作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特約作家

衛(wèi)星需要一種能源來提供完美的性能，其中的電池可以連續(xù)工作多年。電力系統(tǒng)可能是衛(wèi)星有效載荷最基本的要求，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障會(huì)導(dǎo)致太空任務(wù)的失敗。有趣的是，許多早期的衛(wèi)星系統(tǒng)由于這些電力系統(tǒng)故障而失敗。

電力系統(tǒng)涵蓋所有類型空間應(yīng)用的能源生產(chǎn)、存儲(chǔ)、調(diào)節(jié)、分配和轉(zhuǎn)換的所有方面。任務(wù)可以持續(xù)幾分鐘（發(fā)射器）到幾十年，例如行星際探測(cè)器或國(guó)際空間站（ISS），并且可能需要至少幾瓦（立方體）到幾十千瓦（用于電信等的大型航天器）至于國(guó)際空間站）。衛(wèi)星的電氣負(fù)載通常取決于在給定時(shí)間運(yùn)行的儀器或子系統(tǒng)。

因此，衛(wèi)星的電力系統(tǒng)工程（也稱為電力系統(tǒng)，或 EPS）需要為架構(gòu)選擇最佳的初級(jí)和次級(jí)電源組合。

電源電源系統(tǒng)主要由電化學(xué)源（即一次或二次電池）或航天器進(jìn)入太陽能覆蓋率低的區(qū)域時(shí)由電池支持的太陽能發(fā)電機(jī)組成。如今，大多數(shù)衛(wèi)星都基于效率約為 30% 的先進(jìn)太陽能電池和鋰離子 (Li-ion) 電池。

當(dāng)與太陽的距離變得太高時(shí)（通常超出木星），太陽通量將無法再有效利用，而核源是唯一的選擇。太陽在地球軌道上每平方米提供約 1.4 千瓦的電力，這是航天器設(shè)計(jì)人員盡最大努力利用的免費(fèi)資源。

今天用于這些應(yīng)用的三結(jié)太陽能電池將在未來幾年被更高效的四到六結(jié)太陽能電池所取代。新的電池技術(shù)，如鋰硫電池，目前正在大力推動(dòng)能量密度邁出新的一步（圖 1）。

圖 1：衛(wèi)星上的太陽能電池。（圖片：美國(guó)國(guó)家航空航天局）

在典型的基于衛(wèi)星的電力系統(tǒng)中，主要系統(tǒng)尤其負(fù)責(zé)生成主電力總線。最流行的解決方案包括使用太陽能電池板、燃料電池，或者在短期任務(wù)的情況下——例如用于將衛(wèi)星和探測(cè)器送入軌道的發(fā)射器——鋰離子電池。另一方面，在長(zhǎng)期任務(wù)和低太陽輻射強(qiáng)度條件下，采用了利用塞貝克效應(yīng)發(fā)電的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了放射性物質(zhì)的緩慢衰變。

二次電源系統(tǒng)用于在一次系統(tǒng)無法運(yùn)行或無法完全滿足運(yùn)行場(chǎng)景所需的能量需求時(shí)為衛(wèi)星供電。例如，在帶有太陽能電池板的衛(wèi)星的情況下，這發(fā)生在日食期間，此時(shí)太陽能電池板沒有直接暴露在太陽下，或者衛(wèi)星的傾斜度減少了流向太陽能電池板本身的入射輻射流。最常見的解決方案無疑是使用鋰離子電池。對(duì)于需要高功率（通常超過 100 kW）的設(shè)備，還使用了可再生燃料電池。

在電力電子領(lǐng)域，趨勢(shì)是在減小設(shè)備尺寸的同時(shí)提高效率。此外，在這種情況下，氮化鎵 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 基半導(dǎo)體等先進(jìn)組件是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)的必要開發(fā)工作的主題。

因此，能量調(diào)節(jié)最重要的任務(wù)之一是優(yōu)化控制太陽能發(fā)電機(jī)、電池和負(fù)載之間的電力交換。這意味著確保提供給負(fù)載的功率保持在它們可以接受的電壓范圍內(nèi)，確定太陽能電池陣列的大小，以便在航天器設(shè)備通電的同時(shí)為電池充電。

由于動(dòng)力系統(tǒng)是航天器的唯一資源，因此必須保護(hù)它免受可能降低其性能甚至使其停止服務(wù)的故障，尤其是在短路情況下。

考慮到使用太陽能電池板的衛(wèi)星，主要來源無法發(fā)電的時(shí)期（例如日食期間）很大程度上取決于軌道類型。通常，每個(gè)低傾角軌道的低地球軌道（LEO）日食僅持續(xù) 35 分鐘，而在地球靜止軌道（GEO）中，日食僅發(fā)生在兩個(gè)春分時(shí)段，24 小時(shí)最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為 1.2 小時(shí).

選擇電池類型需要考慮的主要參數(shù)是使用壽命（年）、比重（kWh/kg）和體積（kWh/m 3）。通常，對(duì)衛(wèi)星電池類型選擇影響最大的參數(shù)是比重或根據(jù)其重量可以存儲(chǔ)的能量數(shù)量。

用于太空運(yùn)行的電池的關(guān)鍵方面之一是充電的可靠性和效率。從這個(gè)意義上說，基本參數(shù)是電池充電/放電速度、放電深度、電池過充電量和熱敏感性。

審核編輯 黃昊宇