北京航空航天大学学报杂志投稿格式参考范文：临近空间飞艇电源系统技术难点及发展趋势

　　临近空间一般指距海平面高度 20~100km 的空间区域，传统的航空、航天飞行器无法在这一区域长期停留。尽管目前人类活动很少涉及该区域，但随着空天科技的快速发展，临近空间凭借其独特的资源优势已成为各航空航天大国新的探索领域与研究热点。近年来，临近空间飞艇、太阳能飞机和高空科学气球等临近空间低速飞行器成为探索和利用临近空间的重要平台，各国研究人员对该领域的技术攻关持续研究和关注。这些临近空间低速飞行器一般运行在海拔 18km 及以上高度，其工作性能与临近空间的环境条件有着密切关系。

　　以飞艇为代表的临近空间低速飞行器为了能够在临近空间进行数月的飞行，需要有持续不间断的能量供给，现阶段采用白天太阳电池发电、夜晚储能电池供电的电源解决方案。然而，当前存在太阳电池发电效率低、储能电池组质量比能量不高、能源控制系统应对多变环境条件能力不足、边界条件限制及随机干扰因素过多等问题，限制和影响了飞艇长航时飞行的能力实现。因此，本文详细阐述临近空间飞艇电源系统的组成、关键技术及未来发展趋势，旨在为未来临近空间低速飞行器电源系统的设计和研制提供参考。

　　1 临近空间环境特点

　　临近空间横跨平流层 (18~55km)、中间层 (55~80km) 和部分热层 (距地面 80~200km)，纵跨非电离层和电离层 (低于 60km 为非电离层，60~1000km 为电离层)，其绝大部分成分为均质大气 (90km 以下为均质大气，90km 以上为非均质大气)。基于美国 1976 年标准大气模型绘制了 0~100km 大气圈层分布及温度、气压、气体密度、臭氧浓度。可知，临近空间中温度变化超过 100K，分布范围极广且变化趋势较为复杂。此外，随海拔高度升高，临近空间的气压与气体密度会急剧下降，海拔 20km 处的气压约为 5.47kPa，气体密度约为(8.8×10^{-2}kg/m^3)，海拔 50km 处的气压仅约为 76Pa，气体密度仅约为(9.8×10^{-4}kg/m^3)。而临近空间飞艇一般通过艇体内部浮升气体产生的净浮力上升到平飞高度，并保持浮重平衡。

　　目前，常用的氦气在 20km 处的密度约为(1.23×10^{-2}kg/m^3)，氢气在 20km 处的密度约为(0.61×10^{-2}kg/m^3)，除承担飞艇自重外，难以给载荷提供足够的浮力。而电源系统占据了飞艇总质量的 1/4 以上，如何有效减轻电源系统的质量是设计中的关键问题。临近空间的物质组成主要为空气、少量的水蒸气、臭氧、放射性微粒、尘埃等。其中，臭氧层主要位于临近空间下部，臭氧浓度最高的地方在距离地球表面约 20~40km。臭氧层是吸收、屏蔽紫外线辐射的关键，由 Beer-Lambert 定律可得(I = I_0e^{-kcd})(式中：I 为透过层的光线强度;(I_0)为初始光线强度;k 为吸收系数;c 为吸收物质的浓度;d 为光线通过的距离)。

　　由上式可知，当臭氧浓度持续降低，海拔高度升高 (紫外光通过臭氧的距离减小)，使得紫外辐射大幅增加，进而给临近空间飞艇的囊体材料、太阳电池等带来极大的紫外老化损伤，给飞艇结构、电源系统等带来极大挑战，严重影响飞艇的长期驻空能力。随着海拔高度的提升，大气层对高能粒子的吸收作用逐渐减弱，地磁场的保护作用逐渐降低，最终导致高能粒子在临近空间的浓度相对较高。这使得临近空间飞艇的分布式电力系统在长期驻空的过程中也会遭受各种高能粒子的持续辐射，包括太阳电池、储能电池、电源管理器与配电器等在内的部件都有可能产生性能退化或故障，可能产生的辐射损伤包括单粒子效应、位移损伤效应、电离总剂量效应等。

　　另外，在中高层大气层中，空气较为稀薄，强度较大的雷击放电产生的电磁场可以导致中高层大气中的介质击穿，产生 “红色精灵”“巨型喷流”“蓝色射流” 等瞬态放电的光电现象。这类放电现象对运行其中的临近空间飞艇电源系统稳定造成较大的影响，极端的放电问题还将引发电源系统设备的故障，影响飞行安全。中高层大气层的另一个特点为极端温度。在 20km 海拔的高度，平均大气温度为 - 60~-70℃，这对运行其中的临近空间飞艇，尤其是近乎于直接面对大气环境且缺乏稳定的吊舱环境控制的电源系统设备的温度耐受能力提出了较大的挑战。这一极端低温环境叠加低气压的条件，导致对流换热差，进一步加剧了设备对环境温度耐受能力要求及温度防护设计的复杂度。除上述影响外，临近空间中还存在着高云、大气强扰动等其他多种极端环境，而受限于探测手段及观测时间不足，目前，人类对临近空间环境的认识仍不够准确，新的研究表明，美国 1976 年标准大气模型存在局限性，这也对临近空间飞艇电源系统设计和运行提出了更高的要求。

