基本介紹
- 中文名：太空飛行器供配電系統
- 外文名：Spacecraft power supply and distribution system
組成及功能,供配電形式,主要技術,太陽電池發電技術,電能儲存技術,電源控制技術,設計要求,系統設計方法,供配電體制設計,母線電壓設計,電源調節方案設計,
組成及功能
供配電分系統是星上產生、儲存、變換、調節和分配電能的分系統，其基本功能是通過某種物理變化或化學變化將光能、核能或化學能轉換成電能，根據需要進行儲存、調節和變換，然後向各系統供電，直至太空飛行器壽命終止。
供配電分系統由兩個子系統組成：①一次電源子系統：包括發電裝置、電能儲存裝置、電源控制裝置；②總體電路子系統：包括電源變換器、電源配電裝置、火工品管理器以及電纜網等。
供配電形式
太空飛行器供配電系統分為三種形式：
(1)集中配電。整個飛行器內只設定總體一級配電器，所有用電設備的配電控制點集中在一起，控制指令只傳送到該配電器即可對各用電設備用電進行控制，並也只設定一級變換裝置，對各用電設備所需電源進行集中變換，使電源電壓、輸出功率、電壓穩定度、一級紋波等參數都能滿足各用電設備要求。
(2)分散配電。飛行器內各用電設備的配電控制點分散設定，控制指令需要傳送到各用電設備或其所屬分系統進行配電控制，設備自身或其所屬分系統進行電源變換以滿足該用電設備對電源各參數的需求。
(3)集中和分散結合配電。它是上兩種配電系統的綜合，可以是集中配電、分散變換，也可以是集中變換、分散配電。
三種方式各有優缺點，根據飛行器的大小、用電要求等因素進行綜合選擇，對於小衛星和微小衛星一般採用集中配電，而對於大型太空飛行器一般多採用集中和分散結合的配電方式，但隨著產品“三化”(模組化、通用化、組合化)的發展，分散配電成為主要的發展方向。
主要技術
太陽電池發電技術
不同的能源必須依靠不同的發電裝置才能將其轉換成電能。發電裝置主要包括化學電池、太陽電池陣、核能源、太陽動力系統。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換成電能的半導體器件，是組成太陽電池陣的基本元器件。可用於太空飛行器的太陽電池種類很多，包括非晶體矽太陽電池、單晶矽太陽電池及III -V族元素的化合物電池。目前套用較多的太陽電池是矽太陽電池和鍺為襯底的單結和三結砷化鎵電池。常規矽電池的轉換效率為12%~12. 5%，加背場工藝達到15%，低阻背場的絨面矽電池可達到16. 7%。大面積單結GaAs/Ge電池轉換效率約為19%，三結GaInP2/GaAs/Ge電池轉換效率可達28.5 010，波音公司702MP平台採用的超三結砷化鎵電池片效率高達41. 6%。
轉換效率是太陽電池的重要參數，用於衡量太陽電池的功率輸出水平，轉換效率越高，電池的性能越好。
電能儲存技術
電能儲存裝置的任務是在光照期將能量儲存起來，在地影期釋放能量為太空飛行器的用電負載提供電能。目前太空飛行器用的儲能裝置分為化學儲能、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展中，化學儲能已經在太空飛行器中得到普遍套用。在此，僅對常用的幾類化學儲能裝置（即蓄電池）進行介紹。
(1)鎘鎳蓄電池：20世紀80年代鎘鎳蓄電池在太空飛行器上套用一卜分普遍，90年代後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、導熱性能和低溫工作性能；具有良好的充電特性，放電態或低荷電量電池可經受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生記憶效應，可通過小電流深放電的方法使其性能恢復，稱為再調整；還具有自放電效應，GEO衛星需設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使用和平均放電電壓高等優點，其內部壓力可作為充電狀態的遙測參數；其缺點是體積比能量小。氫鎳蓄電池採用恆流充電，充電速率可在C/30~1C之間選擇；充電效率隨環境溫度升高而降低，放電電壓隨環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，電池處於過放電狀態時放電電壓基本保持不變，且不發熱；自放電率與電池內部氫的壓力和環境溫度有關，電池設計的壓力越高、環境溫度越高，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，性能更加穩定。一般採取恆流一恆壓充電方式，先恆流充電，在單體電池的電壓達到4. 1V之後轉為恆壓充電，充電電流逐步減小，恆壓充電狀態下的電流變化規律近似於指數函式。
電源控制技術
電源控制主要實現如下功能：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，分流調節器處於分流狀態；隨著太陽電池陣輸出功率的減小或負載功率的增大，分流調節器逐漸退出分流狀態；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節器開始放電。
