一顆衛(wèi)星擁有各種能源，必須工作多年，實(shí)際上代表了任務(wù)成功的基本要求。有趣的是，由于這些電力系統(tǒng)故障，許多早期的衛(wèi)星系統(tǒng)都失敗了。電力負(fù)載可能涉及與調(diào)節(jié)、熱控制和能量管理相關(guān)的不同方面。航空航天系統(tǒng)電力系統(tǒng)的 EPS 工程需要仔細(xì)選擇架構(gòu)的主要和次要來(lái)源。

介紹

電力系統(tǒng)主要由電化學(xué)電源（即一次或二次電池）或當(dāng)航天器進(jìn)入太陽(yáng)能覆蓋率低的區(qū)域時(shí)由電池支撐的太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組成。今天，大多數(shù)衛(wèi)星都基于效率約為 30% 的先進(jìn)太陽(yáng)能電池和鋰離子 (Li-ion) 電池。

當(dāng)與太陽(yáng)的距離變得太遠(yuǎn)時(shí)，通常是在木星之外，太陽(yáng)通量就不能再有效地利用，而核能是剩下的唯一選擇。太陽(yáng)在地球軌道上每平方米提供大約 1.4 千瓦的功率，這是航天器設(shè)計(jì)人員盡最大努力利用的免費(fèi)資源。?

在未來(lái)幾年，這些應(yīng)用中使用的三結(jié)太陽(yáng)能電池將被更高效的四到六結(jié)太陽(yáng)能電池所取代。新的電池技術(shù)，例如鋰硫，目前正努力在能量密度上邁出新的一步。

在典型的基于衛(wèi)星的電力系統(tǒng)中，主要系統(tǒng)尤其負(fù)責(zé)生成主電力總線。最受歡迎的解決方案包括使用太陽(yáng)能電池板、燃料電池，或者在短期任務(wù)的情況下——例如用于將衛(wèi)星和探測(cè)器送入軌道的發(fā)射器——鋰離子電池。另一方面，在長(zhǎng)期任務(wù)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低的情況下，采用了利用塞貝克效應(yīng)發(fā)電的系統(tǒng)，利用放射性物質(zhì)的緩慢衰減。

二次電源系統(tǒng)用于在一次系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行或無(wú)法完全滿足運(yùn)行場(chǎng)景所需的能源需求時(shí)為衛(wèi)星供電。例如，對(duì)于帶有太陽(yáng)能電池板的衛(wèi)星，這種情況發(fā)生在日食期間，此時(shí)電池板沒有直接暴露在太陽(yáng)下，或者衛(wèi)星的傾斜減少了入射到電池板本身的輻射流。最常見的解決方案無(wú)疑是使用鋰離子電池。對(duì)于需要高功率（通常超過(guò) 100 kW）的設(shè)備，還使用了可再生燃料電池。?

在電力電子領(lǐng)域，趨勢(shì)是在提高效率的同時(shí)減小設(shè)備的尺寸。此外，在這種情況下，基于氮化鎵 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 的半導(dǎo)體等先進(jìn)組件是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)的必要開發(fā)工作的主題。

因此，能量調(diào)節(jié)最重要的任務(wù)之一是優(yōu)化控制太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)、電池和負(fù)載之間的功率交換。這意味著確保輸送到負(fù)載的功率保持在它們可以接受的電壓范圍內(nèi)，調(diào)整太陽(yáng)能電池陣列的尺寸，以便在航天器設(shè)備供電的同時(shí)為電池充電。

由于電力系統(tǒng)是航天器的唯一資源，因此必須保護(hù)它免受可能導(dǎo)致其性能下降甚至停止服務(wù)的故障，尤其是在短路情況下。

考慮到使用太陽(yáng)能電池板的衛(wèi)星，主要來(lái)源無(wú)法發(fā)電的時(shí)期（例如日食期間）在很大程度上取決于軌道類型。通常，低地球軌道 (LEO) 日食在每個(gè)低傾角軌道上僅持續(xù) 35 分鐘，而在地球靜止軌道 (GEO) 中，日食僅發(fā)生在兩個(gè)春分時(shí)段，24 小時(shí)內(nèi)的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為 1.2 小時(shí).

選擇電池類型時(shí)需要考慮的主要參數(shù)是使用壽命（年）、比重（kWh/kg）和體積（kWh/m 3）。通常，對(duì)衛(wèi)星電池類型選擇影響最大的參數(shù)是比重或根據(jù)其重量可以儲(chǔ)存的能量。

用于太空操作的電池的關(guān)鍵方面之一是充電的可靠性和效率。從這個(gè)意義上說(shuō)，基本參數(shù)是電池充電/放電速度、放電深度、電池過(guò)充電量和熱靈敏度。

能源管理

衛(wèi)星中主系統(tǒng)或次系統(tǒng)提供的電力必須經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)并分配給船上的各種電子設(shè)備。

