CN117540543A - 一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统及方法 - Google Patents

一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统及方法 Download PDF

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王嘉靖
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Abstract

一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统及方法，通过建立精准的蓄电池模型和太阳电池模型，通过受控电流源模拟负载功耗，获取高仿真精度；通过在仿真软件中编写程序脚本控制设置仿真工况、控制仿真进程；通过算法寻找最优的蓄电池组、太阳阵设计方案。本发明能够模拟卫星实际在轨运行状态设置仿真工况，通过蓄电池电压和蓄电池安时计判断是否满足能量平衡要求。本发明可实现对不调节母线电源分系统能量平衡的高精度仿真分析，完成电源分系统方案的优化设计。

Description

一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统及方法
技术领域
本发明涉及一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统及方法，特别适用于采用不调节母线的卫星电源分系统能量平衡分析。
背景技术
电源分系统是卫星中非常重要的系统，为卫星的正常运行提供能量。卫星的电源分系统功能包括能量产生、能量存储、能量管理。目前广泛应用的电源系统是以太阳光能作为能量来源，太阳阵在卫星光照期产生能量；蓄电池在阴影期及光照期太阳阵能量不足情况下为卫星放电供能，在光照期太阳阵能量充足时存储能量。电源控制器可完成能量分配功能，即太阳阵能量输入的控制、蓄电池的充放电控制及负载能量的分配。
不调节母线控制技术是直接能量传输的电源控制形式，母线电压就是蓄电池电压，靠蓄电池调节，母线电压变化范围很大。由于不调节母线控制技术设计简单可靠，具有体积、重量、成本优势，已得到广泛应用。目前卫星的电源设计中，需要针对不同的卫星项目进行重新建模、重新设计，通过选取合适的经验参数进行简单计算来选取满足使用要求的太阳阵及蓄电池参数。设计完成后通过整星环境试验对电源分系统进行能量平衡评估。
由于卫星轨道条件、工作模式各不相同，设计阶段人员工作量大，设计验证周期长，因此，设计人员往往在相关经验参数的选取上较为保守，造成太阳电池阵及蓄电池参数冗余较大，这在一定程度上降低了不调节母线控制技术的优势。因此需要一种精准的电源分系统能量平衡的仿真分析方法，使太阳阵及蓄电池的参数选取更为合理，电源分系统设计裕度可控，进一步提高不调节母线控制技术的成本优势。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种电源分系统能量平衡仿真分析系统及方法，通过建立精准的太阳阵、蓄电池、负载模型，更加准确地对电源分系统参数进行设计及评估，为卫星电源分系统参数的低成本设计提供依据，提高卫星电源系统的在轨使用效率。
本发明的技术解决方案是：一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统，包括太阳阵模型、蓄电池组模型、分流回路模型、第一受控电流源模型、第二受控电流源模型、集成监测和控制模块，其中：
太阳阵模型：选取某种规格的太阳电池片模型进行串并联后得到，太阳阵模型的两端分别连接母线正线及回线；
蓄电池组模型：选取某种规格的蓄电池单体模型进行串并联后得到，蓄电池组模型的两端分别连接母线正线及回线；
分流回路模型：包括MOS管及二极管，MOS管导通时太阳阵模型电流经MOS管回流；MOS管关闭时，太阳阵模型电流经二极管流向母线；
第一受控电流源模型：用于模拟电源控制器功耗，电流Is＝Ps/Vbus，其中Vbus为母线电压，Ps为电源控制器功耗；第一受控电流源模型的两端分别连接母线正线及回线；
第二受控电流源模型：用于模拟卫星负载功耗，电流Il＝Pl/Vbus，其中Pl为卫星负载功耗；第二受控电流源模型两端分别连接母线正线及回线；
集成监测和控制模块：用于对太阳阵模型、蓄电池组模型的电压，以及第一受控电流源模型、第二受控电流源模型的电流进行监测，对所述MOS管的通断进行控制。
