GB-T 44821.3-2026《平流层飞艇技术要求 第3部分：能源系统》

平流层飞艇通用技术要求第3部分：能源系统2规范性引用文件3术语和定义太阳电池solarcell将太阳辐射能直接转换成电能的器件。太阳电池组件solarcellmodule把多个单体太阳电池根据需要串并联起来并封装后的组件。最大功率跟踪控制器maximumpowerpointtrackingcontroller调节和控制太阳电池阵必要时工作在最大功率点附近的装置。工2电源变换器powerconverter通过电力电子技术，将一种形式的电能(如交流、直流)转换成另一种形式电能(如不同电压等级的交流、直流)的装置。能量平衡energybalance注：太阳电池阵产生能量大于用电设备消耗时，富裕的电能会存储到储能电池组中；当太阳电池阵产生能量小于用电设备消耗时，储能电池组放电补充，从而实现昼夜循环中的动态能量平衡。4技术要求能源系统应由以下部分组成：a)电能产生设备：通常由太阳电池阵组成；c)电能变换设备：通常由电源变换器组成；d)电能分配设备：通常由配电设备组成；e)电能控制设备：通常由最大功率跟踪控制器和能源管理器等设备组成。4.2功能能源系统应具有以下功能：c)电能变换：将太阳电池阵产生的一次电能变换为后端用电设备所需要的电能形式；d)电能分配：将电能分配到用电设备；e)电能管理及控制：管理与控制能源系统的工作模式，监控能源系统的状态。c)太阳电池阵的全天发电量满足能源系统能量平衡的要求，单位为瓦时(Wh)。储能电池组应满足以下要求：a)储能电池组能量密度不小于260Wh/kg;b)储能电池组能量满足能源系统能量平衡的要求，单位为瓦时(Wh)。34.3.3应急电源应急电源应满足以下要求：a)应急电源能量密度不小于260Wh/kg;b)应急电源能量满足应急状态下用电设备在规定的应急工作时间内的供电需求，单位为瓦时能源系统的输出功率应满足飞艇用电设备的最大用电功率，单位为瓦(W)。电源变换器应满足以下要求：a)电源变换器的输出功率满足后端用电设备的总功率，单位为瓦(W);b)电源变换器的转换效率不小于94%。配电设备各配电通道的额定工作电流应不小于后端用电设备的额定工作电流，单位为安培(A)。能源系统的母线稳态电压应与后端用电设备的供电电压相适应，单位为伏(V)。4.3.8纹波电压能源系统的母线纹波电压的峰-峰值应不超过额定输出电压值的1%。当后端负载功率从50%跃变到100%和从100%跃变到50%时，能源系统的母线电压变化应满足规定的要求。4.3.10能量平衡4.4.1机械接口机械接口主要包括太阳电池组件等安装在囊体上设备与飞艇囊体的安装接口、舱内设备与设备舱的安装接口、连接线缆与囊体和设备舱的安装接口等，机械接口应满足以下要求：b)舱内设备与设备舱的安装接口满足舱内设备的几何尺寸要求；c)连接线缆与囊体和设备舱的安装接口符合型号专用规范的规定。4.4.2电接口电接口主要包括能源系统与飞艇其他系统之间的供电接口和数据通信接口，电接口应满足以下4要求：a)采用标准接口和通用接口；c)通信接口的类型、传输速率、数据格式、通信协议与对应的系统相适应；d)具有防插错措施。4.4.3热接口热接口主要包括能源系统与环控系统之间的热量交换接口。热接口应满足能源系统设备在飞艇所有工况下正常工作时对环境温度的要求。能源系统的重量应满足飞艇总体分配的指标要求。能源系统各设备的外观应无划伤、刻痕、裂纹、污染和其他机械性损伤。4.7环境适应性能源系统应能适应平流层飞艇在任务阶段所经历的大气温度、大气压力、太阳辐射等环境条件，主要应包括以下环境要求。b)温度环境要求：1)在环控舱外部的设备，正常工作温度范围通常为一90℃~65℃;2)在环控舱内部的设备，足舱内温度的要求。4.7.2机械环境能源系统应能承受贮存、运输、地面测试和飞行包线内的所有振动、冲击和加速度等机械环境条件。试验项目应包含振动、冲击、公路运输等。能源系统及其设备应能适应飞艇在所有工况下的电磁环境，能源系统自身及能源系统和艇载其他系统应相互兼容。