1GB/TXXXXX—XXXX平流層飛艇通用技術要求第3部分：能源系統(tǒng)本文件規(guī)定了平流層飛艇能源系統(tǒng)的技術要求、驗證試驗、檢驗規(guī)則以及標識、包裝、運輸和貯存等要求。本文件適用于平流層飛艇能源系統(tǒng)的設計與制造。采用太陽能供電的高空氣球、無人機的能源系統(tǒng)可參照使用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T5080.1—2012可靠性試驗第1部分：試驗條件和統(tǒng)計檢驗原理GB/T43328浮空器術語3術語和定義GB/T43328界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1能源系統(tǒng)energysystem平流層飛艇上產生、存儲、變換、分配、控制電能的系統(tǒng)。3.2太陽能電池solarcell將太陽輻射能直接轉換成電能的一種器件。3.3太陽能電池組件solarmodule把多個單體太陽能電池根據(jù)需要串并聯(lián)起來并通過專用材料和專門的工藝封裝后的部件。3.4太陽能電池陣列solarcellarray以串、并聯(lián)方式組合的太陽能電池組件及其結構等所組成的發(fā)電裝置。3.5最大功率跟蹤（MPPT）控制器maximumpowerpointtrackingcontroller調節(jié)和控制太陽能電池陣列使其輸出最大功率的裝置。2GB/TXXXXX—XXXX3.6儲能電池組energystoragebatterypack由一個或多個蓄電池組構成，能夠存儲和釋放電能的設備。3.7功率變換裝置powerconversiondevice將電能從一種形式轉換為另一種形式的裝置。4技術要求4.1組成平流層飛艇能源系統(tǒng)主要由電能產生、存儲、變換、分配和控制的設備組成，平流層飛艇上典型的電能產生設備是由太陽能電池陣列和MPPT控制器組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)；電能存儲設備一般為儲能電池組和應急電源；電能變換設備一般是對電能形式進行變換的功率變換裝置；電能分配設備一般是將電能分配到各用的設備的配電設備；控制設備一般是對整個能源系統(tǒng)進行綜合管理與控制的設備。注：電能變換、分配和控制等設備可根據(jù)需要分開4.2功能4.2.1系統(tǒng)功能能源系統(tǒng)應具備以下功能：a）能向飛艇各用電設備提供電能，滿足飛艇各階段的用電需求；b）根據(jù)飛艇用電設備的用電需求對電能進行分配、控制和保護；c）緊急情況下，應急電源應能向應急設備供電；d）當系統(tǒng)受到破壞或出現(xiàn)局部故障時，能隔離故障，能源系統(tǒng)的其它部分應不受影響，仍能保持正常工作；e）實現(xiàn)能源系統(tǒng)參數(shù)和狀態(tài)的采集與上傳；f）接受指令對能源系統(tǒng)進行控制與調節(jié)。4.2.2電能產生設備4.2.2.1太陽能電池陣列太陽能電池陣列應具備以下功能：a）在光照充足條件下將太陽能轉換為電能為全艇設備供電并為儲能電池組充電；b）在光照不足條件下與儲能電池組共同為全艇設備供電；c）太陽能電池組件具備隔熱功能，防止損傷飛艇囊體材料，根據(jù)需求在太陽能電池陣特定的組件中設置溫度傳感器監(jiān)測太陽能電池組件的溫度。4.2.2.2MPPT控制器MPPT控制器應具備以下功能：a）調節(jié)和控制太陽能電池陣列使其輸出最大功率；3GB/TXXXXX—XXXXb）具備過溫、限流等保護功能；c）根據(jù)需求遠程開通或關斷MPPT控制器輸出；d）具備太陽能電池陣電壓、電流、溫度信息及自身電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息采集上傳功能。