进一步的，所述的太阳电池片模型，既包含太阳电池片的质量、尺寸信息，又包含太阳电池片的输出电压、电流信息。
优选的，所述的太阳电池片模型从太阳电池片模型库中提取获得，太阳电池片模型库通过收集不同型号规格的太阳电池片的相关信息构建。
进一步的，所述的蓄电池单体模型，既包含蓄电池单体的质量、尺寸信息，又包含蓄电池单体的输出电压、电流信息。
优选的，所述的蓄电池单体模型从蓄电池单体模型库中提取获得，蓄电池单体模型库通过收集不同型号规格的蓄电池单体的相关信息构建。
进一步的，所述的集成监测和控制模块包括安时计模块、母线电压采样模块、分流控制模块，其中：
安时计模块：监测蓄电池组模型的充放电电流，将电流对时间进行积分，得出蓄电池组模型的充放电安时数；
母线电压采样模块：监测母线电压；
分流控制模块：产生控制MOS管的PWM信号，通过控制PWM信号占空比，维持母线电压不超过蓄电池充电电压限制值。
进一步的，所述的第一受控电流源模型电压电流为关联参考方向，第一受控电流源模型消耗功率。
进一步的，所述的第二受控电流源模型电压电流为关联参考方向，第二受控电流源模型消耗功率。
一种利用能量平衡仿真分析系统进行仿真分析的方法，包括如下步骤：
(1)获取卫星在轨的太阳电池光照条件、卫星负载功耗数据；
(2)根据能量平衡经验公式的计算结果，制定代表着太阳电池单体选型及串并联设计、蓄电池单体选型及串并联设计的测试序列；所述的测试系列包括一系列测试方案，每一测试方案对应不同的太阳电池单体选型及其串并联形式、蓄电池单体选型及其串并联形式；
(3)根据当前测试方案所表示的太阳电池单体选型及串并联设计形成太阳阵模型；根据当前测试方案所表示的蓄电池单体选型及串并联设计形成蓄电池组模型；
(4)利用能量平衡仿真分析系统进行仿真，通过闭环仿真维持母线电压，实时计算并记录太阳阵模型电流、电压，蓄电池组模型电压、电流、充放电容量；
(5)实时判断蓄电池组模型的放电深度、充放电倍率是否满足当前蓄电池单体的使用要求，如果满足则执行下一步骤，如果不满足则结束当前测试方案的仿真分析，进入步骤(8)；
(6)判断当前测试方案是否满足能量平衡，如过满足则执行下一步，如果不满足则结束当前测试方案的仿真分析，进入步骤(8)；
(7)利用评价函数，综合考虑当前测试方案的重量、体积、成本进行评分；
(8)将当前测试方案更新为测试序列中下一个测试方案，并返回步骤(4)；若整个测试序列执行完毕则进入下一步；
(9)选取评分最高的测试方案作为最优能量平衡方案。
进一步的，判断当前测试方案是否满足能量平衡，具体为：判定仿真前后蓄电池组电压变化量△U>0是否成立，如果成立则当前测试方案满足能量平衡。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过建立较为精准的太阳电池单片、蓄电池单体的物理模型代替粗略的数学模型，可以反映出太阳电池光照角度、温度等参数的动态变化对太阳阵输出电压、电流的影响；可以反映出蓄电池组充放电过程中的电压动态变化过程，相比以往的能量平衡分析方法更加精准；
(2)本发明使用受控源模拟载荷功耗及控制器静态功耗，通过受控源功率参数的动态变化反映出卫星在不同时刻的负载功耗情况，相比以往的能量平衡分析方法更加精准；
(3)本发明通过分析太阳阵及蓄电池组模型中的机械信息，以重量、体积、成本为评价影响因子，为满足能量平衡要求的太阳阵及蓄电池组参数的设计方案进行评分。通过遍历制定的太阳电池单体、蓄电池单体选型及串并联设计测试序列，能够找到最优的太阳阵及蓄电池组设计方案，为真实卫星电源系统的设计提供可靠依据。
附图说明
图1为本发明系统的组成原理框图；
图2为本发明方法的流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明方法做进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明系统的组成原理框图，主要包括太阳电池片模型、太阳阵模型、蓄电池单体模型、蓄电池组模型、分流回路模型、第一受控电流源模型(模拟静态功耗)、第二受控电流源模型(模拟整星负载)、集成监测和控制模块。
太阳电池片模型：模型中既包含太阳电池片的质量、尺寸等机械信息，又包含输出电压、电流等电性能信息，从而较精准体现太阳电池片的机械特性及电性能信息。根据不同型号规格的太阳电池片的特点，收集每一种类型太阳电池片的相关信息，可以构建太阳电池片模型库以供仿真分析时灵活选取。
太阳阵模型：从太阳电池片模型库中选取某种规格的太阳电池片模型进行串并联组成太阳阵模型。太阳阵模型的两端分别连接母线正线及回线。
