小卫星供配电技术发展与展望

彭健 鄢婉娟 刘元默 王文涛 巩巍 赵淑莉 张平 吉双泽 张龙龙

(1 航天东方红卫星有限公司，北京 100094)(2 上海空间电源研究所，上海 200245)

(3 天津电源研究所，天津 300384)(3 山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670)

伴随着航天东方红卫星有限公司的成长，小卫星供配电技术已走过20年发展历程。20年前，实践五号等卫星在轨成功运行，标志着供配电系统正式开启了为现代小卫星保驾护航的征程，此后，一个又一个具有里程碑意义的成就被创造出来。2002年，采用分散供配电体制，装载着第一批国产DC/DC模块的海洋一号A星发射成功，验证了小卫星分散供配电体制及使用国产化模块电源的可行性。2003年，以空间科学探测为目标的探测双星发射成功，太阳电池阵极低剩磁控制技术[1]首次应用并达到国际先进水平。2004年，采用开关分流、太阳电池阵大并联、软件供配电技术的试验二号卫星发射成功，奠定了后续小卫星一次电源拓扑架构发展的基线。2009年，锂离子蓄电池在希望一号卫星上成功首飞，2012年，配置三结砷化镓和锂离子蓄电池的实践九号卫星发射成功，三结砷化镓和锂离子蓄电池产品首次作为主电源应用到公司业务卫星，高集成度电源调控管理单元(Power Control Distribution Unit，PCDU)实现产品首飞。2012年，配置双独立母线的环境一号C星发射成功，标志着小卫星供配电系统具备了为大功率雷达载荷提供稳定电源的能力。2015年，由公司自主研发的第一颗微纳卫星希望二号发射成功，实现了“低成本、短周期”研制模式的创新，星箭分离自主加电技术、基于工业级器件的多冗余可靠性设计技术得到在轨验证。短短几年，公司自研供配电系统的微纳卫星在轨数量已超过25颗。2018年，供配电系统设计寿命首次达到8年的高分六号卫星发射成功，同年，采用新型镍钴锂(NCA)体系锂离子蓄电池的嫦娥四号中继星发射成功，单体比能量达到180 Wh/kg。2018年，采用复杂母线拓扑架构的某遥感卫星发射成功，电源系统采用“内单外双”中高电压母线，供配电能力提升到数千瓦量级。2018年，采用100 V母线体制的巡天一号供配电系统进入工程研制阶段，标志着小卫星供配电系统进入高压母线时代；同时，国内中高功率电磁感应式无线能量传输技术走出实验室，进入空间工程应用阶段。2021年，采用基于能量平衡的任务规划技术应用到北京三号，解决了构型、轨道、姿态、负载之间相互耦合下能源安全裕度量化设计问题，配合星上能源自主管理技术，极大地提升了敏捷类光学遥感卫星的能源综合利用效率。

回顾20年的发展历程，小卫星供配电系统设计[2]既博采众长又独树一帜，坚持高比功率、高比能量、高能源利用率和高转换效率的“四高”设计理念，在总体设计和单机研发领域不断实现技术创新和跨越。掌握了复杂供配电系统架构设计、太阳电池阵极低剩磁控制、高功率载荷供电、无线能量传输、在轨能源安全管理、软件供配电等核心技术，实现了从线性电源到开关电源、硅太阳电池到三结砷化镓太阳电池、镉镍蓄电池组到锂离子蓄电池包产品的升级换代，形成了面向微纳卫星、CAST1000、CAST2000、CAST3000平台的丰富产品体系。产品性能、寿命、质量和可靠性始终处于国内小卫星领先地位。截至公司成立20周年之际，已助力126颗卫星在轨稳定运行，应用覆盖了技术试验、光学遥感、微波遥感、空间科学、深空探测、通信等多个领域，成功率100%。

1 小卫星供配电技术发展

1.1 总体技术

供配电总体技术[3-5]是一项涉及整星发电、储能、配电、传输和电力变换的综合技术，工程实施内容包括供配电体制和拓扑架构设计、接地设计、星地星箭接口设计、能量平衡计算、关键核心部组件配置、在轨能源调度使用和安全防护、应急处置等，一般由一次电源和总体电路两个分系统合作实施。

1)系统架构设计

早期小卫星只有单母线配置，标称母线电压28 V，采用线性分流技术，直接能量传输，仅支持最大1200 W功率量级载荷用电。随着小卫星任务需求的多样化和电源技术的发展，供配电系统设计呈现多样化趋势。

