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。     

空间电源性能测试仿真系统设计与实现

提出一种基于空间电源控制器的半实物动态环境测试仿真系统,主要由电源控制器、太阳电池模拟阵、蓄电池模拟器、程控电子负载和仿真计算机组成。以电源控制器为被测对象,搭建的仿真系统可实时模拟航天器在空间动态环境下太阳电池阵的输出特性,包括不同轨道、太阳光照角等状态条件下的输出,对航天器上的电源性能进行测试,通过仿真结果验证空间电源系统设计的正确性。     

采用MPPT技术的国外深空探测器电源系统综述

最大功率点跟踪（MPPT）技术能够最大限度利用太阳电池阵输出功率,对于光强和温度变化较大的深空探测器,具有一定的优势。对MPPT电源系统拓扑结构及其在国外深空探测领域的典型应用,如＂罗塞塔＂（Rosetta）、＂信使＂（MESSENGER）探测器电源系统等,进行了调研和综述,分析了3种MPPT拓扑结构的特点,并指出光强、温度等空间环境因素,以及负载特性、系统稳定性对电源系统的影响,可为MPPT技术在我国深空探测器电源系统设计中应用提供参考。     

木星环绕探测器电源系统设计研究

木星环绕探测任务的规划,对电源系统的设计提出了新的需求和挑战。文章结合木星及木星系环绕探测器任务各个阶段的温度、光照、辐射等空间环境特点,分析了电源方案的设计需求,并调研了以美国伽利略号(Galileo)、朱诺号(Juno)和欧洲木星冰卫星探测器(JUICE)为代表的国外木星环绕探测器的电源系统设计。根据我国的能源和航天技术发展现状,比较了同位素电源和太阳电池阵2种技术路径,提出"太阳电池-蓄电池"是木星环绕探测电源系统的可行方案。最后给出了电源系统的初步设计方案和输出仿真,并通过分析建议在低温低光照太阳电池、宽域电源控制器和太阳电池辐照防护等技术方面针对任务进行适应性改进,以满足木星环绕探测的任务需求。     

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-2C星电源分系统及其在轨性能

介绍了风云二号(FY-2)C气象卫星电源分系统的组成、技术指标和工作原理,以及太阳电池阵、Cd-Ni蓄电池组和电源控制设备等主要部件的设计和改进.遥测数据分析结果显示,C星太阳电池阵功率裕度优于设计要求,采用BSFR太阳电池对方阵工作温度影响不明显,地影轨道72 min地影蓄电池最大放电深度减小,涓流态第三极电性能信号与A,B星-致.在轨运行结果表明,C星电源分系统各部件状态良好,能满足任务要求.国内首次用于地球静止轨道空间电源工程的BSFR太阳电池方阵性能稳定,蓄电池组容量增大,简化了地影期卫星地面管理,改善卫星地影期环境工作温度;解决了A,B星进出影电源分系统自主转电时全调节母线电压的负冲.     

卫星电源系统优化设计

对卫星电源系统进行总体优化设计是提高其可靠性和性能,减轻重量的一条重要途径。以太阳同步轨道卫星为背景,研究了太阳电池阵/蓄电池组联合电源系统的优化设计。包括以下内容:(1)轨道光照条件的计算方法;(2)研究了固定展开式、一个自由度对日定向式和两个自由度对日定向式等构型的太阳阵的最佳应用范围,建立了太阳阵的直流分析模型;(3)建立了蓄电池组的容量设计方法和直流分析模型,对蓄电池组的组成和充电方式,能量多圈平衡等问题进行了优化分析;(4)以太阳阵的输出功率为目标,对峰值功率跟踪(PPT)和直接能量传输(DET)两种太阳阵功率调节方式的应用范围进行了分析和比较。以电源系统的重量功率比最小为目标函数,对四种典型DET方式的电源系统配置方案进行了优化比较;(5)建立了以母线为核心的电源系统的交流小信号模型,导出母线阻抗,稳定性,瞬态响应和纹波的分析方法,对母线性能进行了优化设计;(6)对SEDSAT-1小卫星电源系统进行了仿真实验,部分验证了上述研究结果。本文的研究可用于电源系统总体设计的方案比较和方案优选过程。它将有助于定量地比较和优选电源系统设计方案,并实现降低重量功率比和提高性能的目的。     

立方星电源系统最大功率点跟踪优化控制方法

针对立方星在能量来源严重受限条件下如何提高太阳能利用率的难题，提出一种适用于立方星的集中供电式空间微电源架构(EPS)，并设计基于改进粒子群优化算法的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略来提升能量转换效率。首先，推导太阳电池阵列的数学模型，并根据太阳电池阵列的工作特性，提出电源系统最大功率点跟踪控制的物理系统实现结构。其次，设计基于改进粒子群优化(PSO)的最大功率点跟踪控制算法，并进行了数学仿真校验。最后，对所设计的电源系统架构进行了硬件实现和试验验证。地面试验结果表明，电源系统的太阳能最大转换效率可达95.5%。该电源系统成功应用于世界首颗12U立方星“翱翔之星”的飞行试验，在轨数据表明电源系统工作状态良好，为微纳卫星电源系统的设计提供了有益参考。     

