臨近空間一般指距海平面高度 20~100km 的空間區域，傳統的航空、航天飛行器無法在這一區域長期停留。盡管目前人類活動很少涉及該區域，但隨著空天科技的快速發展，臨近空間憑借其獨特的資源優勢已成為各航空航天大國新的探索領域與研究熱點。近年來，臨近空間飛艇、太陽能飛機和高空科學氣球等臨近空間低速飛行器成為探索和利用臨近空間的重要平臺，各國研究人員對該領域的技術攻關持續研究和關注。這些臨近空間低速飛行器一般運行在海拔 18km 及以上高度，其工作性能與臨近空間的環境條件有著密切關系。

　　以飛艇為代表的臨近空間低速飛行器為了能夠在臨近空間進行數月的飛行，需要有持續不間斷的能量供給，現階段采用白天太陽電池發電、夜晚儲能電池供電的電源解決方案。然而，當前存在太陽電池發電效率低、儲能電池組質量比能量不高、能源控制系統應對多變環境條件能力不足、邊界條件限制及隨機干擾因素過多等問題，限制和影響了飛艇長航時飛行的能力實現。因此，本文詳細闡述臨近空間飛艇電源系統的組成、關鍵技術及未來發展趨勢，旨在為未來臨近空間低速飛行器電源系統的設計和研制提供參考。

　　1 臨近空間環境特點

　　臨近空間橫跨平流層 (18~55km)、中間層 (55~80km) 和部分熱層 (距地面 80~200km)，縱跨非電離層和電離層 (低于 60km 為非電離層，60~1000km 為電離層)，其絕大部分成分為均質大氣 (90km 以下為均質大氣，90km 以上為非均質大氣)。基于美國 1976 年標準大氣模型繪制了 0~100km 大氣圈層分布及溫度、氣壓、氣體密度、臭氧濃度。可知，臨近空間中溫度變化超過 100K，分布范圍極廣且變化趨勢較為復雜。此外，隨海拔高度升高，臨近空間的氣壓與氣體密度會急劇下降，海拔 20km 處的氣壓約為 5.47kPa，氣體密度約為(8.8×10^{-2}kg/m^3)，海拔 50km 處的氣壓僅約為 76Pa，氣體密度僅約為(9.8×10^{-4}kg/m^3)。而臨近空間飛艇一般通過艇體內部浮升氣體產生的凈浮力上升到平飛高度，并保持浮重平衡。

　　目前，常用的氦氣在 20km 處的密度約為(1.23×10^{-2}kg/m^3)，氫氣在 20km 處的密度約為(0.61×10^{-2}kg/m^3)，除承擔飛艇自重外，難以給載荷提供足夠的浮力。而電源系統占據了飛艇總質量的 1/4 以上，如何有效減輕電源系統的質量是設計中的關鍵問題。臨近空間的物質組成主要為空氣、少量的水蒸氣、臭氧、放射性微粒、塵埃等。其中，臭氧層主要位于臨近空間下部，臭氧濃度最高的地方在距離地球表面約 20~40km。臭氧層是吸收、屏蔽紫外線輻射的關鍵，由 Beer-Lambert 定律可得(I = I_0e^{-kcd})(式中：I 為透過層的光線強度;(I_0)為初始光線強度;k 為吸收系數;c 為吸收物質的濃度;d 為光線通過的距離)。

　　由上式可知，當臭氧濃度持續降低，海拔高度升高 (紫外光通過臭氧的距離減小)，使得紫外輻射大幅增加，進而給臨近空間飛艇的囊體材料、太陽電池等帶來極大的紫外老化損傷，給飛艇結構、電源系統等帶來極大挑戰，嚴重影響飛艇的長期駐空能力。隨著海拔高度的提升，大氣層對高能粒子的吸收作用逐漸減弱，地磁場的保護作用逐漸降低，最終導致高能粒子在臨近空間的濃度相對較高。這使得臨近空間飛艇的分布式電力系統在長期駐空的過程中也會遭受各種高能粒子的持續輻射，包括太陽電池、儲能電池、電源管理器與配電器等在內的部件都有可能產生性能退化或故障，可能產生的輻射損傷包括單粒子效應、位移損傷效應、電離總劑量效應等。

　　另外，在中高層大氣層中，空氣較為稀薄，強度較大的雷擊放電產生的電磁場可以導致中高層大氣中的介質擊穿，產生 “紅色精靈”“巨型噴流”“藍色射流” 等瞬態放電的光電現象。這類放電現象對運行其中的臨近空間飛艇電源系統穩定造成較大的影響，極端的放電問題還將引發電源系統設備的故障，影響飛行安全。中高層大氣層的另一個特點為極端溫度。在 20km 海拔的高度，平均大氣溫度為 - 60~-70℃，這對運行其中的臨近空間飛艇，尤其是近乎于直接面對大氣環境且缺乏穩定的吊艙環境控制的電源系統設備的溫度耐受能力提出了較大的挑戰。這一極端低溫環境疊加低氣壓的條件，導致對流換熱差，進一步加劇了設備對環境溫度耐受能力要求及溫度防護設計的復雜度。除上述影響外，臨近空間中還存在著高云、大氣強擾動等其他多種極端環境，而受限于探測手段及觀測時間不足，目前，人類對臨近空間環境的認識仍不夠準確，新的研究表明，美國 1976 年標準大氣模型存在局限性，這也對臨近空間飛艇電源系統設計和運行提出了更高的要求。

