當前我國航天事業(yè)正蓬勃發(fā)展，僅歷時兩年多，長征系列運載火箭將包括中國空間站天和核心艙與問天實驗艙、嫦娥五號月球探測器、天問一號火星探測器、神舟載人飛船、天舟貨運飛船、北斗三號導航衛(wèi)星等在內(nèi)的多個航天器安全送入太空的預定軌道。航天機電伺服系統(tǒng)作為航天器控制系統(tǒng)的主執(zhí)行機構(gòu)，自20世紀30年代以來，國外眾多機構(gòu)和學者先對其進行深入研究，不斷向大功率航天伺服技術(shù)邁進，隨后我國也不斷攻克技術(shù)難關(guān)，也研制出大功率機電伺服產(chǎn)品，使得航天機電伺服系統(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電伺服系統(tǒng)中必不可少的組件[1-4]，其承擔著伺服系統(tǒng)的能源需求，伺服電源是在伺服驅(qū)動器的控制下向伺服電機輸出電能，伺服系統(tǒng)的負載特性與電源呈現(xiàn)緊密的耦合關(guān)系，伺服電源的特性有：長時小電流、瞬時正脈沖電流、負脈沖電流，具備長時工作、大功率、高容量的特點;機電伺服系統(tǒng)會在工作中出現(xiàn)加減速的現(xiàn)象，使得電機處于電動機和發(fā)電機的狀態(tài)，因此伺服電源應具有輸出正脈沖電流以及抗反灌電流沖擊的特點。
常見的伺服電源有熱電池、鋅銀電池、鋰電池、發(fā)電機等，其中熱電池具備很高的比能量和比功率，儲存壽命長、激活時間短、工藝簡單、造價低廉以及不需要維護的優(yōu)點，伺服電源在軍用領(lǐng)域較為常見，但伺服電源缺點在于熱電池是一次電池，不可以進行再充電，無法滿足伺服系統(tǒng)的長時間運作，重復利用的特點;鋅銀電池具有較高的比能量和比功率，維護簡單，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，伺服電源目前常用于電動汽車領(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，但是伺服電源缺點是在高放電倍率下電池端電壓下降幅度較大，不利于機電伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性;發(fā)電機利用機械能轉(zhuǎn)化為電能，其結(jié)構(gòu)較為簡單，但伺服電源缺點是受應用條件影響較大。
為此，本文提出了鋰電池和儲能電容的組合型伺服電源，將混合儲能技術(shù)應用于航天伺服電源，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，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;儲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，實現(xiàn)輸入輸出電氣隔離，滿足伺服系統(tǒng)瞬時高峰值電流輸出和制動能量吸收的工況，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)計成為組合型伺服電源的關(guān)鍵，當前大功率隔離型雙向直流變換器拓撲主要有雙向有源全橋變換器(DAB)和雙向諧振式變換器，其中DAB變換器采用移相控制，伺服電源可以實現(xiàn)雙向切換，優(yōu)點適用于寬增益范圍范圍，但是缺點是在輸入輸出電壓幅值不匹配時，軟開關(guān)范圍窄，變換器的無功環(huán)流和電流應力會大大增加，進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，學者提出相應的控制策略[5-6]，但都較為復雜;雙向諧振變換器可以實現(xiàn)全負載范圍的軟開關(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，不適用于儲能電容電壓范圍寬的場合;因此一些學者對兩級式拓撲進行研究，Buck與LLC級聯(lián)[9]，但當伺服系統(tǒng)電容電壓變化較大時，開關(guān)管會處于極限的占空比，不易實現(xiàn);當Boost與LLC級聯(lián)時[10]，開關(guān)管承受較高的電壓應力，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諧振變換器級聯(lián)的兩級式拓撲，伺服系統(tǒng)可以拓寬電壓增益范圍，輸入輸出電壓實現(xiàn)隔離，并且開關(guān)管電壓應力不高，通過對雙向直流變換器拓撲以及控制策略進行分析，最后伺服系統(tǒng)利用MATLAB進行了仿真驗證所提出混合儲能系統(tǒng)的有效性，為航天伺服電源提供了新的思路。
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