针对不同载荷功率需求，母线电压在传统28 V体制上，向上扩展到42 V、100 V，向下延伸到12 V、8 V，能够覆盖10～8000 W的功率需求。系统架构在单母线基础上，形成了双独立母线、内单外双母线、内单外三母线等多种形式，能够充分适应合成孔径雷达、制冷机等特殊负载需求，长寿命高可靠需求，继承性平台设备和新研载荷设备兼容用电需求。为达到重力场测量、电磁监测等高精度测量卫星对母线的洁净度要求以及最大程度地利用太阳电池阵的发电能力，部分型号开始采用最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)体制的母线拓扑结构。

太阳电池阵输出功率的调节方式从线性分流过渡到开关分流，并从顺序开关分流调节器 (Sequence Switch Shunt Regulator，S3R)技术演变到限频串联顺序开关分流调节(Series Sequence Switch Shunt Regulator，S4R)技术[6-8]。大功率三极管逐步被功率金属-氧化物-半导体场效管(MOSFET)取代，每级分流能力达到7 A。根据任务使命、飞行模式、轨道特性的不同，母线电压涵盖了全调节、半调节和不调节等多种形式。

2)主动段不加电技术

为适应微纳、微小卫星主动段不加电的飞行模式，公司电气工程部开发了高可靠星箭分离自主加电供配电系统。该系统的特点是主动段蓄电池放电开关虽处于接通状态，但整星不加电，星箭分离后利用分离开关提取星箭分离信号控制电子开关实现卫星平台的平稳加电，可靠性高、安全性好，卫星上塔架后可免测试，30天内蓄电池免充电维护，已经过20余颗卫星的飞行验证。该项技术不仅解决了搭载卫星主动段不允许加电的限制问题，同时也为一箭多星发射模式提供了一种选择方案，可简化星箭接口，优化卫星在发射场工作流程，大大减少射前设置工作量。

几种典型的拓扑如图1～4所示。

图1 内单外双型半调节母线拓扑

3)软件供配电及在轨自主管理

软件供配电是小卫星在供配电设计理念上的创新和突破，在国内外普遍以硬件实现供配电控制的上世纪九十年代，小卫星供配电系统率先配置电源下位机，利用软件设计灵活，功能易扩展，在轨可上注修改的特点，以软硬件结合的方式实现对供配电系统的管控。蓄电池充电的安时计控制、充电电流的在轨调整、蓄电池单体状态的监视与均衡、蓄电池温控、遥测参数采集、总线通讯等功能均通过软件实现，大大丰富和提高了小卫星供配电系统的功能和使用灵活性。

在轨自主管理是小卫星供配电系统的另一大特色，它体现了故障检测、隔离和重新配置(Fault Detection, Isolation and Recovery，FDIR)的设计理念，充分设计和利用供配电系统软硬件资源，建立开放式的在轨故障自主诊断和处置模型，提升了对供配电系统自身健康和运行状态的管控能力，进而保证了整星能源安全。目前，在整星层面已具备完善的能源安全模式设计，如能源分级管理与保护，在分系统层面已具备方阵电流监测、蓄电池组控温回路监测、分流电路短路监测、蓄电池组过充监测、单体电压失效监测、二次电源备份状态监测等数十种故障模型和处置策略，提高了故障处理和隔离的及时性。

图2 采用峰值功率跟踪技术的不调节母线拓扑

图3 适应主动段卫星母线不加电拓扑

图4 高压大功率长寿命母线拓扑

4)总体电路技术

经过近20年的发展，小卫星总体电路的整星接地设计、火工品起爆控制、低频电缆网设计等技术日趋完善，在确保星上能源流和信息流畅通、一次母线供电安全、电磁兼容、星地接口和星箭接口配置等方面发挥了重要作用。

小卫星遵循分散供配电和分区配电的技术路线，整星配电一般分为直通供电的星务测控供电区，开关控制的姿轨控供电区、载荷供电区和火工品短时供电区，各开关供电区均具备特征阻值主动监测功能，能及时发现功率电缆网潜在的短路隐患。一次电源配送到各分区后，由分区内的分系统级配电器向下游设备配电，并由设备内部的DC/DC模块完成二次电源变换，形成完善的一次电源配电网络，如图5所示。

图5 一次电源配电示意图

2012年后，通过将配电设备与供电设备的功能融合，推广使用具有电源控制、配电、火工品管理功能的PCDU产品和本质安全性好的电池包产品，提高了供配电产品的功能密度，减少了功率电缆网的数量。

