曹夢磊，張緒斌，張義超，張占峰

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

太陽能是衛(wèi)星等航天器在軌獲取能源的主要方式，由太陽電池陣列、蓄電池組和電源控制器組成的太陽能供配電系統(tǒng)已普遍應(yīng)用在航天器電源系統(tǒng)中，其中電源控制器是太陽能供配電系統(tǒng)的重要設(shè)備，它負(fù)責(zé)太陽電池陣分流調(diào)節(jié)、母線電壓調(diào)節(jié)與控制、蓄電池的充放電以及負(fù)載能量分配等功能[1]。采用太陽能供配電的航天器在地面進(jìn)行電源系統(tǒng)測試時(shí)，一般包括太陽電池陣輸出性能測試，蓄電池和電源控制器供配電輸出性能測試，通過分段測試保證電源系統(tǒng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，對(duì)太陽能電源系統(tǒng)各組成模塊進(jìn)行研究，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行全系統(tǒng)模擬仿真，是進(jìn)行電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的必要手段。

任航等[2]考慮了光照強(qiáng)度和電池溫度兩種因素對(duì)太陽電池輸出特性的影響，采用太陽電池的實(shí)用化數(shù)學(xué)模型，利用MODELS語言搭建通用仿真模型，研究不同型號(hào)太陽電池板隨著光照強(qiáng)度和溫度變化的伏安特性和功率特性。肖夏等[3]、Gupta等[4]對(duì)太陽電池等效電路、輸出特性和最大功率點(diǎn)跟蹤原理進(jìn)行了研究，利用Matlab/Simulink構(gòu)建通用型光伏系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證所提出的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

王超等[5]主要研究了航天大功率電源控制器PCU的自動(dòng)化測試技術(shù)，提出了PCU跨域負(fù)載瞬變情況、母線電壓波動(dòng)范圍等性能指標(biāo)的自動(dòng)化測試方法。王鵬鵬等[6]、崔文聰?shù)萚7]、鄒湘文等[8]、Colombo等[9]主要研究電源能量平衡仿真系統(tǒng)，通過Simulink或VTB軟件編程設(shè)置太陽電池陣、蓄電池組、電源控制器各模塊參數(shù)和負(fù)載功率，借助衛(wèi)星工具包STK軟件中的實(shí)時(shí)參數(shù)(主要包括太陽位置坐標(biāo)及衛(wèi)星位置坐標(biāo)等參數(shù))進(jìn)行聯(lián)合數(shù)學(xué)仿真，仿真太陽電池陣輸出能量，蓄電池能量等數(shù)據(jù)。Neji等[10]提出一種電源系統(tǒng)架構(gòu)用于ERPSat-1立方星上，利用Matlab語言編程仿真太陽能帆板的輸出特性，考慮到其輸出特性受溫度和光照強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)了一種智能型最大功率點(diǎn)跟蹤模糊算法，利用Simulink模型搭建了分層模糊邏輯控制器架構(gòu)，根據(jù)設(shè)定的模糊控制規(guī)則輸出子系統(tǒng)工作模式狀態(tài)進(jìn)行星上電源管理。Beukes等[11]提出基于SunSat衛(wèi)星電源系統(tǒng)的仿真工具，該仿真工具對(duì)太陽電池陣、蓄電池和能源管理單元進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，基于該仿真工具進(jìn)行了在軌一天的能源平衡分析。

綜上所述，太陽電池陣輸出模型仿真和基于Matlab/Simulink等編程語言的太陽能供配電系統(tǒng)仿真研究較多，而基于硬件設(shè)備搭建仿真系統(tǒng)開展空間動(dòng)態(tài)環(huán)境下電源系統(tǒng)性能的研究較少。本文提出一種基于空間電源控制器的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，主要由電源控制器、太陽電池模擬陣、蓄電池模擬器、程控電子負(fù)載和仿真微機(jī)組成。以電源控制器為被測對(duì)象，搭建的仿真系統(tǒng)可對(duì)航天器上的電源系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，包括蓄電池充放電電流、太陽電池陣輸出電壓電流及最大輸出功率等性能指標(biāo)，并且實(shí)時(shí)模擬航天器在空間各種狀態(tài)下太陽電池陣的輸出特性，包括不同軌道、太陽光照角、進(jìn)出地影等狀態(tài)條件下的輸出。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)及工作原理

