航天器电源系统技术概论 上PDF电子书下载

第一篇 电源系统 3

第1章 绪论 3

1.1 定义和功能 5

1.2 分类和组成 5

1.2.1 分类 5

1.2.2 组成 6

1.3 供电系统 7

1.3.1 主电源 7

1.3.2 储能电源 13

1.3.3 电源控制设备 16

1.4 配电系统 20

1.5 太阳电池阵—蓄电池组电源系统 22

1.6 空间电源的应用 23

参考文献 28

第2章 太阳辐射和太空环境 29

2.1 太空环境的概念 29

2.1.1 行星际空间环境 29

2.1.2 行星际空间中的高能粒子环境 34

2.1.3 太阳电磁辐射 47

2.2 地球空间环境 54

2.2.1 地球引力场 55

2.2.2 高层大气和原子氧 56

2.2.3 地磁场 60

2.2.4 到达地球空间的银河宇宙线 65

2.2.5 到达地球空间的太阳宇宙线 70

2.2.6 地球辐射带 73

2.2.7 地球电离层 77

2.2.8 等离子体层 80

2.2.9 微流星体环境 81

2.2.10 空间碎片 83

2.2.11 到达地球空间的太阳电磁辐射 86

2.2.12 地气系统反照和热辐射 87

2.2.13 航天器的轨道 89

2.3 空间环境对航天器的影响 94

2.3.1 概述 94

2.3.2 对电源分系统的影响 99

参考文献 109

第3章 航天器电源系统研制程序 111

3.1 概述 111

3.2 可行性论证阶段 111

3.3 方案阶段 112

3.4 初样研制阶段 115

3.5 正样研制阶段 118

3.6 使用改进阶段 120

参考文献 121

第4章 电源系统设计和计算 122

4.1 电源系统设计准则 122

4.2 电源系统设计步骤 124

4.3 航天器总体对电源系统的设计要求 128

4.3.1 飞行任务要求 129

4.3.2 供电要求 129

4.3.3 寿命和可靠性要求 132

4.3.4 质量和体积 132

4.3.5 航天器总体和电源系统设计相互制约的因素 132

4.3.6 电磁兼容性及防辐射、防静电要求 136

4.3.7 互换性和维修性要求 136

4.3.8 安全性要求 137

4.3.9 环境试验要求 137

4.3.10 研制经费要求 137

4.4 电源系统的拓扑结构 137

4.4.1 能量传输方式的影响 138

4.4.2 母线电压调节方式的影响 142

4.4.3 电源控制方式的影响 146

4.4.4 太阳电池阵布阵方式的影响 149

4.4.5 母线电压的选择 149

4.4.6 母线数量的影响 152

4.5 电源系统设计方案和计算 154

4.5.1 设计依据 154

4.5.2 母线配置 155

4.5.3 硬件配置 156

4.5.4 蓄电池组设计和计算 161

4.5.5 太阳电池阵设计和计算 163

4.5.6 电源控制设备设计和计算 169

4.5.7 能量平衡分析 173

4.5.8 1+6+2可靠性专题设计 177

4.5.9 编制符合表 191

参考文献 193

第5章 电源系统测试 194

5.1 测试要求 194

5.1.1 电性能测试要求 195

5.1.2 测试阶段和环境要求 195

5.1.3 测试设备要求 195

5.2 测试系统组成 196

5.2.1 测试设备组成 196

5.2.2 航天器供电设备功能 197

5.2.3 电源测试系统设备配置 197

5.3 电源系统测试程序 200

5.3.1 测试框图 200

5.3.2 电源测试程序步骤 201

5.3.3 测试内容 202

5.4 电源系统参数测试方法 207

5.5 电源系统测试数据分析 208

参考文献 214

第6章 GEO航天器电源系统设计举例 215

6.1 GEO航天器电源系统特点 215

6.2 风云2号卫星电源系统 218

6.2.1 设计要求 220

6.2.2 系统设计 221

6.2.3 太阳电池阵设计 221

6.2.4 蓄电池组设计 225

6.2.5 电源控制设备设计 227

6.3 国际通信卫星V电源系统 230

6.3.1 设计要求 230

6.3.2 系统设计 231

6.3.3 太阳电池阵设计 232

6.3.4 蓄电池组设计 235

6.3.5 电源控制设备设计 236

6.3.6 功率估算与特征 242

6.4 国际通信卫星ⅦA电源系统 245

6.4.1 设计要求 245

6.4.2 系统设计 246

6.4.3 太阳电池阵设计 248

6.4.4 蓄电池组设计 256

6.4.5 电源控制设备设计 260

参考文献 272

第7章 LEO航天器电源系统设计举例 273

7.1 LEO航天器电源系统特点 273

7.2 国外LEO航天器电源系统 274

7.2.1 德俄合作的低轨道Champ卫星 274

7.2.2 法国低轨道Pleiades卫星 279

