智能管理一体化能源模块技术

王然 冯世强

（中国电子科技集团公司第十八研究所 天津市 300384）

1 引言

卫星能源系统是卫星上进行电能产生、储存、变换、调节和分配的分系统，其主要功能是向卫星其他子系统提供电能，维持卫星的正常运转。航天器供配电系统为有效载荷和各服务系统提供电能，它可靠、充裕的能源供给可以保证航天器运行期间各设备正常工作，确保飞行任务顺利完成[1]。随着航天技术的发展，载荷愈发多样化、任务越加复杂化，能源的智能管理需求也愈发迫切。

2 航天器供配电智能管理技术研究进展

目前，在航天器的供配电智能管理方面已近开展了部分探索性的设计应用。21世纪以来，随着小卫星、无人机、空间机器人等研究领域不断发展，供配电系统的模块化、小型化和智能化需求愈加迫切[2-3]。相对于传统的遥控式供配电管理方式，智能管理一体化能源技术利用计算机和数据总线优势，参与供配电管理和能源分配决策，实时获取设备和负载的状态信息和用电情况，可以根据飞行阶段、环境状况和能源情况控制负载通断[4]。

3 智能管理一体化能源模块技术方案

智能管理一体化能源模块技术的关键是：航天器智能配电管理、能源动态计划调度、供配电故障在轨自主实时监测和隔离技术。在电源控制系统中设计下位机，可以实现遥测量的采集与预处理，通过总线与数据管理分系统进行信息交换。下位机可以通过电量计算，实现蓄电池的在轨充电管理，对冷冗余的供配电设备设定自主管理判据，当主份供配电设备发生故障时自主实施主／备份切换。在蓄电池放电深度过深时，断开部分负载，以降低蓄电池放电深度，保证电源的输出功率与负载相匹配，降低航天器运行的风险。但是，对于航天器智能化管理水平、能源动态计划调度、故障的在轨自主实时监测和隔离技术以及能量水平的预测分析，仍然存在诸多不确定性的因素，需要进一步研究。

常规的能源系统主要由发电单元、储能单元、能源管理单元三部分组成（如图1A）。发电单元主要为太阳电池电路和结构机构组成的太阳电池阵，是卫星能量的来源，可以将太阳能转换为卫星可以利用的能源；储能单元为蓄电池单体和模组结构组成蓄电池组，是能源存储再利用的场所，可以保证卫星在没有太阳能来源或者太阳能不足的情况为卫星提供能量来源；能源管理单元包含了功率调节和信号调节，负责调节太阳电池阵和蓄电池向后端负载供电，调节太阳和蓄电池的供电模式，实现太阳翼控制单元、蓄电池控制单元及星务之间的信息交互。

智能管理一体化能源系相较于传统的能源系统，各个模块都加入了主动管理功能，将被动的输入输出转变为可控的主动管理（如图1B）。统拓扑结构如图2所示，能源模块包含能量输入单元太阳电池阵及其太阳能控制部分；能量存储单元包含蓄电池组及其电池控制部分；供配电智能控制部分包含设备功率流配电控制和信息流中转传输。运行过程中，太阳电池阵产生并对外输送能量，蓄电池组存储能量并在需要的时候对外输出能量，地面测试过程中配备外部稳压源可以直接对各载荷提供能源。能源模块配置信息采集端点和载荷供电控制开关，可以通过供配电智能控制部分或者星上计算机进行数据采集和配电控制。卫星发射阶段不带电，通过入轨信息判定进行加电操作。

能源模块作为卫星的能源来源与控制端，需要保证整机工作时能源被合理的分配和控制。能源模块配置信息采集端点和载荷供电控制开关，可以通过供配电智能控制实现在线监测、超前预警、能源调度及故障的自主识别与处理，提高能源处理效率，减少整机数据分析量，增加卫星的星上控制能力，减少远程持续控制与干预，有可能使卫星无需地面监管，独立工作，完成更复杂的工作，降低运营成本。

图1：能源系统组成框图

图2：电源模块原理框图

图3：MPPT智能控制电路

太阳电池阵的智能控制部分采用内置MPPT（最大功率点跟踪）算法的增强型DC-DC转换器，在不受温度和太阳辐射量影响的情况下，可以最大化利用光电板产生的能量。转换器内置大功率MOSFET，以用做动态开关，同步整流，减少了外围器件。需要注意的是，4项交错拓扑的DC-DC转换器应尽量避免使用电解电容，这将严重影响使用寿命。MPPT算法精度在0.2%，工作电压0-36V，具有过压，过流和超温保护，内置了软起动，效率高达98%。转换器工作在PWM模式的固定频率，占空比受控于运行MPPT算法的内置逻辑。开关频率，由内部产生和设定在100KHZ，而且是外部可调的。占空比以0.2%的步进值在5%到90%范围内可调。当输出过压或者超温时，转化器将自动停止运行。应用电路如图3所示。

为了满足电池所需的循环寿命，电池组的大小必须同时考虑卫星电压的要求、放电电流的能力，电池放电的深度。为了防止蓄电池组过放电，造成深度放电，一般当锂离子蓄电池单体电池电压为3.4V时，要控制配电数量，减少负载运行量；当单体电池电压降低到3V时，则必须启动过放保护，将蓄电池组与母线断开，保证蓄电池组不被过放电。

针对具体的任务需求，结合卫星的运行环境特点以及电源控制单元在太空中需要完成的任务，电源智能控制单元配备电源分系统遥测采集、指令发送（包括TTL和OC指令）、自主控制、电量计算、安全报警等功能，可以与综合电子间的总线通信，完成参数上注。工作过程中信息流接收中心计算机指令，经直接指令或间接指令完成对卫星电源分系统的控制，并将电源系统各设备状态信息回传给中心计算机。CPU选用混合集成电路LSMEU01星载嵌入式管理执行单元，其内部以抗辐照MCU LCSoC801E为内核，外部扩展CAN总线驱动器，AD与DA的放大电路以及OC指令驱动电路等。支持模块外部存储器与IO扩展。由电压转换模块、处理器模块、模拟量采集模块、指令模块、接口电路等组成，通过软件对硬件资源进行协调和配合，共同完成控制单元的所有功能。主要包含处理器电路、看门狗电路、切机电路、供电电路。其逻辑框图如图4所示。

电源下位机的主要功能有：完成一次电源系统遥测参数的采集和遥控指令的执行；完成温度遥测的采集变换；自主控制；具备参数上注功能，可实现重要参数值的设置更改；完成蓄电池组的过充、过放保护的预警与控制功能；电源下位机工作状态和电源系统工作状态监视；完成对锂离子蓄电池组容量的实时计算；具备1路RS232形式的UART通讯接口；完成对一次电源系统的运行状态的监视和管理，对一次电源系统的故障进行判断并采取相应的故障隔离措施；具备软硬件看门狗功能。

4 结束语

图4：电源下位机系统框图

传统的电源系统需要较多依赖于卫星综合电子系统的信息处理和指令控制，复杂的信息流会占有较多的星上资源，既浪费了软件的处理资源，又浪费了整星的硬件资源（传输连接器、电缆）。而智能管理一体化电源模块技术可以减少单机约束性，各单机用电信息相互独立，成为独立的能力云个体，解决设计规划问题，提高故障处理能力，增强能源使用效率。在未来可以进行可预见性能力分析，优化工作模式，通过人工智能的方法来实现能源的智能管理，进一步实现卫星的自主可控智能管理一体化。