载人月面巡视器混合电源系统设计

2019-03-07张雪怡

载人航天 2019年1期

曹哲，张雪怡

(1.空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，北京 100094； 2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；3.首都医科大学生物医学工程学院，北京 100069)

1 引言

随着太空探测技术的发展，各国陆续开展了对外层空间的探测。作为人类探测太阳系内其他行星最理想的跳板和中转基地，美国[1]、欧空局[2]、俄罗斯[3]、印度[4]、日本[5]等国家和组织都制定了雄心勃勃的探月计划。载人月面巡视器是航天员在进行月面探测过程中必不可少的探测工具。作为一种适于在月面上行驶的特殊电动车辆，其研究进展的快慢、功能的完善程度与性能的优劣，将直接关系到整个月球探测及行星探测的进程，其设计与研制更是实现我国登月探测计划的前提条件[6]。载人月面巡视器的电源系统是其中重要的服务系统，用于支持其有效地完成多种科研探测任务。巡视器受到发射能力限制，各项系统均受到重量的约束。随着航天任务越来越复杂化，出现了短时大功率的场景，如上坡、加速等。截至2018年，人类共有3辆载人巡视器，于1971至1972年由美国的阿波罗15、16、17号带至月表[3]。阿波罗巡视器的电源系统结构可归纳为图1。

图1 阿波罗15-17号载人巡视器电源系统框图[3]Fig.1 Block diagram of Apollo rover(15-17) power source circuit[3]

受各国航天路线影响，当前针对航天器与无人巡视器的研究较为充分，载人巡视器的研究较少，近年来的载人巡视器电源系统研究更是少有提及。参照无人巡视器电源系统研究与已在月表的阿波罗载人巡视器电源系统可知，储能通常采用蓄电池即化学方式，功率密度低，不具备提供瞬时大功率的能力，限制了电源的负载能力。传统的地面解决方案是通过增加化学电池数量的方案提升功率。为考虑常见的短时大功率场景(如行进加速或开启大功率载荷)增加电池数量，虽提升了功率，但也带来了过于冗余的电池容量，这种方法难以运用于受重量制约的载人月面巡视器电源系统乃至空间电源系统。

混合电源系统指的是由多种电源共同提供能源的系统。传统的蓄电池具有能量密度高的特点，而新型的超级电容器拥有功率密度高的特点。由蓄电池与超级电容器组成的混合电源在电动汽车领域的研究已经比较成熟，美国、日本在空间领域也进行了初步研究[7-9]，中国进行了在轨试验[10]。巡视器领域电源系统近年来的研究主要集中在太阳电池阵优化[11]、蓄电池优化[12]、“太阳电池阵-蓄电池”传统电源系统总体设计[13-14]等方面，将混合电源用于巡视器是一种崭新的短时间大功率供电实现方式，其研究还较为少见。

在以上所述的研究背景下，针对提升载人月球车的短时间供电功率所涉及的理论及关键技术，本文开展载人月面巡视器的“太阳电池阵-蓄电池-超级电容器”混合电源研究。

2 混合电源设计与短时大功率输出试验

2.1 混合电源设计方案

当前国内外的“太阳电池阵-蓄电池-超级电容器”电源系统，或采用直接并联的方式，难以充分利用超级电容器存储的能量[9]；或使用独立的太阳电池阵对超级电容器充电，难以充分利用太阳电池阵的能量[7]；或基于技术验证目的，采用“双母线供电”方式，增加了电源系统的设计复杂程度[10]。

针对以上问题，本文建立了包含DC/DC直流变换器的共太阳电池阵单母线结构混合电源。与上述混合电源结构相比，本文采用了DC/DC直流变换器，其意义为可提升超级电容器放电深度；采用了共太阳电池阵的设计，其意义为确保太阳阵充分利用光照；采用了单母线供电的设计，其意义为减少电源系统的线缆、接口，降低复杂度。电源系统的总体结构如图2所示。

图2 混合电源的电路结构框图Fig.2 Block diagram of hybrid power source circuit

混合电源主要由太阳电池阵、蓄电池、超级电容器、DC/DC直流变换器、电池充电调节器(BCR)、电源调节模块(PCM)和电源分配模块(PDM)组成。太阳电池阵将太阳辐射入射光子转换成直流电压，并在外围负载回路产生电流。BCR对太阳电池进行最大功率点跟踪，同时通过DC/DC变换器提供母线电压下的电流。BCR在进行DC/DC变换时，其效率是可变的，且基于负载所需功率来提升或降低效率，保证供电与耗电的平衡。PCM的作用是将母线电压分成负载所需的多种电压，提供给PDM，并最终提供给负载使用。PDM的作用是在负载故障时保护电源系统。

