[科普中国]-航天器供配电系统

组成及功能

供配电分系统是星上产生、储存、变换、调节和分配电能的分系统，其基本功能是通过某种物理变化或化学变化将光能、核能或化学能转换成电能，根据需要进行储存、调节和变换，然后向各系统供电，直至航天器寿命终止。

供配电分系统由两个子系统组成：①一次电源子系统：包括发电装置、电能储存装置、电源控制装置；②总体电路子系统：包括电源变换器、电源配电装置、火工品管理器以及电缆网等。2

供配电形式航天器供配电系统分为三种形式：

(1)集中配电。整个飞行器内只设置总体一级配电器，所有用电设备的配电控制点集中在一起，控制指令只发送到该配电器即可对各用电设备用电进行控制，并也只设置一级变换装置，对各用电设备所需电源进行集中变换，使电源电压、输出功率、电压稳定度、一级纹波等参数都能满足各用电设备要求。

(2)分散配电。飞行器内各用电设备的配电控制点分散设置，控制指令需要发送到各用电设备或其所属分系统进行配电控制，设备自身或其所属分系统进行电源变换以满足该用电设备对电源各参数的需求。

(3)集中和分散结合配电。它是上两种配电系统的综合，可以是集中配电、分散变换，也可以是集中变换、分散配电。

三种方式各有优缺点，根据飞行器的大小、用电要求等因素进行综合选择，对于小卫星和微小卫星一般采用集中配电，而对于大型航天器一般多采用集中和分散结合的配电方式，但随着产品“三化”(模块化、通用化、组合化)的发展，分散配电成为主要的发展方向。1

主要技术太阳电池发电技术不同的能源必须依靠不同的发电装置才能将其转换成电能。发电装置主要包括化学电池、太阳电池阵、核能源、太阳动力系统。在此只对常用的太阳电池进行介绍。

太阳电池是一种将光能直接转换成电能的半导体器件，是组成太阳电池阵的基本元器件。可用于航天器的太阳电池种类很多，包括非晶体硅太阳电池、单晶硅太阳电池及III -V族元素的化合物电池。目前应用较多的太阳电池是硅太阳电池和锗为衬底的单结和三结砷化镓电池。常规硅电池的转换效率为12%~12. 5%，加背场工艺达到15%，低阻背场的绒面硅电池可达到16. 7%。大面积单结GaAs/Ge电池转换效率约为19%，三结GaInP2/GaAs/Ge电池转换效率可达28.5 010，波音公司702MP平台采用的超三结砷化镓电池片效率高达41. 6%。

转换效率是太阳电池的重要参数，用于衡量太阳电池的功率输出水平，转换效率越高，电池的性能越好。2

电能储存技术电能储存装置的任务是在光照期将能量储存起来，在地影期释放能量为航天器的用电负载提供电能。目前航天器用的储能装置分为化学储能、机械储能和超级电容器等几类。机械储能和超级电容器尚在研究发展中，化学储能已经在航天器中得到普遍应用。在此，仅对常用的几类化学储能装置（即蓄电池）进行介绍。

(1)镉镍蓄电池：20世纪80年代镉镍蓄电池在航天器上应用一卜分普遍，90年代后逐步被氢镍蓄电池所取代。镉镍蓄电池具有良好的机械性能、导热性能和低温工作性能；具有良好的充电特性，放电态或低荷电量电池可经受IC（C为蓄电池组容量）倍率电流充电；具有良好的大电流放电性能．IC倍率下可实现全容量放电，可在nC倍率下工作。镉镍蓄电池长期在某一固定倍率下浅充放电会产生记忆效应，可通过小电流深放电的方法使其性能恢复，称为再调整；还具有自放电效应，GEO卫星需设计涓流充电模式进行补偿。

(2)氢镍蓄电池：与镉镍蓄电池相比，氢镍蓄电池具有耐过充过放的能力，同时具有比能量和比功率高、循环寿命长、可高倍率放电、可全充放或按80%的深度进行充放电循环使用和平均放电电压高等优点，其内部压力可作为充电状态的遥测参数；其缺点是体积比能量小。氢镍蓄电池采用恒流充电，充电速率可在C/30~1C之间选择；充电效率随环境温度升高而降低，放电电压随环境温度的降低和放电速率的增加而略有下降；具有过放电自我保护功能，电池处于过放电状态时放电电压基本保持不变，且不发热；自放电率与电池内部氢的压力和环境温度有关，电池设计的压力越高、环境温度越高，电池的自放电率就越高。

(3)锂离子蓄电池：具有更高的单体比能量，单体电压更高，更加安全，性能更加稳定。一般采取恒流一恒压充电方式，先恒流充电，在单体电池的电压达到4. 1V之后转为恒压充电，充电电流逐步减小，恒压充电状态下的电流变化规律近似于指数函数。2

电源控制技术电源控制主要实现如下功能：当太阳电池阵输出功率超过母线负载和电池充电组的需要时，分流调节器处于分流状态；随着太阳电池阵输出功率的减小或负载功率的增大，分流调节器逐渐退出分流状态；如果太阳电池阵的输出功率不能满足母线负载和蓄电池充电的需要，则充电电流自动减少，直至完全停止充电；当太阳电池阵的输出功率连负载的需要都不能满足时，则蓄电池自动通过放电调节器开始放电。

