图1 根据任务寿命及功率选取空间电源

2010年，NASA针对未来20年(到2030年)空间探测任务(包括使用电推进技术的任务、月球表面探测、金星探测、木星/木卫二表面探测、土星/土卫六探测、火星极地探测、火星基地、彗星采样返回等)对空间电源技术的需求，提出了适应极恶劣空间辐照环境、能在高温和低温下长时间工作的一系列新技术的发展路线，旨在提高现有空间电源的比功率、比能量和转换效率[3]。

1.1.1 太阳电池

在可预见的未来，太阳电池依然是近日空间太空探测任务的首选能源。空间太阳电池的发展经历了三个阶段：第一代硅太阳电池，自1956年H.H.Kolm在麻省理工学院林肯实验室研究出了一个简单的光伏电池原型后到上世纪90年代经历了40年的快速发展，目前在轨使用的硅太阳电池效率已经达到20%(AM0)；第二代叠层太阳电池，以单结和多结GaAs/GaAs、GaAs/Ge、InP/InP、InP/Si、锑化镉(CdTe)等电池为代表，是当前地球轨道空间探测任务的主要能源，以使用最广泛的三结砷化镓电池为例，其在轨效率已经超过30%(AM0)，该类电池通过外延剥离手段生产的反向生长四结砷化镓太阳电池(IMM)效率达到了35%(AM0)；第三代薄膜太阳电池以柔性薄膜技术为主要发展方向，能够有效地提高航天器太阳电池阵的比功率。2007年，联合太阳能公司在700 cm 2 大面积上获得效率达到10%的不锈钢衬底非晶/锗硅/纳米硅三结叠层柔性薄膜电池和聚酰亚胺薄膜电池，质量比功率分别达到550和1 200 W/kg，代表了非晶硅柔性薄膜电池的较高水平 [7]。此后，瑞士苏黎世联邦理工学院研制的小面积聚酰亚胺衬底铜铟镓硒电池效率达到14.1%(AM1.5)，质量比功率超过2 000 W/kg，为该类衬底太阳电池的世界纪录。空间太阳电池性能如图 2所示[8]。

图2 空间太阳电池性能(光电转换效率)

从成熟度和可靠性方面考虑，GaAs太阳电池依然是使用最广泛且最有竞争力的空间太阳电池，ESA制定了到2020年GaAs太阳电池的技术发展路线和目标，见图3[9]。

图3 ESA到2020年空间GaAs太阳电池发展路线

1.1.2 太阳电池阵

自1958年8月美国发射的“探险者6号”卫星首次采用太阳电池阵以来，航天器太阳电池阵的发展先后经历了三个阶段，第一阶段为体装式太阳电池阵，第二阶段为刚性展开式太阳电池阵，第三阶段为柔性展开式太阳电池阵，如图4所示。几种太阳电池阵的比功率分别为：刚性展开式太阳电池阵30～40 W/kg(3J)，柔性展开式太阳电池阵 30～50 W/kg(Si)，聚光太阳电池阵30～60 W/kg(GaAs)，柔性展开式太阳电池阵80～100 W/kg(3J)。

图4 空间太阳电池阵技术发展

目前，这三种太阳电池阵都还在使用：体装式太阳电池阵主要应用在微小卫星上；刚性展开式太阳电池阵适用于绝大部分地球探测卫星；柔性展开式太阳电池阵因为其比功率高的优势，在空间站和火星着陆器上应用。

美国在1976年发射的GEO轨道通信技术卫星(CTS)上第一次采用了柔性太阳电池阵，该电池阵寿命初期输出功率为1.2 kW。美国空军实验室(AFRL)最新研制了The Roll-Out Solar Array(ROSA)柔性太阳电池阵，见图5[10]，并于2017年由SpX-11飞船运送到国际空间站在轨展开。该太阳电池阵输出功率为15 kW，已经在轨经历了200多个高低温循环，状态良好。

图5 ROSA柔性展开式太阳电池阵地面展开状态

对功率小于3 kW的系统来说，柔性太阳翼在减轻质量方面的优势并不明显，但AEC-Able公司为NASA火星着陆任务研制的Ultraflex174太阳电池阵采用了一种类似伞状天线的结构来拉伸柔性薄膜，从而避免了专门设计展开结构和收藏箱，质量比功率超过了175 W/kg，收拢状态下体积比功率超过了 40 kW/m 3 ，如图 6 所示 [11]。

