立方体卫星电源系统及关键技术

石海平　付林春　张晓峰（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

立方体卫星电源系统及关键技术

石海平付林春张晓峰
（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

在对立方体卫星电源系统调研的基础上，介绍了国内外立方体卫星电源系统研制基本情况和立方体卫星电源系统的基本原理，结合当前航天器电源系统应用实际及立方体卫星技术特点，通过对比提炼，对立方体卫星电源系统关键技术进行了梳理分析，重点对供配电体制、结构拓扑、高功率密度实现、接口标准、系统功耗控制等关键技术进行了介绍，对各关键技术的特点、应用、研究状况、难点及主要实现途经等进行了分析。总结了立方体卫星电源系统发展趋势，指出了立方体卫星电源技术的发展重点，给出了立方体卫星电源系统发展建议。以上内容对立方体卫星电源系统的研制应用及发展，具有一定的参考价值。

立方体卫星；电源系统；拓扑；关键技术

1　引言

立方体卫星（CubeSat）是一种小型化的卫星，是目前微小型卫星设计的主流技术之一，1U（单元）立方体卫星设计标准体积为10 cm×10 cm× 10 cm，质量为1 kg。立方体卫星技术源于美国国防先进研究计划局（DARPA）出资、由多所大学负责开发的CubeSat卫星项目，其目标是制定立方体卫星的设计标准。其标准由美国加州州立理科综合大学和斯坦福大学联合制定，提供最基本的、必要的设计大纲和指导，保证CubeSat系列中的每一颗卫星，都能与释放装置正确接口。标准中明确定义了立方体卫星的外部尺寸、推荐使用的制造材料、关键约束条件，还列出了设计者必须遵守的卫星组装、集成、发射等的时间进度节点安排。该标准实际上奠定了整个立方体卫星或微小卫星的设计基础，成为实际设计通用标准［1-3］。

立方体卫星具备普通卫星的基本功能，包括姿态确定和控制、星地通信、星上数据处理和存储等。立方体卫星可以扩展为2U（10cm×10cm×20cm）和3U（10cm×10cm×30cm）等较大的立方体卫星。多个单元立方体卫星可以以其中一个单元提供常规卫星所需要的基本功能，而其它单元根据用户需求提供专项服务，例如对地观测、大气测量、宇宙射线检测等［1-2］。

立方体卫星成本低、标准模块化、功能易扩展、易组网，其应用越来越广，对电源系统的要求也越来越高。当前立方体卫星应用与研究呈现蓬勃发展态势，不但在低地球轨道得到应用，在深空领域也已开始使用。世界各国加大了对立方体卫星的投入，美国、欧盟等主要发达国家都制定并实施了立方体卫星发展规划。随着国内航天发展，在空间站、低空特殊任务等都开始需要立方体卫星，而国内长寿命（1年以上）多功能立方体卫星几乎还是空白，因此，应加紧开展立方体卫星研制工作。

电源系统是立方体卫星的基础系统，直接决定着其使用寿命及任务执行能力。立方体卫星长寿命多任务需求及立方体卫星体积质量限制，使立方体卫星电源系统与传统航天器电源系统有着明显差别，立方体卫星电源系统效率更高，功率密度更大，质量更轻，采用更多智能化技术，更为集约，采用的电源拓扑，关键技术等与普通卫星存在较大的区别。而当前国内立方体卫星电源技术还无法满足立方体卫星长寿命、高容量、多任务使用要求。本文在广泛调研及总结分析的基础上，结合现有航天器电源系统研制经验，对立方体卫星电源系统发展概况、基本原理、关键技术、发展趋势及发展重点等进行了分析总结，可为后续立方体卫星电源系统研制及发展提供参考。