总体电路采用四个分离开关提取星箭分离信号，在充分识别分离开关故障模式及影响，并不断改进设计后，形成目前的设计状态，如图6所示。

图6 分离开关设计原理图

1.2 储能技术

锂离子蓄电池[9-12]作为储能电源于2000年开始进行关键技术攻关。2009年, 在微纳卫星希望一号首次应用。2009年后，公司所有新研制型号均采用锂离子蓄电池作为储能部件。

第一代锂离子蓄电池采用钴酸锂(LCO)体系，单体电池容量范围10～30 Ah，比能量范围110～120 Wh/kg，低轨循环设计寿命不超过5年。第一代锂离子蓄电池单体采用不锈钢材质壳体，为提高电池组比能量和降低剩磁，经过试验验证，将单体电池壳体统一更换为铝材质，单体电池的比能量提高至124 Wh/kg。

为适应低轨小卫星8年的设计寿命要求，在第一代锂离子蓄电池基础上进行改进，换用寿命循环性能更优异的镍钴锂(NCA)材料，开发出了第二代锂离子蓄电池，单体电池容量范围20～45 Ah，比能量范围125～150 Wh/kg。

在第二代锂离子蓄电池的基础上，通过提高材料能量密度、优化集流方式、改进外部电接口等方法，研发出第三代锂离子蓄电池。单体电池容量范围30～50 Ah，比能量提高至160～210 Wh/kg，蓄电池最大放电倍率由1 C提高至3 C，电池组兼具高比能量和高比功率特性。

为彻底消除整星测试期间锂离子蓄电池电缆带电插拔的不安全隐患，提高产品的本质安全性，2017年开始，供配电系统参照新能源汽车行业蓄电池包的设计理念，将原集成在电源控制器中的放电开关、火工品母线开关、单体采样和均衡电路等移出，设计为蓄电池管理单元，并与原蓄电池组进行一体化设计[13]，通过正确控制放电开关、火工品母线开关的通断状态，确保此类危险源产品在存储、运输、操作过程中对外不带电，同时实现对蓄电池单体就近采样和均衡控制，提高了采样精度，简化了电缆网设计。

目前公司在研的绝大多数型号已采用蓄电池包产品，蓄电池包原理如图7所示。

图7 蓄电池包原理框图

另外，为解决SAR等载荷的高功率用电问题，高比功率电池得到应用。典型的单体电池容量为5～10 Ah，单体电池的质量小于0.5 kg，比能量110 Wh/kg，放电倍率可达到分钟级10～30 C，秒级50～100 C。

1.3 发电技术

进入21世纪，砷化镓太阳电池阵[14]迅速替代硅太阳电池阵成为航天器的核心供电设备，经过20多年的发展，空间太阳电池阵总体构型、太阳电池片材料与性能、电池阵基板结构都发生了重大变化，主流三结砷化镓太阳电池片的发电效率已达到32%，如图8所示。随着航天器对大功率、低成本、轻质空间太阳电池阵需求的不断增加，作为当前主流产品的展开式刚性基板的空间太阳电池阵，一方面依靠增加基板数量及尺寸来提高太阳电池阵的发电功率，另一方面通过选用高效率太阳电池片来提高太阳电池阵发电功率。

图8 太阳电池研制发展历程

太阳电池阵是低轨航天器上工作环境最恶劣的设备之一，常年工作在±100 ℃的温度范围内，其机电热一体设计难度极大。随着体装太阳翼的出现，进一步提高了太阳电池阵工作温度，达到135 ℃甚至更高，超过了太阳电池阵在用材料、工艺的极限，部分在轨卫星发生了太阳电池阵输出电流下降问题。太阳电池阵的耐高温、控高温问题已到了必须解决的程度。

在太阳翼基板制备方面，采用共固化工艺的碳网格/碳蒙皮基板鉴定温度达到145 ℃，已大批投入使用；在电池片焊接工艺方面，电阻焊+锡焊工艺可有效解决锡焊工艺在高低温交变环境下焊点蠕变失效问题；在太阳电池电路粘贴工艺方面，鱼骨胶型和低真空除气可早期释放施加在太阳电池片上的应力；在太阳电池阵输出功率控制方面，最大功率跟踪技术可将太阳电池阵的最大输出功率提取出来，有效利用太阳电池阵的发电能力。同时，主动耗散技术也在积极研究中，可取代对地分流技术将太阳电池阵多余能量在卫星散热面耗散掉。

1.4 电源变换技术

电源变换[15]是将卫星一次母线电压变换为用电设备需要的不同种类的二次电压，包括升压或降压变换。早期小卫星供配电系统功能简单，采用集中供配电体制，一般配置2～3台二次电源设备，为整星各类用电设备提供+5 V、±12 V二次电源。由于采用低压大电流传输，电缆损耗和EMC问题突出，集中供电存在一处短路影响全星的安全隐患。

