摘要 摘要 微納技術(shù)( m n t ) 和微電子機(jī)械系統(tǒng)( m e m s ) 技術(shù)的發(fā)展為投資成本低、 研制周期短、功能密度高的微小型航天器的發(fā)展提供了契機(jī)。浙江大學(xué)研制的 z d p s 1 a 衛(wèi)星在軌運(yùn)行一年多的結(jié)果表明，其電源系統(tǒng)功能正常，性能良好， 但也尚存一些不足之處。本課題在z d p s i a 衛(wèi)星電源系研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針 對(duì)某型號(hào)微小衛(wèi)星的具體任務(wù)要求，提出了一種小型、高效、長壽命、高可靠性 的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。此方案采用經(jīng)過z d p s 1 a 衛(wèi)星在軌驗(yàn)證的國內(nèi)效率最高 的三結(jié)砷化鎵太陽能電池作為一次能源，采用鋰離子電池作為二次能源，采用高 效率工業(yè)級(jí)器件完成功率交換和分配電路。在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，選擇了m p p t 代替在z d p s 1 a 上應(yīng)用的d e t 結(jié)構(gòu)，以提高太陽能電池的能量利用率，并對(duì) m p p t 進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)和初步測(cè)試。提高了z d p s 1 a 上工作不理想的分流模 塊的分流能力和加入了模塊的控制功能。根據(jù)某型號(hào)微小衛(wèi)星的具體參數(shù)，建立 了電源系統(tǒng)仿真模型，對(duì)比分析了m p p t 結(jié)構(gòu)和d e t 結(jié)構(gòu)下的太陽能電池能量 利用率，并得到了采用m p p t 結(jié)構(gòu)下，某型號(hào)微小衛(wèi)星太陽能電池面積和衛(wèi)星能 量平衡的關(guān)系。 同時(shí)，為了滿足衛(wèi)星能量平衡半實(shí)物仿真的要求，設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)了一個(gè)適合 于微小衛(wèi)星地面試驗(yàn)應(yīng)用的太陽能電池模擬裝置。此裝置具有恒壓輸出、恒流輸 出和模擬輸出三種工作方式，利用降壓型d c d c 芯片和數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)了低功 耗的功率輸出電路。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)恒壓輸出誤差 2 6 ，紋波 - j 和生活中給了 我很多指導(dǎo)，為人為學(xué)，當(dāng)為楷模。 感謝和我一起生活學(xué)習(xí)的陳宇睿碩士、沈國權(quán)碩士、蔡波碩士，感謝你們 在方方面面給我的無私幫助和勉勵(lì)。 感謝羅明玲碩士、郭媛媛工程師在我畢業(yè)設(shè)計(jì)中所做的工作，感謝向甜博 士、楊偉君博士、徐兆斌博士、汪宏浩博士、應(yīng)鵬碩士、陳江渝碩士、王俊碩士， 王志遠(yuǎn)碩士以及邱宇、何湘鄂、李劍利、徐垮軒給我的配合，幫助和支持。 感謝我的父母2 5 年來對(duì)我一如既往的無私支持。 丁立聰 2 0 1 2 2 9 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖目錄 圖1 1d e t 能量傳輸方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖5 圖1 2m p p t 能量傳輸方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖一6 圖1 3s e d s a t - 1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)框圖6 圖1 _ 4 創(chuàng)新一號(hào)微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)框圖。7 圖1 5c a n x 1 電源系統(tǒng)框圖7 圖1 - 6z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)框圖8 圖1 7c p 2 衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。8 圖2 1z d p s 1 a 電源系統(tǒng)原理框圖( 不包括虛線框部分) 1 l 圖2 2z d p s 1 a 衛(wèi)星三種工作模式下的功耗。1 2 圖2 30 2 星6 路太陽能電池電壓變化1 3 圖2 40 2 星6 路太陽能電池電流變化。1 4 圖2 50 2 星在軌2 5 天y 面太陽能電池電壓、電流變化情況1 5 圖2 - 60 2 星在軌2 5 天太陽能電池總功率變化情況1 5 圖2 70 2 星單圈鋰離子電池充放電電流變化情況1 6 圖2 80 2 星第一圈母線電壓變化情況。1 6 圖2 - 90 2 星在軌2 5 天各負(fù)載功率變化1 7 圖2 1 00 2 星在軌2 5 天電池電量變化情況。1 8 圖2 1 1衛(wèi)星能量平衡仿真結(jié)果1 8 圖2 1 2衛(wèi)星電池電量和母線電壓變化曲線( 2 0 1 0 9 2 2 2 0 1 0 1 0 1 5 ) 1 9 圖2 1 3 衛(wèi)星電池電量和母線電壓變化曲線( 2 0 1 1 3 1 5 2 0 1 1 6 1 8 ) 1 9 圖2 1 4溫度變化曲線2 0 圖2 1 5l d o 并聯(lián)二極管電路2 0 圖2 1 6z d p s 1 a 分流電路2 l 圖3 1d e t 結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 6 圖3 2m p p t 結(jié)構(gòu)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 7 圖3 3m p p t 姿態(tài)穩(wěn)定情況負(fù)載功率拉偏情況( m p p t 效率1 0 0 ) 2 8 x 圖目錄 圖3 4d e t 結(jié)構(gòu)姿態(tài)穩(wěn)定情況下負(fù)載功率拉偏情況2 8 圖3 - 5最差姿態(tài)情況下m p p t 負(fù)載功率拉偏情況( m p p t 效率1 0 0 ) 2 9 圖3 - 6 最差姿態(tài)情況下d e t 結(jié)構(gòu)負(fù)載功率變化情況2 9 圖3 7 姿態(tài)穩(wěn)定時(shí)單面布片系數(shù)和m p p t 效率關(guān)系圖3 0 圖3 8姿態(tài)最差時(shí)單面布片系數(shù)和m p p t 效率關(guān)系圖3 0 圖3 - 9 某型號(hào)微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)原理框圖3 1 圖3 1 0 某型號(hào)l d o 輸出電流和兩端壓降關(guān)系圖3 4 圖3 1 l某型號(hào)l d o 輸出電壓和兩端壓降關(guān)系圖3 4 圖3 1 2l d o 和太陽電池連接示意圖3 4 圖3 1 3鋰離子電池循環(huán)特性圖3 7 圖3 