电源系统内部充放电方式为：太阳电池阵、蓄电池、超级电容器共用母线对负载供电。太阳电池阵输出电流经过BCR转换后，通过1、2、3路分别对负载、超级电容器、蓄电池供电。DC/DC直流变换器内部负极相连(公共地)，故在外部也可将负极连通。S1、S2、S3由电源系统控制。D1、D2负责避免超级电容器与蓄电池相互充电。这是由于当超级电容器电压过低时，蓄电池直接对其充电，会造成充电电流过大，损害蓄电池。

在本电路结构中，DC/DC直流变换器的输出电压略高于一次电源母线电压，确保超级电容器在S3闭合接入母线后可以对负载优先供电。

2.2 试验平台构建

为突出验证混合电源短时大功率输出能力(即负载能力)且简化试验，将混合电源的电路结构中去除太阳电池阵、BCR、S2、S3。试验所用装置选型如表1所示，试验装置实物如图3所示。

图3 混合电源放电试验装置Fig.3 Experiment device of hybrid power source

2.3 试验过程及结果分析

混合电源大功率放电时，蓄电池输出电流、超级电容器输出电流、DC/DC输出电流(即超级电容器经DC/DC变换后的电流)、输入负载电流如图4所示，电压如图5所示。

图4 混合电源大功率放电时的电流Fig.4 Current of hybrid power source when discharging in high power

图5 混合电源大功率放电时的电压Fig.5 Voltage of hybrid power source when discharging in high power

6.8 s前由蓄电池对负载供电，6.8 s后闭合S1接入了超级电容器与DC/DC。由于DC/DC电压高于蓄电池电压，超级电容器经DC/DC对负载供电。由于DC/DC在进行电压变换时会出现一定的功率损耗，故超级电容器输出电流大于DC/DC输出电流。

9.3 s提升了电子负载的电流，模拟大功率工作情况。由于本试验所选的电子负载本身特性，在提升电流前会短暂断开，类似对电阻箱的操作。9.3 s后由超级电容器经DC/DC对负载供电，超级电容器电压拉低后不断下降。电压拉低是由于输出电流增大。与此同时，为保持输出供电，电流不断提升。

29.8 s降低了电子负载的电流，模拟大功率工作结束，重回常态功率的情况。同样由于电子负载本身特性，使得有短暂的断路。29.8 s后由超级电容器经DC/DC对负载供电，超级电容器电压稍微回升后继续，回升与输出电流减小有关。电流下降的过程与6.8 s～9.3 s类似，但由于超级电容器电压更低，故电流较6.8 s～9.3 s更大。

36.2 s断开S1，切换至蓄电池对负载供电。蓄电池由于输出了电流，电压拉低。超级电容器不再输出电流，电压稍微提升。DC/DC虽然与超级电容器断开，但由于内部有磁感线圈，电压缓慢下降。

使用图5分析混合电源的负载能力。随着电流的提升(如上文所述，电子负载在提升电流前会短暂断开，类似对电阻箱的操作，真实场景中无此现象)，混合电源由其中的超级电容器通过DC/DC对负载供电，电压不下降。

蓄电池与混合电源输出大电流(约7 A)时的电压变化情况如图6、图7所示。蓄电池输出大电流时，电压由约14 V下降至约8 V；混合电源输出大电流时，电压未见下降。对比可知，混合电源相比于传统的纯蓄电池电源，可短时大功率输出，负载能力提升。

图6 蓄电池输出需求升至约7 A电流时的电压Fig.6 Voltage of battery when current increased to 7 A

图7 混合电源输出需求升至约7 A电流时的电压变化Fig.7 Changes of voltage of hybrid power source when current increased to 7 A

3 巡视器电源关键模块数学模型

3.1 太阳能电池模块

太阳能电池的光生电流与转化效率μ、面积A、光照强度Irr、入射角度θ、温度Tsolar有关，如式(1)所示：

I=f(μ,A,Irr,θ,Tsolar)

(1)

(2)

其中，

(3)

(4)

