一种深空探测器高比能智能电源系统设计

戴永亮 许峰 陈达兴 郑勋绩 王晓锐 李健

(上海空间电源研究所，上海 200245)

嫦娥四号探测器电源系统由太阳电池阵、锂离子蓄电池组和电源控制器组成。其中，电源控制器采用了休眠唤醒技术，结合同位素热/电源保障探测器安全度过月夜，全面圆满地完成电源系统各项任务。

深空探测器轨道环境具有光照和温度差别大等特点[1]，光照差别必然引起太阳电池利用难度，温度差别大进一步增加探测器热控系统功率需求。针对能源输入需求更多和利用率需求更高，电源系统需要具备更的高功率密度。为此，本文提出了一种深空探测器电源系统设计，可为后续深空探测，特别是距离太阳较远、光照强度弱的探测(如火星、小行星)等空间电源设计提供参考。

1 电源系统构成

针对深空探测器电源系统的高轻量化和电源能量自主管理需求，本文电源系统设计(见图1)采用高转换效率三结砷化镓太阳电池和半刚性基板轻量化技术方案；采用高比能锂离子蓄电池组；在电源控制器中采用一种基于顺序开关分流(S3R)结构扰动交错法的最大功率点跟踪(MPPT)技术，充分利用太阳能提高电源系统比功率，同时使用机内测试技术(BIT)提升电源的自主管理能力。

图1 电源系统构成

2 高比能太阳电池阵-蓄电池组

空间电源一般采用“太阳电池阵-蓄电池组”供电方式[2]。提高太阳电池阵效率是提高太阳电池能量密度的有效途径，本文将高效率三结砷化镓太阳电池和半刚性基板作为系统优选方案[3]。锂离子蓄电池组是空间电源储能电源，深空探测要求具有长寿命、高比能特点的锂离子蓄电池组，本文将钴酸锂离子电池组作为系统优选方案。

1)高比能太阳电池阵

太阳能利用能力取决于太阳电池光电转换效率，光电转换效率往往由太阳电池结构决定。32%三结砷化镓太阳电池为晶格失配结构，是在30%效率电池的基础上改进的，其中包括：增加顶电池、中电池的铟组分，降低带隙宽度，采用晶格失配材料，并且在中电池和底电池之间增加了铟镓砷应力渐变缓冲层，将电池的晶格常数从锗逐渐增加到目标晶格层，从而获得高质量、低位错密度的晶格失配材料，实现三结子电池电流匹配，有效地提高了电池短路电流和转换效率。32%效率砷化镓太阳电池已通过鉴定并有在轨飞行经验，未来5年内转换效率有望进一步提升至33%～34%[4]。在选取高转换效率太阳电池片同时，本文系统采用半刚性基板。半刚性基板主要包括密栅网格型半刚性基板和疏栅绷弦式半刚性基板结构。密栅网格型选择标准尺寸4 cm×6 cm的32%三结砷化镓太阳电池，疏栅绷弦式选择标准尺寸8 cm×8 cm的32%三结砷化镓太阳电池，经过仿真分析和力学、噪声和热真空试验，疏栅绷弦式半刚性基板由于模块面密度更高效、轻量化、抗辐、力学适应性好等特点，成为优选结构。因此，本文系统采用32%效率三结砷化镓太阳电池并采用疏栅绷弦式半刚性基板结构，以实现高比能太阳电池阵。

2)高比能锂离子蓄电池组

目前，空间电源选用的高比能锂离子蓄电池主要有镍钴铝(NCA)体系(Li(NixCoyAl(1-x-y))O2)[5]和钴酸锂LiCoO2体系[5]2类。NCA体系单体优势在于长寿命，但倍率和低温性能较差，适用于设计寿命长、工作温度范围可控制在10～35 ℃的高低轨卫星上；LiCoO2体系单体优势在于工作温度范围宽，但寿命较短，适用于设计寿命短、工作温度范围宽的深空探测器[6]。深空探测电源系统既有锂离子蓄电池组低温性能好要求，又有循环次数多的长寿命要求。本文系统选用低温性能好、能量密度195 W·h/kg的LiCoO2锂离子蓄电池组。目前，国内已开展在LiCoO2锂离子蓄电池组正极材料掺杂锰材料离子蓄电池组研制工作，预计未来5年，锂离子蓄电池组能量密度可达250 W·h/kg。

