衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的設(shè)計是一個復(fù)雜系統(tǒng)工程，不但要考慮電源各部分的參數(shù)設(shè)計，還要考慮電氣設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、安全性設(shè)計、熱設(shè)計等方面。因為任何方面，哪怕是微小的疏忽，都有可能導(dǎo)致整個衛(wèi)星電源分系統(tǒng)甚至整顆衛(wèi)星的崩潰。我國交付的尼日利亞通信衛(wèi)星一號才使用一年多因太陽翼故障導(dǎo)致電能耗盡就是先例，所以衛(wèi)星電源分系統(tǒng)可靠性設(shè)計至關(guān)重要。

電源分系統(tǒng)構(gòu)成

某型號衛(wèi)星電源分系統(tǒng)采用全調(diào)節(jié)直流母線系統(tǒng)。系統(tǒng)由砷化鎵太陽電池方陣、一組6Ah鎘鎳電池及一臺電源控制器(包括一次電源調(diào)節(jié)、二次電源變換、系統(tǒng)遙測、遙控功能、部分星上配電功能)組成。

電源分系統(tǒng)由一次和二次電源組成，一次電源母線為全調(diào)節(jié)型直流母線系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)節(jié)的直流母線不論衛(wèi)星進(jìn)入光照期還是在陰影期，電壓都穩(wěn)定在27V1V范圍內(nèi)。

太陽電池陣可靠性分析與冗余設(shè)計

1 太陽電池陣可靠性分析

從太陽電池方陣采用的太陽電池、隔離二管、電連接器及導(dǎo)線等元器件的失效幾率來看，短路失效的概率較小，而開路失效的可能性存在，應(yīng)屬串聯(lián)性開路失效模式。故在太陽電池陣設(shè)計時，應(yīng)采取有效措施防止太陽電池串開路失效。

①疊層太陽電池包括太陽電池、玻璃蓋片、互連條、蓋片膠及焊點等部分，這種疊層的失效主要集中于焊點及互連片的斷開和短路方面。從失效幾率來看，短路可能性小，而焊點脫開及電池破裂開路的幾率是存在的。

單體太陽電池經(jīng)過嚴(yán)格篩選，失效屬于偶然隨機(jī)失效，失效類型為指數(shù)分布型。每個太陽電池的上下電各有6個焊點，只要各有1個焊點不斷開則就不會失效，屬6元并聯(lián)型系統(tǒng)。

② 隔離二管降額使用，并有3倍以上冗余，以提高可靠性。

③ 電纜及電連接器的接點均采用多點并聯(lián)，減少開路失效幾率。

④ 太陽電池粘貼玻璃蓋片時，采用全覆蓋方式，不使電池光照面邊緣裸露在粒子輻照環(huán)境中，以延長其壽命。

2 太陽電池陣冗余設(shè)計及功率設(shè)計裕度

在工作溫度為80℃時，電池陣壽命末期輸出功率為300W，滿足衛(wèi)星241W的用電需求，功率裕度為24%，功率設(shè)計滿足可靠性要求。

① 從太陽電池串聯(lián)數(shù)來看，供電陣實際布片為18片，大于指標(biāo)需求值17片;充電陣實際布片為10片，大于指標(biāo)需求值9片。由于串聯(lián)數(shù)的冗余，電壓較高，使太陽電池陣處于更穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

② 太陽電池陣實際總電池串?dāng)?shù)量為28并，對應(yīng)的末期輸出功率為300W，而滿足衛(wèi)星3年壽命末期241W用電需求對應(yīng)的電池串?dāng)?shù)量為26并。由于并聯(lián)數(shù)的冗余，保證壽命末期太陽電池陣的工作穩(wěn)定性。