　　綜上所述，電源系統作為飛行器的關鍵組成部分，在設計階段，需要考慮包括臨近空間溫度、氣壓、紫外輻射、宇宙射線、臭氧及低高度云層放電等極端環境因素對電源系統的影響。針對溫度和氣壓影響，需要開展設備在不同工作狀態下的保溫及散熱設計，在能耗及質量限制下實現設備的自主穩定環控。針對紫外輻射、宇宙射線、臭氧及低高度云層放電等極端環境因素，應當在質量限制的前提下采取合適的老化防護、電磁防護、靜電防護及雷電防護等措施，需要在材料、結構設計及系統設計上進行突破。

　　2 臨近空間飛艇電源系統組成和特點

　　20 世紀 70 年代，美國海軍贊助的 “高空超壓動力浮空器 HASPA” 項目對臨近空間飛艇可能的電源系統架構進行了分析和討論，提出了 3 種可能的電源系統結構：原電池、(H_2/O_2)燃料電池及光伏陣列與二次電池的組合。目前，主要的臨近空間飛艇電源系統結構有光伏陣列與鋰離子電池的能源組合 (如 HALE-D 及 HiSentinel80)，光伏陣列與燃料電池的能源組合 (如 HAA、MAAT) 及光伏陣列、燃料電池及鋰離子電池的能源組合。法國 Thales Alenia Space 公司主導的 Stratobus 飛艇計劃使用二次氫氧燃料電池系統作為儲能電池，并鋪設超過(1000m^2)的太陽電池。美國 Sceye 公司研制的平流層飛艇，預期實現 65 天臨近空間駐留。

　　該飛艇在電源系統中應用了大量先進技術，其太陽電池采用了銅銦鎵硒電池和砷化鎵薄膜太陽電池的組合，儲能電池采用鋰硫電池。如今，太陽電池、儲能電池及一系列電源轉換器和控制器構成的光伏循環電源系統已成為長航時臨近空間飛艇普遍采用的穩定且成熟的方案。而短航時飛艇的電源系統主要包括儲能單元和配電單元，飛行時間主要與儲能單元的容量、平臺、載荷功率相關。僅從結構上看，臨近空間飛艇的電源系統與衛星電源系統具有極高的相似性，但二者實際差異顯著。

　　與衛星電源系統較小的功率級別不同，臨近空間飛艇由于抗風飛行和區域駐留的任務需求，采用電機 + 螺旋槳的動力推進方式，所需的動力功率較大，加上任務載荷的功率需求，大型臨近空間飛艇的功率級別可達幾十甚至上百千瓦，為減少線路上的損耗，一般采用大于或等于 300V 高壓直流母線結構，這對電源系統各設備使用的電子原器件提出了很大挑戰，除了低溫低壓環境需要特殊設計的封裝外，大型功率器件的電磁兼容及設備熱平衡都是不可忽視的難點。臨近空間飛艇電源系統設計時，根據平臺和載荷功率、飛行時間、經緯度等參數進行能源平衡設計，需要實現在每個循環周期內 (通常為晝夜 24h) 的能源平衡。

　　白天，光伏陣列吸收太陽輻射并轉化為電能，電能由電源管理系統調節，分配給飛艇的用電設備，多余的電量用于給儲能電池充電。夜間及太陽能輸入不足時，儲能電池釋放其儲存的能量轉換為飛艇使用的電力。臨近空間飛艇需要根據復雜多變的工作環境及任務要求進行工況調整，滿足能源獲取和消耗的動態平衡，當需求的能量與供給的能量不匹配時，將引發能量的不平衡，進一步影響電源系統工作穩定性。飛艇的長度一般都超過 100m，其巨大的艇體一般采用柔性囊體材料，太陽電池一般鋪設在飛艇艇體的上表面，儲能電池放置在飛艇底部的吊艙內，電源管理系統一般采用高壓大功率分布式能源拓撲結構，放置在飛艇底部吊艙內或艇體周圍，這些設備通過復雜和遠距離的線纜網進行連接。

　　3 臨近空間飛艇電源系統國內外研究現狀

　　3.1 飛艇用太陽電池研究現狀

　　太陽電池陣列是臨近空間飛艇重要和主要的能量來源。現有太陽電池的產品主要可分為 5 類：硅基太陽電池、有機和聚合物電池、薄膜太陽電池、納米太陽電池和混合光伏電池。臨近空間飛艇對太陽電池的要求是柔性、輕質和高效，這不僅需要太陽電池單體效率的突破，還需要針對臨近空間低壓、低溫、強紫外輻射、易電離的臨近空間環境的封裝，實現兼顧能效、成本、質量及防護性能的大面積太陽電池組件。而滿足以上特征的太陽電池種類主要是柔性薄膜太陽電池，包含非晶硅薄膜太陽電池、銅銦鎵硒薄膜太陽電池、柔性多結砷化鎵薄膜太陽電池。現階段，柔性非晶硅薄膜太陽電池具有柔韌性的優勢，僅應用于早期研制的高空試驗驗證飛艇，但因效率偏低，容易衰減，無法滿足長航時飛艇能量平衡的基本需求;柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池工藝復雜，成本偏高，且大面積使用時效率不高，也不適合長航時飛艇使用。硅基太陽電池具有能量轉化效率較高、成本低、環境適應性強和可靠性高等優點，廣泛應用于地面光伏發電系統中，也應用在早期空間飛行器上。

