星载电源
AI 摘要：星载电源是指为卫星平台和有效载荷提供电能产生、储存、调节与分配的完整分系统，通常由太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器三部分组成。它与地面供电系统的根本区别在于必须在无人维护、光照与阴影交替的空间环境中实现全寿命期自主供电。当前主流空间电源采用三结砷化镓太阳电池与锂离子蓄电池组合，母线电压从 28 V 到 100 V 不等，大功率通信卫星的电源系统功率可达 25 kW 量级。星载电源的核心设计原则是能量平衡与冗余容错，太阳电池阵功率需按寿命末期输出能力设计，蓄电池则需在数百次至数万次充放电循环中保持容量。
一句话定义
星载电源是指安装在卫星或其他航天器上，将太阳能转化为电能、储存多余能量并在阴影期为整星负载稳定供电的电源分系统。
概念边界：星载电源不只是“一块太阳能板”
“星载电源”在通俗语境中常被简化为“卫星上的太阳能板”，但太阳能板仅仅是这一分系统的能量采集环节。星载电源与地面供电系统的区别是：地面电网可以依靠持续的能源输入和人工调度来维持稳定，星载电源必须在光照期自主完成“发电—充电—调节”的闭环，在阴影期自主完成“放电—稳压”的切换，整个过程不依赖任何地面干预。
从系统构成看，星载电源的核心是太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器三者的协同-2。太阳电池阵负责在光照区将太阳光能转化为电能；蓄电池组在光照区储存富余能量，在阴影区释放能量维持供电；电源控制器则负责调节母线电压、管理蓄电池充放电、执行故障隔离和遥测采集-3。三者缺一不可：只有电池阵没有蓄电池，卫星进入地影后会立即断电；只有蓄电池没有电池阵，能量耗尽后任务终止。
母线体制：全调节与半调节的取舍
母线是星载电源向整星负载供电的“主干道”。母线的电压调节方式直接决定了电源系统的复杂度和适用场景。
全调节母线是指无论卫星处于光照区还是阴影区，母线电压都维持在设定值附近的调节方式。其核心是：光照期太阳电池阵输出功率大于负载需求时，多余功率经分流调节器卸放，母线电压恒定；阴影期蓄电池经放电调节器升压供电，母线电压同样恒定-2。东方红四号平台采用 100 V 全调节母线，配置 6 kW、9 kW 及增强型 12 kW 等级-3；东方红五号平台的电源系统功率扩展覆盖 5.4 kW 至 25.2 kW，太阳电池阵初期功率达 30 kW 以上，两组锂离子蓄电池各 250 Ah-3。全调节母线的优势是电压稳定、负载适应性好，代价是分流调节和放电调节环节增加了系统复杂度与功率损耗。
半调节母线的电压在光照期由太阳电池阵电压决定，在阴影期由蓄电池电压决定，两者之间存在一定的电压波动范围。一种高低压双母线方案中，28 V 全调节母线负责平台负载，42 V 半调节母线负责短期大功率载荷；42 V 系统在光照期由太阳电池阵直接为锂离子电池充电，载荷工作时电池与电池阵联合供电，母线电压在 38 V 至 45.1 V 范围内波动-18。半调节母线减少了放电调节环节的损耗，适合对电压波动容忍度较高的载荷。
| 母线体制 | 电压稳定性 | 典型电压等级 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 全调节 | 恒定，波动 ≤ ±1 V | 28 V、100 V | 平台负载、敏感载荷 |
| 半调节 | 随电池电压浮动 | 42 V、不调节 24.5–29 V | 大功率脉冲载荷、短期工作设备 |
新技术验证卫星一号采用不调节母线，电压范围 24.5 V 至 29 V，太阳电池阵寿命末期功率 ≥146 W，锂离子电池容量 20 Ah-11。
太阳电池阵：效率的代际提升
太阳电池阵是星载电源的能量来源。空间太阳电池与地面光伏电池的核心区别在于：空间电池需要针对 AM0 光谱（大气层外太阳光谱）优化，且必须耐受高能粒子辐照和紫外侵蚀。
