（信号与信息处理专业论文）微小卫星供电系统的研究.pdf

1 月 匕 二 乙 习 k j 冤 理 协 不 班 气 七学 t 立 9 仑文 自月 卜摘要 双向d c / d c变换器 ( b i - d i r e c t i o n a l d c - d c c o n v e r t e r ,缩写为 b d c)是一种新型的能量变换技术，它可以实现能量的双向流动。 本文首先介绍了微小卫星供电系统中的 b d c设计方案，并通过仿真验证了该方案的可行性; 其次， 通过仿真验证了 用一套p i d补偿网 络参数实现b d c两端稳压的可行性， 确定了 补偿网络的 取值范围。 进行了b d c电 路元件参数的计算; 最后， 完成了 样机制作， 给出了 试验结果。 本文还介绍了专 用数字 化电 池组的软、 硬件设计， 将模糊控制应用在充电管 理中， 最大限 度地提高了蓄电池组的充、放电容量利用率，有效延长了电池组的寿命。通过试验证明系统设计合理，工作稳定、可靠，达到设计要求。关键词:太阳能一蓄电池供电系统，双向 d c / d c ,池组，模糊控制，智能控制，模糊推理， 软开关，专用数字化电模糊决策器，均衡控制1 百 北 工 习 匕 大 学 硕 士 学 位 1 仑文a b s t r a c tabs t ractb i - d i r e c t i o n a l d c - d c c o n v e rt e r i s a n e w m e t h o d o f e n e r g y c o n v e r t t e c h n i c a l . i n t h i s t h e s i s s f i s t p a r t , i t re c o m m e n d e d t h e w h o l e p o w e r s u p p ly s y s t e m o fm i c r o - s a t e l l i t e , a n d t h e n d e s i g n e d a b d c f o r l i - i o n b a tt e ry c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c . t h es i m u l a t i o n r e s u l t p ro v e d t h e f e a s i b i l i t y o f t h e d e s i g n . t h e p a r a m e t e r o f p i dc o m p e n s a t e n e t i s g i v e b y s i m u l a t i o n . t h e s i m u l a t i o n a l s o p r o v e d u s e s a m e p i dc o m p e n s a t e s n e t c a n m a k e b d c s y s t e m r e a s o n a b l y w o r k . t h e n c o m p l e t e t h e c i r c u i td e s i g n a n d t h e f u n c t i o n d e m o e q u i p m e n t , p re s e n t e d t h e t e s t r e s u l t . i n t h e l a s t o f t h i st h e s i s s , t h e h a r d w a r e a n d s o ft w a r e o f s p e c i a l d i g i t a l l i - i o n b a t t e ry p a c k a g e i sd e s i g n e d . t h r o u g h b a tt e ry b a l a n c e c o n c e p t b a s e d o n f u z z y c o n t r o l , w i t c h e ff i c i e n c ye x t e n d e d t h e b a t t e ry p a c k a g e s l i f e . t h e s y s t e m i s p ro v e d t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t s ,w h i c h i s d e s i g n e d r e a s o n a b l y , a n d c a n w o r k s t e a d i l y a n d r e l i a b l y .k e y w o r d : s o l a r - b a t t e ry p o w e r s u p p l y s y s t e m, b i - d i r e c t i o n a l d c - d c c o n v e rt e r , d i g i t a l b a t t e ry p a c k a g e s，i n t e l l i g e n t c o n t ro l , f u z z y c o n t r o l , f u z z y i n f e re n c e , f u z z y lo g i c p r o c e s s o r , b a la n c e c o n t r o l1 t a 匕 工 月 匕 j 鬼 李s区 创 匕 喇 脾 t 立 4 仑， 二第一 幸绪论 第一章 绪论 国际航天界一般将重量在1 0 0 公斤以下的卫星称为微小卫星。