4.2.3電能存儲設備4.2.3.1儲能電池組儲能電池組應具備以下功能：a）在光照充足的條件下具備在線充電功能，存儲太陽能電池陣發(fā)出的電能，在無光照條件下釋放電能為全艇設備供電；b）具備電池管理系統(tǒng)（BMSBMS應能對相關參數(shù)進行實施監(jiān)測，當出現(xiàn)電池組故障、過熱、容量低等情況時，BMS能進行告警顯示；c）具備過壓、過流、過熱、短路、過放電等保護功能；d）具備通信功能，能通過通信接口將電池狀態(tài)信息和告警信息傳遞給上位機；e）根據(jù)需求遠程開通或關斷各組儲能電池模組與供電母線的連接。4.2.3.2應急電源應急電源應具備以下功能：a）在應急情況下為應急設備供電，并實現(xiàn)應急設備的不間斷供電；b）為安控系統(tǒng)配置獨立的應急電源，確保最不利情況下安控系統(tǒng)供電的可靠性。4.2.4電能變換設備電能變換設備應具備以下功能：a）將母線的高壓直流電能轉換為適用于低壓負載使用的電能形式；b）根據(jù)需求進行遠程開啟、關閉；c）具備短路保護、過流保護、過壓保護、過熱等保護功能，并且在故障消除后應恢復正常工作；d）具備雙余度供電功能；e）具備收集自身電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息實時上傳功能。4.2.5電能分配設備電能分配設備應具備以下功能：a）具備電能分配功能，根據(jù)需求將電能分配給各艇載用電設備；b）具備過載和短路保護功能，在設備或配電線路故障時進行保護和故障隔離；c）根據(jù)需求設置負載通道控制功能，根據(jù)需求對特定的負載的通斷電進行控制；d）具備應急供電切換功能，在應急狀態(tài)下將系統(tǒng)切換到應急供電模式；e）根據(jù)需求對各配電通路的電壓、電流參數(shù)及工作狀態(tài)進行監(jiān)控。4.2.6電能控制設備電能控制設備應具備以下功能：4GB/TXXXXX—XXXXa）具備與艇載計算機（飛控或艇務計算機）通信功能；b）具備收集能源系統(tǒng)各設備工作參數(shù)、工作狀態(tài)及報警信息實時上傳功能；c）可接受上位機指令對能源系統(tǒng)各設備進行控制和管理。4.3性能4.3.1系統(tǒng)性能能源系統(tǒng)應滿足以下性能要求：a）系統(tǒng)的全天發(fā)電總能量應滿足飛艇用電設備的用電需求并可將儲能電池組充滿，可實現(xiàn)飛艇的能量平衡；b）儲能電池組的容量應滿足飛艇用電設備夜間的用電需求以實現(xiàn)飛艇的能量平衡；c）系統(tǒng)的最大輸出功率應滿足飛艇用電設備的最大用電功率需求；d）系統(tǒng)的供電質量應滿足飛艇的要求，與飛艇用電設備相兼容；e）應急電源的供電質量和供電時間應滿足飛艇應急情況的用電需求。4.3.2電能產生設備4.3.2.1太陽能電池陣列組成太陽能電池陣列的太陽能電池組件應滿足以下性能要求：a）太陽能電池組件的轉換效率應不小于21%（AM0條件下，即大氣質量為零條件b）太陽能電池組件的面密度應不大于620g/m2；c）太陽能電池組件的重量比功率應不小于370W/kg（AM0條件下d）太陽能電池組件的隔熱性能應保證在平流層環(huán)境下組件背板最高溫度不超出飛艇囊體材料允許的溫度，背板最高溫度一般不應高于55℃;e）太陽能電池組件在壽命期內，組件效率衰減應滿足型號專用規(guī)范的要求。4.3.2.2MPPT控制器MPPT控制器應滿足以下性能要求：a）輸入電壓應與太陽能電池陣的輸出相適應，輸出電壓應與儲能電池組的電壓相適應；b）轉換效率應不小于95%；c）跟蹤精度應不小于99%；d）重量比功率應滿足型號專用規(guī)范的要求。4.3.3電能存儲設備4.3.3.1儲能電池組儲能電池組應滿足以下性能要求：a）母線電壓應與MPPT控制器的輸出壓及用電設備的供電電壓相適應；b）能量密度應不小于260Wh/kg；c）最大放電倍率應與飛艇用電設備的最大用電功率相適應；d）最大放電深度應不小于90%；5GB/TXXXXX—XXXXe）循環(huán)次數(shù)應滿足飛艇的使用需求。