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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