一種柔性太陽(yáng)電池陣電傳輸解決方案

邢 路，王志彬，舒 斌，郝偉娜，謝朋儒

(上?？臻g電源研究所，上海 200245)

隨著航天器對(duì)功率需求的日益提高，空間太陽(yáng)電池陣正向著多維展開(kāi)的柔性太陽(yáng)電池陣方向發(fā)展[1-5]。從傳統(tǒng)的折疊式剛性太陽(yáng)電池陣轉(zhuǎn)變到折疊式、卷式及扇形柔性太陽(yáng)電池陣，提高功率輸出能力的同時(shí)，太陽(yáng)電池陣質(zhì)量盡可能輕，收攏體積盡可能小，電傳輸及電連接盡量方便、可靠，這對(duì)太陽(yáng)電池陣的電傳輸模式提出了特殊的要求。受折疊厚度和質(zhì)量的限制，目前國(guó)際上柔性電池陣已經(jīng)采用了一種新型柔性板間電纜，這種電纜是柔性印制電路板(flexible printed circuit)，通過(guò)印制電路靈活布線。

在此背景下，本文提出了一種適用于柔性電池陣的電傳輸解決方案，并對(duì)已解決的關(guān)鍵、瓶頸技術(shù)進(jìn)行了闡述。這種新型柔性電纜具有傳輸功率大、質(zhì)量輕、折疊體積小等特點(diǎn)，非常適合作為大面積、大功率的柔性太陽(yáng)陣的主傳輸方式，可為未來(lái)新型太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)提供新方向、設(shè)計(jì)參考和技術(shù)支撐。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 柔性太陽(yáng)電池陣簡(jiǎn)介

如圖1 所示，柔性太陽(yáng)電池陣由單體太陽(yáng)電池構(gòu)成太陽(yáng)電池組件，隨后再將電池組件按照設(shè)計(jì)要求并聯(lián)成電路，為飛行器在軌提供能源，負(fù)責(zé)在光照區(qū)內(nèi)給整器供電，同時(shí)為蓄電池組充電于陰影區(qū)進(jìn)行電能供給，柔性太陽(yáng)電池陣由于其質(zhì)量輕、收攏體積小、可重復(fù)展收等特點(diǎn)，具有極大的創(chuàng)新性和前瞻性，是目前和今后都極具競(jìng)爭(zhēng)力的太陽(yáng)電池陣構(gòu)型。

圖1 我國(guó)空間站柔性太陽(yáng)陣在軌應(yīng)用

1.2 電傳輸方案設(shè)計(jì)思路

在柔性電池陣設(shè)計(jì)上，一個(gè)核心問(wèn)題是電池電路電功率傳輸設(shè)計(jì)。需要研制一種可隨柔性太陽(yáng)陣展開(kāi)及收攏的薄型結(jié)構(gòu)電纜，將電池電路電功率、太陽(yáng)電池陣信號(hào)等傳輸?shù)教?yáng)陣根部，再由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳輸至航天器艙內(nèi)，為艙內(nèi)各單機(jī)提供能源。柔性太陽(yáng)電池陣電傳輸電纜方案遵循以下基本原則和指導(dǎo)思想：(1)整體考慮，首先分析現(xiàn)有電纜技術(shù)狀態(tài)，分析其技術(shù)滿足性及改進(jìn)措施；(2)國(guó)外調(diào)研分析，借鑒國(guó)外成熟的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合型號(hào)任務(wù)需求，設(shè)計(jì)合理方案。設(shè)計(jì)思路如圖2 所示。

圖2 柔性電纜設(shè)計(jì)思路

1.3 研制必要性

由于柔性陣基板很薄，柔性太陽(yáng)電池陣折疊后，板與板緊密對(duì)壓在一起，大部分柔性太陽(yáng)電池陣收攏厚度小于1 mm，國(guó)內(nèi)目前空間用載流能力達(dá)5 A以上的導(dǎo)線直徑均不小于1 mm。受收攏折疊厚度和質(zhì)量的限制，傳統(tǒng)常規(guī)的導(dǎo)線束已不具備安裝條件，必須研制新型電纜。根據(jù)飛行器任務(wù)分析，要求板間電纜疊層厚度不大于1.0 mm，每線具備不小于5 A 電流傳輸能力。

