6电源和总体电路分系统设计.ppt

第六讲卫星电源和总体电路分系统设计,上海微小卫星工程中心—林宝军2014年4月1日,2,一、电源分系统设计1、航天器电源分系统的功能和要求 电源分系统的功能是为航天器在光照期间和地影期间提供电能 对于大多数航天器来说，不能采用像运载火箭所使用的那种只能提供一个多小时电能的电池，否则，航天器的电源分系统就太笨重，或者寿命太短但是，对于返回式航天器，由于在轨工作时间一般只有十几天，所以，这种航天器就采用较简单的一次性使用的化学电池 电源分系统要有发电、储能、分配和母线电压调节以及蓄电池充放电控制等功能，有的还要求变换和稳定多种电压的二次电源航天器的寿命要求，对电源分系统很重要，因为各种空间电源随着在轨寿命的增加，电源的性能要逐渐下降3,2、航天器电源类型航天器电源类型和应用见表2.1,表2.1,4,3、航天器电源分系统的组成： 太阳电池阵+蓄电池组+电源控制器 目前，航天器广泛采用太阳能电池阵和蓄电池联合供电的电源分系统（常称为一次电源）电源分系统除此之外还有电源控制设备（包括蓄电池充放电控制器、太阳能电池阵分流调节器和母线调节等）。

根据上述功能，有的还把二次电源（把一次电源的电压调节成各分系统仪器设备所需要的各种电压）划归到电源分系统根据上述功能，供配电器和电缆网也应属于电源分系统但是，由于供配电器与电缆网跟各个分系统关系密切，所以，一般把它独立为总体电路分系统在总体综合设计中，要完成总体电路分系统设计2018/1/2,5,4、电源特性和主要技术指标,航天器的电源有单独用蓄电池组（银锌蓄电池组）供电，对长寿命的航天器，一般采用太阳电池阵和蓄电池组联合供电技术指标一般规定为： 电源的初期输出功率； 末期的电源输出功率； 有效载荷的可用功率； 电源的母线电压及电压精度（电源母线的品质因素）； 蓄电池组的容量6,5、电源分系统的方案和技术体制1）基本方案 对长寿命目前都采用了太阳电池阵、蓄电池组和电源控制设备一起组成一种混合式的电源系统，它用单体太阳电池组成方阵将光能转换成电能用蓄电池组作为储能装置，以便在阴影期间给卫星供电电源控制设备用以调节电源功率、蓄电池组充电控制和保护、蓄电池组放电控制和保护7,2）太阳电池阵的类型　　航天器的总体构型对采用太阳电池阵有特殊地要求。

对于自旋稳定航天器，一般采用体装式太阳能电池阵； 对于三轴稳定航天器（如太阳同步轨道和地球同步轨道）一般要求采用一维对日定向太阳能电池阵， 有少数航天器（非太阳同步低轨道）要求采用二维对日定向太阳能电池阵8,3）电压体制28V，42V，100V 对于低轨道的航天器，目前母线电压一般为28V，母线电压的偏差为 1V 太阳电池片有硅电池片和砷化钾电池片硅片使用比较成熟，效率为14.5%砷化钾效率达到27%，成本比较贵以往蓄电池一般采用镉镍蓄电池和氢镍蓄电池现在：锂电池,,6、天阳电池阵1）结构机构,,,6、天阳电池阵1）结构机构,,电源分系统和SADA接口,,6、天阳电池阵1）结构机构,,,,6、天阳电池阵1）结构机构,,,,,6、天阳电池阵1）结构机构,,电源分系统和SADA接口,14,电池伏安特性曲线如图19曲线a所示在实际测量太阳电池伏安特性时，不是画在第4象限，而是通过变换电流轴坐标，使它反转到第1象限得到如图19中的b所示的伏安特性曲线在这条曲线上的任意一点称为工作点但是，每个工作点的太阳电池输出功率是不同的该点与原点的连线称为负载线 当负载电阻调节到某一值时，使它的电压和电流值乘积最大，则这一点就是太阳电池最佳工作点，该点的功率与入射光功率之比称为电池的光电转换效率。