4.3.3.2應急電源應急電源要求如下：a）輸出電壓應與應急用電設備的供電電壓相適應；b）能量密度應不小于260Wh/kg；c）最大放電倍率應與飛艇用電設備的最大用電功率相適應。4.3.4電能變換設備電能變換設備要求如下：a）輸入電壓應與儲能電池組的母線電壓相適應，輸出電壓和功率應滿足后端用電設備的需求；b）轉換效率應不小于94%；c）重量比功率應不小于1500W/kg；d）穩(wěn)壓精度應不低于1%。4.3.5電能分配設備各通道壓降應不大于0.4V。4.4接口4.4.1機械接口機械接口主要包括艙內設備與設備艙的安裝接口、太陽能電池陣（或MPPT控制器）與飛艇囊體的安裝接口、連接線纜與囊體和設備艙的安裝接口等。能源系統(tǒng)的機械接口應與飛艇囊體和吊艙相適應。太陽能電池組件在囊體上一般采用固定片壓邊的方式進行安裝并用綁扎繩緊固，太陽能電池組件的安裝接口應具備足夠的抗拉強度，防止損傷太陽能電池。安裝在設備艙的能源系統(tǒng)設備一般采用螺栓的方式連接，應有相應的鎖緊措施，安裝接口應具有足夠的機械強度，可承受任意飛行工況下的載荷。設備安裝空間應不小于設備最大外形尺寸加上維修與通風所要求的適當距離；飛艇的布線和安裝應符合型號專用規(guī)范的規(guī)定。4.4.2電氣接口電氣接口主要包括能源系統(tǒng)給艇載設備的供電接口、能源系統(tǒng)與艇載系統(tǒng)（飛控、艇務或信息傳輸系統(tǒng)）的通信接口。能源系統(tǒng)的電氣接口應采用標準接口和通用接口，應說明接口規(guī)格和要求，明確作用和用途。必要時，規(guī)定各個接口的定量要求，供電接口的供電電壓、電流等指標應與用電設備相適應，通信接口的類型、傳輸速率、數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議應與相應的系統(tǒng)相適應。4.4.3熱接口能源系統(tǒng)的熱接口主要指能源系統(tǒng)設備的發(fā)熱量、散熱、保溫等要求，能源系統(tǒng)的熱接口應與環(huán)控系統(tǒng)相適應。4.5重量6GB/TXXXXX—XXXX能源系統(tǒng)的重量應滿足飛艇總體分配的指標。4.6環(huán)境適應性4.6.1自然環(huán)境能源系統(tǒng)應能適應平流層飛艇在各個任務階段所經歷的大氣溫度、大氣壓力、濕度、太陽輻射等環(huán)境條件，并在整個使用壽命期間內應能夠在規(guī)定的條件下正常工作。4.6.2機械環(huán)境能源系統(tǒng)應能承受貯存、運輸、地面測試和飛行包線內的所有振動、沖擊和加速度環(huán)境條件。測試項目應包含振動、沖擊、公路運輸振動等。4.6.3電磁環(huán)境能源系統(tǒng)及其設備應能適應平流層的電磁環(huán)境，能源系統(tǒng)內部及能源系統(tǒng)和艇載其他系統(tǒng)應相互兼容，可在地面和平流層的電磁環(huán)境下正常工作。能源系統(tǒng)各設備應按照相關標準或型號專用規(guī)范的要求開展電磁兼容性測試。4.7可靠性能源系統(tǒng)應有冗余設計，其可靠性指標應滿足飛艇系統(tǒng)總體所分配的可靠性指標要求。4.8安全性能源系統(tǒng)應滿足飛艇安全性大綱的要求，應依據(jù)相關標準或型號專用規(guī)范，分析系統(tǒng)內每個風險的發(fā)生原因、發(fā)生的可能性及后果，確定其危險嚴重性和可能性，進行嚴重性和可能性等級劃分，并采取相應的應對措施。儲能電池組和應急電源的安全性應符合相關標準或型號專用規(guī)范的要求，必要時需進行相關安全性試驗。5驗證試驗5.1試驗項目為驗證能源系統(tǒng)是否滿足設計要求，應進行以下試驗項目：a）組成和外觀檢查，對能源系統(tǒng)各設備數(shù)量、外觀的檢查，特別是太陽能電池組件的外觀檢查；b）功能試驗，對能源系統(tǒng)的功能進行驗證；c）性能試驗，對能源系統(tǒng)的性能進行驗證；d）接口檢查，對能源系統(tǒng)的機械接口、電氣接口和熱接口進行檢查和驗證；e）重量檢查，對能源系統(tǒng)的重量進行測量；f）能源系統(tǒng)環(huán)境試驗，包括能源系統(tǒng)低溫低氣壓環(huán)境測試、機械環(huán)境測試和電磁兼容性檢查；g）可靠性試驗；h）安全性試驗。