彭健 鄢婉娟 劉元默 王文濤 鞏巍 趙淑莉 張平 吉雙澤 張龍龍

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)(2 上海空間電源研究所，上海 200245)

(3 天津電源研究所，天津 300384)(3 山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670)

伴隨著航天東方紅衛(wèi)星有限公司的成長，小衛(wèi)星供配電技術(shù)已走過20年發(fā)展歷程。20年前，實(shí)踐五號(hào)等衛(wèi)星在軌成功運(yùn)行，標(biāo)志著供配電系統(tǒng)正式開啟了為現(xiàn)代小衛(wèi)星保駕護(hù)航的征程，此后，一個(gè)又一個(gè)具有里程碑意義的成就被創(chuàng)造出來。2002年，采用分散供配電體制，裝載著第一批國產(chǎn)DC/DC模塊的海洋一號(hào)A星發(fā)射成功，驗(yàn)證了小衛(wèi)星分散供配電體制及使用國產(chǎn)化模塊電源的可行性。2003年，以空間科學(xué)探測為目標(biāo)的探測雙星發(fā)射成功，太陽電池陣極低剩磁控制技術(shù)[1]首次應(yīng)用并達(dá)到國際先進(jìn)水平。2004年，采用開關(guān)分流、太陽電池陣大并聯(lián)、軟件供配電技術(shù)的試驗(yàn)二號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功，奠定了后續(xù)小衛(wèi)星一次電源拓?fù)浼軜?gòu)發(fā)展的基線。2009年，鋰離子蓄電池在希望一號(hào)衛(wèi)星上成功首飛，2012年，配置三結(jié)砷化鎵和鋰離子蓄電池的實(shí)踐九號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功，三結(jié)砷化鎵和鋰離子蓄電池產(chǎn)品首次作為主電源應(yīng)用到公司業(yè)務(wù)衛(wèi)星，高集成度電源調(diào)控管理單元(Power Control Distribution Unit，PCDU)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品首飛。2012年，配置雙獨(dú)立母線的環(huán)境一號(hào)C星發(fā)射成功，標(biāo)志著小衛(wèi)星供配電系統(tǒng)具備了為大功率雷達(dá)載荷提供穩(wěn)定電源的能力。2015年，由公司自主研發(fā)的第一顆微納衛(wèi)星希望二號(hào)發(fā)射成功，實(shí)現(xiàn)了“低成本、短周期”研制模式的創(chuàng)新，星箭分離自主加電技術(shù)、基于工業(yè)級(jí)器件的多冗余可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)得到在軌驗(yàn)證。短短幾年，公司自研供配電系統(tǒng)的微納衛(wèi)星在軌數(shù)量已超過25顆。2018年，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命首次達(dá)到8年的高分六號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功，同年，采用新型鎳鈷鋰(NCA)體系鋰離子蓄電池的嫦娥四號(hào)中繼星發(fā)射成功，單體比能量達(dá)到180 Wh/kg。2018年，采用復(fù)雜母線拓?fù)浼軜?gòu)的某遙感衛(wèi)星發(fā)射成功，電源系統(tǒng)采用“內(nèi)單外雙”中高電壓母線，供配電能力提升到數(shù)千瓦量級(jí)。2018年，采用100 V母線體制的巡天一號(hào)供配電系統(tǒng)進(jìn)入工程研制階段，標(biāo)志著小衛(wèi)星供配電系統(tǒng)進(jìn)入高壓母線時(shí)代；同時(shí)，國內(nèi)中高功率電磁感應(yīng)式無線能量傳輸技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入空間工程應(yīng)用階段。2021年，采用基于能量平衡的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)應(yīng)用到北京三號(hào)，解決了構(gòu)型、軌道、姿態(tài)、負(fù)載之間相互耦合下能源安全裕度量化設(shè)計(jì)問題，配合星上能源自主管理技術(shù)，極大地提升了敏捷類光學(xué)遙感衛(wèi)星的能源綜合利用效率。

