衛(wèi)星電源技術(shù)課件

衛(wèi)星電源技術(shù)匯報(bào)人：2018年12月21日衛(wèi)星電源技術(shù)匯報(bào)人：2018年12月21日1概述Overview主要內(nèi)容Maincontent工作映射Workmapping01.02.03.CONTENT概述Overview主要內(nèi)容Maincontent工作映射概述01概述01概述Overview1、概論2、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、電源化學(xué)電池太陽電池太陽電池陣-蓄電池組電源氫氧燃料空間核電源4、電源變換器5、電源配電和電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)概述Overview1、概論2、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、電源化學(xué)電池主要內(nèi)容02主要內(nèi)容021、概述衛(wèi)星電源系統(tǒng)是星上產(chǎn)生、儲存、變換、調(diào)節(jié)和分配電能的分系統(tǒng)。基本功能：通過某種物理或者化學(xué)變化轉(zhuǎn)化成電能，然后向衛(wèi)星各系統(tǒng)供電。衛(wèi)星電源系統(tǒng)電源電源控制設(shè)備電源變換器電源適配與電纜網(wǎng)1、概述衛(wèi)星電源系統(tǒng)是星上產(chǎn)生、儲存、變換、調(diào)1.1電源化學(xué)能1.化學(xué)原電池2.蓄電池3.燃料電池4.放熱化學(xué)反應(yīng)核能1.放射性2.聚變反應(yīng)太陽能光能熱能機(jī)械能電能靜態(tài)（無機(jī)械運(yùn)動(dòng)）動(dòng)態(tài)（有機(jī)械運(yùn)動(dòng)）星上能源星外能源1.1電源化學(xué)能核能太陽能熱能機(jī)械能電能靜態(tài)（無機(jī)械運(yùn)動(dòng)）電源分類能源能量轉(zhuǎn)換器件航天器電源化學(xué)能化學(xué)電池原電池：鋰電池蓄電池：鋅銀蓄電池鎘鎳蓄電池氫鎳蓄電池燃料電池：氫氧燃料電池太陽輻射能太陽電池太陽電池陣—蓄電池組聯(lián)合電源核能放射性同位素溫差電偶放射性同位素溫差發(fā)電器核反應(yīng)堆溫差電偶熱離子二極管核反應(yīng)堆溫差發(fā)電器熱離子反應(yīng)堆電源分類能源能量轉(zhuǎn)換器件航天器電源化學(xué)能化學(xué)電池原電池：鋰電1.2電源控制設(shè)備自動(dòng)控制裝置維持電源正常運(yùn)行所需的各種裝置，比如：供水調(diào)節(jié)裝置、排水裝置、啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)等自動(dòng)控制裝置熱控裝置能量轉(zhuǎn)換中有一定轉(zhuǎn)化效率（氫氧燃料電池效率較高，可達(dá)60%~70%），其他伴隨著熱效應(yīng)，需要熱控制系統(tǒng)控制溫度。功率調(diào)節(jié)裝置由于電源工作條件變化、負(fù)載變化及長期工作性能衰減等，導(dǎo)致輸出功率或電壓發(fā)生變化，需要穩(wěn)壓、功率調(diào)節(jié)器等。接口裝置電源系統(tǒng)與衛(wèi)星測控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)和地面測試系統(tǒng)的各種接口防護(hù)裝置過流防護(hù)、限流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、極性保護(hù)等電源控制設(shè)備包括：用于調(diào)節(jié)、控制、保護(hù)并與衛(wèi)星其他系統(tǒng)接口的各種設(shè)備，由他維持電源系統(tǒng)持續(xù)、正常的供電。1.2電源控制設(shè)備自動(dòng)控制裝置維持電源正常運(yùn)行所需的各種裝太陽能電池陣-蓄電池電源電源控制設(shè)備功能提供電源系統(tǒng)的供電母線，采取母線電壓濾波措施航天器進(jìn)出陰影區(qū)時(shí)，采取母線高壓限制級電池陣電壓輸出調(diào)節(jié)對蓄電池實(shí)施充電控制對于全調(diào)壓電源系統(tǒng)實(shí)施蓄電池放電調(diào)節(jié)航天器出影時(shí)，完成太陽電池陣和蓄電池組的供電轉(zhuǎn)換對長壽命航天器，對蓄電池組實(shí)施在軌調(diào)節(jié)提供電源與其他分系統(tǒng)及地面支持設(shè)備的接口太陽能電池陣-蓄電池電源功能控制設(shè)備光照區(qū)母線電壓調(diào)節(jié)的調(diào)壓器（比如硅鏈降壓：多個(gè)二極管串聯(lián)，二極管導(dǎo)通時(shí)有0.7V的電壓降）蓄電池組的充電控制電路或充電調(diào)節(jié)器蓄電池組的輸出電壓調(diào)節(jié)的放電調(diào)節(jié)器控制母線電壓調(diào)節(jié)裝置、充電調(diào)節(jié)器、放電調(diào)節(jié)器的母線誤差放大器母線濾波電容器組遙測、遙控接口電路近幾年航天器電源系統(tǒng)正在朝著單母線、全調(diào)壓、開關(guān)調(diào)節(jié)、模塊化的方向發(fā)展?？