7GB/TXXXXX—XXXX5.2試驗方法5.2.1組成和外觀檢查對能源系統(tǒng)組成及外觀進行目視檢查，特別是對太陽能電池組件的外觀應著重檢查，必要時采用專用工具對太陽能電池組件是否有破損、裂紋等情況進行檢查。5.2.2功能試驗5.2.2.1系統(tǒng)功能試驗5.2.2.1.1能源系統(tǒng)通信及控制功能測試將能源系統(tǒng)通過通信接口與上位機相連，通過上位機查看能源系統(tǒng)通信狀態(tài)、各設備參試上報情況是否正常。通過上位機發(fā)送能源系統(tǒng)各設備控制指令，觀察各設備是否能夠正確響應相應的控制指令。5.2.2.1.2能源系統(tǒng)工作模式及轉換試驗按圖1開展測試，采用太陽能陣列模擬器模擬太陽能電池陣的輸出，采用模擬負載模擬飛艇用電設備的功率，通過調節(jié)太陽能電池陣輸出功率和模擬負載，使能源系統(tǒng)工作在不同模式下，測試能源系統(tǒng)在不同模式下的輸出是否滿足設計要求。具體步驟如下：a）調節(jié)太陽能電池陣列模擬器使其輸出為白天最大光照條件，調節(jié)負載為飛艇白天平均功耗，儲能電池組為未充滿電狀態(tài)，此時能源系統(tǒng)應工作在太陽能電池陣列最大功率輸出，給負載供電并給蓄電池充電模式；b）當儲能電池組基本充滿電時，調節(jié)太陽能電池陣列模擬器使其輸出為白天最大光照條件，調節(jié)負載為飛艇白天平均功耗，此時能源系統(tǒng)應自動轉換到太陽能電池陣列限制功率輸出模式，太陽能電池陣列給負載供電并給蓄電池浮充；c）調節(jié)太陽能電池陣列模擬器使其輸出為白天日出或日落時間段光照條件，調節(jié)負載為飛艇白天平均功耗，此時，太陽能電池陣列發(fā)電功率無法滿足負載需求，能源系統(tǒng)應自動切換到太陽能電池陣列與蓄電池聯(lián)合輸出給負載供電模式，由蓄電池補充放電來滿足負載的需求；d）關閉太陽能電池陣列模擬器輸出，模擬夜間情況，此時，太陽能電池陣列不發(fā)電，能源系統(tǒng)自動切換到儲能電池組放電給負載供電模式；e）關閉太陽能電池陣列模擬器和儲能電池組輸出，模擬應急工作狀態(tài)，能源系統(tǒng)應自動切換到應急工作模式，應急電源給各應急負載供電模式，其他負載不供電。圖1測試原理框圖5.2.2.1.3能源系統(tǒng)故障試驗對能源系統(tǒng)不同設備故障的情況進行模擬測試，具體測試方法如下：a）選取典型負載通道，模擬負載短路，測試各負載通道保護器件是否進行相應的保護動作，其他8GB/TXXXXX—XXXX負載通道應能正常工作；b）模擬太陽能電池陣列過流、過溫故障，測試故障太陽能電池陣列對應的MPPT控制器是否執(zhí)行相應的保護動作，其他太陽能電池陣列應能正常工作；c）模擬有光照條件下儲能電池故障無輸出，觀察系統(tǒng)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)進行告警并由太陽能電池陣列繼續(xù)供電；模擬無光照條件下儲能電池故障無輸出，觀察系統(tǒng)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)轉換到應急供電狀態(tài)，由應急電源給應急負載供電，其他設備不供電；d）模擬電能變換裝置故障，系統(tǒng)應自動切換到應急供電，由應急電源給應急負載供電，其他由電能變換裝置供電的設備不供電。5.2.2.2各設備功能試驗各設備功能測試按各設備產品規(guī)范或產品標準進行。5.2.3性能試驗5.2.3.1系統(tǒng)功能試驗5.2.3.1.1系統(tǒng)發(fā)電量測試采用光照模擬設備模擬飛艇所處的平流層環(huán)境的光照強度、光照時長和照射角度，對太陽能電池陣列（或一個子陣）的發(fā)電量進行測試，記錄并計算全天的累計發(fā)電量。