2000年前后，在老一代科学家的大力支持下，经过技术人员的不懈努力，小卫星率先研制成功国产化二次电源模块，并于2002年首飞成功。此后，模块化电源应用在国内呈燎原之势，迅速应用到小卫星控制分系统、数传分系统、相机分系统及导航、通讯等大卫星领域。

第一代二次电源模块采用推挽拓扑结构，利用肖特基二极管进行主、备合路输出，技术成熟可靠，但性能指标一般，采用中小规模集成电路，表面贴装工艺。为解决二次电源模块高效率与长寿命兼顾问题，供配电系统开始研发一种采用工业级同步降压变换电路与宇航级DC/DC模块异构备份的更新换代产品，如图9所示，并于2021年首飞成功。其设计思路是主份提供高性能、备份保证高可靠。产品采用先进的同步整流技术、理想二极管合路技术，具有输入欠压保护、延迟启动、输出过压保护和过流保护功能。与第一代二次电源模块相比，+5 V电源转换效率由65%提高到优于85%，+12 V电源转换效率由75%提高到优于88%，在性能指标提升的同时既保证了可靠性也降低了产品成本。

图9 异构备份二次电源原理框图

在小卫星内单外双母线拓扑中，需要将卫星一次母线降压产生大功率二次母线，几种典型的降压变换器拓扑如图10所示。传统Buck拓扑结构简单，具有良好的稳态和动态特性，但其输入电流为脉动电流，不利于一次母线纹波控制。相比于Buck电路，Super-Buck 拓扑增加一个输入侧电感，使输入端电流连续，可以减小对一次母线的冲击和线路中的电压尖峰。在高压母线系统中，隔离型降压变换器具有更高的安全性。

图10 几种降压变换器拓扑

1.5 电力传输技术

经典的卫星电力传输方法是通过电缆网将电力由电源端传输到负载端，目前仍然是主流的电力传输方式。随着需求牵引和技术的进步，一种无线能量传输技术开始进入航天器工程实用阶段。

无线能量传输是一种电源到负载间没有经过电气直接接触的能量传输方式。这种技术能够摆脱机械连接束缚，实现设备非接触电能传输，具有无接插环节、无裸露导体、无漏电危险等优势。无线输电技术使得电能的传输途径更加宽广、方式更加多样化。

根据传输机理的不同，无线电能传输技术分为磁场耦合式、电场耦合式、电磁辐射式等，电磁感应式是磁场耦合式中以电磁感应耦合原理为基础的无线电能传输模式，通过发射和接收线圈之间的感应来实现电能的无线传输。当原边发射线圈中流过高频交流电流与电压时，副边接收线圈会感应出同频的电压与电流。该传输方式优点是近距离传输效率比较高，可达90%以上，功率可以达到上百千瓦。

电磁感应式无线电能传输技术由于传输距离近，也被称为近场无线能量传输。其将变压器紧密型耦合磁路分开，一、二次侧绕组分别绕在具有不同磁性的结构上，当变压器松耦合时，在高频交流激励下，变压器的一、二次侧存在很强的电磁耦合从而使得大气隙下的输电变得可行，实现在电源和负载之间进行电能传输而不需物理连接。其一、二次侧之间通过电磁感应实现电能传输，相比于紧密耦合的变压器，这种传输方式在一、二次侧的磁芯之间存在较大的气隙，导致励磁电感的降低引起传输效率的下降，一般通过电力电子技术提高输入电源的频率加以补偿。

典型的电磁感应式无线电能传输系统如图11所示。系统由原边发送端和副边接收端组成，两个系统通过松耦合变压器的原边线圈与副边线圈之间的电磁耦合关系来传输电能。发送端运用PWM(Pulse Width Modulation)调制技术将低频输入转换为高频，可以根据不同传输功率和距离的需要，调整输出频率和功率，产生一个可以通过变压器传递给接收端的交流能量，能量通过分离的变压器进行传递，接收端把经由变压器接收到的交流能量变换成所需的直流能量传递给负载。原边线圈和副边线圈之间有各自的补偿环节和调节控制电路，使得传输效率达到最大化。