2　国内外研究现状

2.1国外研究现状

真正意义上的立方体卫星最早于2003年6月30日发射，包括质量为l kg的日本东京大学立方体卫星（CubeSat-XI）、质量为1 kg的丹麦奥尔堡大学立方体卫星（AAU-CubeSat1）、质量为1 kg的丹麦科技大学卫星（DTUSat）、东京技术研究所的质量为l kg的（Cute-1）和美国Quakefinder LLC公司的质量为3 kg的地震卫星（MOST）。2010年11月，NASA从FASTSAT卫星上成功释放了一颗立方体卫星——NanoSail-D。此外，欧盟在第七研发框架计划（FP7）下实施了“50颗立方体卫星组成的用于开展低热层探测和再入返回研究的国际卫星网络”项目（简称QB50项目）。该项目由冯·卡门流体动力学研究所（VKI）联合欧洲航天局（ESA）等多个研究机构共同提出，采用50颗2U立方体卫星组网，实现对低层大气的多点在轨测量，同时在星座中开展卫星再入大气层过程的一些相关研究。QB50立方体卫星已于2015年陆续发射［1-2］。

国外立方体星在高校、政府部门及商业公司中呈现蓬勃发展态势，其集成度高，功能越来越复杂，功率密度也越来越高，1U立方体星功率等级已经能达到40W。配电与电源管理系统利用CPU、固态功率开关等智能化元器件，通过系统总线连接，实现系统智能化。一块电路板上集成了电源管理、传感器、通信模块、存储器等功能模块；立方体星研制、试验等标准初步形成；出现了较成熟的市场化产品，各个系统都有现成的商业化产品出售；出现了以工业级元器件构建的立方体星电源系统，并具备了在轨应用经验。只要通过组装测试就能够完成立方体星研制，使得研制周期更短，费用更低，应用更简单便捷。表1整理了国外在立方体卫星发展过程中具有里程碑意义的一些发展成果及其研究机构［4-5］。

表1　立方体卫星主要发展节点及其研究机构Table1　Main development milestones and corporations

立方体卫星电源系统主要由电子电源模块（EPS）、蓄电池模块、太阳电池等组成。EPS是立方体卫星电源系统最重要的部分，实现对电能的控制、分配，对系统的测控保护等功能，该部分技术水平的高低直接反应了立方体卫星电源水平的高低。当前，国外EPS已实现较高水平的集成，相同体积下处理的功率越来越大。当前商业上可购买的1U立方体卫星EPS可处理的功率已扩展至近40W，使用的器件为工业级器件，并通过了飞行验证。很多主要模块都已做成芯片，大大提高了系统的集成水平［6］。

Gomspace公司CS-3UEPS2-NB系列的EPS实物及原理框图如图1和图2所示。

图1　CS-3UEPS2-NB系列EPS外观图Fig.1　Outline of the series of CS-3UEPS2-NB EPS

图2　CS-3UEPS2-NB系列立方体卫星EPS原理框图Fig.2　Schematic diagram of series of CS-3UEPS2-NB EPS

国外立方体卫星太阳翼有多种类型，太阳电池片除了体装式部装外，还有多种展开式太阳翼，能根据立方体卫星应用布局，选取合适的太阳翼种类。

国外常用太阳电池部片形式如图3所示。常采用三结砷化镓太阳电池，转换效率能达到30%。

图3　国外常用立方体卫星太阳电池部片及太阳翼形式Fig.3　Universal solar panels of foreign CubeSat

蓄电池方面，国外主要采用锂离子蓄电池组，立方体卫星电源系统具有对锂离子蓄电池组完备的充放电控制、系统检测与管理能力。

国外普遍采用模拟最大功率点跟踪（MPPT）技术，并实现了芯片化集成，具有立方体卫星级的可展开微型太阳翼技术，整星集成度高，功率密度大。

2.2国内研究现状

目前国内高校从事微小卫星领域研究的主要有清华大学、浙江大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学等。

2010年9月浙江大学成功发射了皮星一号A（ZDPS-1A）卫星。其电源分系统采用了三结砷化镓、锂电，采用直接能量传输拓扑，平均功率不小于3.5W，分系统效率大于85%，质量100g，电源板10cm×8cm×2cm，为QB50卫星之一。