仿真系統(tǒng)框架如圖1所示，仿真系統(tǒng)主要由控制主機(jī)、LAN總線集線器(交換機(jī))、太陽電池模擬陣、蓄電池模擬電源、程控電子負(fù)載、指令和數(shù)據(jù)采集模塊、用戶接口等組成。

圖1 電源性能測試仿真系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)控制主機(jī)用于完成對(duì)仿真設(shè)備參數(shù)的設(shè)置、被測產(chǎn)品的指令施加、測試過程控制、測試仿真和數(shù)據(jù)處理；LAN總線集線器將各設(shè)備集成在一起，并通過LAN總線與主機(jī)進(jìn)行通信；太陽電池模擬陣能夠按照仿真軟件的仿真結(jié)果實(shí)時(shí)輸出太陽電池I-V曲線，模擬航天器上太陽電池輸出；蓄電池模擬器用于模擬航天器上蓄電池系統(tǒng)的輸出功能，進(jìn)而驗(yàn)證電源控制器的相關(guān)功能；程控直流負(fù)載提供航天器上電源系統(tǒng)模擬負(fù)載，可用于產(chǎn)品帶載能力測試和老煉測試；指令和數(shù)據(jù)采集模塊完成對(duì)被測產(chǎn)品輸出的溫度、電壓、電流的采集。

整個(gè)測試仿真系統(tǒng)工作原理如圖2所示，以電源控制與分配器(PCDU)為被測對(duì)象，主要由太陽電池模擬陣列模塊、蓄電池模擬模塊、程控電子負(fù)載模塊和仿真數(shù)據(jù)控制模塊組成。

太陽電池模擬陣列模塊：接收仿真數(shù)據(jù)控制模塊傳輸?shù)妮斎雲(yún)?shù)，根據(jù)輸入?yún)?shù)動(dòng)態(tài)模擬太陽電池陣產(chǎn)生電能，將產(chǎn)生的電能傳輸給外部電源控制器，通過電源控制器向蓄電池模擬模塊充電，或者向程控電子負(fù)載供電。

蓄電池模擬模塊：接收太陽電池模擬陣列的供電進(jìn)行自身充電，自身充電的電能通過電源控制器向程控電子負(fù)載放電。

程控電子負(fù)載模塊：接收外部電源控制器的供電，通過模擬航天器上的負(fù)載消耗外部電源控制器供電的電能。

仿真數(shù)據(jù)控制模塊：根據(jù)太陽電池陣的在軌工作參數(shù)，生成太陽電池模擬陣仿真輸入?yún)?shù)，將其傳輸給太陽能模擬陣列模塊；設(shè)置各模塊仿真參數(shù)、仿真周期，控制仿真流程的開始與停止；采集外部電源控制器的輸出參數(shù)、太陽電池模擬陣列模塊的輸出參數(shù)、蓄電池模擬模塊的輸出參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 太陽電池模擬陣

太陽電池模擬陣列用于仿真太陽電池的供電輸出，采用美國Keysight公司的E4361A型雙通道光伏模擬器，具有輸出性能優(yōu)良、響應(yīng)速度快以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，并具備遠(yuǎn)程通信控制能力，主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表1所示，仿真時(shí)可根據(jù)功率需求采用多個(gè)模塊并聯(lián)。

表1 太陽電池模擬陣列主要技術(shù)參數(shù)表

2.2 程控直流電子負(fù)載

程控直流電子負(fù)載用于仿真航天器中各種用電設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，選用NGI公司生產(chǎn)的N6102多通道程控直流電子負(fù)載，有恒流、恒壓、恒功率模式可供選擇，具有高精度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)通道可并聯(lián)疊加增加使用功率，主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 程控直流電子負(fù)載主要技術(shù)參數(shù)表

