多能源调节变换器技术研究

马力君，宋 涛，代 磊，张 明，鲁 伟，宋相毅，赵 健

(1.中电科蓝天科技股份有限公司，天津 300384；2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；3.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉 430070)

考虑月球日周期长度和月球表面昼夜温差问题对驻留区能源的影响。针对未来多能源功率调节的需求，需要研制驻留区能量管理模块，驻留区能量管理模块对多种能量单元(太阳电池阵、核反应堆、RTG、燃料电池、锂电池)进行功率的调节，输出100 V 稳定可靠的母线电压，满足负载所需的能量来源。

驻留区能源管理模块采用多源电力变换与功率调节技术，能够实现对太阳电池阵发电、核反应堆发电、燃料电池发电、蓄电池储能、RTG 发电等多种发电源的统一控制与高效功率调节，对外输出100 V 平台母线，实现能源系统多源输入下可靠稳定运行，具备为驻留区远近场无线能量传输模块、燃料电池电解的供电能力。

经过对任务的分析与解剖，得出了以下的结论：

(1)能源类型多样。根据不同任务阶段、环境特点采用不同的高效、轻质能源类型，包括太阳电池阵、燃料电池、锂离子电池、RTG 核反应堆等。

(2)长期大功率月面能源基地的建设采用模块化扩展、逐步构建，且在初期采用太阳能发电构造基础能源，在此基础上逐步构建核电源系统。

(3)月面能源系统中，如何高效实现长时间(14 d)、低温(－187 ℃)的月夜能源供给，无线能量传输、RTG 保温等方式具有可行性。

1 多能源管理模块系统

1.1 模块划分与能量调度

驻留区能量管理模块共计设置7 个模块，如图1所示。其中RTG 模块负责RTG 功率调节和控制，核反应堆模块负责核反应堆的功率调节，太阳电池阵模块负责太阳电池的功率调节与控制功率调节，燃料电池模块负责燃料电池功率调节，蓄电池模块负责锂电池充放电调节，下位机模块完成遥测遥控和通信功能。

图1 驻留区能量管理单元模块划分

驻留区能量管理模块的系统能量调度方案主要有统一的MEA 控制和下垂控制两种，由于驻留区能量管理模块能源较为集中，采用统一的MEA 控制方式。参考传统卫星的三域调节器，将驻留区能量管理模块设计成六域调节器，如图2 所示。通过统一的MEA 误差信号对多种能源进行功率控制调节，不同的单元在误差信号的作用下，工作于适合的工作状态，同时在域与域之间，设置相应的死区，防止出现多个变换器共同控制母线的情况。首先当RTG 能源满足系统要求时，RTG 负责稳定母线电压，随着功率需求的增加，RTG 处于最大功率跟踪的状态[1]，由核反应堆放电稳定母线电压，依次随着各个单元功率增加而处于最大功率跟踪状态或特定工作状态时，即由下一个单元来稳定母线电压。

图2 供电顺序

1.2 系统控制方式与拓扑结构

系统控制方式考虑数字控制和模拟控制两种，模拟控制可靠性高，数字控制灵活方便，考虑到研制周期与进度要求，采用传统的模拟控制。

能量管理模块由多个功能模块组成，如何在各模块可靠工作的同时保证各个模块协调一致地工作，其中拓扑结构的选型确定对于功率密度影响最大。采用隔离拓扑结构虽然可以实现功率开关器件的软开关从而实现宽范围输入输出变比情况下的高效率，但是软开关隔离变换器必不可少的是隔离变压器和谐振元件，相较于非隔离拓扑，在功率密度方面并不占优势。这也是航天器电源控制器一般采用非隔离硬开关拓扑的重要原因。除了RTG 和燃料电池存在高变比的情况外，其余能源输入和输出均较为接近，采用硬开关非隔离拓扑依然可以获得不错的效率，因此本研究所有能源的功率变换均采用硬开关非隔离拓扑结构。

2 能源管理模块

2.1 RTG 功率调节模块

对于RTG 功率调节的要求是输入功率≥300 W，输入电压30～40 V，输出为100 V 母线。

RTG 输入电压低，需采用升压MPPT 拓扑结构实现最佳功率点的跟踪和输出母线电压调节。根据RTG 输出特点，为了防止RTG 热端温度过高而造成性能退化率增加，影响其工作寿命，在RTG 电源系统应用过程中需要兼顾如下几条实用原则：(1)RTG 在轨不允许长时间工作在开路状态。

(2)负载功率小于RTG 最大输出功率时，调节系统能自动完成RTG 输出与负载功率之间的动态匹配控制，保持系统能量平衡。

(3)负载功率大于RTG 输出功率时，调节系统自动完成RTG 最大功率模式输出，同时自动完成备份能源的接入，以满足飞行器能源平台。

(4) 调节系统能够自动适应RTG 最大功率点漂移变化，保证在飞行器整个寿命周期内RTG 输出能量的充分利用。

(5) 最大程度范围内减小整个电源系统功能配置，减轻电源系统质量，减低发射成本。

根据上述原则，需要开发功率自适应温差发电电源系统设计，满足以RTG 为代表的热电能源系统的应用，满足后续深空探测任务的需求。

由于RTG 内阻大，输出动态影响能力弱，因此要求与其连接的功率调节单元输入电流连续，根据其输出功率与输出电流的曲线可知，随着其输出功率增大，其输出电压逐渐变化，当其输出功率达到最大时，其输出电压达到其额定工作点。