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鎘鎳蓄電池組可靠性分析與冗余設(shè)計

1鎘鎳蓄電池可靠性分析

鎘鎳蓄電池組失效方式有泄露、開路、短路和性能衰減等。在這些失效方式中，開路失效出現(xiàn)的可能性非常小，主要是裝配過程中的機(jī)械損傷和質(zhì)量控制出問題，通過加強質(zhì)量控制和檢驗工作可以避免這種致命的失效。鎘鎳蓄電池組經(jīng)長期使用，明顯、主要的失效方式是性能衰減。在使用時采用電壓溫度補償下的充電控制方式，并由星務(wù)計算機(jī)參與控制管理，整個壽命期設(shè)置多條V-T曲線硬件控制和多點充放電比選擇，可根據(jù)衛(wèi)星運行狀態(tài)和蓄電池使用情況，通過遙控選擇相應(yīng)的補償曲線，保證鎘鎳電池組工作處于良性循環(huán)。

2 鎘鎳蓄電池的冗余設(shè)計及功率設(shè)計裕度

每組鎘鎳電池組有16個單體蓄電池串聯(lián)而成，允許有1節(jié)單體短路失效而不影響整星的工作，在電容量設(shè)計過程中有大于10%的冗余容量設(shè)計。

電源控制器可靠性分析與冗余設(shè)計

電源控制器是由分流調(diào)節(jié)模塊、充電調(diào)節(jié)模塊、放電調(diào)節(jié)模塊、二次電源模塊、工作電源模塊和火工品模塊等組成。

1 分流調(diào)節(jié)模塊可靠性分析與冗余設(shè)計

分流調(diào)節(jié)電路的功能是調(diào)節(jié)太陽電池供電陣的輸出電能，穩(wěn)定一次電源母線電壓，是光照期向衛(wèi)星負(fù)載主要供電部分。分流電路設(shè)計繼承了其他衛(wèi)星的成熟技術(shù)，分流調(diào)節(jié)模塊的分流元件選用了V-MOS功率三管，該器件在導(dǎo)通期間內(nèi)阻較小并能承受較大的分流電流。器件本身降額余度較大，為了防止短路失效會造成一路太陽電池供電陣不能向母線供電的故障，設(shè)計采用兩管串聯(lián)工作的可靠性措施。另外，在控制電路中采用了安全導(dǎo)向的可靠性措施，避免因太陽電池供電陣短路的故障減少一路供電陣的輸出功率;根據(jù)電源系統(tǒng)的設(shè)計方案和衛(wèi)星電源供配電要求，一路供電陣喪失分流調(diào)節(jié)功能，不會引起母線電壓的波動，因為其他正常工作的分流調(diào)節(jié)電路能夠完成母線功率調(diào)節(jié)功能。為了提高分流電路的可靠性，分流調(diào)節(jié)電路有兩個功率模塊組成，各模塊電路獨立工作，任何一路功率模塊的失效不會影響其他功率模塊正常調(diào)節(jié)功能。

為了防止隔離二管的開路，采用了兩個二管并聯(lián)可靠性措施。

2 放電調(diào)節(jié)模塊可靠性分析與冗余設(shè)計

放電調(diào)節(jié)模塊負(fù)責(zé)在光照期太陽電池陣輸出功率不能滿足星上負(fù)載功率，和衛(wèi)星進(jìn)入陰影期時，提供整星有效載荷負(fù)載所需的功率，保證系統(tǒng)母線輸出電壓的穩(wěn)定。

放電調(diào)節(jié)器有4個放電調(diào)節(jié)模塊組成，每兩個放電調(diào)節(jié)模塊電路并連后，然后串聯(lián)輸出。兩個并聯(lián)模塊中允許1路失效，并且在1路放電調(diào)節(jié)模塊失效的情況下，放電調(diào)節(jié)模塊能夠滿足額定功率輸出，不影響電源正常供電

3 充電控制模塊可靠性分析與冗余設(shè)計

為了提高充電控制電路的可靠性，充電電流調(diào)整器件選用V-MOS大功率三管，充電電路采用了冷備份，通過地面遙測指令實行主備切換，也可以切換。主備兩套電路獨立，包括控制電路和功率調(diào)整器件等，不存在單點失效的環(huán)節(jié)。