卫星电源技术PPT课件.ppt

2020 1 8 01 02 03 CONTENT 概述 01 主要内容 02 1 概述 卫星电源系统是星上产生 储存 变换 调节和分配电能的分系统 基本功能 通过某种物理或者化学变化转化成电能 然后向卫星各系统供电 卫星电源系统 电源电源控制设备电源变换器电源适配与电缆网 1 1电源 化学能1 化学原电池2 蓄电池3 燃料电池4 放热化学反应 核能1 放射性2 聚变反应 太阳能光能 热能 机械能 电能 静态 无机械运动 动态 有机械运动 星上能源 星外能源 电源分类 1 2电源控制设备 电源控制设备包括 用于调节 控制 保护并与卫星其他系统接口的各种设备 由他维持电源系统持续 正常的供电 太阳能电池阵 蓄电池电源电源控制设备 功能提供电源系统的供电母线 采取母线电压滤波措施航天器进出阴影区时 采取母线高压限制级电池阵电压输出调节对蓄电池实施充电控制对于全调压电源系统实施蓄电池放电调节航天器出影时 完成太阳电池阵和蓄电池组的供电转换对长寿命航天器 对蓄电池组实施在轨调节提供电源与其他分系统及地面支持设备的接口 控制设备 光照区母线电压调节的调压器 比如硅链降压 多个二极管串联 二极管导通时有0 7V的电压降 蓄电池组的充电控制电路或充电调节器蓄电池组的输出电压调节的放电调节器控制母线电压调节装置 充电调节器 放电调节器的母线误差放大器母线滤波电容器组遥测 遥控接口电路 近几年航天器电源系统正在朝着单母线 全调压 开关调节 模块化的方向发展 单母线 单母线接线是由线路 变压器回路和一组 汇流 母线所组成的电气主接线 优点 接线简单 设备少 操作方便缺点 母线故障 调度不方便 全调压 全调压电源系统 母线误差电压控制 光照期和阴影器母线电压都是稳定的 叫做全调压母线 在轨再调整 在轨再调整 全称 深放电在轨再调整 通常在高轨道 长寿命 使用Cd Ni电池组的电源系统中使用 受照时间长 蓄电池通常满电工作 蓄电池有记忆效应 在轨再调整程序1 放电负载的连接方式2 放电率较低C 200 C 1000 3 放电终止判据以单体电池电压唯一放电终止判据 出现一个单体电池的电压低于0 7V时 便终止放电 a整组电池放电 b单体放电 2 电源系统设计 卫星对电源系统的设计要求飞行任务要求供电要求 母线电压值 功率要求寿命及可靠性要求质量 体积与经费卫星总体和电源系统设计的相互制约电磁兼容性互换和维修要求安全性环境试验 2 2电源选择 各类航天器选用不同电源 低轨道 短寿命一般选用化学原电池或蓄电池 载人航天器采用氢氧燃料电池组和太阳电池阵 蓄电池组电源 星际探测器需用核电源 大部分寿命卫星采用太阳能 少数采用反应堆 各类空间电源的使用比较 2 3系统测试及设备 太阳电池阵模拟器 测试配电器 电源控制装置 蓄电池组 电子负载 模拟遥测遥控设备 地面模拟供电及检测设备 功率线 信号线 电源系统测试框图 太阳电池等效电路图 恒流负载模拟 3 化学电池 化学电池就是将化学能转换成电能的储能或者换能装置 1 原电池锌锰干电池 锌银一次性电池2 蓄电池铅酸蓄电池 锂离子电池等3 储备电池4 燃料电池 1 E0Cu2 Cu 0 345v 2 E0Zn2 Zn 0 763v 3 铜锌电池在标准状态下的电池电势 0 345 0 763 1 108v IPV 独立压力容器 CPV 共用压力容器 SPV 单一压力容器 3 2锌银蓄电池 负极 Zn 2OH Zn OH 2 2e正极 Ag2O2 H2O 2e Ag2O OH Ag2O H2O 2e 2Ag OH 故充 放电的化学反应式为 Ag2O2 2Zn 2H2O2Ag 2Zn OH 2 充电特性 特性1 放电性能优良支持低中高倍率放电 电压稳定2 比能量高 488 8kw h kg 3 能量输出效率85 4 充放电循环少 低温性能差 镉镍蓄电池 电解液通氢氧化钾正极材料氧化镍负极材料金属镉电压 约1 2V Cd KOH NiOOH 特点1 充电特性显示最佳使用温度 10 5 2 内阻小 可满足大电流放电3 低温下优良 40 放电30 40 18摄氏度放电60 70 4 循环次数多寿命长5 严重的记忆效应 不同温度下氧压与充入电量的关系 氢镍蓄电池 负极为高压氢气 正极为氧化镍 氢氧化钾为电解质 单体电压1 2V 锂电池 锂电池通常指金属锂为阳极活性物质的一类化学电源总称 金属锂是点位最负 比能量最高的金属材料 锂为负极的化学电电源具有高电压 高比能量 有机电解质无机电解质固体电解质熔融盐 过渡金属硫化物 氧化物固体电解质熔融盐 金属锂 合金 负极锂离子电池 原电池 蓄电池 锂电池 锂电池分类表 锂离子电池 锂离子电池是一种二次电池 充电电池 它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作 在充放电过程中 Li 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌 充电时 Li 从正极脱嵌 经过电解质嵌入负极 负极处于富锂状态 放电时则相反 充电前 充电时脱离正极 充电时嵌入碳层 放电时负极 放电时负极 钴酸锂锂离子电池LiCoO2 C Li1 xCoO2 LixC 优点1 电压高通常在3 7 3 8v 是普通蓄电池三倍2 比能量大目前达到555Wh