1.1.3 化学电池

航天器使用的化学电池按其工作性质的不同大致分为原电池、二次电池、燃料电池三类，性能参数见表1。

图6 NASA Ultraflex174太阳电池阵

随着空间探测技术的发展，空间化学电源得到了飞速发展。早期的返回式卫星留轨时间短，只有几十天，一般采用一次电池。后来随着太阳电池阵的应用，卫星留轨时间延长到一年以上，需要电池能够在轨光照期充电，地影期放电，因此镉镍蓄电池组和氢镍蓄电池得到了广泛的应用。

表1 目前使用的原电池和蓄电池的参数

近十年来，锂离子电池由于其比能量高、自放电率低、充电效率高、无记忆效应等优点，在国外已经越来越广泛地被应用到航天器领域。2000年11月31日，NASA STRV-1d卫星宣布第一次采用锂离子蓄电池组。ESA于1998年9月开始研制用于“火星快车”和Rosetta彗星探测器用的锂离子蓄电池组，“火星快车”于2003年发射。PROBA卫星(Project on Board Autonomy，欧空局研制)是最早使用锂离子蓄电池组的LEO卫星，设计寿命2年，实际在轨工作寿命超过7年，完成超过40 000次充放电循环。2003年NASA的“勇气”号和“机遇”号火星漫游器也应用了由Lithion公司研制的28 V、10 Ah的锂离子蓄电池组。尤其值得一提的是，法国的SAFT公司研制的VES140型空间锂离子蓄电池先后成功应用于2004年发射的W3A通信卫星和2004年发射的AMAZONAS通信卫星上(均为EADS的EUROSTAR 3000平台)，这两颗卫星均采用了6并11串的电池组配置，设计寿命为15年。

20世纪60年代，在美国载人航天任务的带动下，燃料电池技术得以发展和广泛应用，氢氧碱性燃料电池作为主要电源，应用在阿波罗登月飞船。随着质子交换膜燃料电池技术的发展，已有单一氢氧燃料电池发电系统发展成为与太阳电池阵搭配的再生燃料电池(RFC)发电系统。燃料电池作为新型的可再生能源，具有极高的比能量，可高达400～1 000 Wh/kg[12]，同蓄电池相比，无自放电、无记忆效应且不存在过充过放。NASA的Lewis中心于20世纪80年代中后期完成的分体式RFC系统，在模拟近地轨道运行条件下，最长寿命可达7～8年[13]。

1.1.4 电源控制器

电源控制器是太阳电池阵-蓄电池组联合电源供电系统的重要组成部分，目前国内外常用的技术有三类。

(1)S3R拓扑结构，又叫顺序开关分流调节器(the sequentialswitching shunt regulator)，其控制策略是先满足母线上负载的功率需求(包括对蓄电池充电)，多余的能量通过分流调节器SR分流掉。

(2)S4R拓扑结构，也叫顺序开关串联分流调节器(sequentialswitching&serial shunt regulator)，它克服了S3R技术中充电控制器带来功率损耗过大和质量过重的缺点，充分利用太阳电池分阵的限流特性为蓄电池充电，简化了系统，便于模块化设计。

(3)MPPT拓扑结构，也称最大功率跟踪(maximum power pointtracking，MPPT)，通过控制技术实时调整太阳电池的工作点，使之始终工作在最佳功率点附近，使电源系统在相同的太阳电池配置的条件下，输出更多的能量。

S3R功率调节技术设计思想是1977年ESA空间能源会议上由Sullivan和Weinberg提出，随后ESA将它作为其通信卫星使用的全功率母线调节的一种标准拓扑结构，国外最具代表的产品是ETCA的Spacebus3000和Spacebus4000。20世纪90年代中期，针对全调节母线在地球同步轨道和太阳同步轨道卫星使用的特点，ESA电源系统实验室在全球首次研制出了S4R功率调节系统，主要代表产品是Astrium公司的Eurostar3000平台所采用的电源控制器PSR50V和Alphabus平台所采用的电源控制器PSR100V。