回顧20年的發(fā)展歷程，小衛(wèi)星供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]既博采眾長又獨(dú)樹一幟，堅(jiān)持高比功率、高比能量、高能源利用率和高轉(zhuǎn)換效率的“四高”設(shè)計(jì)理念，在總體設(shè)計(jì)和單機(jī)研發(fā)領(lǐng)域不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和跨越。掌握了復(fù)雜供配電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、太陽電池陣極低剩磁控制、高功率載荷供電、無線能量傳輸、在軌能源安全管理、軟件供配電等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從線性電源到開關(guān)電源、硅太陽電池到三結(jié)砷化鎵太陽電池、鎘鎳蓄電池組到鋰離子蓄電池包產(chǎn)品的升級(jí)換代，形成了面向微納衛(wèi)星、CAST1000、CAST2000、CAST3000平臺(tái)的豐富產(chǎn)品體系。產(chǎn)品性能、壽命、質(zhì)量和可靠性始終處于國內(nèi)小衛(wèi)星領(lǐng)先地位。截至公司成立20周年之際，已助力126顆衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)用覆蓋了技術(shù)試驗(yàn)、光學(xué)遙感、微波遙感、空間科學(xué)、深空探測、通信等多個(gè)領(lǐng)域，成功率100%。

1 小衛(wèi)星供配電技術(shù)發(fā)展

1.1 總體技術(shù)

供配電總體技術(shù)[3-5]是一項(xiàng)涉及整星發(fā)電、儲(chǔ)能、配電、傳輸和電力變換的綜合技術(shù)，工程實(shí)施內(nèi)容包括供配電體制和拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、星地星箭接口設(shè)計(jì)、能量平衡計(jì)算、關(guān)鍵核心部組件配置、在軌能源調(diào)度使用和安全防護(hù)、應(yīng)急處置等，一般由一次電源和總體電路兩個(gè)分系統(tǒng)合作實(shí)施。

1)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

早期小衛(wèi)星只有單母線配置，標(biāo)稱母線電壓28 V，采用線性分流技術(shù)，直接能量傳輸，僅支持最大1200 W功率量級(jí)載荷用電。隨著小衛(wèi)星任務(wù)需求的多樣化和電源技術(shù)的發(fā)展，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)多樣化趨勢。

針對(duì)不同載荷功率需求，母線電壓在傳統(tǒng)28 V體制上，向上擴(kuò)展到42 V、100 V，向下延伸到12 V、8 V，能夠覆蓋10～8000 W的功率需求。系統(tǒng)架構(gòu)在單母線基礎(chǔ)上，形成了雙獨(dú)立母線、內(nèi)單外雙母線、內(nèi)單外三母線等多種形式，能夠充分適應(yīng)合成孔徑雷達(dá)、制冷機(jī)等特殊負(fù)載需求，長壽命高可靠需求，繼承性平臺(tái)設(shè)備和新研載荷設(shè)備兼容用電需求。為達(dá)到重力場測量、電磁監(jiān)測等高精度測量衛(wèi)星對(duì)母線的潔凈度要求以及最大程度地利用太陽電池陣的發(fā)電能力，部分型號(hào)開始采用最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)體制的母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

太陽電池陣輸出功率的調(diào)節(jié)方式從線性分流過渡到開關(guān)分流，并從順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器 (Sequence Switch Shunt Regulator，S3R)技術(shù)演變到限頻串聯(lián)順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)(Series Sequence Switch Shunt Regulator，S4R)技術(shù)[6-8]。大功率三極管逐步被功率金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效管(MOSFET)取代，每級(jí)分流能力達(dá)到7 A。根據(jù)任務(wù)使命、飛行模式、軌道特性的不同，母線電壓涵蓋了全調(diào)節(jié)、半調(diào)節(jié)和不調(diào)節(jié)等多種形式。

2)主動(dòng)段不加電技術(shù)

