當(dāng)前我國航天事業(yè)正蓬勃發(fā)展，僅歷時(shí)兩年多，長征系列運(yùn)載火箭將包括中國空間站天和核心艙與問天實(shí)驗(yàn)艙、嫦娥五號(hào)月球探測器、天問一號(hào)火星探測器、神舟載人飛船、天舟貨運(yùn)飛船、北斗三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星等在內(nèi)的多個(gè)航天器安全送入太空的預(yù)定軌道。航天機(jī)電伺服系統(tǒng)作為航天器控制系統(tǒng)的主執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自20世紀(jì)30年代以來，國外眾多機(jī)構(gòu)和學(xué)者先對(duì)其進(jìn)行深入研究，不斷向大功率航天伺服技術(shù)邁進(jìn)，隨后我國也不斷攻克技術(shù)難關(guān)，也研制出大功率機(jī)電伺服產(chǎn)品，使得航天機(jī)電伺服系統(tǒng)更加體系化，目前已取得一系列成熟的伺服技術(shù)成果。伺服電源作為航天機(jī)電伺服系統(tǒng)中必不可少的組件[1-4]，其承擔(dān)著伺服系統(tǒng)的能源需求，伺服電源是在伺服驅(qū)動(dòng)器的控制下向伺服電機(jī)輸出電能，伺服系統(tǒng)的負(fù)載特性與電源呈現(xiàn)緊密的耦合關(guān)系，伺服電源的特性有：長時(shí)小電流、瞬時(shí)正脈沖電流、負(fù)脈沖電流，具備長時(shí)工作、大功率、高容量的特點(diǎn);機(jī)電伺服系統(tǒng)會(huì)在工作中出現(xiàn)加減速的現(xiàn)象，使得電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，因此伺服電源應(yīng)具有輸出正脈沖電流以及抗反灌電流沖擊的特點(diǎn)。
常見的伺服電源有熱電池、鋅銀電池、鋰電池、發(fā)電機(jī)等，其中熱電池具備很高的比能量和比功率，儲(chǔ)存壽命長、激活時(shí)間短、工藝簡單、造價(jià)低廉以及不需要維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，伺服電源在軍用領(lǐng)域較為常見，但伺服電源缺點(diǎn)在于熱電池是一次電池，不可以進(jìn)行再充電，無法滿足伺服系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)作，重復(fù)利用的特點(diǎn);鋅銀電池具有較高的比能量和比功率，維護(hù)簡單，安全性能好，但是不足之處有成本較高、循環(huán)壽命短;鋰電池具有高比能量和比功率、壽命長、循環(huán)次數(shù)多、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，伺服電源目前常用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，也將成為未來軍事和現(xiàn)代化設(shè)備必不可少的重要能源，但是伺服電源缺點(diǎn)是在高放電倍率下電池端電壓下降幅度較大，不利于機(jī)電伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性;發(fā)電機(jī)利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其結(jié)構(gòu)較為簡單，但伺服電源缺點(diǎn)是受應(yīng)用條件影響較大。
為此，本文提出了鋰電池和儲(chǔ)能電容的組合型伺服電源，將混合儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于航天伺服電源，如圖1所示，伺服系統(tǒng)充分利用鋰電池和儲(chǔ)能電容的特性，使得伺服電源具備高能量密度和高功率密度的特點(diǎn)，鋰電池作為伺服系統(tǒng)主能量源，為伺服系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓等級(jí);儲(chǔ)能電容作為輔助能量源，通過隔離型雙向變換器與電池相連接，實(shí)現(xiàn)輸入輸出電氣隔離，滿足伺服系統(tǒng)瞬時(shí)高峰值電流輸出和制動(dòng)能量吸收的工況，可以解決伺服系統(tǒng)中鋰電池高倍率放電時(shí)端電壓下降較大的現(xiàn)象。
故隔離型雙向直流變換器的設(shè)計(jì)成為組合型伺服電源的關(guān)鍵，當(dāng)前大功率隔離型雙向直流變換器拓?fù)渲饕须p向有源全橋變換器(DAB)和雙向諧振式變換器，其中DAB變換器采用移相控制，伺服電源可以實(shí)現(xiàn)雙向切換，優(yōu)點(diǎn)適用于寬增益范圍范圍，但是缺點(diǎn)是在輸入輸出電壓幅值不匹配時(shí)，軟開關(guān)范圍窄，變換器的無功環(huán)流和電流應(yīng)力會(huì)大大增加，進(jìn)而也增大了功率器件、磁性元件的損耗，制約了效率的提升，目前為降低無功功率等，學(xué)者提出相應(yīng)的控制策略[5-6]，但都較為復(fù)雜;雙向諧振變換器可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的軟開關(guān)[7-8]，減小關(guān)斷損耗以及無功環(huán)流的伺服電源損耗，但增益范圍較窄，不適用于儲(chǔ)能電容電壓范圍寬的場合;因此一些學(xué)者對(duì)兩級(jí)式拓?fù)溥M(jìn)行研究，Buck與LLC級(jí)聯(lián)[9]，但當(dāng)伺服系統(tǒng)電容電壓變化較大時(shí)，開關(guān)管會(huì)處于極限的占空比，不易實(shí)現(xiàn);當(dāng)Boost與LLC級(jí)聯(lián)時(shí)[10]，開關(guān)管承受較高的電壓應(yīng)力，造成器件選型困難。
為此本文提出采用四開關(guān)Buck-Boost(FSBB)與CLLLC諧振變換器級(jí)聯(lián)的兩級(jí)式拓?fù)�，伺服系統(tǒng)可以拓寬電壓增益范圍，輸入輸出電壓實(shí)現(xiàn)隔離，并且開關(guān)管電壓應(yīng)力不高，通過對(duì)雙向直流變換器拓?fù)湟约翱刂撇呗赃M(jìn)行分析，最后伺服系統(tǒng)利用MATLAB進(jìn)行了仿真驗(yàn)證所提出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效性，為航天伺服電源提供了新的思路。
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