2.3 蓄電池模擬器

蓄電池模擬器用于模擬蓄電池的輸出和充放電功能，采用Keysight公司N7973A動(dòng)態(tài)直流電源和N7909A功率耗散器組合，形成可編程雙象限工作的電池模擬電源，電流可充可放，可提供1kW的電流吸收能力，可以在輸出電流和吸收電流的工作模式之間做到無縫、連續(xù)的工作模式切換，主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表3所示，仿真時(shí)可根據(jù)負(fù)載功率需求采用多個(gè)N7909A耗散器組合并聯(lián)。

表3 蓄電池模擬器主要技術(shù)參數(shù)表

2.4 指令和數(shù)據(jù)采集模塊

指令模塊用于向電源系統(tǒng)設(shè)備發(fā)送指令，采用開關(guān)三極管設(shè)計(jì)的OC門脈沖模式，正常工作電壓可達(dá)28V，最高36V，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)300mA，主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 指令模塊主要技術(shù)參數(shù)表

數(shù)據(jù)采集模塊用于電源系統(tǒng)中各種電壓信號(hào)的采集和處理，配合上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理，主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 數(shù)據(jù)采集模塊主要技術(shù)參數(shù)表

2.5 控制主機(jī)

為了使整個(gè)系統(tǒng)集成度更高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更輕便，體積更小，電源性能仿真系統(tǒng)選用工業(yè)平板電腦SHP-190TA為系統(tǒng)控制主機(jī)，該產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表6所示。

表6 控制主機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

所有系統(tǒng)設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)箱集成在機(jī)柜中，如圖3所示?？紤]通用性，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外接口通過后面板上的統(tǒng)一化接口與被測產(chǎn)品進(jìn)行相連，圖4為后面板布局圖。

圖3 電源性能仿真系統(tǒng)硬件設(shè)備集成實(shí)物圖

圖4 統(tǒng)一化接口后面板布局圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于Lab Windows/CVI開發(fā)，軟件設(shè)計(jì)在于實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合工作，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，整個(gè)軟件采用集中界面管理模式，具有良好的人機(jī)交互能力。電源性能仿真系統(tǒng)軟件按功能可分為系統(tǒng)管理模塊、主控制模塊、測試配置和執(zhí)行模塊、太陽電池輸出仿真模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊共6大部分，圖5為軟件功能框圖。

3.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊的具體功能包括：1)支持電源性能測試仿真系統(tǒng)采集的所有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查看；2)支持太陽電池仿真數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查看；3)支持?jǐn)?shù)據(jù)有選擇性的導(dǎo)出。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要產(chǎn)生兩種數(shù)據(jù)，一種是STK仿真軟件仿真產(chǎn)生的太陽能光強(qiáng)的數(shù)據(jù)記錄，一種是采集卡采集到的電壓數(shù)據(jù)。兩種數(shù)據(jù)都以時(shí)間為主線，以通道劃分，在SQL Server中以數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)。

3.2 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊旨在對(duì)系統(tǒng)使用用戶進(jìn)行登記、錄入和級(jí)別權(quán)限控制，保證系統(tǒng)操作安全，用戶管理數(shù)據(jù)流圖如圖6所示。系統(tǒng)管理模塊中設(shè)備管理項(xiàng)能夠完成對(duì)測試設(shè)備的添加、刪除、自檢功能，軟件使用操作幫助、版本等信息也在該模塊中。

圖5 電源性能仿真系統(tǒng)軟件功能框圖

圖6 用戶權(quán)限管理數(shù)據(jù)流示意圖

3.3 主控制模塊

主控制模塊用于對(duì)系統(tǒng)的配置資源進(jìn)行配置，用戶根據(jù)不同的需要對(duì)各系統(tǒng)模塊進(jìn)行輸入輸出設(shè)置，形成測試序列用于系統(tǒng)測試，系統(tǒng)中配置的各資源均可單獨(dú)控制開關(guān)，也可通過調(diào)用配置文件的方式實(shí)現(xiàn)一鍵配置。

