基于LabVIEW的衛(wèi)星電源系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

許 薇，王 仲，于智航，呼文韜，周春亮

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.天津大學(xué)，天津300072)

基于LabVIEW的衛(wèi)星電源系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

許 薇1,2，王 仲2，于智航1，呼文韜1，周春亮1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.天津大學(xué)，天津300072)

衛(wèi)星電源系統(tǒng)仿真對(duì)電源的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。通過(guò)分析和研究衛(wèi)星電源系統(tǒng)三個(gè)單機(jī)的工作原理和工作特性，建立了單機(jī)的純數(shù)學(xué)模型，通過(guò)LabVIEW實(shí)現(xiàn)模型仿真并搭建了電源系統(tǒng)的軟件仿真平臺(tái)。通過(guò)設(shè)置單機(jī)模型參數(shù)以及軌道參數(shù)，可以模擬衛(wèi)星在軌運(yùn)行的工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)輸出仿真數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果和某衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，證明該仿真可以正確地模擬衛(wèi)星在軌飛行時(shí)電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

衛(wèi)星電源系統(tǒng)；仿真；數(shù)學(xué)模型

衛(wèi)星電源系統(tǒng)是航天器服務(wù)系統(tǒng)中的重要組成部分，航天器要完成復(fù)雜的飛行任務(wù)，必須以電源系統(tǒng)安全、持續(xù)、可靠的供電為前提，因此，電源系統(tǒng)仿真研究在設(shè)計(jì)過(guò)程中是非常重要的，建立合理、有效并適合于衛(wèi)星電源系統(tǒng)的仿真模型，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中十分關(guān)鍵。

衛(wèi)星電源系統(tǒng)的仿真涉及光電、電化學(xué)、電路以及航天等多學(xué)科領(lǐng)域，研究人員可以通過(guò)STK進(jìn)行軌道計(jì)算，VTB、Matlab/Simulink、Spice等電路仿真軟件或者真實(shí)的電源控制器，結(jié)合太陽(yáng)電池陣、蓄電池組的數(shù)學(xué)模型或模擬器進(jìn)行電源系統(tǒng)的仿真，涉及多種儀器設(shè)備和多種專業(yè)軟件，實(shí)施起來(lái)比較復(fù)雜，成本也比較高[1-5]。

本文介紹了一種純數(shù)學(xué)模型建立的衛(wèi)星電源系統(tǒng)仿真方法，通過(guò)建立太陽(yáng)電池陣、蓄電池和電源控制器的數(shù)學(xué)模型，搭建系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，根據(jù)衛(wèi)星軌道信息及電源系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，從而模擬衛(wèi)星電源系統(tǒng)在軌運(yùn)行的整個(gè)工作狀態(tài)變化并計(jì)算出關(guān)鍵指標(biāo)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工作過(guò)程仿真，驗(yàn)證電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 仿真環(huán)境介紹

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)的軟件產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，它可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過(guò)程監(jiān)控和自動(dòng)測(cè)試等實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域常用軟件的開(kāi)發(fā)。LabVIEW環(huán)境下編寫(xiě)的文件稱為VI(Virtual Instruments)，每一個(gè)VI都具有可視化的前面板和程序編寫(xiě)窗口，可以清晰地顯示程序的數(shù)據(jù)流和輸入輸出，方便設(shè)計(jì)人員的調(diào)試，LabVIEW還封裝了很多實(shí)現(xiàn)基本功能的控件模板，加快了軟件編寫(xiě)的速度，非常適合工程人員使用。本文使用該環(huán)境進(jìn)行模型仿真，能夠快捷地修改模型參數(shù)，進(jìn)行仿真過(guò)程控制，并以圖表形式觀察仿真數(shù)據(jù)，使用簡(jiǎn)單，方便電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師使用。