1）太阳电池特性a.电池伏安特性曲线,,,图19,15,b.温度特性 太阳电池温度特性是指它对温度的变化敏感程度而空间用太阳电池所处的温度环境变化很大，因此对太阳电池阵设计者来说，不仅需要了解温度对太阳电池性能的影响，而且需要确切地知道太阳电池参数随温度变化的具体数值温度对太阳电池性能的影响表现在电池伏安特性曲线产生的变化，如图２０所示当太阳电池的工作温度升高时，伏安特性曲线沿y轴（即电流轴）向上移动；x曲线沿轴（即电压轴）向零点移动；曲线拐点处圆弧度变大（软化）这些变化表明，短路电流随温度升高略有增加，而开路电压随温度升高明显减小，填充因子明显变差，其结果是使电池的效率或输出功率随温度升高而下降使它形成太阳电池的负功率温度系数，其值约为－0.4％/°C16,图２０,17,c. 太阳光强效应特性 太阳光强对太阳电池的性能影响有两点：一是太阳光强的高低直接决定太阳电池输出电压高低；另一点是影响太阳电池的工作温度对于一般地球人造卫星所受太阳光强都接近于1个太阳常数但是，当太阳光照角θ（入射光线与电池平面法线之间的夹角）不同时，太阳光强将发生变化随着θ角的加大（光强减弱） ，短路电流明显下降，开路电压略有下降。

如图２１和图２２所示，当太阳光照角θ小于50°时，电池的短路电流输出与光照角θ的余弦（cos θ ）成正比；当太阳光照角θ大于50°时，电流输出低于理论值；当太阳光照角θ大于85°时，短路电流与cos θ 一起收敛；当太阳光照角θ等于零时，短路电流为零18,不同光照角与太阳电池性能关系,不同光照角与太阳电池开路电压和短路电流之间的关系,图２１,图２２,19,,d. 太阳电池的转换效率 受光照太阳电池的最大输出功率与垂直入射到该电池受光照面几何面积上的全部太阳光的功率（能量）的百分比，称为太阳电池的光电转换效率即,式中， η——太阳电池的转换效率（%）； Pmp——太阳电池的最大输出功率； A ——太阳电池受光照面几何面积； Pin ——入射光的光强（mW/cm2） 转换效率η是太阳电池的重要指标，它直接关系到太阳阵设计的面积和质量，关系到航天器设计的总体性能一般，硅电池光电转换效率为11～14﹪，砷化镓电池为18～24﹪(以前)现在：30%,（11.12）,20,,d. 太阳电池的类型1）硅光2）三结砷化镓,21,7、蓄电池组1）蓄电池的类型a 镍镉蓄电池b 镍氢蓄电池C 锂离子蓄电池 均衡器,22,2）、蓄电池特性a. 关于充电率 充（放）电速率一般用“倍率”和“时率”来表示。

“倍率”是按规定时间完成额定容量所充（放）电的电流值与额定容量之比， 即额定容量的倍数，称为该电池的充（放）电“倍率” 常用符号 n·C 表示，n为倍数，C为蓄电池的额定容量 如额定容量为5A·h的蓄电池，要求在0.5h 内充（放）电到额定容量，则充（放）电的电流值为5A·h/ 0.5h =10 A，即其充（放）电的“倍率”是2C再如额定容量为10A·h的蓄电池，以0.1C “倍率” 充（放）时，则充（放）电的电流为0.1×10A·h=1（A）但是，在一次电源分系统设计中常用“倍率”23,充电率对镉镍蓄电池的性能有较大影响图２３示出一个3A·h的电池组以不同的充电率充足电后，以同一放电率放出容量时，较大的充电率得到较大的放电容量 所以，在镉镍蓄电池组中，较大的充电率可获得较大的安时效率目前，在低轨道设计中应选C/3～ C/5，高轨道设计中应选C/10～ C/14由于高轨道的阴影时间与轨道周期之比较小，所以，在高轨道设计中，还要考虑涓流（小电流）充电，以补充自放电（包括全日照）图２３,8、电源分系统电源控制器,24,,,,,,充电、放电、分流控制：恒流源特性，一级线性,25,5）电源方框图,电源控制器,26,,,,,,1、总体电路分系统功能1）配电2）电源变换3）电缆网4）火工品控制5）功率驱动： 控温 磁力矩器 推进系统：自锁阀、推力器,27,,,,,,,,总体电路分系统: 用于整星供配电、信号转接、火工装置管理和仪器设备间电连接。

