混合式MPPT星载电源系统拓扑设计与仿真分析

为适应低轨道卫星、深空探测器等航天器的应用需求,本文提出采用一种新型串并联混合式峰值功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)电路拓扑结构,控制算法采用增量电导法,以保证太阳电池阵工作在峰值功率点附近,充分利用太阳电池阵输出功率。文章重点介绍了新型串并联混合式MPPT电路拓扑的四种工作模式、两域控制方法和增量电导法的MPPT控制策略的实现,并搭建MPPT系统仿真平台,仿真验证结果表明,串并联MPPT拓扑结构能够快速、无扰动实现太阳电池阵峰值功率点跟踪。     

空间电源功率调节技术综述

介绍了空间电源功率调节装置(PCU)的分流调节器(SR),蓄电池的充电控制器(BCR)、放电控制器(BDR)和主误差放大器(MEA)的原理和技术现状。阐述了顺序开关分流调节(S3R)、混合型调节和顺序开关分流串联调节(S4R)三种基本拓扑的工作原理,并对三者进行了性能比较,认为S4R是目前最先进的调节技术。讨论了功率调节装置模块化、智能化和小型化的发展趋势并分析了大功率的功率调节装置研制难点。     

高压大功率S3MPR电源控制器设计与验证

针对航天器平台一级能源变换高压大功率的应用需求,采用并联式DC/DC变换器的最大功率点跟踪(MPPT)拓扑结构,设计一种顺序开关分流最大功率调节(S~3MPR)电源控制器。为了解决传统S~3MPR技术的算法电路复杂、跟踪精度低等问题,兼顾航天器应用环境的特殊性,通过采用模拟电路实现的方式设计出一种基于交错扰动方法的MPPT控制算法电路。该算法可以实现太阳电池阵电压电流输出较大范围内精确跟踪其最大功率输出。研制了5 kW功率(10路太阳电池阵)的原理样机对设计进行试验验证,结果表明:电源控制器性能良好,满足高压大功率航天器平台的应用需求。     

基于S3MPR拓扑和电导增量法的空间电源系统研究

为满足高分辨率光学和雷达遥感卫星、深空探测器等航天器日益增长的电能需求,文章提出了一种基于顺序开关分流最大功率调节器(S3MPR)拓扑电路的电导增量峰值功率跟踪方法,克服了传统最大功率点跟踪(MPPT)变换器拓扑质量比功率低、效率不高的缺点,可减少最大功率点附近的振荡现象。搭建了Matlab-Saber的联合仿真平台和半物理试验平台,对所提出的电路和跟踪方法进行了验证。结果表明:基于S3MPR电路的电导增量峰值功率跟踪方法,可以实现对太阳电池阵最大功率点的有效跟踪,并具有较好的跟踪效率,证明仿真和试验平台合理有效。     

空间太阳能电站统一调度设计及电能管理分析

针对多旋转关节空间太阳能电站(Space Solar Power Station, SSPS),提出一种环形拓扑的电力系统架构。基于功率分层准则对SSPS电力拓扑架构进行设计,提出U1~U7共7个层级、母线电压5000V、功率等级为MW的太阳能电站电力系统。针对分层架构中多太阳电池阵子阵并联(U6层),提出分层功率平衡统一控制策略,对MPPT控制、MPPT控制+稳定直流母线电压混合控制、MPPT算法+下垂稳定直流母线电压混合控制三种控制方法开展仿真分析。结果表明,提出的基于虚拟阻抗的下垂控制策略可以有效调节、分配功率,解决了空间发电站母线电压无法稳定的问题。     

S4R功率调节技术在航天器上的仿真研究与实现

对于大功率母线的航天器,传统的母线功率调节技术因为诸多缺点已经不能适应母线功率不断增大的要求。S4R作为一种新型的卫星母线调节技术能够很好的控制母线电压,同时具有优良的电池充、放电特性和很高的效率。在对国、内外S4R技术研究的基础上,从S4R的工作原理出发,给出了S4R功率调节技术的实现策略。在此基础上进行了实际电路的仿真分析,最后给出了部分实际的工作波形.并展望了其应用前景。     

航天器锂离子蓄电池组均衡电路研究

锂离子电池在长期充放电过程中,蓄电池组内各单体电压的离散性会逐渐变大,致使整组电池寿命下降甚至失效,为此航天应用长寿命锂离子电池组必须采用均衡电路。文章对几种常用的锂离子蓄电池组均衡电路作了分析与比较,包括能量耗散型均衡电路和能量非耗散型均衡电路,介绍了其均衡工作原理;从轨道特性的角度总结了航天器电源系统对均衡电路的需求特点,据此分析了恒定分流电阻均衡电路、开关控制分流电阻均衡电路、平均电池电压均衡电路、开关电容均衡电路、DC-DC变换器均衡电路等应用于航天器电源系统的适用性,并给出了各均衡电路的应用分析结论。     