该星电源包括太阳电池阵、锂离子蓄电池，电源控制设备包括太阳电池电压调节单元及继电器开关，电源变换器包括功率分配单元、限流防短路单元、电源监测单元，电源配电接口包括电源走线及一系列接口。此外，系统还有一系列测试接口。整星采用体装式太阳电池阵部装，其电源系统结构框图如图4所示。

可以看出，该星电源系统不含最大功率点跟踪控制环节，采用体装式部片，电源拓扑比较简单，由于采用体装式部片，且没有采用MPPT技术，系统总功率受到了极大限制。

作为QB50计划的一部分，西工大于2015年发射了翱翔一号立方体卫星，其为2U立方体星，体积为10cm×10cm×20cm，质量为2～3kg，整星功率为3W，轨道周期为90min，采用砷化镓太阳电池片，星体部装。

1U立方体卫星电源的发电功率一般为5～15W，电源是以能源组件的形式出现。当前国内立方体卫星，发电常采用较高效的三结砷化镓太阳电池及星体表装式部装，储能装置采用高比能量的锂离子电池，能源管理和配电较为简单，现阶段我国受基础工业技术的制约，目前实现高度集成化有一定的难度。我国现阶段的立方体卫星功能较为单一，整星功率较小，系统集成度低，大多数立方体卫星只带有一次性干电池，或只有表贴式太阳电池片，这大大限制了立方体卫星整星的功率容量［7-8］。

图4　ZDPS-1A立方体卫星电源系统结构图Fig.4　Power system structural diagram of ZDPS-1A

3　电源系统基本组成及关键技术分析

3.1电源系统基本组成及原理

立方体卫星电源系统主要由太阳电池、蓄电池模块、电子电源系统（Electronic Power System，EPS）等组成，EPS由调节控制、电压变换、配电及保护模块组成，实现对太阳电池阵输出电能的控制、调节、变换、分配与保护，是立方体卫星电源系统的核心部分。蓄电池模块实现对蓄电池组的管理与控制。太阳电池的部装形式是立方体卫星电源系统设计的重要部分。常用立方体卫星电源原理框图如图5所示。

图5　立方体卫星电源原理框图Fig.5　Principle diagram of CubeSat power system

3.2关键技术分析

3.2.1电源系统拓扑

立方体卫星电源系统拓扑呈现由简单到复杂的过程，根据卫星用途及载荷等的不同，立方体卫星供配电系统主要有以下几种电源拓扑形式。

1）一次性储能电池电源

在工作寿命较短的立方体卫星电源系统中，常常采用一次性干电池作为系统电源，其结构简单，但系统寿命短、功能单一。

2）太阳电池—蓄电池不调节拓扑

该拓扑太阳电池阵输出通过二极管直接与蓄电池连接，形成不调节母线，其拓扑调节环节少，能减少功率损耗，但对太阳电池板的利用率不高，且不能对蓄电池进行充电管理与控制，不适合采用锂离子蓄电池组的电源系统，如图6所示。

3）开关分流调节拓扑

该拓扑通过功率开关对太阳电池阵输出功率进行分流调节，可对蓄电池进行充电保护，它为半调节拓扑，其结构简单，功能较齐备，应用多，如图7所示。但此拓扑对电池板电能没能充分利用，限制了其功能密度的提高。

4）最大功率点跟踪电源系统

最大功率点跟踪（MPPT）电源拓扑是当前最先进，也是国外使用最多的立方体卫星电源拓扑。该拓扑具有一个带最大功率点跟踪的充电调节模块，能实时跟踪太阳电池阵的最大功率工作点，并能对蓄电池充放电等进行全面保护，是一个完备高效的立方体卫星电源系统。该系统拓扑如图8所示，电路原理图如图9所示。

图6　立方体卫星太阳电池—蓄电池不调节电源拓扑Fig.6　Solar-battery un-regulation power system topology of CubeSat

图7　立方体卫星开关分流调节拓扑Fig.7　Switch shunt regulation topology of CubeSat

图8　立方体卫星最大功率点跟踪电源拓扑Fig.8　Power topology of CubeSat with maximum power point tracking（MPPT）