(1)一次電源母線調節：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。按母線數量可分為單母線、雙母線和多母線。按母線調節方式可分為不調節、部分調節和全調節母線三類。不調節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於不受控的狀態，目前一般不再採用；部分調節母線就是在光照期太陽電池陣受分流調節器的控制輸出穩定的母線電壓，在陰影期蓄電池組通過繼電器開關或放電二極體直接耦合到母線，母線電壓隨蓄電池組電壓的變化而變化；全調節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於受控的狀態，母線電壓調節在規定的範圍內。
(2)太陽電池陣功率調節：太陽電池陣壽命初期和末期的輸出功率差別較大，為使母線電壓穩定，必須將負載需求以外多餘的輸出功率對“地”分流，穩定母線電壓，此功能由分流調節器（或模組）實現。太陽電池陣分流調節方法大致分為串聯型分流調節和並聯型分流調節，並聯型分流調節器又分為線性分流調節和開關分流調節兩種。目前多採用順序部分線性分流調節和順序開關分流調節。順序開關分流調節義包括脈寬調製PWM S3R、順序限頻開關分流調節LC S3R和S4R等調節技術，這從根本L實現了母線調節技術由線性分流調節向開關分流調節的轉變。
PWM S3R在每個太陽電池分陣輸出端設定引線與對應的分流級連線，其優點是發熱功率小，容量可以做得很大，容易實現分流調節器、放電調節器和充電調節器的集成組裝；其缺點是母線紋波較大，系統電磁兼容性較差，需要在母線輸出端設定較大的電容組件。LCS3R採用限頻控制方式，可設定多個分流級，所有的分流電路與PWM開關分流淵節完全相同，受控於同一母線誤差放大信號順序式工作，其優缺點與PWM S3R類似。S4R功率調節系統實現了主誤差放大器在兩個線性區間內分別控制分流調節器和放電調節器的兩域線性調節，減少了控制複雜程度，可較好滿足大功率太空飛行器對電源系統的使用要求；由多級S4R電路並聯而成，根據負載和充電需求，各級S4R電路處於不同工作狀態。
(3)蓄電池組放電控制：主要有降壓、升壓和降升壓三种放電調節方式。各類調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。控制電路採用集成脈寬調製器，採取多個放電調節模組( BDR)並聯的熱備份方式，每個BDR輸出端設定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節和過充電保護控制。充電功率調節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恆流特性設定太陽電池充電控制陣；二是設定蓄電池組充電調節器( CDR)，調節蓄電池組的充電電流和電壓。過充電保護方法分為硬體控制和軟體控制兩種。硬體控制方法主要有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式關係曲線進行控制；壓力控制用於氫鎳蓄電池，利用單體電池充足時壓力的穩定狀態作為蓄電池組斷開大電流充電的控制閾值。
設計要求
其性能參數除重量、功耗、壽命及可靠度等一般要求外，主要包括：供電能力，供電調節體制，配電體制，母線電壓，母線穩態特性及瞬態特性等。供配電系統方案設計的任務主要包括：確定衛星供配電體制，設計母線電壓，確定電池陣類型及串並數目，確定蓄電池類型、電池組容量及組合方案，設計PCU模組組成。詳細設計階段，需要完成各類單機設計和電纜網設計等。
系統設計方法
供配電體制設計
這是供配電分系統設計的頂層約束，屬於總體設計內容。新型衛星平台多採用單母線全調節方式，太陽陣採用S3R或S4R開關分流調節方式，蓄電池多採用升壓調節方式，通過電源控制器( PCU)實現母線電壓全調節控制。衛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可靠性和電磁兼容性較為有利。例如，DFH -3平台採用集中配電方式，DFH -4平台採用分散配電方式。
母線電壓設計
母線電壓不可過高，否則會減少分流調節模組冗餘數目而降低可靠性；同時，在衛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節數多，從而增大電池組重量。衛星一次電源母線電壓一般選擇28V、42V、50v、70V或IOOV。根據我國衛星電源系統研製經驗，一般來說，整星功率需求在2000W以下的衛星選用28V母線，功率需求在2000~ 4000W之間的衛星選用42V母線，功率需求超過5000W的衛星選用IOOV母線。例如，我國的DFH -3平台採用42V母線，DFH -4系列平台採用IOOV母線。
電源調節方案設計
電源全調節衛星平台一般採用PCU對太陽陣分流調節和蓄電池充放電調節等功能進行集成。PCU 一般由母線誤差放大信號(MEA)模組、分流調節模組、放電調節模組、充電調節模組、遙測遙控( TM/TC)接口、濾波電路等組成。以DFH -4平台為例，分流凋節模組採用順序開關分流淵節( S3R)工作方式，PCU共設有32個分流級，僅使用前24個分流級（對應24個太陽電池分陣）。每組蓄電池組通過4個升壓式放電調節模組（其中一個備份）在陰影區或太陽電池陣功率輸出不足時給母線供電，每個放電調節模組( BDR)由兩個子模組組成，每個子模組最大輸出功率為1500W。有兩個充電調節模組( BCR)，冷備份工作。每個BCR模組有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。
