这个问题,@宇宙首富光头贝和@徐令予两位朋友回答的比较全面了。在此以近期大热的长五发射的基于东方红五号平台的GEO卫星为例,补充说明卫星上的电源分系统的作用和结构。
卫星电源系统作为卫星的重要分系统,在卫星全寿命期内为整星提供稳定的能量来源,其性能直接决定着卫星平台的功率能力以及卫星寿命两个关键技术指标,是整星不可或缺的组成部分。在全世界发射的众多卫星中,95%以上均采用太阳电池阵+组合蓄电池组作为电源系统的电能来源。因此,概括说来,卫星电源系统的组成分为三大块:“电力大管家”,即电源控制器;“发电机”,即太阳能电池板阵列;“存储电量的池子”,即蓄电池。
卫星电源系统在地面及临发射前测试、主动段飞行、转移轨道和同步轨道寿命期内承担着整星电能的转换、传输和控制任务,动态调节发电单元太阳电池阵、储能单元电池组和负载之间的功率平衡,保证一条全调节供电母线可以满足卫星平台全寿命期内有效载荷的能量需求。目前我国主流 GEO卫星的大功率电源系统,均采用 100 V 全调节母线,其中东方红四号平台电源系统主要有 6KW、9 kW 及增强型 12 kW 配置, 是我国现阶段 GEO 在轨大功率电源系统代表。
东方红五号平台电源系统功率扩展覆盖 5.4~25.2 kW。太阳电池阵采用南北翼设计,每翼 12 分阵,共 24 级分阵,太阳电池初期功率达 30 kW 以上。锂离子蓄电池两组,每组 250 Ah,采用 50 Ah 单体 5 并 20 串组合设计。
先看“电力大管家”——电源控制器
电源控制器负责对功率实施调节和控制,无论光照期或阴影期母线电压恒定为 100 V,并在发生故障时提供有效的故障隔离手。下图为东方红五号平台电源系统组成。
电源控制器是卫星电源系统的控制核心,主要功能是协调太阳电池阵和锂电池组的能量传输及与负载的功率平衡,在空间光照期时,电源控制器对太阳电池阵的输出进行分流调节稳定供电母线,优先供负载能量,多余能量对蓄电池组进行充电;在阴影期或者太阳电池阵输出功率不足时,调节储能蓄电池组放电,保证平台母线电压稳定。
电源控制器在结构上配备了光照调节器(SUN)模块、蓄电池组充放电调节器(BCDR) 模块、电容(CAPA)模块、遥测/遥控(TM/TC)模块及母板(Motherboard)模块。SUN 模块完成光照期对太阳电池阵的调节,实现光照期母线稳定;BCDR 模块完成蓄电池的放电调节及蓄电池的充电调节;CAPA 模块补充电源控制器电容容量,实现母线滤波和接地;TM/TC 模块完成信号的传输和星务计算机的通 信实现遥控遥测功能;Motherboard 模块实现电源控制器各模块间信号传递及大功率电流传输。
电源控制器采用了模块化设计,其中功率模块 SUN 模块及 BCDR 模块可根据 PCU 功率需求进行数量变化,实现 5.4~25.2 kW 的功率覆盖,SUN 模块最大扩展数量 8 个,实现 24 级太阳电池阵控制;BCDR 模块最大扩展 16 个,实现阴影期25.2 kW 平台功率需求。为实现 PCU 的小型化、轻量化和扩展性,在供电方式上采用了分散式供电,即由多个 SUN 模块对外输出电流,取代了传统利用汇流 条汇流电流后再进行集中供电的方式,这种方式减小了每条供电通路的电流应力;同时由于采用了分散式供电,使模块内部电流可以通过印制板覆铜实现大电流传输,取代了传统利用大量导线和金属汇流条传输电流,使单个模块的布局更加紧凑及功率密度大幅提升。由于分散供电,东方红五号平台电源控制器具备了供电和初级配电功能。
