一種柔性太陽電池陣電傳輸解決方案

邢 路，王志彬，舒 斌，郝偉娜，謝朋儒

(上?？臻g電源研究所，上海 200245)

隨著航天器對功率需求的日益提高，空間太陽電池陣正向著多維展開的柔性太陽電池陣方向發展[1-5]。從傳統的折疊式剛性太陽電池陣轉變到折疊式、卷式及扇形柔性太陽電池陣，提高功率輸出能力的同時，太陽電池陣質量盡可能輕，收攏體積盡可能小，電傳輸及電連接盡量方便、可靠，這對太陽電池陣的電傳輸模式提出了特殊的要求。受折疊厚度和質量的限制，目前國際上柔性電池陣已經采用了一種新型柔性板間電纜，這種電纜是柔性印制電路板(flexible printed circuit)，通過印制電路靈活布線。

在此背景下，本文提出了一種適用于柔性電池陣的電傳輸解決方案，并對已解決的關鍵、瓶頸技術進行了闡述。這種新型柔性電纜具有傳輸功率大、質量輕、折疊體積小等特點，非常適合作為大面積、大功率的柔性太陽陣的主傳輸方式，可為未來新型太陽電池陣的設計提供新方向、設計參考和技術支撐。

1 研究內容

1.1 柔性太陽電池陣簡介

如圖1 所示，柔性太陽電池陣由單體太陽電池構成太陽電池組件，隨后再將電池組件按照設計要求并聯成電路，為飛行器在軌提供能源，負責在光照區內給整器供電，同時為蓄電池組充電于陰影區進行電能供給，柔性太陽電池陣由于其質量輕、收攏體積小、可重復展收等特點，具有極大的創新性和前瞻性，是目前和今后都極具競爭力的太陽電池陣構型。

圖1 我國空間站柔性太陽陣在軌應用

1.2 電傳輸方案設計思路

在柔性電池陣設計上，一個核心問題是電池電路電功率傳輸設計。需要研制一種可隨柔性太陽陣展開及收攏的薄型結構電纜，將電池電路電功率、太陽電池陣信號等傳輸到太陽陣根部，再由驅動機構傳輸至航天器艙內，為艙內各單機提供能源。柔性太陽電池陣電傳輸電纜方案遵循以下基本原則和指導思想：(1)整體考慮，首先分析現有電纜技術狀態，分析其技術滿足性及改進措施；(2)國外調研分析，借鑒國外成熟的經驗，結合型號任務需求，設計合理方案。設計思路如圖2 所示。

圖2 柔性電纜設計思路

1.3 研制必要性

由于柔性陣基板很薄，柔性太陽電池陣折疊后，板與板緊密對壓在一起，大部分柔性太陽電池陣收攏厚度小于1 mm，國內目前空間用載流能力達5 A以上的導線直徑均不小于1 mm。受收攏折疊厚度和質量的限制，傳統常規的導線束已不具備安裝條件，必須研制新型電纜。根據飛行器任務分析，要求板間電纜疊層厚度不大于1.0 mm，每線具備不小于5 A 電流傳輸能力。

1.4 國外調研分析

國外為解決柔性太陽電池陣功率傳輸問題進行了多年的設計、試驗及技術攻關，其主要成果都體現在有關文獻中。

國際空間站(ISS)[6]采用了柔性太陽電池陣，構型如圖3 所示。太陽電池陣的母線電壓達到160 V，太陽電池陣功率是通過位于兩側的柔性板間電纜實現傳輸，其展開長度達32 m，傳輸總功率達到16 kW(BOL)。

圖3 國際空間站柔性太陽電池陣及柔性板間電纜

美國于1999 年發射了EOS AM-1[7-10]衛星，該衛星采用類似的柔性功率信號傳輸電纜，該衛星母線電壓達到127 V，和ISS 基本相同(126 V 母線)，對電纜的電性能要求接近。EOS AM 太陽電池陣及柔性傳輸電纜如圖4 所示。