為適應(yīng)微納、微小衛(wèi)星主動(dòng)段不加電的飛行模式，公司電氣工程部開發(fā)了高可靠星箭分離自主加電供配電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是主動(dòng)段蓄電池放電開關(guān)雖處于接通狀態(tài)，但整星不加電，星箭分離后利用分離開關(guān)提取星箭分離信號(hào)控制電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)的平穩(wěn)加電，可靠性高、安全性好，衛(wèi)星上塔架后可免測試，30天內(nèi)蓄電池免充電維護(hù)，已經(jīng)過20余顆衛(wèi)星的飛行驗(yàn)證。該項(xiàng)技術(shù)不僅解決了搭載衛(wèi)星主動(dòng)段不允許加電的限制問題，同時(shí)也為一箭多星發(fā)射模式提供了一種選擇方案，可簡化星箭接口，優(yōu)化衛(wèi)星在發(fā)射場工作流程，大大減少射前設(shè)置工作量。

幾種典型的拓?fù)淙鐖D1～4所示。

圖1 內(nèi)單外雙型半調(diào)節(jié)母線拓?fù)?/p>

3)軟件供配電及在軌自主管理

軟件供配電是小衛(wèi)星在供配電設(shè)計(jì)理念上的創(chuàng)新和突破，在國內(nèi)外普遍以硬件實(shí)現(xiàn)供配電控制的上世紀(jì)九十年代，小衛(wèi)星供配電系統(tǒng)率先配置電源下位機(jī)，利用軟件設(shè)計(jì)靈活，功能易擴(kuò)展，在軌可上注修改的特點(diǎn)，以軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電系統(tǒng)的管控。蓄電池充電的安時(shí)計(jì)控制、充電電流的在軌調(diào)整、蓄電池單體狀態(tài)的監(jiān)視與均衡、蓄電池溫控、遙測參數(shù)采集、總線通訊等功能均通過軟件實(shí)現(xiàn)，大大豐富和提高了小衛(wèi)星供配電系統(tǒng)的功能和使用靈活性。

在軌自主管理是小衛(wèi)星供配電系統(tǒng)的另一大特色，它體現(xiàn)了故障檢測、隔離和重新配置(Fault Detection, Isolation and Recovery，F(xiàn)DIR)的設(shè)計(jì)理念，充分設(shè)計(jì)和利用供配電系統(tǒng)軟硬件資源，建立開放式的在軌故障自主診斷和處置模型，提升了對(duì)供配電系統(tǒng)自身健康和運(yùn)行狀態(tài)的管控能力，進(jìn)而保證了整星能源安全。目前，在整星層面已具備完善的能源安全模式設(shè)計(jì)，如能源分級(jí)管理與保護(hù)，在分系統(tǒng)層面已具備方陣電流監(jiān)測、蓄電池組控溫回路監(jiān)測、分流電路短路監(jiān)測、蓄電池組過充監(jiān)測、單體電壓失效監(jiān)測、二次電源備份狀態(tài)監(jiān)測等數(shù)十種故障模型和處置策略，提高了故障處理和隔離的及時(shí)性。

圖2 采用峰值功率跟蹤技術(shù)的不調(diào)節(jié)母線拓?fù)?/p>

圖3 適應(yīng)主動(dòng)段衛(wèi)星母線不加電拓?fù)?/p>

圖4 高壓大功率長壽命母線拓?fù)?/p>

4)總體電路技術(shù)

經(jīng)過近20年的發(fā)展，小衛(wèi)星總體電路的整星接地設(shè)計(jì)、火工品起爆控制、低頻電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)等技術(shù)日趨完善，在確保星上能源流和信息流暢通、一次母線供電安全、電磁兼容、星地接口和星箭接口配置等方面發(fā)揮了重要作用。