图9　立方体卫星最大功率点跟踪电源拓扑电路原理图Fig.9　Principle diagram of CubeSat MPPT power system topology

3.2.2高功率密度实现

立方体卫星功率越来越大，但由于体积限制，要提高功率等级，必须提高功率密度。当前提高立方体卫星功率密度的途经主要有以下几个方面。

1）最大功率点跟踪技术的应用

MPPT能控制太阳电池阵工作在最大功率点，使相同面积的太阳电池阵能产生更多的电能，从而提高整个系统的功率密度。当前国外普遍采用MPPT技术，并能做到芯片级集成，且大多采用模拟技术实现，因而系统可靠性更高。当前国内上天的卫星基本还未采用该技术，地面应用中该技术常常通过软件实现，往往无法满足空间高可靠性要求。

2）芯片级电路集成

国外立方体卫星电源系统集成度高，几乎所有的电源系统管理与控制都集中在EPS板中，蓄电池充电控制、MPPT调节、配电保护及电源变换模块控制部分等都实现了芯片级集成，这大大提高了系统功率密度。国内当前还难以实现芯片级集成，大多通过采购国外现成的集成芯片提高集成水平。

3）可展开式太阳翼技术

由于立方体卫星表面积受限，如果不带可展开太阳电池板，其部装的太阳电池片面积会很小，限制了整星功率的提高。当前国外立方体卫星具有多种形式的可展开式太阳翼（图10），国内到目前发射的立方体星（1U到几个U）还都采用体装式太阳电池片部片，要采用展开式太阳翼，必须攻克微型可展开太阳翼机构技术。

图10　某型立方体卫星多角度可展开太阳翼Fig.10　Multi-angular extensible solar panel of some CubeSat

3.2.3功耗控制

牛皮糖则并不畏惧赵书记，相反他觉得书记很容易亲近。他找过书记。村里搞产业结构调整，推土机铲掉了他们种的苎麻，统一栽种了西瓜，牛皮糖不满，去县里找了赵书记。虽然赵书记忙，没接见他，没能给他解决问题，但赵书记让秘书带给了他一句话。这让牛皮糖很受用，也很踏实。他是个有头脑的人，他知道不能经常为些小事去找政府找书记，否则就不灵了。只有在那些决定命运的大事上才能拿出手中这张王牌，一举成功。他想，他该去找找赵书记了。

立方体卫星体积小，散热面小，热控实施比较困难，必须提高电源系统整体效率，减轻热控系统压力，保证各元器件工作在合适温度。因而必须严格控制系统的功耗，除了在具体的电路设计中注意功耗控制，更要对母线体制、功率回路等进行优化设计。

母线体制主要涉及母线电压及母线总数的选择。为了减少一级变换，立方体卫星电源系统常常分为3 V母线、5 V母线、8V母线、12 V母线、28V母线、不调节母线等类型，为了减少通路损耗，在允许的条件下尽量使母线电压高。

要对立方体卫星各系统模块进行合理布局，应尽量减小功率回路长度，控制功率回路阻抗，减小功率回路损耗。

3.2.4接口标准

立方体卫星提出的目标之一就是要形成统一的接口标准，国内外尚未形成具有权威性的接口标准，特别是分系统内部、分系统之间、大系统之间等标准还远未形成，作为航天器研制的总体单位，在接口标准的制定方面有得天独厚的优势，应在这方面加大研究投入，把握时机，掌握研制制高点［10］。

4　应用及发展趋势分析

近5年来，世界许多国家与机构开展了立方体卫星研制与发射，美国、欧洲各国、日本、俄罗斯以及加拿大等国家纷纷开展了自己的立方体卫星研究和军民两方面的应用探索。美国预计到2020年前其立方体卫星具备攻击地球同步卫星的能力，2030年前基于立方体卫星的空间机动平台技术成熟，完成空间试验研究，具备装备能力。