1.4 國(guó)外調(diào)研分析

國(guó)外為解決柔性太陽(yáng)電池陣功率傳輸問(wèn)題進(jìn)行了多年的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及技術(shù)攻關(guān)，其主要成果都體現(xiàn)在有關(guān)文獻(xiàn)中。

國(guó)際空間站(ISS)[6]采用了柔性太陽(yáng)電池陣，構(gòu)型如圖3 所示。太陽(yáng)電池陣的母線電壓達(dá)到160 V，太陽(yáng)電池陣功率是通過(guò)位于兩側(cè)的柔性板間電纜實(shí)現(xiàn)傳輸，其展開(kāi)長(zhǎng)度達(dá)32 m，傳輸總功率達(dá)到16 kW(BOL)。

圖3 國(guó)際空間站柔性太陽(yáng)電池陣及柔性板間電纜

美國(guó)于1999 年發(fā)射了EOS AM-1[7-10]衛(wèi)星，該衛(wèi)星采用類似的柔性功率信號(hào)傳輸電纜，該衛(wèi)星母線電壓達(dá)到127 V，和ISS 基本相同(126 V 母線)，對(duì)電纜的電性能要求接近。EOS AM 太陽(yáng)電池陣及柔性傳輸電纜如圖4 所示。

圖4 EOS AM柔性太陽(yáng)電池陣及柔性傳輸電纜

EOS AM 太陽(yáng)電池陣的功率傳輸柔性板間電纜其展開(kāi)長(zhǎng)度達(dá)到9 m，傳輸總功率達(dá)到5 kW(EOL)。柔性板間電纜粘貼在太陽(yáng)電池陣長(zhǎng)邊的兩側(cè)，用于傳輸太陽(yáng)電池陣的功率和信號(hào)，最終安裝在太陽(yáng)電池陣收藏箱底部的連接箱中。

2 柔性電纜方案

柔性印制電路電纜是一種創(chuàng)新技術(shù)，這種新技術(shù)對(duì)電纜的封裝和布線都是一種革命性的變革，它能將電纜體積、質(zhì)量分別減少80%、75%，它是以聚酰亞胺薄膜和銅箔為基材制成的一種具有高可靠性，絕佳可撓性的印刷電路。因航天器發(fā)射和空間環(huán)境惡劣，對(duì)柔性印制電路電纜的柔韌性、銅箔和基材的結(jié)合力以及焊盤的平面度等要求很高，根據(jù)飛行器任務(wù)需求，電纜總長(zhǎng)度不小于30 m，如此大尺寸的空間級(jí)柔性電纜在國(guó)內(nèi)也是首次研發(fā)，設(shè)計(jì)上有很大的難度。

柔性基板和柔性電纜組合選型應(yīng)基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀并結(jié)合飛行器特點(diǎn)，針對(duì)柔性電纜的技術(shù)難點(diǎn)，確定以下解決方案。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性電纜結(jié)構(gòu)形式有單層、多層、一體式、分段式等多種方式，傳輸層數(shù)越多，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)和工藝就比較復(fù)雜。

根據(jù)飛行器技術(shù)要求，在收攏狀態(tài)下兩塊基板之間的板間電纜疊層厚度小于等于1.0 mm，考慮到在疊層電纜間還要有粘結(jié)劑、焊盤厚度等條件限制，則柔性電纜的厚度控制在0.45 mm 以內(nèi)，單層和雙層電纜縱截面圖如圖5 和圖6 所示。

