卫星电源技术

卫星电源技术汇报人：2018年12月21日1、概论2、电源系统设计3、电源化学电池太阳电池太阳电池阵-蓄电池组电源氢氧燃料空间核电源4、电源变换器5、电源配电和电缆网设计卫星电源系统是星上产生、储存、变换、调节和分配电能的分系统。基本功能：通过某种物理或者化学变化转化成电能，然后向卫星各系统供电。卫星电源系统电源电源控制设备电源变换器电源适配与电缆网化学能1.化学原电池2.蓄电池3.燃料电池4.放热化学反应核能1.放射性2.聚变反应太阳能光能热能机械能电能静态（无机械运动）动态（有机械运动）星上能源星外能源能源能量转换器件航天器电源化学能化学电池原电池：锂电池蓄电池：锌银蓄电池镉镍蓄电池氢镍蓄电池燃料电池：氢氧燃料电池太阳辐射能太阳电池太阳电池阵—蓄电池组联合电源核能放射性同位素温差电偶放射性同位素温差发电器核反应堆温差电偶热离子二极管核反应堆温差发电器热离子反应堆自动控制装置维持电源正常运行所需的各种装置，比如：供水调节装置、排水装置、启动、运行和停机等自动控制装置热控装置能量转换中有一定转化效率（氢氧燃料电池效率较高，可达60%~70%），其他伴随着热效应，需要热控制系统控制温度。功率调节装置由于电源工作条件变化、负载变化及长期工作性能衰减等，导致输出功率或电压发生变化，需要稳压、功率调节器等。接口装置电源系统与卫星测控系统、数据管理系统、热控系统和地面测试系统的各种接口防护装置过流防护、限流保护、过压保护、欠压保护、极性保护等电源控制设备包括：用于调节、控制、保护并与卫星其他系统接口的各种设备，由他维持电源系统持续、正常的供电。功能1.提供电源系统的供电母线，采取母线电压滤波措施2.航天器进出阴影区时，采取母线高压限制级电池阵电压输出调节3.对蓄电池实施充电控制4.对于全调压电源系统实施蓄电池放电调节5.航天器出影时，完成太阳电池阵和蓄电池组的供电转换6.对长寿命航天器，对蓄电池组实施在轨调节7.提供电源与其他分系统及地面支持设备的接口1.光照区母线电压调节的调压器（比如硅链降压：多个二极管串联，二极管导通时有0.7V的电压降）2.蓄电池组的充电控制电路或充电调节器3.蓄电池组的输出电压调节的放电调节器4.控制母线电压调节装置、充电调节器、放电调节器的母线误差放大器5.母线滤波电容器组6.遥测、遥控接口电路近几年航天器电源系统正在朝着单母线、全调压、开关调节、模块化的方向发展。单母线接线是由线路、变压器回路和一组（汇流）母线所组成的电气主接线。优点：接线简单、设备少、操作方便缺点：母线故障、调度不方便全调压电源系统母线误差电压控制光照期和阴影器母线电压都是稳定的，叫做全调压母线。在轨再调整：全称“深放电在轨再调整”，通常在高轨道、长寿命、使用Cd-Ni电池组的电源系统中使用（受照时间长，蓄电池通常满电工作，蓄电池有记忆效应）。在轨再调整程序1）放电负载的连接方式2）放电率较低C/200—C/1000，3）放电终止判据以单体电池电压唯一放电终止判据，出现一个单体电池的电压低于0.7V时，便终止放电a整组电池放电；b单体放电卫星对电源系统的设计要求1.飞行任务要求2.供电要求：母线电压值、功率要求3.寿命及可靠性要求4.质量、体积与经费5.卫星总体和电源系统设计的相互制约6.电磁兼容性7.互换和维修要求8.安全性9.环境试验各类航天器选用不同电源。低轨道、短寿命一般选用化学原电池或蓄电池。载人航天器采用氢氧燃料电池组和太阳电池阵—蓄电池组电源。星际探测器需用核电源。大部分寿命卫星采用太阳能，少数采用反应堆。化学原电池或蓄电池苏联最初发射地球1号、2号锌银蓄电池；美国早期部分科学卫星、侦查卫星，水星号和双子星座等早期载人飞船氢氧燃料电池适用于短期载人和生物卫星。美国双子座载人飞船、阿波罗载人、航天飞机。太阳电池阵—蓄电池组电源空吉安电源主力，美国90%左右用该种电源，中国从1971年开始科学实验卫星、通信卫星、资源卫星等核电源美国只有2%，应用最多的为同位素温差发电机，子午仪4A导航卫星；核反应堆最多的是苏联发射的来打和海洋监视卫星。