光照强度、入射角度和温度会对太阳能电池I-V曲线造成影响，需要增加修正方程。定义光照强度Irr，温度Tsolar，太阳能电池片输出电流Isolar、电压Vsolar，短路电流Isc，开路电压Voc，工作在最大功率点时的电流Imp、电压Vmp，太阳光入射角θ，电流温度系数KI，电压温度系数KV。修正方程如式(5)～(8)：

(5)

(6)

(7)

(8)

3.2 蓄电池模块

当太阳电池电流不足负载使用时，蓄电池放电。太阳电池提供的电流足够负载使用时，则可对蓄电池充电。考虑蓄电池效率ηbattery，蓄电池的充放电功率可写作式(9)：

(9)

其中,Pbattery(t)<0表示充电，Pbattery(t)≥0表示放电或静置。

(10)

3.3 超级电容器模块

(11)

其中，Psc(t)>0表示放电，Psc(t)<0表示充电，Psc(t)=0表示静置。

(12)

4 混合电源建模与有效性验证

4.1 功率分配控制策略的建立

4.1.1 基本思想

功率分配控制策略对混合电源进行控制。通过判断负载功率，功率分配控制策略控制太阳电池阵对蓄电池、超级电容器的充电，同时也控制太阳电池阵、蓄电池、超级电容器对负载的放电。含有混合电源功率分配控制策略的电源模型框图如图8所示。

考虑到在轨验证难度大、周期长，本文使用能量平衡精细化分析方法[20]进行地面仿真，以验证混合电源的功率分配控制策略的有效性。

图8 含有混合电源功率分配控制策略的电源模型框图Fig.8 Block diagram of power model containing hybrid power distribution control strategy

4.1.2 实施策略

图9 功率分配控制策略对开关操作的逻辑Fig.9 Logic of switch operation of power distribution control strategy

根据上述基本思想，实施策略如图9所示。根据负载与太阳电池阵的功率，混合电源存在三种情况：①大功率工况，超级电容器-负载构成回路，太阳电池阵-蓄电池构成回路；②太阳电池阵没有多余功率给超级电容器充电，太阳电池阵-蓄电池-负载构成传统电源系统回路，超级电容器断路；③太阳电池阵有多余功率给超级电容器充电，太阳电池阵-超级电容器-负载构成回路，蓄电池断路。这种设计方式侧重于优先对蓄电池充电，保证航天员对巡视器的基础功能使用。

4.1.3 策略分析

分析之前，给定蓄电池与超级电容器的初始SoC。

第一步，判断太阳电池阵提供的功率是否足够负载使用。当蓄电池不需要充电但超级电容器需要充电时，放电功率如式(13)所示：

Psc(t)=Pload(t)-Psolar(t)

(13)

当蓄电池需要充电且充电功率未超过蓄电池自身限制时，蓄电池功率如式(14)所示：

(14)

当蓄电池需要充电且充电功率超过蓄电池自身限制时，蓄电池功率如式(15)所示：

(15)

当超级电容器在当前时刻静置时，其放电功率如式(16)所示：

(16)

若太阳电池阵提供的功率不足以供负载使用，则进入下一步。

第二步，通过检测负载所需功率，判断是否为大功率运行状态。若非，则由蓄电池放电，蓄电池功率如式(17)所示：

Pbattery(t)=Pload(t)-Psolar(t)

(17)

若是大功率运行状态，则进入第三步。

第三步，开启超级电容器对负载供电。超级电容器功率如式(18)所示：

(18)

若蓄电池需要充电，则由太阳电池阵对蓄电池充电。检测当前充电速度是否超出蓄电池的最大输入功率限制。

当充电功率未超过蓄电池自身限制时，蓄电池功率如式(19)所示：

(19)

当充电功率超过蓄电池自身限制时，蓄电池功率依照式(15)计算。

以上分析完成后，可计算下一时刻的蓄电池SoC与超级电容器SoC，如式(20)～(21)所示：

(20)

(21)

巡视器未利用的太阳电池阵功率如式(22)所示：

(22)

