航空航天系统电力技术介绍

一颗卫星拥有各种能源，必须工作多年，实际上代表了任务成功的基本要求。有趣的是，由于这些电力系统故障，许多早期的卫星系统都失败了。电力负载可能涉及与调节、热控制和能量管理相关的不同方面。航空航天系统电力系统的 EPS 工程需要仔细选择架构的主要和次要来源。

介绍

电力系统主要由电化学电源（即一次或二次电池）或当航天器进入太阳能覆盖率低的区域时由电池支撑的太阳能发电机组成。今天，大多数卫星都基于效率约为 30% 的先进太阳能电池和锂离子 (Li-ion) 电池。

当与太阳的距离变得太远时，通常是在木星之外，太阳通量就不能再有效地利用，而核能是剩下的唯一选择。太阳在地球轨道上每平方米提供大约 1.4 千瓦的功率，这是航天器设计人员尽最大努力利用的免费资源。 

在未来几年，这些应用中使用的三结太阳能电池将被更高效的四到六结太阳能电池所取代。新的电池技术，例如锂硫，目前正努力在能量密度上迈出新的一步。

在典型的基于卫星的电力系统中，主要系统尤其负责生成主电力总线。最受欢迎的解决方案包括使用太阳能电池板、燃料电池，或者在短期任务的情况下——例如用于将卫星和探测器送入轨道的发射器——锂离子电池。另一方面，在长期任务和太阳辐射强度较低的情况下，采用了利用塞贝克效应发电的系统，利用放射性物质的缓慢衰减。

二次电源系统用于在一次系统无法运行或无法完全满足运行场景所需的能源需求时为卫星供电。例如，对于带有太阳能电池板的卫星，这种情况发生在日食期间，此时电池板没有直接暴露在太阳下，或者卫星的倾斜减少了入射到电池板本身的辐射流。最常见的解决方案无疑是使用锂离子电池。对于需要高功率（通常超过 100 kW）的设备，还使用了可再生燃料电池。 

在电力电子领域，趋势是在提高效率的同时减小设备的尺寸。此外，在这种情况下，基于氮化镓 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 的半导体等先进组件是实现这两个目标的必要开发工作的主题。

因此，能量调节最重要的任务之一是优化控制太阳能发电机、电池和负载之间的功率交换。这意味着确保输送到负载的功率保持在它们可以接受的电压范围内，调整太阳能电池阵列的尺寸，以便在航天器设备供电的同时为电池充电。

由于电力系统是航天器的唯一资源，因此必须保护它免受可能导致其性能下降甚至停止服务的故障，尤其是在短路情况下。

考虑到使用太阳能电池板的卫星，主要来源无法发电的时期（例如日食期间）在很大程度上取决于轨道类型。通常，低地球轨道 (LEO) 日食在每个低倾角轨道上仅持续 35 分钟，而在地球静止轨道 (GEO) 中，日食仅发生在两个春分时段，24 小时内的最长持续时间为 1.2 小时.

选择电池类型时需要考虑的主要参数是使用寿命（年）、比重（kWh/kg）和体积（kWh/m 3）。通常，对卫星电池类型选择影响最大的参数是比重或根据其重量可以储存的能量。

用于太空操作的电池的关键方面之一是充电的可靠性和效率。从这个意义上说，基本参数是电池充电/放电速度、放电深度、电池过充电量和热灵敏度。

能源管理

卫星中主系统或次系统提供的电力必须经过调节并分配给船上的各种电子设备。

太阳能电池板阵列构成主要能源。在稳压应用中，面板的输出电压通过脉冲调制技术（脉宽调制）或 S3R 电路（顺序并联开关稳压器）进行调节。根据当前的能源需求和任务概况，面板矩阵的某些部分可以通过“分流转储”电路禁用；术语“太阳能组件”或 SPA 通常是指主要单元。

“分流转储”电路由源自输出电压感测或电池最大功率点跟踪的反馈控制。在这种情况下，通过改变工作电压来改变电池的工作点。

电源和配电管理子系统以设置为太阳能电池阵列峰值功率的主总线电压运行。当阵列因电离辐射而退化时，该值会随着时间而改变。

电池充电/放电单元或 BCDU 调节插入电池的电量，并且可以在空间站提供高达 6.6 kW 的功率。在日晒期间，检查电池过载量。每天，它们都要经历 16 次充电/放电循环。例如，国际空间站有大约 24 个 BCDU，每个重 100 公斤。

电源控制和分配单元，或 PCDU，是用于监控和保护初级和次级电力线的单元。通常，它具有遥测接口和对车载计算机的远程控制，以控制电源管理程序。

集成滤波器、DC/DC 转换器和合格且抗辐射的线性稳压器可用于从初级线路获得这些工作电压。一个例子是 VPT 的两个系列 DC/DC 标准转换器和附件，这些转换器和附件专为具有挑战性的太空环境而设计、测试和验证。

VPT 的 SVR 系列 DC/DC 转换器 提供适用于 LEO、MEO、GEO、深空和发射计划的合格电源解决方案。这些设备通过了 MIL-PRF-38534 K 类抗辐射认证，并且按照航空航天公司的技术操作报告 (TOR) 要求进行设计（图 2）。

图 2：SVR 系列的框图。（图片：VPT）

另一个例子是 Microsemi 的抗辐射稳压器，其中包括具有集成 FET 和电感器的混合开关稳压器，以及 LDO 和非 LDO 线性稳压器。SA50-120 系列适用于国际空间站，支持 120 Vin。SA50-120 系列的单输出版本可以并联使用以提供额外的功率。

STMicroelectronics 提供了广泛的产品组合，专门设计、封装、测试和认证，以便它们符合认证机构定义的航空航天标准。一个例子是 RHFL4913A，它由军用标准-883E 方法 1019.6 和增强的低剂量率敏感性 (ELDRS) 条件（图 3）。

图 3：RHFL4913A 的框图。（图片：意法半导体）

空间辐射

问题是辐射；空间有很多，而且大多数现代电子元件都不是为了在具有特定宇宙辐射水平的环境中工作而设计的。太空中出现的强度等级会导致电子元件出现各种问题，从简单的操作故障到完全停电。

在国际空间站等大型空间结构中，主要由 85% 的质子和 15% 的重核组成的宇宙射线流在与结构材料发生各种碰撞后部分转化为二次中子。 

除了永久性损坏 CMOS 集成电路之外，辐射还会导致单事件效应 (SEE)：单事件翻转 (SEU)、单事件功能中断 (SEFI) 和单事件瞬态 (SET)。在这种情况下，数字微电路很有趣，因为捕获的电荷可以改变 MOS 晶体管的阈值电压，这是一个与电路的消耗和速度直接相关的关键参数。

结论

电力系统无疑是新卫星计划考虑的首批设备之一。该任务对卫星电力子系统的设计产生了强烈影响，尤其是电池的设计。这需要仔细考虑从有效载荷和子系统到轨道因素和辐射对电子元件的影响的所有设计参数，以开发用于任务的主要和次要来源的正确组合。

　　审核编辑：汤梓红