小衛(wèi)星遵循分散供配電和分區(qū)配電的技術(shù)路線，整星配電一般分為直通供電的星務(wù)測控供電區(qū)，開關(guān)控制的姿軌控供電區(qū)、載荷供電區(qū)和火工品短時(shí)供電區(qū)，各開關(guān)供電區(qū)均具備特征阻值主動(dòng)監(jiān)測功能，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)功率電纜網(wǎng)潛在的短路隱患。一次電源配送到各分區(qū)后，由分區(qū)內(nèi)的分系統(tǒng)級(jí)配電器向下游設(shè)備配電，并由設(shè)備內(nèi)部的DC/DC模塊完成二次電源變換，形成完善的一次電源配電網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

圖5 一次電源配電示意圖

2012年后，通過將配電設(shè)備與供電設(shè)備的功能融合，推廣使用具有電源控制、配電、火工品管理功能的PCDU產(chǎn)品和本質(zhì)安全性好的電池包產(chǎn)品，提高了供配電產(chǎn)品的功能密度，減少了功率電纜網(wǎng)的數(shù)量。

總體電路采用四個(gè)分離開關(guān)提取星箭分離信號(hào)，在充分識(shí)別分離開關(guān)故障模式及影響，并不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)后，形成目前的設(shè)計(jì)狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 分離開關(guān)設(shè)計(jì)原理圖

1.2 儲(chǔ)能技術(shù)

鋰離子蓄電池[9-12]作為儲(chǔ)能電源于2000年開始進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。2009年, 在微納衛(wèi)星希望一號(hào)首次應(yīng)用。2009年后，公司所有新研制型號(hào)均采用鋰離子蓄電池作為儲(chǔ)能部件。

第一代鋰離子蓄電池采用鈷酸鋰(LCO)體系，單體電池容量范圍10～30 Ah，比能量范圍110～120 Wh/kg，低軌循環(huán)設(shè)計(jì)壽命不超過5年。第一代鋰離子蓄電池單體采用不銹鋼材質(zhì)殼體，為提高電池組比能量和降低剩磁，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，將單體電池殼體統(tǒng)一更換為鋁材質(zhì)，單體電池的比能量提高至124 Wh/kg。

為適應(yīng)低軌小衛(wèi)星8年的設(shè)計(jì)壽命要求，在第一代鋰離子蓄電池基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，換用壽命循環(huán)性能更優(yōu)異的鎳鈷鋰(NCA)材料，開發(fā)出了第二代鋰離子蓄電池，單體電池容量范圍20～45 Ah，比能量范圍125～150 Wh/kg。

在第二代鋰離子蓄電池的基礎(chǔ)上，通過提高材料能量密度、優(yōu)化集流方式、改進(jìn)外部電接口等方法，研發(fā)出第三代鋰離子蓄電池。單體電池容量范圍30～50 Ah，比能量提高至160～210 Wh/kg，蓄電池最大放電倍率由1 C提高至3 C，電池組兼具高比能量和高比功率特性。

為徹底消除整星測試期間鋰離子蓄電池電纜帶電插拔的不安全隱患，提高產(chǎn)品的本質(zhì)安全性，2017年開始，供配電系統(tǒng)參照新能源汽車行業(yè)蓄電池包的設(shè)計(jì)理念，將原集成在電源控制器中的放電開關(guān)、火工品母線開關(guān)、單體采樣和均衡電路等移出，設(shè)計(jì)為蓄電池管理單元，并與原蓄電池組進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)[13]，通過正確控制放電開關(guān)、火工品母線開關(guān)的通斷狀態(tài)，確保此類危險(xiǎn)源產(chǎn)品在存儲(chǔ)、運(yùn)輸、操作過程中對(duì)外不帶電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池單體就近采樣和均衡控制，提高了采樣精度，簡化了電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)。

