小型SAR卫星用双高特性锂离子电池技术

小型合成孔径雷达(SAR)卫星对储能电池系统提出了轻量化、大功率的要求,现有的SAR卫星用电池难以满足需求,急需开发高能量高功率的锂离子电池。采用兼具容量和功率性能的镍钴铝酸锂(LiNixCoyMnzO2, NCA)作为正极活性材料,高容量中间相炭微球(MCMB)作为负极活性材料,显著提升了电池体系的容量和比能量。通过设计极片的活性物质载量和电解液用量,保证了电池功率性能(≥10 C)的发挥;通过加大电极片面积和极柱尺寸,控制了大倍率放电时电池温升。研制了兼顾高比能和高功率的锂离子电池单体,额定容量20 Ah,1 C放电比能量达到180 Wh.kg^-1,且10 C放电容量相较1 C保持率96.24%,15 C下持续放电比功率超过2 000 W.kg^-1,可以满足下一代轻小型SAR卫星能源供电需求。     

一种小型SAR卫星电源系统设计

合成孔径雷达(SAR)卫星电源系统具有大功率脉冲供电、响应速度快的特点。文章在分析小型SAR卫星用电需求和设计约束的基础上,提出了一种适应于小型SAR卫星的电源拓扑结构。电源系统采用复合母线体制,在低压不调节母线基础上生成一条全调节母线和一条高压不调节母线,利用全调节母线为平台负载设备供电,利用高压不调节母线为SAR载荷供电。电源系统为平台、SAR载荷分别配置能量型锂离子蓄电池组和功率型锂离子蓄电池组,有效保证卫星负载的不同用电需求。该电源系统方案可为我国后续小型大功率SAR卫星电源系统设计提供参考。     

国外SAR卫星电源系统分析与启示

介绍了国外合成孔径雷达(SAR)卫星电源系统的特点,从SAR卫星成像模式多、峰值功率大、较大的载荷平台功率比以及脉冲功率工作等方面分析了其对电源系统设计的需求;介绍了欧洲和加拿大研制的Cosmo-Skymed卫星、TerraSAR-X卫星、Radarsat-2卫星、Sentinel-1卫星、EarthCARE卫星等的电源系统设计概况,对其电源系统拓扑、母线体制、太阳电池阵功率调节方式、锂离子蓄电池组配置等技术方案的特点进行了归纳总结,在此基础上提出了我国SAR卫星电源系统技术发展的建议。     

FY-2卫星功率合成器低气压放电和微放电预防

阐述了星载无源大功率部件发生微放电和低气压放电的原因.讨论了提高风云二号(FY-2)卫星测控系统中功率合成器低气压放电阈值的方法,并提出增大内部间隙、提高器件内表面洁净度和改进调谐螺钉设计等措施.实验结果表明,功率合成器放电容量由4.5 W提高至9 W,从而大幅改善了其低气压临界工作状态.     

基于多尺度的空间锂离子蓄电池单体电-热耦合模型

针对高比能兼顾高功率的锂离子电池,高电极载量、高压实、低电导等特性会显著增加电池大倍率放电的产热和内部温差,传统的热试验方法无法获取电池内部温度分布。将传统热试验与仿真相结合,以能量功率兼顾型空间锂离子蓄电池单体为研究对象,建立了一维电化学与三维热双向耦合模型,获取了电池在绝热环境下不同倍率放电的电压、温度和发热功率变化,仿真结果与实验值吻合度高,分析得到单体电池大倍率放电的本征热安全区间为0～75%放电深度(DOD)。同时,计算发现随着放电倍率的增加,放电结束时电池温度最高区域由电芯内部中心位置逐渐变成正极极柱,最大温差逐渐增大,3 C时达到0.82℃。假设增加底面恒温散热,3 C放电结束的最大温差高达11.18℃。本文建立的模型不仅适用于空间锂离子蓄电池单体的研发,还适用于电池组的热仿真设计。     

SAR卫星电源系统设计与仿真研究

根据SAR卫星有效载荷的脉冲、大功率工作等典型特点及对电源母线稳定度的较高要求,设计了单母线、不调节电源系统方案,建立了电源系统的仿真模型。针对不同负载情况,分别对SAR卫星处于光照区和地影区时,其脉冲大功率电源系统在恒功率负载、负载突减和负载突加的情况进行了仿真分析。仿真结果表明此电源系统稳定,能够满足SAR卫星有效载荷的供电要求。     