当前立方体卫星呈现模块化、标准化、一体化设计与集成的发展趋势，出现了“即插—即测—即用”的快速集成和测试技术，并加速向应用转移，具备了应对突发事件的高效、高精度快速反应能力，通过立方体卫星编队，提高卫星系统的响应时间、观测精度等性能指标。

综合立方体卫星发展趋势及立方体卫星电源系统发展现状，立方体卫星电源系统将呈现以下发展趋势。

1）功率密度将进一步提高

立方体卫星应用不断扩大，整星功率也越来越大，随之系统的功率密度也越来越高，为此，诸如MPPT、微型太阳翼展开机构、芯片化集成技术、高效太阳电池片等技术将得到普遍应用或成为研发热点。

2）标准规范越来越重要

立方体卫星最开始提出的目的之一就是要统一标准，以降低研发成本与时间。但由于立方体卫星研究机构较多，立方体卫星电源系统本身及其与其它系统之间都远未形成经各方认可的标准规范，这必将成为立方体卫星研究的热点，也是立方体卫星技术的制高点。

3）芯片级集成技术将成为发展的关键点

由于立方体卫星体积限制，要进一步提高供配电系统集成度，必须对供配电功能模块实施高度集成，这涉及到芯片化集成技术、薄膜电路技术等的突破与发展。相比国外，国内这方面技术落后，更应该成为技术发展的关键点。

4）运行与管理智能化

立方体卫星电源系统各种遥测遥控量及管理十分丰富，常常需要高效的智能化管理平台，这也是保证系统可靠性的重要组成部分，随着后续立方体卫星发展，立方体卫星电源系统智能化管理必将成为后续发展的主要方向。

5）形成电源系统研发及测试集成新模式

由于立方体卫星研制周期短，成本低，发射方便，特别适合进行空间电源新技术验证，通过立方体卫星验证的新技术再应用到其它领域或大卫星，这将开启空间电源技术探索创新的新模式。

5　展望与建议

当前世界各国和机构都在积极开展立方体卫星研制，近年来立方体卫星发射数量逐渐增加，性能不断提升，应用领域不断拓展，在可预见的将来，立方体卫星将会进一步发展，并在通信、遥感、深空应用、空间科学试验、新航天器研发与研发体制创新等领域得到更广泛应用。以美国为代表的世界各国都将立方体卫星研发作为未来航天发展的重点之一，制定了规划并加大了投入，该领域必将成为未来发展的热点及竞争的角力场。为此，必须顺应技术发展趋势，把握当前宝贵时机，积极主动布局，以高性能立方体卫星研究为牵引，探索研发管理模式，为形成空间微系统技术优势，开拓新兴高性能微小卫星应用市场奠定基础。

供配电系统是立方体卫星的基础系统，为适应立方体卫星的发展，结合当前航天器供配电系统的研发实际，需要从以下几个方面加强研发投入。

1）加强顶层设计，建立标准规范

立方体卫星提出的目标之一就是为了形成统一的标准规范，创新航天器研制模式，提高航天器研制效率。标准规范是立方体卫星（供配电）技术的制高点，适合顶层设计与攻关，特别适合总体单位开展标准规范设计，要乘立方体卫星蓬勃发展而相关标准规范还未成熟之机，提前谋划，尽快开展相关研究工作。

2）加强关键技术研发攻关

关键技术突破是供配电系统进步的关键点，加强最大功率点跟踪技术、芯片化集成技术、微型可展开式太阳翼、高比功率蓄电池、高效薄膜电池等技术的突破与应用，是下一步供配电系统进步的关键。

3）探索技术研发新途经，加强技术引领与转化

由于立方体卫星研制周期短、成本低，非常适合进行空间技术试验，因此应利用该优势，进行供配电系统前沿技术的开发验证及技术转化；比如将欲在大卫星上使用的技术，可先在立方体卫星上试验验证，待成熟后再转至大卫星上应用，这样不但能大大降低技术风险，还能促使大胆试验、使用先进技术，利于实现供配电技术引领。

