高轨长寿命卫星电源子系统充放电的设计与试验验证

王 锴，马力君，邵兰娟，李文华

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

电源子系统作为卫星电源子系统的核心控制单机，负责将太阳电池阵和蓄电池组结合在一起构成电源子系统，完成为整星提供稳定的供电母线，并完成系统的能量平衡。在光照期保证整星供电及蓄电池组的充电前提下，将太阳电池阵产生的多余能量分流，以保持系统功率平衡；在地影期将存储在蓄电池组的能量调节到母线上，以满足整星用电需求。采用具有比能量更高、热效应更小、无记忆效应等多种性能优点的锂离子蓄电池组作为储能单元，目前国内DFH-3B 卫星平台、DFH-4 卫星平台、DFH-5 卫星平台等已全面推广采用锂离子电池作为储能电池。电源子系统的充放电功能需要充分考虑锂离子蓄电池组的充放电特性以及在轨进出影循环模式来设计。本文在介绍系统的充、放电设计原理的基础上，对卫星电源子系统在轨充放电的试验情况进行分析和总结。

1 电源子系统充放电管理设计

1.1 系统功能及组成

卫星电源子系统设计采用太阳电池阵——蓄电池组系统拓扑形式，拓扑由发电装置、储能装置及电源控制装置三部分组成(图1)。

图1 电源子系统拓扑图

太阳电池阵是卫星电源子系统的发电装置，电池阵包括-Y、+Y 两个太阳电池翼，每翼由内、中、外3 块板构成，单板尺寸为2 360 mm×2 500 mm×25.4 mm,每块板布置4 级分流阵，整星6 块板共布置25 764 片30.6 mm×40.3 mm 高效三结砷化镓太阳电池。

锂离子蓄电池组是卫星电源子系统的储能装置，整星由-Y 蓄电池组(A、B 模块)和-Y 蓄电池组(C、D 模块)75 Ah 组成，每组蓄电池组包含3 并22 串容量为25 Ah 单体电池。

电源控制装置是卫星电源子系统的控制中心，负责将太阳电池阵和蓄电池组结合在一起构成电源子系统。电源控制装置由4 个SUN 模块(每个模块包括6 级分流调节电路)、4个BCDR 模块(每个BCDR 模块分别包括1 个BCR 调节器和1个BDR 调节器)，2 个BDR 模块(只包括1 个BDR 调节器)及2个TM-TC 模块(互为冷备份)共12 个模块组成，整个装置采用模块设计理念(图2)。

图2 电源子系统充放电设计原理图

电源子系统主要功能是协调太阳电池阵和蓄电池组的能量传输和功率平衡，为卫星提供稳定的供电母线。电源子系统采用“S3R 三域”全调节母线拓扑形式[1-3]，母线电压设计值为(100.30±0.29) V。全调节母线采用三域管理方式，即主误差放大器统一管理电源子系统内部的全部功率调节模块。在光照期，分流调节器调节太阳电池阵对星上负载供电，同时，通过充电调节器给蓄电池组充电；在地影期，通过放电调节器调节蓄电池对星上负载供电。

1.2 充电功能控制设计

电源子系统的充电调节功能采用冷备份设计，采用硬件电路控制锂离子蓄电池组的恒流、恒压充电控制。卫星在轨运行经历地影期蓄电池组放电工况，出影进入到光照期后需要及时进行蓄电池组补充充电。出影后，电源子系统自动转入恒流充电模式为蓄电池组充电；当充电电压达到恒压设定值时，电源子系统通过恒压环电路进行控制，逐渐减小充电电流使蓄电池组保持恒压充电状态；当充电电流按照指数规律逐渐减小为零时，蓄电池组需要的电量已经充满，可停止充电。