SAR卫星配电系统设计与验证

根据合成孔径雷达(SAR)卫星高压大功率有效载荷用电、双独立母线供电等典型特点及长寿命可靠性要求,设计了混合式能源分配、熔断器与限流保护分类应用的配电方案,以高分三号(GF-3)卫星为例,建立了卫星配电系统的仿真模型,对卫星能源分配、熔断器和限流保护对母线影响进行了仿真分析和地面试验验证,结果表明:卫星能源分配合理,供电保护有效,能够满足SAR载荷卫星的配电保护需求和整星能源安全保护需求,可以为我国后续SAR卫星的配电系统设计提供参考。     

高分三号卫星太阳电池阵设计与验证

通过分析高分三号(GF-3)卫星合成孔径雷达(SAR)载荷多模式的成像任务规划、大型展开式桁架构型设计、高低压双母线电源设计等特点,识别出LEO轨道静电放电对高压太阳电池阵设计的影响,卫星左侧视成像和右侧视成像下大型SAR天线遮挡及卫星8年长寿命期间电缆频繁扭转对传输性能的影响,提出了一种适用于复杂遮挡情况下高低压双母线电源系统的太阳电池阵设计思路,完成了太阳电池阵设计、遮挡仿真分析、静电放电试验、电缆扭转试验和在轨数据分析,验证了太阳电池阵设计的正确性,可以为中国后续大功率SAR卫星太阳电池阵设计提供参考。     

航天器百千瓦级分布式可重构电源系统设计

随着大功率通信卫星、高分辨率SAR卫星、大功率电推进航天器、核动力航天器、大型在轨服务站等对超大功率能源系统需求不断增强,100 kW超大功率电源系统成为未来大功率航天器电源系统的发展趋势。文章结合航天器电源系统研究基础,对100 kW电源系统的高压、大功率、分布式的任务特点进行分析,设计一种分布式可重构电源系统,提出了系统拓扑架构和相应的控制策略,并对高压大功率变换控制技术、多通道能源管理技术、高压大功率元器件技术和系统可靠性、安全性技术进行研究。对文章提出的电源系统进行软件建模和仿真,结果表明:100 kW电源系统拓扑架构和管理控制策略合理可行,系统稳定性较好,鲁棒性强,可为后续大功率航天器电源系统研究和设计提供参考。     

一种星载巴特勒矩阵微放电特性的分析与验证

作为星载雷达发射微波功率合成的关键部件，巴特勒矩阵的微放电性能直接决定了雷达载荷的功率容量。因此，有必要对其微放电特性进行分析与验证。针对该需求，提出了一种用于大功率动态合成网络的星载巴特勒矩阵，并对其在真空条件下的微放电特性进行了分析与验证。第一，提出了一款用于星载雷达的大功率巴特勒矩阵，对其功率合成性能进行了分析。第二，为了对巴特勒矩阵微放电性能进行详细研究，对提出的巴特勒矩阵进行了微放电功率阈值仿真和自由电子分布分析。第三，为了验证分析结果的正确性，对该巴特勒矩阵进行了峰值功率14kW的真空微放电试验，验证了其在大功率真空环境下的微波传输功率容量。提出的巴特勒矩阵性能优良，为未来的星载雷达大功率微波部件提供了理论方法和关键技术支持。     

Super-capacitor energy storage for micro-satellites: Feasibility and potential mission applications

Small satellites, weighting between 100 and 200 kg, have witnessed increasing use for a variety of space applications including remote sensing constellations and technology demonstrations. The energy storage/stored power demands of most spacecraft, including small satellites, are currently accommodated by rechargeable batteries—typically nickel–cadmium cells (specific energy of 50 Wh kg⁻¹), or more recently lithium-ion cells (150 Wh kg⁻¹). High energy density is a primary concern for spacecraft energy storage design, and these batteries have been sufficient for most applications. However, constraints on the allowable on-board battery size have limited peak power performance such that the maximum power supply capability of small satellites currently ranges between only 70 and 200 W. This relatively low maximum power limits the capabilities of small satellites in terms of payload design and selection. In order to enhance these satellites' power performance, the research reported in this paper focused on the implementation of super-capacitors as practical rechargeable energy storage medium, and as an alternative to chemical batteries. Compared to batteries, some super-capacitors are able to supply high power at high energy-efficiency, but unfortunately they still have a very low energy density (5–30 Wh kg⁻¹). However, the provision of this high power capability would considerably widen the range of small satellite applications.     