各类空间电源的使用比较太阳电池阵模拟器测试配电器电源控制装置蓄电池组电子负载模拟遥测遥控设备地面模拟供电及检测设备功率线信号线电源系统测试框图太阳电池等效电路图恒流负载模拟化学电池就是将化学能转换成电能的储能或者换能装置。1、原电池锌锰干电池、锌银一次性电池2、蓄电池铅酸蓄电池、锂离子电池等3、储备电池4、燃料电池(1)E0Cu2+/Cu==0.345v(2)E0Zn2+/Zn==-0.763v(3)铜锌电池在标准状态下的电池电势==0.345-(-0.763)==1.108vIPV：独立压力容器；CPV：共用压力容器；SPV：单一压力容器负极：Zn+2OH-→Zn(OH)2+2e正极：Ag2O2+H2O+2e→Ag2O+OH-Ag2O+H2O+2e→2Ag+OH-故充、放电的化学反应式为：Ag2O2+2Zn+2H2O2Ag+2Zn(OH)2充电特性特性1、放电性能优良支持低中高倍率放电，电压稳定2、比能量高（488.8kw.h/kg）3、能量输出效率85%4、充放电循环少，低温性能差电解液通氢氧化钾正极材料氧化镍负极材料金属镉电压：约1.2V(-)Cd︱KOH︱NiOOH(+)特点1、充电特性显示最佳使用温度（10±5℃）2、内阻小，可满足大电流放电3、低温下优良：—40℃放电30%~40%；—18摄氏度放电60%~70%4、循环次数多寿命长5、严重的记忆效应不同温度下氧压与充入电量的关系负极为高压氢气，正极为氧化镍，氢氧化钾为电解质，单体电压1.2V锂电池通常指金属锂为阳极活性物质的一类化学电源总称。金属锂是点位最负、比能量最高的金属材料，锂为负极的化学电电源具有高电压、高比能量。有机电解质无机电解质固体电解质熔融盐过渡金属硫化物、氧化物固体电解质熔融盐金属锂（合金）负极锂离子电池原电池蓄电池锂电池锂电池分类表锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。正极材料平均输出电压能量密度LiCoO23.7V140mAh/gLi2MnO33.7V100mAh/gLiFePO43.2V130mAh/g三元聚合物3.7V232~293mAh/g充电前充电时脱离正极充电时嵌入碳层放电时负极放电时负极钴酸锂锂离子电池LiCoO2+C=Li1-xCoO2+LixC优点1）电压高通常在3.7~3.8v，是普通蓄电池三倍2）比能量大目前达到555Wh/kg，理论值88%，三倍于普通蓄电池3）循环寿命长磷酸铁锂可以达到2000次以上4）安全性能好无记忆效应，不含镉等元素5）自放电小2%/月，Ni-Cd25~35%6）快速充电1c充电半小时80%以上7）工作温度-25℃~45℃，有望达到-40℃~70℃缺点1）衰老最大的原因是储存温度2）回收率1%的坏包率3）不耐受过冲4）不耐受过放多重保护机制，BMS的重要性充电电量储存温度0℃储存温度25℃储存温度40℃储存温度60℃40%～60%2%/年4%/年15%/年25%/年100%6%/年20%/年35%/年80%/6月太阳电池是一种能量转换的半导体器件。依靠半导体光伏效应，将太阳能直接转换为电能。太阳能电池等效电路图单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池微晶硅太阳电池砷化镓太阳电池碲化镉太阳电池铜铟镓硒太阳电池硅太阳电池化合物太阳电池基体材料分类材料理论效率值实际最大效率硅单晶2320.5砷化镓2622磷化铟2419碲化镉1816化合物太阳电池特点：1、光电转换效率高。2、抗辐照性能好。3、高温性能好。4、可制成超薄太阳电池5、可制成多结级联电池全世界发射的航天器，化学电源占5%，采用温差发电机发电器约占3%，90%以上采用太阳能电池阵—蓄电池组电源系统。两种拓扑结构太阳电池阵展开式体装式圆柱形卷式刚性基板太阳桨太阳翼半刚性刚性基板折叠式柔性基板多面体柔性基板燃料电池是一种等温进行、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的高校发电装置。