立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)技術(shù)綜述

鞏巍 李龍飛 （航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

?

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)技術(shù)綜述

鞏巍 李龍飛 （航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

Overview of Power Supply System in Cube Sat

近年來，小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展迅猛，其中微納衛(wèi)星，尤其是立方體衛(wèi)星（CubeSat），由于具有低成本、研制周期短、發(fā)射靈活等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前發(fā)展最為迅速的航天器。

1 立方體衛(wèi)星系統(tǒng)簡介

1999年，美國加州州立理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)對立方體衛(wèi)星提出了定義：即結(jié)構(gòu)尺寸為10cm×10cm×10cm的正立方體，質(zhì)量為1kg左右的皮衛(wèi)星被稱作立方體衛(wèi)星，這就是標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)立方體衛(wèi)星單元（1U）。在此基礎(chǔ)上，若干個(gè)立方體衛(wèi)星單元可以組成2U、3U的鈉衛(wèi)星架構(gòu)。2003年，第一顆立方體衛(wèi)星成功發(fā)射。在此后幾年間，立方體衛(wèi)星技術(shù)得到了飛速發(fā)展。現(xiàn)在立方體衛(wèi)星不再只局限于科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)，通過靈活編隊(duì)和組網(wǎng)能夠應(yīng)用于對地觀測、通信、空間環(huán)境探測等領(lǐng)域，具有十分廣闊的前景。

現(xiàn)在國外已經(jīng)形成了一些指導(dǎo)立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如已被各大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)廣泛采用的、由南瓜公司（Pumpkin Inc）開發(fā)的立方體衛(wèi)星工具包（CubeSat kit）。立方體衛(wèi)星工具包包含主結(jié)構(gòu)定義、基于FM430的指令和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等，所有標(biāo)準(zhǔn)模塊統(tǒng)一采用符合PC104規(guī)范的堆棧式結(jié)構(gòu)，各模塊通過2個(gè)52芯插件進(jìn)行電氣連接。

2 立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一般來說，在微小衛(wèi)星上采用的電源系統(tǒng)同樣可應(yīng)用于立方體衛(wèi)星和由其組合而成的納衛(wèi)星。然而對立方體衛(wèi)星而言，不論采用體裝式太陽電池陣還是展開式太陽電池翼，由于其體積小，受照面積有限，比起其他航天器來說，其能源供需矛盾更為突出。因此很少采用專門的放電調(diào)節(jié)器，而是采用蓄電池組輸出端直接與母線連接，即蓄電池母線的一種非調(diào)節(jié)母線。這樣設(shè)計(jì)同時(shí)為衛(wèi)星節(jié)省了體積和質(zhì)量。

直接能量傳遞電源系統(tǒng)

直接能量傳遞電源系統(tǒng)是將太陽電池陣通過隔離二極管直接連接在蓄電池組輸出正端。光照期，太陽電池陣輸出的功率直接饋送給負(fù)載，同時(shí)給蓄電池組充電；陰影期，蓄電池組直接放電供給負(fù)載工作。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是中間沒有損耗環(huán)節(jié)，傳輸效率高。在體積和質(zhì)量允許的條件下，還可加入分流調(diào)節(jié)器，避免過充，同時(shí)具有穩(wěn)定母線的作用。

直接能量傳遞電源系統(tǒng)

直接能量傳遞電源系統(tǒng)為保證全壽命期內(nèi)各種條件下太陽電池陣輸出功率能夠傳遞到母線上，必須將太陽電池陣工作點(diǎn)設(shè)置在壽命末期輸出功率自然衰降后、溫度最高的工作點(diǎn)上。而在其他狀態(tài)下，由于受到蓄電池組電壓的鉗位，太陽電池陣只能在恒流段，無法利用太陽電池陣的最大輸出功率。分流調(diào)節(jié)損耗的能量轉(zhuǎn)換成熱，因此增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和散熱要求。

最大功率點(diǎn)跟蹤電源系統(tǒng)

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）方式是微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一般是在太陽電池陣和負(fù)載之間引入一個(gè)串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器，隨時(shí)跟蹤太陽電池陣最大功率點(diǎn)。對于體裝式太陽電池陣，在軌溫度變化很大，通常每塊體裝式太陽電池陣獨(dú)立采用一個(gè)MPPT控制器。一般采用微處理器進(jìn)行控制，通過一定的算法實(shí)現(xiàn)。由于引入了串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器，MPPT控制器同時(shí)也可作為一個(gè)充電調(diào)節(jié)器。微處理器通常有3種控制模式：固定輸出模式、通過軟件設(shè)定輸出電壓模式以及最大功率點(diǎn)跟蹤模式，通過對各種模式的設(shè)定，適應(yīng)蓄電池組在不同壽命期的不同狀態(tài)。

3 立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置通常采用鋰離子蓄電池組或鋰聚合物電池組。

鋰離子蓄電池組

鋰離子蓄電池組因其比能量高成為目前電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置首選。18650型電池是商用領(lǐng)域最為成熟的一種鋰離子蓄電池，其單體標(biāo)準(zhǔn)尺寸為直徑18mm、長度65mm，單體額定容量為2Ah左右，經(jīng)串并聯(lián)組合后廣泛應(yīng)用于筆記本電腦和電動(dòng)車等產(chǎn)品。在應(yīng)用于立方體衛(wèi)星前，采用18650型單體電池經(jīng)篩選和匹配組合成的電池組，已有在數(shù)顆衛(wèi)星上成功應(yīng)用的實(shí)例。