再看“卫星发电机”——太阳能电池板阵列
新型二维二次展开半刚性太阳翼,是国产新一代 东五GEO 卫星平台的电源系统重要组成部分,东方红五号卫星平台具有能提供更高功率、更长寿命,单体效率更高的半刚性太阳电池翼为整星供电,初期在轨功率大于 30 kW,是东方红四号卫星平台太阳翼的 2.5 倍以 上,同样分南北太阳翼,每翼配置太阳电池单板数量较东方红四号卫星平台太阳翼单板数量由 3 块升为 6 块,且单板面积增至大于 10 平方米,如图所示。
因此,东方红五号卫星平台太阳电池翼在力学、比功率、静电、辐照等方面有如下创新:
(1)结构设计
东方红五号平台电源系统太阳电池阵帆板由于单板面积大,数量多,采用了二维二次展开机构,两个单轴可二维多次展开对日定向设计,同时帆板采用半刚性设计,有效弥补了刚性帆板基频低,抗振动和冲击效果差的劣势。
(2)比功率
为满足太阳电池翼大功率的要求,同时减轻质量,提高比功率,并且提高布片率,减小帆板面积和数量,太阳电池单片采用两种规格进行布片。
(3)空间环境
在抗辐照方面,提高新研制太阳电池片的抗辐照性能,粘贴薄型抗辐照盖片。防静电方面,功率和信号传输电缆布置在基板背面,绑扎在承力较好的基板主梁上,电池模块和主梁均 对导线起到了有效的屏蔽作用。电池串联采用“S”型设计,使片间电压降到最低,避免静电放电,同时电路采取镜像对称布置,减小剩磁。
随着卫星向着更大功率趋势发展,帆板数量不断增加,面积和惯量越来越大,太阳翼展开的方式逐渐由一维一次展开向着二维多次展开方向发展。
最后再看“储电池子”——高比能量锂离子电池组
目前锂离子电池已经在地球低轨道(LEO)卫星、GEO 卫星 以及深空探测领域取得了广泛应用。我国东方红四号平台电源系统一些型号已经用锂离子电池代替氢镍电池。锂离子电池由于比能量高、循环寿命长等优势,目前在空间领域得到越来越多的应用。
东方红五号平台电源系统对锂离子蓄电池组提出了大功率、高比能量的性能及长寿命 16 年的要求。新一代锂离子蓄电池有如下特点:
(1)大功率
锂离子电池组采用 50 Ah 单体电池,以 5P10S 的组合进行模块设计,要实现电池组大功率、高比能量的性能要求,满足东方红五号平台电源的使用需求,需要电池组各个部位设 计合理,配合得当。
(2)结构设计
在提高单体锂离子蓄电池的比能量方面,除了采用高性 能正负极材料之外,在单体外壳及正负极引出焊接等方面进行减重;电池组采用汇流排设计,既提高了过电流能力又减轻 了质量。
(3)长寿命
热设计的好坏直接关系到电池的寿命,散热主要通过电池表面热辐射及电池固定套筒至结构底板散热;加热带粘贴至单体电池表面对电池采取主动控温。
(4)智能型非耗散主动均衡
锂离子电池组配置了新一代锂离子蓄电池组管理单元,其中均衡电路采用非损耗型均衡方式,利用专用集成芯片 (ASIC)负责蓄电池智能管理,有效避免了传统耗散型均衡电路 热耗大,高共模电压条件下单体电压采样精度低、均衡控制及电路自耗电大的技术难点,同时还能避免耗散型均衡中常遇见的均衡电路散热问题,减轻了卫星热控负担,从而实现高智能化、高效率的自主均衡控制,使锂离子单体电池电压偏差保持在预期的范围内,保证每个单体电池在卫星寿命期间不受到过应力冲击而发生损坏。电池管理单元中配置了By-pass 功能驱动电路,在电池组中配置了By-pass 继电器,保证了锂电池组在轨16年长寿命的使用要求。