kg 理论值88 三倍于普通蓄电池3 循环寿命长磷酸铁锂可以达到2000次以上4 安全性能好无记忆效应 不含镉等元素5 自放电小2 月 Ni Cd25 35 6 快速充电1c充电半小时80 以上7 工作温度 25 45 有望达到 40 70 缺点1 衰老最大的原因是储存温度2 回收率1 的坏包率3 不耐受过冲4 不耐受过放多重保护机制 BMS的重要性 4 太阳能电池 太阳电池是一种能量转换的半导体器件 依靠半导体光伏效应 将太阳能直接转换为电能 光生伏特效应 太阳能电池等效电路图 分类 单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池微晶硅太阳电池 砷化镓太阳电池碲化镉太阳电池铜铟镓硒太阳电池 硅太阳电池 化合物太阳电池 基体材料分类 理论转化率 化合物太阳电池特点 1 光电转换效率高 2 抗辐照性能好 3 高温性能好 4 可制成超薄太阳电池5 可制成多结级联电池 5太阳能电池阵 蓄电池系统 全世界发射的航天器 化学电源占5 采用温差发电机发电器约占3 90 以上采用太阳能电池阵 蓄电池组电源系统 两种拓扑结构 太阳能电池阵 太阳电池阵 展开式 体装式 圆柱形 卷式 刚性基板 太阳桨 太阳翼 半刚性 刚性基板 折叠式 柔性基板 多面体 柔性基板 6 氢氧燃料电池 燃料电池是一种等温进行 直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的高校发电装置 酸溶液负极反应式为 2H2 4e 4H 正极反应式为 O2 4H 4e 2H2O 碱溶液负极反应式为 2H2 4OH 4e 4H20正极为 O2 2H2O 4e 4OH 转化效率 50 70 适宜功率 1kw 10kw飞行时间 1 30天载人航天理论比能量 3600w h kg 质子交换膜燃料电池 按电解质不同 分为酸性 碱性 固体电解质 这里介绍质子交换膜 最常用的质子交换膜 PEM 仍然是美国杜邦公司的Nafion质子交换膜 1 只能交换选择性质子 磺酸根 2 良好的质子电导率 3 水分子在膜中的电渗透作用小 3 气体在膜中的渗透性尽可能小4 电化学稳定性好5 干湿转换性能好6 具有一定的机械强度7 可加工性好8 价格适当 7 空间核电源 由于核能的能量体积比和能量质量比较化学能高 且不受环境影响 所以核能在空间电源起着重要作用 核电源的种类较多 但大体由热源和发电方式两方面决定 再 散热器 热源 放射性同位素热源是利用放射性同位素的衰变热 核反应堆中子轰击维持可控自持链式核裂变反应 7 2换能器 温差发电机热电效应塞贝克效应 Seebeckeffect 又称作第一热电效应 是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象 热离子发电是利用金属表面热电子发射现象提供电能的一种发电方式 爱迪生发现的 7 3核反应堆安全 目前为止近百颗空间核电源 累积运行几十年 除了宇宙945以外 没有发生耦放射性污染事故 以核反应堆电源安全举例 核反应堆电源安全规定1 禁止使用239Pu作为核反应堆燃料 具有强烈的化学毒性2 进入到空间运行轨道前不得启动3 保证反应堆在未启动各种过程中处于深次临界状态 Ksff 0 95 0 98 4 核反应堆运行高度 800km 核反应堆上空停留超过300年 300年后衰变减少4 5个数量级 安全措施1 层层设防 冗余度在0 95以上2 反应堆活性区有大量吸收中子的结构材料 钨 钼和强中子吸收材料B4C3 氢化锆作为慢化剂 温度超过700 释放大量氢 产生负反应 使反应堆停止 4 空气动力粉碎装置 坠入大气层的化 粉碎成100 800 m的颗粒 8 电源变换器 DC AC变换器设计 航天器一般使用交流电变换器的比较少 只有特殊设备 如 陀螺 同步电机 才需要交流电源 交流电机 特斯拉发明 在交流电场中是将转子置于旋转磁场中 在旋转磁场的作用下 获得一个转动力矩 因而转子转动的装置 单相电容式电 三相异步电机电动陀螺仪常用 旋转磁场 要在不使用使用辅助设备的情况下产生旋转磁场必须至少三相供电 三相交流电在交流电机定子绕组中可以产生旋转磁场 而且这个磁场是稳定的具有固定旋转方向的旋转磁场 4 5 6 能产生更稳定的旋转磁场 但是那样会增加变电设备和动力的成本 工作映射 03 01 02 CONTENT 公司介绍 44 2020 1 8 上海伏日能源科技有限公司 以下简称 伏日能源 成立于2015年 是一家军转民的示范性企业 伏日主营业务为外延片 三结砷化镓电池片 卫星叠层砷化镓电池片 砷化镓组件 商业卫星砷化镓光伏列阵 无人机太阳能电池 聚光太阳能组件 特种光伏组件及相关产品 系统设备的开发 军民融合产品 小卫星技术服务 商业卫星合作开发 聚光电站建设等 并已与中科院 航天院 浙江大学 哈尔滨工业大学等各所及院校取得合作 45 2020 1 8 宇航锂离子电池 空间用锂离子电池具有高的比能量 能够满足LEO5年 GEO15年的长寿命使用要求 产品曾获得国家发明专利优秀奖等众多奖项 技术水平国际先进 已成功应用于神七伴星 试验 实践 嫦娥 导航卫星等数十个空间飞行器 46 2020 1 8 47 2020 1 8 48 2020 1 8 49 2020 1 8