中法海洋卫星电源分系统设计与在轨应用

2022-09-29赵海峰乔学荣解晓莉陈杏娜

电源技术 2022年9期

赵海峰，徐伟，乔学荣，解晓莉，陈杏娜

(中国电子科技集团有限公司第十八研究所，天津 300384)

中法海洋卫星是中国和法国合作研制的首颗卫星，卫星装载了中法两国联合研制的卫星载荷，首次实现在全球范围内对海风和海浪的大面积、高精度同步观测。

1 电源分系统组成及工作原理

中法海洋卫星设计寿命为3 年，电源分系统采用电源控制器、镉镍蓄电池组和太阳电池阵构成。太阳电池阵在光照期利用光伏效应将太阳光能转换为电能为负载供电，同时给蓄电池充电，是卫星的能量来源[1-2]。镉镍蓄电池组是储能部件，光照期充电储存能量，阴影期放电满足负载的功率需求。电源控制器是电源分系统的控制中心[3]，通过功率调节与管理，在整个寿命期间为卫星提供不间断、稳定的母线电压。

电源分系统采用全调节模式，无论是主动段，还是在轨运行期间，均为星上设备提供(28.5±1) V 的稳定电源电压。电源分系统原理框图见图1。

图1 电源分系统原理框图

镉镍蓄电池充电控制的方式有V-T 曲线和第三电极，V-T曲线控制是主要控制方式，应用于许多工程型号中[4]。中法海洋卫星充电控制采用V-T 曲线控制和电子电量计(软件)控制两种方式，两者互为备份[5]。

与其他由镉镍电池组成的低轨卫星电源系统相比较，中法海洋卫星电源系统有如下两个特点：(1)载荷功率需求大，且每天24 h 不间断开机；(2)有效载荷为波谱仪和散射计，二者均具有低频脉动负载特性，脉动负载会对平台母线产生较大的干扰。

2 电源分系统设计

2.1 镉镍蓄电池组设计

2.1.1 大容量镉镍蓄电池开发的必要性

目前低轨道卫星使用的镉镍蓄电池组放电深度(DOD)普遍设计在20%左右，如某低轨道卫星30 Ah 镉镍蓄电池组放电深度为18%～20%，其他卫星数据如下：45 Ah 镉镍蓄电池组在轨放电深度为9.1%～23%，55 Ah 镉镍蓄电池组在轨放电深度为19.4%～21.8%。中法海洋卫星地影期间功率需求为752～842 W，如果按负载功率752 W 工作25 min，镉镍蓄电池组放电容量约为16.08 Ah；若选用55 Ah 镉镍蓄电池组，放电深度达到29.2%，远超过20%，因此需要开发更大容量的电池。从产品可靠性及低轨道卫星未来发展需求考虑，镉镍蓄电池容量设计为70 Ah 比较合理，其放电深度与目前在轨卫星用镉镍蓄电池组的放电深度基本相当。表1 为不同容量的镉镍蓄电池放电深度计算。

表1 不同容量的镉镍蓄电池放电深度计算

2.1.2 70 Ah 单体电池设计

大电流放电能力是中法海洋卫星镉镍蓄电池研制过程的技术难点。

目前在轨的卫星中某低轨道卫星最大放电电流13.3 A，放电倍率0.44C；另一低轨道卫星最大放电电流11.15 A，放电倍率0.34C。中法海洋卫星地影期最大负载时，蓄电池组放电电流达到了43.2 A，放电倍率为0.62C，所以在70 Ah 单体电池的设计中充分考虑了大电流放电的能力。

70 Ah 电池较55 Ah 电池正负极板活性物质增重有降低(正极活性物质单位体积增重降低16%，负极活性物质单位体积增重降低21%)，降低活性物质填充量能够提高极板大电流循环过程的膨胀应力，同时也有利于提高活性物质的利用率。

单体电池高方向尺寸的增加会导致电池内阻增加，所以70 Ah 电池的设计只在该方向增加10 mm。单体电池长和宽方向尺寸的增加有效增加了反应面积，降低了电流密度，同时也降低了电池内阻。表2 为70 Ah 镉镍蓄电池与55 Ah 镉镍蓄电池主要技术参数比较。

表2 70 Ah 镉镍蓄电池与55 Ah 镉镍蓄电池主要技术参数比较

2.1.3 电池组设计

镉镍蓄电池组由单体电池、电连接器、二极管保护组件和结构等组成，采用端板-拉杆式结构，分为两个物理模块，A模块由9 只单体串联，B 模块由9 只单体串联，允许其中1 节单体电池开路或短路失效，为17∶18 备份。

电源分系统采用额定容量为70 Ah 的镉镍蓄电池，其平均放电电流、放电容量、放电深度及两阶段充电时间计算结果见表3。从表3 可以看出，两阶段充电电流设计合理，蓄电池组当圈能够实现能量平衡。

