临近空间飞艇因其飞行时间长、载荷能力大、运维成本低等优势，在通信和应急救援等方面有着巨大的应用潜力，其电源系统由太阳电池、储能电池、电源管理与配电等组成。为应对临近空间低压、低温、强紫外辐射等极端环境并实现长时间稳定运行，需要对电源系统进行适应性设计与优化。 通过对临近空间环境特点、临近空间飞艇电源系统组成特点及发展现状的回顾和分析，总结过去、当前和未来的临近空间飞艇电源系统技术发展相关的关键问题，探讨临近空间飞艇电源系统面临的技术问题和挑战，明确各项技术所需重点突破的方向和指标，指出低成本高效率的太阳电池组件、高质量比能量长循环寿命的储能电池模组及高可靠性高效的分布式电源管理技术等是急需突破的关键技术。同时，远距离无线能量传输及极端环境利用技术是潜在的提高电源系统能力的方式。为临近空间飞艇电源系统设计者和相关学科研究人员提供参考并开展需求导向的研究工作。

太阳电池阵是平流层飞艇实现长期驻空的关键分系统之一。基于此，建立太阳电池阵曲面铺装模型，提出高精度的太阳电池阵输出性能计算方法，仿真分析纬度、日期、飞艇航向等多类因素对太阳电池阵输出性能的影响规律。仿真结果表明：在北半球，辐照条件较好的夏季，纬度对太阳电池阵输出性能的影响相对较小，秋冬两季，纬度对太阳电池阵输出性能的影响较大；日期对太阳电池阵输出峰值功率和日输出总电量均存在重要影响，且中高纬度地区影响更大；低纬度地区，航向对太阳电池阵输出峰值功率的影响很小，对日输出总电量存在一定影响，高纬度地区，航向对太阳电池阵输出峰值功率的影响与日期有关，夏季较小，冬季较大。研究结果为平流层飞艇能源系统设计和总体设计提供了参考。

近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳电池(PSC)凭借其优异的光电转换效率、低成本、物料使用低、可柔性加工等特性引起了广泛关注，其中，柔性钙钛矿太阳电池(F-PSC)以其灵活弯折特性、质量轻、光电转换效率高、成本低等特点成为柔性太阳电池中的热点。基于此，针对钙钛矿光伏柔性化技术发展进展，系统阐述了柔性钙钛矿太阳电池中的核心材料体系、关键工艺研究的进展与突破，重点针对器件光电转换效率偏低、耐弯折性不足、低温制备核心层、新型透明导电电极及大面积制备技术等核心技术进展和需求，推动高效稳定柔性钙钛矿光伏技术向实际应用迈进。

有机太阳能电池(OSC)因低成本、轻质柔性及可印刷制备特性，被视为空间领域新型光伏器件的潜在选择，其小面积单结器件能量转换效率(PCE)已突破19%，比功率显著高于传统硅基及Ⅲ-Ⅴ族电池，且可折叠特性可节省运输空间，但大面积组件化面临能量转换效率损失、结构设计与长期工作稳定性等瓶颈。基于此，聚焦柔性有机太阳能电池在空间应用中的核心问题，系统分析溶液印刷技术在大面积制备中的工艺优化路径，总结面积放大导致的能量转换效率损失因素。同时，回顾有机太阳能电池在模拟超高真空、极端温差及辐射环境中的稳定性验证。结合当前研究进展，提出未来需通过分子结构优化、叠层设计及器件工艺改进，实现器件能量转换效率突破20%，并提高器件长期工作稳定性，为柔性有机太阳能电池在空间飞行器电力系统中的应用提供理论与技术参考。

昼夜能量平衡是临近空间太阳能无人机(UAV)具备高空长航时飞行能力的重要前提之一，设计合理的巡航飞行剖面是实现该目标的关键。基于此，通过分析太阳能无人机在巡航飞行剖面中滑翔、爬升、日间平飞和夜间平飞等各阶段的能源供应模式，建立发电、储能、耗能和动力学的模型，重点讨论巡航飞行剖面各阶段工作特性对能源循环的影响。研究结果表明：滑翔和爬升策略对于储能电池的最低电量影响较小；提高日间巡航高度可增加储能电池最低电量，且日间巡航结束时间会影响储能电池最低电量；降低夜间巡航高度可大幅增加储能电池的最低电量。