目前公司在研的絕大多數(shù)型號(hào)已采用蓄電池包產(chǎn)品，蓄電池包原理如圖7所示。

圖7 蓄電池包原理框圖

另外，為解決SAR等載荷的高功率用電問題，高比功率電池得到應(yīng)用。典型的單體電池容量為5～10 Ah，單體電池的質(zhì)量小于0.5 kg，比能量110 Wh/kg，放電倍率可達(dá)到分鐘級(jí)10～30 C，秒級(jí)50～100 C。

1.3 發(fā)電技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)，砷化鎵太陽電池陣[14]迅速替代硅太陽電池陣成為航天器的核心供電設(shè)備，經(jīng)過20多年的發(fā)展，空間太陽電池陣總體構(gòu)型、太陽電池片材料與性能、電池陣基板結(jié)構(gòu)都發(fā)生了重大變化，主流三結(jié)砷化鎵太陽電池片的發(fā)電效率已達(dá)到32%，如圖8所示。隨著航天器對(duì)大功率、低成本、輕質(zhì)空間太陽電池陣需求的不斷增加，作為當(dāng)前主流產(chǎn)品的展開式剛性基板的空間太陽電池陣，一方面依靠增加基板數(shù)量及尺寸來提高太陽電池陣的發(fā)電功率，另一方面通過選用高效率太陽電池片來提高太陽電池陣發(fā)電功率。

圖8 太陽電池研制發(fā)展歷程

太陽電池陣是低軌航天器上工作環(huán)境最惡劣的設(shè)備之一，常年工作在±100 ℃的溫度范圍內(nèi)，其機(jī)電熱一體設(shè)計(jì)難度極大。隨著體裝太陽翼的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高了太陽電池陣工作溫度，達(dá)到135 ℃甚至更高，超過了太陽電池陣在用材料、工藝的極限，部分在軌衛(wèi)星發(fā)生了太陽電池陣輸出電流下降問題。太陽電池陣的耐高溫、控高溫問題已到了必須解決的程度。

在太陽翼基板制備方面，采用共固化工藝的碳網(wǎng)格/碳蒙皮基板鑒定溫度達(dá)到145 ℃，已大批投入使用；在電池片焊接工藝方面，電阻焊+錫焊工藝可有效解決錫焊工藝在高低溫交變環(huán)境下焊點(diǎn)蠕變失效問題；在太陽電池電路粘貼工藝方面，魚骨膠型和低真空除氣可早期釋放施加在太陽電池片上的應(yīng)力；在太陽電池陣輸出功率控制方面，最大功率跟蹤技術(shù)可將太陽電池陣的最大輸出功率提取出來，有效利用太陽電池陣的發(fā)電能力。同時(shí)，主動(dòng)耗散技術(shù)也在積極研究中，可取代對(duì)地分流技術(shù)將太陽電池陣多余能量在衛(wèi)星散熱面耗散掉。

1.4 電源變換技術(shù)

電源變換[15]是將衛(wèi)星一次母線電壓變換為用電設(shè)備需要的不同種類的二次電壓，包括升壓或降壓變換。早期小衛(wèi)星供配電系統(tǒng)功能簡單，采用集中供配電體制，一般配置2～3臺(tái)二次電源設(shè)備，為整星各類用電設(shè)備提供+5 V、±12 V二次電源。由于采用低壓大電流傳輸，電纜損耗和EMC問題突出，集中供電存在一處短路影響全星的安全隱患。

2000年前后，在老一代科學(xué)家的大力支持下，經(jīng)過技術(shù)人員的不懈努力，小衛(wèi)星率先研制成功國產(chǎn)化二次電源模塊，并于2002年首飛成功。此后，模塊化電源應(yīng)用在國內(nèi)呈燎原之勢，迅速應(yīng)用到小衛(wèi)星控制分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)、相機(jī)分系統(tǒng)及導(dǎo)航、通訊等大衛(wèi)星領(lǐng)域。

