[科普中國]-航天器供配電系統(tǒng)

組成及功能

供配電分系統(tǒng)是星上產(chǎn)生、儲存、變換、調(diào)節(jié)和分配電能的分系統(tǒng)，其基本功能是通過某種物理變化或化學(xué)變化將光能、核能或化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，根據(jù)需要進行儲存、調(diào)節(jié)和變換，然后向各系統(tǒng)供電，直至航天器壽命終止。

供配電分系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成：①一次電源子系統(tǒng)：包括發(fā)電裝置、電能儲存裝置、電源控制裝置；②總體電路子系統(tǒng)：包括電源變換器、電源配電裝置、火工品管理器以及電纜網(wǎng)等。2

供配電形式航天器供配電系統(tǒng)分為三種形式：

(1)集中配電。整個飛行器內(nèi)只設(shè)置總體一級配電器，所有用電設(shè)備的配電控制點集中在一起，控制指令只發(fā)送到該配電器即可對各用電設(shè)備用電進行控制，并也只設(shè)置一級變換裝置，對各用電設(shè)備所需電源進行集中變換，使電源電壓、輸出功率、電壓穩(wěn)定度、一級紋波等參數(shù)都能滿足各用電設(shè)備要求。

(2)分散配電。飛行器內(nèi)各用電設(shè)備的配電控制點分散設(shè)置，控制指令需要發(fā)送到各用電設(shè)備或其所屬分系統(tǒng)進行配電控制，設(shè)備自身或其所屬分系統(tǒng)進行電源變換以滿足該用電設(shè)備對電源各參數(shù)的需求。

(3)集中和分散結(jié)合配電。它是上兩種配電系統(tǒng)的綜合，可以是集中配電、分散變換，也可以是集中變換、分散配電。

三種方式各有優(yōu)缺點，根據(jù)飛行器的大小、用電要求等因素進行綜合選擇，對于小衛(wèi)星和微小衛(wèi)星一般采用集中配電，而對于大型航天器一般多采用集中和分散結(jié)合的配電方式，但隨著產(chǎn)品“三化”(模塊化、通用化、組合化)的發(fā)展，分散配電成為主要的發(fā)展方向。1

主要技術(shù)太陽電池發(fā)電技術(shù)不同的能源必須依靠不同的發(fā)電裝置才能將其轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電裝置主要包括化學(xué)電池、太陽電池陣、核能源、太陽動力系統(tǒng)。在此只對常用的太陽電池進行介紹。

太陽電池是一種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，是組成太陽電池陣的基本元器件。可用于航天器的太陽電池種類很多，包括非晶體硅太陽電池、單晶硅太陽電池及III -V族元素的化合物電池。目前應(yīng)用較多的太陽電池是硅太陽電池和鍺為襯底的單結(jié)和三結(jié)砷化鎵電池。常規(guī)硅電池的轉(zhuǎn)換效率為12%~12. 5%，加背場工藝達到15%，低阻背場的絨面硅電池可達到16. 7%。大面積單結(jié)GaAs/Ge電池轉(zhuǎn)換效率約為19%，三結(jié)GaInP2/GaAs/Ge電池轉(zhuǎn)換效率可達28.5 010，波音公司702MP平臺采用的超三結(jié)砷化鎵電池片效率高達41. 6%。

轉(zhuǎn)換效率是太陽電池的重要參數(shù)，用于衡量太陽電池的功率輸出水平，轉(zhuǎn)換效率越高，電池的性能越好。2

電能儲存技術(shù)電能儲存裝置的任務(wù)是在光照期將能量儲存起來，在地影期釋放能量為航天器的用電負載提供電能。目前航天器用的儲能裝置分為化學(xué)儲能、機械儲能和超級電容器等幾類。機械儲能和超級電容器尚在研究發(fā)展中，化學(xué)儲能已經(jīng)在航天器中得到普遍應(yīng)用。在此，僅對常用的幾類化學(xué)儲能裝置（即蓄電池）進行介紹。

(1)鎘鎳蓄電池：20世紀80年代鎘鎳蓄電池在航天器上應(yīng)用一卜分普遍，90年代后逐步被氫鎳蓄電池所取代。鎘鎳蓄電池具有良好的機械性能、導(dǎo)熱性能和低溫工作性能；具有良好的充電特性，放電態(tài)或低荷電量電池可經(jīng)受IC（C為蓄電池組容量）倍率電流充電；具有良好的大電流放電性能．IC倍率下可實現(xiàn)全容量放電，可在nC倍率下工作。鎘鎳蓄電池長期在某一固定倍率下淺充放電會產(chǎn)生記憶效應(yīng)，可通過小電流深放電的方法使其性能恢復(fù)，稱為再調(diào)整；還具有自放電效應(yīng)，GEO衛(wèi)星需設(shè)計涓流充電模式進行補償。