1 4電源系統(tǒng)m p p t 結(jié)構(gòu)框圖3 8 圖3 15m p p t 原理框圖3 9 圖3 1 6 分流模塊原理框圖3 9 圖3 1 7 繼電器電路結(jié)構(gòu)4 1 圖3 18單路d c d c 變換4 2 圖3 19 雙路d c d c 變換4 3 圖3 2 0限流防短路模塊結(jié)構(gòu)4 3 圖3 2 l電源監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)4 3 圖3 2 2d c d c 軟啟動(dòng)原理框圖4 5 圖4 1 太陽能電池工作點(diǎn)變化曲線4 7 圖4 2 登山擾動(dòng)觀察法示意圖4 8 圖4 3m p p t 電路框圖5 0 圖4 - 4 開關(guān)模式變壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)5 0 圖4 5d c d c 外圍電路結(jié)構(gòu)5 2 圖4 - 6m p p t 軟件流程圖5 2 圖4 7m p p t 模塊測(cè)試平臺(tái)5 3 圖4 - 8m p p t 系統(tǒng)中太陽能電池輸出電壓理論值和實(shí)測(cè)值對(duì)比圖5 4 圖4 - 9m p p t 系統(tǒng)中太陽能電池電流、電壓輸出曲線一5 4 圖5 1太陽能電池伏安特性曲線5 8 x i 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖5 2 圖5 3 圖5 - 4 圖5 5 圖5 - 6 圖5 7 圖5 8 圖5 - 9 圖5 1 0 圖5 1 l 圖5 1 2 圖5 1 3 圖5 1 4 圖5 1 5 圖5 1 6 圖5 1 7 圖5 1 8 圖5 1 9 圖5 2 0 圖5 2 1 圖5 2 2 圖5 2 3 圖5 - 2 4 光照強(qiáng)度太陽能電池性能的影響5 8 溫度對(duì)太陽能電池性能的影響5 8 太陽能電池等效電路5 9 太陽能電池實(shí)測(cè)曲線和理論曲線對(duì)比6 l 太陽能電池負(fù)載工作點(diǎn)示意圖6 2 太陽能電池電壓等分示意圖6 3 太陽能電池模擬裝置原理框圖6 4 太陽電池模擬裝置變壓部分示意圖6 4 模擬裝置輸出電流電壓范圍。6 5 太陽能電池模擬裝置保護(hù)電路示意圖6 5 太陽能電池模擬裝置工作流程圖6 6 模擬裝置恒壓模式空載時(shí)理論電壓和實(shí)測(cè)電壓關(guān)系圖6 9 模擬裝置恒壓模式空載時(shí)輸出電壓紋波7 0 模擬裝置恒壓模式負(fù)載約1 0q 時(shí)理論電壓和實(shí)測(cè)電壓關(guān)系圖7 0 模擬裝置恒壓模式負(fù)載約1 0q 時(shí)輸出電壓紋波7 1 模擬裝置恒壓模式負(fù)載約2q 時(shí)理論電壓和實(shí)測(cè)電壓關(guān)系圖7 1 模擬裝置恒壓模式負(fù)載約2q 時(shí)輸出電壓紋波7 2 d c d c 芯片過熱保護(hù)時(shí)太陽電池模擬裝置輸出電壓波形7 2 模擬裝置恒流模式負(fù)載約2q 時(shí)理論電流和實(shí)測(cè)電流關(guān)系圖7 3 模擬裝置恒流模式負(fù)載1 0q 時(shí)理論電流和實(shí)測(cè)電流關(guān)系圖7 3 太陽能電池理論和實(shí)測(cè)伏安特性曲線對(duì)比圖( 參數(shù)1 情況) 7 4 不同光照條件下的i - v 特性曲線。7 5 不同溫度條件下的二y 特性曲線。7 5 x i i 表目錄 表1 1 表1 2 表1 3 表l - 4 表1 5 表2 1 表2 - 2 表2 3 表3 - 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 - 5 表3 - 6 表4 1 表4 2 表5 1 表5 2 表5 3 表5 _ 4 表5 5 表5 - 6 表5 7 表目錄 衛(wèi)星分類2 空間太陽能電池性能4 各種星上蓄電池的比較5 d e t 和m p p t 結(jié)構(gòu)的性能比較6 部分微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)8 0 2 星各面太陽能電池性能地面測(cè)試結(jié)果一1 5 0 2 星各面太陽能電池在軌測(cè)試性能1 5 0 2 星在軌2 5 天各負(fù)載功率情況1 7 某型號(hào)衛(wèi)星電源系統(tǒng)需求分析2 4 t r i j u n c t i o ng a l n p 2 g a a s g e 太陽電池特性參數(shù)( 2 5 。c ) 一3 2 穩(wěn)壓二極管特性特性4 0 穩(wěn)壓管i v 曲線圖4 0 限流芯片特性4 0 某型號(hào)繼電器特性4 1 部分m p p t 性能比較4 9 太陽能電池輸出電壓理論電壓和實(shí)際值5 4 太陽能電池電流理論值和實(shí)際值對(duì)比6 1 太陽能電池模擬裝置空載時(shí)恒壓模式輸出電壓數(shù)據(jù)6 9 模擬裝置恒壓模式負(fù)載約1 0q 情況下輸出電壓數(shù)據(jù)7 0 模擬裝置負(fù)載約2q 情況下恒壓模式輸出電壓數(shù)據(jù)7 l 模擬裝置恒流模式負(fù)載約2q 情況下輸出電流數(shù)據(jù)7 3 模擬裝置恒流模式負(fù)載1 0 q 情況下輸出電流數(shù)據(jù)7 3 模擬工作模式下的輸出電流。電壓數(shù)據(jù)( 參數(shù)1 情況) 7 4 緒論 第1 章緒論 1 1 引言 自1 9 5 7 年人類向太空發(fā)射第一個(gè)航天器以來，經(jīng)過全世界科學(xué)家的艱苦努 力，航天技術(shù)在短短的5 0 年間取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究 和大眾生活有著深遠(yuǎn)的影響。然而，傳統(tǒng)大功率、長壽命、多用途的航天器的研 制周期長、費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)復(fù)雜，嚴(yán)重制約了航天技術(shù)的發(fā)展。因此，航 天器的微小型化研究成為一種必然。2 0 世紀(jì)8 0 年代，微納技術(shù)( m i c r o n a n o t e c h n o l o g y ，m n t ) 和微電子機(jī)械系統(tǒng)( m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為航天器的微小型化發(fā)展提供了契機(jī)，微小衛(wèi)星研制的熱潮應(yīng) 運(yùn)而生【1 【2 1 。相較于傳統(tǒng)大衛(wèi)星，微小衛(wèi)星具有功能密度高、技術(shù)性能高、投資 與運(yùn)營成本低、靈活性強(qiáng)、系統(tǒng)建設(shè)周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，且可利用分布式的星座 來實(shí)現(xiàn)目前大衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的任務(wù)3 】 4 】，在未來的空間技術(shù)中擁有很大的潛力 電源系統(tǒng)( e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，e p s ) 是航天器上產(chǎn)生、儲(chǔ)存、變換、 調(diào)節(jié)和分配電能的分系統(tǒng)，基本功能是通過某種物理或化學(xué)變化，將光能、核能 或化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，并根據(jù)需要進(jìn)行儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)和交換，然后向航天器的各個(gè) 系統(tǒng)供電瞳任何一個(gè)航天器都必須配備一個(gè)合適、可靠的電源系統(tǒng)，其供電質(zhì) 量的優(yōu)劣，將直接影響到航天器的性能和工作壽命。