2 系統(tǒng)的組成

本文仿真的衛(wèi)星電源系統(tǒng)是基于低軌道衛(wèi)星展開(kāi)研究的。由于低軌道衛(wèi)星的軌道周期大多是在97 min左右，每天進(jìn)出影次數(shù)頻繁，電池組的充放電次數(shù)多，放電深度淺，同時(shí)太陽(yáng)電池陣每年經(jīng)受大量的溫度沖擊，因此對(duì)于低軌衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，建立電源系統(tǒng)仿真模型能夠掌握衛(wèi)星在軌運(yùn)行的工作狀態(tài)，尤其是壽命末期電源的能量供給情況，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初期提供方案的驗(yàn)證手段和參考數(shù)據(jù)。三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣、鎘鎳蓄電池和全調(diào)節(jié)電源控制器組成，這是目前低軌道衛(wèi)星較為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)組成，本文以該拓?fù)錇榛A(chǔ)，進(jìn)行電源系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)[6]。

3 仿真模型

3.1 太陽(yáng)電池陣的數(shù)學(xué)模型

太陽(yáng)電池陣是由太陽(yáng)電池片陣列組成的，因此只需要建立單片電池片的數(shù)學(xué)模型就可以獲得太陽(yáng)電池陣的模型。單片電池片的數(shù)學(xué)模型采用太陽(yáng)電池直流等效模型，原理如圖1所示，太陽(yáng)電池相當(dāng)于一個(gè)恒流源與理想二極管并聯(lián)，串聯(lián)電阻Rs代表電流流動(dòng)時(shí)的內(nèi)部電阻，并聯(lián)電阻Rsh代表流過(guò)N-P結(jié)的漏電流，理想的太陽(yáng)電池Rs=0，Rsh為無(wú)窮大。負(fù)載電流I等于光電流IS減去二極管電流Id和并聯(lián)電流Ish。當(dāng)負(fù)載電流為0時(shí)，電池的開(kāi)路電壓VOC可以表示為：

二極管電流由二極管電流表達(dá)式給出：

式中：Ir為二極管的飽和電流；q為電子電荷；A為二級(jí)管品質(zhì)因子；k為波爾茲曼常量；T為溫度。

圖1 太陽(yáng)電池片直流等效模型

描述太陽(yáng)電池性能的最重要的兩個(gè)參數(shù)為開(kāi)路電壓VOC和短路電流ISC，外壓電壓為零的情況下，可以忽略Id和Ish，那么ISC即為光電流IS。這種情況下通過(guò)負(fù)載的電流可以表示為[7]：

式中：vmp和imp為最佳工作點(diǎn)的電壓和電流。

太陽(yáng)電池的模型建立后就可以獲得任意工作點(diǎn)的輸出電壓和電流，為了進(jìn)一步描述在軌飛行狀態(tài)下太陽(yáng)電池陣的工作狀態(tài)，還需要考慮太陽(yáng)電池的輻照損傷引起的性能衰降。太陽(yáng)電池片的輻照損傷主要是由空間粒子造成的位移損傷，主要來(lái)自質(zhì)子和電子。本文采用文獻(xiàn)[8]中介紹的太陽(yáng)電池的位移損傷模型來(lái)計(jì)算質(zhì)子和電子引起的輻照衰降，從而獲得輻照衰降后開(kāi)路電壓點(diǎn)、短路電流點(diǎn)和最佳工作點(diǎn)的衰降數(shù)據(jù)，再通過(guò)公式(3)就可以獲得輻照后任意工作點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

太陽(yáng)電池陣是由若干片太陽(yáng)電池串并聯(lián)組成，上述模型描述的是一片太陽(yáng)電池片工作時(shí)輸出的電壓和電流，那么根據(jù)太陽(yáng)電池陣的串并聯(lián)數(shù)目就可以得到整個(gè)電池陣的數(shù)學(xué)模型。圖2為太陽(yáng)電池陣的模型仿真程序。

3.2 蓄電池的數(shù)學(xué)模型

圖2 太陽(yáng)電池陣模型仿真程序

蓄電池組電壓是反映其特性最直接的參數(shù)，影響蓄電池組電壓的因素主要有充放電電流、電池溫度、內(nèi)阻等，因此蓄電池組的仿真模型的關(guān)鍵就是建立蓄電池組電壓同其輸入?yún)?shù)和自身特性的關(guān)系表達(dá)式。目前常用的蓄電池的數(shù)學(xué)模型有等效電路模型[1]和基于物理過(guò)程模型[9-10]，鑒于后者的模型比較簡(jiǎn)單，而且可以有效地將工程中的電池?cái)?shù)據(jù)相結(jié)合，因此本文選用了文獻(xiàn)[9-10]使用的模型作為依據(jù)并進(jìn)行了改進(jìn)，從而建立蓄電池模型。