抽头电感滤波器辅助PWM DC-DC功率变换器实现软开关功能

推荐了一种使用新型高频变压器连接的全桥软开关移相脉宽调制（PWM）控制的DC-DC功率变换器。可以把此种功率变换器用作小型光伏电池与燃料电池发电系统的功率调节器以及汽车交流电源的隔离式升压DC-DC功率变换器。在低压大电流电源中，全桥电路是最具吸引力的拓扑，因为可以使用低压高性能金属氧化半导体场效应晶体管（MOSFET），并且能实现DC-DC功率变换器的高效率。为了能在大负载波动范围内实现软开关运行，新近在全桥移相PWMdc-dc变换器的输出级采用了包含续流二极管的抽头电感滤波器。在本文推荐的电路中，无需使用附加谐振电路和辅助功率变换器件就能有效降低循环电流。采用设置为1kW 100kHz的实验模板（使用功率MOSFET）对本文推荐的软开关dc-dc功率变换器的实际效率进行了实验室级别的试验。大工作比和负载变化范围内得到的实际效率为94～97％。     

一种新的航天器电源系统拓扑

介绍了一种新的航天器电源系统拓扑结构,通过采用最大功率跟踪控制器控制顺序开关系统调节（S3R）分流调节器,并使用升压变换器获得稳定的100V一次输出母线,使得太阳电池阵功率被充分使用。这种拓扑结构已被用于欧洲贝皮·哥伦布水星探测器,并可为我国航天器电源技术发展提供借鉴。     

胶体推进器PPU高压可调束流电源技术概述

针对胶体推进器(Colloid Thruster,CT)电源处理单元(Power Processing Unit,PPU)的小功率(10W)高压(10kV)束流电源展开分析,从胶体推进器发展现状、趋势及其PPU需求出发,调查应用于胶体推进器PPU上的小功率高压电源拓扑的发展现状,总结了胶体推进器PPU束流电源的技术特点,并对目前高压电源所用到的几种基本电路拓扑组合的前级电路,以及倍压整流电路拓扑结构进行分析,为胶体推进器PPU高压束流电源的研制提供研究方向与技术参考。     

MPPT不调节母线电源系统稳定性分析

提出了一种MPPT不调节母线电源系统拓扑结构,介绍了其控制策略。分别建立了两域控制模式下太阳电池阵源端与负载端稳态分析的等效电路模型,基于小信号等效分析及状态空间方程特征根求解方法,对系统稳定性进行分析,归纳了提高此类电源系统稳定性设计的方法,此研究结果可为MPPT控制技术在未来空间电源系统中应用提供设计参考。     

临近空间飞艇电源系统新型拓扑结构研究

针对临近空间飞艇高压载荷的需求,文章研究了飞艇高压动力母线控制电路的拓扑结构,提出更高效、更实用的高压拓扑控制电路,设计了三电平电压变换拓扑结构,可有效减小元器件电压应力,解决高压动力母线带来的问题,提高系统的效率和可靠性。实验表明,三电平电压变换拓扑结构适用于高输入和高输出电压中大功率的应用场合,能够满足临近空间飞艇电源系统的需求。     

用于商业航天中的无源被动式电池管理电路（英文）

Recently for lithium-ion batteries in satellites and spaceships, the Battery Management System(BMS) has become essential to enhance life and guarantee safety. However, most of the balance management circuits need complicated cell sensing and duty control modules. Such circuits are too costly to commercialize. In order to reduce the cost, weight, volume and energy consumption of BMS, this paper proposes a new battery management circuit. The designed circuit is passive and small in size. The charge voltage is regulated by increasing the bypass current through an adjustable reference chip. Experimental results show that the bypass current increases linearly if the charging voltage is in the range of 4.05 V to 4.2 V. Also after several charge-discharge cycles, the differences between batteries visibly decrease. The proposed circuit is small in size, low in power consumption and economical, making it ideal for commercial space.     