　　1991 年，Onda 和 Morikawa 通過功率 / 質量為標準研究了幾種可能用于高空飛艇的太陽電池。將常規晶體硅太陽電池減薄，一方面保持輕量化，既有一定的柔性，同時保持高效率，另一方面還需保持太陽電池組件的整體可靠性，因為在飛艇上升過程中，囊體可能會遭遇強風而彎曲，太陽電池陣列可能會因彎曲而受到應力。近年來，研究人員開發了高效非晶硅太陽電池。例如，南京郵電大學李衛團隊提出了具有納米圖案化結構和 CdS 量子點的 N-I-P 結構非晶硅太陽電池的光伏性能改進，功率轉化效率從 6.63% 提高到 18.45%。相比于其他高效率太陽電池，非晶硅太陽電池性能提升幅度有限，同時，國內外相關產業配套不完整限制了其進一步發展。

　　砷化鎵太陽電池方面，日本 Sharp 公司最早研制出效率約為 24%(AM0) 的雙結砷化鎵薄膜太陽電池，并組裝成了電池模塊，進行了空間搭載試驗，而后又通過襯底剝離技術制備了 GaInP/GaAs/InGaAs 三結砷化鎵薄膜太陽電池，電池效率達 31.5%(AM0)，面積達(28cm^2)。美國 Emcore 公司研制的高效多結太陽電池效率達 34.2%(四結，AM0)，并在此基礎上通過外延層轉移技術制備了高效柔性砷化鎵薄膜太陽電池，將效率提高到 33.6%(四結，AM0)。國內原國電光伏公司的柔性薄膜太陽電池順利通過德國 Fraunhofer ISE 檢測機構認證，其制備的柔性三結太陽電池光電轉化效率達到 34.5%(AM1.5)。中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所采用電鍍與低溫鍵合相結合的外延薄膜轉移方案制備的高效柔性三結太陽電池和組件，光電轉化效率達到 35%。柔性砷化鎵薄膜太陽電池綜合性能未來發展潛力最大，但目前產量較低，制造成本高，還無法大范圍應用。

　　晶體硅異質結太陽電池方面，中國科學院劉文柱、徐國寧和劉正新等于 2023 年采用濕法化學反應和干法等離子體反應圓滑處理 2 種技術方案，通過表面的各向同性反應，將硅片邊緣表面和側面尖銳的 “V” 字型溝槽圓滑處理成平滑的 “U” 字型溝槽，同時，由于圓滑處理只限于硅片邊緣區域，基本不影響硅片表面和背面的陷光能力，從而保持了單晶硅太陽電池的高光電轉化效率 (>24%)。該結構設計方案可以顯著提升硅片的 “柔韌性”，60μm 厚的硅片可以像 A4 紙一樣進行折疊、卷曲操作，最小彎曲半徑達到 5mm 以下。利用該型單體，實現量產異質結太陽電池組件平均面密度為(540g/m^2)，平均效率為 21.3%(AM1.5，(1000W/m^2))，單個組件最大尺寸達 1.3m×0.91m。結合艇體結構的彎曲特性和輻照分布，在使用晶體硅太陽電池時，應對太陽電池陣列 4 個角的模塊進行結構加固，減少裂紋風險和沖擊。

　　3.2 飛艇用儲能電池研究現狀

　　目前，應用于臨近空間飛艇的儲能電池主要包括化學儲能電池和再生燃料電池，也有部分設計開始將超級電容器應用于包括臨近空間飛艇在內的臨近空間飛行器儲能系統中。隨著臨近空間飛艇性能需求不斷提升及對質量比較敏感，對高質量比能量、安全且長循環壽命的儲能電池的需求也將越來越迫切。這不僅涉及高比能儲能電池單體及成組技術的研發，還涉及到為了適應臨空極端溫度及氣壓環境所需要的電池模組結構、熱控設計及綜合的優化設計，特別是新型儲能電池模組在低溫低氣壓環境下的適應問題。

　　3.2.1 化學儲能電池

　　以鋰儲能電池為代表的化學儲能電池技術較為成熟，鋰離子電池、鋰金屬電池及鋰硫電池均在臨近空間飛艇上有應用案例。其中，鋰離子電池最為成熟，但質量比能量相對較低，除了硅負極鋰離子電池外的大部分鋰離子電池技術已接近極限，電池成組之后的質量比能量通常低于 300Wh/kg。美國 Amprius 公司在高比能硅負極鋰離子電池領域持續創新，已實現納米線結構硅負極鋰離子電池單體的批量生產，2023 年發布了新一代質量比能量高達 500Wh/kg 的電池平臺，該型號電池在 25℃時的質量比能量大于 504Wh/kg，體積比能量大于(1321Wh/L)，與最先進的石墨電池相比，運行時間延長了 200%。

　　該公司生產的納米線結構硅負極鋰離子電池已配套給 Zephyr S 高空無人機項目，電池質量比能量大于 435Wh/kg，體積比能量大于(1200Wh/L)，在 2022 年完成了長達 64d18h26min 的無人駕駛飛機最長連續飛行。為實現更高質量比能量，基于鋰金屬負極的電池技術 (如鋰金屬電池、鋰硫電池等) 再次引起廣泛的重視。其中，鋰硫電池由于其高達 2600Wh/kg 的理論質量比能量成為近年來的研究熱點。Sceye 公司使用自研的鋰硫電池作為臨近空間飛艇的儲能電池，其在中國申請的專利顯示鋰硫電池單體的質量比能量在至少 5 個循環中高于 400Wh/kg，并且在至少 20 個循環中高于 350Wh/kg。雖然鋰硫電池提供了相對較高的質量比能量，但受限于極短的循環壽命及較快的能量衰減，仍未實現大規模的商業化應用。

