系留氣球不間斷供電技術(shù)研究

苗穎++姜魯華++徐國寧

摘 要： 供電系統(tǒng)是系留氣球的重要組成部分，其正常運行是保證系留氣球安全可靠的關(guān)鍵，一些特殊載荷需要不間斷供電，即當(dāng)主供電出現(xiàn)問題時，需要無縫切換到備用電源以實現(xiàn)系統(tǒng)和載荷正常運行。常用主備電切換方式動作緩慢，耗時較長，并且電路復(fù)雜可靠性低，結(jié)合系留氣球供電系統(tǒng)的特點，提出一種簡單易實現(xiàn)的不間斷供電方式，即在電磁繼電器基礎(chǔ)上，在備用電源支路上再連接一組開關(guān)管并配合小容量電容，當(dāng)系統(tǒng)檢測到電壓異常后，開關(guān)管在幾微秒內(nèi)快速切換到備用電源，電磁繼電器在開關(guān)管接通一段時間后也會切換到備份電池，此時備份電池通過兩條通路供電給母線，不僅球載電子設(shè)備可以穩(wěn)定工作，而且可靠性大大增加。經(jīng)過仿真和相關(guān)實驗，證明這種供電結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了不間斷供電，并且具有較高的可靠性。

關(guān)鍵詞： 系留氣球； 不間斷供電； 切換方式； 開關(guān)管

中圖分類號： TN06?34； TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）17?0144?05

Research on uninterrupted power supply technology for tethered balloon

MIAO Ying1， 2， JIANG Luhua1， XU Guoning1

（1. Academy of Photoelectricity， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100094， China；

2. Graduate School of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract： Power supply system is an important part of tethered balloon， its normal operation is the key to ensure tethered balloon safety and reliability. Some special loading needs uninterrupted power supply. When the main power supply is malfunction， the emergency power is switched to supply system in seamless to achieve system and loading normal operation. The switching modes of common main power supply have the disadvantage of slow motion， long time consuming， complex circuit and low reliability. In combination with the features of tethered balloon power supply system， a simple and easy to implement uninterrupted power supply method is presented. By using this method， the balloon borne?electronic equipment can work stably， and the reliability is enhanced greatly. Simulation and related experiments prove that this power supply structure can realize uninterrupted power supply， and has higher reliability.

Keywords： tethered balloon； uninterrupted power supply； switching mode； switching tube

0 引 言

系留氣球是一種依靠氣囊內(nèi)的浮升氣體獲得浮力，并用纜索系在地面設(shè)施上的浮空器，可以在空中特定范圍內(nèi)實現(xiàn)定高度、長時間駐留[1]。系留氣球作為一種可長時間連續(xù)滯空的載體，非常適合搭載各類任務(wù)設(shè)備，具有廣泛的用途，可用于氣象探測、環(huán)境監(jiān)測、廣播通信、地形測繪、低空預(yù)警、邊海防的空中監(jiān)測以及反恐監(jiān)視等方面。隨著任務(wù)需求的增多，各種電子設(shè)備不斷加入到系統(tǒng)中，為了保證氣球系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的工作，需要連續(xù)不間斷地為各種球載電子設(shè)備提供電力?？罩衅脚_的電源一旦發(fā)生故障，平臺上的設(shè)備沒有了動力，不僅無法完成預(yù)定的任務(wù)，甚至對系留氣球降落都帶來影響。供電的可靠性，供電的質(zhì)量以及供電的安全性都是電源設(shè)計中必須認(rèn)真考慮的問題。

供電系統(tǒng)在主備份電源切換方式上采用直接切換，即在主供電出現(xiàn)問題時繼電器跳轉(zhuǎn)到備份電源繼續(xù)供電，這種方式雖然簡單易行，但是切換時間比較長，很容易造成敏感電子設(shè)備掉電造成的復(fù)位等行為。基于以上考慮，對系留氣球的不間斷供電技術(shù)進(jìn)行研究很有必要。

本文創(chuàng)新之處在于對比現(xiàn)有的主備電切換方式，提出的不間斷供電結(jié)構(gòu)可靠性高，切換動作時間非常短暫，所用電路均為模擬電路，簡單易行，可實現(xiàn)主備電之間的“零斷電”，對于系留氣球供電系統(tǒng)有一般的適應(yīng)性。

1 電源切換方式原理及分析

在交流電源停電后，依賴蓄電池儲能，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換或蓄電池組直接向負(fù)載持續(xù)供電的電源系統(tǒng)稱為不間斷供電電源系統(tǒng)[2]。為提高對球上任務(wù)載荷供電的可靠性，供電系統(tǒng)常常設(shè)計成一主一備雙電源供電，備用電源在主電源出現(xiàn)故障時自動啟用，實現(xiàn)對負(fù)載的不間斷供電[3]。