临近空间作为地球空间新的认知领域和重要的安全空间受到世界主要大国的重视，临近空间太阳能无人机是世界航空科技领域的研究热点，传统的设计方法中，能源、动力、飞控、载荷等独立设计，无法有效减轻结构质量，也难以达到总体性能最优。基于此，从能源系统可靠性和能源动力飞控一体化设计2个角度对临近空间太阳能无人机能源管理开展研究，以达到结构质量减重与总体性能优化的目的。采用双余度能源管理方案设计，通过双向固态功率控制器(SSPC)进行隔离与控制，实现单次故障状态下的安全返回；开展能源动力飞控一体化设计，将储能电池控制、电机控制、电源控制和飞行控制一体化设计，在硬件上减轻质量，软件上达到协同控制的目的；采用改进蚁群优化算法进行太阳能无人机的三维航迹规划，并将规划航迹作为能源系统地面模拟综合试验的输入进行一体化控制方案的仿真验证，实现了能源管理、动力控制与飞行控制的协同控制。

太阳电池是临近空间飞行平台理想的电源，柔性太阳电池因其较高的功质比得到越来越多的重视。分析不同种类太阳电池组件封装材料构成对电池面密度的影响，并计算柔性薄膜太阳电池组件不同转换效率对应的功质比；回顾柔性硅太阳电池、柔性铜铟镓硒太阳电池、柔性碲化镉太阳电池和柔性钙钛矿太阳电池研究进展；介绍每种柔性太阳电池所用基底材料、制备方法和效率制约因素等；介绍钙钛矿太阳电池在临近空间环境下的试验研究进展，指出柔性钙钛矿太阳电池下一步的研究方向。研究表明：由于柔性钙钛矿太阳电池具有较高的功质比，其是最具有临近空间应用潜力的柔性太阳电池。

针对临近空间飞行器能源系统对太阳电池性能的需求，利用硅异质结(SHJ)太阳电池的双面对称结构和低温工艺特点，开发厚度小于100 µm的超薄柔性SHJ太阳电池。针对飞行器对太阳电池组件在力学、热学、电学的要求，开展柔性SHJ太阳电池组件封装材料的研究和优化，确定组件的封装结构和工艺，开发适用于临近空间飞行器的柔性高效率SHJ太阳电池组件。针对临近空间环境适应性要求对其可靠性进行研究，确立高耐候性、高稳定性柔性SHJ组件，大批量应用于高空无人机和平流层飞艇。同时，针对不同的应用环境，设计开发新一代高效率柔性组件，并对组件性能进行对比研究。结果表明：获得转换效率达到20.75%的太阳电池组件，经环境可靠性测试后几乎没有衰减，完全适用复杂多变的临近空间环境。

针对激光无线能量传输系统中光伏电池阵列输出电压低，需要高增益变换器进行升压变换的问题，提出一种基于开关电容与三绕组耦合电感倍压单元的新型高增益直流变换器。该变换器将电荷泵电容、箝位电容、倍压电容与三绕组耦合电感各绕组相配合，使电压均匀分配，提高变换器电压增益的同时使功率器件的电压应力显著下降。开关电容中的箝位电容实现了对功率开关管断开瞬间耦合电感漏感能量的缓冲吸收，避免尖峰电压产生的同时，实现了功率开关管的零电流导通，有助于变换器效率的提升。通过模拟仿真和实验对所提变换器工作原理和性能进行了分析验证。

高空太阳能无人机(SPUAV)平台在充当空中基站增强、补盲偏远地区、灾害应急、远程中继通信方面具有其他平台难以比拟的优势，但太阳能无人机设计域狭窄，需要综合考虑载荷约束和无人机平台特点耦合设计。重点考虑通信任务与平台能量的双重约束，设计一种构型可变的太阳能无人机平台，研究其总体方案设计与优化，使太阳能无人机在满足24 h能量闭合前提下能够最大化覆盖通信范围。通过建立通信、太阳辐照、质量预测等模型，设置能量平衡约束与通信约束条件，建模优化问题，进而设计启发式算法的全局优化框架。仿真分析结果表明：可变构型下的总体方案与常规构型相比能够显著减少总质量，特别是在高空重载的状况下能够提高整体方案的效用，仿真条件下总质量节约13.3%；通信载荷规格的提高及巡航高度的增加能够增加中继通信覆盖范围，但是需要以平台总质量增加作为代价；硬件设计方案一定时，选定低巡航高度可以使通信覆盖效费比更高。