電源系統(tǒng)作為小衛(wèi)星平臺(tái)的 關(guān)鍵系統(tǒng)之一，為了滿足衛(wèi)星微小型化的發(fā)展要求，必須進(jìn)行小型化的研究。然 而，微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研究，不是將傳統(tǒng)大衛(wèi)星的電源系統(tǒng)小型化，而是要根 據(jù)微小衛(wèi)星自身的特點(diǎn)和研究要求，將適合于小衛(wèi)星應(yīng)用的先進(jìn)總體設(shè)計(jì)思想和 部件研制技術(shù)應(yīng)用于微小衛(wèi)星上，在保證電源系統(tǒng)功能、性能、可靠性等方面的 基礎(chǔ)上，減小電源系統(tǒng)的比重，提高功能密集度，降低開發(fā)成本和縮短研制周期。 2 0 1 0 年9 月2 2 日，由浙江大學(xué)自主研制的“皮星一號(hào)a ”( z d p s 1 a ) 衛(wèi)星 在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，至今已正常工作1 6 個(gè)多月，獲得圓滿成功。 z d p s 1 a 衛(wèi)星的正常工作，表明其電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是可行的，系統(tǒng)的功能、 性能和可靠性于已經(jīng)基本得到了驗(yàn)證。然而，z d p s 一1 a 衛(wèi)星作為我國第一顆公 斤級(jí)的衛(wèi)星，在能源系統(tǒng)硬件、地面仿真系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)上還存在一些不足，需要 1 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 在后續(xù)的工作中進(jìn)行改進(jìn)。更重要的是，z d p s 1 a 衛(wèi)星僅是一個(gè)技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)， 如果要使得微小衛(wèi)星充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在航天產(chǎn)業(yè)中展現(xiàn)更大的作用，必然對(duì)衛(wèi) 星的功能、性能、可靠性、成本和研制周期有更高的要求，這就需要在微小衛(wèi)星 電源系統(tǒng)克服微小衛(wèi)星資源有限的困難，采用先進(jìn)技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)性能高、重量 輕和體積小等的目標(biāo)繼續(xù)努力，這些也是微小衛(wèi)星技術(shù)自身發(fā)展的必然趨勢(shì) 1 2 微小衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀 一般來講，微j , y _ 星是指1 0 1 0 0 公斤級(jí)的衛(wèi)星，如表1 1 所示。本文所提 到的微小衛(wèi)星，指百公斤級(jí)別及其以下的衛(wèi)星，旨在通過對(duì)這些衛(wèi)星的了解，總 結(jié)在微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)上研究的經(jīng)驗(yàn)，為后期幾十公斤級(jí)的衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 提供經(jīng)驗(yàn)。 表1 - 1 衛(wèi)星分類【6 】 星體分類 星體質(zhì)量k g 大衛(wèi)星 中型衛(wèi)星 小衛(wèi)星 微小衛(wèi)星 納衛(wèi)星 皮衛(wèi)星 飛衛(wèi)星 自2 0 世紀(jì)8 0 年代出現(xiàn)微小衛(wèi)星的研究熱潮以來，世界上已有2 0 多個(gè)國家 和地區(qū)展開了對(duì)微小衛(wèi)星的研究，并呈現(xiàn)出以技術(shù)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，學(xué)校 研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門共同合作開發(fā)的態(tài)勢(shì)。目前，美國、俄羅斯、英國和意大利 都擁有了自己的小衛(wèi)星和小衛(wèi)星平臺(tái)乃至星座，印度、韓國、日本和巴西等也以 此為切入點(diǎn)，帶動(dòng)航天技術(shù)的發(fā)展。 在歐洲，英國的薩瑞技術(shù)有限公司( s u r r ys a t e l l i t et e c h n o l o g yl t d s s t l ) 是微小衛(wèi)星研究領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊【7 1 其在2 0 多年研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了 m i c r o s a t - 7 0 平臺(tái)，此平臺(tái)研究的衛(wèi)星質(zhì)量在5 0 - 7 0k g ，具有承載2 5k 載荷的能 力，適合應(yīng)用多種火箭。至今，已經(jīng)發(fā)射了十多顆這類平臺(tái)的衛(wèi)星，其中包括中 國清華大學(xué)的“清華一號(hào)”衛(wèi)星【8 1 ，葡萄牙的p o s a t - 1 衛(wèi)星等。 在美國，以國防預(yù)研局為首的軍方和國家宇航局先后提出了“小衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng) 咖刪吾|i硼邶堋眥脅脅卜知 緒論 新計(jì)劃”、“新盛世”等微小衛(wèi)星計(jì)劃。2 0 0 0 年1 月2 6 日，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃 局成功的以子母星的方式發(fā)射了5 顆微小衛(wèi)星。母星j a w s a t 由空軍軍官學(xué)校 與韋伯州立大學(xué)聯(lián)合研制，重8 6k g ，大小8 6c m 8 9c m x l 0 7c m ，攜帶等離子體 衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)裝置以及姿態(tài)控制平臺(tái)( a t t i t u d ec o n t r o lp l a t f o r m ，a c p ) ，入軌后立即 釋放4 顆子星，體現(xiàn)了現(xiàn)代微小衛(wèi)星發(fā)展相當(dāng)高的水平。