供電系統(tǒng)有兩種典型的常用主接線方式：

（1） 正常情況下一路進(jìn)線對母線供電，另一路進(jìn)線作備用電源，依靠兩路進(jìn)線開關(guān)實現(xiàn)自動切換，此種方式稱為明備用，如圖1（a）所示，主供電正常切換開關(guān)狀態(tài)為閉合，備用電源開關(guān)斷開，主供電出現(xiàn)故障備用電源切換開關(guān)閉合進(jìn)行供電。

（2） 兩路工作電源同時供電互為備用，依靠母分開關(guān)實現(xiàn)備用電源自動投入使用，此種方式稱為暗備用，如圖1（b）所示，主供電和備用電源切換開關(guān)狀態(tài)同時為閉合，母分開關(guān)斷開，此時為主電源供電，當(dāng)主供電出現(xiàn)故障時，母分開關(guān)閉合切換到備用電源供電。

1.1 常用主備電源切換方式

要想實現(xiàn)不間斷供電，電源切換是主要問題，對于比較簡單的備用電源切換裝置，目前通常設(shè)計成工作電源開關(guān)輔助接點直接起動備用電源，現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用比較廣泛的切換方式根據(jù)器件不同大致分為繼電器切換和二極管切換，切換方案如圖2所示。

繼電器切換方式是通過繼電器的靜觸點與第一動觸點、第二動觸點的切換來實現(xiàn)主/備電源之間的供電切換，且必須在負(fù)載端連接有一大容量的電容，如圖2（a）所示，主/備份電源之間可實現(xiàn)平穩(wěn)切換，備份電源的儲能作用也能夠得到充分發(fā)揮，但是存在以下缺點：

（1） 負(fù)載電壓波動大，當(dāng)備份電源電壓較低時，主/備份電源之間的切換將引起掉電等現(xiàn)象；

（2） 在接通供電系統(tǒng)的瞬間，電容進(jìn)行快速充電，很容易損壞電容前面的電路，大容量的電容將容易導(dǎo)致電路存在安全隱患，若不使用大容量的電容進(jìn)行儲能，將導(dǎo)致主/備份電源不能平穩(wěn)切換。

二極管切換方式采用二極管來實現(xiàn)主/備份電源之間的供電切換，通過二極管的導(dǎo)通和截止來控制備用電源的接入，如圖2（b）所示，主/備份電源之間可實現(xiàn)平穩(wěn)切換，也不需要大容量的電容進(jìn)行輔助切換，但是存在以下缺點：

（1） 當(dāng)二極管上流過較大的電流時，會在二極管的PN結(jié)上產(chǎn)生較大的壓降，不能充分發(fā)揮備份電源的儲能作用；

（2） 在二極管上將產(chǎn)生大量的功耗，必須配合散熱器進(jìn)行散熱才能確保電路工作的可靠性，同時由于過高的溫升將會引起二極管周圍的元器件性能下降，且也不利于產(chǎn)品的小型化；

（3） 當(dāng)備份電源的電量不足時仍然為負(fù)載供電，沒有過放保護功能，將降低電池的使用壽命。

系統(tǒng)主接線切換方式有明備用和暗備用，其中暗備用應(yīng)用案例之一是神舟飛船供電結(jié)構(gòu)。神舟飛船供電系統(tǒng)整體上采用的是暗備用切換方式，在供電結(jié)構(gòu)上采用兩邊對稱同時供電的方式，如此的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)系統(tǒng)供電的連續(xù)性。

神舟飛船電源系統(tǒng)是我國迄今為止最復(fù)雜的空間電源系統(tǒng)[4]，它由主電源、應(yīng)急電源、返回電源等多種電源組成，存在多種并網(wǎng)供電工作模式，其任務(wù)是在待發(fā)段、發(fā)射段、自主運行段、返回段和著陸段為整船或返回艙提供所需的電能[5?6]。飛船上設(shè)置主要負(fù)載母線和次要負(fù)載母線，當(dāng)出現(xiàn)供電不足時可以斷開部分次要負(fù)載。另外，飛船上還安置有可靠的應(yīng)急蓄電池，主電源一旦出現(xiàn)故障立即啟用備份電源確保一段時間的飛行。當(dāng)負(fù)載過大時，主電源供電不足導(dǎo)致母線電壓顯著下降，應(yīng)急電源能自動接入母線。

飛船電源分系統(tǒng)的工作狀態(tài)復(fù)雜、功率要求大、可靠性要求高，而且電源并網(wǎng)時需要解決的技術(shù)難題很大?；谝陨峡紤]，飛船電源分系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)并不適合應(yīng)用到系留氣球上，但是相關(guān)的思路仍然值得借鑒。