刂圃O(shè)備光照區(qū)母線電壓調(diào)節(jié)的調(diào)壓器（比如硅鏈降壓：多個(gè)二極管單母線單母線接線是由線路、變壓器回路和一組（匯流）母線所組成的電氣主接線。優(yōu)點(diǎn)：接線簡單、設(shè)備少、操作方便缺點(diǎn)：母線故障、調(diào)度不方便單母線單母線接線是由線路、變壓器回路和一組（匯流）母線所組成全調(diào)壓全調(diào)壓電源系統(tǒng)母線誤差電壓控制光照期和陰影器母線電壓都是穩(wěn)定的，叫做全調(diào)壓母線。全調(diào)壓全調(diào)壓電源系統(tǒng)母線誤差電壓控制光照期和陰影器母線電壓都在軌再調(diào)整在軌再調(diào)整：全稱“深放電在軌再調(diào)整”，通常在高軌道、長壽命、使用Cd-Ni電池組的電源系統(tǒng)中使用（受照時(shí)間長，蓄電池通常滿電工作，蓄電池有記憶效應(yīng)）。在軌再調(diào)整程序1）放電負(fù)載的連接方式2）放電率較低C/200—C/1000，3）放電終止判據(jù)以單體電池電壓唯一放電終止判據(jù)，出現(xiàn)一個(gè)單體電池的電壓低于0.7V時(shí)，便終止放電a整組電池放電；b單體放電在軌再調(diào)整在軌再調(diào)整：全稱“深放電在軌再調(diào)整2、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)衛(wèi)星對電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求飛行任務(wù)要求供電要求：母線電壓值、功率要求壽命及可靠性要求質(zhì)量、體積與經(jīng)費(fèi)衛(wèi)星總體和電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相互制約電磁兼容性互換和維修要求安全性環(huán)境試驗(yàn)2、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)衛(wèi)星對電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求2.2電源選擇各類航天器選用不同電源。低軌道、短壽命一般選用化學(xué)原電池或蓄電池。載人航天器采用氫氧燃料電池組和太陽電池陣—蓄電池組電源。星際探測器需用核電源。大部分壽命衛(wèi)星采用太陽能，少數(shù)采用反應(yīng)堆?；瘜W(xué)原電池或蓄電池蘇聯(lián)最初發(fā)射地球1號、2號鋅銀蓄電池；美國早期部分科學(xué)衛(wèi)星、偵查衛(wèi)星，水星號和雙子星座等早期載人飛船氫氧燃料電池適用于短期載人和生物衛(wèi)星。美國雙子座載人飛船、阿波羅載人、航天飛機(jī)。太陽電池陣—蓄電池組電源空吉安電源主力，美國90%左右用該種電源，中國從1971年開始科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、資源衛(wèi)星等核電源美國只有2%，應(yīng)用最多的為同位素溫差發(fā)電機(jī)，子午儀4A導(dǎo)航衛(wèi)星；核反應(yīng)堆最多的是蘇聯(lián)發(fā)射的來打和海洋監(jiān)視衛(wèi)星。2.2電源選擇各類航天器選用不同電源。低軌道各類空間電源的使用比較各類空間電源的使用比較2.3系統(tǒng)測試及設(shè)備太陽電池陣模擬器測試配電器電源控制裝置蓄電池組電子負(fù)載模擬遙測遙控設(shè)備地面模擬供電及檢測設(shè)備功率線信號線電源系統(tǒng)測試框圖太陽電池等效電路圖恒流負(fù)載模擬2.3系統(tǒng)測試及設(shè)備太陽電池陣測試電源控制蓄電池組電子模擬3、化學(xué)電池化學(xué)電池就是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的儲能或者換能裝置。1、原電池鋅錳干電池、鋅銀一次性電池2、蓄電池鉛酸蓄電池、鋰離子電池等3、儲備電池4、燃料電池(1)E0Cu2+/Cu==0.345v