另外，由于立方体卫星研制建立在统一的规范标准之上，适合进行模块化研发设计，即插—即测—即用的立方体卫星，可以形成一系列标准化的研发、生产、组装、测试流程，因此，要以立方体卫星研制为契机，不断探索供配电系统（包括大卫星）研制新模式与途经。

4）提高集成化水平

必须不断提高供配电系统的集成化水平，以满足立方体卫星不断提高的功率密度要求，特别是要加强对自研技术的芯片化集成技术研究。自研技术的集成化需要先进行分立技术的研发与验证，然后再根据研发结果，交付集成厂商进行集成化生产。分离元器件开发后是否进行芯片集成化生产会极大地影响分离研制阶段的技术要求，如要进行芯片集成化生产，则对分离元器件研发阶段的各项技术参数的要求会更具体、更明确，对技术内部机制需要更清楚明确，这能大大提高研制人员的理论技术水平，大大提高供配电工程技术能力。

5）探索系统研发、集成、测试新模式

由于立方体卫星基于统一的标准规范，供配电系统更便于模块化、标准化研制，能形成不一样的系统研发、集成、测试新模式，也便于进行研发、集成及测试试验，这为航天供配电系统研制过程优化、系统集成、测试创新提供了便利条件，必须加强对供配电系统研发、集成、测试新模式的探索研究。

6）发展软件，提升供配电系统总体能力

由于体积所限及系统监督管理及智能化的要求，立方体卫星供配电系统更多地通过软件实现相关功能，软件更便于知识产权保护，更能掌控核心技术，更能提升总体掌控及协调能力。另外，在立方体卫星上能很好地对软件的空间使用进行试验，这为在大卫星供配电系统中更多地推进软件化设计提供有力支撑，对供配电系统技术提升，加强总体能力有着积极作用。未来软件将在供配电系统研发中扮演越来越重要的角色，因此应突破传统思维，大力发展供配电系统软件研发与应用。

6　结束语

相比大型卫星，立方体卫星功率、体积小，但其电源系统功能完备，具有不同的设计及技术特点，研制涉及面广，立方体卫星电源系统的研制带来了一些新的课题，如高集成化设计、新技术新拓扑应用、智能化设计、模块化设计、标准化等。由于立方体卫星研制的低成本及方便性，给航天器电源系统新技术验证、新研制流程探索等带来了新的契机。同时立方体卫星电源系统与民用有很好的契合点，具有较好的民用转化前景。拓扑设计是立方体卫星电源系统设计的重要环节，其关系到系统效率、功率容量、其它系统设计的难易，这常常容易忽略。立方体卫星中，电源系统设计与其它系统设计有更高的耦合度，也增加了其设计难度。

立方体卫星电源系统研制涉及面多，没有明确的知识技术架构，本文通过对立方体卫星电源系统发展概况、基本原理及关键技术的介绍，使对立方体卫星电源系统研制的关键点、难点、发展趋势等有一个基本的把握，这有助于立方体卫星电源系统的研制开发。立方体卫星电源系统相关技术发展很快，现在的关键技术、难点技术随着技术发展会发生变化，在研制过程中要开阔思维，不能被现有技术和研制方式所束缚，特别是不能被大卫星研制的技术及方式所限，要敢于采取新技术新想法，实现立方体卫星电源系统的发展进步。

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（编辑：张小琳）

Power System and Its Critical Technologies of CubeSat

SHI Haiping FU Linchun ZHANG Xiaofeng
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

An introduction to the power system of CubeSat is described based on the investigation of power system of CubeSat.The principle of the power system is presented.Through contrast and analysis，and by considering the applications and the characteristics of the power system of CubeSat，the key technologies are sorted out and analyzed such as main topologies，system for realization of high power density，interface standards，and control of system power consummation. In summarization，the development trend and emphases of the CubeSat power system have been attained.Some advice on development of the CubeSat power system are brought forward.The results can be used as a reference for the layout and development of the CubeSat power system technology.

CubeSat；power system；topology；key technology

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.018

2016-01-15；

2016-05-04

石海平，男，硕士，工程师，从事航天器电源系统等研究工作。Email：163shppp@163.com。