　　國內外研究人員持續開展包括全固態鋰硫電池等多方面的探索，以期獲得更高性能的鋰硫電池。美國 Sion Power 公司推出的面向臨近空間飛行器應用的 Licerion HE 高質量比能量鋰金屬電池達到了 500Wh/kg，并計劃應用于 Stratobus 飛艇。國內多家研究機構也持續開展高質量比能量鋰金屬電池的研發，目前，質量比能量已突破 500Wh/kg，但循環壽命短、充放電過程中的體積劇烈變化一直是需要攻克的問題。北京大學、中國科學技術大學及中國科學院的研究人員共同研發了質量比能量為 505.9Wh/kg 的鋰金屬軟包電池，其在 130 個循環后顯示出 91% 的能量保持率，但模組級的試驗及研究還需更多的探索。

　　3.2.2 再生燃料電池

　　另一種適用于臨近空間飛艇的儲能方法是再生燃料電池。早在 20 世紀 70 年代，(H_2/O_2)燃料電池就被建議用于臨近空間飛艇電源系統。典型的再生燃料電池系統包括燃料電池堆、能量存儲組件、反應物和儲罐、管道等輔助組件。由于再生燃料電池的循環效率為 40%~60%，遠低于鋰離子電池的 99% 以上，再生燃料電池需要更大的太陽電池面積。然而，再生燃料電池質量比能量潛力是基于二次電池系統的 2~3 倍，因此，與鋰離子電池相比，使用再生燃料電池的儲能系統的質量比能量依舊有一定優勢。Zhang 等的計算分析指出，能量轉化效率為 50%、質量比能量在 300Wh/kg 以上的再生燃料電池比鋰離子電池更具競爭力。

　　同時，隨著太陽電池陣列性能的提高，采用再生燃料電池的系統質量迅速下降，而采用鋰離子電池的系統質量下降緩慢。但是，目前再生燃料電池的安全性及成本問題導致了基于再生燃料電池的系統還不能成為臨近空間飛艇儲能系統的主流選擇。此外，再生燃料電池會產生大量的廢熱，在稀薄的臨近空間大氣中，采用再生燃料電池對熱管理和環境控制是一個重大挑戰，相關關鍵技術仍需突破。3.3 飛艇電源管理與配電研究現狀電源管理與配電主要功能是實現太陽電池陣列管理、轉換和分配及對儲能電池的充電管理，維持飛艇晝夜能源平衡，是飛艇電源系統的核心。綜合管理能量的轉換、存儲和分配，實現能源的智能調度，是電源管理與配電技術的重點研究方向。

　　3.3.1 基于最大功率跟蹤的能量轉換與控制技術

　　目前，太陽能是臨近空間飛艇駐空飛行期間唯一的可再生能量來源。太陽電池陣列在實際飛行環境條件下表現出非線性特點，在確定太陽輻照度和溫度的情況下，其輸出功率隨輸出電壓而波動，在某個電壓下存在一個最大功率點。因此，分析太陽電池在臨近空間環境下的發電特性及最大效率，利用太陽電池發電功率，是當前太陽電池發電管理的重要研究內容。臨近空間飛艇與航天器的電源技術一脈相承，相關研究設計也多有參考借鑒航天器的研制經驗。但相比于飛艇，航天器的功率需求不大且發電能量相對充足，當前國內外航天器仍然采用直接能量傳輸 (direct energy transfer，DET) 形式進行太陽電池發電管理，如順序開關分流調節器 (sequential switching shunt regulator，S3R)、串聯型順序開關分流調節器 (series sequential switching shunt regulator，S4R)。

　　近年來，基于最大功率點跟蹤 MPPT 方式也被引入到航天器電源系統中，并實現在軌運行，逐步替代 DET 方式。臨近空間飛艇在發展過程中，由于功率需求巨大和能量短缺等原因采用 MPPT 電源拓撲。這種拓撲基于 DC-DC 開關電源變換器，采用脈寬調制 (pulse width modulation，PWM) 技術對電源拓撲輸入、輸出端口的電壓、電流、功率進行控制，進而實現對太陽電池發電功率能量轉換的控制，使太陽電池陣列能夠工作于最大功率點，增加太陽電池陣列輸出電能。

　　常見開關電源變換器拓撲包括降壓型 BUCK 拓撲、升壓型 BOOST 拓撲等。MPPT 控制必須結合 MPPT 控制算法，經典的 MPPT 算法主要可以分為 3 種，即固定參數調節算法、基于擾動特性的方法及基于智能控制的各類算法。在實際飛行過程中，不同鋪設位置的太陽電池在同一時刻接收的太陽輻照不均勻，傳統的 MPPT 算法往往不能獲得穩定的最大功率點。近年來，研究人員基于機器學習、模糊控制等人工智能思想提出了多種新的 MPPT 算法，這些算法主要用于提高光照不均勻情況下的 MPPT 性能，但在實際應用中受限于計算資源，且實時性有待提高。