注：若不具備此項測試條件，可采用專用軟件來仿真5.2.3.1.2電能存儲設備容量測試對儲能電池組和應急電源開展常溫和低溫容量測試，具體測試方法如下：a）在（20±5）℃下，將充滿電的蓄電池，以0.2C或飛艇用電設備的總平均功率放電至規(guī)定電壓，計算累計的放電容量是否滿足設計要求；b）將充滿電的蓄電池在-70℃或型號專用規(guī)范規(guī)定的低溫條件下，以0.2C或飛艇用電設備的總平均功率放電至規(guī)定電壓，計算累計的放電容量是否滿足設計要求。5.2.3.1.3負載瞬變試驗按圖1開展測試，采用太陽能陣列模擬器模擬太陽能電池陣的輸出，采用模擬負載模擬飛艇用電設備的功率，通過調節(jié)太陽能電池陣輸出功率和模擬負載，使能源系統(tǒng)工作在不同模式下，分別測試能源系統(tǒng)在太陽能電池供電、太陽能電池和鋰電池聯(lián)合供電、鋰電池單獨供電情況下，負載從50%躍變到100%和從100%躍變到50%時能源系統(tǒng)的供電質量，負載躍變斜率按型號專用規(guī)范的要求設定，一般不小于15.2.3.1.4能源系統(tǒng)能量平衡及循環(huán)試驗按圖1開展測試，采用太陽能陣列模擬器模擬飛行工況下太陽能電池陣一天的輸出變化情況，采用模擬負載模擬飛艇用電設備功率一天的變化情況，模擬能源系統(tǒng)在平流層環(huán)境的一天工作情況，考核能源系統(tǒng)是否可以實現(xiàn)晝夜能量平衡及循環(huán)。5.2.3.1.5應急電源供電試驗9GB/TXXXXX—XXXX按圖1開展測試，負載采用真實應急負載（或采用模擬負載模擬真實應急負載的平均功率關閉太陽能電池陣列模擬器和儲能電池組輸出，模擬應急工作狀態(tài)，應急電源給各應急負載供電，各應急負載應能正常工作且工作時間不小于型號專用規(guī)范規(guī)定的應急供電時間。5.2.3.2各設備性能試驗各設備性能測試按各設備產品規(guī)范或產品標準進行。5.2.4接口檢查對能源系統(tǒng)的機械接口、電氣接口和熱接口進行檢查：a）機械接口檢查采用安裝檢查的方式進行檢查；b）電氣接口檢查隨功能、性能試驗開展；c）熱接口檢查隨系統(tǒng)環(huán)境試驗開展。5.2.5重量檢查采用量具對能源系統(tǒng)各設備進行稱重，能源系統(tǒng)各設備重量和系統(tǒng)總重量應滿足滿足指標要求。5.2.6能源系統(tǒng)環(huán)境試驗5.2.6.1自然環(huán)境或機械環(huán)境試驗按圖2開展測試，將能源系統(tǒng)（除太陽能電池陣列）置于試驗箱或試驗臺上，使能源系統(tǒng)處于平流層環(huán)境的低溫低氣壓環(huán)境或機械環(huán)境下，對能源系統(tǒng)的功能和性能進行測試。圖2測試原理框圖5.2.6.2電磁環(huán)境試驗將能源系統(tǒng)接入飛艇，在地面環(huán)境下采用能源系統(tǒng)對飛艇各用電設備和系統(tǒng)供電，驗證能源系統(tǒng)和飛艇其他系統(tǒng)的電磁兼容性。注：各設備的電磁兼容性試驗由設備承制廠家按5.2.7可靠性試驗根據(jù)實際運行環(huán)境、工況、工作時長等，參照GB/T5080.1—2020開展可靠性試驗。5.2.8安全性試驗根據(jù)系統(tǒng)安全性要求，進行以下安全性分析與評估，識別系統(tǒng)安全性的薄弱環(huán)節(jié)，確認系統(tǒng)滿足安全性要求。對儲能電池組和應急電源根據(jù)相關標準或型號專用規(guī)范開展安全性試驗。6檢驗規(guī)則6.1檢驗分類GB/TXXXXX—XXXX本標準規(guī)定的檢驗分類如下：a）鑒定檢驗；b）質量一致性檢驗。6.2鑒定檢驗6.2.1檢驗時機鑒定檢驗一般在設計定型和生產定型時進行。6.2.2檢驗項目檢驗項目按表1的規(guī)定進行。6.2.3檢驗