三结砷化镓电池是当前空间应用的主流。其结构由 GaInP 顶结、InGaAs 中结和 Ge 底结串联组成，分别吸收不同波段的太阳光谱，光电转换效率可达 30% 以上-19。应用于中国空间站的三结砷化镓电池，柔性版本单板厚度不足 1 mm，单位面积重量仅为传统电池的 50%，收拢体积减少 20%；截至 2026 年，量产实测的在轨效率已达 33.5%-19。新一代载人飞船试验船采用的大面积三结砷化镓刚性太阳电池阵，电池效率达到 34%-19。
太阳电池阵的功率设计遵循寿命末期准则。高能质子和电子轰击会逐年在电池晶格中引入缺陷，导致输出功率逐年衰减，典型年衰减率为数个百分点-20。因此，太阳电池阵的初期面积和电池串数量需按任务寿命末期的功率需求反向设计，并预留功率裕度。某型号卫星的太阳电池阵在最高工作温度 80°C 时，寿命末期输出功率为 300 W，满足卫星 241 W 用电需求，功率裕度为 24%-8。
蓄电池组：从镉镍到锂离子的迭代
蓄电池组决定了卫星在阴影区能持续工作多久，以及电源系统的循环寿命。空间蓄电池的技术路线经历了镉镍、氢镍到锂离子的演进。
中国航天器电源系统先后经历了镉镍电池时代和氢镍电池时代，天舟一号货运飞船首次使用低轨高压大容量锂电，采用 3 机组锂离子蓄电池组，每组 22 个单体串联，共使用 66 个单体，达到 2700 W 功率-9。
锂离子电池相对于镉镍和氢镍的核心优势是比能量。空间级锂离子电池单体的比能量可达 120 Wh/kg 至 160 Wh/kg 量级，远高于传统镉镍电池-7-14。以 EaglePicher 的 LP 33037 锂离子电池为例，标称容量 60 Ah，比能量 160 Wh/kg，在 40% 放电深度下可支持超过 40000 次低轨循环-14。SLC-16050 型号的比能量为 121.3 Wh/kg，最大持续放电电流 62.5 A，脉冲电流 125 A-7。
蓄电池的循环寿命与放电深度直接相关。在低轨轨道，卫星约每 90 分钟经历一次光照-阴影循环，蓄电池每天需完成约 16 次充放电。放电深度越大，容量衰减越快。设计上通常将放电深度控制在 30% 至 40% 以延长循环寿命，在阴影期较长或负载峰值场景下可适当提高-6。
常见问题 FAQ
卫星在阴影期靠什么供电？
卫星进入地球阴影后，太阳电池阵停止输出，整星负载由蓄电池组经放电调节器供电。低轨卫星的阴影期最长约 35 分钟，地球同步轨道卫星每年在春分和秋分前后经历约 42 天的“食季”，每天阴影最长约 72 分钟-6。蓄电池的容量设计需覆盖阴影期总耗电量并留有余量。以天舟一号为例，在飞船进入阴影区时，锂离子蓄电池组负责提供整船所需的全部电能-9。
为什么星载电源的母线电压有 28 V、100 V 等多种等级？
母线电压的选择是功率等级、传输损耗和器件可用性的综合权衡。小功率卫星（数百瓦级）常用 28 V 母线，对应的 DC/DC 变换器和配电器件成熟、成本低。大功率通信卫星（数千瓦至数十千瓦级）采用 100 V 母线，因为在相同功率下，电压越高电流越小，线缆上的 I²R 损耗越低，同时可以减小配电线径和连接器规格。东方红四号平台的 100 V 全调节母线配置覆盖 6 kW 至 12 kW 等级，东方红五号平台则扩展至 25.2 kW-3。
太阳电池阵会随着时间衰减吗？
会。空间辐射环境中的高能质子和电子会撞击太阳电池晶格，使少数载流子寿命下降，输出功率逐年降低。除辐射外，紫外辐照、热循环应力和微流星体撞击也会造成退化，典型年衰减率为数个百分点-20。这就是太阳电池阵必须按“寿命末期”功率需求设计的原因——一颗设计寿命 15 年的地球同步轨道卫星，其太阳电池阵的初期功率必须显著高于任务实际需求，以补偿全寿命期的衰减。以东方红五号平台为例，太阳电池阵初期功率达 30 kW 以上，而电源系统的额定输出功率范围是 5.4 kW 至 25.2 kW-3。
锂离子电池在太空安全吗？
空间锂离子电池的安全性通过材料选型、结构设计和充电控制策略三重保障。与消费级锂电不同，空间锂电采用密封金属壳体，配备单体过压保护、过温保护和均衡电路。天舟一号的锂离子电池组为每个单体都设置了注入指令，如果某单体出现故障，可发送指令使其不参与控制，“66 个单体相当于有了 66 道防护墙”-9。充电控制采用电压-温度补偿曲线和安时计双重策略，防止过充和热失控-18。