接下来重新回到第一步，分析下一时刻的充放电情况。

4.2 有效性验证背景设计

4.2.1 太阳光照情况

设定太阳光垂直入射太阳电池阵。仿真选择了某年1月1日的光照条件，查表可知，地球轨道光照强度为1397.64 W/m2。

通过太阳能电池模块求出太阳电池阵的最大功率点功率，如图10所示。经过BCR变换后，可得相应的等效一次电源功率。

图10 太阳电池阵最大功率点功率 Fig.10 The maximum power of solar array

4.2.2 载人巡视器工作模式与负载情况

载荷消耗的能量实质为太阳电池阵提供的能量。为分析巡视器在仿真条件下太阳电池阵收集的能量能否足够大功率工作模式的使用，设定两种巡视器工作模式，分别进行仿真。第一种为常规工作模式，模拟巡视器以常规速度行进，将功率设定为稳态功率Pboard进行仿真，分析电源系统各部件的功率，同时分析仿真时间段内未利用功率是否足够大功率工作模式使用；第二种为大功率工作模式，模拟加速等工况，仿真时出现模拟两次各20 s加速，分析电源系统各部件的功率变化，以及蓄电池和超级电容器的SoC，如图11所示。

图11 两种工况下负载功率Fig.11 The load powers for two conditions

4.2.3 其他参数

超级电容器选用15 V/50 F，充电至14 V(约为14 V/46.67 F)，则可用式(23)获得超级电容器的能量：

(23)

(24)

以上仿真参数如表2所示。

表2 输入参数

4.3 有效性验证结果及分析

在对功率分配控制策略进行分析之前，需要分析常规工作模式下是否有足够的巡视器未利用太阳电池阵功率，提供给大功率工作模式下的超级电容器使用。将仿真参数(负载情况为常规工作模式)输入模型，得到蓄电池容量、超级电容器容量、太阳电池阵等效一次电源功率、蓄电池等效一次电源功率、超级电容器等效一次电源功率、负载等效一次电源功率、未利用功率，如图12所示。

图12 常规工作模式下所选仿真时间内参数Fig.12 Parameters during the selected simulation time in normal operation mode

0 s至3000 s，由太阳电池阵对负载供电。3000 s开始，由于负载功率变大，太阳电池阵无法对负载足额供电，需要蓄电池提供功率输出，蓄电池SoC下降。同时，太阳电池阵停止对超级电容器充电。随着负载功率下降，由太阳电池阵对蓄电池充电，蓄电池SoC上升。蓄电池充电结束后，超级电容器再接受充电，直至充满。

常规工作模式下，巡视器未利用功率在蓄电池充电结束时出现，并随着太阳电池阵等效一次电源功率Psolar的变化而改变，如图13所示。图中阴影面积表示积累的能量，其数值解可用式(25)计算：

(25)

计算结果为Wcollect=14.23 W·h(51216.66 J)。

图13 常规工作模式下巡视器未利用的太阳电池阵能量Fig.13 Unused solar array energy of the lunar rover in normal operation mode

超级电容器需要提供的能量Wsc可用式(26)计算：

(26)

式中，Pplayload、ton、toff分别表示大功率载荷的功率与开关时间。计算结果为1.04 W·h(3736.84 J)，比较可得式(27)：

Wcollect>Wsc

(27)

即当前仿真条件下，巡视器可满足超级电容器用电需求。

将仿真参数(负载情况为大功率工作模式)输入模型，即式(13)至(22)。得到蓄电池容量、超级电容器容量、太阳电池阵等效一次电源功率、蓄电池等效一次电源功率、超级电容器等效一次电源功率、负载等效一次电源功率、未利用功率，如图14所示，图中展现功率分配控制策略特点的位置可归纳为表3。

图14 大功率工作模式下所选仿真时间内参数Fig.14 Parameters during the selected simulation time in high power operation mode

Table3Locationsofpowerdistributioncontrolstrategyfeaturesshowninthefigure

功率分配控制策略的特点图中位置大功率工作模式由超级电容器对负载供电②⑤非大功率工作模式由蓄电池或太阳电池阵供电①④蓄电池优先于超级电容器充电③

结合功率变化，对超级电容器SoC进行分析可知：开启大功率模式，超级电容器SoC下降，在蓄电池充电完毕后上升，随后再次因大功率模式开启时放电而下降。放电结束后，最终SoC升至100%，与超级电容器的初始SoC相同，验证了超级电容器的能量需求可以在仿真时间内被未利用的功率Pcollect满足。

结合功率变化，对蓄电池SoC进行分析可知：试验开始时，蓄电池SoC在大功率模式开启时未受影响，显示了功率分配控制策略中“大功率工作模式下由超级电容器对负载供电”的特点。图中④位置处，蓄电池供电，显示了功率分配控制策略中“非大功率工作模式下由蓄电池或超级电容器对负载供电”的特点。随后蓄电池SoC上升，直至充电完毕。