(2)氫鎳蓄電池：與鎘鎳蓄電池相比，氫鎳蓄電池具有耐過充過放的能力，同時具有比能量和比功率高、循環(huán)壽命長、可高倍率放電、可全充放或按80%的深度進行充放電循環(huán)使用和平均放電電壓高等優(yōu)點，其內(nèi)部壓力可作為充電狀態(tài)的遙測參數(shù)；其缺點是體積比能量小。氫鎳蓄電池采用恒流充電，充電速率可在C/30~1C之間選擇；充電效率隨環(huán)境溫度升高而降低，放電電壓隨環(huán)境溫度的降低和放電速率的增加而略有下降；具有過放電自我保護功能，電池處于過放電狀態(tài)時放電電壓基本保持不變，且不發(fā)熱；自放電率與電池內(nèi)部氫的壓力和環(huán)境溫度有關(guān)，電池設(shè)計的壓力越高、環(huán)境溫度越高，電池的自放電率就越高。

(3)鋰離子蓄電池：具有更高的單體比能量，單體電壓更高，更加安全，性能更加穩(wěn)定。一般采取恒流一恒壓充電方式，先恒流充電，在單體電池的電壓達到4. 1V之后轉(zhuǎn)為恒壓充電，充電電流逐步減小，恒壓充電狀態(tài)下的電流變化規(guī)律近似于指數(shù)函數(shù)。2

電源控制技術(shù)電源控制主要實現(xiàn)如下功能：當太陽電池陣輸出功率超過母線負載和電池充電組的需要時，分流調(diào)節(jié)器處于分流狀態(tài)；隨著太陽電池陣輸出功率的減小或負載功率的增大，分流調(diào)節(jié)器逐漸退出分流狀態(tài)；如果太陽電池陣的輸出功率不能滿足母線負載和蓄電池充電的需要，則充電電流自動減少，直至完全停止充電；當太陽電池陣的輸出功率連負載的需要都不能滿足時，則蓄電池自動通過放電調(diào)節(jié)器開始放電。

(1)一次電源母線調(diào)節(jié)：一次電源母線負責將功率輸送給配電器，再由配電器輸送給各用電負載。按母線數(shù)量可分為單母線、雙母線和多母線。按母線調(diào)節(jié)方式可分為不調(diào)節(jié)、部分調(diào)節(jié)和全調(diào)節(jié)母線三類。不調(diào)節(jié)母線就是光照期太陽電池陣的輸出功率和地影期蓄電池組的輸出電壓都處于不受控的狀態(tài)，目前一般不再采用；部分調(diào)節(jié)母線就是在光照期太陽電池陣受分流調(diào)節(jié)器的控制輸出穩(wěn)定的母線電壓，在陰影期蓄電池組通過繼電器開關(guān)或放電二極管直接耦合到母線，母線電壓隨蓄電池組電壓的變化而變化；全調(diào)節(jié)母線就是光照期太陽電池陣的輸出電壓和地影期蓄電池組的輸出電壓都處于受控的狀態(tài)，母線電壓調(diào)節(jié)在規(guī)定的范圍內(nèi)。

(2)太陽電池陣功率調(diào)節(jié)：太陽電池陣壽命初期和末期的輸出功率差別較大，為使母線電壓穩(wěn)定，必須將負載需求以外多余的輸出功率對“地”分流，穩(wěn)定母線電壓，此功能由分流調(diào)節(jié)器（或模塊）實現(xiàn)。太陽電池陣分流調(diào)節(jié)方法大致分為串聯(lián)型分流調(diào)節(jié)和并聯(lián)型分流調(diào)節(jié)，并聯(lián)型分流調(diào)節(jié)器又分為線性分流調(diào)節(jié)和開關(guān)分流調(diào)節(jié)兩種。目前多采用順序部分線性分流調(diào)節(jié)和順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)。順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)義包括脈寬調(diào)制PWM S3R、順序限頻開關(guān)分流調(diào)節(jié)LC S3R和S4R等調(diào)節(jié)技術(shù)，這從根本L實現(xiàn)了母線調(diào)節(jié)技術(shù)由線性分流調(diào)節(jié)向開關(guān)分流調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)變。

PWM S3R在每個太陽電池分陣輸出端設(shè)置引線與對應(yīng)的分流級連接，其優(yōu)點是發(fā)熱功率小，容量可以做得很大，容易實現(xiàn)分流調(diào)節(jié)器、放電調(diào)節(jié)器和充電調(diào)節(jié)器的集成組裝；其缺點是母線紋波較大，系統(tǒng)電磁兼容性較差，需要在母線輸出端設(shè)置較大的電容組件。LCS3R采用限頻控制方式，可設(shè)置多個分流級，所有的分流電路與PWM開關(guān)分流淵節(jié)完全相同，受控于同一母線誤差放大信號順序式工作，其優(yōu)缺點與PWM S3R類似。S4R功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)了主誤差放大器在兩個線性區(qū)間內(nèi)分別控制分流調(diào)節(jié)器和放電調(diào)節(jié)器的兩域線性調(diào)節(jié)，減少了控制復(fù)雜程度，可較好滿足大功率航天器對電源系統(tǒng)的使用要求；由多級S4R電路并聯(lián)而成，根據(jù)負載和充電需求，各級S4R電路處于不同工作狀態(tài)。