7.3 LEO航天器电源系统设计举例 281

7.3.1 电源系统设计要求 282

7.3.2 系统设计 283

7.3.3 太阳电池阵设计 284

7.3.4 蓄电池组设计 287

7.3.5 电源控制设备设计 290

参考文献 298

第8章 载人航天器电源系统设计举例 299

8.1 载人航天器电源系统特点 299

8.2 国外载人航天器电源系统 300

8.2.1 俄联盟号飞船 300

8.2.2 美国阿波罗飞船 303

8.2.3 国际空间站 304

8.3 载人飞船电源系统设计举例 308

8.3.1 任务、指标要求 308

8.3.2 系统设计 309

8.3.3 太阳电池阵 311

8.3.4 太阳电池阵对日定向子系统 312

8.3.5 储能蓄电池组设计 313

8.3.6 电源控制设备设计 314

8.3.7 系统仿真及故障对策 316

8.3.8 飞行试验结果 319

参考文献 321

第9章 航天器电源系统飞行故障分析 322

9.1 航天器电源系统故障及危害 322

9.2 太阳电池阵机构故障分析 324

9.3 太阳电池阵电池电路故障 326

9.4 蓄电池组故障分析 329

9.5 电源线短路、开路故障分析 331

参考文献 332

第二篇 太阳电池阵 335

第10章 航天器主电源 335

10.1 概述 335

10.2 航天器对太阳电池阵的要求 335

10.3 太阳电池的发展概貌 338

10.3.1 太阳电池发电机理 338

10.3.2 太阳电池性能参数 338

10.3.3 太阳电池的分类及命名 341

10.3.4 硅太阳电池 344

10.3.5 砷化镓太阳电池 346

10.3.6 薄膜太阳电池 350

10.4 太阳电池阵的发展概貌 356

参考文献 362

第11章 硅太阳电池 363

11.1 概述 363

11.2 硅太阳电池发电理论 368

11.2.1 硅太阳电池模型 368

11.2.2 光电流 372

11.2.3 光电压 377

11.2.4 电池效率 378

11.2.5 电池参数模拟分析 396

11.3 硅太阳电池制造 398

11.3.1 空间太阳电池 398

11.3.2 地面太阳电池 410

11.4 高效硅太阳电池的结构和制造 417

11.4.1 高效电池结构 417

11.4.2 高效电池主要工艺参数估算 430

11.4.3 高效电池效率模拟仿真 437

11.4.4 高效电池制造流程 438

11.5 硅太阳电池的发展趋势 439

参考文献 441

第12章 砷化镓太阳电池 444

12.1 概述 444

12.2 Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体材料的基本性质 451

12.2.1 二元化合物 454

12.2.2 三元固溶体 464

12.2.3 四元固溶体 468

12.3 单结砷化镓太阳电池结构和制造 471

12.3.1 发展历程 471

12.3.2 物理基础 474

12.3.3 极限效率 481

12.3.4 电池结构 486

12.3.5 电池制造 488

12.3.6 可靠性分析 495

12.4 双结叠层砷化镓太阳电池 508

12.5 三结叠层砷化镓太阳电池 514

12.5.1 发展历程 514

12.5.2 物理基础 519

12.5.3 极限效率 522

12.5.4 电池结构 532

12.5.5 电池制造 538

12.5.6 电池的可靠性研究 547

12.5.7 电池性能测试和相关问题分析 561

12.6 砷化镓基系太阳电池研究新进展和发展趋势 567

12.6.1 高效多结叠层太阳电池 567

12.6.2 超薄型太阳电池 575

12.6.3 量子阱太阳电池 576

参考文献 580

第13章 薄膜太阳电池 599

13.1 概述 599

13.2 非晶硅电池 601

13.2.1 发展简史 602

13.2.2 工作原理及结构 603

13.2.3 制备方法 604

13.3 铜铟硒薄膜太阳电池 608

13.3.1 发展简史 609

13.3.2 工作原理与结构 611

13.3.3 制备方法 612

13.4 碲化镉薄膜太阳电池 617

13.4.1 发展简史 617

13.4.2 工作原理及结构 618

13.4.3 制备方法 619

13.5 薄膜电池的空间应用前景 621

参考文献 624

第14章 聚光太阳电池 632

14.1 概述 632

14.2 聚光电池 636

14.2.1 聚光电池工作原理 636

14.2.2 聚光电池结构 640

14.2.3 聚光电池制造 642

14.3 聚光系统 643

14.3.1 聚光系统工作原理 643

14.3.2 聚光系统结构 644

14.3.3 聚光系统的制造 651