　　综上所述，电源系统作为飞行器的关键组成部分，在设计阶段，需要考虑包括临近空间温度、气压、紫外辐射、宇宙射线、臭氧及低高度云层放电等极端环境因素对电源系统的影响。针对温度和气压影响，需要开展设备在不同工作状态下的保温及散热设计，在能耗及质量限制下实现设备的自主稳定环控。针对紫外辐射、宇宙射线、臭氧及低高度云层放电等极端环境因素，应当在质量限制的前提下采取合适的老化防护、电磁防护、静电防护及雷电防护等措施，需要在材料、结构设计及系统设计上进行突破。

　　2 临近空间飞艇电源系统组成和特点

　　20 世纪 70 年代，美国海军赞助的 “高空超压动力浮空器 HASPA” 项目对临近空间飞艇可能的电源系统架构进行了分析和讨论，提出了 3 种可能的电源系统结构：原电池、(H_2/O_2)燃料电池及光伏阵列与二次电池的组合。目前，主要的临近空间飞艇电源系统结构有光伏阵列与锂离子电池的能源组合 (如 HALE-D 及 HiSentinel80)，光伏阵列与燃料电池的能源组合 (如 HAA、MAAT) 及光伏阵列、燃料电池及锂离子电池的能源组合。法国 Thales Alenia Space 公司主导的 Stratobus 飞艇计划使用二次氢氧燃料电池系统作为储能电池，并铺设超过(1000m^2)的太阳电池。美国 Sceye 公司研制的平流层飞艇，预期实现 65 天临近空间驻留。

　　该飞艇在电源系统中应用了大量先进技术，其太阳电池采用了铜铟镓硒电池和砷化镓薄膜太阳电池的组合，储能电池采用锂硫电池。如今，太阳电池、储能电池及一系列电源转换器和控制器构成的光伏循环电源系统已成为长航时临近空间飞艇普遍采用的稳定且成熟的方案。而短航时飞艇的电源系统主要包括储能单元和配电单元，飞行时间主要与储能单元的容量、平台、载荷功率相关。仅从结构上看，临近空间飞艇的电源系统与卫星电源系统具有极高的相似性，但二者实际差异显著。

　　与卫星电源系统较小的功率级别不同，临近空间飞艇由于抗风飞行和区域驻留的任务需求，采用电机 + 螺旋桨的动力推进方式，所需的动力功率较大，加上任务载荷的功率需求，大型临近空间飞艇的功率级别可达几十甚至上百千瓦，为减少线路上的损耗，一般采用大于或等于 300V 高压直流母线结构，这对电源系统各设备使用的电子原器件提出了很大挑战，除了低温低压环境需要特殊设计的封装外，大型功率器件的电磁兼容及设备热平衡都是不可忽视的难点。临近空间飞艇电源系统设计时，根据平台和载荷功率、飞行时间、经纬度等参数进行能源平衡设计，需要实现在每个循环周期内 (通常为昼夜 24h) 的能源平衡。

　　白天，光伏阵列吸收太阳辐射并转化为电能，电能由电源管理系统调节，分配给飞艇的用电设备，多余的电量用于给储能电池充电。夜间及太阳能输入不足时，储能电池释放其储存的能量转换为飞艇使用的电力。临近空间飞艇需要根据复杂多变的工作环境及任务要求进行工况调整，满足能源获取和消耗的动态平衡，当需求的能量与供给的能量不匹配时，将引发能量的不平衡，进一步影响电源系统工作稳定性。飞艇的长度一般都超过 100m，其巨大的艇体一般采用柔性囊体材料，太阳电池一般铺设在飞艇艇体的上表面，储能电池放置在飞艇底部的吊舱内，电源管理系统一般采用高压大功率分布式能源拓扑结构，放置在飞艇底部吊舱内或艇体周围，这些设备通过复杂和远距离的线缆网进行连接。

　　3 临近空间飞艇电源系统国内外研究现状

　　3.1 飞艇用太阳电池研究现状

　　太阳电池阵列是临近空间飞艇重要和主要的能量来源。现有太阳电池的产品主要可分为 5 类：硅基太阳电池、有机和聚合物电池、薄膜太阳电池、纳米太阳电池和混合光伏电池。临近空间飞艇对太阳电池的要求是柔性、轻质和高效，这不仅需要太阳电池单体效率的突破，还需要针对临近空间低压、低温、强紫外辐射、易电离的临近空间环境的封装，实现兼顾能效、成本、质量及防护性能的大面积太阳电池组件。而满足以上特征的太阳电池种类主要是柔性薄膜太阳电池，包含非晶硅薄膜太阳电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池、柔性多结砷化镓薄膜太阳电池。现阶段，柔性非晶硅薄膜太阳电池具有柔韧性的优势，仅应用于早期研制的高空试验验证飞艇，但因效率偏低，容易衰减，无法满足长航时飞艇能量平衡的基本需求;柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池工艺复杂，成本偏高，且大面积使用时效率不高，也不适合长航时飞艇使用。硅基太阳电池具有能量转化效率较高、成本低、环境适应性强和可靠性高等优点，广泛应用于地面光伏发电系统中，也应用在早期空间飞行器上。