圖4 EOS AM柔性太陽電池陣及柔性傳輸電纜

EOS AM 太陽電池陣的功率傳輸柔性板間電纜其展開長度達到9 m，傳輸總功率達到5 kW(EOL)。柔性板間電纜粘貼在太陽電池陣長邊的兩側，用于傳輸太陽電池陣的功率和信號，最終安裝在太陽電池陣收藏箱底部的連接箱中。

2 柔性電纜方案

柔性印制電路電纜是一種創新技術，這種新技術對電纜的封裝和布線都是一種革命性的變革，它能將電纜體積、質量分別減少80%、75%，它是以聚酰亞胺薄膜和銅箔為基材制成的一種具有高可靠性，絕佳可撓性的印刷電路。因航天器發射和空間環境惡劣，對柔性印制電路電纜的柔韌性、銅箔和基材的結合力以及焊盤的平面度等要求很高，根據飛行器任務需求，電纜總長度不小于30 m，如此大尺寸的空間級柔性電纜在國內也是首次研發，設計上有很大的難度。

柔性基板和柔性電纜組合選型應基于國內外研究現狀并結合飛行器特點，針對柔性電纜的技術難點，確定以下解決方案。

2.1 結構設計

柔性電纜結構形式有單層、多層、一體式、分段式等多種方式，傳輸層數越多，長度越長，其結構和工藝就比較復雜。

根據飛行器技術要求，在收攏狀態下兩塊基板之間的板間電纜疊層厚度小于等于1.0 mm，考慮到在疊層電纜間還要有粘結劑、焊盤厚度等條件限制，則柔性電纜的厚度控制在0.45 mm 以內，單層和雙層電纜縱截面圖如圖5 和圖6 所示。

圖5 單層柔性電纜結構尺寸

圖6 雙層柔性電纜結構尺寸

從結構上分析，兩種電纜都能滿足太陽陣對電纜的厚度要求。由于雙層電纜每層線路數量更少，可有效控制線路間間隙，間隙寬度僅為單層電纜的一半，相同寬度條件下銅線利用率高，總傳輸電流能力大，所以雙層電纜導線芯線方案更優，綜合考慮飛行器對電纜的外包絡尺寸要求，選擇一體式雙層電纜設計。

(1)載流能力設計

柔性電纜載流能力與應用環境、使用材料、產品結構等有關。通常對于多層結構，柔性電纜載流設計參照圖7 和圖8 所示(外層電路和內層電路)。詳見GJB 2830(撓性和剛撓性印制板設計要求)。對于空間用柔性電纜功率傳輸電路需要考慮降額設計，參照GJB/Z 35，根據需要進行I級降額設計。

圖7 外層電路載流能力

圖8 內層電路載流能力

為滿足載流要求，采用雙層結構時，根據標準要求，銅芯線截面積設計尺寸為5 mm×1 mm，其承載電流能力大于5 A，符合I 級降額，滿足傳輸電流要求(每線要求傳輸電流不小于5 A)，一體式雙層電纜結構如圖9 所示。

圖9 一體式雙層柔性電纜傳輸方案

(2)導線電阻

柔性電纜電阻計算如式(1)所示：

式中：R為電阻，Ω；ρ 為電阻率，Ω/m；l為線路長度，m；s為截面積，m2。

對一體式雙層傳輸電纜方案的導線材料電阻率進行分析，純銅導線電阻率為1.73×10－8Ω?m(20 ℃)，銅芯線截面積0.5 mm2，采用純銅導線其線電阻為0.034 6 Ω/m(20 ℃)，能夠滿足低電阻的要求(不超過0.04 Ω/m)。