配电器是实现对各分系统的仪器设备一次电源的分配与控制对展开机构提供解锁电路，并具有安全保护措施，防止误动作星上低频电缆实现全星所有设备之间的各种低频信号的传递和交换，向各设备提供母线规定的电压直流电平台设备连接关系,,,整星配电方案,,,,,,,1 引言2 初样研制依据和任务3方案介绍3.1 主要技术指标和设计技术要求3.2系统组成3.3 工作原理4 初样研制过程4.1 研制技术流程4.2 研制情况概述4.3 技术状态控制4.4 质量控制管理4.5 计划管理5 初样产品生产5.1产品生产情况概述5.1.1太阳电池阵5.1.2锂离子蓄电池组5.1.2电源控制器和均衡器5.2 元器件使用控制5.3 原材料控制5.4 重要和特殊工艺控制5.5 关重件控制5.6 外协件，外购件控制5.7 引进件控制情况6 初样试验6.1太阳电池阵试验情况概述6.2锂离子蓄电池组试验情况概述6.3电源控制器试验情况概述6.4均衡器试验情况概述6.4 分系统专项试验6.5 可靠性安全性试验6.6 参加整星电性能联试试验6.7 锂离子蓄电池组性能测试试验及结果6.7 电源控制器性能测试试验及结果6.7 均衡器能测试试验及结果,7 初样产品软件研制情况7.1 软件产品概况7.2 软件研制开发7.2.1 研制情况7.2.2软件工程化情况7.3 软件测试评测8 安全可靠性分析与评估8.1 安全可靠性工作概况8.2 可靠性试验验证8.3 可靠性分析与评估8.3.1 可靠性设计原则8.3.2 可靠度预计8.4 安全性分析与评估8.5故障模式与对策9 初样阶段复查及复核复算10 风险分析与控制情况11 测试覆盖性总结12 关键项目控制情况13 初样技术状态更改14 初样产品技术状态14.1 参加整星测试的要求14.4 发射场流程14.5 在轨运控流程15 产品使用与维护15.1 产品运输15.2 产品维护与维修16 需要进一步协调落实的技术问题17 初样研制总结17.1 初样研制满足研制任务书情况17.2 初样研制总结18 结论,初样研制报告,,,,1 引言 12 引用和参考文件 13 初样存在的技术问题分析 14 正样更改设计和状态更改 55 正样设计 75.1 系统组成和配套 75.1.1 电源分系统组成 75.1.2 产品配置及代号 75.2技术指标 85.2.1功能要求 85.2.2技术指标要求 85.2.3设计约束 95.2.4任务需求分析 115.3工作原理 125.4 电性资源分配 145.4.1 电接口设计 145.4.2电源分系统信息流图 165.4.3电源分系统接地示意 165.5 供配电设计 175.5.1太阳电池电路设计 185.5.2锂离子蓄电池组 235.5.3电源控制器 255.5.4均衡器 275.6 电磁兼容性设计 325.6.1母线特性 345.6.2剩磁设计 345.7 单机结构和安装设计 355.7 单机热设计 395.8 运控设计 42,6 软件设计 466.1 运行环境 466.2 软件功能性能指标 476.3 软件设计 486.4 软件可靠性设计 517 安全性可靠性设计与分析 527.1 可靠性设计 527.2冗余设计 527.3电源分系统可靠性预计 547.4FMEA分析 58从以上FMEA分析中可以得到以下结论。

617.5安全性设计 617.6关键、重要件项目质量控制情况 627.7产品可测试性分析 637.8辐射环境影响分析 638 数据处理要求 658.1 地面测试数据处理要求 658.2 在轨测试和运行数据监控和处理要求 72,。