第 9 章 电源分系统

1、空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计 电源系统是产生、储存、变换、调节和分配电能的航电源系统是产生、储存、变换、调节和分配电能的航天器分系统，简称电源系统。其基本功能是通过某种物天器分系统，简称电源系统。其基本功能是通过某种物理变化或化学变化，将光能（太阳辐射能）、核能或化理变化或化学变化，将光能（太阳辐射能）、核能或化学能转换成电能，根据需要进行储存、调节和变换，然学能转换成电能，根据需要进行储存、调节和变换，然后向航天器各系统供电。后向航天器各系统供电。空间飞行器总体设计 电源和供配电系统是卫星重要的服务系统之一。它包含发电、电源和供配电系统是卫星重要的服务系统之一。它包

2、含发电、电能储存、电源控制、电源电压变换、供配电等全部硬件。电能储存、电源控制、电源电压变换、供配电等全部硬件。 种类很多：一次化学蓄电池、核电源、太阳电池阵等。种类很多：一次化学蓄电池、核电源、太阳电池阵等。 基本原理：是通过物理变化或化学变化将化学能、核能或光基本原理：是通过物理变化或化学变化将化学能、核能或光能转变成电能。能转变成电能。 当前，国际上使用各种能源作为航天器的发电装置的分配比当前，国际上使用各种能源作为航天器的发电装置的分配比例大约是：太阳电池阵占例大约是：太阳电池阵占90%90%，化学电池，化学电池5%5%、温差电占、温差电占3 34%4%。空间飞行器总体设计 必要性：当

3、卫星运行在轨道的地影期时，太阳电池阵因无光而必要性：当卫星运行在轨道的地影期时，太阳电池阵因无光而不能发电，必须由电能储存装置为卫星的用电负载供电。不能发电，必须由电能储存装置为卫星的用电负载供电。 储存装置：可重复充电的蓄电池组、飞轮和电容等。储存装置：可重复充电的蓄电池组、飞轮和电容等。 作用：在光照期间将能量储存起来，到卫星地影期将能量释放作用：在光照期间将能量储存起来，到卫星地影期将能量释放出来给卫星供电。蓄电池组充电时将电能转化为化学能，放电出来给卫星供电。蓄电池组充电时将电能转化为化学能，放电时由化学能转化为电能；飞轮是实现电能时由化学能转化为电能；飞轮是实现电能- -机械能机械能

4、- -电能转化的电能转化的储能装置，而电容器则直接将电能存储起来。储能装置，而电容器则直接将电能存储起来。 在过去全世界发射的两千多个卫星中，绝大部分都是太阳电池在过去全世界发射的两千多个卫星中，绝大部分都是太阳电池阵阵/ /蓄电池组系统。蓄电池组系统。 空间飞行器总体设计 作用：负责调节和管理电源。作用：负责调节和管理电源。 对太阳电池阵对太阳电池阵/ /蓄电池组电源系统而言，就是将太阳电池蓄电池组电源系统而言，就是将太阳电池阵和蓄电池组连接成系统，形成一次电源母线为卫星提阵和蓄电池组连接成系统，形成一次电源母线为卫星提供电能；并对太阳电池阵供电能；并对太阳电池阵/ /蓄电池组实行功率调节、

5、蓄电蓄电池组实行功率调节、蓄电池组充放电控制，统一对外接口。池组充放电控制，统一对外接口。空间飞行器总体设计 空间飞行器总体设计 空间飞行器总体设计 空间飞行器总体设计目前应用较为广泛的空间能源：化学能、核能和太阳能三种。目前应用较为广泛的空间能源：化学能、核能和太阳能三种。 不同寿命的卫星对能源的种类要求不同：不同寿命的卫星对能源的种类要求不同：u 银锌蓄电池或锂电池：适用于几天到十几天寿命的航天器；银锌蓄电池或锂电池：适用于几天到十几天寿命的航天器；u 氢氧燃料电池组：适用于执行短期飞行任务的大功率（几千氢氧燃料电池组：适用于执行短期飞行任务的大功率（几千瓦至几十千瓦）飞行器，尤其是载人飞

6、船；瓦至几十千瓦）飞行器，尤其是载人飞船；u 核电源：适用于在光照条件差、温度高或有尘埃流的恶劣空核电源：适用于在光照条件差、温度高或有尘埃流的恶劣空间环境条件下工作的卫星，多用于行星探测和某些长寿命的军间环境条件下工作的卫星，多用于行星探测和某些长寿命的军事卫星；事卫星；u 太阳电池阵：适用于寿命为几个月、几年、十几年的卫星，太阳电池阵：适用于寿命为几个月、几年、十几年的卫星，或功率为几千瓦到上万瓦的卫星。或功率为几千瓦到上万瓦的卫星。 空间飞行器总体设计不同的能源必须依靠不同的能量转换器件才能将其转换成能不同的能源必须依靠不同的能量转换器件才能将其转换成能源。典型的能源及其转换器件如下表所