1.2 系留氣球電源切換原理

通過對現(xiàn)有的供電方式分析發(fā)現(xiàn)，供電結(jié)構(gòu)體系正在朝著更安全、可靠的方向發(fā)展，系留氣球供電系統(tǒng)也不例外。特別是隨著精密電子儀器載荷的增加，供電結(jié)構(gòu)中“不斷電”幾乎已經(jīng)是一個必不可少的要求。

系留氣球供配電是由地面供電設(shè)備將市電變頻升壓后，通過系纜傳送到球上，經(jīng)過降壓并變換后輸出直流穩(wěn)定電壓，供給球載平臺設(shè)備及任務(wù)載荷使用[7]。球上還載有應(yīng)急電源，目的是當(dāng)主電源電路發(fā)生故障時可以跳轉(zhuǎn)到應(yīng)急電源繼續(xù)給負(fù)載供電。

目前主電源和應(yīng)急電源之間切換方式采用繼電器切換，對于這種直接切換方式來說，雖然在一定程度上提高了直流電源設(shè)備運行的可靠性，但切換過程中會造成負(fù)載供電的短時中斷，影響設(shè)備的安全可靠運行，尤其是對于一些比較敏感的電子設(shè)備來說，突然的失電會觸發(fā)其保護措施，繼而啟動復(fù)位等行為，可能會導(dǎo)致進(jìn)行中的任務(wù)失效。

如何實現(xiàn)不間斷供電并且還要保證電源的可靠性是本文的主要難點，對比傳統(tǒng)的系留氣球供電結(jié)構(gòu)，下面將給出一種新型的切換電路。

電源切換主要考慮到兩種切換方式，第一種為二極管切換，第二種為開關(guān)管切換，進(jìn)行對比后選出最適合的切換方式。

1.2.1 二極管切換電路

二極管切換電路如圖3所示，除了正常的繼電器外，備用電源回路中加入DC/DC變換器，其輸出為24 V，主電源和備用電源工作時輸出電壓為28 V。當(dāng)主電源正常工作時，二極管B點電位為28 V，A點電位為24 V，二極管D1截止，DC/DC變換器沒有帶載工作，備用電源的損耗可忽略；當(dāng)主電池耗盡或故障時，二極管B點電位低于A點電位，D1導(dǎo)通，B點電位為24 V，確保用電設(shè)備瞬間不掉電（此種工況適用于用電設(shè)備能夠?qū)挿秶ぷ髑闆r下）。經(jīng)過一段時間后，繼電器切換到備用電源后，供電母線電壓≥28 V，二極管D1截止，DC/DC變換器不帶載工作，完成不間斷切換。

進(jìn)行相關(guān)實驗后發(fā)現(xiàn)，使用DC/DC變換器供電存在模塊間開關(guān)頻率不匹配的問題，該方式適用于用電設(shè)備能夠?qū)挿秶ぷ鳁l件下。

圖3 二極管切換電路

1.2.2 開關(guān)管切換電路

為了解決上述提到的問題，采取另一種切換方式，即使用開關(guān)配合小容量電容，在電磁繼電器切換的間隙為球載設(shè)備供電，如圖4所示。

圖4 開關(guān)管切換電路

目前的雙電源自動切換裝置大部分由具有機械閉鎖的兩個接觸器構(gòu)成，都有觸點開關(guān)，開關(guān)時間長而且有火花產(chǎn)生。優(yōu)秀的雙路開關(guān)切換延遲時間是0.1～60 s。而一些敏感的設(shè)備如可編程序控制器在斷電的一個周期即20 ms后就會自動重新啟動，所有邏輯都將自動復(fù)位，因此切換開關(guān)組件的選擇對縮短切換時間、保持負(fù)載電壓穩(wěn)定具有重要意義。在不改變原先電磁繼電器主/備份通路的基礎(chǔ)上，采用IGBT或MOS開關(guān)器件，作為備用電源的另一通路上的開關(guān)，在主母線掉電后迅速接通備用電源。IGBT或MOS開關(guān)器件具有無觸點、快速、無火花接痕等特點，其開通、關(guān)斷時間僅為幾十微秒[8]，在計算機容許斷電的時間內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)無縫切換。電路系統(tǒng)中如果輸入信號在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會產(chǎn)生相應(yīng)的抖動（起伏），故在切換支路中加入滯回比較電路，此比較器采用LM339遲滯比較器，遲滯比較器又可以理解為加正反饋的單限比較器，輸出線路帶有電壓保護模塊，加入其目的是為了保護開關(guān)管和電子負(fù)載設(shè)備免受電壓突然沖擊造成毀壞，主電路切換原理如下：

（1） 主電源正常時，供電母線28 V正常供電，此時開關(guān)管處于斷開狀態(tài)；

（2） 主電源出現(xiàn)故障，供電母線掉電或電壓降低，此時開關(guān)管通過電壓采集模塊檢測到主母線掉電或電壓降低狀態(tài)，開關(guān)管在幾微秒內(nèi)打開，迅速將備用電源連接到主母線上；