3 电源控制器

电源控制器负责空间电源电能变换、调节和管理。传统太阳电池阵母线调节器是直接能量传输(DET)方式，工作点固定，造成了太阳电池能量的浪费。MPPT方式能够在不同的寿命阶段及各种环境条件下，按照负载需求实时跟踪太阳电池阵最大功率点，从而最大限度利用太阳电池阵输出功率，以满足深空探测器大载荷、轻量化等应用需求。电源系统设计表明，太阳电池转换效率每提升5%，太阳翼面积可减少5%，因此，采用MPPT技术，在同样功率需求下，可减小电源系统质量。本文提出一种S3R结构电压电流交错扰动法MPPT技术[7]。

3.1 MPPT控制技术

MPPT技术是电源系统提高太阳能利用率的有效手段。其最典型应用是NASA的多任务模块化平台电源系统，并已用于“太阳峰年”(SMM)和陆地卫星-4，5(Landsat-4，5)等多颗卫星及部分深空航天器。ESA的“蜂群”(SWARM)卫星和“国际空间站”等的中小功率电源控制及其配电单元产品已广泛采用模块化的MPPT架构，采用低纹Buck变换和三重多数投票MPPT技术，母线电压范围为20～50 V，MPPT模块效率达95%以上，MPPT跟踪精度大于99%。国内MPPT目前已经成功应用于火星正样产品，可稳定追踪最大工作点电压幅值33～55 V，电流0.5～5.5 A，MPPT拓扑效率可达91%，追踪精度达到98%。MPPT技术应用于深空探测器电源系统主要面临以下问题：①电源系统高可靠要求；②太阳电池遮挡引起多极点最大功率点跟踪问题。成功应用MPPT技术关键在于设计高可靠性的MPPT拓扑结构和MPPT算法。为此，本文提出了一种基于S3R改进型串并联MPPT拓扑结构的高可靠交错扰动法。

3.1.1 MPPT拓扑结构

MPPT主要有串联、并联和串并联3种结构。串并联MPPT结构效率高，为最常用的拓扑结构。目前，比较优化的MPPT拓扑结构包括：①母线调节器(BR)和BDR结合的结构，如图2(a)所示[8]；②BR、BCR和BDR全部结合的B3R串并联MPPT结构，如图2(b)所示；③在S3R的基础上进行改进，得到的顺序开关分流最大功率跟踪(S3MPPR)结构，如图2(c)所示。图中：L1～L3为电感；C，C1～C4为电容；RC为电阻；D1～D3为功率二极管；M1～M3为功率开关管；K1，K2为继电器开关；EA为误差放大器；MEA为主误差放大器；VBUS为母线电压采样；VMPPT为MPPT参考电平；PWM为脉宽调制。

3种串并联MPPT结构优缺点如表1所示。S3MPPR一方面继承了S3R拓扑及其调节能力，另一方面加入了MPPT控制，一旦MPPT故障失效，仍可切换为S3R模式工作，因此，该拓扑具有继承性好，效率高，控制简单，易实现，而成为深空探测领域电源系统核心技术之一[9]。

图2 3种串并联MPPT结构

表1 3种串并联MPPT结构优缺点比较

3.1.2 MPPT跟踪算法

目前，MPPT跟踪算法比较成熟的有扰动观察法和增量电导法[10]。它们都存在电压偏差阶跃扰动影响系统可靠性的问题，本文依据太阳电池伏安曲线特点，设计了一种电压电流交错扰动法。

1)交错扰动法

交错扰动法的原理是：基于太阳电池伏安曲线，通过采集太阳电池的电压信号和电流信号，使得扰动电压信号和扰动电流信号分别变为原电压和原电流信号的0.97倍(该比例可调节)，其运动趋势是相对于太阳电池阵的最大功率点向后一小步向前一大步，即电压、电流的变化使得太阳电池阵的工作点向最大功率点靠近，系统会较快地找到最大功率点，如图3(a)所示。虽然电压、电流一直存在扰动，但是太阳电池阵的输出功率能稳定在某一范围内。图3(b)是追踪过程中电压、电流及功率的变化情况。交错扰动法不但摒弃了传统算法中存在的大量乘除法运算，而且可以通过硬件电路实现；另外，该算法扰动电压偏差是趋向性的扰动，而不是一个电压偏差的阶越扰动，因此具有较快的追踪速度和较高的可靠性。