7、示。源。典型的能源及其转换器件如下表所示。能源能源转换器件转换器件在电源系统中的用途在电源系统中的用途化学能化学能锌银电池、锂电池、燃料电池、锂离锌银电池、锂电池、燃料电池、锂离子蓄电池、镉镍电池、氢镍电池等子蓄电池、镉镍电池、氢镍电池等作为发电装置或储能装置部作为发电装置或储能装置部件件太阳能太阳能硅（硅（Si）太阳电池、砷化镓（）太阳电池、砷化镓（GaAs）太阳电池、磷化铟太阳电池等太阳电池、磷化铟太阳电池等作为太阳电池阵的光电转换作为太阳电池阵的光电转换器件器件核能（同位素、核能（同位素、核反应堆）核反应堆）温差电偶变换器、热离子变换器等温差电偶变换器、热离子变换器等作为核电源的热电转换

8、部件作为核电源的热电转换部件空间飞行器总体设计负极：锌；正极：氧化银。单体电压：约负极：锌；正极：氧化银。单体电压：约1.41.41.5V1.5V；单体比量较高，可达单体比量较高，可达156156238Wh/kg238Wh/kg。 用途：锌银蓄电池组作为主电源用于短期飞行的卫星，用途：锌银蓄电池组作为主电源用于短期飞行的卫星，也可以作为应急电源或火工装置的辅助起爆电源。也可以作为应急电源或火工装置的辅助起爆电源。负极：金属锂；正极：液体亚硫酰氯。负极：金属锂；正极：液体亚硫酰氯。优点：高达优点：高达3.3V3.3V单体电池电压、高放电倍率（单体电池电压、高放电倍率（1 1小时放电小时放电制）、

9、长寿命（制）、长寿命（5 57 7年）、低维修费用、低重量、高比年）、低维修费用、低重量、高比能量（能量（200200500Wh/kg500Wh/kg）等。）等。 使用锂电池时要十分注意安全。使用锂电池时要十分注意安全。空间飞行器总体设计负极：氢气（燃料）；正极：氧气（氧化剂）。负极：氢气（燃料）；正极：氧气（氧化剂）。 氢氧燃料电池的单体电压为氢氧燃料电池的单体电压为0.50.50.9V0.9V。转换效率约为。转换效率约为51%51%67%67%。 氢氧燃料电池组是一个比较复杂的发电系统。要使氢氧燃料电氢氧燃料电池组是一个比较复杂的发电系统。要使氢氧燃料电池持续地运行，电池组必须配备下列辅助

10、系统：氢氧供给子系池持续地运行，电池组必须配备下列辅助系统：氢氧供给子系统、排水子系统、排热子系统、自动控制和电压调节子系统。统、排水子系统、排热子系统、自动控制和电压调节子系统。核电源是一种利用放射性同位素蜕变或放射性元素裂变所释核电源是一种利用放射性同位素蜕变或放射性元素裂变所释放的热量通过热电转换器件转换成为电能的发电装置。放的热量通过热电转换器件转换成为电能的发电装置。 组成：热源、热电转换器和散热器等。组成：热源、热电转换器和散热器等。 热源：放射性同位素源和核反应堆。热源：放射性同位素源和核反应堆。 热电转换器：种类比较多，常用的有温差电偶和热离子二极管。热电转换器：种类比较多，常

11、用的有温差电偶和热离子二极管。空间飞行器总体设计 空间飞行器总体设计 定义：将太阳电池片有序排列、黏贴在基板上，并连接成为电定义：将太阳电池片有序排列、黏贴在基板上，并连接成为电气整体，具有输出引线，就形成太阳电池阵。气整体，具有输出引线，就形成太阳电池阵。 种类：体装式太阳电池阵（含脱裙式体装式太阳电池阵）：安种类：体装式太阳电池阵（含脱裙式体装式太阳电池阵）：安装在星体结构表面上的太阳电池阵；展开式太阳电池阵：安装装在星体结构表面上的太阳电池阵；展开式太阳电池阵：安装在伸出星体外面的平板式的太阳电池基板上，由机构展开并锁在伸出星体外面的平板式的太阳电池基板上，由机构展开并锁紧的太阳电池阵。

12、紧的太阳电池阵。 展开式：分为对日跟踪定向太阳翼（太阳电池阵可以由一翼或展开式：分为对日跟踪定向太阳翼（太阳电池阵可以由一翼或多翼组成）和固定式两种，前者设机构对日定向，后者一般依多翼组成）和固定式两种，前者设机构对日定向，后者一般依靠星体对日定向。靠星体对日定向。 对日跟踪定向太阳翼：分为单轴对日定向和双轴对日定向两种。对日跟踪定向太阳翼：分为单轴对日定向和双轴对日定向两种。空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计 目前卫星用的储能装置分为化学储能和机械储能两种。目前卫星用的储能装置分为化学储能和机械储能两种。机械储能尚在研制中，化学储能在卫星中得到普遍应用。如机械储能尚在研制中，化学储能在卫星中得到普遍应用。如 Zn-AgZn-Ag蓄电池组、蓄电池组、Cd-NiCd-Ni蓄电池组、蓄电池组、H2-NiH2-Ni蓄电池组、锂离蓄电池组、锂离子蓄电池组、钠硫蓄电池组等。子蓄电池组、钠硫蓄电池组等。 寿命仅几天的飞行器（如载人飞船）采用寿命仅几天的飞行器（如载人飞船）采用Zn-AgZn-Ag蓄电池组蓄电池组作为储能装置；作为储能装置；5 51010年寿命的卫星一般使用年寿命的卫星一般使用 Cd-NiCd-Ni蓄电蓄电池组；池组；1515年以上寿命的卫星一般