不僅如此，2 0 0 0 年2 月7 日，a e r o s p a c e 公司生產(chǎn)的兩顆繩系皮衛(wèi)星從近地球軌道上的母衛(wèi)星“o p a l ” 上送入太空，每顆衛(wèi)星約1 0 1 2c m x 7 1 6c m x 2 1 5c m ，質(zhì)量小于2 3 0g 。這次發(fā)射 是世界上第1 次發(fā)射的功能較全的皮衛(wèi)星。后來，由美國斯坦福大學(xué)( s t a n f o r d u n i v e r s i t y ) 和加州理工州立大學(xué)( c a l i f o r n i ap o l y t e c h n i cs t a t eu n i v e r s i t y ) 共同發(fā) 起了“立方星( c u b e s a t ) ”研制計(jì)劃，并且制定了c u b e s a t 標(biāo)準(zhǔn)，掀起了世界范 圍內(nèi)大學(xué)研究衛(wèi)星的熱潮美國由于有良好的技術(shù)基礎(chǔ)，在發(fā)展微小衛(wèi)星方面一 直走在世界的前列，目前已進(jìn)入現(xiàn)代小衛(wèi)星及星座技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的試驗(yàn)、驗(yàn)證階 段。 我國的微小衛(wèi)星研究起步較晚，在國家航天部門的重視和我國科研人員的努 力下，取得了一些的成果，先后發(fā)射了“清華一號(hào)”、“創(chuàng)新一號(hào)”、“探索一號(hào)”， “希望一號(hào)”、“納星一號(hào)”、z d p s 1 a 、“神舟7 號(hào)伴飛衛(wèi)星”等微小衛(wèi)星，積累了 一些微小衛(wèi)星研制的經(jīng)驗(yàn)。 2 0 0 0 年1 月2 8 日，由清華大學(xué)和s s t l 合作研制的“清華一號(hào)”小衛(wèi)星成功 發(fā)射。該小衛(wèi)星體積4 0c m x 4 0c m x 7 0c m ，重量7 0k g ，主要用于環(huán)境與災(zāi)害 檢測(cè)、民用特種通信及科普教育等方面，衛(wèi)星運(yùn)行良好。2 0 0 3 年1 0 月2 1 日， 由中國科學(xué)院研制的“創(chuàng)新一號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射，該衛(wèi)星質(zhì)量小于1 0 0k g ，主要 用于交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)和防汛抗旱等的數(shù)據(jù)信息傳遞。2 0 0 4 年4 月1 8 日，“試 驗(yàn)衛(wèi)星一號(hào)”和“納星一號(hào)”成功發(fā)射。試驗(yàn)一號(hào)衛(wèi)星重2 0 4k g ，是一顆用于立體 測(cè)繪的小衛(wèi)星?！凹{星一號(hào)”衛(wèi)星質(zhì)量在2 5 埏左右，體積小于0 0 4m 3 ，主要用于 軌道保持預(yù)報(bào)變軌、對(duì)地成像試驗(yàn)和衛(wèi)星程序上載與軟件試驗(yàn)等。 浙江大學(xué)研制的z d p s 1 a 衛(wèi)星是首顆完全我國自主研制的公斤級(jí)微小衛(wèi)星， 質(zhì)量3 5k ，大小僅為1 5c m x l 5c r u x l 5c m ，其主要任務(wù)是對(duì)皮衛(wèi)星若干關(guān)鍵技 術(shù)進(jìn)行集成試驗(yàn)，檢驗(yàn)皮衛(wèi)星的總體設(shè)計(jì)和單機(jī)部件，為皮衛(wèi)星后續(xù)發(fā)展和軍事 領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 1 3 1 電源系統(tǒng)重要部件的發(fā)展 提高太陽電池和蓄電池性能、電源分系統(tǒng)部件集成化設(shè)計(jì)、采用模塊化設(shè)計(jì) 等方法，是減小電源分系統(tǒng)重量、體積和成本的重要途徑，因此以上各部件的發(fā) 展對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要。 1 太陽能電池現(xiàn)狀 太陽能電池是現(xiàn)今發(fā)射的大部分航天器的供能器件，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2 0 世紀(jì)9 0 年代初期，小衛(wèi)星大部分使用s i 太陽能電池，到了9 0 年代末期，薄s i 太陽能 電池取代了s i 太陽能電池的地位進(jìn)入2 1 世紀(jì)以來，高效三結(jié)砷化鎵 ( t r i j u n c t i o ng a l n p 2 g a a s g e ) 電池開始在空間使用。如2 0 0 2 年6 月美國發(fā)射 的g a l a x y i i c 衛(wèi)星采用了美國s p e c t r o l a b 生產(chǎn)的效率高達(dá)2 6 5 的改進(jìn)型三結(jié) g a a s 電池。2 0 0 3 年發(fā)射的h e r s c h e l 是首次使用效率高達(dá)2 7 的三結(jié)g a a s 電池。 著名的立方星幾乎都使用三結(jié)g a a s 電池作為一次電源。在我國，國產(chǎn)三結(jié)g a a s 電池也在“希望一號(hào)”衛(wèi)星和z d p s 1 a 衛(wèi)星都進(jìn)行過在軌試驗(yàn)，性能良好。所以， 三結(jié)g a a s 電池是現(xiàn)階段微小衛(wèi)星最理想的一次能源。部分太陽能電池效率如表 1 - 2 所示。 表1 2 空間太陽能電池性能f 9 】 2 5 c 舳條件下太弼乜池效孝 2 蓄電池 蓄電池作為主流的衛(wèi)星儲(chǔ)能部件，是衛(wèi)星陰影區(qū)唯一的能源，一旦失效，航 緒論 天器將癱瘓，因此其性能和可靠性的要求很高。表1 3 是部分衛(wèi)星用蓄電池性能 比較，綜合考慮比能量、能量密度、壽命等條件，可知l i i o n 和l i p o l y m e r 優(yōu) 于其他兩種電池。然而，l i p o l y m e r 電池的固態(tài)內(nèi)阻大，比功率小；商用l i p o l y m e r 電池一般為塑封，在真空環(huán)境中會(huì)膨脹；更重要的是，l i p o l y m e r 電池中有金屬 鋰的存在，安全性不高，以上三點(diǎn)原因使得其不利于太空應(yīng)用。相反，l i i o n 電 池內(nèi)阻小，用金屬容器密封，無金屬鋰的存在，是微小衛(wèi)星儲(chǔ)能部件的最佳選擇 1 1 0 0t 1 1 1 2 1 。 表1 - 3 各種星上蓄電池的比較1 3 】【1 4 1 3 其他部件 微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的其它部件有功率變換單元、控制單元、分流調(diào)節(jié)單元。 在近些年來一些微小衛(wèi)星對(duì)商業(yè)器件的太空試驗(yàn)表明，在保障系統(tǒng)完備的情況下， 商業(yè)器件也可以滿足太空使用的要求，因此，功率變換單元、控制單元、分流調(diào) 節(jié)單元都可以選則商業(yè)器件來完成，大大減小了衛(wèi)星體積和成本。 