通常，微小卫星由姿态控制系统、有效载荷系统、星务管理系统、热控系统与供电系统构成。在这些系统中， 供电 系统是确保微小卫星正常工作的 基础。 供电系统通常由 太阳能电 池组、蓄电 池组、 d c / d c 变换器 和分流器等组成。在日 照区， 太阳能电池组不仅对负载供电， 还通过充电d c / d c 变换器对蓄电池充电。 在日影区， 蓄电池通过放电d c / d c 变换器对负载供电。 减小供电系统的体积、重量和成本， 对增加微小卫星有效载荷、提高可靠性，延长在轨时间，具有重要意义，是本文研究的重点。微小卫星近地轨道图1 - 1 微小卫星日 照区、日影区示愈图研制背景和课题来源 上世纪九十年代以来， 微小卫星的发展势头极为迅猛。 根据国外有关机构统计，截止到目前，除了己发射上天的 4 6颗小卫星外，计划在今后4 - 5年内发射的小卫星尚有 6 0多颗。国外微小卫星的整体设计水平，包括有效载荷、姿态控制、星务管理和本科题将要研究的供电系统，都处于领先水平。 目前，我国微小卫星的研制还处于起步阶段， 2 0 0 3 年， 清华大学与英国萨瑞大学 合作， 成 功研制了“ 清华一号 ” 微小卫 星， 其供电系统山 萨瑞大学设计。 2 0 0 4年，中科院成功发射 “ 创新 一 号”微小卫星，这是我国自主研制的第一颗微小卫星。但 是，其供电系统只是将大卫星供电系统小型化。 2 0 0 4 年，总装备部和航大科技集团空间技术研究院承担了 “ 7 0 7 - b ., 微小 卫星预研项k 1 o该项 日是国家 “t一 瓦”重点预研项 h肮天时代电子公司第 匕1 t a 匕 工 月 匕 j 鬼 李s区 创 匕 喇 脾 t 立 4 仑， 二第一 幸绪论 第一章 绪论 国际航天界一般将重量在1 0 0 公斤以下的卫星称为微小卫星。通常，微小卫星由姿态控制系统、有效载荷系统、星务管理系统、热控系统与供电系统构成。在这些系统中， 供电 系统是确保微小卫星正常工作的 基础。 供电系统通常由 太阳能电 池组、蓄电 池组、 d c / d c 变换器 和分流器等组成。在日 照区， 太阳能电池组不仅对负载供电， 还通过充电d c / d c 变换器对蓄电池充电。 在日影区， 蓄电池通过放电d c / d c 变换器对负载供电。 减小供电系统的体积、重量和成本， 对增加微小卫星有效载荷、提高可靠性，延长在轨时间，具有重要意义，是本文研究的重点。微小卫星近地轨道图1 - 1 微小卫星日 照区、日影区示愈图研制背景和课题来源 上世纪九十年代以来， 微小卫星的发展势头极为迅猛。 根据国外有关机构统计，截止到目前，除了己发射上天的 4 6颗小卫星外，计划在今后4 - 5年内发射的小卫星尚有 6 0多颗。国外微小卫星的整体设计水平，包括有效载荷、姿态控制、星务管理和本科题将要研究的供电系统，都处于领先水平。 目前，我国微小卫星的研制还处于起步阶段， 2 0 0 3 年， 清华大学与英国萨瑞大学 合作， 成 功研制了“ 清华一号 ” 微小卫 星， 其供电系统山 萨瑞大学设计。 2 0 0 4年，中科院成功发射 “ 创新 一 号”微小卫星，这是我国自主研制的第一颗微小卫星。但 是，其供电系统只是将大卫星供电系统小型化。 2 0 0 4 年，总装备部和航大科技集团空间技术研究院承担了 “ 7 0 7 - b ., 微小 卫星预研项k 1 o该项 日是国家 “t一 瓦”重点预研项 h肮天时代电子公司第 匕窗 北 口 二 业 大 学 不 反 士 学 位 论 文第 章绪论七一研究所承担了该项目 供电系统的研制任务， 针对目 前微小 卫星供电 系统存在问 题， 结 合当前 国内 技术水平， 设计符 合我国 未来5 年微小卫星要求的供电系统。i o o w双向 d c / d c 变换器和专用铿离子 数字化电池组的研制是该预研项目 的主 要内容，也是本课题的核心任务。2 供 电系统的研究现状 减轻重量、 减小体积和降低成本是供电系统的发展方向， 其解决途径通常有三种2 9 1 : ( u 提高太阳能电 池和蓄电 池性能: ( 2 ) 采用模块化设计; ( 3 ) 优化d c / d c变换器。 上世纪 8 0年代，国外微小卫星供电系统中开始使用双向 d c / d c变换器( b i - d i r e c t i o n a l d c - d c c o n v e r t e r , b d c ) 实现对蓄电池组的充、放电变换 ( 如图1 - 2 ( b )所示)， 将变换器的体积和重量减小了 约5 0 % x ,负载负载 ( a )传统充、放电变换器( b ) b d c充、放电变换器 图1 - 2太阳能电池一 蓄电池组合供电系统 双向 d c / d c 变换器是相对于传 统的 单向 d c / d c 变换器而言 的， 用一套变 换电路可 以实现能量的双向传递，完成两套独立的单向d c / d c 变换器刁 能实现的功能。