基于皮衛(wèi)星的數(shù)字化智能航天電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，微小衛(wèi)星（micro-satellite）以其較高的功能密度，先進(jìn)的技術(shù)性能以及發(fā)射與運(yùn)行過程中的高度的靈活性，逐漸成為國際航天技術(shù)研究領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。按照當(dāng)前國際通行的衛(wèi)星分類方法，重量在0.1～1kg之間的微小衛(wèi)星可稱為皮衛(wèi)星（pico-satellite）[1]。對于以皮衛(wèi)星為代表的微小衛(wèi)星而言，由于其太陽能帆板面積十分有限，同時(shí)面臨復(fù)雜多變的空間環(huán)境，因此要求衛(wèi)星電源系統(tǒng)具有高效率、高能量密度與控制自主化的特點(diǎn)，這是目前一般工業(yè)電源所難以達(dá)到的。

　　本文針對皮衛(wèi)星電源系統(tǒng)的特點(diǎn)開發(fā)了一套智能化、高效率的數(shù)字化電源系統(tǒng)，其智能化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在：通過多種測量電路對電源系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓、電流等重要信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理與分析，隨時(shí)掌握電源系統(tǒng)的能量輸入、貯存與輸出以及實(shí)時(shí)效率等重要參數(shù)；在數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，通過微控制器及其控制軟件的處理，合理地采取峰值功率跟蹤（MPPT）、充放電調(diào)節(jié)(BCR/BDR)等控制策略，控制電源系統(tǒng)工作狀態(tài)，跟蹤最大輸入功率點(diǎn)；針對不同空間任務(wù)需求與能量界面參數(shù)，通過調(diào)整軟件靈活地進(jìn)行電源運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；通過串口通信方式與上位機(jī)通信，為衛(wèi)星電源系統(tǒng)測控以及數(shù)據(jù)儲存與傳輸提供了良好條件。

　　１、皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)基于“太陽能電池陣——電源控制系統(tǒng)——蓄電池組”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。電源控制系統(tǒng)作為整個(gè)電源系統(tǒng)的核心部分，主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：微控制單元、一次母線電壓調(diào)節(jié)單元（即峰值功率跟蹤單元）、二次母線電壓調(diào)節(jié)單元（即放電調(diào)節(jié)單元）、充電調(diào)節(jié)單元、電壓電流信號采集單元、信號處理單元、串行通信單元等。

　　電源控制系統(tǒng)的基本工作流程為：根據(jù)預(yù)先設(shè)定的空間環(huán)境參數(shù)，由太陽電池陣模擬器形成電源系統(tǒng)的初始輸入；初始輸入經(jīng)過一次母線電壓調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)，形成與蓄電池組工作電壓相匹配的一次母線電壓7.2V～8.4V，同時(shí)完成對輸入峰值功率的跟蹤與鎖定；供給二次母線的功率經(jīng)過二次母線調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，分別為星上負(fù)載提供5V與3.3V兩種二次母線電壓；電壓電流信號采集單元不斷采集初始輸入、一次母線、蓄電池組、二次母線等各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓電流信號，經(jīng)由電壓跟隨器、一階濾波電路與多路信號選通芯片，送入微控制單元進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；微控制器根據(jù)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信號，經(jīng)過進(jìn)一步的處理與分析，向各級母線調(diào)節(jié)單元及充電控制單元發(fā)出控制信號，同時(shí)通過串行通信單元向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。

　　1.1 微控制單元
微控制單元電路以ATMEL 公司推出的ATmega8L單片機(jī)為核心，配以MAX 397雙8通道模擬多路器與MAX 6129參考電壓源等外圍設(shè)備組成，如圖2所示。ATmega8L單片機(jī)是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位高檔單片機(jī)，具有接近1 MIPS/MHZ的高速運(yùn)行處理能力。ATmega8L具有23路可編程多功能I/O端口，八通道10位A/D轉(zhuǎn)換和三通道16位以內(nèi)的PWM輸出功能，因此在系統(tǒng)中完成10位信號A/D轉(zhuǎn)換與處理，MPPT算法實(shí)現(xiàn)以及31.25KHz PWM控制信號輸出等重要功能。

　　1.2 一次母線電壓調(diào)節(jié)單元（峰值功率跟蹤單元）

　　一次母線電壓調(diào)節(jié)單元電路以Boost DC/DC電壓變換電路為核心，同時(shí)增加了以兩個(gè)MOSFET組合而成的一次母線控制開關(guān)，如圖3所示。Boost電壓變換電路由MOSFET開關(guān)管Q1，續(xù)流二極管D3、D4，儲能電感L2與濾波電容C13組成，升壓變換比滿足：M = Vout/Vin = 1/ (1-D) （1）由于一次母線輸出電壓Vout被鉗位在蓄電池組工作電壓，即7.2V～8.4V區(qū)間某特定值，則調(diào)整微處理單元發(fā)出的PWM控制信號占空比D，可調(diào)整輸入電壓（即太陽電池陣輸出電壓）Vin。在此基礎(chǔ)上，調(diào)用峰值功率跟蹤（MPPT）算法，實(shí)現(xiàn)太陽電池陣輸出功率最大化。

　　1.3 電流電壓信號采集單元
信號采集單元以MAX4373F電流傳感放大器與分壓精密電阻為核心，采集初始輸入、一次母線、蓄電池組、5/3.3V二次母線等6處節(jié)點(diǎn)的電壓電流信號。信號送入集成運(yùn)放LM234進(jìn)行電壓跟隨，再經(jīng)過一階R-C濾波電路濾去紋波，最終送入MAX397等待A/D轉(zhuǎn)換。

　　1.4 充電調(diào)節(jié)器單元
蓄電池組充電調(diào)節(jié)器由n-MOSFET與p-MOSFET組合電子開關(guān)構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)同圖3右側(cè)的電子開關(guān)。充電過程中，MOSFET驅(qū)動器輸出高電平信號，則n-MOSFET IRF3205導(dǎo)通，使p-MOSFET IRF4905的G極電壓近似為0，此時(shí)IRF4905的S極與G極間電壓為正，使IRF4905導(dǎo)通。當(dāng)蓄