　　3.3.2 儲能電池管理技術

　　飛艇儲能電池一般選用鋰離子電池。鋰離子電池是一個復雜的非線性系統，具有多個狀態變量，電池管理的目的是對儲能電池的狀態變量進行監測，實現電池狀態的準確評估，其中，電池荷電狀態 (state of charge，SOC) 估計、功率狀態 (state of power，SOP) 預測、健康狀態 (state of health，SOH) 預測等方面是電池管理技術的主要研究內容。目前，受限于臨近空間飛艇的駐空周期較短，鋰電池衰減并不嚴重，因此，SOH 管理的理論研究儲備暫時還未深入整合到工程實踐中，隨著更高質量比能量鋰電池在臨近空間的應用，由于其循環壽命較短和安全性較差，對其壽命狀態評估及管理研究將得到更多關注。

　　3.3.3 供配電技術

　　臨近空間飛艇供配電系統的功能包括：①按需求為各負載進行供電或斷電，并在特定負載發生故障時，防止故障蔓延，將其從母線中隔離出去，保證母線的安全;②為有特定供電需求 (如對供電電壓有嚴格要求) 的負載進行電源轉換。供電或斷電的功能，本質上通過 “開關” 器件或模塊實現。目前的臨近空間飛艇常采用繼電器控制的方式，通過指令控制繼電器對負載進行供電或斷電操作。但是，繼電器也存在一定的弊端，如體積大、質量大、自動化程度低、在低氣壓下閉合或斷開存在拉弧的可能性。這些缺陷難以滿足飛艇電源系統高可靠性、高功率密度的要求。因此，用固態功率控制器 (solid-state power controller，SSPC) 替代繼電器成為一種新的選擇和趨勢。

　　SSPC 采用半導體器件控制電路通斷，具有無觸點、無電弧、響應速度快、可靠性高、易于實現計算機遠程控制等優點。中國 “天宮一號” 即采用了 SSPC 配電技術，實現負載的動態管理;國外的 Spacebus4000 等航天器也使用該技術，完成配電管理、故障診斷與隔離等自主管理;在臨近空間飛行器領域，SSPC 也已得到了應用和驗證。電源轉換功能一般通過 DC-DC 變換器來實現，將母線電壓轉換為負載所需的電壓、電流或功率。臨近空間飛艇用電源轉換模塊需要在苛刻的低氣壓及熱環境中將寬范圍輸入的電壓高效地轉換為指定的電壓，并形成不同功率等級，這對模塊設計及器件選型提出了較高要求。近年來，隨著技術積累及技術突破，相關產品也在不斷迭代，為供配電系統電源模塊選型提供了更多選擇。

　　3.3.4 能量調度管理技術

　　臨近空間飛艇在飛行期間需應對定點駐空、巡航、抗風飛行等各種復雜工況，艇載各用電設備也存在不同的用電需求，有效、正確地管理所有飛行工況的用電分配，需要研究出具有針對性的能量調度管理技術，全局統籌電源系統能量的轉換、存儲和分配。當前，航天器已經歷了人工干預管理、初級自主管理 2 個階段，正處于智能管理發展階段。智能管理技術在實現數據遙測、遙控基本功能的前提下，在保證安全可靠的同時，還提出了自主故障監測、診斷等概念，適用于空間站這類復雜的大型航天器。臨近空間飛艇作為復雜的大型飛行器，引入智能管理技術同樣重要。國內外針對這方面的研究工作相對薄弱，暫未建立成體系的系統研究。王文楷等以某型飛艇研制為背景，設計了一種智能功率分配系統，并進行了模擬實驗，根據飛艇滯空、巡航、應急返航等不同工況下艇上各電氣負載對飛行任務的重要性，設置飛艇電氣負載優先級，編制電氣負載控制程序，自動決斷在各類工況下對指定負載供電。該設計給飛艇功率分配智能管理提供了借鑒，卻沒有針對配電故障給出解決方案。

　　3.4 飛艇電源系統仿真和預測研究現狀

　　浮重平衡、推阻平衡、能源平衡及溫壓平衡是臨近空間飛艇長航時飛行的四大關鍵技術。其中，推阻平衡與能源平衡相互制約，為了實現能源平衡，對電源系統各關鍵部件進行精確建模和仿真分析是必不可少的階段和環節。對飛艇在駐空位置及駐空時間內太陽電池產能與負載能量消耗之間平衡關系的分析計算是飛艇電源系統設計的基礎。而進行能源平衡分析，要先判斷飛艇接收的太陽輻射量是否滿足用電量需求，在此基礎上，再對薄膜太陽電池布設區域進行計算與優化。Li 等創建了由幾何模型、太陽輻射模型和臨近空間浮空器能量采集 / 消耗模型組成的理論模型，研究了緯度、風速和太陽電池陣列面積對能量比的影響，但沒有考慮風速、緯度和日期的耦合效應。楊希祥等通過對飛艇的駐空時間、飛行狀態等因素與飛艇曲面太陽電池產能關系的研究，構建了飛艇產能與能量消耗模型，實現了閉環設計，并依據該計算流程，基于公開數據對 Stratobus 臨近空間飛艇項目的能源平衡進行分析。