(3)蓄電池組放電控制：主要有降壓、升壓和降升壓三種放電調(diào)節(jié)方式。各類調(diào)壓器的主要電路包括輸入過流保護和輸出電流限制、電源變換電路、輸出濾波和輸出隔離電路等?？刂齐娐凡捎眉擅}寬調(diào)制器，采取多個放電調(diào)節(jié)模塊( BDR)并聯(lián)的熱備份方式，每個BDR輸出端設(shè)置隔離電路進行故障隔離，同時對多個BDR實行均流控制。

(4)蓄電池組充電控制：主要包括充電功率調(diào)節(jié)和過充電保護控制。充電功率調(diào)節(jié)實際上是對蓄電池進行充電電流限制，主要有兩種限流方法：一是利用太陽電池的恒流特性設(shè)置太陽電池充電控制陣；二是設(shè)置蓄電池組充電調(diào)節(jié)器( CDR)，調(diào)節(jié)蓄電池組的充電電流和電壓。過充電保護方法分為硬件控制和軟件控制兩種。硬件控制方法主要有V/T曲線、壓力等控制手段。V/T曲線法是利用蓄電池組容量、電壓和溫度之間的函數(shù)關(guān)系曲線進行控制；壓力控制用于氫鎳蓄電池，利用單體電池充足時壓力的穩(wěn)定狀態(tài)作為蓄電池組斷開大電流充電的控制閾值。2

設(shè)計要求其性能參數(shù)除重量、功耗、壽命及可靠度等一般要求外，主要包括：供電能力，供電調(diào)節(jié)體制，配電體制，母線電壓，母線穩(wěn)態(tài)特性及瞬態(tài)特性等。供配電系統(tǒng)方案設(shè)計的任務(wù)主要包括：確定衛(wèi)星供配電體制，設(shè)計母線電壓，確定電池陣類型及串并數(shù)目，確定蓄電池類型、電池組容量及組合方案，設(shè)計PCU模塊組成。詳細設(shè)計階段，需要完成各類單機設(shè)計和電纜網(wǎng)設(shè)計等。2

系統(tǒng)設(shè)計方法供配電體制設(shè)計這是供配電分系統(tǒng)設(shè)計的頂層約束，屬于總體設(shè)計內(nèi)容。新型衛(wèi)星平臺多采用單母線全調(diào)節(jié)方式，太陽陣采用S3R或S4R開關(guān)分流調(diào)節(jié)方式，蓄電池多采用升壓調(diào)節(jié)方式，通過電源控制器( PCU)實現(xiàn)母線電壓全調(diào)節(jié)控制。衛(wèi)星常用配電體制有集中配電j分散配電及混合（或分級）配電方式。分散配電體制對提高供配電系統(tǒng)可靠性和電磁兼容性較為有利。例如，DFH -3平臺采用集中配電方式，DFH -4平臺采用分散配電方式。2

母線電壓設(shè)計母線電壓不可過高，否則會減少分流調(diào)節(jié)模塊冗余數(shù)目而降低可靠性；同時，在衛(wèi)星功率需求一定的情況下，高的母線電壓要求蓄電池單體串聯(lián)節(jié)數(shù)多，從而增大電池組重量。衛(wèi)星一次電源母線電壓一般選擇28V、42V、50v、70V或IOOV。根據(jù)我國衛(wèi)星電源系統(tǒng)研制經(jīng)驗，一般來說，整星功率需求在2000W以下的衛(wèi)星選用28V母線，功率需求在2000~ 4000W之間的衛(wèi)星選用42V母線，功率需求超過5000W的衛(wèi)星選用IOOV母線。例如，我國的DFH -3平臺采用42V母線，DFH -4系列平臺采用IOOV母線。2

電源調(diào)節(jié)方案設(shè)計電源全調(diào)節(jié)衛(wèi)星平臺一般采用PCU對太陽陣分流調(diào)節(jié)和蓄電池充放電調(diào)節(jié)等功能進行集成。PCU 一般由母線誤差放大信號(MEA)模塊、分流調(diào)節(jié)模塊、放電調(diào)節(jié)模塊、充電調(diào)節(jié)模塊、遙測遙控( TM/TC)接口、濾波電路等組成。以DFH -4平臺為例，分流凋節(jié)模塊采用順序開關(guān)分流淵節(jié)( S3R)工作方式，PCU共設(shè)有32個分流級，僅使用前24個分流級（對應(yīng)24個太陽電池分陣）。每組蓄電池組通過4個升壓式放電調(diào)節(jié)模塊（其中一個備份）在陰影區(qū)或太陽電池陣功率輸出不足時給母線供電，每個放電調(diào)節(jié)模塊( BDR)由兩個子模塊組成，每個子模塊最大輸出功率為1500W。有兩個充電調(diào)節(jié)模塊( BCR)，冷備份工作。每個BCR模塊有4種工作模式：對兩個蓄電池組自動輪流充電；只對蓄電池l充電；只對蓄電池2充電；對兩個蓄電池同時充電。2