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浅谈航天器高可靠智能供配电系统设计

  0引言
  供配电系统负责为航天器各仪器及机电等用电设备提供及分配电能,是航天器的重要分系统。在其发射及在轨飞行全任务周期内,供配电系统工作状态的优劣直接影响到整个任务的成败,这对航天器供配电系统的高可靠性设计及智能化设计提出了更高的要求。
  1供配电系统功能与组成
  供配电系统主要用于航天器在靶场发射及飞行试验过程中为控制系统、遥测系统等系统所有用电负载设备提供及分配电能,能够实现发射前外电-内电不掉电转电、紧急关机等功能,能够实时采集系统工作状态参数并可靠传输给地面测试设备和遥测系统,并能够实现故障隔离功能。
  供配电系统包括地面和航天器上两部分:地面部分主要由地面电源、配电箱、配电控制组合等组成;航天器上部分主要由低压电池、高压电池、低压配电器、高压配电器等组成。供配电系统航天器上设备和地面设备靠脱拔电缆实现地面供电、硬线及总线控制等功能。
  2实现高可靠智能的关键技术
  2.1SSPC智能配电技术
  传统的供配电系统面临着一些缺点,如智能化程度不高、采用的保护功能较少等,一旦出现故障则会导致整个系统崩溃,严重则导致飞行任务的失败。
  传统的供配电系统管理策略通常是根据飞行任务的要求由地面发送遥控直接指令或程控间接指令实现航天器上设备的加/断电。当航天器上电气系统出现故障时,对于一些严重的短路故障,由于采用了熔断器,可以直接将负载支路熔断隔离,保护电源母线,然而这种保护是不可恢复的;而对于一些软故障或能源不足的故障,采用的是大回路测控的方法,即地面测试人员通过遥测信号作判断,然后发送指令控制航天器上故障设备断电,以减轻电源系统的压力。
  对于一些严重的故障,如果不能及时进行故障隔离和执行相应的措施,往往会错过故障隔离的最佳时期,而导致故障蔓延、损失加大。
  智能配电技术则是在航天器上供配电系统设备设置智能控制单元,负责供配电系统的故障管理工作,并根据飞行任务和载荷优先级管理规则,对航天器上能源分配进行计划和调度管理。智能配电技术主要利用了计算机技术逻辑性强、不易出错的优势,通过实时获取电源设备及用电负载的状态信息,利用计算机对各种状态信息进行计算分析,获取供配电系统的运行状态,及时发现故障,并对故障定位,采取有效隔离措施,也可通过大回路测控的方法由地面人工干预,采取有效隔离措施。
  智能控制单元的主要任务是实时监测航天器上供配电系统设备及用电负载的工作状况,及时发现故障,并对故障及时进行隔离,同时生成故障隔离列表,通过遥测及测控单元下传地面,供地面人员参考使用。
  相比传统供电系统,智能供配电系统采用的是SSPC配电技术。SSPC配电核心器件MOSFET管,取代传统供配电系统中继电器等器件,具有响应快、重量轻、体积小、抗电磁干扰能力强、可靠性高、寿命长以及便于实现智能控制等优点,SSPC配电技术的众多优势使其在国内外航天器供配电系统的应用已成为并将长期成为一种趋势。
  SSPC配电模块主要分为驱动模块、过流/短路保护模块、电流采集检测模块等。
  综上,基于SSPC配电技术实现智能化的核心在于SSPC配电模块和智能管理单元,其优越性表现在以下几个方面:
  1)提高了自主管理的能力,可以对负载及母线状态进行实时检测;
  2)发现故障及时采取隔离,故障消失则恢复供电,有效实现故障隔离和系统重构;
  3)使用灵活性和智能化程度高,适应环境和负载的能力强,可靠性高。
  2.2系统冗余设计技术
  为提高供配电系统的可靠性,采用以下三方面的系统冗余设计技术:
  1)配电关键器件冗余设计。由于航天器在重量和体积方面有着强约束的要求,航天器上的单机设备无法实现系统冗余设计,只能靠电缆网的双点双线以及关键单机的关键器件冗余设计提高航天器上单机设备的可靠性。
  配电器是供配电系统的关键单机,而继电器和SSPC模块则是配电器的关键器件。配电器内部实现转电功能采用的是磁保持继电器和电磁继电器,均采用并联冗余设计提高可靠性,实现各可控支路,加断电采用的是SSPC模块,对于影响任务成败的负载(以下简称关键负载)的可控支路采用SSPC模块并联冗余的设计提高可靠性,而对于不影响任务成败的负载(以下简称非关键负载)的可控支路仅采用单路SSPC模块设计,而SSPC模块内部MOSFET管采用并联冗余设计以提高可靠性。