　　徐國寧等提出了一種基于太陽電池之間關系的發電模型，實現準確快速預測不規則鋪設太陽電池發電能力，還使用粒子濾波方法結合實際飛行數據對功率計算模型中的重要參數進行最優估計，實現飛行過程中對飛行器發電量的動態、快速、準確預測。張衍壘等提出了太陽輻射在臨近空間飛艇外表面分布分析模型和方法，實現了對不同飛行時空下沿艇體經線長度方向的太陽輻射量分布計算，該方法可用于指導太陽電池構型及布局優化設計的精度提升。劉松松等結合實驗測試與建模仿真，研究了儲能電池在不同電流倍率充放電對 SOC、剩余放電時間及剩余充電時間的影響，構建了考慮倍率的臨近空間飛艇電源系統仿真模型，進一步提升了飛艇電源系統閉環設計的精度。

　　近年來，數字孿生技術被越來越多地提起，通過在虛擬空間構建數字模型來映射現實世界中的實體對象，建立數字模型和實體對象之間的通信鏈接，一方面可以通過實體對象采集到的信息持續對數字模型進行優化，另一方面也可以借助數字模型進行模擬診斷、預測，輔助實體對象制定相關策略。使用數字孿生技術搭建飛艇的地面伴飛系統，評估預測電源系統狀態制定能量調度策略，輔助駐空飛艇完成，將是一個非常值得探索的研究方向。

　　4 臨近空間飛艇電源系統關鍵技術和發展趨勢

　　臨近空間飛艇電源系統所處的運行環境、熱特性和控制特性等顯著區別于航空飛行器和航天飛行器電源系統，另外，臨近空間飛艇電源系統目前最大的問題是電源系統的質量比能量低和臨近空間極端環境長時間適應能力弱，質量比能量低主要是指太陽電池效率低、儲能電池的質量比能量低和電源管理總體效率不高，嚴重影響飛艇長航時飛行的能源平衡、高抗風飛行和有效載荷載重。因此，臨近空間飛艇電源系統急需發展的關鍵技術主要包括高效薄膜太陽電池技術、高質量比能量儲能電池技術、分布式高效電源管理技術、無線能量傳輸技術、極端環境適應及利用技術等 5 個方面。

　　4.1 高效薄膜太陽電池技術

　　作為當前臨近空間飛艇上的唯一能量來源，太陽電池至關重要，高效率、輕量化、柔性和長期運行穩定性是臨近空間用太陽電池的發展方向。目前，飛艇上廣泛使用的半柔性薄硅太陽電池仍存在以下問題：硅基太陽電池脆性易碎，彎曲柔韌性不及薄膜太陽電池，無法實現太陽電池與飛艇囊體的完全復形結合。硅基太陽電池產生的裂紋影響組件的短路電流和輸出功率。一方面，需要對電池組件進行結構加固，減少彎折斷裂風險和裂紋對功率輸出的影響;另一方面，繼續將硅基太陽電池減薄，使硅基在保持效率基本不降的情況下增加柔性，從而解決易碎的問題。單結硅基太陽電池的最高單體光電轉化效率為 27.3%，已接近其理論極限值 29.4%。光電轉化效率提升空間有限，要想進一步提升硅基太陽電池的效率必須尋找其他途徑。例如，通過柔性多結薄膜太陽電池技術、柔性硅鈣鈦礦疊層技術等突破柔性單結太陽電池的效率限制。大面積的太陽電池組件涉及電池單體的串并聯連接，需要輕量化、可靠且低電阻的連接和集成方式，相關工藝和技術還有待提升及試驗驗證。

　　太陽電池組件在白天太陽照射時產生大量的熱量，而囊體材料在高溫下性能參數容易衰減，同時考慮質量限制，需要對太陽電池組件與囊體材料之間的輕量化一體化組裝方式開展研究。雖然目前砷化鎵薄膜太陽電池具備了高效且柔性的特點，但其成本是單晶硅太陽電池的數十倍乃至上百倍。如何確保高效且降低成本成為砷化鎵薄膜太陽電池在臨近空間飛艇上應用的關鍵。同時，以鈣鈦礦太陽電池為代表的新材料太陽電池在未來是潛在的選擇，但就目前的產業技術水平、對臨近空間環境的適應性驗證及與飛艇囊體結合的工藝條件等，還有較多問題需要解決。此外，高空太陽電池臨近空間標定技術將有助于新型太陽電池的臨近空間乃至空間的應用。

　　4.2 儲能電池技術

　　目前，制約臨近空間飛艇長航時飛行的最大問題是對飛行器質量的控制，只有降低飛行器本體的質量才能飛行在臨近空間稀薄大氣中，并有更多質量留給載荷系統。臨近空間飛艇電源系統存在需求功率大、能源緊張及電源系統超重等問題，在同等甚至更低質量的情況下提供更多的能源是臨近空間飛艇電源系統的主要優化目標。儲能電池占據了電源系統乃至飛艇整體質量的大部分份額，但也是決定能源供給性能的關鍵部件，因此，提高儲能電池組質量比能量是提升臨近空間飛行器電源系統乃至飛行器整體性能的關鍵。高鎳正極、硅碳負極或純硅負極的鋰離子電池具備了較高的質量比能量和較長的壽命，是短期內最為可能的選擇。美國已實現質量比能量達到 450Wh/kg 甚至 500Wh/kg 的線性納米硅負極鋰離子電池在臨近空間環境下的應用。其中的技術難點主要在于臨近空間低氣壓條件下軟包電池包膨脹力控制及電池組內單體間壓差的控制，這涉及到電池單體的一致性及對電池組力學特性的了解和掌控，需要開展大量的仿真分析及試驗探索，以期實現從配方到生產流程管理再到電池配組結構設計乃至配組的工藝方案。

