临近空间飞艇电源系统关键技术简析_风闻

作者：兰顺正

首发自：远望智库 临空视野

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数月的飞行，需要有持续不间断的能量供给。临近空间飞艇用电源系统目前最大的问题是电源系统的重量比能量低和临近空间极端环境长时间适应能力弱，重量比能量低主要是指太阳电池效率低、储能电池的比能量低和能源管理总体效率不高，严重影响着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，临近空间飞艇电源急需发展的关键技术主要包括高效薄膜太阳电池技术、高比能储能电池技术、分布式高效能源管理技术、无线能量传输技术等方面。

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：一是硅基太阳电池脆性易碎，弯曲柔韧性不及薄膜电池，无法实现太阳电池与飞艇囊体的完全复形结合；二是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%。三是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。虽然目前薄膜砷化镓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空飞艇上应用的关键。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，但就目前产业技术水平、对临空环境的适应性验证以及与飞艇囊体结合的工艺条件等还有较多的问题需要解决。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。

储能电池技术

目前制约临近空间飞艇长航时飞行的最大的问题是对飞行器重量的控制，储能电池占据了电源系统乃至飞艇整体重量的大部分份额，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重量比能量是提升临空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比能量和较长的寿命，是短期内最为可能的选择。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以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以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急需发展的补充手段，虽然增加均衡技术意味着电池组结构复杂度及结构重量的提升，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。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，但设计一款高效高能量密度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以及系统温度控制的问题。

分布式高效能源管理技术

未来随着临近飞艇电源系统功率等级不断提升，采用集中式能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，采用分布式能源管理架构能很好的解决上述矛盾。

层级分布式能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。

同步整流技术和软开关技术也是当前提高能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，使得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。

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两种方式。无线能量传输技术的传输功率、效率、稳定性以及接收端设备的重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，为了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和姿态变化将导致系统的不稳定，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，主要关注于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，性能指标良好的新型功率半导体器件来实现。