蓄电池单体模型：模型中既包含蓄电池单体的质量、尺寸等机械信息，又包含输出电压、电流等电性能信息，从而较精准体现蓄电池单体的机械特性及电性能信息。根据不同型号规格的蓄电池单体的特点，收集每一种类型蓄电池单体的相关信息，可以构建蓄电池单体模型库以供仿真分析时灵活选取。
蓄电池组模型：从蓄电池单体模型库中选取某种规格的蓄电池单体模型进行串并联组成蓄电池组模型。
分流回路模型：包括MOS管及二极管，MOS管导通时太阳阵模型电流经MOS管回流，MOS管关闭时，太阳阵模型电流经二极管流向母线。
第一受控电流源模型(模拟静态功耗)：模拟电源控制器功耗，电流Is由母线电压Vbus和电源控制器功耗Ps计算而得，Is＝Ps/Vbus。电压电流为关联参考方向，该受控电流源消耗功率，从而较精准体现电源控制器功耗信息。第一受控电流源模型的两端分别连接母线正线及回线。
第二受控电流源模型(模拟整星负载)：模拟卫星负载功耗，电流Il由母线电压Vbus和卫星负载功耗Pl计算而得，Il＝Pl/Vbus。电压电流为关联参考方向，该受控电流源消耗功率，从而较精准体现卫星负载的功耗信息。第二受控电流源模型两端分别连接母线正线及回线。
集成监测和控制模块：又进一步包括安时计模块、母线电压采样模块、分流控制模块，
安时计模块：监测蓄电池组模型的充放电电流，将电流对时间进行积分，得出蓄电池组模型的充放电安时数。
母线电压采样模块：监测母线电压。
分流控制模块：产生控制MOS管的PWM信号，通过控制PWM信号占空比，维持母线电压不超过蓄电池充电电压限制值。
图1所示的仿真模型，可以在MATLAB/Simulink绘制，按照图中的连接关系，获得不调节母线电路连接仿真模型。通过建立太阳电池片模型库、蓄电池单体模型库、不调节母线电路连接模型，根据电源分系统参数调用库文件生成太阳阵模型、蓄电池组模型，将卫星工况主要是光照条件及负载情况输入仿真模型，通过监测及控制模块实现母线电压的闭环仿真控制，并为能量平衡仿真情况提供判据。根据能量平衡仿真结果对电源分系统参数进行优化设计。
如图2所示，在构建了如图1所示的不调节母线电路连接仿真模型之后，可以采用如下方式对每种设计方案进行仿真模拟，具体包括：
步骤1：将卫星在轨的太阳电池光照条件、卫星负载功耗等数据传入已建立的不调节母线电路连接仿真模型；
步骤2：根据能量平衡经验公式的计算结果，制定代表着太阳电池单体选型及串并联设计、蓄电池单体选型及串并联设计的测试序列(一系列测试方案)；
步骤3：根据当前测试方案所表示的太阳电池单体选型及串并联设计形成太阳阵模型；
步骤4：根据当前测试方案所表示的蓄电池单体选型及串并联设计形成蓄电池组模型；
步骤5：仿真，通过闭环仿真维持母线电压，实时计算并记录太阳阵模型电流、电压，蓄电池组模型电压、电流、充放电容量等数据；
步骤6：实时判断蓄电池组模型的放电深度、充放电倍率是否满足当前蓄电池单体的使用要求，如是，则执行步骤7，如否，则结束当前测试方案的仿真分析；
步骤7：判断是否完成当前测试方案的仿真分析，如是，则执行步骤8，如否，则返回步骤5继续进行仿真分析；
步骤8：判断当前测试方案是否满足能量平衡，即仿真前后蓄电池组电压变化量△U>0，如是，则执行步骤8，如否，则结束当前测试方案的仿真分析；
步骤9：利用评价函数，综合考虑当前测试方案的重量、体积、成本等因素进行评分；
步骤10：判断当前测试方案是否为最优能量平衡方案，如是，则执行步骤11，如否，则执行步骤12；
步骤11：记录当前测试方案作为最优能量平衡方案；
步骤12：判断测试序列是否执行完毕，如是，则结束测试，如否，则执行步骤13；
步骤13：将当前测试方案更新为测试序列中下一个测试方案，并返回步骤3。
根据图2所示基本流程，在MATLAB中编制测试m脚本，其中太阳阵的温度、光照条件等参数传入Simulink模型，卫星负载的功率情况等参数传入Simulink模型，记录仿真过程中太阳阵及蓄电池的电压、电流等相关参数，找到最优的电源分系统能量平衡设计方案。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统，其特征在于：包括太阳阵模型、蓄电池组模型、分流回路模型、第一受控电流源模型、第二受控电流源模型、集成监测和控制模块，其中：
太阳阵模型：选取某种规格的太阳电池片模型进行串并联后得到，太阳阵模型的两端分别连接母线正线及回线；
蓄电池组模型：选取某种规格的蓄电池单体模型进行串并联后得到，蓄电池组模型的两端分别连接母线正线及回线；
分流回路模型：包括MOS管及二极管，MOS管导通时太阳阵模型电流经MOS管回流；MOS管关闭时，太阳阵模型电流经二极管流向母线；