S3R架构由于具有简单、可靠和高效率等特点，广泛应用于电源控制器研制中。例如比利时ETCA公司的第一代和第二代产品，都采用S3R架构形式，其第二代100 V/9 kW PCU产品一直被我国地球同步轨道通信卫星所采用，ETCA公司的三代PCU产品的主要技术指标见表2[14-15]。

传统S3R架构中采用各自独立的蓄电池充、放电调节，导致功率密度提升困难、成本较高且系统结构相对复杂。相比之下，Astrium公司所研究的Diversion架构在某种程度上克服了上述缺点。Diversion架构为改进的S4R架构，在其架构中省去了BCR模块，从而实现了功率密度的提高。Alphabus平台所采用的电源控制器PSR100V中均采用了Diversion架构，其功率范围是12～18 kW，其扩展型功率可达到22kW[16-17]。

目前，国外航天器的电源控制系统多数仍以直接能量传输方式为主，MPPT技术应用较少，仅有美国的LANDSAT-4、LANDSAT-5和TOPEX等少数卫星有过应用。随着电推技术的发展，MPPT技术以其能源利用率高的优势也再次得到关注。ESA在2008年1月宣布采用电推进系统的BepiColombo水星探测计划选用了最大功率点跟踪技术来控制电源系统。利用S3R调节器和MPPT模块将太阳电池阵控制在最大功率点工作，然后用升压变换器获得100 V母线，其拓扑结构被称为顺序开关分流最大功率调节器 (sequentialswitching shunt maximum power regulator，S3MPR)。

表2 ETCA公司三代PCU产品主要技术指标

1.1.5 核电源

空间探测器在远离太阳的行星际飞行过程中所接收的太阳辐射能通量随其与太阳距离的平方成反比，图7反映了太阳系中地球以外的6大行星表面的太阳辐射能通量对比，可见火星表面的光强度已降至地球的约43%，而木星表面的光强度仅为地球的约4%，更远的行星表面能接收到的太阳辐射几乎可以忽略，在这种环境下太阳电池无法满足探测器的电能需求，空间核电源是此类探测器主能源的唯一选择。

图7 太阳系中7大行星表面的太阳辐射能通量对比

空间核电源把放射性同位素衰变、核裂变等过程产生的热能转化为电能，为空间飞行器提供电力，相对于光伏电池，空间核电源具有不依赖太阳光、寿命长、抗空间辐射能力强等特点，非常适合于深空探索任务。空间核电源按照热源的类型可以分为放射性同位素电源系统和核裂变反应堆，按照热电转换方式可分为静态转换和动态转换两类。静态转换系统内部无转动部件，利用热电转换装置产生直流电；动态转换系统包括朗肯(Rankine)循环、布雷顿(Brayton)循环和斯特林(Stirling)循环等，产生交流电，动态转换方式的转换效率要比静态方式高。

1.1.6 低成本商业卫星

近几年低成本商业卫星成为热点。微小卫星由于其体积小、质量轻，所以要求电源系统兼顾高效率、高集成度、高功率和能量密度、微型化、低成本的特点。因此，国外一些商业卫星的电源系统通常采用直接能量传输拓扑结构，选用MPPT技术以最大限度利用太阳电池阵产生的电能，并大量采用商用货架器件，储能器件选用商用领域最成熟的18650电池单体，通过串并联组成所需要的蓄电池组。

在微小卫星上应用商用货架器件需要进行专门的防护设计、加固和实验验证来保证器件的力学、温度、抗辐射3个方面的特性满足要求。商用货架器件选用需要考虑生产厂技术水平、生产线产能、产品工艺水平、性能指标等因素，对合格的器件进行进一步的评价筛选，如热真空温度环境测试、寿命实验、结构分析、抗辐照评估后确定该器件能否用于空间卫星研制，并在老炼、机电热设计、容错设计等方面开展工作。

1.2 国内航天器电源技术发展现状

国内空间电源技术水平与国外水平基本相当，以中国电科18所生产的三结砷化镓太阳电池为例，AM0光谱下，批产平均转换效率为29.61%，批产最大转换效率为30.15%[18]。目前国内常用的几种空间太阳电池性能指标见表3[19]。