1 3 2 電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按能量傳輸?shù)姆绞娇煞譃橹苯幽芰總鬏? d i r e c t e n e r g yt r a n s f e r ，d e t ) 和峰值功率追蹤( m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k ，m p p t ) 的方式【1 6 1 ，如圖1 1 和圖1 2 。 圖1 1d e t 能量傳輸方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 瓤 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖l - 2m p p t 能量傳輸方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 d e t 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)太陽電池工作點(diǎn)隨負(fù)載變化，m p p t 則能夠使得太陽能電池始 終工作在最大功率點(diǎn)上。d e t 和m p p t 結(jié)構(gòu)優(yōu)性能比較如表1 2 。 表1 4d e t 和m p p t 結(jié)構(gòu)的性能比較 在微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需基于衛(wèi)星的實(shí)際情況，綜合考慮太陽能電 池的能量利用率、電路的復(fù)雜程度、系統(tǒng)的傳輸效率等因素，選擇適合的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)。 s e d s a t - 1 衛(wèi)星是美國阿拉巴馬大學(xué)開發(fā)的一顆學(xué)生小衛(wèi)星【1 7 】，其電源系統(tǒng) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 3 所示。s e d s a t - 1 電源系統(tǒng)由太陽電池陣、二極管、蓄電池組 和供電母線組成，采用d e t 拓?fù)?，單一不調(diào)節(jié)母線結(jié)構(gòu)。蓄電池組通過二極管、 繼電器開關(guān)和限流電阻的并聯(lián)電路接于母線，母線電壓1 2 - 2 4 v ，負(fù)載平均功率 1 4 5w ，峰值功率7 0w ，二次電源為分散式配置，每個(gè)負(fù)載都配有自己的d c d c 變換器。太陽能電池陣為充電陣和供電陣雙陣合一的模式。 圖1 3s e d s a t - 1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)框圖 6 緒論 “創(chuàng)新一號(hào)”衛(wèi)星為我國發(fā)射的一顆微小衛(wèi)星，其電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 4 所 示【18 1 。t 創(chuàng)新一號(hào)，的電源系統(tǒng)采用d e t 模式，單一全調(diào)節(jié)母線結(jié)構(gòu)。蓄電池與 母線之間有充放電調(diào)節(jié)模塊，保護(hù)蓄電池安全。母線與地之間有分流調(diào)節(jié)模塊和 濾波模塊，分別用來防止系統(tǒng)能量過剩和保持母線電壓穩(wěn)定，“創(chuàng)新一號(hào)”平均功 耗3 0w ，峰值功耗7 5 8 0w ，太陽能電池陣為充電陣和供電陣雙陣合一的模式。 圖l - 4 創(chuàng)新一號(hào)微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)框圖 c a n x 1 衛(wèi)星為加拿大多倫多大學(xué)研制的一顆基于立方星標(biāo)準(zhǔn)的皮衛(wèi)星，其 電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 - 5 所示【19 1 。c a n x 1 的電源系統(tǒng)采用d e t 和m p p t 相結(jié)合 的模式，單一不調(diào)節(jié)母線，蓄電池與母線直接相連。太陽能電池陣為充電陣和供 電陣雙陣合一的模式。 圖l 一5c a n x 1 電源系統(tǒng)框圖 z d p s 1 a 為我國第一顆公斤級(jí)衛(wèi)星【2 0 1 ，平均功耗只有3 5w ，電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 相對(duì)簡(jiǎn)單，采用d e t 能量傳輸方式，單一不調(diào)節(jié)母線結(jié)構(gòu)，使用穩(wěn)壓二極管作 為分流元件，鋰離子電池通過繼電器與母線相連，太陽能電池陣為充電陣和供電 陣雙陣合一，如圖1 - 6 所示。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 6z d p s 一1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)框圖 岳w i 圖1 7c p 2 衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) c p 2 衛(wèi)星是加州理工州立大學(xué)衛(wèi)星研制的符合立方星標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星，其電源系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 - 7 所示【2 。c p 2 功耗約1w ，采用m p p t 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單一不調(diào)節(jié) 母線，鋰離子電池通過充、放電保護(hù)電路接于母線，太陽能電池陣為充電陣和供 電陣雙陣合一的模式。 以上5 顆衛(wèi)星的電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比如表1 5 ： 表1 5 部分微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù) 囝 緒論 通過上表可知： 母線電壓、母線電壓調(diào)節(jié)方式、能量傳輸方式有所不同。 在太陽能電池布陣方式上都選擇了充電陣和供電陣兩陣合一的方式。這 主要是由于微小衛(wèi)星自身資源有限和功能復(fù)雜度還不是很高。在有限的 太陽能電池布片面積下，利用充電陣和供電陣兩陣合一的方式能夠盡可 能的利用太陽能電池的功率，也能夠使得后續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。 母線電壓數(shù)量都為1 條。這是由于微小衛(wèi)星功能還不是很復(fù)雜，單條母 線已經(jīng)能夠解決后續(xù)負(fù)載的供電問題，也使得電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn) 化，有利于小型化的要求。 所以，現(xiàn)今微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中1 2 2 1 1 2 3 l 【2 4 】【2 5 】，多采用單母線，單太陽 電池陣方式，有利于微小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)。