(2)E0Zn2+/Zn==-0.763v

(3)銅鋅電池在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電池電勢

==0.345-(-0.763)==1.108v3、化學(xué)電池化學(xué)電池就是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的儲能或者換能裝置IPV：獨(dú)立壓力容器；CPV：共用壓力容器；SPV：單一壓力容器IPV：獨(dú)立壓力容器；CPV：共用壓力容器；SPV：單一壓力3.2鋅銀蓄電池負(fù)極：Zn+2OH-→Zn(OH)2+2e正極：Ag2O2+H2O+2e→Ag2O+OH-Ag2O+H2O+2e→2Ag+OH-故充、放電的化學(xué)反應(yīng)式為：Ag2O2+2Zn+2H2O

2Ag+2Zn(OH)2充電特性特性1、放電性能優(yōu)良

支持低中高倍率放電，電壓穩(wěn)定2、比能量高（488.8kw.h/kg）3、能量輸出效率85%4、充放電循環(huán)少，低溫性能差3.2鋅銀蓄電池負(fù)極：充電特性特性衛(wèi)星電源技術(shù)課件鎘鎳蓄電池電解液通氫氧化鉀正極材料氧化鎳負(fù)極材料金屬鎘電壓：約1.2V(-)Cd︱KOH︱NiOOH(+)

特點(diǎn)1、充電特性顯示最佳使用溫度（10±5℃）2、內(nèi)阻小，可滿足大電流放電3、低溫下優(yōu)良：—40℃放電30%~40%；—18攝氏度放電60%~70%4、循環(huán)次數(shù)多壽命長5、嚴(yán)重的記憶效應(yīng)不同溫度下氧壓與充入電量的關(guān)系鎘鎳蓄電池電解液通氫氧化鉀(-)Cd︱KOH︱NiOOH(+氫鎳蓄電池負(fù)極為高壓氫氣，正極為氧化鎳，氫氧化鉀為電解質(zhì)，單體電壓1.2V氫鎳蓄電池負(fù)極為高壓氫氣，正極為氧化鎳，氫氧化鉀為電解質(zhì)，單鋰電池

鋰電池通常指金屬鋰為陽極活性物質(zhì)的一類化學(xué)電源總稱。金屬鋰是點(diǎn)位最負(fù)、比能量最高的金屬材料，鋰為負(fù)極的化學(xué)電電源具有高電壓、高比能量。有機(jī)電解質(zhì)無機(jī)電解質(zhì)固體電解質(zhì)熔融鹽過渡金屬硫化物、氧化物固體電解質(zhì)熔融鹽金屬鋰（合金）負(fù)極鋰離子電池原電池蓄電池鋰電池鋰電池分類表鋰電池鋰電池通常指金屬鋰為陽極活性物質(zhì)的一類化鋰離子電池鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。正極材料平均輸出電壓能量密度LiCoO23.7V140mAh/gLi2MnO33.7V100mAh/gLiFePO43.2V130mAh/g三元聚合物3.7V232~293mAh/g鋰離子電池鋰離子電池是一種二次電池（充電電池）充電前充電時(shí)脫離正極充電時(shí)嵌入碳層放電時(shí)負(fù)極放電時(shí)負(fù)極鈷酸鋰鋰離子電池LiCoO2+C=Li1-xCoO2+LixC充電前充電時(shí)脫離正極充電時(shí)嵌入碳層放電時(shí)負(fù)極放電時(shí)負(fù)極鈷酸鋰優(yōu)點(diǎn)1）電壓高