能源系统及设备应按照总体要求及相关标准开展电磁兼容性测试。测试项目通常包含电源线传导发射测试、电场辐射发射测试、电缆束注入传导敏感度测试、电场辐射敏感度测试、静电放电敏感度测试等项目。4.8可靠性能源系统的可靠性应符合以下要求：a)能源系统可靠性指标(如可靠度或平均无故障时间)满足飞艇总体所分配的指标要求；b)能源系统具有冗余度。54.9安全性能源系统的安全性应符合以下要求：a)能源系统受到破坏或出现局部故障时，能隔离故障；b)最大功率跟踪控制器具备过热、限流等保护功能；e)配电设备具备过载和短路保护功能，在用电设备或配电线路故障时应进行保护和故障隔离。5验证试验5.1试验项目能源系统应进行以下试验：a)齐套性检查；b)功能试验；c)性能试验；d)接口检查；g)环境试验；h)可靠性试验；i)安全性试验。5.2试验方法a)调节太阳电池阵模拟器，使其输出为白天最大光照条件下的输出，调节负载为飞艇白天平均用电功率，设置储能电池组为未充满电状态，此时能源系统工作在太阳电池阵最大功率输出，给负载供电并给储能电池组充电模式；b)当储能电池组基本充满电时，调节太阳电池阵模拟器，使其输出为白天最大光照条件下的输出，调节负载为飞艇白天平均用电功率，此时能源系统自动转换到太阳电池阵限制功率输出模式，太阳电池阵给负载供电并给储能电池组浮充；c)调节太阳电池阵模拟器使其输出为白天日出或日落时间段光照条件下的输出，调节负载为飞艇白天平均用电功率，此时，太阳电池阵发电功率无法满足负载需求，能源系统自动切换到太阳电池阵与储能电池组联合输出给负载供电模式，由储能电池组补充放电来满足负载用电需求；d)关闭太阳电池阵模拟器输出，模拟夜间情况，此时，太阳电池阵不发电，能源系统自动切换到储能电池组放电给负载供电模式；e)关闭太阳电池阵模拟器和储能电池组输出，模拟应急工作状态，能源系统自动切换到应急工作模式，由应急电源给关键负载供电。图1测试原理示意图能源系统可在不同工作模式下正常切换，各设备在不同工作模式下正常工作，并可通过上位机监控能源系统状态，则判定为功能试验合格。5.2.3性能试验5.2.3.1太阳电池阵采用模拟飞艇所处的平流层光照环境的方法进行测试，具体步骤如下：a)设置光照模拟设备光照强度、光照时长和照射角度；b)对太阳电池阵的输出功率进行测试；c)连续记录太阳电池阵的输出功率和时间；d)照公式(1)计算全天的累计发电量。(t)dt…………(1)式中：——测试时间，单位为小时(h)。全天发电量满足能源系统能量平衡要求则判定为合格。5.2.3.2储能电池组具体测试方法如下。a)在(20±5)℃下，放电功率设置为飞艇用电设备的总平均功率，将充满电的蓄电池放电至规定电压。b)记录蓄电池放电功率和时间。c)按照公式(2)采用积分的方法计算累计的放电能量。式中：E——蓄电池能量，单位为瓦时(Wh);7t——测试时间，单位为小时(h)。d)测量蓄电池重量。e)按照公式(3)计算蓄电池能量密度。式中：Em——蓄电池能量密度，单位为瓦时每千克(Wh/kg);E——蓄电池能量，单位为瓦时(Wh);m——蓄电池重量，单位为千克(kg)。储能电池组的能量和能量密度均满足规定要求则判定为合格。5.2.3.3应急电源具体测试方法如下：a)在(20±5)℃下，放电功率设置为飞艇应急状态用电设备的总平均功率，将充满电的蓄电池放电至规定电压；b)记录蓄电池放电功率和时间；c)按照公式(2)采用积分的方法计算累计的放电能量；d)测量蓄电池重量；e)按照公式(3)计算蓄电池能量密度；f)在-70℃或规定的低温条件下，用应急电源给艇上应急状态下的用电设备(或模拟应急状态下的用电负载)供电；g)测试并记录应急状态下的连续工作时间。应急电源能量和能量密度均满足规定要求，应急供电状态下设备工作正常且应急工作时间满足规定要求，则判定为应急电源测试合格。