第一代二次電源模塊采用推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用肖特基二極管進(jìn)行主、備合路輸出，技術(shù)成熟可靠，但性能指標(biāo)一般，采用中小規(guī)模集成電路，表面貼裝工藝。為解決二次電源模塊高效率與長壽命兼顧問題，供配電系統(tǒng)開始研發(fā)一種采用工業(yè)級(jí)同步降壓變換電路與宇航級(jí)DC/DC模塊異構(gòu)備份的更新?lián)Q代產(chǎn)品，如圖9所示，并于2021年首飛成功。其設(shè)計(jì)思路是主份提供高性能、備份保證高可靠。產(chǎn)品采用先進(jìn)的同步整流技術(shù)、理想二極管合路技術(shù)，具有輸入欠壓保護(hù)、延遲啟動(dòng)、輸出過壓保護(hù)和過流保護(hù)功能。與第一代二次電源模塊相比，+5 V電源轉(zhuǎn)換效率由65%提高到優(yōu)于85%，+12 V電源轉(zhuǎn)換效率由75%提高到優(yōu)于88%，在性能指標(biāo)提升的同時(shí)既保證了可靠性也降低了產(chǎn)品成本。

圖9 異構(gòu)備份二次電源原理框圖

在小衛(wèi)星內(nèi)單外雙母線拓?fù)渲?，需要將衛(wèi)星一次母線降壓產(chǎn)生大功率二次母線，幾種典型的降壓變換器拓?fù)淙鐖D10所示。傳統(tǒng)Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，但其輸入電流為脈動(dòng)電流，不利于一次母線紋波控制。相比于Buck電路，Super-Buck 拓?fù)湓黾右粋€(gè)輸入側(cè)電感，使輸入端電流連續(xù)，可以減小對(duì)一次母線的沖擊和線路中的電壓尖峰。在高壓母線系統(tǒng)中，隔離型降壓變換器具有更高的安全性。

圖10 幾種降壓變換器拓?fù)?/p>

1.5 電力傳輸技術(shù)

經(jīng)典的衛(wèi)星電力傳輸方法是通過電纜網(wǎng)將電力由電源端傳輸?shù)截?fù)載端，目前仍然是主流的電力傳輸方式。隨著需求牽引和技術(shù)的進(jìn)步，一種無線能量傳輸技術(shù)開始進(jìn)入航天器工程實(shí)用階段。

無線能量傳輸是一種電源到負(fù)載間沒有經(jīng)過電氣直接接觸的能量傳輸方式。這種技術(shù)能夠擺脫機(jī)械連接束縛，實(shí)現(xiàn)設(shè)備非接觸電能傳輸，具有無接插環(huán)節(jié)、無裸露導(dǎo)體、無漏電危險(xiǎn)等優(yōu)勢。無線輸電技術(shù)使得電能的傳輸途徑更加寬廣、方式更加多樣化。

根據(jù)傳輸機(jī)理的不同，無線電能傳輸技術(shù)分為磁場耦合式、電場耦合式、電磁輻射式等，電磁感應(yīng)式是磁場耦合式中以電磁感應(yīng)耦合原理為基礎(chǔ)的無線電能傳輸模式，通過發(fā)射和接收線圈之間的感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。當(dāng)原邊發(fā)射線圈中流過高頻交流電流與電壓時(shí)，副邊接收線圈會(huì)感應(yīng)出同頻的電壓與電流。該傳輸方式優(yōu)點(diǎn)是近距離傳輸效率比較高，可達(dá)90%以上，功率可以達(dá)到上百千瓦。

電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)由于傳輸距離近，也被稱為近場無線能量傳輸。其將變壓器緊密型耦合磁路分開，一、二次側(cè)繞組分別繞在具有不同磁性的結(jié)構(gòu)上，當(dāng)變壓器松耦合時(shí)，在高頻交流激勵(lì)下，變壓器的一、二次側(cè)存在很強(qiáng)的電磁耦合從而使得大氣隙下的輸電變得可行，實(shí)現(xiàn)在電源和負(fù)載之間進(jìn)行電能傳輸而不需物理連接。其一、二次側(cè)之間通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸，相比于緊密耦合的變壓器，這種傳輸方式在一、二次側(cè)的磁芯之間存在較大的氣隙，導(dǎo)致勵(lì)磁電感的降低引起傳輸效率的下降，一般通過電力電子技術(shù)提高輸入電源的頻率加以補(bǔ)償。