　　1991 年，Onda 和 Morikawa 通过功率 / 质量为标准研究了几种可能用于高空飞艇的太阳电池。将常规晶体硅太阳电池减薄，一方面保持轻量化，既有一定的柔性，同时保持高效率，另一方面还需保持太阳电池组件的整体可靠性，因为在飞艇上升过程中，囊体可能会遭遇强风而弯曲，太阳电池阵列可能会因弯曲而受到应力。近年来，研究人员开发了高效非晶硅太阳电池。例如，南京邮电大学李卫团队提出了具有纳米图案化结构和 CdS 量子点的 N-I-P 结构非晶硅太阳电池的光伏性能改进，功率转化效率从 6.63% 提高到 18.45%。相比于其他高效率太阳电池，非晶硅太阳电池性能提升幅度有限，同时，国内外相关产业配套不完整限制了其进一步发展。

　　砷化镓太阳电池方面，日本 Sharp 公司最早研制出效率约为 24%(AM0) 的双结砷化镓薄膜太阳电池，并组装成了电池模块，进行了空间搭载试验，而后又通过衬底剥离技术制备了 GaInP/GaAs/InGaAs 三结砷化镓薄膜太阳电池，电池效率达 31.5%(AM0)，面积达(28cm^2)。美国 Emcore 公司研制的高效多结太阳电池效率达 34.2%(四结，AM0)，并在此基础上通过外延层转移技术制备了高效柔性砷化镓薄膜太阳电池，将效率提高到 33.6%(四结，AM0)。国内原国电光伏公司的柔性薄膜太阳电池顺利通过德国 Fraunhofer ISE 检测机构认证，其制备的柔性三结太阳电池光电转化效率达到 34.5%(AM1.5)。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所采用电镀与低温键合相结合的外延薄膜转移方案制备的高效柔性三结太阳电池和组件，光电转化效率达到 35%。柔性砷化镓薄膜太阳电池综合性能未来发展潜力最大，但目前产量较低，制造成本高，还无法大范围应用。

　　晶体硅异质结太阳电池方面，中国科学院刘文柱、徐国宁和刘正新等于 2023 年采用湿法化学反应和干法等离子体反应圆滑处理 2 种技术方案，通过表面的各向同性反应，将硅片边缘表面和侧面尖锐的 “V” 字型沟槽圆滑处理成平滑的 “U” 字型沟槽，同时，由于圆滑处理只限于硅片边缘区域，基本不影响硅片表面和背面的陷光能力，从而保持了单晶硅太阳电池的高光电转化效率 (>24%)。该结构设计方案可以显著提升硅片的 “柔韧性”，60μm 厚的硅片可以像 A4 纸一样进行折叠、卷曲操作，最小弯曲半径达到 5mm 以下。利用该型单体，实现量产异质结太阳电池组件平均面密度为(540g/m^2)，平均效率为 21.3%(AM1.5，(1000W/m^2))，单个组件最大尺寸达 1.3m×0.91m。结合艇体结构的弯曲特性和辐照分布，在使用晶体硅太阳电池时，应对太阳电池阵列 4 个角的模块进行结构加固，减少裂纹风险和冲击。

　　3.2 飞艇用储能电池研究现状

　　目前，应用于临近空间飞艇的储能电池主要包括化学储能电池和再生燃料电池，也有部分设计开始将超级电容器应用于包括临近空间飞艇在内的临近空间飞行器储能系统中。随着临近空间飞艇性能需求不断提升及对质量比较敏感，对高质量比能量、安全且长循环寿命的储能电池的需求也将越来越迫切。这不仅涉及高比能储能电池单体及成组技术的研发，还涉及到为了适应临空极端温度及气压环境所需要的电池模组结构、热控设计及综合的优化设计，特别是新型储能电池模组在低温低气压环境下的适应问题。

　　3.2.1 化学储能电池

　　以锂储能电池为代表的化学储能电池技术较为成熟，锂离子电池、锂金属电池及锂硫电池均在临近空间飞艇上有应用案例。其中，锂离子电池最为成熟，但质量比能量相对较低，除了硅负极锂离子电池外的大部分锂离子电池技术已接近极限，电池成组之后的质量比能量通常低于 300Wh/kg。美国 Amprius 公司在高比能硅负极锂离子电池领域持续创新，已实现纳米线结构硅负极锂离子电池单体的批量生产，2023 年发布了新一代质量比能量高达 500Wh/kg 的电池平台，该型号电池在 25℃时的质量比能量大于 504Wh/kg，体积比能量大于(1321Wh/L)，与最先进的石墨电池相比，运行时间延长了 200%。

　　该公司生产的纳米线结构硅负极锂离子电池已配套给 Zephyr S 高空无人机项目，电池质量比能量大于 435Wh/kg，体积比能量大于(1200Wh/L)，在 2022 年完成了长达 64d18h26min 的无人驾驶飞机最长连续飞行。为实现更高质量比能量，基于锂金属负极的电池技术 (如锂金属电池、锂硫电池等) 再次引起广泛的重视。其中，锂硫电池由于其高达 2600Wh/kg 的理论质量比能量成为近年来的研究热点。Sceye 公司使用自研的锂硫电池作为临近空间飞艇的储能电池，其在中国申请的专利显示锂硫电池单体的质量比能量在至少 5 个循环中高于 400Wh/kg，并且在至少 20 个循环中高于 350Wh/kg。虽然锂硫电池提供了相对较高的质量比能量，但受限于极短的循环寿命及较快的能量衰减，仍未实现大规模的商业化应用。