　　此外，電池組均衡技術也是亟需發展的補充手段，雖然增加均衡技術意味著電池組結構復雜度及結構質量的提升，但該技術作為關鍵的電池管理技術將有助于提升電池組的循環壽命及安全性。鋰金屬電池盡管能夠相對容易地實現超過 500Wh/kg 的超高質量比能量，但因更差的單體一致性導致的模組循環壽命短及充放電過程中嚴重的體積變化帶來的一系列成組及安全問題，其在臨近空間飛艇電源系統的應用方面存在諸多挑戰。現有技術手段短期內還無法突破質量比能量、循環壽命、安全性組成的不可能三角。目前，以固態電解質為代表的新型儲能電池技術正不斷發展，將助力儲能電池實現高質量比能量、高安全性、長壽命、高成組率等目標，然而其在技術路線確定、技術成熟度驗證和產業化生產等方面還存在些許問題。隨著這些問題的逐步突破，其在臨近空間飛艇上的應用將具備廣闊前景。除了化學儲能電池以外，再生氫氧燃料電池在臨近空間的應用也是一種可能選擇，但設計一款高效高質量比能量且可在臨近空間環境長期應用的再生燃料電池，除了解決電池本身的安全性、經濟性及可靠性問題，還需解決廢熱利用及系統溫度控制的問題。

　　4.3 分布式高效電源管理技術

　　未來隨著臨近空間飛艇電源系統功率等級不斷提升，采用集中式電源管理架構要面臨高電壓大電流功率半導體器件選擇與高頻開關等參數難以兼顧的矛盾。采用分布式電源管理架構能很好地解決上述矛盾，解決大規模、遠距離輸出能量的模問題，具有響應速度快、可擴展性強的優點，在穩定性上也優于集中式結構，但一般分布式電源管理架構缺少全局信息和通信網絡，各節點之間的協調和控制困難，分布式結構難以實現全局的優化目標。因此，隨著電源系統復雜度的提高，分布式架構采用各節點間通信互聯和層級梯次電源管理策略，在多時間尺度上進行電源優化調度和功率分配，實現電源自主管理是分布式電源管理技術發展的重要方向。層級分布式電源管理系統由主控制器和多個從控制器組成，分別在不同時間尺度上實現電源系統全局任務級優化控制功能和局部功率變換執行功能，各控制器之間通過內部總線實現信息交互。

　　自主能源管理主要是綜合能源計劃、負載優先級和故障模式等信息進行能源動態規劃和調度管理，目標是電源系統充分利用有限的能源資源，將能源供給與飛行任務規劃和負載配置密切相連，通過精細化設計，實現產能與耗能的動態配置，在保證能源供給可靠性的同時，提高能源利用率，達到能源平衡和高效管理的目標。第 3 代寬禁帶半導體，包括碳化硅 (SiC)、氮化鎵 (GaN) 等，相比于傳統硅半導體器件，具有耐受電壓高、通態電阻低、熱特性好及高頻特性好等一系列優點。基于寬禁帶半導體技術進行電源管理開發，能夠有效降低功率模塊開關器件自身損耗，提高電源變換效率。同步整流技術和軟開關技術也是當前提高電源管理效率的重要研究方向。同步整流技術是利用通態電阻更低的 MOSFET 器件替代整流二極管，從而降低整流電路的損耗。寬禁帶半導體是同步整流開關管的優選器件。軟開關技術是利用諧振原理，使開關器件實現零電壓導通或零電流關斷，從而有效降低開關損耗，這對于減小寬禁帶半導體引入高頻開關導致更高的硬開關損耗具有關鍵意義。

　　4.4 無線能量傳輸技術

　　目前，飛艇電源系統存在能源來源單一、能源不足和能源超重等問題，從能源發展的速度來看，要想近期實現太陽電池、儲能電池指標大的跨越提升非常困難，采用無線能量傳輸方式作為常規光伏發電方式的補充組成臨近空間組合電源系統是解決上述問題的可能方案。遠距離無線傳輸技術主要包括激光無線能量傳輸技術和微波無線能量傳輸技術 2 種方式。無線能量傳輸技術的傳輸功率、效率、穩定性及接收端設備的質量和體積是無線能量傳輸系統的關鍵技術指標。隨著技術的逐步成熟，系統正向高功率、高效率、高穩定性、高魯棒性、高功率密度、小型化方向發展。在實際應用中，為保證系統的傳輸功率和效率，需要發射端微波天線和激光器能夠出射方向性良好。對于接收端設備，需要盡可能地實現能量的高效接收和變換、快速存儲。

　　涉及的關鍵技術主要有實時跟蹤對準技術、最大功率跟蹤技術，高效率光電轉化器件、高效電源變換器技術、快速充電技術等。激光光源或微波能量的波動或浮空器平臺的移動、姿態變化將導致系統不穩定，需要設計魯棒性強的閉環控制回路來保證系統的穩定運行。對于系統輕量化和小型化的設計，主要關注通過提高發射端天線和激光器出射能量源的功率密度來實現接收端天線或光伏陣列的輕量化設計。對于后端能源變換器的輕量化，通過設計功率器件少的電源拓撲結構、選用寄生參數小和性能指標良好的新型功率半導體器件來實現。此外，對于激光無線電能傳輸技術路徑，功率需求較大時，高斯激光輻照下，將會導致接收端陣列串聯光電轉化組件電流不匹配，造成輸出電壓功率曲線的多峰現象，系統功率、效率損失的同時，光電轉化器件的局部溫度較高，將進一步影響系統的效率。因此，需要解決串聯光電轉化組件光生電流的不匹配問題，優化光電轉化組件陣列的輸出特性。