圖5 單層柔性電纜結(jié)構(gòu)尺寸

圖6 雙層柔性電纜結(jié)構(gòu)尺寸

從結(jié)構(gòu)上分析，兩種電纜都能滿足太陽(yáng)陣對(duì)電纜的厚度要求。由于雙層電纜每層線路數(shù)量更少，可有效控制線路間間隙，間隙寬度僅為單層電纜的一半，相同寬度條件下銅線利用率高，總傳輸電流能力大，所以雙層電纜導(dǎo)線芯線方案更優(yōu)，綜合考慮飛行器對(duì)電纜的外包絡(luò)尺寸要求，選擇一體式雙層電纜設(shè)計(jì)。

(1)載流能力設(shè)計(jì)

柔性電纜載流能力與應(yīng)用環(huán)境、使用材料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等有關(guān)。通常對(duì)于多層結(jié)構(gòu)，柔性電纜載流設(shè)計(jì)參照?qǐng)D7 和圖8 所示(外層電路和內(nèi)層電路)。詳見(jiàn)GJB 2830(撓性和剛撓性印制板設(shè)計(jì)要求)。對(duì)于空間用柔性電纜功率傳輸電路需要考慮降額設(shè)計(jì)，參照GJB/Z 35，根據(jù)需要進(jìn)行I級(jí)降額設(shè)計(jì)。

圖7 外層電路載流能力

圖8 內(nèi)層電路載流能力

為滿足載流要求，采用雙層結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，銅芯線截面積設(shè)計(jì)尺寸為5 mm×1 mm，其承載電流能力大于5 A，符合I 級(jí)降額，滿足傳輸電流要求(每線要求傳輸電流不小于5 A)，一體式雙層電纜結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 一體式雙層柔性電纜傳輸方案

(2)導(dǎo)線電阻

柔性電纜電阻計(jì)算如式(1)所示：

式中：R為電阻，Ω；ρ 為電阻率，Ω/m；l為線路長(zhǎng)度，m；s為截面積，m2。

對(duì)一體式雙層傳輸電纜方案的導(dǎo)線材料電阻率進(jìn)行分析，純銅導(dǎo)線電阻率為1.73×10－8Ω?m(20 ℃)，銅芯線截面積0.5 mm2，采用純銅導(dǎo)線其線電阻為0.034 6 Ω/m(20 ℃)，能夠滿足低電阻的要求(不超過(guò)0.04 Ω/m)。

(3)絕緣性能設(shè)計(jì)

采用聚酰亞胺作為絕緣材料，聚酰亞胺電阻率為1.5×1015Ω?m，介電強(qiáng)度為240 kV/mm，絕緣電阻可以滿足10 MΩ 的絕緣性要求。

(4)線路間隙設(shè)計(jì)

電纜應(yīng)采用可能的最大線路間距。不同功率線路、信號(hào)線路導(dǎo)線間，最小間距應(yīng)大于0.2 mm，具體可參照GJB 2830 執(zhí)行。

(5)折疊可靠性設(shè)計(jì)

柔性電纜要求折疊，在折疊頻繁，曲率較小的情況下，銅質(zhì)電纜有斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。需要根據(jù)電纜結(jié)構(gòu)層來(lái)計(jì)算最小彎曲半徑。雙層電纜人字尖最小彎曲半徑示意圖如圖10 所示。

圖10 扁平式板間電纜最小彎曲半徑示意圖

最小彎曲半徑按照式(2)計(jì)算：

式中：R為彎曲半徑，mm；d為聚酰亞胺與兩層膠厚度，mm；c為銅箔線路厚度，mm；EB為銅箔延伸率，%；D為聚酰亞胺與單層粘結(jié)劑(覆蓋膜)厚度，mm。

2.2 工藝技術(shù)

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，柔性電纜采用的是帶狀電纜加工方式，且使用聚酰亞胺作為絕緣材料，在高溫高壓下進(jìn)行制作，不同于傳統(tǒng)的擠出方式。該方式具有多芯電纜一次成型，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。但普通的層壓方式僅針對(duì)單芯或三芯等小芯數(shù)電纜，在多芯(空間站約50 芯)線數(shù)的電纜中很難保持多根芯數(shù)的平衡和穩(wěn)定，易導(dǎo)致跳線、鼓包等情況；由于層壓模具和溫度控制的精度限制，很難制成大長(zhǎng)度帶狀電纜。

