臨近空間飛艇電源系統關鍵技術簡析_風聞

作者：蘭順正

首發自：遠望智庫 臨空視野

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數月的飛行，需要有持續不間斷的能量供給。臨近空間飛艇用電源系統目前最大的問題是電源系統的重量比能量低和臨近空間極端環境長時間適應能力弱，重量比能量低主要是指太陽電池效率低、儲能電池的比能量低和能源管理總體效率不高，嚴重影響着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，臨近空間飛艇電源急需發展的關鍵技術主要包括高效薄膜太陽電池技術、高比能儲能電池技術、分佈式高效能源管理技術、無線能量傳輸技術等方面。

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：一是硅基太陽電池脆性易碎，彎曲柔韌性不及薄膜電池，無法實現太陽電池與飛艇囊體的完全復形結合；二是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%。三是大面積的太陽電池組件涉及電池單體的串並聯連接，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。雖然目前薄膜砷化鎵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空飛艇上應用的關鍵。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，但就目前產業技術水平、對臨空環境的適應性驗證以及與飛艇囊體結合的工藝條件等還有較多的問題需要解決。此外高空太陽電池臨近空間標定技術，將有助於新型太陽電池的臨近空間乃至空間的應用。

儲能電池技術

目前制約臨近空間飛艇長航時飛行的最大的問題是對飛行器重量的控制，儲能電池佔據了電源系統乃至飛艇整體重量的大部分份額，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重量比能量是提升臨空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比能量和較長的壽命，是短期內最為可能的選擇。其中的技術難點主要在於臨近空間低氣壓條件下軟包電池包膨脹力控制以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以及對電池組力學特性的瞭解和掌控，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急需發展的補充手段，雖然增加均衡技術意味着電池組結構複雜度及結構重量的提升，但該技術作為關鍵的電池管理技術將有助於提升電池組的循環壽命及安全性。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，但設計一款高效高能量密度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以及系統温度控制的問題。

分佈式高效能源管理技術

未來隨着臨近飛艇電源系統功率等級不斷提升，採用集中式能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，採用分佈式能源管理架構能很好的解決上述矛盾。

層級分佈式能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。

同步整流技術和軟開關技術也是當前提高能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，使得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，這對於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。

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，採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兩種方式。無線能量傳輸技術的傳輸功率、效率、穩定性以及接收端設備的重量和體積是無線能量傳輸系統的關鍵技術指標。隨着技術的逐步成熟，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，為了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。對於接收端設備，需要儘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：即時跟蹤對準技術、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台的移動和姿態變化將導致系統的不穩定，需要設計魯棒性強的閉環控制迴路來保證系統的穩定運行。對於系統輕量化和小型化的設計，主要關注於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。對於後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，性能指標良好的新型功率半導體器件來實現。