一种高效星载功率调节与配电单元设计与实现

蔡晓东 杜青 徐泽锋 张俊亭 杨袆 夏宁 王超

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)(2上海空间电源研究所,上海 200245)

供配电分系统作为探测器重要分系统之一,主要任务是为探测器产生、贮存和分配电能,以满足探测器在整个飞行过程中的一次电源供电、配电等需求;提供运载火箭和探测器间,轨道器与着陆器、返回器间,着陆器与上升器间、以及各用电设备间的电气接口;通过低频电缆网实现功率和信息的传递,并构成完整可靠的接地系统,其中最核心功能是实现功率调节、能源配给和火工品起爆控制。

深空探测器供配电分系统设计的难点之一就是质量约束严苛[1-8]。深空探测器受运载能力制约质量要求严苛,其中可见报道的“奥德赛”火星探测器供配电系统质量在整个探测器中的占比为11.9%,某月球环绕探测器质量占比9.9%,某月球环绕巡视探测器质量占比4%;同时,受运载整流罩空间限制,深空探测器对平台设备和载荷设备的体积提出更高的要求,必须通过设备的小型化设计和总装的优化布局,尽可能的提高探测器空间利用率,最大程度的提升探测任务的价值[9-14]。为了满足任务需求,必须从单机设计方面开展优化设计,提高探测器能源系统的功率质量比和体积比功率。

1 电源控制装置国外研究现状

目前国外航天器使用的电源控制装置可分为电源控制器(Power Conditioning Units,PCU)和电能控制与配电单元(Power Conditioning and Distribution Units,PCDU)两类,下面分别进行介绍。

1)PCU

国外PCU一般采用顺序开关分流调节器(S3R)三域调节控制技术,ESA空间电源实验室于20世纪90年代中期全球首次开发成功顺序开关串联分流调节器(S4R)调节技术,S4R可有效的缩小电源控制器的体积质量,提高电源控制器的功率调节密度。国外电源控制器普遍采用模块化设计,具有较强的功率扩展能力,并且达到了较高的工艺水平和批量生产能力。典型产品为阿尔卡特(Alcatel ETCA)公司研制的SB4000平台,输出功率9～21kW可扩展,南北蓄电池组各对应8个电池放电管理器(BDR)及2个蓄电池充电调压器(BCR)。阿尔卡特空间公司(Alcatel)与阿斯特里姆公司(Astrium)联合开发的阿尔法客车(Alphabus)采用新一代电源控制装置,功率范围可扩展到8～26kW,可适应多结GaAs太阳电池阵、Li-Ion电池;分流调节沿用S3R,充电采用S4R,在输出功率、效率、模块化等多个性能指标都有明显的优势。

表1给出了国外部分航天器PCU的基本参数情况。其中,火星快车整星功率1500W,PCU质量只有8.2kg;Astrium某PCU产品能提供5000W功率,质量仅为25kg,均具有较高的功率质量比。

表1 国外航天器电源控制器基本性能参数

2)PCDU

国外电源控制装置另一发展趋势是PCDU,包含功率控制和功率分配两部分,功率控制完成功率流的控制和与星上计算机的通信,功率分配根据星上指令为载荷、平台电子设备、加热器和可展开装置配电。PCDU内设置有包括蓄电池充放电管理在内的自主管理功能,外形结构采用柔性的模块化设计,可扩展性好。Astrium公司研制的PCDU产品外形图如图1所示。

图1 国外PCDU产品外形图

与传统独立的多台设备相比,PCDU产品具有更高的功率质量比。从航天器设备生产商Astrium对外提供的PCDU产品资料可以了解到该公司生产的某型号PCDU可提供一条5.5kW/50V不调节母线和一条1.5kW/28V全调节母线,质量仅为22.5kg。表2给出了部分国外航天器使用的PCDU产品与国内航天器使用独立的多台产品的功率质量比的比较,探测器全球星-2(Globalstar-2)、丽莎探路者(LISApathfinder)、盖亚(GAIA)等所采用的PCDU设备的功率质量比均介于43～133W/kg之间,而国内独立设备的综合功率质量比仅为33～40W/kg。