在母線電壓的調(diào)節(jié)方式，根據(jù)衛(wèi)星的設(shè)計(jì) 具體要求可做具體選擇。另外，對(duì)于微小衛(wèi)星功率需求小，大規(guī)模使用商業(yè)器件 ( c o m m e r c i a l o f f - t h e s h e l f , c o t s ) ，減小體積的發(fā)展趨勢(shì)，選擇低電壓，不調(diào) 節(jié)母線具備一定優(yōu)勢(shì)，如c p 2 和z d p s i a 衛(wèi)星。在能量傳輸方式的選擇上，d e t 是是成熟而可靠的方式，被廣泛采用，但m p p t 在太陽能效率的利用上有更大的 空間，對(duì)于微小衛(wèi)星能源系統(tǒng)提高效率具備優(yōu)勢(shì)。 1 4 本論文的工作 本文以某型號(hào)微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為中心點(diǎn)，在充分調(diào)研國內(nèi)外微小衛(wèi) 星電源系統(tǒng)和分析z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，針對(duì)某型號(hào)微小衛(wèi)星 的需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗小，效率高、可靠性高的電源系統(tǒng)。另外， 還設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于微小衛(wèi)星地面試驗(yàn)的太陽能電池模擬裝置。 第l 章，緒論。闡明本課題研究的目的及意義，對(duì)微小衛(wèi)星及微小衛(wèi)星電源 系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 第2 章，z d p s i a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)在軌性能分析。對(duì)z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng) 各重要部件的在軌性能以及在軌故障進(jìn)行分析，總結(jié)了z d p s 1 a 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)某型號(hào)微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。 第3 章，某型號(hào)微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。明確某型號(hào)微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)要求、總體結(jié)構(gòu)以及和z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的不同點(diǎn)，對(duì)電源系統(tǒng)的各 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 個(gè)某塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，特別是對(duì)在z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上的不足點(diǎn)進(jìn) 行著重改進(jìn)，并且對(duì)電源系統(tǒng)的能量平衡進(jìn)行仿真 第4 章，最大功率追蹤模塊設(shè)計(jì)。對(duì)m p p t 的工作原理和算法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。 對(duì)m p p t 模塊的硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)說明，硬件設(shè)計(jì)主要基于工業(yè) 化的升降壓d c d c 集成電路芯片和數(shù)字電位器，軟件實(shí)現(xiàn)主要基于登山擾動(dòng)觀 察法。最后，對(duì)m p p t 模塊進(jìn)行初步測(cè)試并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析 第5 章，太陽能電池模擬裝置的設(shè)計(jì)對(duì)太陽能電池的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析， 推導(dǎo)求解太陽能電池工作點(diǎn)的算法完成基于降壓型工業(yè)級(jí)d c d c 芯片和數(shù)字 電位器太陽能電池模擬裝置的硬件設(shè)計(jì)。完成系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，主要包括 上、下位機(jī)的通信以及太陽能電池輸出工作點(diǎn)計(jì)算的軟件實(shí)現(xiàn)。最后，對(duì)太陽能 電池模擬裝置在三種工作模式下進(jìn)行性能測(cè)試。 第6 章，總結(jié)。對(duì)本課題研究的微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)及其相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì) 進(jìn)行總結(jié)，提出在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)上一些需要完善和進(jìn)一步驗(yàn)證的地方，提出 m p p t 模塊和太陽能電池模擬裝置設(shè)計(jì)的不足之處，最后對(duì)后續(xù)工作進(jìn)行展望。 1 5 本論文創(chuàng)新點(diǎn) 總結(jié)了我國首顆皮衛(wèi)星z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)中國產(chǎn)三結(jié)高效g a b s 0 l 池、鋰 離子蓄電池等新技術(shù)產(chǎn)品以及工業(yè)級(jí)元器件的在軌性能，為其他微小衛(wèi)星電 源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供很好的理論和實(shí)踐依據(jù)。 提出了一種基于工業(yè)級(jí)d c d c 芯片和數(shù)字電位器的，適用于微小衛(wèi)星的 m p p t 模塊的設(shè)計(jì)方法。 提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于d c d c 芯片和數(shù)字電位器的太陽能電池模擬裝置，可 根據(jù)特定的太陽能電池參數(shù)輸出特定的特性曲線，同時(shí)，也可以根據(jù)不同的 溫度和光照條件的變化，改變其輸出特性曲線此裝置模擬太陽能電池輸出 精度小于5 6 2 ，特別適合于微小衛(wèi)星試驗(yàn)應(yīng)用。 1 0 z d p s i a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)在軌性能研究 第2 章z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)在軌性能研究 2 1 本章引言 z d p s i a 衛(wèi)星是迄今為止我國發(fā)射的體積最小、重量最輕的衛(wèi)星，外形采 用立方體結(jié)構(gòu)，大小1 5c m x l 5 c m x l 5c m ( 不含天線) ，重3 5 埏，軌道高度6 0 0 7 0 0 k m ，周期約9 7m i n 的太陽同步軌道。