表3 国内空间用太阳电池的主要性能 %

国内体装式、刚性展开式和半刚性太阳电池阵都有实际在轨成熟应用的案例，其中国产刚性太阳电池阵工程化性能指标质量比功率达到了30 W/kg，半刚性太阳电池阵在“天宫”上得到验证。国内相关机构也在开展柔性展开式太阳电池阵的研制工作。

国内镉镍蓄电池组和氢镍蓄电池组已经在轨成熟应用，最近几年锂离子蓄电池也在多颗卫星上在轨应用，其技术指标见表4[20]。

表4 国内常用空间蓄电池性能比较

电源控制器技术方面，国内有线性分流调节技术、开关PWM分流调节技术、S4R调节技术、最大功率点跟踪技术的相关产品。

国内空间同位素温差电源研究方面积累了40年的经验，近年来成功研制了百毫瓦级。但是，RTG的工程应用还有许多关键技术需要解决[21]。

2 航天器电源技术未来发展趋势

随着我国探测卫星任务的发展，大容量通信卫星、新一代深空探测任务、空间站和微小卫星发展需求对空间电源技术提出了新的要求：更高的功率；更高的效率；更高的功率密度；更高的可靠性、更长的寿命；更低的成本；更小的质量与体积；满足远日宇航探测任务的特殊需求等。

国内的科研院所已经给出了未来空间太阳电池和太阳电池阵的发展目标，见表5[19]。

与表6进行对照，可以看出我国提出的太阳电池阵的研究目标并不落后。

上海811所2008年为SZ-7飞船伴星研制的71CP10锂离子蓄电池组的质量比能量达到了98 Wh/kg，目前811所的ICP10全密封锂离子蓄电池组的质量比能量达到了137.5 Wh/kg。通过减重(优化壳体材料等)、改用5 V正极材料、改变导电剂类型等措施，811所曾预计在“十二五”末将锂离子电池的比能量由当前的150 Wh/kg提高到250 Wh/kg[22]，并在相关预研课题项目技术指标中达到上述研究目标。

表5 空间用太阳电池及太阳电池阵发展目标

表6 美国NASA的空间电源技术过去、现状和未来发展目标

3 总结

国外航天器电源技术迅速发展，根据NASA的发展路线图，未来呈现向“大”和“小”两个极端发展。“大”是指空间站、大容量地球同步轨道通信卫星、雷达星以及一些特殊用途飞行器趋于大型化、长寿命，功率超过20 kW；“小”则是指针对月球、火星的一些科学探测卫星要求供配电系统体积小、质量轻，向高比能量、高比功率等方面发展。一些新技术如多结太阳电池、锂离子电池、新型核电源技术的应用，推动了空间电源技术的发展。

过去十年来，我国的卫星电源技术有了很大的发展。太阳电池阵-蓄电池组技术不断发展，日益成熟。其中地球同步轨道卫星寿命可达到8年，近地轨道卫星寿命3年以上。高轨通信卫星平台设计寿命15年，寿命末期输出功率10 kW，相当于国际上20世纪90年代中期水平。与国外先进技术相比，我国的空间电源技术还有不小的差距，无论电源部件还是整个电源系统的性能，都远低于国际先进水平。面对我国未来空间探测任务的发展需求，必须加强高转换效率太阳电池、高比能量蓄电池和空间核电源的技术研究。

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Summary of present and trend forelectrical power system of spacecraft

JIANG Dong-sheng,CHENG Li-li

(China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

Abstract: Electrical power systemis one of the most important subsystem of spacecraft, and its technical leveldetermine the development possibility of future space explore mission.Thepresent technology situation of foreign and china spacecraft electrical power systemwere analyzed,and the development and trend of foreign and china spacecraftelectrical power system were summarized.According to the study on electricalpower key technologies development of NASA and ESA, and compared the maintechnical parameter with civil products, the prospect development goals andtrends of spacecraft electric power technologies were pointed out in China

Key words:electrical power ofspacecraft;solar array;batteries;power control unit

中图分类号：TM 914

文献标识码：A

文章编号：1002-087X(2020)05-0785-06

DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2020.05.036

收稿日期：2019-10-10

作者简介：姜东升(1974—)，男，山东省人，硕士，高级工程师，主要研究方向为卫星电源分系统总体设计。返回搜狐，查看更多