氮掺杂多孔碳纤维改性锂硫电池正极材料

锂硫电池具有高比能量密度,在航空航天、无人机等电源系统应用方面受到了广泛关注。但是其本身也存在一些问题,如电池正极材料反应前后体积膨胀、导电性差和容量衰减迅速等,这些均限制了其应用推广。本文通过引入氮掺杂多孔碳纤维作为硫正极材料载体来改善其性能。一方面,碳纤维能提供大的反应比表面积和相互交织的导电网络,有效促进了活性材料之间的电化学反应;另一方面,氮原子掺杂和表面孔的存在,增强了对反应中间产物多硫化锂的吸附性,使得电极循环稳定性得到提高。研究结果表明:改性后含硫正极在167.5 mA·g~(-1)电流密度下,初始放电比容量达到1 078.3 mAh·g~(-1),经过100周充放电循环后,容量可保持在525.4 mAh·g~(-1),平均每周容量衰减率为0.5%;当电流密度增大到1 675 mA·g~(-1)时,放电比容量仍可以达到502.3 mAh·g~(-1),表现了良好的循环稳定性和倍率性能。     

锂氟化碳电池对火星探测任务工况适应性研究

锂氟化碳电池在固体正极体系一次电池中拥有最高的理论比能量(约2180 W·h·kg-1),特别适合对载荷质量要求苛刻的深空探测任务.我国首个火星探测器"天问一号"在其着陆巡视器内部使用了一组锂氟化碳电池用于完成进入—下降—着陆段的供电任务.文章提炼锂氟化碳电池与深空探测应用密切相关的4项基本特性,根据火星探测任务的特点...     

采用太阳电池阵和储能飞轮的电源系统设计与分析

飞轮储能装置具有比能量高、寿命长、任务期内无衰减等优点,可替代航天器中传统的化学储能装置。为论证太阳电池阵-储能飞轮电源系统的可行性,本文从航天器总体设计的角度分析了其关键设计要素,论述了其对航天器机、电、热等方面的影响,并给出提高系统可行性的合理化建议,以及针对低轨卫星的太阳电池阵-储能飞轮电源系统的设计举例。通过与传统电源系统的技术指标对比分析,表明太阳电池阵-储能飞轮电源系统具有较高的比功率,并在降低航天器质量、节约发射成本方面具有很大优势,在未来航天器的应用中具有很大的潜力。     

应用于立方星的剪叉式可展开太阳电池阵机构

立方星在轨任务期间的能源供给主要依靠蓄电池或体装太阳能电池阵。随着微小航天器技术的发展,立方星功能密度越来越大,星上载荷对功率的需求越来越高,传统的电池板供能方式已很难满足未来空间任务需求。另外,立方星因其特有的尺寸规范和标准,对电池阵的收纳尺寸和展开机构也有特殊应用需求。基于上述背景和立方星的结构特点,设计了一种展开原理简单、扩展性好、折展比大的一维剪叉式空间可展开机构,进行了原理样机的加工制造和地面展开试验,验证了机构设计的功能可行性以及设计参数的合理性。机构展开后阵列发电功率是传统供能方式的3~5倍,且特殊的几何外形可提供被动重力梯度稳定优势,在提升未来立方星载荷能力方面有重要应用价值。     

火星探测器“进入、下降、着陆”过程的供配电方案综述

对国外成功着陆火星的"火星探路者"(MPF)、"火星探测巡视器"(MER)、凤凰号(Phoenix)和"火星科学实验室"(MSL)的供配电技术进行总结;着重分析探测器在"进入、下降、着陆"(EDL)过程中对电源的电池容量、放电电流、工作时间、环境温度及储存时间等方面的要求及解决方案;提出了火星探测器EDL过程中供配电设计在电池类型、器间供电接口、比能量、放电倍率、能量裕度和寿命方面要注意的重点。     