根据RTG 发电单元特性及其应用工况，并结合飞行器负载用电需求，通过调节RTG 输出电压来匹配其输出与负载用电功率。

图3 为RTG 拓扑框图。

图3 RTG拓扑框图

当RTG 温差发电单元输出的功率大于负载用电时，电源控制器的RTG 功率调节器调节RTG 输出电压来匹配负载功率需求，以稳定母线，同时自主一体化储能单元完成对蓄电池组补充电量；当RTG 输出功率不满足负载用电时，功率调节器调节RTG 输出在最大功率工作点。

功率调节器采用SuperBoost 的电路拓扑结构[2]，SuperBoost 输入电流和输出电流连续，可以满足RTG输出电压变换要求，通过调节控制电路完成输出母线控制及RTG 工作点调节，当RTG 输出功率不满足负载功率时，调节控制电路通过RTG 输出电压、电流的变化来动态跟踪RTG 的最大功率点，高效地利用RTG 输出能量。当负载功率小于RTG 输出功率时，调节控制电路通过调节RTG 输出功率来平衡负载用需求，稳定输出母线。

2.2 核反应堆功率调节模块

核反应堆电源功率调节的要求是：输入功率≥1 kW，输入电压范围65～85 V。经过调研，国内现有的核反应堆输出特性与RTG 输出特性类似，因此，核反应堆功率调节模块采用与RTG 功率调节相类似方案，即核反应堆单元输出的功率大于负载用电时，电源控制器的核反应堆功率调节器调节核反应堆输出电压来匹配负载功率需求，以稳定母线；当核反应堆输出功率不满足负载用电时，功率调节器调节核反应堆单元输出在最大功率工作点。有区别的是输入电压范围和功率等级，需要针对参数进行特殊设计。

在核反应堆功率调节模块设置相应的保护电路，保证在功率调节电路发生故障的情况下，不会影响驻留区能量管理模块母线电压。

2.3 SAS模块

太阳电池阵：输入功率≥1 kW；根据电压和功率等级，采用一级MPPT 即可以实现功率要求，设计一级太阳电池阵最大功率跟踪。

SAS 模块共设计了四种工作模式：MPPT 工作模式、限流工作模式、恒压工作模式、开路模式。

2.4 燃料电池模块

燃料电池的功率调节分为燃料电池放电和燃料电池电解两个功率模块，且所需求的功率均为1 000 W。燃料电池放电模块在模拟月夜时将可再生燃料电池产生的电供母线负载使用，燃料电池电解模块用于模拟在月昼能量管理模块能量充足时，将100 V变换为燃料电池电解所需要的28 V 电压。

燃料电池放电采用Superboost 功率拓扑结构，燃料电池电解采用Buck 功率拓扑结构。为了避免单个器件失效导致母线和蓄电池输出过载，在输入和输出端口设计了过流保护电路。保护电路由电流采样和功率开关两个部分组成，过流保护电路位于调节器输入口高端。

图4 为燃料电池变换器框图。

图4 燃料电池变换器框图

2.5 BCDR 模块

BDR 电路功率为1 000 W，BCR 功率为500 W，模块内部包括输入保护电路及滤波电路、母线端输入保护电路及滤波电路、电池充放电电流采样、功率变换电路、母线输出电流采样、PWM 控制电路[5]。为了保持设计的一致性，BDR 采用在驻留区能量管理模块中得到应用的Superboost 电路，BCR 采用Buck电路，充放电调节模块如图5 所示。

图5 充放电调节器功率拓扑

为了避免单个器件失效导致母线和蓄电池输出过载，在输入和输出端口设计了过流保护电路[6]。保护电路由电流采样和功率开关两个部分组成，过流保护电路位于调节器输入口高端。

针对锂离子电池组采用先恒流后恒压的充电控制方式，在电池组未达到恒压段时，充电电流由充定值与MEA 决定，随着电池组电压逐渐升高；当电池组电压接近或达到恒压设定值时，BCR 充电电流受控于BEA，充电电流随着BEA 的减小而逐渐减小，从而维持电池组的恒压状态，确保锂离子电池组不被过充。

2.6 下位机模块

下位机模块是能量管理模块的控制中心，通过RS422 总线实现与中控机数据交互，接收中控机发送总线指令对总线数据进行解析处理；根据中控机发送遥测轮询指令，按照总线协议反馈系统的工程遥测参数，实现中控机对驻留区能量管理模块控制与管理功能。

3 多能源调节变换器结构设计

驻留区能量管理模块结构采用模块化设计，模块化结构可很好地解决功率器件的散热、安装、功率扩展的问题。同时，易于安装与调试。能量管理模块产品见图6 所示。

图6 产品照片

4 总结

本文首先讨论了多能源调节变换器的必要性与需求，通过分析科研站驻留区各个能源单机的需求和性能，采用MEA 控制方式将驻留区能量管理模块设计成六域调节器。研究驻留区多能源调节变换器技术，通过对多能源的合理调度和利用，旨在提高多能源利用效率和可靠性，为未来在轨应用提供重要的技术支持。