b d c 输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流方向是可逆的。在图1 - 2( b )中， b d c 既可 对蓄电池组充电，也 可对蓄电池组放电 。相对于传统充、 放电变换方案 ( 图1 - 2 ( a )，可省去一套充电或放电d c / d c 变换器，有效减小了供电系统的体积、重量和成木。 关于此项技术，国内微小卫星供电系统中尚未开始深入研究。2 . 1 b d c 研究现状b d c 可以减小供电系统的体积和重量, 6外对b d c 的研究主要集， ， 在电路拓窗 北 口 二 业 大 学 不 反 士 学 位 论 文第 章绪论七一研究所承担了该项目 供电系统的研制任务， 针对目 前微小 卫星供电 系统存在问 题， 结 合当前 国内 技术水平， 设计符 合我国 未来5 年微小卫星要求的供电系统。i o o w双向 d c / d c 变换器和专用铿离子 数字化电池组的研制是该预研项目 的主 要内容，也是本课题的核心任务。2 供 电系统的研究现状 减轻重量、 减小体积和降低成本是供电系统的发展方向， 其解决途径通常有三种2 9 1 : ( u 提高太阳能电 池和蓄电 池性能: ( 2 ) 采用模块化设计; ( 3 ) 优化d c / d c变换器。 上世纪 8 0年代，国外微小卫星供电系统中开始使用双向 d c / d c变换器( b i - d i r e c t i o n a l d c - d c c o n v e r t e r , b d c ) 实现对蓄电池组的充、放电变换 ( 如图1 - 2 ( b )所示)， 将变换器的体积和重量减小了 约5 0 % x ,负载负载 ( a )传统充、放电变换器( b ) b d c充、放电变换器 图1 - 2太阳能电池一 蓄电池组合供电系统 双向 d c / d c 变换器是相对于传 统的 单向 d c / d c 变换器而言 的， 用一套变 换电路可 以实现能量的双向传递，完成两套独立的单向d c / d c 变换器刁 能实现的功能。b d c 输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流方向是可逆的。在图1 - 2( b )中， b d c 既可 对蓄电池组充电，也 可对蓄电池组放电 。相对于传统充、 放电变换方案 ( 图1 - 2 ( a )，可省去一套充电或放电d c / d c 变换器，有效减小了供电系统的体积、重量和成木。 关于此项技术，国内微小卫星供电系统中尚未开始深入研究。2 . 1 b d c 研究现状b d c 可以减小供电系统的体积和重量, 6外对b d c 的研究主要集， ， 在电路拓窗 北 口 二 业 大 学 不 反 士 学 位 论 文第 章绪论七一研究所承担了该项目 供电系统的研制任务， 针对目 前微小 卫星供电 系统存在问 题， 结 合当前 国内 技术水平， 设计符 合我国 未来5 年微小卫星要求的供电系统。i o o w双向 d c / d c 变换器和专用铿离子 数字化电池组的研制是该预研项目 的主 要内容，也是本课题的核心任务。2 供 电系统的研究现状 减轻重量、 减小体积和降低成本是供电系统的发展方向， 其解决途径通常有三种2 9 1 : ( u 提高太阳能电 池和蓄电 池性能: ( 2 ) 采用模块化设计; ( 3 ) 优化d c / d c变换器。 上世纪 8 0年代，国外微小卫星供电系统中开始使用双向 d c / d c变换器( b i - d i r e c t i o n a l d c - d c c o n v e r t e r , b d c ) 实现对蓄电池组的充、放电变换 ( 如图1 - 2 ( b )所示)， 将变换器的体积和重量减小了 约5 0 % x ,负载负载 ( a )传统充、放电变换器( b ) b d c充、放电变换器 图1 - 2太阳能电池一 蓄电池组合供电系统 双向 d c / d c 变换器是相对于传 统的 单向 d c / d c 变换器而言 的， 用一套变 换电路可 以实现能量的双向传递，完成两套独立的单向d c / d c 变换器刁 能实现的功能。b d c 输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流方向是可逆的。在图1 - 2( b )中， b d c 既可 对蓄电池组充电，也 可对蓄电池组放电 。相对于传统充、 放电变换方案 ( 图1 - 2 ( a )，可省去一套充电或放电d c / d c 变换器，有效减小了供电系统的体积、重量和成木。 关于此项技术，国内微小卫星供电系统中尚未开始深入研究。2 . 1 b d c 研究现状b d c 可以减小供电系统的体积和重量, 6外对b d c 的研究主要集， ， 在电路拓百北二 c 业 大学za士学位论文第 一章绪论扑和控制两个方面。 依据电路拓扑， 可将b d c 分为隔离型和非隔离型两大类。 