14.4 聚光电池测试 652

14.5 发展趋势 653

参考文献 655

第15章 太阳电池测试和标定 656

15.1 概述 656

15.2 标准测试条件与标准太阳电池 657

15.3 太阳电池性能测试 659

15.3.1 太阳电池电性能测试 659

15.3.2 太阳电池温度系数测试 668

15.3.3 太阳电池光谱响应的测试 669

15.3.4 串联电阻的测量 672

15.3.5 太阳电池辐射损伤测量 673

15.3.6 太阳电池吸收率和辐射率测量 673

15.4 多结太阳电池测试 674

15.4.1 多结太阳电池的结构特点及原理 674

15.4.2 多结太阳电池电性能测试 678

15.4.3 光谱可调太阳模拟器 679

15.4.4 多结太阳电池光谱响应测试 682

15.5 太阳电池阵电性能测试 684

15.5.1 在研制和总装过程中的作用 684

15.5.2 大面积脉冲太阳模拟器 685

15.6 空间标准太阳电池的标定 688

15.6.1 空间太阳电池标定发展 688

15.6.2 高空及空间标定方法 690

15.6.3 地面标定方法 694

参考文献 700

第16章 太阳电池阵技术 702

16.1 概述 702

16.1.1 发展简史 702

16.1.2 定义和分类 705

16.1.3 特性 706

16.2 太阳电池阵的构型及组成 706

16.2.1 体装式太阳电池阵 707

16.2.2 刚性平板式太阳电池阵 707

16.2.3 柔性太阳电池阵 712

16.2.4 半刚性太阳电池阵 715

16.3 太阳电池阵的设计 716

16.3.1 太阳电池阵的电性能设计 716

16.3.2 太阳电池阵的机械部分设计 731

16.3.3 太阳电池阵的热设计 735

16.3.4 太阳电池阵的可靠性设计 737

16.4 太阳电池阵的制造 737

16.4.1 太阳电池阵制造流程 737

16.4.2 叠层太阳电池制作 738

16.4.3 太阳电池组件制作 740

16.4.4 电缆制作 741

16.4.5 基板制作 742

16.4.6 太阳电池板装配 743

16.4.7 太阳电池阵装配 743

16.5 太阳电池阵环境试验 744

16.6 太阳电池阵的储存与运输 745

16.7 发展趋势 746

参考文献 747

第三篇 蓄电池组 751

第17章 航天器储能电源 751

17.1 概述 751

17.2 航天器对储能电源的要求 755

17.3 主要航天器储能电源介绍 756

17.4 储能电源的未来发展 769

参考文献 771

第18章 镉镍蓄电池组 774

18.1 概述 774

18.1.1 发展简史 774

18.1.2 分类 776

18.1.3 性能特点 778

18.1.4 航天应用 788

18.2 化学原理 801

18.2.1 成流反应 801

18.2.2 电极电位和电动势 802

18.2.3 氧化镍电极的工作原理 803

18.2.4 镉电极的工作原理 808

18.2.5 密封镉镍蓄电池工作原理 810

18.3 全密封镉镍蓄电池制造 815

18.3.1 单体电池结构 815

18.3.2 单体电池制造 817

18.3.3 全密封镉镍蓄电池组设计 832

18.4 使用与维护 841

18.4.1 镉镍蓄电池的失效 842

18.4.2 航天用镉镍蓄电池的使用与维护 847

18.5 技术发展 849

参考文献 852

第19章 氢镍蓄电池组 857

19.1 概述 857

19.1.1 发展简史 857

19.1.2 化学原理 858

19.1.3 分类 861

19.1.4 用途 863

19.2 性能特点 869

19.2.1 电压 869

19.2.2 容量 872

19.2.3 温度 873

19.2.4 气体压力 875

19.2.5 自放电 876

19.2.6 工作寿命 877

19.3 氢镍蓄电池单体电池结构和制造 880

19.3.1 基本组成和结构 880

19.3.2 IPV氢镍蓄电池的结构与制造 889

19.3.3 CPV氢镍蓄电池的结构与制造 891

19.3.4 单体蓄电池设计中需要考虑的几个问题 892

19.4 氢镍蓄电池组结构与制造 893

19.4.1 IPV/CPV氢镍蓄电池组的结构与制造 893

19.4.2 SPV氢镍蓄电池组的结构与制造 896

19.4.3 DPV氢镍蓄电池组的结构与制造 897

19.5 氢镍蓄电池组使用维护 900

19.6 氢镍蓄电池发展前景 902

参考文献 905

第20章 锂离子蓄电池组 908

20.1 概述 908

20.1.1 发展简史 908

20.1.2 特性 912

20.1.3 分类 919

20.1.4 用途 922

20.2 工作原理 922

20.3 蓄电池单体结构 924

