立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)技術綜述

鞏巍 李龍飛 （航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

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立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)技術綜述

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，成為當前發(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和斯坦福大學對立方體衛(wèi)星提出了定義：即結構尺寸為10cm×10cm×10cm的正立方體，質量為1kg左右的皮衛(wèi)星被稱作立方體衛(wèi)星，這就是標準的一個立方體衛(wèi)星單元（1U）。在此基礎上，若干個立方體衛(wèi)星單元可以組成2U、3U的鈉衛(wèi)星架構。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與技術試驗，通過靈活編隊和組網能夠應用于對地觀測、通信、空間環(huán)境探測等領域，具有十分廣闊的前景。

現(xiàn)在國外已經形成了一些指導立方體衛(wèi)星設計的標準和規(guī)范，如已被各大學和研究機構廣泛采用的、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)星工具包包含主結構定義、基于FM430的指令和數據管理系統(tǒng)等，所有標準模塊統(tǒng)一采用符合PC104規(guī)范的堆棧式結構，各模塊通過2個52芯插件進行電氣連接。

2 立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓撲結構

一般來說，在微小衛(wèi)星上采用的電源系統(tǒng)同樣可應用于立方體衛(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節(jié)母線。這樣設計同時為衛(wèi)星節(jié)省了體積和質量。

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載，同時給蓄電池組充電；陰影期，蓄電池組直接放電供給負載工作。這種拓撲結構優(yōu)點是中間沒有損耗環(huán)節(jié)，傳輸效率高。在體積和質量允許的條件下，還可加入分流調節(jié)器，避免過充，同時具有穩(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設置在壽命末期輸出功率自然衰降后、溫度最高的工作點上。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。分流調節(jié)損耗的能量轉換成熱，因此增加系統(tǒng)的復雜性和散熱要求。

最大功率點跟蹤電源系統(tǒng)

最大功率點跟蹤（MPPT）方式是微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)常用的拓撲結構。一般是在太陽電池陣和負載之間引入一個串聯(lián)開關調節(jié)器，隨時跟蹤太陽電池陣最大功率點。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立采用一個MPPT控制器。一般采用微處理器進行控制，通過一定的算法實現(xiàn)。由于引入了串聯(lián)開關調節(jié)器，MPPT控制器同時也可作為一個充電調節(jié)器。微處理器通常有3種控制模式：固定輸出模式、通過軟件設定輸出電壓模式以及最大功率點跟蹤模式，通過對各種模式的設定，適應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)的儲能裝置

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的儲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)的儲能裝置首選。18650型電池是商用領域最為成熟的一種鋰離子蓄電池，其單體標準尺寸為直徑18mm、長度65mm，單體額定容量為2Ah左右，經串并聯(lián)組合后廣泛應用于筆記本電腦和電動車等產品。在應用于立方體衛(wèi)星前，采用18650型單體電池經篩選和匹配組合成的電池組，已有在數顆衛(wèi)星上成功應用的實例。

最大功率點跟蹤電源系統(tǒng)

根據18650型單體電池的尺寸，在立方體衛(wèi)星的每個標準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，可以用多個蓄電池組模塊并聯(lián)以擴展供電能力。

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)星廣泛應用的儲能裝置。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，可以配合產品需求，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品。下圖是VARTA生產、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標準，質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載需要的額定5V、3.3V等穩(wěn)定的二次電源。通過一組開關將一次電源和二次電源分配給各用電負載。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90%以上，非隔離型拓撲結構可減少DC-DC體積和質量。

采用集中式DC-DC變換器和分配器，有利于在電源端實現(xiàn)母線保護。電源分配器可依據用電負載的實際工作電流設置過流保護，當負載發(fā)生故障時，保護電源不受損壞。當蓄電池組發(fā)生過放電時，母線電壓降低，當低于預先設定的基準值時，通過禁止二次電源變換器DC-DC的輸出，關閉全部用電負載，從而達到蓄電池組過放保護的目的。

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)射主動段衛(wèi)星系統(tǒng)不工作，入軌后衛(wèi)星開始加電，同時要考慮長期地面儲存的需求。因此，電源系統(tǒng)的星地接口設計既要保證入軌時能可靠地為衛(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，各研究機構研制了各種星地接口。如Clyde Space公司電源系統(tǒng)針對這兩項需求，設計了星地接口，其中設計了分離開關和拔銷這兩個開關。當星箭對接后，分離開關被壓緊而處在斷開狀態(tài)，此時電源系統(tǒng)一次母線與一次電源用電設備及二次電源變換器斷開，即此時處于整星斷電狀態(tài)。星箭分離后，分離開關接通，電源系統(tǒng)為星上設備加電，衛(wèi)星系統(tǒng)開始工作。分離開關僅隔離放電，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置了拔銷，拔銷插入電路時，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，可通過地面充電端口對蓄電池組進行充電。

6 結束語

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