SAR卫星电源系统研究

王 锴

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

近几年，我国在通信卫星领域广泛布局，可以预见未来在三大卫星领域之一的遥感卫星领域将开启零星合成孔径雷达成像(SAR)卫星应用到星座组网批量化模式，满足军、民用领域的业务扩展需求。在低成本、高效费比要求和星载SAR 载荷技术跨越式发展的双重推动下，轻小型星载SAR 将迎来加速发展的阶段[1]。SAR 卫星因工作波长能穿透云层、尘埃乃至地表或植被的等掩盖信息，可全天候、全天时获取高分辨率图像，是近年来军用、民用遥感卫星领域发展的热门方向，其具有成像模式多、峰值功率大以及脉冲工作等特点，对卫星电源系统的设计提出了新的需求和挑战。

1 电源系统输入约束

1.1 任务需求及功率限定

一次电源系统任务主要是为整星供电，满足卫星各种工作模式下的功率需求，在地面测试及各种地面试验期间，为卫星提供电源；在轨运行期间，为卫星提供电源，保证各仪器设备的正常工作；电源分系统在日照期利用太阳电池阵发电，为卫星各设备供电，并对蓄电池充电；在地影期由蓄电池为卫星各设备供电。实施在轨运行期间的电源管理和控制，包括对蓄电池充放电的控制，系统内部信号的遥测，并提供所需的遥测、遥控接口；接收执行综合电子发出的间接指令，并接收执行测控设备的直接指令。

一次电源系统的功率需求为：轨道高度550～650 km；轨道周期5 800 s，最长地影时间约为2 133 s；在轨寿命3 年；SAR 载荷母线电压56～66 V，平台母线电压(28±0.5) V；SAR载荷母线，峰值功率20 kW，平均功率12.8 kW，连续工作时长6.9 min，常值功率385 W；平台功率810 W，峰值功率1 250 W；载荷初期每4 轨工作2 次，寿命末期载荷可5 轨工作2 次。选取的功率范围基本可覆盖当前低轨SAR 卫星的任务需求。

1.2 太阳电池及蓄电池限定

随着航天技术的日趋成熟，国内外空间三节砷化镓(GalnP2/GaAs/Ge)电池已经大量在轨应用，当前在轨卫星的太阳电池多以30%效率为主，规格型号种类繁多，以30 mm×40 mm、40 mm×60 mm 及40 mm×80 mm 居多。从成本和提高太阳电池利用率方面考虑，国外已经开始大量使用单体面积更大的太阳电池片，而国内主要开发了80 mm×80 mm 和64 mm×128 mm 太阳电池片。针对后续几年SAR 载荷类对太阳电池高效轻质的需求，选择规格40 mm×80 mm、厚度80 μm、效率32%的太阳电池单体作为设计方案选型。太阳电池片及主要参数值如图1 和表1 所示。

表1 太阳电池片参数

图1 太阳电池片示意图

SAR 卫星对能源分系统的要求是十分严格的，它需要在短时间内实现大功率、大电流脉冲式供电。而锂离子蓄电池具有高比能量、高电压、良好的低温性能、较低的自放电率和无记忆效应等一系列优点，国外TerraSAR 和Cosmo-Skymed卫星对电源的容量要求比较高，都采用了锂离子蓄电池组技术[2]。而国内锂离子电池也大量应用于通信、导航等中高轨卫星以及星网工程等低轨卫星，过去国内大量发射的通信卫星和导航卫星平均功率都较大，导致锂离子蓄电池长期追求高比能特性，不能满足当前大功率遥感SAR 卫星对电源脉冲特性的需求，蓄电池的质量在电源系统中的占比在60%以上，甚至更大。比如国外的SAR 卫星Cosmo-Skymed，10 s 19 kW 功率输出，选用的18650 高比能电池达72 并设计。随着国内外SAR 卫星对脉冲功率的不断增大的需求和锂离子蓄电池技术的进步，适合脉冲电流工作的高功率电池及兼顾高比能和高功率的“双高”型锂离子蓄电池应运而生，如本单位10 Ah 超高功率锂离子电池比能量达到100 Wh/kg，比功率达到10 kW/kg，40C连续放电可以放出1C容量的93%以上，比功率指标达到国内领先水平，并已经实现在轨应用。采用本单位的220 Wh/kg 高比能10 Ah 单体(F 型电池)和10 kW/kg 高比功率10 Ah 单体进行方案设计。高比能10 Ah 电池可实现1C放电、0.5C充电，40%放电深度(DOD)条件下，低轨道(LEO)运行具有7 年寿命；高功率10 Ah 电池50%DOD使用条件下，LEO 轨道运行具有5 年寿命。图2 为10 Ah 高比能电池和10 Ah 高功率电池实物。

图2 10 Ah 高比能电池和10 Ah高功率电池

2 方案介绍

2.1 MPPT 型单电池组复合母线

系统采用复合母线拓扑，如图3 所示(方案1)，提供两条不同电压的母线分别为SAR 载荷供电和平台负载供电，载荷和平台共用一组双高型锂离子蓄电池组。载荷母线电压采用最大功率跟踪(MPPT)控制模式的不调节母线方式，高压不调节母线具有极低的输出阻抗，最大限度地满足了SAR 载荷短期峰值负载和脉冲负载的供电需要[3]，可满足SAR 载荷峰值功率20 kW 的需求，锂电池组采用16 串方式，载荷母线电压56～66 V。载荷母线通过隔离降压模块(Buck)实现平台母线电压28 V 输出。光照期，太阳电池通过MPPT 控制的功率变换器将太阳能供给载荷和平台负载，如有多余能量，则为蓄电池组充电；地影期，蓄电池组通过降压模块(Buck)为卫星平台母线供电，同时为SAR 载荷工作提供能源。综上分析，此方案为MPPT 控制太阳电池阵，配置单组双高型电池组以及隔离型DCDC 变换器为平台母线，此方案记为方案1。方案2 与方案1 几乎相同，只是将MPPT 控制太阳电池的策略改为传统的S3R 拓扑。但与方案1 相比，方案2 会增加太阳电池面积。