图11 感应耦合电能传输系统

2 小卫星供配电新技术展望

2.1 多架构融合电源控制技术

提高太阳电池阵能源的利用率是解决电源供需矛盾的重要途径，基于峰值功率控制技术(Maximum Power Point Control，MPPC)与直接能量传输(Direct Energy Transfer，DET)融合架构的电源功率控制技术，其拓扑结构如图12所示，可将太阳电池阵的最大输出功率提取出来，并安全的加以利用。其设计思路是：在载荷开机或蓄电池充电等最大功率需求阶段，利用MPPC技术控制太阳电池阵在峰值功率点输出，在载荷关机或蓄电池已接近充满电的一般功率需求阶段，利用DET技术控制太阳电池阵在恒流段输出，在载荷关机或蓄电池已充满电的小功率需求阶段，利用S3R分流技术[16]，将太阳电池阵多余的输出对地分流。

图12 多构架融合电源系统拓扑

多架构融合电源控制设计的关键技术包括：MPPC与DET融合的硬件拓扑设计、基于软件控制的MPPC搜索跟踪退出策略、MPPC与DET控制模式的无缝切换策略、MPPC功能故障诊断与处理机制等，要求跟踪精度达到99%，转换效率优于95%，该项技术与传统的DET技术相比，对太阳电池阵初期的能量利用率提升10%～15%左右，在微小卫星领域具有广阔的应用前景。

2.2 高效太阳电池发电技术

高效多结太阳电池[17-18]仍是未来太阳电池的发展趋势。多结结构是充分利用太阳光谱的有效途径，采用四结以上结构可将现有电池(三结结构)效率由32%提升至34%以上，五结电池效率可达到36%，未来六结电池可提升至38%。在效率提升的同时，太阳电池片厚度将减小到80 μm量级，单片有效面积将提升到大于70 cm2。

柔性砷化镓太阳电池利用外延层剥离技术或衬底减薄技术使其具有一定柔性、可弯曲卷绕的特点，相比刚性太阳电池片更轻薄，质量比功率更高，且适应基板形变能力较强。目前国内已研制出效率优于32%的柔性砷化镓太阳电池。

柔性太阳电池阵具有收拢体积小、质量轻、可重复展收等特点，对于大面积太阳电池阵来说，虽然仍采用刚性太阳电池，但其收拢体积可减少至刚性阵的1/10左右。

目前，32%的柔性砷化镓太阳电池已开始进入空间应用阶段，未来几年，随着技术的成熟和生产规模的扩大，将陆续应用到更多的小卫星供配电系统设计中。

2.3 固态锂电池技术

固态锂电池[19-20]与传统锂电池的区别是使用固态电解质取代有机电解液，相比传统锂电池，固态锂电池的优势在于：①固态电解质具有不易燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性，大大降低热失控风险，有望从根本上解决蓄电池安全性问题；②固态锂电池电化学窗口可达5 V以上，高于液态锂电池(4.2 V)，允许匹配高能正极和金属锂负极，大幅提升理论比能量，其理论比能量极限可达400 Wh/kg；③固态电池可简化封装、温控系统，在有限空间进一步缩减电池质量。

固态电解质是实现固态锂电池技术的核心，很大程度上决定了固态锂电池的各项性能参数。按照电解质材料的选择，固态锂电池可以分为聚合物、氧化物、硫化物三种体系。按照正负极材料的不同，固态锂电池可以分为固态锂离子电池(沿用当前锂离子电池材料体系，如石墨+硅碳负极等)和固态锂金属电池(金属锂作负极)。

根据国内外固态锂电池发展现状，未来3～5年内还无法实现“全固态”电池产业化，折中的技术路线是固液混合电池(即“半固态”电池：含有一定量的液体电解质和固态电解质)，固液混合电池整个产线与目前现有的软包工艺相比，调整幅度较小，兼容性高，无论是可行性还是经济性，都具有较好的应用发展趋势，因此目前国内大部分企业的固态电池都定位在固液混合电池阶段。未来3～5年，固液混合电池有望实现产业化并进入航天应用。

3 结束语

过去20年，小卫星供配电系统取得的成绩和进步有目共睹。展望未来，小卫星供配电技术的发展仍然任重道远，“四高”仍然是供配电技术自身发展的永恒理念。同时，作为卫星总体设计的核心技术之一，更好的融入卫星平台设计和围绕有效载荷的“供、配、输、变”一体化设计，才能使卫星整体的供配电设计、应用效能达到最优。

供配电系统的发展不会一帆风顺，当前，困扰专业技术人员多年的卫星供配电系统在轨故障诊断与隔离的安全性问题、太阳翼机电热一体化设计问题仍亟待解决，期待年轻的专业技术人员青出于蓝，助力小卫星供配电技术发展再上台阶。