1轨道、姿态和构型约束
对于太阳电池阵-蓄电池系统，光照区依靠太阳帆板为负载供电，并对蓄电池进行充电；地影区依靠蓄电池为负载供电。轨道周期（包括光照区、地影区的时间）、太阳光对太阳电池阵的入射角θ和太阳电池阵遮挡率决定了蓄电池充放电的时间和太阳电池阵发电能力，获取这些参数是计算系统太阳帆板和蓄电池合理配置的先决条件。其中，轨道周期和θ角受制于轨道高度和β角（太阳矢量与轨道面之间的夹角）。太阳电池阵遮挡率受制于飞行姿态和飞行器构型。轨道高度决定轨道周期，一个轨道周期内，光照时间与轨道周期之比定义为受晒因子[5]，如式(3)。受飞行姿态和飞行器构型的影响，太阳电池阵有可能会被部分遮挡。串联的一组电池片如果其中一片电池被完全遮挡，将失去光伏特性，受遮挡的电池变成负载，产生I2R的热耗，电池串中其余的电流就必须产生更高的电压来补偿受阴影遮挡电池所造成的电压损失[6]。又根据太阳电池I-V曲线，电池串的输出电流会减小，从而影响输出功率。太阳翼遮挡在复杂的组合体飞行器尤其需要考虑，进行遮挡分析要明确飞行器构型、飞行姿态、轨道条件等参数，通过建立有限元模型，进行数学仿真，得到不同时刻、不同工况下的帆板遮挡因子。再根据太阳电池片布片情况，复核输出功率是否能满足能量平衡，与帆板设计状态进行迭代，最终确定方案。
2基本方案的确定
2.1系统母线电压
参照ESA宇航电气与电子标准ECSS-E-ST-20C，对全调节母线，额定母线电压值应按照下列规则进行标准化设计：28V母线用于1.5kW以下功率；50V母线用于8kW以下功率；100和120V母线用于更高功率。目前我国航天器常用的母线电压有28、42、100V三种。母线电压的确定应综合考虑空间环境、运行轨道、用电需求、继承性、元器件可获取性等多种因素，不能简单照搬标准。仅从功率的角度，母线电压的选取应以满足用电设备的实际电压需求为佳，如某航天器功率需求2kW，但经负载分析，约40%的功率由直接使用28V的加热片和发动机电磁阀所构成，如采用42V或更高压母线，尽管会带来线缆传输上的优势，但需要为加热片和电磁阀供电进行电源变换，会带来更大的系统代价。母线电压的选择同时也关系到系统关键元器件的研制方向，如选择高压母线，就必须解决高压Mosfet、高压继电器、高压DC/DC、高压加热片、高压电磁阀选型困难等问题。母线体制的选择还需考虑到产品继承性和成熟度，如对于已经设计定型的产品，接口电压已经固化，母线电压的变更会引起产品设计状态的更改，必要时需重新鉴定定型，会带来一定的研制进度和研制成本代价，在设计时需综合考虑。
2.2供电方案
空间飞行器常用的电源类型有四种：一次性电源、燃料电池、核电源、太阳电池阵/蓄电池系统[1,7]。一次性电源主要包括锌银电池和锂/亚硫酰氯电池。适用于短期飞行器的主电源或应急、火工品点火的辅助电源。一次电源的特点是一次性使用，不能反复充电。空间应用通常采用氢氧燃料电池。燃料电池优点是独立性强、瞬时功率大、副产品水可供宇航员使用。其缺点是系统复杂，系统总的比能量不高，液氢与液氧低温储存难，安全性和可靠性问题较突出，由于液氢和液氧携带量有限，不适合半年以上空间任务的使用。空间核电源把放射性同位素衰变、核裂变等过程产生的热能转化为电能，为空间飞行器提供电力。同位素核电源目前主要应用于深空探测等对寿命要求高（10年以上）、功率要求低（百瓦量级）的飞行器，技术较成熟。核裂变电源系统适用于大功率（千瓦级）航天器，核电源系统存在转换效率低（低于10%）、散热设计复杂，针对核辐射需采取核燃料安全回收等问题[8]。太阳电池阵/蓄电池系统，又称光伏电源系统，是目前应用较普遍的航天器电源系统，目前95%以上的航天器均采用光伏电源系统[10]。电源方案的选择要在综合考虑系统寿命需求、功率需求、系统代价等多种因素的基础上确定，如某低轨载人飞行器功率需求为约2000W，考虑到设计寿命和安全性，采用太阳电池阵/蓄电池系统作为主电源，同时考虑到载人飞行器的高可靠性，备用锌银电池以应急。
2.3配电方案
航天器配电有集中配电、分散配电或者两者相结合的配电体制[9]。集中配电体制是设置总体一级配电器和电源变换器，对电气设备进行供电控制，设置一个或几个电源变换器，把航天器的母线电压集中变换，使其电压、输出功率、电压稳定度、纹波等参数满足用电设备的特殊需要。分散配电体制是供电控制直接由用电设备控制，由各用电设备自行完成开关控制，电源变换也采用分散式，各个用电设备自带电源变换器，实行内部变换。集中、分散的配电体制各有其优缺点，应根据系统需要灵活选择，如某飞行器母线电压100V，采用集中与分散相结合的配电体制，如图1所示。对100V直接用电设备，采用分散式配电方式，100V母线通过高压长线传输直接到设备端；对于一些大功率用电设备，将100V母线直接传输到设备端，根据不同设备供电电压需求的不同，配置相应的DC/DC变换器；对于一些低压小功率用电设备，按分布区域实行集中供电，将100V集中变换到28V，再实现28V到用电设备所需电压的变换。由母线配电层和负载配电层完成配电：母线配电单元负责将电源分系统提供的一路100V主功率线路转接成多路100V，分别送至各区域供电设备；负载配电单元采用标准化设计，按照负载设备布局和供电需求就近配电。这种设计，综合考虑系统转换损失和配置代价，一方面可以减少多级电压变换带来的效率损失，并且设备的供电电源可以“量身定做”，最大限度地减少了设备间的供电线路耦合干扰。
3结论
结合实际研制经验，介绍了能源系统方案设计中的一些方法。首先明确设计边界条件，在此基础上开展系统基本方案设计。本文的研究可为能源系统设计方案提供一些参考和借鉴。
作者：于磊 任筱强 李智勇 郑琼林 单位：北京交通大学 中国空间技术研究院