5.2.3.4输出功率采用太阳电池阵模拟器模拟太阳电池阵的输出，采用模拟负载模拟飞艇用电设备的功率，按照图1开展测试具体测试方法如下：a)设置模拟负载为飞艇用电设备的最大总功率，通过设置太阳电池阵模拟器和储能电池组，使能源系统工作在太阳电池阵供电模式；b)测量系统的输出功率；c)通过设置太阳电池阵模拟器和储能电池组，使能源系统工作在储能电池组单独供电模式；d)测量系统的输出功率。在不同工作模式下，能源系统的输出功率均满足用电设备的最大总功率需求则判定为合格。5.2.3.5电源变换器具体测试方法如下。a)电源变换器输入端接测试电源，输出端接模拟负载。b)调节测试电源的输出电压分别为母线电压的最小值，调节模拟负载为电源变换器的额定输出功率。c)测量电源变换器的输入功率和输出功率。d)调节测试电源的输出电压分别为母线电压的额定值，调节模拟负载为电源变换器的额定输出功率。8e)测量电源变换器的输入功率和输出功率。f)调节测试电源的输出电压分别为母线电压的最大值，调节模拟负载为电源变换器的额定输出功率。g)测量电源变换器的输入功率和输出功率。h)按照公式(4)计算电源变换器的转换效率。式中：P输出——额定输入电压和额定负载条件下变换器的输出功率，单位为瓦(W);P输入——额定输入电压和额定负载条件下变换器的输入功率，单位为瓦(W)。各种输入条件下，电源变换器的输出功率均满足后端用电设备的用电功率且效率满足4.3.5的要求，则判定为合格。5.2.3.6配电通道具体测试方法如下：a)配电设备输入端接测试电源，各配电通道输出端接模拟负载；b)调节测试电源的输出电压分别为配电设备输入电压的额定值，调节各配电通道输出端模拟负载为配电通道额定工作电流；c)配电设备各配电通道应能正常工作，测量并记录配电设备各配电通道额定工作电流。配电设备各配电通道额定工作电流不小于后端用电设备的额定工作电流，则判定为合格。5.2.3.7稳态电压结合能量平衡及循环试验开展，测试能源系统在一个循环周期内能源系统母线稳态电压，能源系统母线稳态电压满足规定要求则判定为合格。5.2.3.8纹波电压采用太阳电池阵模拟器模拟太阳电池阵的输出，采用模拟负载模拟飞艇用电设备的功率，按图1开展测试，具体测试方法如下：a)设置模拟负载模拟飞艇用电设备的最大总功率，通过设置太阳电池阵模拟器和储能电池组，使能源系统工作在太阳电池阵供电模式；b)用示波器测量能源系统母线纹波电压。能源系统的母线纹波电压满足4.3.8的要求则判定为合格。5.2.3.9电压瞬变采用太阳电池阵模拟器模拟太阳电池阵的输出，采用模拟负载模拟飞艇用电设备的功率，按照图1开展测试，具体测试方法如下：a)通过设置太阳电池阵模拟器、模拟负载和储能电池组，使能源系统工作在太阳电池阵供电模式；b)将负载从50%跃变到100%和从100%跃变到50%;c)测量负载跃变过程中能源系统的母线电压变化情况；d)通过设置太阳电池阵模拟器、模拟负载和储能电池组，使能源系统分别工作在储能电池组单独供电模式；9e)将负载从50%跃变到100%和从100%跃变到50%;5.2.3.10能量平衡按图1开展测试，用太阳电池阵模拟器模拟平流层正常状态下太阳电池阵一昼夜内(24h)的输出变化情况，用模拟负载模拟飞艇用电设备一昼夜内(24h)的用电功率变化情况，模拟能源系统在平流层环境下一昼夜内(24h)的供电情况，能源系统在一昼夜内(24h)能实现能量平衡及昼夜循环则判定为合格。5.2.4接口检查5.2.4.1机械接口用测量仪器测量各设备机械接口尺寸，满足4.4.1的要求则判定为合格。5.2.4.2电接口热接口检查随能源系统环境试验开展，满足4.4.3的要求则判定为合格。5.2.5重量检查对能源系统设备外观进行目视检查，满足4.6的要求则判定为合格。5.2.7.1自然环境和机械环境能源系统的自然环境和机械环境试验方法参照GB/T2423(所有部分)的要求进行，当所有试验项目满足要求，则判定为合格。5.2.7.2电磁环境具体测试方法如下：a)能源系统集成后，根据总体要求规定的测试项目对能源系统开展电磁兼容性测试；b)在地面环境下采用能源系统对飞艇用电设备和用电系统供电(或结合飞艇总装完成后的全系统地