电源子系统设计了蓄电池组过充保护功能，当检测到蓄电池组电压达到过充保护设定值时，自动停止充电，防止蓄电池组过充。

电源子系统充电控制设计了电池误差放大器电路(BEA)来调节控制充电调节器，实现恒流-恒压控制充电方式转换。BEA 主要包括母线调压控制通路、恒压控制通路与恒流控制通路三部分，输出BEA 信号控制充电调节器完成充电功能。如果整星功率不满足充电功率要求时，充电调节器工作在自动调节母线的模式；当整星功率满足充电要求，而此时未到达到时设定蓄电池组恒压值时，充电调节器工作在恒流充电的模式；电池电压逐渐升高，当电池电压达到设定值时，充电调节器工作在恒压充电的模式。

对于GEO 轨道卫星，在地影季锂离子蓄电池组进行充放电循环时，最长地影时间为1.2 h，光照期可充电时间大于20 h。卫星出影后留给蓄电池组的充电时间相对较长，电源子系统一般情况下将恒流充电默认档位设置不大于0.1C，即可满足蓄电池组补充充电需求，在轨也可根据实际情况通过遥控指令进行恒流档位的调整。当蓄电池组电压上升进入恒压充电控制阶段，电池组电压稳定，充电电流逐渐减小，恒压充电默认档位的设置一般对应蓄电池单体电压为4.05或4.10 V，根据电池组的使用状态在轨也可通过遥控指令进行恒压档位的调整。

1.3 放电功能控制设计

当太阳电池阵的输出功率不满足负载需求或处于轨道阴影期时，放电调节器负责输出功率和母线调节工作。每组蓄电池配置对应的放电调节器，采用热备份工作方式，失效1 个放电调节器后输出功率依然满足设计要求。针对放电调节器多模块热备份的工作方式，设计上采用统一主误差放大信号控制放电调节器的输出电流，这种方式有效地解决了多个BDR 并联工作电流输出均衡的问题。

每个放电调节器均接收通断指令的控制，正常情况下全部放电调节器处于工作状态。如果1 个放电调节器出现失效，应该执行此放电调节器关断指令，为保持两组蓄电池放电均衡，需要同时切断另一组蓄电池对应的放电调节器。

放电调节器设计了输入过流保护电路，输入过流保护电路由电流采样和功率开关两个部分组成。当放电调节器内部电路或元器件失效导致输出过流后，过流保护电路自动切断功率开关，使放电调节器和蓄电池组隔离。输入过流保护功能一经触发即处于锁定状态，可通过指令使放电调节器重新上电完成电路复位。

2 系统试验验证系统搭建

搭建的充放电试验验证系统的连接图如图3 所示，该系统包含的主要单机产品和测试设备见表1。

表1 试验验证系统的单机和设备组成

图3 电源子系统验证试验框图

储能电源采用高比能量的锂离子蓄电池组，设置两组锂离子蓄电池组，每组电池组由45 Ah 锂离子单体电池3 并20串组成，每组锂离子蓄电池组额定容量135 Ah。光照期测试时采用24 级太阳电池阵模拟器来模拟24 级太阳电池阵输出功率。

充放电试验包含的测试项目如表2。

表2 充放电试验的测试项目

3 系统试验验证情况

3.1 模拟地影72 min 放电试验

模拟地影期，进行72 min 地影放电试验，蓄电池组以0.32C放电，电源子系统的输出功率6 000 W。

放电过程中持续监视蓄电池组放电电流和蓄电池组电压，放电过程中蓄电池组放电电流范围为41.3～45.2 A，蓄电池组电压由80.86 V 逐渐降至72.58 V(图4)。

图4 放电曲线

放电过程中持续监视母线电压和母线纹波，母线电压保持稳定为(100.30±0.29)V，母线纹波小于200 mV(图5)。

图5 放电母线纹波小于200 mV

3.2 模拟光照期补充充电试验

模拟电源子系统由地影期转换到光照期后进行补充充电，充电电流设置为0.1C，电源子系统的输出功率6 000 W。

充电过程中持续监视蓄电池组充电电流和蓄电池组电压，恒流段对蓄电池组的充电电流保持为13.5 A，恒流充电过程蓄电池组电压由71.2 V 逐渐升到80.89 V；进入恒压充电阶段后蓄电池组电压恒定为80.89 V，充电电流由13.5 A 按平滑曲线状态逐渐减小(图6)。