第一受控电流源模型：用于模拟电源控制器功耗，电流Is＝Ps/Vbus，其中Vbus为母线电压，Ps为电源控制器功耗；第一受控电流源模型的两端分别连接母线正线及回线；
第二受控电流源模型：用于模拟卫星负载功耗，电流Il＝Pl/Vbus，其中Pl为卫星负载功耗；第二受控电流源模型两端分别连接母线正线及回线；
集成监测和控制模块：用于对太阳阵模型、蓄电池组模型的电压，以及第一受控电流源模型、第二受控电流源模型的电流进行监测，对所述MOS管的通断进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统，其特征在于：所述的太阳电池片模型，既包含太阳电池片的质量、尺寸信息，又包含太阳电池片的输出电压、电流信息。
3.根据权利要求2所述的一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统及方法，其特征在于：所述的太阳电池片模型从太阳电池片模型库中提取获得，太阳电池片模型库通过收集不同型号规格的太阳电池片的相关信息构建。
4.根据权利要求1所述的一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统，其特征在于：所述的蓄电池单体模型，既包含蓄电池单体的质量、尺寸信息，又包含蓄电池单体的输出电压、电流信息。
5.根据权利要求4所述的一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统，其特征在于：所述的蓄电池单体模型从蓄电池单体模型库中提取获得，蓄电池单体模型库通过收集不同型号规格的蓄电池单体的相关信息构建。
6.根据权利要求1所述的一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统，其特征在于：所述的集成监测和控制模块包括安时计模块、母线电压采样模块、分流控制模块，其中：
安时计模块：监测蓄电池组模型的充放电电流，将电流对时间进行积分，得出蓄电池组模型的充放电安时数；
母线电压采样模块：监测母线电压；
分流控制模块：产生控制MOS管的PWM信号，通过控制PWM信号占空比，维持母线电压不超过蓄电池充电电压限制值。
7.根据权利要求1所述的一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统，其特征在于：所述的第一受控电流源模型电压电流为关联参考方向，第一受控电流源模型消耗功率。
8.根据权利要求1所述的一种卫星电源分系统的能量平衡仿真分析系统，其特征在于：所述的第二受控电流源模型电压电流为关联参考方向，第二受控电流源模型消耗功率。
9.一种利用权利要求1所述的能量平衡仿真分析系统进行仿真分析的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)获取卫星在轨的太阳电池光照条件、卫星负载功耗数据；
(2)根据能量平衡经验公式的计算结果，制定代表着太阳电池单体选型及串并联设计、蓄电池单体选型及串并联设计的测试序列；所述的测试系列包括一系列测试方案，每一测试方案对应不同的太阳电池单体选型及其串并联形式、蓄电池单体选型及其串并联形式；
(3)根据当前测试方案所表示的太阳电池单体选型及串并联设计形成太阳阵模型；根据当前测试方案所表示的蓄电池单体选型及串并联设计形成蓄电池组模型；
(4)利用能量平衡仿真分析系统进行仿真，通过闭环仿真维持母线电压，实时计算并记录太阳阵模型电流、电压，蓄电池组模型电压、电流、充放电容量；
(5)实时判断蓄电池组模型的放电深度、充放电倍率是否满足当前蓄电池单体的使用要求，如果满足则执行下一步骤，如果不满足则结束当前测试方案的仿真分析，进入步骤(8)；
(6)判断当前测试方案是否满足能量平衡，如过满足则执行下一步，如果不满足则结束当前测试方案的仿真分析，进入步骤(8)；
(7)利用评价函数，综合考虑当前测试方案的重量、体积、成本进行评分；
(8)将当前测试方案更新为测试序列中下一个测试方案，并返回步骤(4)；若整个测试序列执行完毕则进入下一步；
(9)选取评分最高的测试方案作为最优能量平衡方案。
10.根据权利要求9所述的能量平衡仿真分析系统进行仿真分析的方法，其特征在于：判断当前测试方案是否满足能量平衡，具体为：判定仿真前后蓄电池组电压变化量△U>0是否成立，如果成立则当前测试方案满足能量平衡。
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