新一代导航卫星电源系统自主管理方法

张泰峰

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

新一代导航卫星电源系统自主管理方法

张泰峰

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

对新一代导航卫星电源系统的组成结构和工作原理进行了介绍，详细论述了母线控制方式、充电管理方法、电池均衡技术、在轨管理策略等，实现了电源系统高可靠、长寿命的设计目标。

高可靠;新一代导航卫星;电源管理;卫星电源系统

随着我国北斗导航系统全球组网建设计划的启动，建立高可靠、长寿命卫星电源系统，实现在综合电子体系下的电源自主管理，成为我国自主研制的新一代导航卫星专用平台能力提升的关键问题[1-2]。本文对新一代导航卫星电源系统的组成结构和工作原理进行了介绍，并根据在轨工作模式，提出了具体的自主管理策略和运行方案。

1 电源系统组成

导航卫星电源系统由双太阳电池阵，双蓄电池组，均衡器和电源控制器组成[3],其基本结构如图1所示。该电源系统主要功能是为卫星平台和有效载荷提供一条42 V高精度供电母线，满足卫星在整个寿命期间、各种工作模式下的功率需求。其中太阳电池阵为卫星的主要供电能源，采用了光电转换效率30%的三结砷化镓太阳电池，考虑10年寿命末期空间辐照衰降后电压和电流，确保输出功率满足整星功率需求；蓄电池组是卫星储能装置，采用了高比功率的锂离子蓄电池组，地影期整星功率由蓄电池组提供，最大放电深度不超过65%；均衡器对锂离子蓄电池单体电压进行采集监控，通过均衡电路保证电池组全寿命周期电池单体性能的一致性；电源控制器通过功率调节电路对能源实施调节与控制，保证导航卫星各种工况下的母线电压稳定，同时负责锂离子电池的维护和充放电控制。

图1 新一代导航卫星电源系统结构图

电源系统供电模式：

(1)全光照期间，太阳帆板通过机构转动保证对日定向，太阳电池阵经分流调节器稳定母线，提供全部负载功率以及蓄电池组的充电功率。

(2)地影和月影期间，蓄电池组通过放电调节器稳定母线，提供全部负载功率。

(3)光照不足和进出影期间，太阳方阵和蓄电池组联合供电提供负载功率。

2 控制方式

导航卫星主要载荷的工作特点具有动态负载特性，即正常工作模式下负载功率具有周期性变化的特点，为此电源系统设计了三域全调节控制方式，可以满足在电源各工况下良好的动态响应能力。电源系统控制框图如图2所示。

图2 电源系统控制框图

图2中K为母线电压采样系数；Vref为基准电压；A为误差放大器增益；G为各工作域跨导。将工作域分为分流调节域、充电调节域和放电调节域，各域之间设有一定的死区。工作域的划分如图3所示。这种方式既保证了太阳电池阵所发电能的充分利用，也使各区间工作带宽相对稳定。

图3 工作域的划分

3 充电方式

对锂离子蓄电池组采用恒流恒压控制方法进行充电控制，当充电电压达到设定值后，受蓄电池内阻影响，充电电流逐渐减小并最终减小至零。电池电压与控制电压之间的关系满足：

式中：Vcell为电池电压；Vcon为控制电压；Ic为充电电流；Rc为电池极化电阻。

恒压控制段充电方法可以使锂离子蓄电池最终电量不受充电电流大小的影响，可以准确控制锂离子蓄电池的实际电量。

蓄电池单体电压的均衡控制由均衡器完成，控制框图如图4。

图4 蓄电池组均衡控制框图

采样电路对各个单体电池电压进行采集，并通过16位AD转换为数字量，通过比较各单体的最大值和最小值，当最大电压超过最小电压100 mV，对最大单体进行分流；当该单体的电压与最小电压差值小于20 mV停止分流。锂电池单体电压正常控制在3.5～4.1 V范围内，如果最小单体低于3.3 V，取次小单体电压作为参考比较。

4 能源管理

根据导航卫星的中高轨道特点，一年当中存在长光照季和地影季，在大部分时间都处于光照区，不会发生蓄电池放电情况，因此对长光照期的锂离子蓄电池进行搁置管理显得尤为重要。如果锂离子蓄电池长期处于满电荷状态，会发生明显的容量衰降，对长寿命要求的导航卫星是难以接受的。为此，电源系统设计了半荷电态控制的管理策略，来保证锂离子蓄电池的可靠性。在控制程序中，首先设定电池上限电压对应约80%电池荷电态和下限电压对应约70%电池荷电态，然后将检测到的实际电池电压与门限电压进行比较判断，在电池电压高于上限电压停止为蓄电池补充充电，并在电池电压低于下限电压为蓄电池进行小电流补充充电，同时蓄电池温度保持在0～10℃。在进入地影季时，提高蓄电池储存温度保持15～25℃，并将蓄电池充电至满荷电态。控制流程示意图如图5。

图5 控制流程示意图

5 结论

本文分析了导航卫星电源系统工作原理以及控制方法，提出充电控制和保证单体一致性的解决措施，针对在轨工作状态研究设计了荷电态控制方案，可以有效提高电源的使用寿命和可靠性，对中高轨道卫星电源系统方案设计，具有较强的指导意义。

[1]胡彩波.日本QZSS导航系统-GPS增强系统性能分析[J].无线电工程，2009(6)：37-39.

[2]赵静.GNSS系统及其技术的发展研究[J].全球定位系统，2008，40(3)：27-30.

[3]崔波.Galileo导航卫星电源技术概述[J].航天器工程，2010，19(6)：115-116.

Power management of a new generation navigation satellite

ZHANG Tai-feng(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The composition,structure and working principle of the new generation navigation satellite power system were introduced.The main-bus control,battery charging,battery balancing,on-orbit management were presented in detail.Satellite power system with high reliability and long life was achieved.

high reliability;new generation navigation satellite;power management;satellite power system

TM 919

A

1002-087 X(2017)07-1055-02

2016-12-20

张泰峰（1981—），男，河南省人，博士，主要研究方向为空间电源技术。