值得注意的是，书籍编辑类电脑软件只是一种便于操作的排版程序，它永远也无法替代人脑工作，也不可能代替设计者去思考。书籍设计是一项极富创造性与美感的工作，它的编辑与排版并不一定符合固有的生产思维方式，而是更具随机性和多样化，它本身便是设计者个性与经历的体现。[1]所以，在书籍设计教学中，要注重学生多维度思考方式的锻炼，以及个性化特征的培养，使学生的书籍设计既体现“情理之中，意料之外”的原则，又能够带有更多原创的可能性，并为其找到新的市场定位，以体现其现实价值。

表2 国外PCDU产品与国内独立设备功率质量比

2 功率调节与配电单元组成及功能设计

PCDU组成如图2所示,通常电源设备的本体结构、设备间功率和信号线缆的连接在供配电系统中质量占比较高,对供电设备、配电设备和火工品管理设备进行集成化设计可有效降低独立设备和功率线缆的质量和体积,同时,增加下位机模块,使供配电设备自身具备遥测采集和收发指令的功能,可大大降低信号线缆的质量,因而本文将功率调节PCU模块、配电和火工品PDU模块、智能接口(PIU)模块进行集成化设计,如图3所示,模块间采用二次电源集中供电,结构通过拉杆固连,功率通过汇流条传输,信号通过母板传输,采用多层板和表贴元器件进一步提升集成度,以实现系统的轻小型化。其中功率调节模块包括放电模块、充电分流模块,火工品模块包含全调节母线配电模块,不调节母线配电模块,火工品模块,二次电源模块。

图2 PCDU组成框图

图3 集成化PCDU设计原理图

功率调节模块实现光照期对太阳电池阵的分流调节和阴影期对蓄电池组放电调节,配电和火工控制模块实现对全调节、不调节母线负载的加断电控制,火工品起爆和分离电连接器电分离控制,PIU采用主备机冷备份设计,实现遥控指令接收、遥测信号采集,为蓄电池组在轨保护、故障诊断与处置和容量实时评估提供软件支持。单机研制通过模块化设计、采用汇流条、霍尔元件与印制电路板的一体化设计等方法,进一步节约质量资源。集成化和轻小型化设计大大减少了结构、器件和电缆等质量,简化了设备内部接口复杂程度,提高了设备供电可靠性。

3 关键技术

3.1 多母线融合控制技术

为了提高太阳翼发电利用率,根据双母线负载功率需求,采用S4R电路和S3R电路相结合的方式。S4R电路输出既与全调节母线相连,又与不调节母线相连,优先为全调节母线负载供电,同时兼顾为不调节母线负载供电和为蓄电池充电;S3R充电分流电路输出与不调节母线相连,为不调节母线负载供电和为蓄电池充电。

为了避免全调节、不调节母线负载同时用电对S4R电路的竞争和干扰,S4R电路和S3R采用逆向分流法,即当S4R电路为全调节母线供电时,分流顺序为从高到低;当S4R电路为不调节母线供电时,分流顺序为从低到高。这种方式在保证S4R电路优先为全调节母线供电,同时提高了对发电的利用率。该方式通过控制主误差放大器(MEA)及蓄电池组误差放大器(BEA)之间进行合理匹配实现。

双母线融合主误差放大器及蓄电池组误差放大器分配示意图如图4所示。

图4 MEA及BEA匹配示意图

全调节/不调节母线电压采样值与目标值做差后经3取2表决电路得到MEA/BEA信号,一方面送入S4R控制逻辑电路实现全调节母线优先供电控制,另一方面送入驱动电路与每路分阵分流基准值进行比较,通过对分流基准值进行设定即可控制每路分阵的调节顺序。

3.2 多路放电均流技术

为了能够实现PCDU放电电路的均流控制和轻量化、高功率质量比的特点,采用优化的双环控制方法,如图5所示。输出电压U0为电压采样信号,经过三路误差放大器运算,再经过三取二表决电路后,与各个电路的电流信号比较。双环控制方法即继承了主从设置法的高精度均流效果,又保证了电路的可靠性和稳定性。脉冲宽度调制(PWM)控制器采用峰值电流控制方式,通过功率开关管的峰值电流直接受误差放大信号控制,可以及时、灵敏的检测功率开关管或输出的瞬态电流值,逐个周期对脉冲电流检测,只要限制参考电流信号,就可以准确限制通过功率开关管的电流,使系统具有自动限流和短路保护的能力。相比电压模式,电流模式PWM控制器更能改善系统的稳定性。