　　国内外研究人员持续开展包括全固态锂硫电池等多方面的探索，以期获得更高性能的锂硫电池。美国 Sion Power 公司推出的面向临近空间飞行器应用的 Licerion HE 高质量比能量锂金属电池达到了 500Wh/kg，并计划应用于 Stratobus 飞艇。国内多家研究机构也持续开展高质量比能量锂金属电池的研发，目前，质量比能量已突破 500Wh/kg，但循环寿命短、充放电过程中的体积剧烈变化一直是需要攻克的问题。北京大学、中国科学技术大学及中国科学院的研究人员共同研发了质量比能量为 505.9Wh/kg 的锂金属软包电池，其在 130 个循环后显示出 91% 的能量保持率，但模组级的试验及研究还需更多的探索。

　　3.2.2 再生燃料电池

　　另一种适用于临近空间飞艇的储能方法是再生燃料电池。早在 20 世纪 70 年代，(H_2/O_2)燃料电池就被建议用于临近空间飞艇电源系统。典型的再生燃料电池系统包括燃料电池堆、能量存储组件、反应物和储罐、管道等辅助组件。由于再生燃料电池的循环效率为 40%~60%，远低于锂离子电池的 99% 以上，再生燃料电池需要更大的太阳电池面积。然而，再生燃料电池质量比能量潜力是基于二次电池系统的 2~3 倍，因此，与锂离子电池相比，使用再生燃料电池的储能系统的质量比能量依旧有一定优势。Zhang 等的计算分析指出，能量转化效率为 50%、质量比能量在 300Wh/kg 以上的再生燃料电池比锂离子电池更具竞争力。

　　同时，随着太阳电池阵列性能的提高，采用再生燃料电池的系统质量迅速下降，而采用锂离子电池的系统质量下降缓慢。但是，目前再生燃料电池的安全性及成本问题导致了基于再生燃料电池的系统还不能成为临近空间飞艇储能系统的主流选择。此外，再生燃料电池会产生大量的废热，在稀薄的临近空间大气中，采用再生燃料电池对热管理和环境控制是一个重大挑战，相关关键技术仍需突破。3.3 飞艇电源管理与配电研究现状电源管理与配电主要功能是实现太阳电池阵列管理、转换和分配及对储能电池的充电管理，维持飞艇昼夜能源平衡，是飞艇电源系统的核心。综合管理能量的转换、存储和分配，实现能源的智能调度，是电源管理与配电技术的重点研究方向。

　　3.3.1 基于最大功率跟踪的能量转换与控制技术

　　目前，太阳能是临近空间飞艇驻空飞行期间唯一的可再生能量来源。太阳电池阵列在实际飞行环境条件下表现出非线性特点，在确定太阳辐照度和温度的情况下，其输出功率随输出电压而波动，在某个电压下存在一个最大功率点。因此，分析太阳电池在临近空间环境下的发电特性及最大效率，利用太阳电池发电功率，是当前太阳电池发电管理的重要研究内容。临近空间飞艇与航天器的电源技术一脉相承，相关研究设计也多有参考借鉴航天器的研制经验。但相比于飞艇，航天器的功率需求不大且发电能量相对充足，当前国内外航天器仍然采用直接能量传输 (direct energy transfer，DET) 形式进行太阳电池发电管理，如顺序开关分流调节器 (sequential switching shunt regulator，S3R)、串联型顺序开关分流调节器 (series sequential switching shunt regulator，S4R)。

　　近年来，基于最大功率点跟踪 MPPT 方式也被引入到航天器电源系统中，并实现在轨运行，逐步替代 DET 方式。临近空间飞艇在发展过程中，由于功率需求巨大和能量短缺等原因采用 MPPT 电源拓扑。这种拓扑基于 DC-DC 开关电源变换器，采用脉宽调制 (pulse width modulation，PWM) 技术对电源拓扑输入、输出端口的电压、电流、功率进行控制，进而实现对太阳电池发电功率能量转换的控制，使太阳电池阵列能够工作于最大功率点，增加太阳电池阵列输出电能。

　　常见开关电源变换器拓扑包括降压型 BUCK 拓扑、升压型 BOOST 拓扑等。MPPT 控制必须结合 MPPT 控制算法，经典的 MPPT 算法主要可以分为 3 种，即固定参数调节算法、基于扰动特性的方法及基于智能控制的各类算法。在实际飞行过程中，不同铺设位置的太阳电池在同一时刻接收的太阳辐照不均匀，传统的 MPPT 算法往往不能获得稳定的最大功率点。近年来，研究人员基于机器学习、模糊控制等人工智能思想提出了多种新的 MPPT 算法，这些算法主要用于提高光照不均匀情况下的 MPPT 性能，但在实际应用中受限于计算资源，且实时性有待提高。