太陽(yáng)能電池板陣列構(gòu)成主要能源。在穩(wěn)壓應(yīng)用中，面板的輸出電壓通過(guò)脈沖調(diào)制技術(shù)（脈寬調(diào)制）或 S3R 電路（順序并聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓器）進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)當(dāng)前的能源需求和任務(wù)概況，面板矩陣的某些部分可以通過(guò)“分流轉(zhuǎn)儲(chǔ)”電路禁用；術(shù)語(yǔ)“太陽(yáng)能組件”或 SPA 通常是指主要單元。

“分流轉(zhuǎn)儲(chǔ)”電路由源自輸出電壓感測(cè)或電池最大功率點(diǎn)跟蹤的反饋控制。在這種情況下，通過(guò)改變工作電壓來(lái)改變電池的工作點(diǎn)。

電源和配電管理子系統(tǒng)以設(shè)置為太陽(yáng)能電池陣列峰值功率的主總線電壓運(yùn)行。當(dāng)陣列因電離輻射而退化時(shí)，該值會(huì)隨著時(shí)間而改變。

電池充電/放電單元或 BCDU 調(diào)節(jié)插入電池的電量，并且可以在空間站提供高達(dá) 6.6 kW 的功率。在日曬期間，檢查電池過(guò)載量。每天，它們都要經(jīng)歷 16 次充電/放電循環(huán)。例如，國(guó)際空間站有大約 24 個(gè) BCDU，每個(gè)重 100 公斤。

電源控制和分配單元，或 PCDU，是用于監(jiān)控和保護(hù)初級(jí)和次級(jí)電力線的單元。通常，它具有遙測(cè)接口和對(duì)車載計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制，以控制電源管理程序。

集成濾波器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和合格且抗輻射的線性穩(wěn)壓器可用于從初級(jí)線路獲得這些工作電壓。一個(gè)例子是 VPT 的兩個(gè)系列 DC/DC 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器和附件，這些轉(zhuǎn)換器和附件專為具有挑戰(zhàn)性的太空環(huán)境而設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證。

VPT 的 SVR 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 提供適用于 LEO、MEO、GEO、深空和發(fā)射計(jì)劃的合格電源解決方案。這些設(shè)備通過(guò)了 MIL-PRF-38534 K 類抗輻射認(rèn)證，并且按照航空航天公司的技術(shù)操作報(bào)告 (TOR) 要求進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖 2）。

圖 2：SVR 系列的框圖。（圖片：VPT）

另一個(gè)例子是 Microsemi 的抗輻射穩(wěn)壓器，其中包括具有集成 FET 和電感器的混合開關(guān)穩(wěn)壓器，以及 LDO 和非 LDO 線性穩(wěn)壓器。SA50-120 系列適用于國(guó)際空間站，支持 120 Vin。SA50-120 系列的單輸出版本可以并聯(lián)使用以提供額外的功率。

STMicroelectronics 提供了廣泛的產(chǎn)品組合，專門設(shè)計(jì)、封裝、測(cè)試和認(rèn)證，以便它們符合認(rèn)證機(jī)構(gòu)定義的航空航天標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)例子是 RHFL4913A，它由軍用標(biāo)準(zhǔn)-883E 方法 1019.6 和增強(qiáng)的低劑量率敏感性 (ELDRS) 條件（圖 3）。

圖 3：RHFL4913A 的框圖。（圖片：意法半導(dǎo)體）

空間輻射

問(wèn)題是輻射；空間有很多，而且大多數(shù)現(xiàn)代電子元件都不是為了在具有特定宇宙輻射水平的環(huán)境中工作而設(shè)計(jì)的。太空中出現(xiàn)的強(qiáng)度等級(jí)會(huì)導(dǎo)致電子元件出現(xiàn)各種問(wèn)題，從簡(jiǎn)單的操作故障到完全停電。

在國(guó)際空間站等大型空間結(jié)構(gòu)中，主要由 85% 的質(zhì)子和 15% 的重核組成的宇宙射線流在與結(jié)構(gòu)材料發(fā)生各種碰撞后部分轉(zhuǎn)化為二次中子。?

除了永久性損壞 CMOS 集成電路之外，輻射還會(huì)導(dǎo)致單事件效應(yīng) (SEE)：?jiǎn)问录D(zhuǎn) (SEU)、單事件功能中斷 (SEFI) 和單事件瞬態(tài) (SET)。在這種情況下，數(shù)字微電路很有趣，因?yàn)椴东@的電荷可以改變 MOS 晶體管的閾值電壓，這是一個(gè)與電路的消耗和速度直接相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)。

結(jié)論

電力系統(tǒng)無(wú)疑是新衛(wèi)星計(jì)劃考慮的首批設(shè)備之一。該任務(wù)對(duì)衛(wèi)星電力子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了強(qiáng)烈影響，尤其是電池的設(shè)計(jì)。這需要仔細(xì)考慮從有效載荷和子系統(tǒng)到軌道因素和輻射對(duì)電子元件的影響的所有設(shè)計(jì)參數(shù)，以開發(fā)用于任務(wù)的主要和次要來(lái)源的正確組合。