2)算法控制电路

电压电流交错扰动法控制算法电路如图4所示，电路控制逻辑如图5所示。控制算法核心在于电源控制器通过采样太阳电池阵电压电流，电压电流扰动经比较器和触发器产生控制电平，该控制电平经过信号转换电路转换为MPPT控制信号，作为控制电路参考。通过控制器调节实现MPPT跟踪算法的最大功率跟踪闭环控制，具有电路简单、易实现、可靠性高等特点。

3)MPPT固定点调制方法

一般情况，在一定的光强和温度环境下，太阳电池阵只有一个工作点输出功率最大，该点称为峰值功率点。MPPT电路设计是根据该太阳电池伏安曲线特性进行设计。但由于深空探测环境复杂，太阳电池阵受遮挡、温度、光照角、星尘等影响，实际输出伏安曲线可能出现多个类似最佳工作点的情况。如图6(a)所示，一旦追踪到一个类似最佳工作点时，太阳电池阵输出便徘徊在该点附近，而非真正最大功率点跟踪，造成能源浪费。本文提出一种固定点调制方法，可有效避免太阳电池伏安曲线台阶附近跳动问题。该方法可获得比DET方式输出更多的功率，如图6(b)所示。其控制核心思想是检测太阳电池遥测采样和太阳光照角计电流是否严重不符。若不符，则将MPPT跟踪算法电平切换为固定值，以该固定值进行电路调制。计算该固定点太阳电池阵输出功率，再将系统切回MPPT跟踪算法，重新计算最大功率点，获得该点太阳电池功率。比较两者功率，若前者大，则使用固定值调制；若后者大，则保持MPPT跟踪算法调制。若固定值调制，则继续比对，直至切换回MPPT跟踪算法调制。

图3 交错扰动法追踪过程

图4 MPPT算法电路

Fig.4 Algorithmic circuit of MPPT

注：R1为电阻。

图5 MPPT电路控制逻辑

Fig.5 Logic control circuit of MPPT

图6 MPPT固定点调制方法

3.2 一种应用于空间电源系统的BIT技术

BIT最初主要应用于集成度较高的电子技术领域和航空领域。随着航天技术发展，系统、设备内部提供的检测、隔离故障的自动测试需求逐渐增加，BIT技术也应用到航天器电源系统设计中。它能对航天器电源系统整体设计、分系统设计、状态监测、故障诊断和维修决策等进行在轨判断，同时也是改善装备系统或设备测试性与诊断能力的重要手段。因此，电源系统配备BIT，能在其运行阶段通过BIT的诊断能力自我辨识运行状态和故障，从而提高电源系统自主管理能力。本节主要从设计层面入手，以下位机实现选取制定最优的测试策略，保证在轨自主维护，减少甚至消除设计方面导致的虚警[11-13]。

常用的BIT设计技术有很多，为适应航天领域深空探测需求，本文设计BIT策略分为上电BIT、指令BIT和周期BIT。上电BIT是指设备刚上电时对系统健康状态进行监测，设备还没有进入正常工作状态。该模式下智能接口单元主要监测通信总线功能是否正常、电源模块输出是否正常、系统时钟是否正常、内部ROM、RAM是否正常等，最终将BIT信息上报。如果出现上述异常，则控制切换备份下位机。指令BIT是指在正常工作过程中，根据发送的BIT指令进行测试，该模式下智能接口单元主要监测部分功能模块，并根据其工作状态遥测参数进行测试，最终将BIT信息上报。周期BIT是指设备周期检查自身工作状态，并不影响正常工作。它不仅包括启动BIT中与正常工作状态不冲突的状态监测部分，还有对设备工作时的性能状态监测，BIT信息定时上报。

电源系统BIT需要具备处理电源系统在轨大部分故障的功能，所以BIT控制策略需要涵盖电源分系统可能预想到的故障模式，保证各种功能模块在单点失效后均可采取处理措施。本文的电源分系统功能包括太阳电池阵调节功能、蓄电池组充放电功能、蓄电池组充放电保护功能以及其单体均衡功能，通过分析电源控制器各功能模块，确定各模块的BIT控制策略，明确控制策略的执行结果。