临近空间飞行器储能电池组需要将大量电池单体串并联连接，部分单体电池故障将严重影响电池组性能并可能导致故障蔓延。通过在电池组中配置电力电子开关可以使电池单体或部分单体可重构，具备故障电池隔离及电池间容量均衡等功能。为实现飞行器的电源高效、高可靠度，提出一种基于混合开关的可重构电池组。使用响应时间快的电力电子器件隔离电池串，进一步使用机械继电器控制单体电池的投入和切除；提出混合开关器件结构下的电池切换策略，利用二极管辅助的母线电压调节方法；搭建10串2并的混合开关可重构电池组样机，并进行电池组放电阶段的重构实验。实验结果表明：所提结构可以通过开关器件实现电池串联均衡、故障隔离和母线电压调节等多种功能。损耗、可靠性和质量分析表明：所提结构少量系统损耗和质量即可以实现对电池单体控制，提升电池组的可靠度。

针对空间极端环境对太阳能电池高性能、高能质比和长期稳定性的需求，旨在研究金属卤化物钙钛矿太阳能电池的空间应用潜力与技术进展。从临近空间强辐射、高真空和宽域温度循环等极端环境出发，分析提出太阳能电池的空间应用需具备高性能、高能质比和长期稳定性的要求。基于钙钛矿太阳能电池的结构特点，总结其在高效率、大面积、稳定性、柔性化方面的技术发展与产业化进程，重点讨论分析了钙钛矿太阳能电池的耐辐射性能和空间飞行试验。结果表明：先进钙钛矿光伏技术展现出解决未来空间应用供能需求的巨大潜力，也面临着一些实际挑战。

能源系统的稳定性对长航时飞行的平流层飞艇安全和可靠运行至关重要，特别是对于采用多母线结构和多种变换器串并联组成的能源系统，稳定性问题更为突出。基于此，提出一种新的基于三端口变换器来实现半调节母线方式的平流层飞艇能源系统结构，建立平流层飞艇能源系统中各种变换器的阻抗模型，推导出能源系统在不同子系统划分方法下的输入和输出阻抗。利用多母线直流系统阻抗比稳定判据对其进行了稳定性分析，结果表明，能源系统在不同负载阻抗下都是不稳定的，之后通过仿真实验验证了理论分析结果。最终提出基于一致性功率协调控制和滑模控制的飞艇能源系统分层控制方法，仿真实验显示，使用该方法后能源系统母线电压在多种变化条件下均可保持稳定，表明该方法可增强飞艇能源系统的稳定性。

临近空间的低温环境对临近飞行器的电源系统提出了更高的要求。空间用锂离子电池(LIBs)作为空间电源系统的主要组成部分，在极端环境中的正常运行仍然面临着极高的技术壁垒。电解液，包括电解液本体相及固态电解质界面(SEI)膜，对锂离子电池在低温下的稳定运行十分关键。因此，开发先进的低温电解液对于锂离子电池在极端寒冷环境中稳定运行极其重要。从锂离子电池电解液角度出发，针对限制锂离子电池低温性能差的原因，综述了改善锂离子电池低温电解液的相关策略，对面向临近空间飞行器的锂离子电池低温电解液设计现状进行了分析。

由于在35 km及以上海拔高度的临近空间能够获得与空间类似的太阳光谱和辐射环境，以及太阳电池高空气球标定的便捷性、经济性和准确性，35 km太阳电池高空气球标定方法被认为是目前最佳的空间太阳电池高空原位标定方法。针对在太阳电池高空气球标定方法的实际试验中每组数据标定工况的差别导致标定结果一致性差的问题，通过分析太阳电池温度、辐照度、太阳入射角、光谱失配等因素对高空气球标定的影响，提出太阳电池高空气球标定方法的数据修正模型，并基于飞行标定试验数据验证了所提模型的正确性，同时，对太阳电池高空气球标定数据进行了不确定度分析，短路电流的相对扩展不确定度评估为1.4%(包含因子k=2)。为后续开展太阳电池高空气球标定试验数据修正提供了的理论依据，并从测量不确定度的角度验证了中国科学院高空气球标定试验的可行性。