兩顆z d p s 1 a 衛(wèi)星自2 0 1 0 年9 月2 2 日從 中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射以來，已正常工作1 年多，傳回了大量衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)。 本章將對(duì)z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，然后結(jié)合其地面測(cè)試 數(shù)據(jù)、能量仿真數(shù)據(jù)和近一年的在軌數(shù)據(jù)，分析其太陽能電池、鋰離子電池、負(fù) 載( 只包括有電流采樣的負(fù)載) 以及整星的能量平衡的在軌工作狀態(tài)，以驗(yàn)證 z d p s 1 a 電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和基本功能。同時(shí)，也對(duì)z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng) 在軌出現(xiàn)的問題總結(jié)和深入的剖析，為后續(xù)微小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提供借鑒。 2 2 z d p s 1 a 電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介 一， 圖2 1z d p s 1 a 電源系統(tǒng)原理框圖( 不包括虛線框部分) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 1 系統(tǒng)構(gòu)成 z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)由電源、電源控制設(shè)備、電源變換器、電源配電接 1 2 組成，如圖2 1 所示( 虛線部分為星務(wù)系統(tǒng)的內(nèi)容) 電源包括作為一次能源 的三結(jié)砷化鎵太陽能電池和作為二次能源的鋰離子蓄電池；電源控制設(shè)備包括太 陽電池電壓調(diào)節(jié)單元繼電器開關(guān)以及分流穩(wěn)壓二極管；電源變換器包括功率分 配單元，限流防短路單元，電源監(jiān)測(cè)單元；電源配電接1 ：2 包括電源走線及一系 列接口。此外，還有一系列測(cè)試接口。 2 2 2 工作原理簡(jiǎn)介 z d p s 1 a 衛(wèi)星選擇太陽能電池一蓄電池聯(lián)合供電電源【2 6 1 ，采用統(tǒng)一不調(diào)節(jié) 母線的d e t 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，母線電壓保持在2 7 4 2v 之間，通過直流電壓變換，為 整星提供1 8v 、2 5v 、3 3v 、5v 和7v 五種類型的二次電源。星上a d c 采集 電源系統(tǒng)的電流電壓信息給星務(wù)系統(tǒng)，以便作為衛(wèi)星控制中樞的星務(wù)系統(tǒng)對(duì)電源 系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)控制。 z d p s 1 a 電源系統(tǒng)的工作方式為：光照區(qū)，太陽能電池獲取電能，在給后 端負(fù)載供電的同時(shí)給蓄電池充電，如果光照區(qū)負(fù)載的瞬時(shí)功率超出太陽能電池的 供電能力，則由太陽能電池和蓄電池聯(lián)合為負(fù)載供電；陰影區(qū)，由蓄電池單獨(dú)為 負(fù)載供電。z d p s 1 a 衛(wèi)星有安全和正常兩種工作模式，在正常工作模式下，又 分為模擬測(cè)控應(yīng)答機(jī)工作模式和數(shù)字測(cè)控應(yīng)答機(jī)工作模式，這三種工作模式的功 率各不相同，如圖2 2 所示。星務(wù)系統(tǒng)可以根據(jù)整星的能量狀況和地面指令要求 在三種模式之間切換，以保持整星的能量平衡。 圖2 - 2z d p s 1 a 衛(wèi)星三種工作模式下的功耗 式 z d p s i a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)在軌性能研究 2 2 3 系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo) 鋰離子電池容量： 2 5a h x 5 = 1 2 5a h 鋰離子電池平均放電深度：在容量7 0 處，幅度為l o 母線工作電壓：2 7 4 。2v ( 運(yùn)載供電除外) 可提供整星系統(tǒng)平均負(fù)載功率：之3 5 0 w 電源系統(tǒng)效率：8 5 太陽電池輸出功率：平均輸出4 5w 各路供電電壓：需求電壓士2 ，紋波望0 0m v 采樣電路數(shù)據(jù)：實(shí)際值- 4 - 5 2 3z d p s 1 a 電源系統(tǒng)在軌性能測(cè)試 z d p s i a 0 1 、0 2 兩星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)一致，本節(jié)只對(duì)0 2 星測(cè)試結(jié)果進(jìn)行討論。 2 3 1 太陽能電池在軌試驗(yàn) 在皮衛(wèi)星處于不同光照角、不同負(fù)載條件下，對(duì)太陽能電池的輸出電流和電 壓的監(jiān)測(cè)，從而對(duì)太陽能電池的在實(shí)際空間環(huán)境中的表現(xiàn)進(jìn)行分析。 1 太陽能電池在軌伏安特性 ( a ) y 面( b ) + y 面( c ) + x 面 ( d ) x 面( e ) + z 面( f ) 一z 面 圖2 30 2 星6 路太陽能電池電壓變化 1 3 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( a ) - y 面 1 o 5 0 03 06 09 0 7 i ，m i n ( b ) + y 面 ( d ) x 面( e ) + z 面 1 0 5 o o3 0 6 0 9 0 t i m i n ( c ) + x 面 1 0 5 o 圖2 - 40 2 星6 路太陽能電池電流變化 o3 06 09 0 t i m i n ( f ) - z 面 圖2 3 、圖2 4 是0 2 星入軌第一天，姿態(tài)穩(wěn)定后，6 路太陽能電池電壓、電 流單圈變化圖。由圖可知，6 路電池的電壓、電流都隨著時(shí)間緩慢變化，光照區(qū) 有輸出，陰影區(qū)基本為零，體現(xiàn)了衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)，說明太陽能電池功能正常。 圖2 5 是衛(wèi)星在軌2 5 天，y 面太陽能電池電壓、電流變化。由圖知，太陽 能電池開路電壓大于5v ( 由于電壓采樣范圍設(shè)計(jì)過小，電壓采樣滿偏為5v ) ； 短路電流大于la ( 由于電流采樣設(shè)計(jì)缺陷，電流在最小時(shí)可能達(dá)到0 1 5 5a ， 可認(rèn)為電流小于0 a 時(shí)，實(shí)際值即是0 a ) 。