①考虑了锂离子蓄电池组恒流-恒压充电过程中非线性的恒压充电部分,并建立了恒压充电电流的指数模型[10]。②计算蓄电池组电压时考虑了蓄电池组内阻的影响,在充电电流较大时,蓄电池组内阻对蓄电池组恒流恒压充电的影响已经不可忽略。③精确计算单圈内任意时刻卫星电源系统的关键参数(母线电压、蓄电池组电压、太阳电池阵电流(即方阵电流)、负载电流、充电电流、放电电流、蓄电池组DOD等)。④给出了判断蓄电池组处于放电、恒流充电、恒压充电、充电终止几种状态的定量分析方法。⑤考虑了卫星阳照区充电过程中姿态机动导致蓄电池组补充放电的多种工况。

典型的仿真模拟工况为:长期功耗500W,阳照区峰值功耗1800W,进入阳照区1000s后载荷开机,开机时间400s,载荷工作结束后,卫星恢复对日定向。图5为仿真结果,为便于显示,仅示出了方阵电流、放电电流、充电电流及负载电流4条曲线。从仿真结果可以看出:该工况下供配电分系统经历了以下几个阶段。①卫星阴影区放电,方阵电流与充电电流为0A,负载电流与放电电流相等。②进入阳照区后,方阵电流快速增大,首先对蓄电池组进行恒流充电,充电电流为设定最大值,放电电流为0A,负载电流为长期负载。③蓄电池组进入恒压充电阶段,充电电流逐渐减小,放电电流与负载电流与恒流充电阶段相同。④在蓄电池组恒压充电过程中,卫星姿态机动的同时载荷开机,方阵电流迅速减小,负载电流增大,蓄电池组补充放电,充电电流变为0A。⑤在卫星恢复对日定向的过程中,方阵电流逐渐增大,放电电流逐渐减小,当方阵电流大于负载电流后,重新出现充电电流,放电电流变为0A。⑥卫星完全恢复对日定向后,方阵电流恢复为最大值,负载电流恢复为长期负载,蓄电池组继续恒压充电。由于机动过程中蓄电池组补充放电,因此蓄电池组第2次恒压充电开始时的充电电流大于机动开始前的恒压充电电流值。⑦蓄电池组充电终止,当圈实现能源平衡。

图5 供配电分系统仿真结果

4 在轨测试验证

对北京三号B卫星2023年4月22日某完整一轨遥测进行分析,42.0V母线电压与蓄电池组电压变化趋势如图6所示,方阵电流、42.0V负载电流、充电电流及放电电流变化趋势如图7所示。从图6和图7中可以看出:卫星在阴影区时,母线电压随蓄电池组电压的降低而降低;进入阳照区后,蓄电池组首先进行恒流充电,随后姿态机动且载荷工作,载荷工作结束后恢复对日定向,并继续进行恒流恒压充电,直至充电终止。充电终止意味着本轨实现了能源平衡,验证了供配电分系统设计的正确性。图8为姿态机动过程中的局部放大图,可以看出:方阵电流剧烈变化,负载电流增加,且蓄电池组短时间内补充放电。

图6 北京三号B卫星供配电分系统电压遥测变化趋势

图7 北京三号B卫星供配电分系统电流遥测变化趋势

图8 姿态机动过程中北京三号B卫星供配电分系统遥测变化趋势

为验证在轨仿真模型的准确性,根据在轨遥测得到仿真计算模型的输入条件,包括太阳入射角、整星功耗等。运行仿真模型得到42.0V母线电压与蓄电池组电压仿真结果如图9所示;方阵电流、42.0V负载电流、充电电流及放电电流仿真结果如图10所示,姿态机动过程中仿真结果局部放大图如图11所示。

图9 北京三号B卫星供配电分系统电压仿真模型结果

图10 北京三号B卫星供配电分系统电流仿真模型结果

图11 姿态机动过程中北京三号B卫星供配电分系统仿真模型结果

从仿真结果可以看出:各电压电流量变化趋势与在轨实际变化趋势相同,即使考虑了非线性的恒压充电部分,模型仍然具有较高精度,实际在轨发生充电终止的时刻在该轨的4875s,仿真结果为5013s,二者基本一致,证明模型可以比较好地对北京三号卫星供配电分系统进行仿真计算,该模型可以在轨为规划任务的可行性提供决策依据。

5 结束语

北京三号A/B卫星在轨正常运行,供配电分系统在轨运行稳定,各项功能指标符合设计预期。在轨仿真计算模型结果与实际在轨遥测数据一致,为任务规划决策提供了良好依据。卫星供配电分系统的成功应用,可为类似功率等级的卫星提供选择与参考。