国际空间站电力系统简介：太阳能供能，俄罗斯提供核心负载

如前所述，在外太空中，国际空间站惟一可用的能源是来自太阳的光能。但是，由于国际空间站的太阳板不是一直都可以被阳光照射，所以必须要有次级/备用电源，以保证供电的连续性。最初采用的Ni-Cd（镍镉）电池寿命短，不能满足应用要求。后来采用的Ni-H₂电池虽然重量大得多但运行时间更长，是目前相对较好的选择。实际国际空间站如图7-1所示。从图中可以看到其独特的太阳板阵列结构。

图7-1 国际空间站全景图（美国国家航空及航天管理局（NASA）Glenn研究中心供图，美国俄亥俄州克利夫兰市）

国际空间站电源管理和配电（PMAD）系统的基本配电电压为直流160V^［1，2］，由一系列的电力电子开关来实现。此外，为了满足运行条件，DC/DC电力电子Buck变换器单元将160V直流变换为120V直流。120V系统被称作次级电力系统，用于国际空间站的电气负载。DC/DC变换器单元（DDCU）能满足隔离次级系统和首级系统的需要，同时也能保证整个空间站的电能质量^［1］。国际空间站电力系统的原理如图7-2所示。

国际空间站的电力系统基本分为两个主要部分，即俄罗斯部分和美国部分（将在后面详细说明）。俄罗斯部分基本为国际空间站俄罗斯部分的核心负载和有效负载提供电力。包括俄罗斯部分和美国部分在内的整个电力系统功率可达110kW，基本上能满足将近50户一般大小房屋的电力需求。除此之外，还保留了一个50kW的电源用于研发工作^［1］。

图7-2 国际空间站电力系统一个电力通道的示意图(www.xing528.com)

国际空间站的电力系统由许多电力通道组成^［1，2］。为了简化说明，图7-2只给出了一个电力通道示意图。整个电力系统通过8个PV阵列将太阳能转换为电能。由于国际空间站对电力需求非常大，所以每个太阳能阵列由将近300000块硅光电池组成。如前所述，为了避免供电中断，NASA开发了可再充电的Ni-H₂电池，并与太阳能阵列并联，如图7-2所示。太阳能阵列电力系统和次级电池系统都与首级母线相连，由其供应160V直流电。次级电池在可被太阳照射的轨道部分充电，在轨道的“日蚀”部分投入使用。这些电池以每40个为一组串联叠装在一起，其温度和压力长期处于监控之下。它们被装设在在轨更换单元（Or-bital Replacement Unit，ORU），可在轨道中方便地完成更换^［1］。Ni-H₂电池一般可使用4～6年。

当太阳能阵列发电时，空间站会尽量保持几乎与太阳能阵列一样的电压水平^［1］。因此，在这种条件下，由于太阳板表面与周围物体之间会燃弧，因此存在电位问题。为了解决这个问题，NASA的工程师设计了一种特殊的空心阴极组件，它是“等离子体接触器”的最核心部件，用来将整个空间站结构接地^［1］。接地是通过向太空中排放含有离子和电子的气体实现的，这种气流所带的剩余电子产生了表面电荷。

在电力系统设计的过程中，可能出现的另一个问题是采用电池存储和分配电能所产生的大量过剩的热量会损坏关键设备。为了解决这个问题，NASA的工程师选择了液氨散热器，从而将航天器里的热量散发出去^［1］。

至此为止，我们已经简要介绍了国际空间站电力系统的设计和工作原理，现在有必要详细研究其各个部分了。首先，空间站电力系统是多变换器电力电子系统的极好的例子^［2］。重新回到图7-2，首级电源母线上的电能为160V直流电，这在前面已经说明。首级母线既向Ni-H₂电池供电，又通过电池充放电单元（BCDU）从电池取电。电池充放电单元本质上是一个双向DC/DC电力电子变换器。DC/DC变换器单元（DDCU）通过降压向次级母线提供120V直流电^［2］。另外，这种小功率DC/DC变换器还供给所有较小的负载。根据负载母线的需求，它还可以进一步降低电压水平。因此，整个国际空间站的电力系统是基于直流的系统，而且离不开诸多的电力电子设备。

接下来，我们将介绍国际空间站电力系统的各种功能。这些功能主要依靠首级电力系统、次级电力系统及支持系统实现^［3］。每一种功能都将在后面小节中介绍。