图5 双环控制方法

3.3 PCDU集成技术

为了实现整个产品的集成度,同时保证各个功能模块有机结合、功能信号能够无误互联,互不干扰,功率回路保证足够的功率输出能力,需要在设计的各个过程中考虑集成化技术。主要从以下方面进行研究来实现整体电路集成化。

1)单机模块集成一体化

PCDU的高度集成首先体现在多个设备功能的集成。因此,在结构设计当中,将各个模块进行功能划分。为了能够近一步减轻结构的质量,在保证整个产品热性能和机械性能的基础上,采用了镁合金材料。

2)印制板的高度集成

为了实现整个产品的高度集成化和高功率质量比要求,采用了多层印制板和表贴元器件。多层印制板的使用,大大缩小印制板的面积;相对传统印制板(如双层印制板)的双列直插器件,表贴元器件的使用,大大提高了印制板面积的利用率,进一步提升了整个产品模块化的集成度。

3)电缆技术的集成化

为了减轻产品质量、提高各模块间的集成度,摒弃了传统模块采用导线互联的方式。各模块信号部分,采用全新的信号母板方式;功率部分采用设计足额的汇流条的结构方式;内外部接插采用与印制板无缝结合的方式,不但减少了电路中导线的使用数量,而且大大提升了整个模块的空间利用率;另外此设计方式对于整个电路的拆卸和调试提供了极大的方便。

4)二次电源集中供电技术

为了节约整个产品的空间和质量,二次电源模块提供了各个功能模块所需的±12 V,+5 V,+30V的电源模块,实现了二次电源的集中供电。各个模块对二次电源的需求,通过信号母板获得,提高了二次电源的利用率。

通过PCDU集成技术,成功将PCDU的功率调节模块、配电模块、火工品模块、智能接口单元等4个功能性产品集成为1台产品,实现了功能集成;同时采用优化的结构设计,提升整个产品单模块面积利用率和产品空间利用率,从而实现整个产品更加紧凑、轻巧,保证了整个产品高度集成、高功率质量比的需求。PCDU技术指标实现情况如表3所示,功率质量比达167 W/kg,优于表2中最高的Globalstar-2。

表3 PCDU主要技术指标

4 仿真验证

为了验证功率调节单元的设计正确性,通过运用经典网络树分析法和定量分析法,对功率调节单元进行仿真,搭建了功率调节仿真平台,完成了对功率调节与配电单元10种稳态工况的量化分析过程,4路太阳电池S4R供电阵与6路太阳电池S3R供电阵与母线电压信号的对应关系与开启顺序如图6～图7所示,分析结果与期望值一致,满足设计要求。逆向分流法有效避免了全调节、不调节母线负载同时用电对S4R电路的竞争和干扰,提高了对发电的利用率。

图6 S4R供电阵分流信号与全调节母线关系

图7 S3R供电阵分流信号与蓄电池母线关系

5 试验验证

在单机测试过程中,对供电模式的可靠性、安全性进行了测试和验证,通过控制太阳电池阵功率的输出,模拟进出阴影区工况。在多种工作模式下,模拟太阳电池阵供电模式、蓄电池供电模式、联合供电模式3种运行工况,对其遥测波形与进出影动态波形进行分析,生成进出影动态波形图见图8～图9。从遥测曲线与动态波形可以看出,进出阴影区期间,母线电压稳定,蓄电池转内电和充放电功能正常,测试结果与设计状态一致。

图8 出阴影动态波形图

图9 入阴影动态波形图

6 结束语

本文设计的功率调节与配电单元采用多功能模块一体化方案,实现了对多母线融合控制、多功能模块集成化设计、多路放电均流技术等关键技术的突破。功率调节与配电单元在轨工作正常、安全可靠,有力的支持了我国深空探测任务圆满完成,功率调节与配电单元的拉杆式结构、汇流条和母板等多功能模块集成化设计方案和多母线融合控制等关键技术,可为我国深空探测及其它领域功率调节与配电装置一体化设计提供参考和借鉴。