　　3.3.2 储能电池管理技术

　　飞艇储能电池一般选用锂离子电池。锂离子电池是一个复杂的非线性系统，具有多个状态变量，电池管理的目的是对储能电池的状态变量进行监测，实现电池状态的准确评估，其中，电池荷电状态 (state of charge，SOC) 估计、功率状态 (state of power，SOP) 预测、健康状态 (state of health，SOH) 预测等方面是电池管理技术的主要研究内容。目前，受限于临近空间飞艇的驻空周期较短，锂电池衰减并不严重，因此，SOH 管理的理论研究储备暂时还未深入整合到工程实践中，随着更高质量比能量锂电池在临近空间的应用，由于其循环寿命较短和安全性较差，对其寿命状态评估及管理研究将得到更多关注。

　　3.3.3 供配电技术

　　临近空间飞艇供配电系统的功能包括：①按需求为各负载进行供电或断电，并在特定负载发生故障时，防止故障蔓延，将其从母线中隔离出去，保证母线的安全;②为有特定供电需求 (如对供电电压有严格要求) 的负载进行电源转换。供电或断电的功能，本质上通过 “开关” 器件或模块实现。目前的临近空间飞艇常采用继电器控制的方式，通过指令控制继电器对负载进行供电或断电操作。但是，继电器也存在一定的弊端，如体积大、质量大、自动化程度低、在低气压下闭合或断开存在拉弧的可能性。这些缺陷难以满足飞艇电源系统高可靠性、高功率密度的要求。因此，用固态功率控制器 (solid-state power controller，SSPC) 替代继电器成为一种新的选择和趋势。

　　SSPC 采用半导体器件控制电路通断，具有无触点、无电弧、响应速度快、可靠性高、易于实现计算机远程控制等优点。中国 “天宫一号” 即采用了 SSPC 配电技术，实现负载的动态管理;国外的 Spacebus4000 等航天器也使用该技术，完成配电管理、故障诊断与隔离等自主管理;在临近空间飞行器领域，SSPC 也已得到了应用和验证。电源转换功能一般通过 DC-DC 变换器来实现，将母线电压转换为负载所需的电压、电流或功率。临近空间飞艇用电源转换模块需要在苛刻的低气压及热环境中将宽范围输入的电压高效地转换为指定的电压，并形成不同功率等级，这对模块设计及器件选型提出了较高要求。近年来，随着技术积累及技术突破，相关产品也在不断迭代，为供配电系统电源模块选型提供了更多选择。

　　3.3.4 能量调度管理技术

　　临近空间飞艇在飞行期间需应对定点驻空、巡航、抗风飞行等各种复杂工况，艇载各用电设备也存在不同的用电需求，有效、正确地管理所有飞行工况的用电分配，需要研究出具有针对性的能量调度管理技术，全局统筹电源系统能量的转换、存储和分配。当前，航天器已经历了人工干预管理、初级自主管理 2 个阶段，正处于智能管理发展阶段。智能管理技术在实现数据遥测、遥控基本功能的前提下，在保证安全可靠的同时，还提出了自主故障监测、诊断等概念，适用于空间站这类复杂的大型航天器。临近空间飞艇作为复杂的大型飞行器，引入智能管理技术同样重要。国内外针对这方面的研究工作相对薄弱，暂未建立成体系的系统研究。王文楷等以某型飞艇研制为背景，设计了一种智能功率分配系统，并进行了模拟实验，根据飞艇滞空、巡航、应急返航等不同工况下艇上各电气负载对飞行任务的重要性，设置飞艇电气负载优先级，编制电气负载控制程序，自动决断在各类工况下对指定负载供电。该设计给飞艇功率分配智能管理提供了借鉴，却没有针对配电故障给出解决方案。

　　3.4 飞艇电源系统仿真和预测研究现状

　　浮重平衡、推阻平衡、能源平衡及温压平衡是临近空间飞艇长航时飞行的四大关键技术。其中，推阻平衡与能源平衡相互制约，为了实现能源平衡，对电源系统各关键部件进行精确建模和仿真分析是必不可少的阶段和环节。对飞艇在驻空位置及驻空时间内太阳电池产能与负载能量消耗之间平衡关系的分析计算是飞艇电源系统设计的基础。而进行能源平衡分析，要先判断飞艇接收的太阳辐射量是否满足用电量需求，在此基础上，再对薄膜太阳电池布设区域进行计算与优化。Li 等创建了由几何模型、太阳辐射模型和临近空间浮空器能量采集 / 消耗模型组成的理论模型，研究了纬度、风速和太阳电池阵列面积对能量比的影响，但没有考虑风速、纬度和日期的耦合效应。杨希祥等通过对飞艇的驻空时间、飞行状态等因素与飞艇曲面太阳电池产能关系的研究，构建了飞艇产能与能量消耗模型，实现了闭环设计，并依据该计算流程，基于公开数据对 Stratobus 临近空间飞艇项目的能源平衡进行分析。