研制過(guò)程中，為了解決長(zhǎng)度大于30 m 超長(zhǎng)柔性電纜的成型工藝，首先研究了張力控制技術(shù)，通過(guò)逐段冷壓排氣，熱壓預(yù)固化的方式，以保證層壓過(guò)程中張力的穩(wěn)定，保證電纜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。其次進(jìn)行無(wú)間斷層壓設(shè)備改造，精確溫度控制，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)大長(zhǎng)度層壓帶狀電纜加工工藝技術(shù)，通過(guò)工藝技術(shù)提升順利研制出了滿足長(zhǎng)度和寬度要求的柔性電纜。

2.3 空間環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

聚酰亞胺材料由于其優(yōu)良的電氣性能、機(jī)械性能及空間環(huán)境適應(yīng)性，非常適合做柔性電纜的絕緣層，但其抗原子氧能力較差，容易受到原子氧剝蝕，厚度為12.7 μm 的Kapton?(聚酰亞胺)材料樣品，暴露在軌道高度上的原子氧環(huán)境中100 h 后，原子氧對(duì)材料的剝蝕厚度達(dá)到10.4 μm，為了滿足飛行器低軌長(zhǎng)壽命要求，通過(guò)對(duì)柔性電纜表面鍍層來(lái)提高聚酰亞胺的抗原子氧能力。本方案在聚酰亞胺表面沉積了SiO2保護(hù)涂層，地面試驗(yàn)及在軌表明，SiO2涂層可以滿足原子氧防護(hù)的要求，同時(shí)還具有如下特點(diǎn)：(a)高的硬度和耐磨性；(b)韌性好，彎曲變形時(shí)不易出現(xiàn)裂紋；(c)對(duì)基體的光學(xué)性能沒(méi)有明顯的影響；(d)與基體結(jié)合力好。

3 柔性電纜成果

經(jīng)過(guò)近10 年的不斷設(shè)計(jì)完善，團(tuán)隊(duì)研制出了長(zhǎng)度達(dá)30 m 的柔性印制電路電纜，并成功應(yīng)用于我國(guó)空間站柔性太陽(yáng)電池翼上，柔性印制電路電纜主要性能指標(biāo)為：在寬度140 mm 內(nèi)可傳輸6 kW 以上的功率，傳輸電壓大于120 V，同時(shí)電纜還具備適應(yīng)空間環(huán)境的能力，低軌道原子氧環(huán)境壽命長(zhǎng)達(dá)12 a 以上，具備在軌展開(kāi)、收攏20 次后仍可正常電傳輸?shù)哪芰?。我?guó)空間站柔性太陽(yáng)翼柔性電纜如圖11 所示。

圖11 我國(guó)空間站柔性太陽(yáng)翼柔性電纜示意圖

4 結(jié)論

本文對(duì)國(guó)外柔性太陽(yáng)電池陣電傳輸方式進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)合我國(guó)飛行器柔性太陽(yáng)電池陣要求，提出了一體式雙層柔性印制電路電纜電傳輸方案，與傳統(tǒng)的傳輸電纜相比，柔性印制電路電纜具有傳輸功率密度高、折疊體積小等特點(diǎn)。該技術(shù)經(jīng)過(guò)近10 年的不斷設(shè)計(jì)完善，已成功應(yīng)用在空間站組合體柔性太陽(yáng)電池陣上，已歷經(jīng)在軌2 年多壽命的考核，電性能傳輸正常，表明我國(guó)已掌握了柔性太陽(yáng)電池陣電傳輸技術(shù)。

柔性電纜技術(shù)成功解決了在有限結(jié)構(gòu)尺寸內(nèi)完成高功率傳輸?shù)碾y題，本文總結(jié)了我國(guó)已有成功研制的柔性電纜設(shè)計(jì)方案，可為未來(lái)各種新型太陽(yáng)電池陣電傳輸設(shè)計(jì)提供參考。