MPPT不调节母线电源系统稳定性分析

提出了一种MPPT不调节母线电源系统拓扑结构,介绍了其控制策略。分别建立了两域控制模式下太阳电池阵源端与负载端稳态分析的等效电路模型,基于小信号等效分析及状态空间方程特征根求解方法,对系统稳定性进行分析,归纳了提高此类电源系统稳定性设计的方法,此研究结果可为MPPT控制技术在未来空间电源系统中应用提供设计参考。     

卫星三端口DC-DC变换器技术综述

三端口DC-DC变换器可以同时将太阳电池阵和蓄电池组的功率统一变换到负载端。从外部端口看,电源控制器可以看作一个双输入、单输出的三端口DC-DC变换器,同时实现太阳电池阵调节、蓄电池组充放电控制,并保持负载端电压稳定。文章从三端口DC-DC变换器的拓扑结构、控制方法等方面进行调研,分析不同三端口DC-DC变换器的设计原理和特点,对其关键技术和适用性加以总结,提出电源控制器优化设计建议,可为实现卫星电源系统高功率密度、低成本设计提供参考。     

创新一号微小卫星电源分系统

介绍了我国第一颗微小卫星创新一号(CX-1)电源分系统的性能、组成、工作原理,以及太阳电池阵、镉镍电池组和电源控制器等的设计和相应参数。分析了设计中采用的三域控制统一母线调节、高效三结砷化镓太阳电池发电和充电V-T曲线智能化控制管理等关键技术。飞行试验结果表明,CX-1卫星电源分系统的性能优良、工作可靠,达到了设计要求。     

倾斜轨道卫星能量平衡优化分析方法

倾斜轨道卫星的光照条件和外热流变化规律复杂,使得卫星负载功率和输入功率处于复杂动态变化之中,这给卫星能量平衡准确分析带来很大的困难。文章提出一种基于卫星能量动态关联模型的能量平衡优化分析方法,通过合理选择电源工作模式和准确定位卫星最恶劣能量平衡情况,实现电源系统合理配置,优化能量平衡分析流程。以某倾斜轨道卫星的能量平衡优化分析实践为例,应用该方法建立的能源动态关联模型,可以准确确定太阳电池阵输出能力和储能设备容量,减小电源系统质量和尺寸,由此表明该分析合理、可行。     

北斗三号卫星与上面级供电相关接口分析及验证

卫星采用运载火箭上面级发射入轨期间，经历了由大椭圆轨道至圆轨道的过程，飞行姿态经历了变轨、慢旋、分离后巡航等多个阶段。在太阳翼展开前，卫星要经历比自身变轨更为恶劣的高低温环境及能源紧张等供电风险。在分离时刻的太阳翼碰撞或干涉安全性也需要重点关注和分析。针对北斗三号一箭双星采用上面级直接入轨方式的特点，分析了卫星与上面级间的供电和热设计接口，并从双星分离安全性角度考虑，分析影响卫星与上面级接口安全性的主要要素，并对应用和验证情况进行总结。     

模块化多旋转关节空间太阳能电站方案设计

文章基于多旋转关节空间太阳能电站（MR-SPS）方案,以降低远距离高压电力传输技术难度为核心,提出一种更新的模块化多旋转关节空间太阳能电站概念。该方案在分布式太阳电池分阵和多导电旋转关节基础上,对于微波发射天线阵也进行了模块化设计和分布式布局,实现了太阳电池分阵和微波发射天线分阵的一一对应,形成多个独立的太阳能发电与能量传输模块,通过模块的扩展实现整个空间太阳能电站。该方案大幅简化了空间电力传输与管理的复杂性和在轨组装的难度。同时各个模块完全独立,组装后即可单独工作,也提高了系统的可靠性。     

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。     

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。     

多旋转关节空间太阳能电站概念方案设计

对于国际上典型的空间太阳能电站概念方案进行了分析,在此基础上提出了一种新的概念方案--多旋转关节空间太阳能电站,并给出总体构型和主要分系统初步方案设计结果。该方案采用多个相互独立的太阳电池子阵代替了传统的整体式太阳电池阵,以多个中等功率的导电旋转关节替代传统的极高功率的旋转关节,不仅解决了传统空间太阳能电站方案中的极大功率导电旋转关节技术难题,还可以避免导电关节的单点失效问题,模块化的设计也使得系统的组装和构建更加可行。