酸溶液负极反应式为：2H2-4e-==4H+正极反应式为：O2+4H++4eˉ==2H2O;碱溶液负极反应式为：2H2+4OHˉ-4eˉ==4H20正极为：O2+2H2O+4eˉ==4OH转化效率：50%~70%适宜功率：1kw~10kw飞行时间：1~30天载人航天理论比能量：3600w·h/kg按电解质不同，分为酸性、碱性、固体电解质，这里介绍质子交换膜。最常用的质子交换膜（PEM）仍然是美国杜邦公司的Nafion质子交换膜。1、只能交换选择性质子（磺酸根）2、良好的质子电导率、3、水分子在膜中的电渗透作用小、3、气体在膜中的渗透性尽可能小4、电化学稳定性好5、干湿转换性能好6、具有一定的机械强度7、可加工性好8、价格适当由于核能的能量体积比和能量质量比较化学能高，且不受环境影响，所以核能在空间电源起着重要作用。核电源的种类较多，但大体由热源和发电方式两方面决定，再+散热器。热源放射性同位素热源是利用放射性同位素的衰变热核反应堆中子轰击维持可控自持链式核裂变反应温差发电机热电效应塞贝克效应（Seebeckeffect）又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。热离子发电是利用金属表面热电子发射现象提供电能的一种发电方式。爱迪生发现的。目前为止近百颗空间核电源，累积运行几十年，除了宇宙945以外，没有发生耦放射性污染事故。以核反应堆电源安全举例：核反应堆电源安全规定1、禁止使用239Pu作为核反应堆燃料，具有强烈的化学毒性2、进入到空间运行轨道前不得启动3、保证反应堆在未启动各种过程中处于深次临界状态（Ksff＜0.95~0.98）。4、核反应堆运行高度＞800km，核反应堆上空停留超过300年，300年后衰变减少4~5个数量级。安全措施1、层层设防，冗余度在0.95以上2、反应堆活性区有大量吸收中子的结构材料：钨、钼和强中子吸收材料B4C3、氢化锆作为慢化剂：温度超过700℃，释放大量氢，产生负反应，使反应堆停止。4、空气动力粉碎装置：坠入大气层的化，粉碎成100~800μm的颗粒航天器一般使用交流电变换器的比较少，只有特殊设备，如：陀螺、同步电机，才需要交流电源（交流电机，特斯拉发明）。在交流电场中是将转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动的装置。单相电容式电三相异步电机电动陀螺仪常用要在不使用使用辅助设备的情况下产生旋转磁场必须至少三相供电，三相交流电在交流电机定子绕组中可以产生旋转磁场，而且这个磁场是稳定的具有固定旋转方向的旋转磁场，4、5、6...能产生更稳定的旋转磁场，但是那样会增加变电设备和动力的成本。公司介绍上海伏日能源科技有限公司(以下简称“伏日能源”)成立于2015年，是一家军转民的示范性企业。伏日主营业务为外延片、三结砷化镓电池片、卫星叠层砷化镓电池片、砷化镓组件、商业卫星砷化镓光伏列阵、无人机太阳能电池、聚光太阳能组件、特种光伏组件及相关产品、系统设备的开发、军民融合产品、小卫星技术服务、商业卫星合作开发、聚光电站建设等。并已与中科院、航天院、浙江大学、哈尔滨工业大学等各所及院校取得合作。空间用锂离子电池具有高的比能量，能够满足LEO5年、GEO15年的长寿命使用要求。产品曾获得国家发明专利优秀奖等众多奖项，技术水平国际先进，已成功应用于神七伴星、试验、实践、嫦娥、导航卫星等数十个空间飞行器。产品详情柔性衬底，外延多结砷化镓（III-V族）太阳电池结构单体电池尺寸：2cm×4cm单体效率30%，组合效率28%面密度600g/m2，比功率500W/kg环境适应性强，温度系数-0.07%/℃,抗辐照性强应用领域：高效太阳能飞机高效三结砷化镓电池片9.0*9.4mm规格效率开路电压短路电流密度功率点电压功率点电流密度功率比面密度三结砷化