作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特約作家

衛星需要一種能源來提供完美的性能，其中的電池可以連續工作多年。電力系統可能是衛星有效載荷最基本的要求，因為電力系統故障會導致太空任務的失敗。有趣的是，許多早期的衛星系統由于這些電力系統故障而失敗。

電力系統涵蓋所有類型空間應用的能源生產、存儲、調節、分配和轉換的所有方面。任務可以持續幾分鐘（發射器）到幾十年，例如行星際探測器或國際空間站（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）至于國際空間站）。衛星的電氣負載通常取決于在給定時間運行的儀器或子系統。

因此，衛星的電力系統工程（也稱為電力系統，或 EPS）需要為架構選擇最佳的初級和次級電源組合。

電源電源系統主要由電化學源（即一次或二次電池）或航天器進入太陽能覆蓋率低的區域時由電池支持的太陽能發電機組成。如今，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高時（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，這是航天器設計人員盡最大努力利用的免費資源。

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

圖 1：衛星上的太陽能電池。（圖片：美國國家航空航天局）

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，在長期任務和低太陽輻射強度條件下，采用了利用塞貝克效應發電的系統，該系統利用了放射性物質的緩慢衰變。

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量需求時為衛星供電。例如，在帶有太陽能電池板的衛星的情況下，這發生在日食期間，此時太陽能電池板沒有直接暴露在太陽下，或者衛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，趨勢是在減小設備尺寸的同時提高效率。此外，在這種情況下，氮化鎵 (GaN) 或碳化硅 (SiC) 基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、電池和負載之間的電力交換。這意味著確保提供給負載的功率保持在它們可以接受的電壓范圍內，確定太陽能電池陣列的大小，以便在航天器設備通電的同時為電池充電。

由于動力系統是航天器的唯一資源，因此必須保護它免受可能降低其性能甚至使其停止服務的故障，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）很大程度上取決于軌道類型。通常，每個低傾角軌道的低地球軌道（LEO）日食僅持續 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 小時最長持續時間為 1.2 小時.

選擇電池類型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存儲的能量數量。

用于太空運行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、電池過充電量和熱敏感性。

審核編輯 黃昊宇