（3） 電磁繼電器在開關(guān)管打開一段時間后切換到備用電源，此時備用電源通過兩條通路給供電母線供電，即使開關(guān)管損壞斷開也不影響正常供電；

（4） 開關(guān)管電壓采集采用分壓形式，電路全部是模擬電路，可靠性高。

信號采集模塊實時監(jiān)測供電電壓狀況，一旦檢測到主電源故障立刻切換到備用電源。備用電源采用的是鋰電池組，電池長時間頻繁切換會導(dǎo)致溫度升高，而溫度是電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的催化劑，溫度高使電池反應(yīng)加劇。因此需要對電源是否失壓進(jìn)行預(yù)測，以防止切換系統(tǒng)頻繁動作致使鋰電池?fù)p壞。

球上控制模塊工作范圍在18～36 V，也就是當(dāng)供電電壓低于18 V時系統(tǒng)不能正常工作，這個值即為飛控設(shè)備所需最低電壓值，主電源供電電壓為28 V，本文中擬采用主電源正常工作電壓與飛控設(shè)備所需最低電壓的算術(shù)平均值作為判定有失壓趨勢的臨界電壓值。通過進(jìn)一步判斷主電壓工作狀況，經(jīng)過一定的延時，排除外界因素或負(fù)載擾動引起的電壓波動。

2 電源不間斷切換仿真實驗及結(jié)果

2.1 電源不間斷切換仿真

通過對比上述兩種切換方式，原理上開關(guān)管切換電路能夠較好地實現(xiàn)不間斷供電。為了進(jìn)一步分析其可行性，需進(jìn)行仿真驗證，仿真模型的搭建采用Simulink模塊，Matlab的Simulink工具是用于各種動態(tài)系統(tǒng)建模、分析和仿真的圖形交互環(huán)境[9]，Simulink仿真具有便利性和真實性，各仿真單元基本可與實物電路對照，此模塊具有適應(yīng)面廣，結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際，效率高，靈活等優(yōu)點，目前Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計中[10]。搭建的模型圖和仿真波形圖如圖5和圖6所示。

圖5 電源切換仿真模型

圖6 電源切換仿真波形

主電源采用脈沖模擬電源正常和掉電的情況，主電源電壓設(shè)置為28 V，外加直流電源為5 V，通過比較器判斷電壓是否斷電，根據(jù)比較器輸出結(jié)果控制開關(guān)的一端輸入，另一端備用電源輸入采用25 V直流電壓（主要在波形圖中觀察時比較方便對比原電壓大小的變化），控制信號控制備用25 V電源的投入，在示波器中觀察電壓的變化，從圖6可以看出，電壓由28 V降到0時瞬間接入備用電源，切換時間非常短暫（約為100 μs）且后續(xù)電壓穩(wěn)定。

2.2 實驗及結(jié)果

完成切換電路的仿真模型后認(rèn)為此種切換電路可實現(xiàn)不間斷供電的任務(wù)，所以根據(jù)切換原理進(jìn)行實驗，所得負(fù)載示波器圖像如圖7所示。

圖7 主備電源切換實驗波形

實驗對開關(guān)管兩端電壓和負(fù)載兩端電壓進(jìn)行采集實驗，實驗波形一為主供電線路中未加入電容，通道1為開關(guān)管電壓采集檢測波形，通道2為負(fù)載電壓波形，根據(jù)主/備電切換原理，在主電源掉電瞬間開關(guān)管接通備用電源，由備用電源繼續(xù)為負(fù)載供電，由圖中可以看出，切換間隙為50 μs，時間非常短暫，但切換波形動作之間的波動比較大，出現(xiàn)這樣的結(jié)果是電壓有一定反應(yīng)時間，不能立即為后續(xù)供電造成，經(jīng)過分析認(rèn)為在主供電線路母線加入小容量的電容即可減少這種現(xiàn)象，實驗波形二為主供電線路中配合小容量電容，由圖中可以看出斷電間隔基本消失，此時可以實現(xiàn)真正意義上的不間斷供電。

3 結(jié) 論

本文通過對現(xiàn)有供電電源切換方式的分析，針對系留氣球的特點，設(shè)計了一種簡單而且可靠性較高的對系留氣球載荷設(shè)備不間斷供電方式，并且優(yōu)化了電源切換時間系數(shù)，可達(dá)到幾十微秒之內(nèi)，使主/備電源切換時間大大縮短，可認(rèn)為實現(xiàn)“零斷電”，在進(jìn)行相關(guān)仿真和實驗后，認(rèn)為此種切換模式達(dá)到了不間斷切換的目的，并且可靠性較高。

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