1. 课程导入与任务总览
航天器电源系统是整星最基础、也最不能“断电”的分系统之一。它要在发射段、入轨段、在轨长期运行乃至安全模式等全生命周期内，持续为平台与载荷提供稳定电能。与地面电网不同，航天器电源没有外部补能通道，能量来源、储能、变换、配电和用电负载构成一个封闭的能量闭环。因此，电源设计的核心问题不是“能不能供电”，而是“在给定轨道、光照、温度和寿命条件下，能量是否始终够用、分配是否始终合理”。这正是能源预算与负载管理要回答的两个问题。
一、航天器电源系统的组成
典型航天器电源系统由发电、储能、功率调节与配电、负载四大部分构成，并辅以监测与控制逻辑。以太阳电池阵—蓄电池架构为例：
- 发电环节：太阳电池阵将光能转换为电能，其输出受光照角、轨道阴影、温度衰减和粒子辐照影响。常用参数包括单体效率、串联/并联片数、阵面面积、工作点电压电流（Vmp/Imp）以及寿命末期（EOL）功率。
- 储能环节：蓄电池在光照期充电、阴影期放电，承担能量缓冲。锂离子电池关注额定容量（Ah）、串并联节数、放电深度（DOD）、充放电倍率与循环寿命；镉镍、氢镍电池则常见于早期型号。
- 功率调节与配电：包括分流调节器（S3R）、最大功率点跟踪（MPPT）、充放电调节器（BCR/BDR）、母线稳压与配电单元（PDU）。它们决定母线电压品质、充放电策略与各路负载的开关控制。
- 负载：平台负载（姿控、测控、热控、数管）与有效载荷。负载按重要度分为关键负载、基本负载和可卸载负载，是负载管理的直接对象。
这四部分并非简单串联，而是通过母线形成能量汇聚与再分配。下图给出典型架构与能量流向，帮助建立后续预算与管理的整体图景。
二、能源预算与负载管理的定义
能源预算是在给定任务剖面下，对能量的产生、存储与消耗进行量化平衡的过程。它通常按轨道周期或任务阶段展开，核心是建立“发电量 ≥ 用电量 + 充电需求 + 损耗”的约束。工程上常用两个指标衡量：
- 能量平衡：一个轨道周期内，太阳阵发电总量应覆盖负载耗电与蓄电池充电损失，即 E_gen ≥ E_load + E_charge/η。
- 功率裕度：EOL 最恶劣工况下，发电功率与峰值负载功率之差，通常要求保留 10%～20% 余量。
负载管理则是在能量受限或故障时，对负载进行优先级排序、通断控制与功率调度，确保关键功能不断电。它包含静态的优先级分配和动态的卸载/恢复策略。二者关系是：预算给出“总量边界”，负载管理在边界内做“分配决策”。
三、课程目标
本课程围绕“算得清、管得住、验得了”三条主线展开。学完后，你应能独立完成以下任务：
- 根据轨道参数与任务剖面，建立太阳阵—蓄电池的能量平衡模型，计算所需阵面面积与电池容量。
- 编制分阶段能源预算表，识别最恶劣工况并给出裕度判断。
- 设计负载优先级与卸载逻辑，处理过流、欠压和电池低荷电等异常。
- 用仿真或测试数据验证预算结果，定位偏差来源并迭代修正。
四、真实工程任务场景
假设一颗 500 km 太阳同步轨道遥感卫星，轨道周期约 94.6 min，阴影期约 35 min，光照期约 59.6 min。平台负载平均 320 W，载荷成像时峰值 650 W，母线 28 V，蓄电池为 8 串锂离子电池，标称容量 30 Ah。任务要求：成像每次不超过 12 min，每天不超过 8 次；安全模式下仅保留 120 W 关键负载。
这个场景中，能源预算要回答：光照期太阳阵能否同时供载荷并给电池充满？阴影期电池放电深度是否超过 30%？负载管理要回答：当电池荷电低于 40% 时，是否自动卸载载荷、保留平台？这些正是后续章节要逐步展开的内容。