典型的電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)如圖11所示。系統(tǒng)由原邊發(fā)送端和副邊接收端組成，兩個(gè)系統(tǒng)通過松耦合變壓器的原邊線圈與副邊線圈之間的電磁耦合關(guān)系來傳輸電能。發(fā)送端運(yùn)用PWM(Pulse Width Modulation)調(diào)制技術(shù)將低頻輸入轉(zhuǎn)換為高頻，可以根據(jù)不同傳輸功率和距離的需要，調(diào)整輸出頻率和功率，產(chǎn)生一個(gè)可以通過變壓器傳遞給接收端的交流能量，能量通過分離的變壓器進(jìn)行傳遞，接收端把經(jīng)由變壓器接收到的交流能量變換成所需的直流能量傳遞給負(fù)載。原邊線圈和副邊線圈之間有各自的補(bǔ)償環(huán)節(jié)和調(diào)節(jié)控制電路，使得傳輸效率達(dá)到最大化。

圖11 感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)

2 小衛(wèi)星供配電新技術(shù)展望

2.1 多架構(gòu)融合電源控制技術(shù)

提高太陽電池陣能源的利用率是解決電源供需矛盾的重要途徑，基于峰值功率控制技術(shù)(Maximum Power Point Control，MPPC)與直接能量傳輸(Direct Energy Transfer，DET)融合架構(gòu)的電源功率控制技術(shù)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖12所示，可將太陽電池陣的最大輸出功率提取出來，并安全的加以利用。其設(shè)計(jì)思路是：在載荷開機(jī)或蓄電池充電等最大功率需求階段，利用MPPC技術(shù)控制太陽電池陣在峰值功率點(diǎn)輸出，在載荷關(guān)機(jī)或蓄電池已接近充滿電的一般功率需求階段，利用DET技術(shù)控制太陽電池陣在恒流段輸出，在載荷關(guān)機(jī)或蓄電池已充滿電的小功率需求階段，利用S3R分流技術(shù)[16]，將太陽電池陣多余的輸出對(duì)地分流。

圖12 多構(gòu)架融合電源系統(tǒng)拓?fù)?/p>

多架構(gòu)融合電源控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括：MPPC與DET融合的硬件拓?fù)湓O(shè)計(jì)、基于軟件控制的MPPC搜索跟蹤退出策略、MPPC與DET控制模式的無縫切換策略、MPPC功能故障診斷與處理機(jī)制等，要求跟蹤精度達(dá)到99%，轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于95%，該項(xiàng)技術(shù)與傳統(tǒng)的DET技術(shù)相比，對(duì)太陽電池陣初期的能量利用率提升10%～15%左右，在微小衛(wèi)星領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 高效太陽電池發(fā)電技術(shù)

高效多結(jié)太陽電池[17-18]仍是未來太陽電池的發(fā)展趨勢。多結(jié)結(jié)構(gòu)是充分利用太陽光譜的有效途徑，采用四結(jié)以上結(jié)構(gòu)可將現(xiàn)有電池(三結(jié)結(jié)構(gòu))效率由32%提升至34%以上，五結(jié)電池效率可達(dá)到36%，未來六結(jié)電池可提升至38%。在效率提升的同時(shí)，太陽電池片厚度將減小到80 μm量級(jí)，單片有效面積將提升到大于70 cm2。

柔性砷化鎵太陽電池利用外延層剝離技術(shù)或襯底減薄技術(shù)使其具有一定柔性、可彎曲卷繞的特點(diǎn)，相比剛性太陽電池片更輕薄，質(zhì)量比功率更高，且適應(yīng)基板形變能力較強(qiáng)。目前國內(nèi)已研制出效率優(yōu)于32%的柔性砷化鎵太陽電池。