图6 充电曲线

充电过程中持续监视母线电压和母线纹波，母线电压保持稳定为(100.30±0.29)V，母线纹波小于600 mV(图7)。

图7 充电母线纹波小于600 mV

设置电子负载为1 500 W 的静态负载再加上4 200 W 的瞬态跃变负载(频率33 Hz)，电压系统工作在光照期充电至地影期放电的跨域模式，监视母线电压和母线纹波，母线电压保持在(100.30±0.29)V 范围内，母线纹波峰峰值为5.76 V，测试波形如图8 所示。

图8 跨域模式瞬态负载母线响应

设置电子负载为1 800 W 的静态负载再加上4 200 W 的瞬态跃变负载(频率33 Hz)，电源子系统工作在地影放电模式，监视母线电压和母线纹波，母线电压保持在(100.30±0.29)V 范围内，母线纹波峰峰值为2.6 V，测试波形如图9 所示。

图9 放电模式瞬态负载母线响应

3.3 在轨工作情况

北斗三号导航GEO-1、GEO-2 及GEO-3 组网卫星分别于2018 年11 月1 日、2020 年3 月9 日和2020 年6 月23 日在西 昌发射中心升空，目前三颗卫星在轨工作良好。三颗卫星均采用100 V 全调节母线，整星设计功率为6 000 W，其中GEO-1卫星在轨母线在100.07～100.45 V 范围内之间正常波动，整星负载在39.05～52.36 A 范围内变化；GEO-2 卫星在轨母线在100.51～100.57 V 范围内之间正常波动，整星负载在40.04～54.44 A 范围内变化；GEO-3 卫星在轨母线在100.02～100.58 V 范围内之间正常波动，整星负载在39.36～52.29 A 范围内变化。从在轨数据分析可知，无论在光照期及地影期电源子系统一次母线电压一直稳定，达到了电源子系统的设计目标。

三颗卫星在轨光照期主要变化曲线如图10～图12 所示。由图可以看出，三颗卫星负载状况基本一致：GEO-1 卫星-Y+Y 太阳电池阵输出电流从发射至目前分别衰减2.75%、2.91%(每年衰减近1%)；GEO-2 卫星-Y+Y 太阳电池阵输出电流从发射至目前分别衰减2.20%、2.64%(每年衰减近1.1%)；GEO-3 卫星-Y+Y 太阳电池阵输出电流从发射至目前分别衰减1.44%、1.33%,光照期分流功能满足设计功能要求。

图10 G1母线电压、母线电流及太阳电池阵翼输出电流曲线

图11 G2母线电压、母线电流及太阳电池阵翼输出电流曲线

图12 G3母线电压、母线电流及太阳电池阵翼输出电流曲线

三颗卫星在轨地影期主要变化曲线如图13～图15 所示。由图可以看出：GEO-1 卫星AB、CD 蓄电池组最低荷电量分别为39.73 和38.71 Ah，最大放电深度为52.97%、51.61%；GEO-2 卫星AB、CD 蓄电池组最低荷电量分别为41.79 和41.4 Ah，最大放电深度为55.72% 和55.20%；GEO-3 卫星AB、CD 蓄电池组最低荷电量分别为40.22 和39.42 Ah，最大放电深度为53.63%和52.56%。地影期充、放电功能满足设计功能要求。

图13 G1蓄电池组电压及荷电态曲线

图14 G2蓄电池组电压及荷电态曲线

图15 G3蓄电池组电压及荷电态曲线

4 结论

本文针对GEO 轨道卫星的应用需求介绍了电源子系统充、放电功能的原理设计，并结合电源子系统在轨验证对设计功能进行分析和总结，提出的充放电设计思路以及在轨验证结果对GEO 轨道卫星的电源子系统设计具有一定的指导意义。