通常在3.7~3.8v，是普通蓄電池三倍2）比能量大

目前達(dá)到555Wh/kg，理論值88%，三倍于普通蓄電池3）循環(huán)壽命長磷酸鐵鋰可以達(dá)到2000次以上4）安全性能好

無記憶效應(yīng)，不含鎘等元素5）自放電小

2%/月，Ni-Cd25~35%6）快速充電

1c充電半小時(shí)80%以上7）工作溫度-25℃~45℃，有望達(dá)到-40℃~70℃缺點(diǎn)1）衰老

最大的原因是儲存溫度2）回收率

1%的壞包率3）不耐受過沖4）不耐受過放多重保護(hù)機(jī)制，BMS的重要性充電電量儲存溫度0℃儲存溫度25℃儲存溫度40℃儲存溫度60℃40%～60%2%/年4%/年15%/年25%/年100%6%/年20%/年35%/年80%/6月優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)充電電量儲存溫度0℃儲存溫度25℃儲存溫度40℃儲存4、太陽能電池太陽電池是一種能量轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體器件。依靠半導(dǎo)體光伏效應(yīng)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。4、太陽能電池太陽電池是一種能量轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)太陽能電池等效電路圖光生伏特效應(yīng)太陽能電池等效電路圖分類單晶硅太陽電池多晶硅太陽電池非晶硅太陽電池微晶硅太陽電池砷化鎵太陽電池碲化鎘太陽電池銅銦鎵硒太陽電池硅太陽電池化合物太陽電池基體材料分類分類單晶硅太陽電池砷化鎵太陽電池硅太陽電池化合物太陽電池基體理論轉(zhuǎn)化率材料理論效率值實(shí)際最大效率硅單晶2320.5砷化鎵2622磷化銦2419碲化鎘1816化合物太陽電池特點(diǎn)：1、光電轉(zhuǎn)換效率高。2、抗輻照性能好。3、高溫性能好。4、可制成超薄太陽電池5、可制成多結(jié)級聯(lián)電池理論轉(zhuǎn)化率材料理論效率值實(shí)際最大效率硅單晶2320.5砷化鎵5太陽能電池陣-蓄電池系統(tǒng)全世界發(fā)射的航天器，化學(xué)電源占5%，采用溫差發(fā)電機(jī)發(fā)電器約占3%，90%以上采用太陽能電池陣—蓄電池組電源系統(tǒng)。兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)5太陽能電池陣-蓄電池系統(tǒng)全世界發(fā)射的航天器，化太陽能電池陣太陽電池陣展開式體裝式圓柱形卷式剛性基板太陽槳太陽翼半剛性剛性基板折疊式柔性基板多面體柔性基板太陽能電池陣太陽電池陣展開式體裝式圓柱形卷式剛性基板太陽槳太6、氫氧燃料電池燃料電池是一種等溫進(jìn)行、直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的高校發(fā)電裝置。酸溶液負(fù)極反應(yīng)式為：2H2-4e-==4H+

正極反應(yīng)式為：O2+4H++4eˉ==2H2O;