3.4 測試配置和執(zhí)行模塊

測試配置和執(zhí)行模塊提供可視化圖形界面環(huán)境引導(dǎo)開發(fā)人員輸入測試步驟、測試激勵(lì)儀器操作、提示信息等，完成測試配置開發(fā)任務(wù)。測試流程使用測試腳本和封裝好的固件庫形式實(shí)現(xiàn)測試的激勵(lì)施加，按照設(shè)定條件順序執(zhí)行腳本序列。

3.5 太陽電池輸出仿真模塊

太陽電池輸出仿真模塊根據(jù)用戶太陽電池的軌道信息、太陽能帆板尺寸、位置、材料特征等內(nèi)容動(dòng)態(tài)生成太陽電池整個(gè)軌道周期的I-V曲線，將生成的輸入?yún)?shù)傳輸給太陽能模擬陣列，生成的輸入?yún)?shù)包括開路電壓Uoc、短路電流Isc、最大功率點(diǎn)電壓Um、最大功率點(diǎn)電流Im。

圖7 三結(jié)砷化鎵太陽電池等效電路圖

圖7為三結(jié)砷化鎵太陽電池的單二極管等效電路[12]，Ui為各層電池電壓，U為電池總電壓，即U=U1+U2+U3，被模擬太陽電池電壓表達(dá)式如下

(1)

式中，i為三結(jié)砷化鎵光伏電池的層數(shù)，1 是頂層，即 InGaP；2 為中間層，即 lnGaAs；3 為底層，即Ge；Jsc,i、JL和Jo,i分別為各層短路電流密度、電池總短路電流密度和各層暗飽和電流密度；q為電子電荷；n為二極管理想因子；kB為波爾茲曼常數(shù)；T為電池溫度；A為電池面積；Rsh、Rs分別為并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻。如果將JL置0則得到開路電壓Uoc=U，如果將U置0則得到短路電流

Isc=AJL

(2)

由于功率

P=JLUA

(3)

因此求得

(4)

可以得到最大功率點(diǎn)電流

Im=AJm

(5)

將Jm代入電壓U表達(dá)式得到最大功率點(diǎn)電壓Um。太陽能模擬陣通過調(diào)用仿真后的I-V曲線在地面模擬太陽電池輸出。

3.6 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊提供多種形式的數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)顯示界面、軟面板界面均通過組態(tài)界面進(jìn)行配置，并支持多區(qū)域設(shè)置，為各部件設(shè)定不同區(qū)域，便于用戶直觀查看。在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)過程中，系統(tǒng)為用戶提供了依需所建的應(yīng)用方式，可根據(jù)在線監(jiān)視要求，快速構(gòu)建監(jiān)視頁面、控件添加、數(shù)據(jù)綁定等操作。

4 空間動(dòng)態(tài)環(huán)境測試仿真

空間動(dòng)態(tài)環(huán)境電源性能測試仿真流程如圖8所示，主要包括以下步驟：

1)根據(jù)太陽電池陣的在軌工作參數(shù)，設(shè)置STK仿真軟件軌道參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)；根據(jù)蓄電池設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置蓄電池模擬器輸出電壓、輸出電流和充電電流；根據(jù)負(fù)載參數(shù)，設(shè)置程控電子負(fù)載功率曲線；

2)太陽電池輸出模塊調(diào)用STK軟件計(jì)算出太陽能光強(qiáng)數(shù)據(jù)，根據(jù)工程化實(shí)用模型[2]計(jì)算I-V曲線數(shù)據(jù)表，太陽能模擬陣列動(dòng)態(tài)模擬太陽電池陣產(chǎn)生電能；

3)被測對(duì)象電源控制器接收太陽能模擬陣列和蓄電池模擬器的輸入電能，輸出相應(yīng)的電壓電流給程控電子負(fù)載，程控電子負(fù)載根據(jù)負(fù)載實(shí)際功率參數(shù)，模擬消耗外部電源控制器的供電輸出；