3.2.1 太阳电池阵调节控制策略

电源系统中使用MPPT控制技术，太阳电池阵及MPPT电路可能出现的故障包括太阳电池遮挡、太阳电池电流减小、MPPT电路单路失效等。系统在综合判断蓄电池组电压、充电电流、负载电流等参数后，进行MPPT电路主备份切换。MPPT电路开路失效和短路失效保护策略如图7和图8所示。

图7 MPPT电路开路失效保护策略

图8 MPPT电路短路失效策略

利用该策略，在MPPT电路开路或短路失效时，可迅速切换至备份电路，不影响整器功率利用，如采用传统的地面判断，很容易因判断及操作时间过长造成长时间功率损失使蓄电池组过放。

3.2.2 蓄电池组过充控制策略

蓄电池组在轨运行期间一旦发生过充，轻则整器夜间不能工作，重则造成蓄电池组损坏，从而直接导致探测任务失败。本文根据蓄电池组单体特性设计了单体电压不超过4.2 V过充保护控制策略，并考虑了允许1节单体失效情况。一旦周期BIT检测单体电压超过阈值，通过指令BIT，控制蓄电池组充电开关通断，最终实现蓄电池组过充保护，如图9所示。

图9 蓄电池组过充保护流程

3.2.3 蓄电池组放电保护策略

锂离子蓄电池组充放电次数直接与其放电深度相关，蓄电池组一旦发生过放，直接影响探测器任务。本文电源系统设定4级保护策略：第1级策略提醒探测器能源并不充裕，起到报警作用；第2级为保护策略，要求探测器计算机发送指令关闭载荷，降低能源需求，探测器以最小工作模式工作；第3级策略要求探测器计算机继续发送指令关闭载荷，并预设探测器恢复供电条件；第4级为电源系统蓄电池组自主保护策略，一旦探测器突破第3级策略，放电开关断开，探测器断电，为蓄电池组在寿命周期内完成探测器任务提供保证。

3.2.4 蓄电池组均衡策略

蓄电池组均衡是保证蓄电池组单体一致性和蓄电池组长寿命的基本条件。一旦单体差异明显，充放电过程进一步加剧单体间差异，容易造成单体局部过热，蓄电组整体性能下降，进而缩短探测器任务周期。蓄电池组均衡措施是通过采集各锂离子蓄电池单体电压，以最低单体电压为基准，当某节单体的电压值与其电压的差不小于规定阈值时，相应的控制通道输出高电平，使其充电的旁路分流控制有效，对该单体实现分流均衡控制。当该单体的电压下降，与最低单体电压的差小于规定的阈值时，关闭相应的控制通道，结束对该单体的分流均衡控制。当某节单体电池出现短路故障时，均衡软件运行时将其排除在外，不进行均衡处理。

通过对太阳电池阵和蓄电池组进行BIT控制策略设计，使电源系统自身能实现故障诊断、隔离，提高系统的可靠性、测试性和故障诊断能力。

4 设计验证

深空探测器电源系统设计方案主要针对空间电源轻量化和能量自主管理2个方面开展。采用效率为32%晶格失配工艺三结砷化镓太阳电池，半刚性基板取代碳纤维蜂窝铝基板，提升了太阳电池阵能量密度。锂离子蓄电池组比能量密度由155 W·h/kg提升到195 W·h/kg，能量密度提升25.8%。设计的改进型串并联MPPT结构及高可靠的MPPT控制算法，提高了太阳电池阵利用率。BIT保护策略可实现电源系统在轨故障监测和故障隔离，提升系统自主管理能力。

经过验证，MPPT追踪精度达到98%，可稳定追踪最大工作点电压幅值33～55 V，电流0.5～5.5 A，MPPT拓扑效率可达91%，其追踪结果如表2所示。MPPT追踪情况与设计预期一致，其追踪情况及过程如图10所示。

表2 MPPT追踪结果

图10 MPPT追踪波形

5 结束语

深空探测领域因其环境特点，如光照强度差别大、温度变换大、距离远、通信延时等特点，不但加剧了能源危机，而且带来了通信延迟问题。本文提出一种深空探测器电源系统设计方案，不但能提升电源系统的能量自主管理，而且能提高电源系统能量密度。随着工艺技术水平的进一步提高，可以预计未来5年太阳电池效率提升到34%，锂离子蓄电池组能量密度达到250 W·h/kg，在MPPT技术和BIT技术广泛应用前景下，空间电源能量密度将得到更进一步提升，探测器可携带更多燃料，开展更深远的探测任务。