其中，隔 离型b d c 主 要包括b u c k / b o o s t , b u c k - b o o s t ( 反激式) 、 b u c k / b u c k( 移相式) 等 3 种形 式; 非 隔 离型 b d c 包 括 b u c k / b o o s t , b u c k - b o o s t , c u k , s e p i c / z e ta等4 种形式 4 1 1 9 8 2 年，由h i r o f u t n i m a t s u o 和f u j i o k u r o k a w a 设计出了第一台非隔离b u c k / b o o s t 型b d c 样机。此后，新的b d c 拓扑不断出现。1 9 8 6 年，山韦伯州立大学和犹他州立 大学联合研制的“ n u s a t 1 微小卫星供电 系统中， 首次使用非隔离b u c k / b o o s t 型 b d c ，对蓄电 池进行充、放电变换( 3 1 随着b d c 研究的 不断 深入， 反 激式b d c 和隔离式b u c k / b o o s t 型b d c 在各种需要能量双向流动的场合开始应用。 1 9 9 0 年提出的 移相式 b d c ， 具有易于实现z v s开关、响应速度快等优点，成为研究热点。1 9 9 2 年，美国航空航天局 ( n a s a)的某地球观测卫星 ( e a rt h o b s e rv a t i o n s a t e l l i t e , e o s )，用移相式b d c ，对燃料电 池组进行充、 放电 管理 3 1 0 2 0 0 2 年， 美国t e n n e s s e e 大学研究出的推挽正激移相式b d c ,属于隔离型b d c ，是b d c 拓扑最新研究成果。 隔离型b d c电路适用于中、大功率应用场合，通常其电路拓扑t 匕 非隔离型b d c 复杂。 非隔离型b d c 适用于不需要电 气隔离的小功率应用场合。 其有成本低、效率高、 易实 现软开关等优势。 其中， c u k ij b d c 和s e p i c / z e t a ff b d c 电 路拓扑比较复杂，且能量传输环节较多，实际工程应用较少。而非隔离b u c k / b o o s t 型b d c具有体积小、 重量轻的优点， 在不需要电气隔离的太阳能电池供电系统、电机驱动系 统等场合得到应用 1 - 4 1 我国的 b d c 研究刚刚起步， 日前仅有南京航空航天大学、 浙江大学、 山 东大学等少数几家高等院校和科研院所进行这方面的研究。 由于b d c 在直流电机驱动系统、 不间断供电系 统、 太阳能 ( 风能) 发电系 统、 电动汽车等系统中有广泛的应用前景，因而引起了越来越多的注意。2 . 2 蓄电池组发展状况 在微小卫星供电系统中，采川高性能蓄电池组， 同样是减小l 1. 体积和丑髦的重要途径。 随着利 一 学技术的不断发展， 镍镐蓄电池组逐渐被没有记 忆效应的镍氢百北二 c 业 大学za士学位论文第 一章绪论扑和控制两个方面。 依据电路拓扑， 可将b d c 分为隔离型和非隔离型两大类。 其中，隔 离型b d c 主 要包括b u c k / b o o s t , b u c k - b o o s t ( 反激式) 、 b u c k / b u c k( 移相式) 等 3 种形 式; 非 隔 离型 b d c 包 括 b u c k / b o o s t , b u c k - b o o s t , c u k , s e p i c / z e ta等4 种形式 4 1 1 9 8 2 年，由h i r o f u t n i m a t s u o 和f u j i o k u r o k a w a 设计出了第一台非隔离b u c k / b o o s t 型b d c 样机。此后，新的b d c 拓扑不断出现。1 9 8 6 年，山韦伯州立大学和犹他州立 大学联合研制的“ n u s a t 1 微小卫星供电 系统中， 首次使用非隔离b u c k / b o o s t 型 b d c ，对蓄电 池进行充、放电变换( 3 1 随着b d c 研究的 不断 深入， 反 激式b d c 和隔离式b u c k / b o o s t 型b d c 在各种需要能量双向流动的场合开始应用。 1 9 9 0 年提出的 移相式 b d c ， 具有易于实现z v s开关、响应速度快等优点，成为研究热点。1 9 9 2 年，美国航空航天局 ( n a s a)的某地球观测卫星 ( e a rt h o b s e rv a t i o n s a t e l l i t e , e o s )，用移相式b d c ，对燃料电 池组进行充、 放电 管理 3 1 0 2 0 0 2 年， 美国t e n n e s s e e 大学研究出的推挽正激移相式b d c ,属于隔离型b d c ，是b d c 拓扑最新研究成果。 隔离型b d c电路适用于中、大功率应用场合，通常其电路拓扑t 匕 非隔离型b d c 复杂。 非隔离型b d c 适用于不需要电 气隔离的小功率应用场合。 其有成本低、效率高、 易实 现软开关等优势。 其中， c u k ij b d c 和s e p i c / z e t a ff b d c 电 路拓扑比较复杂，且能量传输环节较多，实际工程应用较少。而非隔离b u c k / b o o s t 型b d c具有体积小、 重量轻的优点， 在不需要电气隔离的太阳能电池供电系统、电机驱动系 统等场合得到应用 1 - 4 1 我国的 b d c 研究刚刚起步， 日前仅有南京航空航天大学、 浙江大学、 山 东大学等少数几家高等院校和科研院所进行这方面的研究。 