临近空间太阳能无人机(UAVs)具有超长航时的特点，可以有效解决传统无人机任务期间续航能力不足的问题，提出大跨时间空间场景下基于“点对面”覆盖任务的太阳能无人机三维(3D)路径规划方法，在能量获取及转换有限的情况下通过对太阳能与重力势能合理分配与调度实现任务效能的最大化。在建立太阳辐照模型、能量系统模型的基础上，采用分段能量管理策略对24 h跨昼夜任务周期进行能源分配与调度及飞行阶段划分，定义每个阶段的目标函数及边界条件，引入高斯伪谱法(GPM)求解该多阶段多目标最优控制问题。引入旋转卡壳算法(RCA)求解凸多边形区域全覆盖路径规划(CPP)问题，结合最大太阳辐照路径与最佳覆盖任务路径进行多目标优化，并与传统全覆盖路径规划算法进行对比验证；联合高斯伪谱法及旋转卡壳算法求解具有能量约束和任务约束的三维航迹规划问题。仿真结果表明：在随机任意生成的凸多边形区域内，所提方法在满足太阳能无人机昼夜能量闭环的基础上，平均太阳辐照功率提升了11.64%，全覆盖任务路径降低了10.9%，显著提高了太阳能无人机的任务效能，实现了能源效用的最大化。

随着临近空间飞行器的战略地位日渐增长，其对大功率、高比能、长循环储能电池体系的需求也不断提高，锂金属电池具有超高的理论容量，有望成为新一代临近空间飞行器储能电池的有力候选者。锂金属电极具有极低的氧化还原电位、较高的理论容量，但锂枝晶生长带来的各种问题一直制约着锂金属负极的应用。基于氧化刻蚀和离子交换原理，在泡沫铜(CF)上制备CuO纳米线阵列并引入Au作为亲锂位点，成功构建了Au-CuO/CF纳米阵列三维（3D）集流体并应用于锂金属电池负极，其库伦效率、循环寿命及循环稳定性均明显优于未经修饰的CuO/CF纳米阵列三维集流体，与磷酸铁锂正极(LFP)组成全电池后放电比容量高于CuO/CF纳米阵列三维集流体并在700圈循环后仍有高达97.7%的容量保持率。Au-CuO/CF纳米阵列三维集流体制备工艺简单，电化学性能优异，全电池更表现出稳定的循环性能和极高的容量保持能力，具有成为下一代高比能量锂金属电池负极集流体的应用潜力。

临近空间长航时飞行器能源形式一般采用光伏发电系统，太阳电池铺设在飞行器上表面，受飞行器外形限制和影响，太阳电池呈现曲面分布。为高效利用曲面太阳电池阵列，通常采用分布式的太阳电池发电控制管理模式，将曲面阵列划为若干太阳电池子阵并对每个子阵独立控制，以实现整体太阳电池阵列的最大功率发电。基于此，建立临近空间飞行器分布式太阳电池阵列发电模型。分析了不同因素太阳电池子阵的发电功率的影响和规律，提出一种分布式太阳电池最大供电跟踪控制器拓扑架构，并进行仿真分析，结果表明：该拓扑架构在保证总体能量不变的情况下降低了电源变换装置的额定功率，为临近空间飞行器电源系统减重提供了新思路。

高空气球在太阳电池标定领域内应用越来越广泛，对标定精度的需求日益增加。常规的标定方法只考虑了对日精度，忽略了球体反射的太阳光对标定结果的影响，导致标定结果比理论值高出约5%。为此，提出一种球体反光影响分析方法。使用3阶贝塞尔曲线拟合球体形状并建立模型；计算试验中球体反射对标定装置接收不同波段光的影响；提出如何进行防护及计算球体反射可能的误差原因。采用高空气球和标定设备，在35000 m的高空上对18片太阳电池进行标定。试验和仿真结果表明，球体反射对标定的影响客观存在。仿真结果显示，球体反射导致短路电流最大增加了9.28%；试验数据显示，相较于标准太阳电池的不经过大气层的太阳光谱(AM0)值，实际短路电流高出约5.28%。最后，根据仿真结果，提出使用特定角度的遮光罩以避免球体反射对标定的影响。