太陽能電池地面性能測(cè)試的結(jié)果如表 2 1 ，其中。y 面開路電壓為5 3 4v ，短路電流為1 1 6 2 a ，在軌測(cè)試值和地面測(cè)試 結(jié)果基本吻合( 考慮采樣滿偏) 。其他面太陽能電池在軌測(cè)試結(jié)果列于表2 2 ， 與表2 1 對(duì)比知，太陽能電池在軌測(cè)試結(jié)果和地面測(cè)試結(jié)果基本符合。 因此，以上結(jié)果表明，0 2 星6 路太陽能電池在軌伏安特性正常。 ( a ) 一y 面電壓 1 4 0 5 o 01 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 t r a i n ( b ) y 面電流 z d p s i a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)在軌性能研究 表2 - 20 2 星各面太陽能電池在軌測(cè)試性能 2 太陽能電池功率評(píng)估 0 2 星各路太陽能電池的最大功率值列于表2 - 2 ，由表中數(shù)據(jù)可知，受照各面 太陽能電池功率均有較大輸出，表明在太空環(huán)境中太陽能電池性能良好。 圖2 - 6 是0 2 星在軌2 5 天太陽能電池總功率的變化情況。由圖可知，太陽能 電池的總功率最大可大于1 0w ，平均功率為5 4 4 8w ，而衛(wèi)星正常工作的功耗在 3 5w 左右，因此，太陽能電池的能源供給完全能夠滿足衛(wèi)星正常工作能量平衡 的需求。 1 2 r i a 陽電池總功率 1 0 8 ；6 、 也 4 2 0 01 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 0 7 ，m i n 圖2 - 60 2 星在軌2 5 天太陽能電池總功率變化情況 1 5 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 2 鋰離子電池在軌試驗(yàn) 圖2 - 7 為0 2 星鋰離子電池單圈充、放電電流變化情況。由圖可知電池充電 電流最大o 0 8a ( 0 0 6 4c ) ，時(shí)間大致6 0 分鐘；放電電流最大0 8 1a ( 0 0 8c ) ， 時(shí)間大致3 0 分鐘。因此，鋰離子電池的充、放電電流在安全范圍內(nèi)，充、放電 時(shí)間和軌道條件相符，鋰離子電池充、放電功能正常。 i 一充電i | 一。破也i 、1 r 帆， 圖2 70 2 星單圈鋰離子電池充放電電流變化情況 圖2 8 為0 2 星單圈鋰離子電池電壓變化情況。由圖可知鋰離子電池電壓為 4 6v ，高出設(shè)計(jì)值( 4 2v ) 近0 4v ，原因?qū)⒃? 4 2 節(jié)詳述。過高的工作電壓 會(huì)對(duì)鋰離子電池產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害【2 7 】【2 8 】f 2 9 1 【3 0 1 ，導(dǎo)致其性能下降，性能下降的表現(xiàn)將 在2 4 1 節(jié)詳述。 1 3 名 j l 一。，。，。一砷 秘柏 t l m i n 圖2 - 80 2 星第一圈母線電壓變化情況 2 3 3 負(fù)載功率在軌試驗(yàn) 圖2 - 9 是0 2 星在軌2 5 天各負(fù)載的功率變化情況，其中數(shù)字測(cè)控由于未開， 所以功率為0w ，飛輪在出現(xiàn)故障后，電流滿偏，功率很大各負(fù)載的在軌功率 1 6 z d p s i a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)在軌性能研究 值和地面功率值列于表2 - 3 。 1 _ 2 1 4 ， 。1 享，刪孤刪懶 08 - o 1 ；o 0 5 亂 02 5 0 0 5 。0 0 0 7 m i n ( a ) p a l n a o o2 5 0 0 5 , 0 0 0 7 - m i n ( b ) 模擬測(cè)控 差：i i r ” ( d ) 指令執(zhí)行單元( e ) 動(dòng)量輪 圖2 - 90 2 星在軌2 5 天各負(fù)載功率變化 由表2 3 中數(shù)據(jù)可知，模擬測(cè)控和p a l n a 總功率較地面測(cè)試稍小，指令執(zhí) 行單元和在軌功耗較地面測(cè)試稍大，考慮到采樣誤差等其他因素，可認(rèn)為在軌數(shù) 據(jù)和地面數(shù)據(jù)具有一致性。飛輪由于失效，功耗變得很大，表中飛輪功率的數(shù)據(jù) 是以其滿偏電流計(jì)算，因此實(shí)際飛輪功耗應(yīng)該更大。 表2 - 30 2 星在軌2 5 天各負(fù)載功率情況 2 3 4 能量平衡評(píng)估 圖2 。1 0 是0 2 星在軌2 5 天鋰離子電池電量的變化，其中認(rèn)為發(fā)射前鋰離子 電池處于滿電量( 1 0 0 ) 的狀態(tài)。由于入軌后，鋰離子電池工作在高于4 2 v 的 母線電壓下，而衛(wèi)星發(fā)射前的鋰電池電壓是4 2v ，且太陽能電池電量充足。因 此，在入軌初期，隨著充放電循環(huán)的增加，鋰離子電池的電量相應(yīng)也慢慢增加， 一 一 ；己 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 高于發(fā)射之前。經(jīng)過了一天多的在軌運(yùn)行之后，鋰離子電池總電量平衡在原先電 量的1 1 6 0 o - 1 2 1 。然后由于飛輪電流增大，衛(wèi)星能量失衡，鋰離子電池電量下 降，重新平衡在原先電量的1 1 5 左右。 平衡時(shí)，電量的波動(dòng)范圍在4 5 ，和仿真結(jié)果一致，如圖2 1 1 【13 1 。 圖2 1 00 2 星在軌2 5 天電池電量變化情況 圖2 - 1 1衛(wèi)星能量平衡仿真結(jié)果 2 4 z d p s 1 a 電源系統(tǒng)故障分析 z d p s 1 a 電源系統(tǒng)采用了高效的三結(jié)g a a s 太陽能電池、高能量密度的鋰離 子蓄電池，以及大量的工業(yè)級(jí)元器件，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)的高效和小型化設(shè)計(jì)，衛(wèi) 星的在軌的數(shù)據(jù)表明，高效三結(jié)g a a s 電池、鋰離子電池和工業(yè)級(jí)元器件在太空 工作狀態(tài)良好，在后面微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中仍可繼續(xù)采用。 當(dāng)然，z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)在軌測(cè)試結(jié)果也暴露了其一些不足，比較典型 的有如下幾個(gè)。 1 8 z d p s 1 a 衛(wèi)星電源系統(tǒng)在軌性能研究 2 4 1 鋰離子電池性能下降分析 ( a ) 電量 7 ，m i n ( b ) 母線電壓 圖2 - 1 2 衛(wèi)星電池電量和母線電壓變化曲線( 2 0 1 0 9 2 2 - 2 0 1 0 1 0 1 5 ) ( a ) 電量 o1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 0 7 ，m i n ( ”母線電壓 圖2 1 3 衛(wèi)星電池電量和母線電壓變化曲線( 2 0 1 1 3 1 5 - 2 0 1