资源一号02D卫星供配电分系统设计与在轨验证

李小飞 刘奕宏 马亮

(1 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)(2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)是我国空基规划业务卫星之一，定位于中等分辨率、大幅宽观测和定量化遥感任务。与以往同类卫星相比，资源一号02D卫星设计寿命提高至5年，具备一轨多次侧摆机动及偏航定标功能，配置了新研高光谱相机，这对供配电分系统的供电能力、母线品质、质量、可靠性等方面都提出了更高的要求[1-5]。为了满足任务要求，供配电分系统通过新型限频串联顺序开关分流调节(S4R)模块化电源控制器、长寿命锂离子蓄电池、高刚度太阳翼等核心产品，并采用星上能源自主管理方案，实现了卫星在轨高可靠稳定运行；供配电分系统采用基于高比功率的功率控制技术、高比能量的储能技术、高精度的能量平衡设计与分析等技术的系统轻量化设计方案，实现了一次电源相对以往同类卫星质量减小150 kg；采取软件与硬件冗余设计实现5年寿命高可靠性设计，并对关键单机开展了寿命验证。

本文在介绍资源一号02D卫星供配电分系统的组成、工作模式基础上，重点对基于S4R限频调节的电源控制技术、轻量化方案设计、高精度能量平衡方案、能源自主管理设计、功率链路可靠性设计等方面进行论述。最后，根据卫星在轨运行数据，给出了供配电分系统单机和系统性能指标的在轨验证情况。

1 供配电分系统简介

1.1 分系统主要功能和性能指标要求

资源一号02D卫星相比以往同类卫星，具备一轨多次侧摆能力和偏航90°定标功能，需要供配电分系统满足正常飞行姿态，以及侧摆、偏航飞行姿态下的卫星能源需求，在能源方面不限制卫星工作模式编排，同时需要保证母线稳定度的前提下，具有高动态响应速度，以满足新研高光谱相机等有效载荷的脉动功率特性。卫星主要性能指标为：母线电压稳定度优于1%，母线纹波小于400 mV，母线供电能力大于3000 W，分系统质量小于175 kg。

1.2 分系统组成

根据具体功能，供配电分系统由太阳电池阵、蓄电池组及管理器、控制器三部分组成。供配电分系统结构如图1所示。

注：BEA为蓄电池误差放大信号；MEA为主误差放大信号；S3R为顺序开关分流调节；BDR为放电调节模块。

1.3 主要工作模式

在光照期，太阳电池阵通过S3R使用MEA母线主误差放大信号实现对母线电压的稳定调节，母线控制在(30.5±0.5)V；同时，在刚进入光照时，充电分流控制逻辑电路根据系统母线负载的用电需求，在满足母线负载稳定供电的同时把太阳电池阵的富余功率给蓄电池组充电，剩余功率分流。充电过程受蓄电池误差放大信号BEA的控制，完成从恒流到限压充电的转换。在充电分流控制逻辑电路设计中融入制约控制技术，以有效避免充电和分流功率管工作时相互干涉现象，保证母线输出电压的稳定[6-8]。

在地影期，蓄电池通过8路BDR稳定母线电压。在进地影过程中，太阳电池阵功率逐步下降，不能满足整星功率时，MEA将顺序关闭分流和充电，并开启放电调节进行联合补充供电，直到进入全地影。在出地影过程中，太阳电池阵功率逐步增加，S3R为全输出，放电调节输出电流逐步减小，进行联合供电，直到进入全光照，由MEA关闭放电调节并进行蓄电池充电。不论卫星轨道状态和负载特性在正常范围内如何变化，通过MEA的统一控制，一次电源都保持输出稳定的母线电源。

下位机模块对电源控制器工作状态进行实时监控，并通过1553B总线、直接遥测信号和直接指令的连接模式与星上数管分系统进行数据交换和控制。通过422总线与A、B组蓄电池的均衡管理器通信，完成对均衡管理器的控制。下位机模块实时监测供配电分系统的健康状态，形成健康预报字；完成电量计累计并协助BEA电路完成对蓄电池的在轨管理功能。

2 技术特点

2.1 基于S4R限频调节的电源控制技术

为提高功率密度和功率调节效率，资源一号02D卫星电源控制器采用全开关、全调节设计，对太阳电池阵输出功率、蓄电池组输出功率进行控制，通过统一MEA控制，实现分流调节电路、充电分流调节电路、放电调节电路协同工作，各功能电路均采用模块化、标准化和通用化设计，可根据功率需求进行调整，实现电源控制器的质量、体积优化设计。电源控制器采用S4R拓扑结构，考虑到单路分流电流达到8 A，为降低开关热耗，在分流、充电电路采用限频调节技术，开关频率为0～5 kHz。与传统的脉宽调制电路相比，限频调节电路元器件少，结构形式简单，开关频率大幅降低，能够全部分流太阳电池阵输出电流，允许母线负载零负载或开路[9-10]。限频分流调节电路具体见图2。