　　徐国宁等提出了一种基于太阳电池之间关系的发电模型，实现准确快速预测不规则铺设太阳电池发电能力，还使用粒子滤波方法结合实际飞行数据对功率计算模型中的重要参数进行最优估计，实现飞行过程中对飞行器发电量的动态、快速、准确预测。张衍垒等提出了太阳辐射在临近空间飞艇外表面分布分析模型和方法，实现了对不同飞行时空下沿艇体经线长度方向的太阳辐射量分布计算，该方法可用于指导太阳电池构型及布局优化设计的精度提升。刘松松等结合实验测试与建模仿真，研究了储能电池在不同电流倍率充放电对 SOC、剩余放电时间及剩余充电时间的影响，构建了考虑倍率的临近空间飞艇电源系统仿真模型，进一步提升了飞艇电源系统闭环设计的精度。

　　近年来，数字孪生技术被越来越多地提起，通过在虚拟空间构建数字模型来映射现实世界中的实体对象，建立数字模型和实体对象之间的通信链接，一方面可以通过实体对象采集到的信息持续对数字模型进行优化，另一方面也可以借助数字模型进行模拟诊断、预测，辅助实体对象制定相关策略。使用数字孪生技术搭建飞艇的地面伴飞系统，评估预测电源系统状态制定能量调度策略，辅助驻空飞艇完成，将是一个非常值得探索的研究方向。

　　4 临近空间飞艇电源系统关键技术和发展趋势

　　临近空间飞艇电源系统所处的运行环境、热特性和控制特性等显著区别于航空飞行器和航天飞行器电源系统，另外，临近空间飞艇电源系统目前最大的问题是电源系统的质量比能量低和临近空间极端环境长时间适应能力弱，质量比能量低主要是指太阳电池效率低、储能电池的质量比能量低和电源管理总体效率不高，严重影响飞艇长航时飞行的能源平衡、高抗风飞行和有效载荷载重。因此，临近空间飞艇电源系统急需发展的关键技术主要包括高效薄膜太阳电池技术、高质量比能量储能电池技术、分布式高效电源管理技术、无线能量传输技术、极端环境适应及利用技术等 5 个方面。

　　4.1 高效薄膜太阳电池技术

　　作为当前临近空间飞艇上的唯一能量来源，太阳电池至关重要，高效率、轻量化、柔性和长期运行稳定性是临近空间用太阳电池的发展方向。目前，飞艇上广泛使用的半柔性薄硅太阳电池仍存在以下问题：硅基太阳电池脆性易碎，弯曲柔韧性不及薄膜太阳电池，无法实现太阳电池与飞艇囊体的完全复形结合。硅基太阳电池产生的裂纹影响组件的短路电流和输出功率。一方面，需要对电池组件进行结构加固，减少弯折断裂风险和裂纹对功率输出的影响;另一方面，继续将硅基太阳电池减薄，使硅基在保持效率基本不降的情况下增加柔性，从而解决易碎的问题。单结硅基太阳电池的最高单体光电转化效率为 27.3%，已接近其理论极限值 29.4%。光电转化效率提升空间有限，要想进一步提升硅基太阳电池的效率必须寻找其他途径。例如，通过柔性多结薄膜太阳电池技术、柔性硅钙钛矿叠层技术等突破柔性单结太阳电池的效率限制。大面积的太阳电池组件涉及电池单体的串并联连接，需要轻量化、可靠且低电阻的连接和集成方式，相关工艺和技术还有待提升及试验验证。

　　太阳电池组件在白天太阳照射时产生大量的热量，而囊体材料在高温下性能参数容易衰减，同时考虑质量限制，需要对太阳电池组件与囊体材料之间的轻量化一体化组装方式开展研究。虽然目前砷化镓薄膜太阳电池具备了高效且柔性的特点，但其成本是单晶硅太阳电池的数十倍乃至上百倍。如何确保高效且降低成本成为砷化镓薄膜太阳电池在临近空间飞艇上应用的关键。同时，以钙钛矿太阳电池为代表的新材料太阳电池在未来是潜在的选择，但就目前的产业技术水平、对临近空间环境的适应性验证及与飞艇囊体结合的工艺条件等，还有较多问题需要解决。此外，高空太阳电池临近空间标定技术将有助于新型太阳电池的临近空间乃至空间的应用。

　　4.2 储能电池技术

　　目前，制约临近空间飞艇长航时飞行的最大问题是对飞行器质量的控制，只有降低飞行器本体的质量才能飞行在临近空间稀薄大气中，并有更多质量留给载荷系统。临近空间飞艇电源系统存在需求功率大、能源紧张及电源系统超重等问题，在同等甚至更低质量的情况下提供更多的能源是临近空间飞艇电源系统的主要优化目标。储能电池占据了电源系统乃至飞艇整体质量的大部分份额，但也是决定能源供给性能的关键部件，因此，提高储能电池组质量比能量是提升临近空间飞行器电源系统乃至飞行器整体性能的关键。高镍正极、硅碳负极或纯硅负极的锂离子电池具备了较高的质量比能量和较长的寿命，是短期内最为可能的选择。美国已实现质量比能量达到 450Wh/kg 甚至 500Wh/kg 的线性纳米硅负极锂离子电池在临近空间环境下的应用。其中的技术难点主要在于临近空间低气压条件下软包电池包膨胀力控制及电池组内单体间压差的控制，这涉及到电池单体的一致性及对电池组力学特性的了解和掌控，需要开展大量的仿真分析及试验探索，以期实现从配方到生产流程管理再到电池配组结构设计乃至配组的工艺方案。