由于b d c 在直流电机驱动系统、 不间断供电系 统、 太阳能 ( 风能) 发电系 统、 电动汽车等系统中有广泛的应用前景，因而引起了越来越多的注意。2 . 2 蓄电池组发展状况 在微小卫星供电系统中，采川高性能蓄电池组， 同样是减小l 1. 体积和丑髦的重要途径。 随着利 一 学技术的不断发展， 镍镐蓄电池组逐渐被没有记 忆效应的镍氢1 北 二 业 大 学 硕 d 匕 学 位 i 仑文第 一 分绪论蓄电池组代替。1 9 9 5 年，美国海洋科学部 ( o s c )的微小卫星 o x p - 1 ”的供电系统中，首次使用了镍氢蓄电池组。和镍福蓄电池组相比，减少了5 0 %的安装支架、 3 0 %的 体积和1 0 % 的 重量2 9 1 上实际9 0 年代中期， 铿离 子电池问世。 它具有工作电 压高、体积小、 重量轻、 能量质量比高、 寿命长、 工作 温度范围宽等突出优点，同时又克服了以 金属铿为负极的金属铿蓄电 池存在的安全性差和循环寿命短等问 题， 成为目 前各国 研究开发的热点。 2 0 0 4年 1 1 月，英国国防评估与研究局 ( d e r a)发射了两颗重量为 1 0 0公斤的微小卫星:s t r v 1 c和 s t r v - 1 d ，这两颗微小卫星进行了铿离子电池应用试验。这是铿离子蓄电池组作为主蓄电池组在国际航天器中的首次应用。1 . 3 本文主要研究内容与本人所做的工作 针对微小卫星供电的设汗要求， b d c 和专用数字化电池组设计， 是本文研究的重点。其中，主要包括以下几个关键技术。 1 )在b d c 的设计中，使用软开关技术，提高b d c 效率。 2 )优化b d c : 补偿网 络参数，提高系统的 响应速度、可 靠性和稳定性。 3 ) 采用容量均衡控制， 最大限 度地 提高电池组的充、 放电容量利用率。 4 )设计完善的保护功能，提高专用数字化电池组使用安全性。 软开关双向d c / d c变换器的研制和铿离子蓄电池组的应用，是在我国航天器中的首次应用研究，本人在该项日的研制中做了大量的工作。 在供电系统的设计中， 做了充分的调研， 最终确定了 适合本课题要求的b d c拓扑和软开关方案。 通过仿真确定了b d c的补偿网络参数， 验证了b d c原理图设 计的正 确性，并依据仿真结果进行了 样机设计和调试工作。 在专用数字化电池组的设 计中， 依据铿离子电池的特性和供电系统的要求，设计了专 用数字 化电池组的软、 硬件电路。 对电 池组产生容 量不 均衡的原因 进行了仔细的分析，并有针对性的采取了容量均衡控制措施采用模糊控制理沦， 进行了过充电保护设计。1 北 二 业 大 学 硕 d 匕 学 位 i 仑文第 一 分绪论蓄电池组代替。1 9 9 5 年，美国海洋科学部 ( o s c )的微小卫星 o x p - 1 ”的供电系统中，首次使用了镍氢蓄电池组。和镍福蓄电池组相比，减少了5 0 %的安装支架、 3 0 %的 体积和1 0 % 的 重量2 9 1 上实际9 0 年代中期， 铿离 子电池问世。 它具有工作电 压高、体积小、 重量轻、 能量质量比高、 寿命长、 工作 温度范围宽等突出优点，同时又克服了以 金属铿为负极的金属铿蓄电 池存在的安全性差和循环寿命短等问 题， 成为目 前各国 研究开发的热点。 2 0 0 4年 1 1 月，英国国防评估与研究局 ( d e r a)发射了两颗重量为 1 0 0公斤的微小卫星:s t r v 1 c和 s t r v - 1 d ，这两颗微小卫星进行了铿离子电池应用试验。这是铿离子蓄电池组作为主蓄电池组在国际航天器中的首次应用。1 . 3 本文主要研究内容与本人所做的工作 针对微小卫星供电的设汗要求， b d c 和专用数字化电池组设计， 是本文研究的重点。其中，主要包括以下几个关键技术。 1 )在b d c 的设计中，使用软开关技术，提高b d c 效率。 2 )优化b d c : 补偿网 络参数，提高系统的 响应速度、可 靠性和稳定性。 3 ) 采用容量均衡控制， 最大限 度地 提高电池组的充、 放电容量利用率。 4 )设计完善的保护功能，提高专用数字化电池组使用安全性。 软开关双向d c / d c变换器的研制和铿离子蓄电池组的应用，是在我国航天器中的首次应用研究，本人在该项日的研制中做了大量的工作。 在供电系统的设计中， 做了充分的调研， 最终确定了 适合本课题要求的b d c拓扑和软开关方案。 通过仿真确定了b d c的补偿网络参数， 验证了b d c原理图设 计的正 确性，并依据仿真结果进行了 样机设计和调试工作。 在专用数字化电池组的设 计中， 依据铿离子电池的特性和供电系统的要求，设计了专 用数字 化电池组的软、 硬件电路。 对电 池组产生容 量不 均衡的原因 进行了仔细的分析，并有针对性的采取了容量均衡控制措施采用模糊控制理沦， 进行了过充电保护设计。1 月 匕 口 匕 七 ， 屯 坦 = _ 口 ， 七习: t 立 于 仑二 大第 一 章目 合论4 论文安排 本文内容安排如下: 第一章介绍了 微小卫 星供电系统的构成、 发展概况， 及课题来源和研制背景。 第二章为微小卫星供电系统总体方案设计。进行了 b d c和专用数字化电池组方案选择。