4)系統(tǒng)在統(tǒng)一仿真周期控制下，周期性調(diào)用太陽能光強(qiáng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)太陽能模擬陣列、蓄電池模擬器和程控電子負(fù)載輸出，數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)存儲(chǔ)電源控制器的輸出電壓電流等參數(shù)并對(duì)外顯示。

圖8 空間動(dòng)態(tài)環(huán)境電源性能測試仿真流程圖

以MEO軌道上的衛(wèi)星為例，進(jìn)行一個(gè)軌道周期的仿真，太陽電池陣和軌道參數(shù)等主要仿真參數(shù)如表7所示，設(shè)置仿真時(shí)間從20 Mar 2019 00:00:00.000至20 Mar 2019 12:00:00.000，共12h。

表7 主要仿真參數(shù)

根據(jù)該飛行器的軌道參數(shù)理論計(jì)算在軌能量平衡情況。航天器單圈常規(guī)負(fù)載能量需求為

W1=P負(fù)載×T

(6)

式中，P負(fù)載為負(fù)載功率，T為軌道周期，計(jì)算得W1=12000W·h。

充電調(diào)節(jié)器、線纜、插件等損耗因子取0.92，航天器處于光照期太陽電池陣能提供的電能為

W2=P電池×T光×0.92

(7)

式中，P電池為太陽電池陣輸出功率，T光為光照期時(shí)間，計(jì)算得W2=13175W·h，因此W2>W1能量充足。

蓄電池放電調(diào)節(jié)器效率、放電回線線纜、插件等損耗因子取0.92，地影期蓄電池常規(guī)放電電量為

E1=P負(fù)載×T陰影÷0.92

(8)

式中，T陰影為陰影期時(shí)間，計(jì)算得E1=1739W·h。充電調(diào)節(jié)器、蓄電池組瓦時(shí)效率、線纜、插件等損耗因子取0.90，光照期對(duì)蓄電池充電能量為

E2=(P電池-P負(fù)載)×T光×0.9

(9)

計(jì)算得E2=3529W·h。因此E2>E1，航天器在軌單圈能量平衡。

按照表7中的參數(shù)開展仿真，太陽能模擬器輸出電壓和蓄電池電流的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 太陽電池模擬陣電壓和蓄電池充放電電流仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以看出，在光照期太陽電池模擬陣輸出電壓，在陰影期20 Mar 2019 03:29:00～20 Mar 2019 04:17:30(12540s～15450s)和20 Mar 2019 11:18:30～20 Mar 2019 12:00:00.000(40710s～43200s)蓄電池放電，太陽電池模擬陣停止輸出；在20 Mar 2019 00:00:00～20 Mar 2019 03:25:30(0s～12330s)和20 Mar 2019 04:27:00～20 Mar 2019 11:05:30(16020s～39930s)之間太陽電池模擬陣給蓄電池充電，在20 Mar 2019 11：06：00～20 Mar 2019 11：19：00(39960s～40740s)之間太陽電池模擬陣停止給蓄電池充電，在一個(gè)軌道周期內(nèi)電源系統(tǒng)達(dá)到能量平衡。

5 結(jié)論

本文基于硬件設(shè)備搭建了由太陽電池模擬陣、蓄電池模擬器、電源控制器、程控電子負(fù)載和仿真計(jì)算機(jī)組成的電源性能測試仿真系統(tǒng)，通過定制化軟件控制仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，利用STK軟件模擬空間動(dòng)態(tài)環(huán)境生成太陽電池模擬陣的仿真輸入?yún)?shù)，以MEO軌道衛(wèi)星電源系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：該仿真系統(tǒng)可實(shí)時(shí)模擬衛(wèi)星在軌期間電源系統(tǒng)各模塊的性能輸出，通過仿真結(jié)果可直觀反映出衛(wèi)星在軌運(yùn)行能量平衡情況，并與理論計(jì)算結(jié)果相一致，為空間電源系統(tǒng)的在軌運(yùn)行提供了一種仿真測試工具。