随着空间太阳电池阵从刚性半刚性电池阵向高收纳比、轻量化和低成本的柔性电池阵发展，柔性太阳电池逐渐成为未来空间能源系统的关键元件。然而，柔性太阳电池在弯曲状态下需保持光电转换效率和结构完整性，因此，对其极限弯曲半径的精确测量尤为重要。提出一种基于大挠度屈曲理论的柔性太阳电池弯曲半径测试方法，并搭建自动化测试平台。为验证该方法的准确性，将其结果与传统芯轴法进行对比。实验表明，利用大挠度屈曲法测得的极限弯曲半径与芯轴法的结果一致，证明了所提方法的准确性和可靠性，同时，该方法能够实现弯曲半径的连续可调测量，且自动化程度高。研究结果不仅为柔性太阳电池的结构设计提供了精确的力学参数，也为未来柔性电子器件的性能优化提供了参考依据。

蜂群无人机因其数量多、成本低和统一调度等特点，具有广泛应用前景。统一调度是蜂群无人机研究的热点和难点，现有研究主要针对小规模、短时间场景，未考虑充电任务等复杂场景。面向未来多任务和长时间应用，调度优化需考虑中途充电等因素的影响。提出一种基于统一调度模型和遗传算法改进的蜂群无人机任务调度方法。将无线充电平台资源纳入无人机工作环境中，并对工作场景进行系统建模；使用遗传算法对任务和充电平台资源调配进行优化求解。利用仿真实验进行验证，结果表明：所提方法可以有效适应任务、环境和资源的变化，适用于大规模蜂群无人机多任务场景。

临近空间浮空器在通信保障、地质勘探、科学实验等领域得到广泛应用，其电能变换设备因特殊的应用场景，要求具有高效、小型化和轻量化特征，又因浮空器电源中光伏电池的输出侧端口电压较低，直流母线电压较高，研制高效率、高功率密度和高电压增益的直流变换器对临近空间浮空器电源至关重要。在此技术背景下，基于可以实现高增益的箝位电容变换器和非谐振软开关技术，提出一种新型电流均衡非谐振线性(NRL)软开关直流升压变换拓扑。所提拓扑能够实现所有开关管的零电流(ZCS)开通和所有二极管的ZCS关断，同时能够消除因电容充放电导致的器件电流尖峰。通过仿真和硬件试验验证了所提拓扑的有效性和正确性，为临近空间浮空器电源中直流升压电能变换提供了一种新的拓扑选择。

磁耦合谐振式无线电能传输技术广泛应用于无人机充电，其充电线圈定位精度直接影响充电效率。针对现有方法忽略无人机角度偏移的问题，提出一种基于监督式机器学习的线圈定位方法，可同时检测位置偏移和角度偏移。所提方法通过建立辅助线圈电压与线圈相对位置/角度标签的数据集，利用监督学习回归算法训练定位模型。经仿真和试验验证：位置偏移检测精度达1 cm，角度偏移检测精度达1°。结合停机坪的机械调节装置移动/旋转发射线圈，可有效实现线圈对准，提升充电效率。

钠离子电池是临近空间飞行器二次电池的有力候选者。关于硬炭负极析钠的监测、失效及析钠机制分析对钠离子电池的管理和使用具有指导意义，但该方面研究较少。对此，通过设置一系列的析钠梯度，利用微分容量曲线，结合扫描电子显微镜(SEM)、恒电流间歇滴定(GITT)等方法对负极析钠行为进行研究。结果表明：在20 mA/g电流密度下放电12.5 h，硬炭表面形成钠团簇，继续钠化2.5 h，钠团簇转变为钠金属，同时，钠金属的脱钠电位可以被微分容量曲线监测；由于钠团簇的脱钠能垒较低，不影响电池循环性能；钠金属块使电池界面阻抗和电荷转移阻抗进一步增加，导致循环容量加速衰减。

临近空间长航时飞行器能源系统主要包括太阳电池、储能电池、能源控制器和配电器，其中，能源控制器实现太阳电池最大功率跟踪和对储能电池充电功能。传统的临近空间飞行器能源控制器一般采用单升压或单降压拓扑结构，存在不足，对此，采用一种四开关升降压变换器拓扑及对应的控制方法，该控制方法针对四开关升降压变换器在实际电源设计中由于控制死区造成的模式频繁切换的问题，提出一种模型预测控制(MPC)与多步离散法相结合的四模式控制策略。该策略在传统的Buck和Boost两模式基础上，通过预测模型推导出占空比控制率，利用多步离散法，并将极限占空比考虑其中，进而在控制死区内划分出2种扩展模式：扩展Buck (E-Buck)模式和扩展Boost (E-Boost)模式。同时，利用输入电压检测单元，实现了变换器在四模式下的平滑切换。仿真实验验证了所提控制策略的有效性。