计算了 所需 蓄电池组容量。 第三章为b d c设计。通过仿真，证明 用一 套单电压闭 环 p i d补 偿网络实 现b d c两端稳压闭坏稳定的可行性， 确定了补偿网络的取值范围。 对 b d c电路主要元器件参数进行了选择与计算。 第四章为专用数字化电池组设计。 主要内容为容量均衡控制设计和过充电保护设计。 第五章为试验与分析。 通过对样机的测试结果分析， 验证了本设计方案的可行性。1 9 北 r 3 1叱 大 学 祠 困 士 学 位 论 文萦 二 二 章供 电 系 统 方 案 布 女 计第二章 供电系统方案设计 针对目 前微小卫 星供电 系统存在的 变换器功率密 度低、 蓄电 池组缺乏智能 化管理等问题， 结合当前国内 技术水平，设计符合我国未来5 年微小卫星要求的 供电系统， 实现智能化、 高性能、 轻重量、 小 体积 和低成本的设计目 标， 是该项目的总体要求。2 . 1 供电系 统设计要求 7 0 7 - b 微小卫星重量约5 0 公 斤， 轨道半 径为 5 0 0 公里。 围绕地球飞行一周所需时间约1 0 0 分钟。其中，处于日照区的最短时间约6 0 分钟，处于日影区的最长时p i 约4 0 分钟。预计最短在轨时间为6 个月。供电系统是保证卫星可靠工作和有效在轨时间的基础。 7 0 7 - b”系统总功率为l o o w，对供电系统的设计要求如下: ( t )体积和重量。要求供电系统中蓄电池组和充、放电d c / d c 变换器重量之和不大于9 公斤。在此基础上尽量减小体积; ( 2 ) d c / d c 变换器可靠性。 充、 放电 变换器 应保证在负 载突 变等工作 环境下可靠工作。 其中， 充、放电变换效率要求均) 9 0 % ; ( 3 ) d c / d c 变换器功率。d c / d c 变换器在放电时，为系统提供1 0 0 w输出功率;在充电时， 其输出功率要保证卫星在6 0 分钟的日照区内， 将蓄电池组充足电。 ( 4 ) 蓄电池组容量。 蓄电池组容量要保证在4 0 分钟内，持续提供1 0 0 w放电能量; ( 5 )蓄电池管理。蓄电池组应具有完善的保护功能，并可通过星务管理系统对蓄电池组进行智能化管理。 ( 6 ) 冗余设计。 要求供电系 统采用1 斗 3 冗余 方案， 一套 作， 3 套备 份。 保il f 微小卫星6 个月在轨时间内可靠工作。.西 北 s 月 七 习 悦学 共 反 创 匕 学 位 论 文常 二 二章供 电 系 统 方 案 1 交 计2 . 2 供电系统总体方案依据供电系统设计要求，本方案设计供电系统如图 2 - 1 所示。太阳能电池组 系统母线双向供电单元1数字化电池组关断电路 图2 - 1微小卫星供电系统框图 图2 - 1 中，供电系统由太阳能电池组和4 套完全相同的双向供电单7 g 并联构成，由星务管理系统进行管理。双向供电单元内部山阻塞三极管、关断电路、 双向 d c / d c 变换器和专用数字化电池组构成。 4 套相同的双向供电单元中，星务管理系统设定其中一套为主供电单元，其余为备用单元。当卫星处于日照区时，由太阳能电池组对系统供电， 同时还经主供电单元内部的双向d c / d c 变换器对专用数字化电池组充电。在f l 影区，由主供电单元内的专用数字化电池组通过双向d c / d c 变换器对系统供电，维持系统母线电压稳定。 当主供电 单元损坏或不能提供 足够放电 容量时， 星务管 理系 统将其关断， 并指定其中一套备用单元放电，维持系统母线电) i;. 稳定。百 北 .工 业 大 学 石 班 t 学 位 论 文第 二 二章供 电 系 域 充方 案 i 免 计2 . 3 供电系统方案论证 依据供电系统中设计要求， 本章本别对双向 d c / d c变换器和专用数字化电池组进行方案论证，并进行蓄电池组容量设计。2 . 3 . t b d c 方案选择 双向d c / d c 变换器用一套变换 电路实现能量的双向传递，可省去一套充电或放电d c / d c 变换器。具体到实际电路设计中，所需功率器件和电感数量减半，控制电 路由 两套减为一套， p c b 面积相 应减小， 最终可将变换 器的体积和重量减小约4 5 。在微小卫星供电系统中，双向 d c / d c 变换器方案的选择至关重要。 首先， 确定主电路拓扑。供电 系统额定功率为1 0 0 w，直 流母 线和蓄电池组之间不要求电气隔离， 适合使用非隔离型b d c 。 在非隔离型 b d c 中， b u c k - b o o s t型拓扑不适合在本方案中应用。 b u c k / b o o s t 型b d c 具有功率密度高、适用大变比变换和易于实现软开关的优点，选为本方案的主电路拓扑 ( 如图2 - 2 所示)。巴必匹逐沈逐室盘密爆彝，s 2一l-了-c 2 土v b1ee、v o i se cl c弓二二二一 图 2 - 2 b u c k / b o o s t 型b d c 主电 路拓扑 当b d c 对蓄电池组充电时，工作在b u c k 模式。s 2 为p wm开关管，s i 为续流管， v o 为 输入 端， v b 为输出 端。 能量流入 蓄电池组。 当 b d c 对蓄电 池组放电 时，工作在b o o s t 模式。s i 为 p wm 开关管，s 2 为 续流管， v b 为输入 端， v o 为输出 端。能量流出蓄电池组。 