衛星電源分系統可靠性設計與研究

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

電源分系統構成

某型號衛星電源分系統采用全調節直流母線系統。系統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(包括一次電源調節、二次電源變換、系統遙測、遙控功能、部分星上配電功能)組成。

電源分系統由一次和二次電源組成，一次電源母線為全調節型直流母線系統，經調節的直流母線不論衛星進入光照期還是在陰影期，電壓都穩定在27V1V范圍內。

太陽電池陣可靠性分析與冗余設計

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、隔離二極管、電連接器及導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，應屬串聯性開路失效模式。故在太陽電池陣設計時，應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，短路可能性極小，而焊點脫開及電池破裂開路的幾率是存在的。

單體太陽電池經過嚴格篩選，失效屬于偶然隨機失效，失效類型為指數分布型。每個太陽電池的上下電極各有6個焊點，只要各有1個焊點不斷開則就不會失效，屬6元并聯型系統。

② 隔離二極管降額使用，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，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境中，以延長其壽命。

2 太陽電池陣冗余設計及功率設計裕度

在最高工作溫度為80℃時，電池陣壽命末期輸出功率為300W，滿足衛星241W的用電需求，功率裕度為24%，功率設計滿足可靠性要求。

① 從太陽電池串聯數來看，供電陣實際布片為18片，大于指標需求值17片;充電陣實際布片為10片，大于指標需求值9片。由于串聯數的冗余，電壓較高，使太陽電池陣處于更穩定的工作狀態。

② 太陽電池陣實際總電池串數量為28并，對應的末期輸出功率為300W，而滿足衛星3年壽命末期241W用電需求對應的電池串數量為26并。由于并聯數的冗余，保證壽命末期太陽電池陣的工作穩定性。

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鎘鎳蓄電池組可靠性分析與冗余設計

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，開路失效出現的可能性非常小，主要是裝配過程中的機械損傷和質量控制出問題，通過加強質量控制和檢驗工作可以避免這種致命的失效。鎘鎳蓄電池組經長期使用，最明顯、最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，并由星務計算機參與控制管理，整個壽命期設置多條V-T曲線硬件控制和多點充放電比選擇，可根據衛星運行狀態和蓄電池使用情況，通過遙控選擇相應的補償曲線，保證鎘鎳電池組工作處于良性循環。

2 鎘鎳蓄電池的冗余設計及功率設計裕度

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

電源控制器可靠性分析與冗余設計

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

1 分流調節模塊可靠性分析與冗余設計

分流調節電路的功能是調節太陽電池供電陣的輸出電能，穩定一次電源母線電壓，是光照期向衛星負載主要供電部分。分流電路設計繼承了其他衛星的成熟技術，分流調節模塊的分流元件選用了V-MOS功率三極管，該器件在導通期間內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，設計采用兩管串聯工作的可靠性措施。另外，在控制電路中采用了安全導向的可靠性措施，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;根據電源系統的設計方案和衛星電源供配電要求，一路供電陣喪失分流調節功能，不會引起母線電壓的波動，因為其他正常工作的分流調節電路能夠完成母線功率調節功能。為了提高分流電路的可靠性，分流調節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節功能。

為了防止隔離二極管的開路，采用了兩個二極管并聯可靠性措施。

2 放電調節模塊可靠性分析與冗余設計

放電調節模塊負責在光照期太陽電池陣輸出功率不能滿足星上負載功率，和衛星進入陰影期時，提供整星有效載荷負載所需的功率，保證系統母線輸出電壓的穩定。

放電調節器有4個放電調節模塊組成，每兩個放電調節模塊電路并連后，然后串聯輸出。兩個并聯模塊中允許1路失效，并且在1路放電調節模塊失效的情況下，放電調節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計

為了提高充電控制電路的可靠性，充電電流調整器件選用V-MOS大功率三極管，充電電路采用了冷備份，通過地面遙測指令實行主備切換，也可以自主切換。主備兩套電路完全獨立，包括控制電路和功率調整器件等，不存在單點失效的環節。