图2 限频分流调节电路示意Fig.2 Diagram of frequency limiting shunt regulation circuit

2.2 轻量化方案设计

通过优化系统配置和采用高比能量设备，实现供配电分系统质量减小设计，具体途径如下。

(1)采用高效发电装置。随着三结砷化镓太阳电池制造技术和工艺的改进，电池效率逐步提高，与硅太阳片相比，三结砷化镓太阳电池转换效率高、衰减率低。资源一号02D卫星采用转换效率28%的三结砷化镓太阳电池，相比资源一号02C卫星，在输出功率增加12%的前提下，太阳翼面积和质量均下降。

(2)优化功率调节方式。采用S4R电路拓扑和限频控制技术，可以最大限度利用太阳电池功率，简化充电控制电路，与传统分阵式开关分流调节电路相比，在同等功率等级下(小于19 kW)，质量可降低30%。

(3)选用高质量比能量储能装置。资源一号02D卫星采用额定容量90 A·h的钴酸锂体系锂离子电池，锂离子电池的质量比能量是镉镍蓄电池的4倍，在减小质量的同时还可以通过将电池并联组合灵活扩展容量，并具有较长的循环寿命，是目前空间储能设备的首选方案。

2.3 高精度卫星能量平衡分析

为保证资源一号02D卫星高频率侧摆成像任务模式下的能源裕度，供配电分系统开展高精度的能量平衡仿真分析，依据太阳翼遮挡阴影视频、布片图和设计参数，得到各典型工况太阳电池阵输出能力的受遮挡情况，使太阳电池阵供电能力的分析误差在±2%范围内，通过建立全寿命的能量平衡分析模型，给出了卫星在轨各个模式下的能量平衡结果，具体见表1和图3。

表1 太阳翼遮挡影响分析Table 1 Influence analysis of solar array

图3 夏至1圈轨道太阳电池阵输出电流曲线Fig.3 Solar array output current during one orbit on summer solstice

2.4 能源自主管理设计

供配电系统的智能化管理能力成为衡量其先进性的一个重要标准，同时也是提高其可靠性的重要手段。资源一号02D卫星明确提出了对供配电系统自主管理的需求，利用一次电源子系统控制单机智能化手段，实现蓄电池充放电管理、遥测遥控处理、故障检测、恢复与隔离设计，提高供配电系统的可靠性，实现能源自主管理和卫星安全用电。供配电系统配置了下位机，为实现故障自主管理提供了条件，可通过全面的测试点设置及故障检测、隔离软件算法，实现故障自主管理，提高没有地面干预条件下的卫星在轨自主运行能力。能源自主管理层次关系，具体见图4。

2.5 功率链路可靠性设计

为保证整星功率链路高可靠设计，供配电分系统从3个方面开展卫星功率链路的可靠性设计。①功率通路的裕度：主要包括整星主功率通路和指令电源通路，涉及电连接器、功率电缆、继电器、大功率器件等的降额和冗余设计。②功率通路的绝缘防护：主要包括卫星功率电缆、星箭电缆、设备内部功率通路，涉及功率电缆绑扎固定点和过孔处二次绝缘处理、设备内部安全间距控制等。③功率通路的保护设计：主要包括过流保护、欠压保护，各功率通路分支入口端均应设置有效的过流保护电路，同时控制、测控、数管等关键设备应能适应母线在过流保护动作期间的电压波动。在卫星出厂前的卫星能源安全性复查工作的基础上，对发射场实施的整星主功率电缆通路、火工品功率电缆通路、包带电缆通路和星箭电缆通路的最终状态进行专项复查确认。卫星功率链路可靠性设计，具体见图5。

图5 卫星功率链路可靠性设计Fig.5 Reliability design of satellite power link

3 在轨飞行情况

资源一号02D卫星入轨后，太阳翼成功展开锁定，输出电压建立，并快速对日定向。在飞行过程中，供配电分系统在克服大角度侧摆遮挡影响情况下，顺利完成卫星各飞行姿态各类工作模式的供电能力验证，卫星能量裕度满足设计要求。母线电压稳定在30.51 V，母线电压总线遥测稳定在30.5 V±0.1 V，均优于30.5 V±0.5 V设计指标。太阳电池阵输出电流与设计值误差小于1%。具体见图6和图7。其中，图6采用点图形式，可以看出母线电压遥测稳定，波动在一个分层值范围。

图6 母线电压遥测曲线Fig.6 Telemetry curve of main bus voltage

图7 太阳电池阵输出电流遥测曲线Fig.7 Telemetry curve of solar array current

4 结束语

针对资源一号02D卫星长寿命、侧摆机动成像的能源需求特点，供配电分系统设计了基于S4R限频调节技术的电源方案，配置了长寿命锂离子蓄电池、高刚度太阳翼等核心产品，并采用星上能源自主管理方案，实现了卫星在轨高可靠稳定运行。卫星在轨飞行对供配电分系统的功能性能进行了充分测试，测试结果表明：供配电分系统功能正常，性能优于设计指标要求，可为未来遥感卫星供配电分系统设计提供参考。