最大功率點(diǎn)跟蹤電源系統(tǒng)

根據(jù)18650型單體電池的尺寸，在立方體衛(wèi)星的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊中可以集成兩只18650型單體。對于1U衛(wèi)星，其軌道平均功率一般不超過2W，對于低軌35min陰影時(shí)間，放電約1.1Wh，采用2只18650型電池組成的電池組，從放電倍率和放電深度上完全可以滿足需求。而對于2U、3U或更大功率需求的衛(wèi)星，可以用多個(gè)蓄電池組模塊并聯(lián)以擴(kuò)展供電能力。

鋰聚合物電池組

GomSpace公司的集成鋰離子蓄電池組模塊

鋰聚合物電池也是國外立方體衛(wèi)星廣泛應(yīng)用的儲(chǔ)能裝置。鋰聚合物電池是鋰離子蓄電池的一種，與傳統(tǒng)鋰離子電池的區(qū)別是，其正極或電解質(zhì)采用高分子材料替代。因此與傳統(tǒng)鋰離子蓄電池相比，其體積更小，可軟包裝，具有可薄型化、可任意面積化與任意形狀化等特點(diǎn)，可以配合產(chǎn)品需求，做成任意形狀與容量的電池。在充放電特性上，鋰聚合物電池質(zhì)量能量密度可比目前的鋰離子蓄電池高50%。鋰聚合物電池電壓特性與鋰離子電池沒有本質(zhì)區(qū)別，同一顆衛(wèi)星的電源系統(tǒng)，既可以選用鋰離子電池作為儲(chǔ)能裝置，也可用裝有鋰聚合物電池的模塊直接替換。國外多家公司開發(fā)了可用于立方體衛(wèi)星的鋰聚合物電池的貨架產(chǎn)品。下圖是VARTA生產(chǎn)、ClydeSpace公司集成的鋰聚合物電池組模塊，單體額定容量1.25Ah。這種裝有鋰聚合物電池的模塊厚度符合PC104的15mm標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量比鋰離子蓄電池組更輕。

鋰聚合物電池組模塊

采用分離開關(guān)和拔銷的電源系統(tǒng)接口圖

4 集中式二次電源變換器和分配器

立方體衛(wèi)星集成度高，通常由電源系統(tǒng)提供集中式二次電源DC-DC變換器，將一次母線變換成負(fù)載需要的額定5V、3.3V等穩(wěn)定的二次電源。通過一組開關(guān)將一次電源和二次電源分配給各用電負(fù)載。對于一次電源電壓為2只鋰離子蓄電池串聯(lián)電壓的電源系統(tǒng)，目前通常采用的是非隔離型降壓式（BUCK）變換器作為二次電源控制器，其效率高達(dá)90%以上，非隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可減少DC-DC體積和質(zhì)量。

采用集中式DC-DC變換器和分配器，有利于在電源端實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)。電源分配器可依據(jù)用電負(fù)載的實(shí)際工作電流設(shè)置過流保護(hù)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)電源不受損壞。當(dāng)蓄電池組發(fā)生過放電時(shí)，母線電壓降低，當(dāng)?shù)陀陬A(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值時(shí)，通過禁止二次電源變換器DC-DC的輸出，關(guān)閉全部用電負(fù)載，從而達(dá)到蓄電池組過放保護(hù)的目的。

5 星地供電接口

立方體衛(wèi)星采用“一箭多星”方式發(fā)射。發(fā)射前及發(fā)射主動(dòng)段衛(wèi)星系統(tǒng)不工作，入軌后衛(wèi)星開始加電，同時(shí)要考慮長期地面儲(chǔ)存的需求。因此，電源系統(tǒng)的星地接口設(shè)計(jì)既要保證入軌時(shí)能可靠地為衛(wèi)星系統(tǒng)加電，也要考慮長期蓄電池組自放電的影響。針對這些需求，各研究機(jī)構(gòu)研制了各種星地接口。如Clyde Space公司電源系統(tǒng)針對這兩項(xiàng)需求，設(shè)計(jì)了星地接口，其中設(shè)計(jì)了分離開關(guān)和拔銷這兩個(gè)開關(guān)。當(dāng)星箭對接后，分離開關(guān)被壓緊而處在斷開狀態(tài)，此時(shí)電源系統(tǒng)一次母線與一次電源用電設(shè)備及二次電源變換器斷開，即此時(shí)處于整星斷電狀態(tài)。星箭分離后，分離開關(guān)接通，電源系統(tǒng)為星上設(shè)備加電，衛(wèi)星系統(tǒng)開始工作。分離開關(guān)僅隔離放電，不隔離充電電路，即只要在光照區(qū)，太陽電池陣就會(huì)有電能輸出。為防止蓄電池組通過BCR放電，在蓄電池組輸出端設(shè)置了拔銷，拔銷插入電路時(shí)，蓄電池組輸出端與電源控制器處于斷開狀態(tài)；發(fā)射前將拔銷拔除，蓄電池與電源控制器電路接通。插入拔銷時(shí)，可通過地面充電端口對蓄電池組進(jìn)行充電。

6 結(jié)束語

與微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)比較，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)有許多獨(dú)特之處。國外對立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)已十分成熟，并已形成標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)出供用戶選用的“即插即用”型貨架產(chǎn)品。國內(nèi)在立方體衛(wèi)星研制方面與國外還有一定差距，國外成熟技術(shù)值得我們參考和借鑒。