其 次， 进行 软开关设计，以满足供电系统效率要求。文 献卜 7 !把准谐振技术运用到b d c 中实现了软开关，但它和单向的准m e 振变换器 一 样，增大了开关管的电压电 流应力。文献 i l - z . a 1 r 两个功率传 输方向上分别增加一套 z v t 实 现的辅 助网络，实现 了主坪 关管的零电压i i - 关，f e a 该方案增加了电路的熨杂程度 、 本丈设i f百 北 .工 业 大 学 石 班 t 学 位 论 文第 二 二章供 电 系 域 充方 案 i 免 计2 . 3 供电系统方案论证 依据供电系统中设计要求， 本章本别对双向 d c / d c变换器和专用数字化电池组进行方案论证，并进行蓄电池组容量设计。2 . 3 . t b d c 方案选择 双向d c / d c 变换器用一套变换 电路实现能量的双向传递，可省去一套充电或放电d c / d c 变换器。具体到实际电路设计中，所需功率器件和电感数量减半，控制电 路由 两套减为一套， p c b 面积相 应减小， 最终可将变换 器的体积和重量减小约4 5 。在微小卫星供电系统中，双向 d c / d c 变换器方案的选择至关重要。 首先， 确定主电路拓扑。供电 系统额定功率为1 0 0 w，直 流母 线和蓄电池组之间不要求电气隔离， 适合使用非隔离型b d c 。 在非隔离型 b d c 中， b u c k - b o o s t型拓扑不适合在本方案中应用。 b u c k / b o o s t 型b d c 具有功率密度高、适用大变比变换和易于实现软开关的优点，选为本方案的主电路拓扑 ( 如图2 - 2 所示)。巴必匹逐沈逐室盘密爆彝，s 2一l-了-c 2 土v b1ee、v o i se cl c弓二二二一 图 2 - 2 b u c k / b o o s t 型b d c 主电 路拓扑 当b d c 对蓄电池组充电时，工作在b u c k 模式。s 2 为p wm开关管，s i 为续流管， v o 为 输入 端， v b 为输出 端。 能量流入 蓄电池组。 当 b d c 对蓄电 池组放电 时，工作在b o o s t 模式。s i 为 p wm 开关管，s 2 为 续流管， v b 为输入 端， v o 为输出 端。能量流出蓄电池组。 其 次， 进行 软开关设计，以满足供电系统效率要求。文 献卜 7 !把准谐振技术运用到b d c 中实现了软开关，但它和单向的准m e 振变换器 一 样，增大了开关管的电压电 流应力。文献 i l - z . a 1 r 两个功率传 输方向上分别增加一套 z v t 实 现的辅 助网络，实现 了主坪 关管的零电压i i - 关，f e a 该方案增加了电路的熨杂程度 、 本丈设i f1 叮 北 r 3 k大 学 硕 士 *tai仑文第 二 ; 分供 电 系 统 方 案 主 免计的b d c ， 依据文献 3 ,9 提出的电 感过零的方案，实 现了 开关管的 z v $ 导 通，其体二极管也是自 然通断的，无反向 恢复问 题，获得了 较高的变换效 率。 第三，优化补偿网络设计，提高系统可靠性。单向d c / d c 变换器有成熟的控制技术。但在b d c 中，存在功率 流向 不同， 控制模型不同的问 题，其补偿网络需要考虑两个能量流动方向的因 素。 采用两套独立的 补偿网 络、 双闭环稳压调节和单闭 环p i d 调节均可实现b d c 两端稳压。 文 献3 . 1 5 ! 采用两套 独立的补偿网络，达到电压调节目的，但需要在b d c 工作模式切换时，切换补偿网络，增加了电路复杂程度。 文献 8 i 用双闭 环调 节器实现b d c 系统的稳定工作。 但是， b d c 在两种工作模式下电流采样点不同， 在增加电流采样电路的基础上， 还要对电流采样信号进行切换， 电路更加复杂。 因此， 本方案选择了单闭环 p i d 调节器 ( 如图 2 - 3所示 )。 图2 - 3单闭环p i d 调节器 为了简化p i d 补偿网络的设计步骤，避免在样机调试时，对补偿网络参数进行反复试验， 然后刁 能 确定的 繁琐过程。 因此， 采用仿真软 件确定 补偿网 络参数取值范围，指导样机调试。因为ma t l a b 具有可以分析系统幅频一 相频特性的功能，所以，本课题采用ma t l a b 对p i d补偿网络进行了优化设计，确定了补偿网络取值范围，用一套补偿网络参数实现了b d c 的两端稳压，在保证可靠性的前提 下 ，简化了控制电路。2 . 3 . 2 专用数字化电池组方案选择 微小卫星供电系统中， 由专用数字化电池组完成能量的存储与释放。 专用数字化电池组的设计，应满足重量和体积的要求，在此基础 上，设计完善的保护功能、容量均衡控制功能和通信通能，实现智能化管理。 首先，选择蓄电池类创供电系统要求蓄电池组和变换器的中之和小 j 几 9 公斤。本方案选择矩形1 2 a h( 详见2 . 2 . 3 )锉离 户 电池构成 专 用数字化电池组 ( 如1 叮 北 r 3 k大 学 硕 士 *tai仑文第 二 ; 分供 电 系 统 方 案 主 免计的b d c ， 依据文献 3 ,9 提出的电 感过零的方案，实 现了 开关管的 z v $ 导 通，其体二极管也是自 然通断的，无反向 恢复问 题，获得了 较高的变换效 率。 第三，优化补偿网络设计，提高系统可靠性。