  2)配电指令冗余设计。由于供配电系统采用总线式智能配电器,地面配电控制组合发送总线控制指令,配电器内设的智能控制单元通过译码后,通过不同的I/O口发出配电指令控制各可控支路的通断,配电指令则采用了并联冗余设计来提高供配电系统的可靠性。
  3)地面设备冗余设计。由于地面设备不受航天器重量和体积强约束要求的限制,且地面设备采用了市购及通用化方案、价格相对低廉,地面设备(如地面电源、配电箱、配电控制组合等)则采用热备份冗余设计,使供配电系统发射可靠性得以突破性提高。
  2.3故障隔离技术
  SSPC配电模块中通过电流采集模块采集各支路电流,转换成电压量送给过流/短路保护模块,过流/短路保护模块示意图如图5所示,由积分电路和比较电路构成I2t反时限保护电路,由比较电路构成短路保护电路,I2t保护电路信号和短路保护信号通过二极管隔离后输出故障信号,送给驱动模块实现故障负载的隔离,当故障负载恢复正常时,由智能控制单元发出加电指令,恢复该支路供电输出。
  2.4总线控制技术
  航天器在靶场发射试验中,地面设备与航天器上设备之间的信息交互(包括控制指令和遥测数据)采用总线控制技术实现,对于紧急关机关键指令可通过双点双线的硬线方式实现。传统的设计模式,则是将所有的控制指令通过硬线直接指令实现控制,遥测数据同样通过硬线送往地面设备进行采集,由于控制指令和遥测数据较多,增加了航天器与地面之间的接口设计和脱拔电缆设计的难度。因此,采用总线控制技术不但简化了航天器与地面之间的接口设计,而且在脱拔电缆的重量和体积上有较大的优势。
  2.5浪涌抑制设计技术
  由于用电负载设备通常呈现一定的容性特性,在其加电启动瞬间时会产生大电流,称为浪涌电流,对供配电系统电路的危害应受到足够的重视。
  航天器高可靠智能供配电系统在设计SSPC配电模块的MOS管驱动电路时,增加了阻容电路,称为“软开通、软关断”电路,使开关信号缓慢地上升或下降,在MOS管开通时,快速达到开通阈值(一般在4V左右),然后“软开通”电路起作用;同样,MOS管在关断时,快速达到阈值电平,然后“软关断”电路起作用。
  “软开通”电路对容性负载具有很强的适应能力,通过适当的延长开通时间,能够抑制电容在充电瞬间所产生的浪涌电流。“软关断”电路能够抑制SSPC在关断瞬间抑制感性负载所带来的瞬时高压,防止该电压加到MOS管的两端,起到抑制瞬态电压尖峰的效果,能够改善SSPC的EMC特性。
  3试验验证与分析
  高可靠智能供配电系统已在某航天器地面试验中得到充分验证。多种系统冗余设计使得供配电系统关键单机配电器的可靠性高达0.99996,系统可靠性高达0.9992,满足总体设计要求;SSPC智能配电技术、故障隔离技术、硬线及总线控制技术在系统综合试验、老练试验、匹配试验中工作一切正常;浪涌电流实测数据对比表见表1,通过对比分析,供配电系统采用浪涌抑制设计技术,对用电负载上电时的瞬态浪涌电流抑制效果显著。
  故障隔离技术中短路保护功能能够及时发现和保护负载和配线上短路故障,且短路保护时间可控制在100μs以内,可以看出当短路现象出现时,电流迅速上升,SSPC在35μs关断,实现保护。
  当负载电流超过额定值但未达到短路跳闸保护时,SSPC模拟熔断器进行I2t保护,I2t表示负载电流与跳闸延迟时间的关系I=f(t)。其中,跳闸延迟时间是指从电路检测到过载或短路故障开始到SSPC关断所需要的时间。这个特性也可以用负载电流的倍数与跳闸延迟时间来表示,即I/Ie=f(t)。通过识别过载电流的大小,计算不同的时间延迟,闭环控制来关断MOSFET。轻度过载,跳闸所需时间长;严重过载,跳闸时间短。SSPC采用的I2t跳闸延时保护曲线按照IEC60255-3极端反时限中的曲线设计,其保护倍数范围为额定电流的1.2~4倍(可根据需要进行调整)。
  4结束语
  本文提出了一种航天器高可靠智能供配电系统设计方案,重点介绍了实现高可靠智能化的各项关键技术及设计理念,该系统在某项目中得到充分验证。通过对试验结果的分析表明该系统在可靠性和智能化方面有着很大的优势,在航天航空等要求高可靠性智能化的供配电领域中有着广泛的应用前景。