作者：高级区域营销经理 Joe Dussi

介绍

本文将概述设计和制造一款能够在恶劣的太空环境中稳定运行并可靠供电的电源系统所涉及的一些基本挑战与设计考量。这些系统极为复杂，有赖于深厚的电源系统设计功底，方能确保其无故障运行。

什么是供电网络？

“供电网络”（PDN）一词用于描述面向各类太空应用的发电、储能、调节、配电与转换等所有环节（图 1）。电力贯穿所有太空任务始终，而这些任务的时长与目的各不相同。例如，运载火箭仅在起飞阶段需要供电几分钟，而卫星、深空探测器及轨道空间站则需要数年乃至数十年的不间断供电。功率等级从几瓦到数十千瓦不等，具体取决于航天器规模与任务目标。鉴于功率需求差异悬殊，寻找一次电源与二次电源的最优组合方案，便成为电源系统工程的首要任务。

为充分满足任务需求，可组合多种电源，以实现最高效的解决方案。目前，大多数卫星依赖效率约为 30% 的先进太阳能电池以及锂离子电池。核能同样是一种可行选择，但仅在超出太阳射线有效范围（大致在木星轨道之外）时才有必要采用。

在太空中，尺寸与重量是关键的设计参数，需要在电源系统设计中予以重点关注。在许多情况下，供电网络占卫星总重量的相当大比例（图 2），因此，设计工作始终在持续探索如何减轻解决方案的重量和缩小尺寸，同时提升功率输出能力。

您或许会问，如何在缩小电源系统尺寸的同时获取更多可用功率？这确实是一个设计难题。随着太阳能电池与电池技术的进步，电源设计架构师已能够逐步弥合这一差距。另一种最大化可用功率预算的方法，是采用最新的先进电力电子电路。在设计卫星供电网络时，功率密度与效率等因素变得至关重要。通过提高功率密度与效率，可以缩减电源电路的整体板级空间，并减轻重量（图 3）。

高效率解决方案的另一优势在于，可减少设计中需考虑的热耗散，这意味着可以缩小散热器的尺寸，甚至完全无需散热器，从而避免增加设计中的重量和空间占用。由于太空中不存在空气或风，热量必须通过“传导”方式进行传递，即接触表面应尽可能平整，以最大化有效接触面积（图 4）。氮化镓（GaN）或碳化硅（SiC）等半导体材料的进步，同样在助力电源设计人员提升整体电源系统的性能。

为什么电源系统在新太空领域至关重要？

随着全球对互联网带宽需求的持续攀升，卫星通信服务提供商与原始设备制造商正积极开发产品，以把握这一爆发式增长机遇。卫星通信服务提供商与原始设备制造商计划在未来五年内部署足够容量，将总带宽至少提升 20 倍（图 5）。为实现这一目标，行业在卫星系统设计方面正经历一场深刻的模式转变。整体问题的关键环节之一，在于如何解决供电难题。新太空卫星通信解决方案需要高性能处理能力，而高性能处理能力又需要更多电力支撑。因此，有限的空间与重量预算，使得高密度、高效率的先进电源解决方案成为实现先进通信系统的核心需求。

这些新型低轨（LEO）和中轨（MEO）卫星星座涉及数十亿美元的投资。因此，可靠且不间断的电力供应对于太空任务的成功至关重要。在太空中，太阳是主要的能量来源，在地球轨道上每平方米可提供约 1.4 千瓦的功率。正因如此，大多数航天器都配备了大型太阳能电池阵列，以捕捉太阳光并将其转化为电能（图 6）。这些电池阵列由相互连接的光伏电池网络构成，当光线照射到电池上时，便会产生电流。

即便拥有免费且易于获取的电能，设计太空电源系统仍是一项艰巨的工程挑战。当前光伏电池的效率约为 30%，但在卫星运行期间，由于太阳加热以及辐射损伤，这一效率会有所下降。这意味着太阳能电池阵列必须具有较大的尺寸，才能提供所需的功率水平。

使情况更为复杂的是，大多数卫星的轨道会使其离开太阳照射区域，进入地球的阴影区（图 7）。这意味着卫星需要二次电源来弥补太阳照射的缺失。这种二次电源通常为可充电电池，用于在卫星处于地球本影区时持续为其供电。