柔性太陽電池陣具有收攏體積小、質(zhì)量輕、可重復(fù)展收等特點(diǎn)，對(duì)于大面積太陽電池陣來說，雖然仍采用剛性太陽電池，但其收攏體積可減少至剛性陣的1/10左右。

目前，32%的柔性砷化鎵太陽電池已開始進(jìn)入空間應(yīng)用階段，未來幾年，隨著技術(shù)的成熟和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，將陸續(xù)應(yīng)用到更多的小衛(wèi)星供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

2.3 固態(tài)鋰電池技術(shù)

固態(tài)鋰電池[19-20]與傳統(tǒng)鋰電池的區(qū)別是使用固態(tài)電解質(zhì)取代有機(jī)電解液，相比傳統(tǒng)鋰電池，固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢在于：①固態(tài)電解質(zhì)具有不易燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發(fā)的特性，大大降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，有望從根本上解決蓄電池安全性問題；②固態(tài)鋰電池電化學(xué)窗口可達(dá)5 V以上，高于液態(tài)鋰電池(4.2 V)，允許匹配高能正極和金屬鋰負(fù)極，大幅提升理論比能量，其理論比能量極限可達(dá)400 Wh/kg；③固態(tài)電池可簡化封裝、溫控系統(tǒng)，在有限空間進(jìn)一步縮減電池質(zhì)量。

固態(tài)電解質(zhì)是實(shí)現(xiàn)固態(tài)鋰電池技術(shù)的核心，很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項(xiàng)性能參數(shù)。按照電解質(zhì)材料的選擇，固態(tài)鋰電池可以分為聚合物、氧化物、硫化物三種體系。按照正負(fù)極材料的不同，固態(tài)鋰電池可以分為固態(tài)鋰離子電池(沿用當(dāng)前鋰離子電池材料體系，如石墨+硅碳負(fù)極等)和固態(tài)鋰金屬電池(金屬鋰作負(fù)極)。

根據(jù)國內(nèi)外固態(tài)鋰電池發(fā)展現(xiàn)狀，未來3～5年內(nèi)還無法實(shí)現(xiàn)“全固態(tài)”電池產(chǎn)業(yè)化，折中的技術(shù)路線是固液混合電池(即“半固態(tài)”電池：含有一定量的液體電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì))，固液混合電池整個(gè)產(chǎn)線與目前現(xiàn)有的軟包工藝相比，調(diào)整幅度較小，兼容性高，無論是可行性還是經(jīng)濟(jì)性，都具有較好的應(yīng)用發(fā)展趨勢，因此目前國內(nèi)大部分企業(yè)的固態(tài)電池都定位在固液混合電池階段。未來3～5年，固液混合電池有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并進(jìn)入航天應(yīng)用。

3 結(jié)束語

過去20年，小衛(wèi)星供配電系統(tǒng)取得的成績和進(jìn)步有目共睹。展望未來，小衛(wèi)星供配電技術(shù)的發(fā)展仍然任重道遠(yuǎn)，“四高”仍然是供配電技術(shù)自身發(fā)展的永恒理念。同時(shí)，作為衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一，更好的融入衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)和圍繞有效載荷的“供、配、輸、變”一體化設(shè)計(jì)，才能使衛(wèi)星整體的供配電設(shè)計(jì)、應(yīng)用效能達(dá)到最優(yōu)。

供配電系統(tǒng)的發(fā)展不會(huì)一帆風(fēng)順，當(dāng)前，困擾專業(yè)技術(shù)人員多年的衛(wèi)星供配電系統(tǒng)在軌故障診斷與隔離的安全性問題、太陽翼機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)問題仍亟待解決，期待年輕的專業(yè)技術(shù)人員青出于藍(lán)，助力小衛(wèi)星供配電技術(shù)發(fā)展再上臺(tái)階。