堿溶液負(fù)極反應(yīng)式為：2H2+4OHˉ-4eˉ==4H20

正極為：O2+2H2O+4eˉ==4OH轉(zhuǎn)化效率：50%~70%適宜功率：1kw~10kw飛行時(shí)間：1~30天載人航天理論比能量：3600w·h/kg6、氫氧燃料電池燃料電池是一種等溫進(jìn)行、直接將質(zhì)子交換膜燃料電池按電解質(zhì)不同，分為酸性、堿性、固體電解質(zhì)，這里介紹質(zhì)子交換膜。最常用的質(zhì)子交換膜（PEM）仍然是美國杜邦公司的Nafion質(zhì)子交換膜。1、只能交換選擇性質(zhì)子（磺酸根）2、良好的質(zhì)子電導(dǎo)率、3、水分子在膜中的電滲透作用小、3、氣體在膜中的滲透性盡可能小4、電化學(xué)穩(wěn)定性好5、干濕轉(zhuǎn)換性能好6、具有一定的機(jī)械強(qiáng)度7、可加工性好8、價(jià)格適當(dāng)質(zhì)子交換膜燃料電池按電解質(zhì)不同，分為酸性、堿性7、空間核電源由于核能的能量體積比和能量質(zhì)量比較化學(xué)能高，且不受環(huán)境影響，所以核能在空間電源起著重要作用。核電源的種類較多，但大體由熱源和發(fā)電方式兩方面決定，再+散熱器。熱源放射性同位素?zé)嵩词抢梅派湫酝凰氐乃プ儫岷朔磻?yīng)堆中子轟擊維持可控自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)7、空間核電源由于核能的能量體積比和能量質(zhì)量7.2換能器溫差發(fā)電機(jī)熱電效應(yīng)塞貝克效應(yīng)（Seebeckeffect）又稱作第一熱電效應(yīng)，是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。熱離子發(fā)電是利用金屬表面熱電子發(fā)射現(xiàn)象提供電能的一種發(fā)電方式。愛迪生發(fā)現(xiàn)的。7.2換能器溫差發(fā)電機(jī)熱離子發(fā)電7.3核反應(yīng)堆安全目前為止近百顆空間核電源，累積運(yùn)行幾十年，除了宇宙945以外，沒有發(fā)生耦放射性污染事故。以核反應(yīng)堆電源安全舉例：核反應(yīng)堆電源安全規(guī)定1、禁止使用239Pu作為核反應(yīng)堆燃料，具有強(qiáng)烈的化學(xué)毒性2、進(jìn)入到空間運(yùn)行軌道前不得啟動(dòng)3、保證反應(yīng)堆在未啟動(dòng)各種過程中處于深次臨界狀態(tài)（Ksff＜0.95~0.98）。4、核反應(yīng)堆運(yùn)行高度＞800km，核反應(yīng)堆上空停留超過300年，300年后衰變減少4~5個(gè)數(shù)量級。安全措施1、層層設(shè)防，冗余度在0.95以上2、反應(yīng)堆活性區(qū)有大量吸收中子的結(jié)構(gòu)材料：鎢、鉬和強(qiáng)中子吸收材料B4C3、氫化鋯作為慢化劑：溫度超過700℃，釋放大量氫，產(chǎn)生負(fù)反應(yīng)，使反應(yīng)堆停止。4、空氣動(dòng)力粉碎裝置：墜入大氣層的化，粉碎成100~800μm的顆粒7.3核反應(yīng)堆安全目前為止近百顆空間核電源，累積8.電源變換器8.電源變換器DC/AC變換器設(shè)計(jì)航天器一般使用交流電變換器的比較少，只有特殊設(shè)備，如：陀螺、同步電機(jī)，才需要交流電源（交流電機(jī)，特斯拉發(fā)明）。在交流電場中是將轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。單相電容式電三相異步電機(jī)電動(dòng)陀螺儀常用DC/AC變換器設(shè)計(jì)航天器一般使用交流電變換器的比旋轉(zhuǎn)磁場要在不使用使用輔助設(shè)備的情況下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場必須至少三相供電，三相交流電在交流電機(jī)定子繞組中可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而且這個(gè)磁場是穩(wěn)定的具有固定旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場，4、5、6...能產(chǎn)生更穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場，但是那樣會(huì)增加變電設(shè)備和動(dòng)力的成本。旋轉(zhuǎn)磁場要在不使用使用輔助設(shè)備的情況下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場必工作映射03工作映射03Overview產(chǎn)品公司Mainproducts01.02.CONTENT公司介紹Overview產(chǎn)品公司Mainproducts01.0244上海伏日能源科技有限公司(以下簡稱“伏日能源”)成立于2015年，是一家軍轉(zhuǎn)民的示范性企業(yè)。

伏日主營業(yè)務(wù)為外延片、三結(jié)砷化鎵電池片、衛(wèi)星疊層砷化鎵電池片、砷化鎵組件、商業(yè)衛(wèi)星砷化鎵光伏列陣、無人機(jī)太陽能電池、聚光太陽能組件、特種光伏組件及相關(guān)產(chǎn)品、系統(tǒng)設(shè)備的開發(fā)、軍民融合產(chǎn)品、小衛(wèi)星技術(shù)服務(wù)、商業(yè)衛(wèi)星合作開發(fā)、聚光電站建設(shè)等。并已與中科院、航天院、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等各所及院校取得合作。上海伏日能源科技有限公司(以下簡稱“伏日能源45宇航鋰離子電池空間用鋰離子電池具有高的比能量，能夠滿足LEO5年、GEO15年的長壽命使用要求。產(chǎn)品曾獲得國家發(fā)明專利優(yōu)秀獎(jiǎng)等眾多獎(jiǎng)項(xiàng)，技術(shù)水平國際先進(jìn)，已成功