表3 中法海洋卫星镉镍蓄电池组充放电计算结果

式中：PD为蓄电池组输出功率，W；PL为整星负载功率，W；η为放电调节器效率，η＝0.92；KL为损耗因子，KL=0.964 3[6]。

式中：QD为蓄电池组放电容量，Ah；PD为蓄电池组输出功率，W；TD为地影时间，h；N为单体电池串联数，N＝18；VP为单体电池平均放电电压，VP=1.22 V。

式中：DOD为蓄电池组放电深度；QD为蓄电池组放电容量，Ah；Q为蓄电池组额定容量，Ah。

2.2 太阳电池阵设计

太阳电池阵+X 太阳翼、-X 太阳翼各有4 块板，每块板布置18 个18 片串联电路，8 块板共包括144 个18 片串太阳电池电路，使用39.8 mm×60.4 mm 的三结砷化镓太阳电池数2 592 片。太阳电池阵统一划分为10 级电路，每翼5 级电路，其中1、3、5、7、9 级由内到外分布在+X 翼，2、4、6、8、10 级由内到外分布在-X 翼。

同时，采用18 片20 mm×40 mm 的三结砷化镓电池串联作为涓流充电阵，布置在+X 翼中内板上。在轨工作正照条件下，寿命初期涓流阵工作电流约为0.13 A。

2.3 电源控制器设计

中法海洋卫星设计寿命3 年，要求电源分系统尽量采用成熟、可靠的技术。依据卫星轨道条件以及功率需求，最终确定以某卫星平台电源控制器为基础，同时依据载荷特点和功率需求进行适应性设计。如图2 所示，电源控制器采用模块化设计，由平台母线滤波模块、信号变换模块、分流调节模块、放电调节模块(3 个)、V-T 充电控制模块、充电调节模块、载荷母线滤波模块、电源下位机模块(2 个)和二次电源模块等组成。

图2 电源控制器产品

中法海洋卫星主要有效载荷为微波散射计和海洋波谱仪，两者用电需求比较特殊，均具有低频脉动负载特性，且载荷长期开机。具体特性如下：(1)平台母线负载特性：负载为20 A，以直流为主；平台母线供电电压纹波要求不大于350 mV。(2)载荷母线负载特性：基础负载电流为6.5 A，叠加一个幅度为7 A，频率为150 Hz，占空比为50%的负载阶跃，负载跃变速率为1×105A/s；载荷母线供电电压纹波要求不大于1 V。

针对上述要求，为避免平台设备和载荷设备相互干扰，传统的设计方案是采用双母线设计，即一条母线为稳定负载供电-平台母线，一条母线为脉冲负载供电-载荷母线。但这种设计方案的缺点是电源系统的设备多、体积大、质量重、成本高，而体积、质量、成本都是卫星总体无法接受的。

综合考虑成本、体积、质量等约束条件，提出了一种替代方案——“内单外双”母线设计。电源控制器内部一条母线但是分双路输出，一条母线对应平台设备，另一条母线对应有效载荷设备。平台母线与载荷母线通过滤波电路进行隔离，如图3 所示。采用“内单外双”的准双母线设计，平台母线与载荷母线在一定程度上实现隔离，尽量避免或降低载荷工作时脉动负载对平台母线和其他设备造成的影响，同时又能够简化配置，减少电源系统设备数量，体积小，质量轻，大大降低了研制成本[7]。

图3 电源控制器“内单外双”母线示意图

载滤波模块采用CLC 型滤波电路，可以对脉动负载对母线产生的干扰进行有效抑制。对直流而言：CLC 型滤波电路中的C1 和C2 相当于开路，而电感L 对直流分量的感抗等于零，相当于短路，所以滤波电路对直流分量几乎没有影响。对交流而言：电容器的容抗很小，近似于短路，而电感对各种交流分量的感抗很大，所以滤波电路对交流分量有阻碍作用[8]。当负载电流增加时，载荷滤波电路内电流流向如图4 所示；当负载电流减小时，载荷滤波电路内电流流向如图5所示。

图4 负载电流增加时载荷滤波电路内电流流向

图5 负载电流减小时载荷滤波电路内电流流向

载荷滤波模块如图6 所示。经过多次试验和调整，最终确定了电容C1、C2 和电感L 的取值，并在整机产品状态下进行了测试验证。

图6 载荷滤波模块

(1)测试条件：平台母线负载设置为20 A 直流负载；载荷母线负载在6.5 A 直流负载上，施加一个幅度为7 A、频率为150 Hz、占空比为50%的负载跃变，负载跃变速率为1×105A/s。

(2)测试结果：测试结果详见表4，平台母线电压纹波不大于350 mV，载荷母线纹波不大于1 V，满足技术指标要求。

表4 电源分系统主要技术指标及测试结果

3 在轨应用

中法海洋卫星于2018 年10 月29 日发射入轨，已在轨稳定运行超过3 年。图7 所示为2021 年12 月份电源分系统的主要遥测数据曲线，从遥测数据分析可以看出：蓄电池组电压范围为22.143～25.306 V，母线电压范围为28.611～29.447 V，方阵最大输出电流为60 A，一阶段充电电流为17.5 A，二阶段充电电流为11.5 A，放电电流最大达到31.2 A，均处于设计范围内；电源分系统工作正常、性能稳定。