航天用35Ah氢镍电池组性能

简要介绍了电池组的构成以及电池组空间力学环境测试条件和模拟GEO试验制度。在电池组性能方面 ,比较了第 1阴影期中间和第 36阴影期中间 79%DOD的放电特点 ,概要介绍了充放电温度特性 ,容量与氢压的变化关系 ;特别在寿命特性方面 ,着重阐述了电池组在模拟GEO ,79%DOD下 40个阴影期间最大放电深度时终止电压变化特性 ,电池组容量变化以及第 3阴影期和第 36阴影期放电终止电压变化情况。还列出了电池组的主要技术性能指标。     

电动泵与挤压式推进系统对比研究

对电动泵和挤压式推进系统进行了对比研究,主要考虑了气瓶、增压气体、贮箱、电池和电机等因素对推进系统的影响,结果表明:相对于传统的挤压式推进系统,电动泵供应系统已经具有明显的优势,而且能够获得更高的综合性能;锂离子电池具有较大的能量密度和功率密度,更适合应用于电动泵供应系统;采用高性能永磁电机能够使得整个推进系统的质量更轻。在实际推进系统设计时,应综合平衡发动机推力、燃烧室压力和工作时间等参数的影响,才能有效地控制电池和电机的质量,保证整个系统具有较高的综合性能。     

The hydrogen value chain: applying the automotive role model of the hydrogen economy in the aerospace sector to increase performance and reduce costs

Hydrogen will assume a key role in Europe's effort to adopt its energy dependent society to satisfy its needs without releasing vast amounts of greenhouse gases. The paradigm shift is so paramount that one speaks of the “Hydrogen Economy”, as the energy in this new and ecological type of economy is to be distributed by hydrogen. However, H₂ is not a primary energy source but rather an energy carrier, a means of storing, transporting and distributing energy, which has to be generated by other means.Various H₂ storage methods are possible; however industries' favourite is the storage of gaseous hydrogen in high pressure tanks. The biggest promoter of this storage methodology is the automotive industry, which is currently preparing for the generation change from the fossil fuel internal combustion engines to hydrogen based fuel cells. The current roadmaps foresee a market roll-out by 2015, when the hydrogen supply infrastructure is expected to have reached a critical mass. The hydrogen economy is about to take off as being demonstrated by various national mobility strategies, which foresee several millions of electric cars driving on the road in 2020.Fuel cell cars are only one type of “electric car”, battery electric as well as hybrid cars – all featuring electric drive trains – are the others. Which type of technology is chosen for a specific application depends primarily on the involved energy storage and power requirements. These considerations are very similar to the ones in the aerospace sector, which had introduced the fuel cell already in the 1960s. The automotive sector followed only recently, but has succeeded in moving forward the technology to a level, where the aerospace sector is starting considering to spin-in terrestrial hydrogen technologies into its technology portfolio. Target areas are again high power/high energy applications like aviation, manned spaceflight and exploration missions, as well as future generation high power telecommunication satellites. Similar trends can be expected in the future for RADAR Earth Observation satellites and space infrastructure concepts of great scale.This paper examines current activities along the hydrogen value chain, both in the terrestrial and the aerospace sector. A general assessment of the synergy potential is complemented by a thorough analysis of specific applications serving as role models like a lunar manned base or pressurised rover, an aircraft APU or a high power telecommunications satellite. Potential performance improvements and cost savings serve as key performance indicators in these comparisons and trade-offs.     

卫星电源系统短路暂态特性分析及对策

针对卫星电源系统短路故障导致母线电压跌落、业务中断甚至整星失效的问题,分别采用电路模型和数学模型的方法对短路后母线电压的暂态特性进行分析,指出故障持续过程经历母线电容放电、太阳电池阵动作、放电调节器动作、蓄电池经二极管直接供电这4个阶段,分析了各阶段母线电压的暂态响应及转换条件。随后,研究了发生稳态电压跌落的条件及其影响因素。针对航天器通常使用的快速熔断器保护,分析了母线电压跌落受熔断I~2T、短路通路阻抗、蓄电池内阻、蓄电池开路电压的影响程度。依据暂态特性的分析,提出接地优化方法以及蓄电池开路电压、短路通路阻抗和欠压保护点的配合设计方法,使得短路暂态过程母线电压跌落程度满足系统关键单机运行的需求。