单向d c / d c 变换器有成熟的控制技术。但在b d c 中，存在功率 流向 不同， 控制模型不同的问 题，其补偿网络需要考虑两个能量流动方向的因 素。 采用两套独立的 补偿网 络、 双闭环稳压调节和单闭 环p i d 调节均可实现b d c 两端稳压。 文 献3 . 1 5 ! 采用两套 独立的补偿网络，达到电压调节目的，但需要在b d c 工作模式切换时，切换补偿网络，增加了电路复杂程度。 文献 8 i 用双闭 环调 节器实现b d c 系统的稳定工作。 但是， b d c 在两种工作模式下电流采样点不同， 在增加电流采样电路的基础上， 还要对电流采样信号进行切换， 电路更加复杂。 因此， 本方案选择了单闭环 p i d 调节器 ( 如图 2 - 3所示 )。 图2 - 3单闭环p i d 调节器 为了简化p i d 补偿网络的设计步骤，避免在样机调试时，对补偿网络参数进行反复试验， 然后刁 能 确定的 繁琐过程。 因此， 采用仿真软 件确定 补偿网 络参数取值范围，指导样机调试。因为ma t l a b 具有可以分析系统幅频一 相频特性的功能，所以，本课题采用ma t l a b 对p i d补偿网络进行了优化设计，确定了补偿网络取值范围，用一套补偿网络参数实现了b d c 的两端稳压，在保证可靠性的前提 下 ，简化了控制电路。2 . 3 . 2 专用数字化电池组方案选择 微小卫星供电系统中， 由专用数字化电池组完成能量的存储与释放。 专用数字化电池组的设计，应满足重量和体积的要求，在此基础 上，设计完善的保护功能、容量均衡控制功能和通信通能，实现智能化管理。 首先，选择蓄电池类创供电系统要求蓄电池组和变换器的中之和小 j 几 9 公斤。本方案选择矩形1 2 a h( 详见2 . 2 . 3 )锉离 户 电池构成 专 用数字化电池组 ( 如百 北 二 cj 七大 学 司 w t 学 位 士 仑 文第 二 二 幸供 电 系 统 方 案 设 计图 2 - 4 所示) 。其单体电池 ( 标称电压 3 . 6 v )的尺寸为8 0 x 3 0 x1 1 0 ( m m) , 重量为 3 5 0 g 。 而 传 统 微小 卫 星 中 使 用的 9 a h 镍 氢电 池 组重量 为 7 5 0 g ， 体 积为 1 3 0 x 1 0 0x8 0 ( mm) ,铿离子电池组在重量和体积方面有明显的优势。 下极安全 出气 孔负极 外 壳 p tc 垫片正极板 隔板电解液负极板 图2 - 4矩形铿离子电池结构示意图 其次，设计保护功能。铿离子电池具有体积小、重量轻、比能高、无污染、自 放电率低等突出 优点， 但同 时存在如下缺点: ( 1 ) 无法急速充电; ( 2 ) 内部阻抗高; ( 3 ) 工作电 压变化较大;( 4 ) 放电速率较大时， 容量下降 较大。 因此， 在专用数字化电池设计中，必须进1 1 : 过充电、过放电、过电流、过热等保护设计，以提高电池组的使用安全性。 在电池组过充电保护功能中， 如果仅以电池组端电压或电流作为过充电保护判决依 据， 会出现充电 不足或充电 过度的 情况。 充电 不足将不能提供供电系统要求的放电时间， 充电过度将使电池产生不可修复损坏。 国外目前多采用综合电池电 压、 电 池温度、 充电时间、 充电电 流和电 池温度等变量的综合控制法进行过充电保护。 由于综合控制法中涉及到时间、电压、电流、温度等多个变量， 无法建立精确的数学模型。如果采用传统控制理论. 会带来软件设计繁琐等问题。因此，在专用数字化电池组过充电保护中，采用模糊控制理论提高过充电保护系统鲁棒性，使电池组安全可靠地充足电。 第三， 容 量均衡设计。 针对铿离子电 池组产生容量不均衡的原因， 在专用数字化电池组的设计中，采取了相应的容量管理策略。 通过容量均衡控制功能，有效提高蓄电池组的充、放电容量利用率， 增加 了蓄电池寿命。 对于延长微小卫星在轨时i fil ,具有非常重要的意 义 最后， 通信功能。除了具备完善的保护功能和容员均衡控制功能外，专用数1 叮 北 口 二 业 大 学 硕 士 学 位 论 文第 二 二幸供 电 系 统 方 案 设 计字化电池组通过系统管理总线 ( s mb u s ) 和星务管理系统进行通信，实现智能化管理。 本章对b d c 和专用数字化电池组做了初步的方案论证，具体设计将在第三章和第四 章展开。 接下来， 进行双向 供电单 元中另一个组成部分 关断电路的设计和专用数字化电池组所需容量计算。2 . 3 . 3 关断电路设计 在供电系统中， 关断电路的功能是:一方面，当星务管理系统检测到双向供电单元 内部产生故障时，将该双向供电单元关断，退出供电系统;另一方面，当该双向供电单元处于备用状态时，星务管理系统检测专用数字化电池组的容量，判断是否需要维护充电。 如果需要，开通双向供电单元， 对专用数字化电池组进行维护充电; 如果不需要， 将该双向供电单元关断， 减小双向供电单元静态损耗。 关断电路如图2 - 5 所示: d 1v in r 一 -一 今s d i 里 d l 习c n d -一 r f, 权 zq2叫 c 3 c 5 c 6 c 4 图2 - 5关断电路 图2 - 5 中，d 1 为阻塞二极管，也称防反充或隔离二极管。其作用是防止微小卫星处于日影区时，专用数字化电池组通过太阳能电池组放电。 v 4 为关断控制m