(3)絕緣性能設計

采用聚酰亞胺作為絕緣材料，聚酰亞胺電阻率為1.5×1015Ω?m，介電強度為240 kV/mm，絕緣電阻可以滿足10 MΩ 的絕緣性要求。

(4)線路間隙設計

電纜應采用可能的最大線路間距。不同功率線路、信號線路導線間，最小間距應大于0.2 mm，具體可參照GJB 2830 執行。

(5)折疊可靠性設計

柔性電纜要求折疊，在折疊頻繁，曲率較小的情況下，銅質電纜有斷裂的風險。需要根據電纜結構層來計算最小彎曲半徑。雙層電纜人字尖最小彎曲半徑示意圖如圖10 所示。

圖10 扁平式板間電纜最小彎曲半徑示意圖

最小彎曲半徑按照式(2)計算：

式中：R為彎曲半徑，mm；d為聚酰亞胺與兩層膠厚度，mm；c為銅箔線路厚度，mm；EB為銅箔延伸率，%；D為聚酰亞胺與單層粘結劑(覆蓋膜)厚度，mm。

2.2 工藝技術

根據結構設計，柔性電纜采用的是帶狀電纜加工方式，且使用聚酰亞胺作為絕緣材料，在高溫高壓下進行制作，不同于傳統的擠出方式。該方式具有多芯電纜一次成型，結構穩定可靠等優點。但普通的層壓方式僅針對單芯或三芯等小芯數電纜，在多芯(空間站約50 芯)線數的電纜中很難保持多根芯數的平衡和穩定，易導致跳線、鼓包等情況；由于層壓模具和溫度控制的精度限制，很難制成大長度帶狀電纜。

研制過程中，為了解決長度大于30 m 超長柔性電纜的成型工藝，首先研究了張力控制技術，通過逐段冷壓排氣，熱壓預固化的方式，以保證層壓過程中張力的穩定，保證電纜結構的穩定。其次進行無間斷層壓設備改造，精確溫度控制，在此基礎上開發大長度層壓帶狀電纜加工工藝技術，通過工藝技術提升順利研制出了滿足長度和寬度要求的柔性電纜。

2.3 空間環境適應性技術

聚酰亞胺材料由于其優良的電氣性能、機械性能及空間環境適應性，非常適合做柔性電纜的絕緣層，但其抗原子氧能力較差，容易受到原子氧剝蝕，厚度為12.7 μm 的Kapton?(聚酰亞胺)材料樣品，暴露在軌道高度上的原子氧環境中100 h 后，原子氧對材料的剝蝕厚度達到10.4 μm，為了滿足飛行器低軌長壽命要求，通過對柔性電纜表面鍍層來提高聚酰亞胺的抗原子氧能力。本方案在聚酰亞胺表面沉積了SiO2保護涂層，地面試驗及在軌表明，SiO2涂層可以滿足原子氧防護的要求，同時還具有如下特點：(a)高的硬度和耐磨性；(b)韌性好，彎曲變形時不易出現裂紋；(c)對基體的光學性能沒有明顯的影響；(d)與基體結合力好。

3 柔性電纜成果

經過近10 年的不斷設計完善，團隊研制出了長度達30 m 的柔性印制電路電纜，并成功應用于我國空間站柔性太陽電池翼上，柔性印制電路電纜主要性能指標為：在寬度140 mm 內可傳輸6 kW 以上的功率，傳輸電壓大于120 V，同時電纜還具備適應空間環境的能力，低軌道原子氧環境壽命長達12 a 以上，具備在軌展開、收攏20 次后仍可正常電傳輸的能力。我國空間站柔性太陽翼柔性電纜如圖11 所示。

圖11 我國空間站柔性太陽翼柔性電纜示意圖

4 結論

本文對國外柔性太陽電池陣電傳輸方式進行了調研，結合我國飛行器柔性太陽電池陣要求，提出了一體式雙層柔性印制電路電纜電傳輸方案，與傳統的傳輸電纜相比，柔性印制電路電纜具有傳輸功率密度高、折疊體積小等特點。該技術經過近10 年的不斷設計完善，已成功應用在空間站組合體柔性太陽電池陣上，已歷經在軌2 年多壽命的考核，電性能傳輸正常，表明我國已掌握了柔性太陽電池陣電傳輸技術。

柔性電纜技術成功解決了在有限結構尺寸內完成高功率傳輸的難題，本文總結了我國已有成功研制的柔性電纜設計方案，可為未來各種新型太陽電池陣電傳輸設計提供參考。