20.3.1 正极 925

20.3.2 负极 925

20.3.3 电解液 926

20.3.4 隔膜 928

20.3.5 壳体 930

20.3.6 设计举例 931

20.4 蓄电池单体制造 935

20.4.1 正极制造 936

20.4.2 负极制造 938

20.4.3 蓄电池装配 939

20.4.4 化成与分选 940

20.5 蓄电池组结构与制造 940

20.6 安全性试验 945

20.6.1 安全失效模式 945

20.6.2 安全性试验 945

20.7 使用与维护 949

参考文献 953

第21章 燃料电池组 954

21.1 概述 954

21.1.1 空间应用简史 954

21.1.2 特性 955

21.1.3 分类 958

21.1.4 组成 960

21.1.5 用途 961

21.2 电化学原理 963

21.2.1 基本工作原理 963

21.2.2 燃料电池热力学 964

21.2.3 燃料电池动力学 967

21.3 燃料电池系统 969

21.3.1 燃料电池系统组成 969

21.3.2 燃料电池系统相关参数 969

21.3.3 燃料电池系统的设计 971

21.4 碱性燃料电池组 983

21.4.1 工作原理 983

21.4.2 电池结构和特性 985

21.4.3 电池组及性能 998

21.4.4 空间应用实例 1001

21.5 质子交换膜燃料电池组 1007

21.5.1 工作原理 1007

21.5.2 电池结构和特性 1008

21.5.3 电池组及性能 1021

21.5.4 空间应用 1025

21.6 再生燃料电池组 1029

21.6.1 工作原理 1029

21.6.2 电池组构成及特性 1030

21.6.3 再生燃料电池组分类 1032

21.6.4 再生燃料电池的性能分析 1036

21.6.5 应用前景 1041

参考文献 1043

第四篇 电源控制设备 1049

第22章 航天器电源控制设备 1049

22.1 概述 1049

22.2 航天器对电源控制设备的要求 1053

22.3 电源控制设备发展概貌 1055

22.3.1 太阳电池阵功率调节器 1056

22.3.2 蓄电池组充电调节器 1064

22.3.3 蓄电池组放电功率调节器 1076

22.3.4 蓄电池组在轨再处理器 1082

22.3.5 多源混合式电源控制设备 1085

22.3.6 电源智能化控制与管理 1090

参考文献 1094

第23章 电源控制技术 1095

23.1 概述 1095

23.1.1 母线电压调节方式 1095

23.1.2 太阳阵功率调节方式 1096

23.1.3 电源控制设备的组成 1099

23.2 分流调节器 1100

23.2.1 工作原理 1102

23.2.2 数学模型 1104

23.2.3 设计实例 1106

23.3 充电调节器 1108

23.3.1 工作原理 1110

23.3.2 数学模型 1115

23.3.3 充电终止控制 1116

23.3.4 设计实例 1139

23.4 放电调节器 1143

23.4.1 原理分析 1144

23.4.2 数学模型 1147

23.4.3 设计实例 1149

23.5 主误差放大器 1158

23.6 接口技术 1161

23.7 新型电源控制技术 1163

23.7.1 集成化的电源控制技术 1163

23.7.2 模块化的电源控制技术 1173

23.7.3 微小型化薄膜电源集成技术 1176

参考文献 1180

第24章 电装技术 1182

24.1 概述 1182

24.2 电源控制设备装联工艺 1184

24.2.1 电子装联准备 1184

24.2.2 电源控制设备组装 1191

24.3 影响单机电装质量因素的探讨 1200

参考文献 1205

第25章 电源智能化控制和管理 1206

25.1 电源智能控制和管理发展现状 1206

25.1.1 发展智能控制技术的可行性和研究目标 1207

25.1.2 智能控制需研究的问题和技术实现 1207

25.2 系统智能化控制理论和仿真 1213

25.2.1 太阳电池阵模型的建立 1215

25.2.2 镉镍蓄电池组充放电模型的建立 1218

25.2.3 氢镍蓄电池组充放电模型的建立 1220

25.2.4 锂离子蓄电池组充放电模型的建立 1222

25.2.5 SOC计算 1223

25.3 计算机分析及设计 1226

25.3.1 镉镍蓄电池组V—T控制 1226

25.3.2 氢镍蓄电池组的压力和安时计控制 1227

25.3.3 锂离子蓄电池组的均衡控制 1233

25.3.4 蓄电池的故障诊断 1240

25.3.5 软件实现 1244

25.4 未来的发展趋势 1252

参考文献 1254

附录 我国自主研制并已发射的卫星和飞船电源一览表 1257