图3 MPPT型单电池组复合母线示意图

2.2 S3R 型双电池组双母线

图4 为S3R 型双电池组双母线示意图，系统采用双母线拓扑，提供两条不同电压的母线，分别为SAR 载荷供电和平台负载供电，载荷和平台分别设置两组电池，由于载荷峰值功率比较大，采用高功率型电池，平台负载工作稳定，采用高比能电池组。载荷母线电压56～66 V。平台母线采用28 V 不调节母线，控制方式为S3R 型直接能量传输(DET)控制方式，母线电压25.2～28.7 V。综上分析，图4 所示方案(方案3)采用两组蓄电池、两条母线，由于采用两组蓄电池，可发挥蓄电池组高比能和高功率的优势，同时载荷母线和平台母线独立设计，载荷工作时，对平台设备干扰最小。图4 方案中，平台母线为不调节母线，如果全调节母线需要增加降压电路。

图4 S3R型双电池组双母线示意图

2.3 MPPT 型双电池组双母线

图5 为MPPT 型双电池组双母线示意图，太阳电池的功率调节上采用MPPT 模式，而且采用降压型MPPT 控制方式，降压型控制方式较升降压MPPT 控制方式效率更高；两组蓄电池可发挥蓄电池组高比能和高功率的优势，同时载荷母线和平台母线独立设计，载荷工作时对平台设备干扰较小。MPPT 型双电池组双母线方案中，平台采用全调节母线，全调节母线常用的有S3R+蓄电池充电调节器(BCR)+蓄电池放电调节器(BDR)或S4R+BDR 的配置。图5 所示方案(方案4)中，由于双母线的架构，平台如果采取较成熟和转换效率高的降压电路实现平台母线电压的恒定输出，较传统模式质量轻、体积小及效率更高。

图5 MPPT型双电池组双母线示意图

2.4 升压型复合母线

图6 为升压型复合母线示意图，系统采用复合母线拓扑，提供两条不同电压的母线，分别为SAR 载荷供电和平台负载供电，使用两组电池，平台使用高比能蓄电池，载荷使用高功率电池。图6 所示方案与图3～5 所示方案最大的不同之处在于高功率电池的能量来自于电源平台能量，对于既有成熟平台电源，尤其蓄电池具备高比能特性时，对需要扩展类似SAR 等脉冲电源的载荷，可以不改变现有成熟电源平台，只需要外围增加升压变换器模块和高功率电池组即可，通过平台给高功率电池充电，高功率电池储能后可以满足SAR 载荷的放电需求，后续的方案比较中不作此方案比较。

图6 升压型复合母线示意图

2.5 方案比较

表2 为四种方案对比表。由表2 可知，对太阳电池阵调节采用MPPT 方式，充分利用太阳电池阵输出功率，可减小太阳电池阵的面积和质量，降低研制成本。蓄电池充电时间更短，可有效响应突发的任务规划，降低电源系统对任务规划的约束[4]。本文中太阳电池功率需求面积为10 m2左右，通过分析可知，采用MPPT 的调节方式较传统S3R 调节方式，可以节省近1 m2的太阳电池，如果再考虑基板的质量，使用MPPT调节方式不仅可大幅减小电源系统的质量和体积，在卫星寿命初期输出功率可以比S3R 调节方式多12%～20%，对于寿命初期需要载荷完成更多任务的工况具有明显优势。

表2 四种方案比较

平台和载荷独立配置蓄电池组，平台蓄电池组采用能量型锂离子蓄电池单体，满足平台设备的长期供电能量需求，载荷蓄电池组采用功率型锂离子蓄电池单体，满足SAR 载荷的短时大功率脉冲供电需求，可以分别对平台和载荷锂离子蓄电池进行优化设计[5]。鉴于当前双高型锂离子蓄电池，国内正处于攻关阶段，本文中，采用220 Wh/kg 的F 型高比能蓄电池结合芯片化自主均衡，减少对系统资源的依赖，同时采用高功率电池，较容易实现SAR 载荷功率宽范围扩展，针对平台和载荷供电需求特点，发挥了两种蓄电池各自的优势。

通过对方案的比较，推荐使用方案4，太阳电池功率得到最大化利用，两组蓄电池发挥了高比能和高功率的优势，同时较容易实现载荷功率的扩展，两条独立母线最大限度降低了脉冲类载荷工作对平台精密设备的干扰。功率调节单元本质都是传统非隔离降压电路，转换效率高，拓扑简单可靠，成本低，系统复杂度适中。图7 为电源控制器和蓄电池模型图。

图7 蓄电池组及电源控制器模型

通过分析四种方案，SAR 电源系统质量相差仅5 kg 左右，且蓄电池质量占比电源系统质量都大于65%，因此对于SAR 等脉冲类卫星电源系统，进一步做到轻量化，重点还在于电池性能的提升，以减小蓄电池的质量。

3 结束语

对SAR 卫星电源系统的任务、功率需求及太阳电池和蓄电池的规格型号进行限定，立足国内卫星电源系统当前的技术水平，后续1～3 年的发展情况，介绍了适合SAR 卫星电源系统的五种方案，对前四种方案进行了定量分析、比较和剖析，分析了方案的优缺点，提出了后续需要优化提升的关键点，这对于我国后续SAR 卫星电源系统的设计提供了参考。