　　此外，电池组均衡技术也是亟需发展的补充手段，虽然增加均衡技术意味着电池组结构复杂度及结构质量的提升，但该技术作为关键的电池管理技术将有助于提升电池组的循环寿命及安全性。锂金属电池尽管能够相对容易地实现超过 500Wh/kg 的超高质量比能量，但因更差的单体一致性导致的模组循环寿命短及充放电过程中严重的体积变化带来的一系列成组及安全问题，其在临近空间飞艇电源系统的应用方面存在诸多挑战。现有技术手段短期内还无法突破质量比能量、循环寿命、安全性组成的不可能三角。目前，以固态电解质为代表的新型储能电池技术正不断发展，将助力储能电池实现高质量比能量、高安全性、长寿命、高成组率等目标，然而其在技术路线确定、技术成熟度验证和产业化生产等方面还存在些许问题。随着这些问题的逐步突破，其在临近空间飞艇上的应用将具备广阔前景。除了化学储能电池以外，再生氢氧燃料电池在临近空间的应用也是一种可能选择，但设计一款高效高质量比能量且可在临近空间环境长期应用的再生燃料电池，除了解决电池本身的安全性、经济性及可靠性问题，还需解决废热利用及系统温度控制的问题。

　　4.3 分布式高效电源管理技术

　　未来随着临近空间飞艇电源系统功率等级不断提升，采用集中式电源管理架构要面临高电压大电流功率半导体器件选择与高频开关等参数难以兼顾的矛盾。采用分布式电源管理架构能很好地解决上述矛盾，解决大规模、远距离输出能量的模问题，具有响应速度快、可扩展性强的优点，在稳定性上也优于集中式结构，但一般分布式电源管理架构缺少全局信息和通信网络，各节点之间的协调和控制困难，分布式结构难以实现全局的优化目标。因此，随着电源系统复杂度的提高，分布式架构采用各节点间通信互联和层级梯次电源管理策略，在多时间尺度上进行电源优化调度和功率分配，实现电源自主管理是分布式电源管理技术发展的重要方向。层级分布式电源管理系统由主控制器和多个从控制器组成，分别在不同时间尺度上实现电源系统全局任务级优化控制功能和局部功率变换执行功能，各控制器之间通过内部总线实现信息交互。

　　自主能源管理主要是综合能源计划、负载优先级和故障模式等信息进行能源动态规划和调度管理，目标是电源系统充分利用有限的能源资源，将能源供给与飞行任务规划和负载配置密切相连，通过精细化设计，实现产能与耗能的动态配置，在保证能源供给可靠性的同时，提高能源利用率，达到能源平衡和高效管理的目标。第 3 代宽禁带半导体，包括碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 等，相比于传统硅半导体器件，具有耐受电压高、通态电阻低、热特性好及高频特性好等一系列优点。基于宽禁带半导体技术进行电源管理开发，能够有效降低功率模块开关器件自身损耗，提高电源变换效率。同步整流技术和软开关技术也是当前提高电源管理效率的重要研究方向。同步整流技术是利用通态电阻更低的 MOSFET 器件替代整流二极管，从而降低整流电路的损耗。宽禁带半导体是同步整流开关管的优选器件。软开关技术是利用谐振原理，使开关器件实现零电压导通或零电流关断，从而有效降低开关损耗，这对于减小宽禁带半导体引入高频开关导致更高的硬开关损耗具有关键意义。

　　4.4 无线能量传输技术

　　目前，飞艇电源系统存在能源来源单一、能源不足和能源超重等问题，从能源发展的速度来看，要想近期实现太阳电池、储能电池指标大的跨越提升非常困难，采用无线能量传输方式作为常规光伏发电方式的补充组成临近空间组合电源系统是解决上述问题的可能方案。远距离无线传输技术主要包括激光无线能量传输技术和微波无线能量传输技术 2 种方式。无线能量传输技术的传输功率、效率、稳定性及接收端设备的质量和体积是无线能量传输系统的关键技术指标。随着技术的逐步成熟，系统正向高功率、高效率、高稳定性、高鲁棒性、高功率密度、小型化方向发展。在实际应用中，为保证系统的传输功率和效率，需要发射端微波天线和激光器能够出射方向性良好。对于接收端设备，需要尽可能地实现能量的高效接收和变换、快速存储。

　　涉及的关键技术主要有实时跟踪对准技术、最大功率跟踪技术，高效率光电转化器件、高效电源变换器技术、快速充电技术等。激光光源或微波能量的波动或浮空器平台的移动、姿态变化将导致系统不稳定，需要设计鲁棒性强的闭环控制回路来保证系统的稳定运行。对于系统轻量化和小型化的设计，主要关注通过提高发射端天线和激光器出射能量源的功率密度来实现接收端天线或光伏阵列的轻量化设计。对于后端能源变换器的轻量化，通过设计功率器件少的电源拓扑结构、选用寄生参数小和性能指标良好的新型功率半导体器件来实现。此外，对于激光无线电能传输技术路径，功率需求较大时，高斯激光辐照下，将会导致接收端阵列串联光电转化组件电流不匹配，造成输出电压功率曲线的多峰现象，系统功率、效率损失的同时，光电转化器件的局部温度较高，将进一步影响系统的效率。因此，需要解决串联光电转化组件光生电流的不匹配问题，优化光电转化组件阵列的输出特性。

