一顆衛星擁有各種能源，必須工作多年，實際上代表了任務成功的基本要求。有趣的是，由于這些電力系統故障，許多早期的衛星系統都失敗了。電力負載可能涉及與調節、熱控制和能量管理相關的不同方面。航空航天系統電力系統的 EPS 工程需要仔細選擇架構的主要和次要來源。

介紹

電力系統主要由電化學電源（即一次或二次電池）或當航天器進入太陽能覆蓋率低的區域時由電池支撐的太陽能發電機組成。今天，大多數衛星都基于效率約為 30% 的先進太陽能電池和鋰離子 (Li-ion) 電池。

當與太陽的距離變得太遠時，通常是在木星之外，太陽通量就不能再有效地利用，而核能是剩下的唯一選擇。太陽在地球軌道上每平方米提供大約 1.4 千瓦的功率，這是航天器設計人員盡最大努力利用的免費資源。?

在未來幾年，這些應用中使用的三結太陽能電池將被更高效的四到六結太陽能電池所取代。新的電池技術，例如鋰硫，目前正努力在能量密度上邁出新的一步。

在典型的基于衛星的電力系統中，主要系統尤其負責生成主電力總線。最受歡迎的解決方案包括使用太陽能電池板、燃料電池，或者在短期任務的情況下——例如用于將衛星和探測器送入軌道的發射器——鋰離子電池。另一方面，在長期任務和太陽輻射強度較低的情況下，采用了利用塞貝克效應發電的系統，利用放射性物質的緩慢衰減。

二次電源系統用于在一次系統無法運行或無法完全滿足運行場景所需的能源需求時為衛星供電。例如，對于帶有太陽能電池板的衛星，這種情況發生在日食期間，此時電池板沒有直接暴露在太陽下，或者衛星的傾斜減少了入射到電池板本身的輻射流。最常見的解決方案無疑是使用鋰離子電池。對于需要高功率（通常超過 100 kW）的設備，還使用了可再生燃料電池。?

在電力電子領域，趨勢是在提高效率的同時減小設備的尺寸。此外，在這種情況下，基于氮化鎵 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 的半導體等先進組件是實現這兩個目標的必要開發工作的主題。

因此，能量調節最重要的任務之一是優化控制太陽能發電機、電池和負載之間的功率交換。這意味著確保輸送到負載的功率保持在它們可以接受的電壓范圍內，調整太陽能電池陣列的尺寸，以便在航天器設備供電的同時為電池充電。

由于電力系統是航天器的唯一資源，因此必須保護它免受可能導致其性能下降甚至停止服務的故障，尤其是在短路情況下。

考慮到使用太陽能電池板的衛星，主要來源無法發電的時期（例如日食期間）在很大程度上取決于軌道類型。通常，低地球軌道 (LEO) 日食在每個低傾角軌道上僅持續 35 分鐘，而在地球靜止軌道 (GEO) 中，日食僅發生在兩個春分時段，24 小時內的最長持續時間為 1.2 小時.

選擇電池類型時需要考慮的主要參數是使用壽命（年）、比重（kWh/kg）和體積（kWh/m 3）。通常，對衛星電池類型選擇影響最大的參數是比重或根據其重量可以儲存的能量。

用于太空操作的電池的關鍵方面之一是充電的可靠性和效率。從這個意義上說，基本參數是電池充電/放電速度、放電深度、電池過充電量和熱靈敏度。

能源管理

衛星中主系統或次系統提供的電力必須經過調節并分配給船上的各種電子設備。

太陽能電池板陣列構成主要能源。在穩壓應用中，面板的輸出電壓通過脈沖調制技術（脈寬調制）或 S3R 電路（順序并聯開關穩壓器）進行調節。根據當前的能源需求和任務概況，面板矩陣的某些部分可以通過“分流轉儲”電路禁用；術語“太陽能組件”或 SPA 通常是指主要單元。

“分流轉儲”電路由源自輸出電壓感測或電池最大功率點跟蹤的反饋控制。在這種情況下，通過改變工作電壓來改變電池的工作點。

電源和配電管理子系統以設置為太陽能電池陣列峰值功率的主總線電壓運行。當陣列因電離輻射而退化時，該值會隨著時間而改變。

電池充電/放電單元或 BCDU 調節插入電池的電量，并且可以在空間站提供高達 6.6 kW 的功率。在日曬期間，檢查電池過載量。每天，它們都要經歷 16 次充電/放電循環。例如，國際空間站有大約 24 個 BCDU，每個重 100 公斤。

電源控制和分配單元，或 PCDU，是用于監控和保護初級和次級電力線的單元。通常，它具有遙測接口和對車載計算機的遠程控制，以控制電源管理程序。

集成濾波器、DC/DC 轉換器和合格且抗輻射的線性穩壓器可用于從初級線路獲得這些工作電壓。一個例子是 VPT 的兩個系列 DC/DC 標準轉換器和附件，這些轉換器和附件專為具有挑戰性的太空環境而設計、測試和驗證。

VPT 的 SVR 系列 DC/DC 轉換器 提供適用于 LEO、MEO、GEO、深空和發射計劃的合格電源解決方案。這些設備通過了 MIL-PRF-38534 K 類抗輻射認證，并且按照航空航天公司的技術操作報告 (TOR) 要求進行設計（圖 2）。

圖 2：SVR 系列的框圖。（圖片：VPT）

另一個例子是 Microsemi 的抗輻射穩壓器，其中包括具有集成 FET 和電感器的混合開關穩壓器，以及 LDO 和非 LDO 線性穩壓器。SA50-120 系列適用于國際空間站，支持 120 Vin。SA50-120 系列的單輸出版本可以并聯使用以提供額外的功率。

STMicroelectronics 提供了廣泛的產品組合，專門設計、封裝、測試和認證，以便它們符合認證機構定義的航空航天標準。一個例子是 RHFL4913A，它由軍用標準-883E 方法 1019.6 和增強的低劑量率敏感性 (ELDRS) 條件（圖 3）。

圖 3：RHFL4913A 的框圖。（圖片：意法半導體）

空間輻射

問題是輻射；空間有很多，而且大多數現代電子元件都不是為了在具有特定宇宙輻射水平的環境中工作而設計的。太空中出現的強度等級會導致電子元件出現各種問題，從簡單的操作故障到完全停電。

在國際空間站等大型空間結構中，主要由 85% 的質子和 15% 的重核組成的宇宙射線流在與結構材料發生各種碰撞后部分轉化為二次中子。?

除了永久性損壞 CMOS 集成電路之外，輻射還會導致單事件效應 (SEE)：單事件翻轉 (SEU)、單事件功能中斷 (SEFI) 和單事件瞬態 (SET)。在這種情況下，數字微電路很有趣，因為捕獲的電荷可以改變 MOS 晶體管的閾值電壓，這是一個與電路的消耗和速度直接相關的關鍵參數。

結論

電力系統無疑是新衛星計劃考慮的首批設備之一。該任務對衛星電力子系統的設計產生了強烈影響，尤其是電池的設計。這需要仔細考慮從有效載荷和子系統到軌道因素和輻射對電子元件的影響的所有設計參數，以開發用于任務的主要和次要來源的正確組合。