　　通過設計自適應可重構光伏陣列，可顯著優化接收端光電轉化組件的不匹配問題。通過限制串聯組件數目，可改善光電轉化組件電流不匹配的問題，但光伏陣列輸出電壓較低。面向浮空器能源系統應用，浮空器能源系統母線電壓較高，需要設計高增益直流變換器，將不穩定的低壓直流電轉化為穩定的高壓直流電。此外，當輸入電源發生波動時，變換器還需具有良好的動態性能。對于接收端光伏陣列輸出特性曲線的多峰問題，需要設計全局多峰最大功率跟蹤算法，避免系統進入局部最大功率點，進而造成能量浪費，輸出功率衰減。激光無線能量傳輸系統在臨近空間飛艇的應用將與現有傳統太陽電池和儲能電池組成的能源系統并聯耦合，還需設計組合能源系統拓撲架構及能量管理控制策略，以實現系統安全穩定運行，同時也實現能量的快速存儲、合理分配和高效應用。

　　4.5 極端環境適應及利用技術

　　長航時區域可控飛行是臨近空間飛艇最重要的指標，隨著對駐空時間及高度等指標的更高要求，臨近空間飛艇會面臨更為極端的環境，如紫外輻射增強、高能粒子數量增多等。長時暴露在強紫外輻射下，會使太陽電池組件表面聚合物分子發生斷裂、氧化、脫附及表面變色，進而影響太陽電池的能量轉化效率，縮短電池的使用壽命;強紫外輻射使艙外電源的電子設備中的絕緣材料老化、變脆，導致元器件損壞、電路短路等故障發生。大氣密度進一步降低，減弱了對高能粒子的屏蔽，同時長期駐空也容易受到太陽周期性活動的影響，從而更可能受高能粒子影響產生單粒子瞬變、閂鎖、燒毀、翻轉等及位移損傷、總劑量效應等問題，導致電源管理的電子設備損壞、系統錯誤、電池壽命降低等故障;此外，長期駐留過程中更有可能遭受大氣強擾動、冷云和雷暴等的影響，對臨近空間飛艇電源系統提出了更高的要求。

　　為有效應對上述挑戰，需要在臨近空間飛艇電源系統的防護涂層、屏蔽材料、隔熱保溫材料、輕量化設計等方面采取措施，從而進一步提升飛艇對臨近空間極端環境的適應性。采用高效的紫外線防護涂層和先進的屏蔽材料，減小高能粒子對電子設備的輻射損傷。應用高效隔熱保溫材料，保護電子設備和電源系統免受極端溫度的影響，確保其在低溫條件下的正常運行。基于系統工程思想全局考慮，采用先進材料及優化設計方法，實現飛艇結構輕量化設計，在保持結構強度和穩定性的同時，盡量減輕電源系統的質量，提高能源利用效率。采用耐輻射的電子元件和設計，增強系統的抗輻射能力，并開發和應用容錯技術，確保系統在受到單粒子翻轉和輻射損傷時仍能可靠運行。設計高效的熱管理系統，通過主動和被動散熱手段，確保電子設備和電池在各種環境條件下的溫度穩定。

　　除了基本的防護措施，還可以進一步利用臨近空間的極端環境來提升飛艇的性能。例如，高海拔區域的低溫環境也可以用于冷卻熱敏感設備，延長其使用壽命并提高工作效率。通過精確控制飛艇的高度，可以在不同層次的大氣環境中尋找最佳的飛行條件，減少能量消耗。臨近空間的低密度大氣環境有利于減少空氣阻力，從而提高飛行速度和航程。在能源管理方面，可以將白天吸收的熱量通過先進的相變儲能材料和技術存儲起來，在夜間進行釋放和利用，如在大面積太陽電池陣列與囊體材料之間加一層相變儲能材料，就能實現隔熱和均熱，以及熱量的有效利用。這不僅可以提升能源利用效率，還能降低對儲能電池的依賴，延長儲能電池的使用壽命，確保飛艇在長時間駐空過程中具有穩定可靠的能源供給系統。通過綜合利用這些極端環境特點，臨近空間飛艇的整體性能和可靠性將得到顯著提升，進一步推動臨近空間探索和應用的發展。

　　5 結束語

　　臨近空間飛艇作為一種新興的臨近空間長航時低速飛行器，具有廣闊的應用前景及發展潛力。電源系統的技術發展影響和制約飛艇的長航時駐空能力。臨近空間飛艇電源系統的發展涉及材料、結構、電子電力、物理、電化學、自動控制等多個學科領域，發展臨近空間飛艇電源技術需要與產業深度結合，通過產業協作促進先進電源技術在臨近空間飛行器上驗證及應用，不斷提升臨近空間飛艇電源系統性能及可靠性，隨著臨近空間飛艇電源性能的大幅提升，反過來助力電源產業技術變革。

徐國寧;張衍壘;陳康;黃庭雙;孔華;焦斌,中國科學院空天信息創新研究院;中國科學院大學航空宇航學院,202508