　　通过设计自适应可重构光伏阵列，可显著优化接收端光电转化组件的不匹配问题。通过限制串联组件数目，可改善光电转化组件电流不匹配的问题，但光伏阵列输出电压较低。面向浮空器能源系统应用，浮空器能源系统母线电压较高，需要设计高增益直流变换器，将不稳定的低压直流电转化为稳定的高压直流电。此外，当输入电源发生波动时，变换器还需具有良好的动态性能。对于接收端光伏阵列输出特性曲线的多峰问题，需要设计全局多峰最大功率跟踪算法，避免系统进入局部最大功率点，进而造成能量浪费，输出功率衰减。激光无线能量传输系统在临近空间飞艇的应用将与现有传统太阳电池和储能电池组成的能源系统并联耦合，还需设计组合能源系统拓扑架构及能量管理控制策略，以实现系统安全稳定运行，同时也实现能量的快速存储、合理分配和高效应用。

　　4.5 极端环境适应及利用技术

　　长航时区域可控飞行是临近空间飞艇最重要的指标，随着对驻空时间及高度等指标的更高要求，临近空间飞艇会面临更为极端的环境，如紫外辐射增强、高能粒子数量增多等。长时暴露在强紫外辐射下，会使太阳电池组件表面聚合物分子发生断裂、氧化、脱附及表面变色，进而影响太阳电池的能量转化效率，缩短电池的使用寿命;强紫外辐射使舱外电源的电子设备中的绝缘材料老化、变脆，导致元器件损坏、电路短路等故障发生。大气密度进一步降低，减弱了对高能粒子的屏蔽，同时长期驻空也容易受到太阳周期性活动的影响，从而更可能受高能粒子影响产生单粒子瞬变、闩锁、烧毁、翻转等及位移损伤、总剂量效应等问题，导致电源管理的电子设备损坏、系统错误、电池寿命降低等故障;此外，长期驻留过程中更有可能遭受大气强扰动、冷云和雷暴等的影响，对临近空间飞艇电源系统提出了更高的要求。

　　为有效应对上述挑战，需要在临近空间飞艇电源系统的防护涂层、屏蔽材料、隔热保温材料、轻量化设计等方面采取措施，从而进一步提升飞艇对临近空间极端环境的适应性。采用高效的紫外线防护涂层和先进的屏蔽材料，减小高能粒子对电子设备的辐射损伤。应用高效隔热保温材料，保护电子设备和电源系统免受极端温度的影响，确保其在低温条件下的正常运行。基于系统工程思想全局考虑，采用先进材料及优化设计方法，实现飞艇结构轻量化设计，在保持结构强度和稳定性的同时，尽量减轻电源系统的质量，提高能源利用效率。采用耐辐射的电子元件和设计，增强系统的抗辐射能力，并开发和应用容错技术，确保系统在受到单粒子翻转和辐射损伤时仍能可靠运行。设计高效的热管理系统，通过主动和被动散热手段，确保电子设备和电池在各种环境条件下的温度稳定。

　　除了基本的防护措施，还可以进一步利用临近空间的极端环境来提升飞艇的性能。例如，高海拔区域的低温环境也可以用于冷却热敏感设备，延长其使用寿命并提高工作效率。通过精确控制飞艇的高度，可以在不同层次的大气环境中寻找最佳的飞行条件，减少能量消耗。临近空间的低密度大气环境有利于减少空气阻力，从而提高飞行速度和航程。在能源管理方面，可以将白天吸收的热量通过先进的相变储能材料和技术存储起来，在夜间进行释放和利用，如在大面积太阳电池阵列与囊体材料之间加一层相变储能材料，就能实现隔热和均热，以及热量的有效利用。这不仅可以提升能源利用效率，还能降低对储能电池的依赖，延长储能电池的使用寿命，确保飞艇在长时间驻空过程中具有稳定可靠的能源供给系统。通过综合利用这些极端环境特点，临近空间飞艇的整体性能和可靠性将得到显著提升，进一步推动临近空间探索和应用的发展。

　　5 结束语

　　临近空间飞艇作为一种新兴的临近空间长航时低速飞行器，具有广阔的应用前景及发展潜力。电源系统的技术发展影响和制约飞艇的长航时驻空能力。临近空间飞艇电源系统的发展涉及材料、结构、电子电力、物理、电化学、自动控制等多个学科领域，发展临近空间飞艇电源技术需要与产业深度结合，通过产业协作促进先进电源技术在临近空间飞行器上验证及应用，不断提升临近空间飞艇电源系统性能及可靠性，随着临近空间飞艇电源性能的大幅提升，反过来助力电源产业技术变革。

徐国宁;张衍垒;陈康;黄庭双;孔华;焦斌,中国科学院空天信息创新研究院;中国科学院大学航空宇航学院,202508