(1)一次电源母线调节：一次电源母线负责将功率输送给配电器，再由配电器输送给各用电负载。按母线数量可分为单母线、双母线和多母线。按母线调节方式可分为不调节、部分调节和全调节母线三类。不调节母线就是光照期太阳电池阵的输出功率和地影期蓄电池组的输出电压都处于不受控的状态，目前一般不再采用；部分调节母线就是在光照期太阳电池阵受分流调节器的控制输出稳定的母线电压，在阴影期蓄电池组通过继电器开关或放电二极管直接耦合到母线，母线电压随蓄电池组电压的变化而变化；全调节母线就是光照期太阳电池阵的输出电压和地影期蓄电池组的输出电压都处于受控的状态，母线电压调节在规定的范围内。

(2)太阳电池阵功率调节：太阳电池阵寿命初期和末期的输出功率差别较大，为使母线电压稳定，必须将负载需求以外多余的输出功率对“地”分流，稳定母线电压，此功能由分流调节器（或模块）实现。太阳电池阵分流调节方法大致分为串联型分流调节和并联型分流调节，并联型分流调节器又分为线性分流调节和开关分流调节两种。目前多采用顺序部分线性分流调节和顺序开关分流调节。顺序开关分流调节义包括脉宽调制PWM S3R、顺序限频开关分流调节LC S3R和S4R等调节技术，这从根本L实现了母线调节技术由线性分流调节向开关分流调节的转变。

PWM S3R在每个太阳电池分阵输出端设置引线与对应的分流级连接，其优点是发热功率小，容量可以做得很大，容易实现分流调节器、放电调节器和充电调节器的集成组装；其缺点是母线纹波较大，系统电磁兼容性较差，需要在母线输出端设置较大的电容组件。LCS3R采用限频控制方式，可设置多个分流级，所有的分流电路与PWM开关分流渊节完全相同，受控于同一母线误差放大信号顺序式工作，其优缺点与PWM S3R类似。S4R功率调节系统实现了主误差放大器在两个线性区间内分别控制分流调节器和放电调节器的两域线性调节，减少了控制复杂程度，可较好满足大功率航天器对电源系统的使用要求；由多级S4R电路并联而成，根据负载和充电需求，各级S4R电路处于不同工作状态。

(3)蓄电池组放电控制：主要有降压、升压和降升压三种放电调节方式。各类调压器的主要电路包括输入过流保护和输出电流限制、电源变换电路、输出滤波和输出隔离电路等。控制电路采用集成脉宽调制器，采取多个放电调节模块( BDR)并联的热备份方式，每个BDR输出端设置隔离电路进行故障隔离，同时对多个BDR实行均流控制。

(4)蓄电池组充电控制：主要包括充电功率调节和过充电保护控制。充电功率调节实际上是对蓄电池进行充电电流限制，主要有两种限流方法：一是利用太阳电池的恒流特性设置太阳电池充电控制阵；二是设置蓄电池组充电调节器( CDR)，调节蓄电池组的充电电流和电压。过充电保护方法分为硬件控制和软件控制两种。硬件控制方法主要有V/T曲线、压力等控制手段。V/T曲线法是利用蓄电池组容量、电压和温度之间的函数关系曲线进行控制；压力控制用于氢镍蓄电池，利用单体电池充足时压力的稳定状态作为蓄电池组断开大电流充电的控制阈值。2

设计要求其性能参数除重量、功耗、寿命及可靠度等一般要求外，主要包括：供电能力，供电调节体制，配电体制，母线电压，母线稳态特性及瞬态特性等。供配电系统方案设计的任务主要包括：确定卫星供配电体制，设计母线电压，确定电池阵类型及串并数目，确定蓄电池类型、电池组容量及组合方案，设计PCU模块组成。详细设计阶段，需要完成各类单机设计和电缆网设计等。2

系统设计方法供配电体制设计这是供配电分系统设计的顶层约束，属于总体设计内容。新型卫星平台多采用单母线全调节方式，太阳阵采用S3R或S4R开关分流调节方式，蓄电池多采用升压调节方式，通过电源控制器( PCU)实现母线电压全调节控制。卫星常用配电体制有集中配电j分散配电及混合（或分级）配电方式。分散配电体制对提高供配电系统可靠性和电磁兼容性较为有利。例如，DFH -3平台采用集中配电方式，DFH -4平台采用分散配电方式。2

母线电压设计母线电压不可过高，否则会减少分流调节模块冗余数目而降低可靠性；同时，在卫星功率需求一定的情况下，高的母线电压要求蓄电池单体串联节数多，从而增大电池组重量。卫星一次电源母线电压一般选择28V、42V、50v、70V或IOOV。根据我国卫星电源系统研制经验，一般来说，整星功率需求在2000W以下的卫星选用28V母线，功率需求在2000~ 4000W之间的卫星选用42V母线，功率需求超过5000W的卫星选用IOOV母线。例如，我国的DFH -3平台采用42V母线，DFH -4系列平台采用IOOV母线。2

电源调节方案设计电源全调节卫星平台一般采用PCU对太阳阵分流调节和蓄电池充放电调节等功能进行集成。PCU 一般由母线误差放大信号(MEA)模块、分流调节模块、放电调节模块、充电调节模块、遥测遥控( TM/TC)接口、滤波电路等组成。以DFH -4平台为例，分流凋节模块采用顺序开关分流渊节( S3R)工作方式，PCU共设有32个分流级，仅使用前24个分流级（对应24个太阳电池分阵）。每组蓄电池组通过4个升压式放电调节模块（其中一个备份）在阴影区或太阳电池阵功率输出不足时给母线供电，每个放电调节模块( BDR)由两个子模块组成，每个子模块最大输出功率为1500W。有两个充电调节模块( BCR)，冷备份工作。每个BCR模块有4种工作模式：对两个蓄电池组自动轮流充电；只对蓄电池l充电；只对蓄电池2充电；对两个蓄电池同时充电。2