基于非隔离型Weinberg变换器的放电调节单元分析与应用

文章以高压、大功率的载人航天器电源控制系统放电调节单元为应用背景,分析了非隔离型Weinberg变换器的拓扑特点、工作模态及小信号模型,对采用稳压环和限流环并联控制的环路进行建模、稳定性分析及验证测试。结果表明,基于非隔离型Weinberg变换器的放电调节单元具有良好的电能转换特性,能满足载人航天器电源新型应用的要求。     

集群卫星网络信息拓扑控制技术探讨

集群卫星网络所具有的高动态拓扑、信息异构及灵活组网的特性,使其对信息层面的拓扑控制提出了新的挑战,需要在现有的卫星网络拓扑控制技术的基础上进一步研究。在深入解析集群卫星网络信息拓扑控制内涵的基础上,根据集群卫星网络特点,提出通用的集群卫星网络信息拓扑模型及星地拓扑控制策略,并对现有的卫星拓扑控制算法进行分类说明,根据拓扑的分类方法,分析不同卫星拓扑控制技术在运用于集群卫星网络中的限制条件,最后针对应用需求及技术特点,指出集群卫星网络拓扑控制技术的发展趋势及研究方向。     

嫦娥四号中继星供配电系统设计与应用（英文）

A 28 V-half-regulated power bus topology and an integrated PCDU(Power Conditioning and Distribution Unit) were adopted to meet the energy demand for the Chang'e 4 relay satellite. This paper first introduces the mission features and composition of the PSDS(Power Supply and Distribution System) for the Chang'e 4 relay satellite. Due to this satellite's unusual orbit, operational mode and project restrictions, special analysis and design was conducted on the PSDS from the perspective of weight-reduction, power management, and reliability and so on. Extreme low temperature storage of SA(Solar Array) was considered and how the antenna affects the SA was analyzed. A new kind of high-specific-energy 45 Ah(Ampere-hour) battery cell was used for the first time. To make sure that the satellite would successfully pass the long shadow zones, a 100% DOD(Depth of Discharge) experiment was carried out on the battery. Since the sunlight is almost always available and there are very few times for the battery to charge or discharge, battery care to extend its lifetime is also discussed. PCDU is a device that integrates power conditioning and power distribution in one unit. The PCDU on Chang'e 4 relay satellite can output more power with less weight because of the adoption of a 28 V-half-regulated power bus topology which was also used for the first time and used lighter material for its mechanical framework. Experiment under low temperature on PCDU was conducted as well and a hot backup equalizing charge technique which is beneficial to keep performance of the battery is illustrated. The power distribution module, which is a module of PCDU, enhances the power utilization security by utilizing a static impedance measurement and build-in-test to avoid possible short circuits. As for EED(Electrical Explosive Device) module, a protection plug was specially designed and three switches with different functions were connected in series to prevent the EED from exploding by error. In addition, the allowable minimum EED bus voltage for each EED was evaluated in case of low battery voltage caused by the possible postponement of the launching time. Complete verification experiments on the ground were conducted to confirm the correctness of the design and on-orbit test data conformed to the expected results and theoretical calculation. The power supply and distribution system has been working normally since the day the Chang'e 4 relay satellite was launched into space.     

空间核电源电力系统功率因数校正技术的研究

为满足我国未来深空探测、星表基地等空间任务电源系统的需求,通过采用基于空间核电源系统的功率因数校正技术来滤除和抑制由发电机产生的谐波,从而提高系统的用电效率。提出一种新型Boost PFC拓扑结构,首先分析变换器的工作原理,之后对工作在连续电流导通模式下的Boost变换器进行建模分析。通过对变换器双环控制中的电压环和电流环进行理论设计和数学推导,从而确定控制环路参数。采用PLECS仿真软件对变换器的控制策略和系统的动态响应进行验证,并实现输入电流对输入电压的零相位正弦化追踪。     

大型航天器桁架式主承力结构构型拓扑优化研究

针对桁架结构和拓扑优化的特点,提出了一种连续体-离散体两级拓扑优化策略。应用该策略对大型航天器桁架式主承力结构的构型进行了优化设计。首先,使用HyperWorks软件对桁架结构的设计空间进行了有限元建模,应用连续体结构拓扑优化方法,得出了五传力点和七传力点两种准桁架结构形式,并提炼出与之对应的桁架结构;然后,对所得桁架结构进行拓展,并应用桁架式结构拓扑设计优化系统(TODOSST)对拓展后的桁架基结构进行了离散体结构拓扑优化,得到了五传力点和七传力点两种桁架方案。经对比,七传力点桁架构型方案在基频拓展性、设备预留空间可用性等方面均有比较明显的优势,可作为后续设计的基础。文章应用连续体-离散体两级拓扑优化策略,得到了满足基本设计要求的桁架结构基本构型,可为详细结构设计提供参考;所用优化策略也可为同类桁架结构设计提供借鉴。