Bulter-Volmer方程是表述電化學(xué)極化的基本動(dòng)力學(xué)方程，而電池開(kāi)路時(shí)正負(fù)極之間的電位差，電池的電動(dòng)勢(shì)與溫度、活性物質(zhì)的濃度存在關(guān)系，能斯特方程很好地表示了這種關(guān)系，因此根據(jù)Bulter-Volmer方程和能斯特仿真建立蓄電池的單體模型。氫鎳蓄電池的電動(dòng)勢(shì)可用下面的方程來(lái)表示：

式中：R為摩爾氣體常數(shù)；T為電池溫度；F為法拉第常數(shù)；q為電池的荷電態(tài)。電池實(shí)際熱力學(xué)平衡電動(dòng)勢(shì)為1.521 V，鎘鎳蓄電池電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)S0為－0.5 mV/K，則：

考慮到電池的內(nèi)阻對(duì)電池兩端電壓的影響，電池兩端的電壓U用下面的方程表示，也就是鎘鎳蓄電池的充放電模型：

式中：RBat為電池的內(nèi)阻(歐姆內(nèi)阻)；ΔU為電池的極化電壓，這個(gè)參數(shù)根據(jù)電池的特性決定。圖3為蓄電池組模型仿真程序。

圖3 蓄電池組模型仿真程序

3.3 電源控制器的數(shù)學(xué)模型

電源控制器設(shè)計(jì)為全調(diào)節(jié)模式，根據(jù)外部輸入能量和向外部提供的能量來(lái)控制電源系統(tǒng)的兩個(gè)能量單元的工作狀況，以及電源控制器自身的工作狀態(tài)。電源控制器一般由主誤差放大器(MEA)、充電調(diào)節(jié)器(BCR)、放電調(diào)節(jié)器(BDR)和分流調(diào)節(jié)器(S3R)組成，由于需要控制蓄電池充放電狀態(tài)和過(guò)程控制，一般還配置電量計(jì)或者電池的V-T控制單元。圖4為完成電源控制器仿真模型需要設(shè)計(jì)的幾個(gè)子模塊，其中數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)各子模塊互相交互以及外部輸入數(shù)據(jù)處理。圖5所示為電源控制器仿真模型中各子模塊的通信關(guān)系，其中BDR為兩個(gè)，同時(shí)處于工作狀態(tài)。

圖4 電源控制器仿真模塊部件分解圖

圖5 電源控制器仿真模塊通信關(guān)系

電源控制器實(shí)現(xiàn)三域調(diào)節(jié)的功能，MEA根據(jù)母線電壓的變化向BCR、BDR和S3R發(fā)出控制信號(hào)，控制信號(hào)是MEA的輸出電壓，上述三個(gè)模塊判斷自身是否繼續(xù)工作；S3R的分流計(jì)數(shù)控制同樣是由MEA的輸出電壓控制，電壓越高，分流的級(jí)數(shù)越大。圖6為電源控制器模型仿真程序。

圖6 電源控制器模型仿真程序

4 仿真結(jié)果

三個(gè)單機(jī)的模型建立完成后，通過(guò)LabVIEW建立一個(gè)調(diào)度管理平臺(tái)，進(jìn)行單機(jī)參數(shù)和仿真參數(shù)的配置，控制仿真進(jìn)程，仿真結(jié)果以圖表形式顯示，并將仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

4.1 模型參數(shù)設(shè)置

太陽(yáng)電池陣需要設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表1。

蓄電池組需要設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表2。

電源控制器需要設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表3。

仿真參數(shù)是指仿真的開(kāi)始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、仿真步長(zhǎng)和延時(shí)，需要設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表4。

表1 太陣電池陣參數(shù)

表2 蓄電池組參數(shù)

表3 電源控制器參數(shù)

表4 仿真參數(shù)

負(fù)載可以自行設(shè)置，由于衛(wèi)星飛行過(guò)程的大部分時(shí)間為常值功率工作，因此本文設(shè)置每圈均為恒功率工作，需要設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 負(fù)載參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果

圖7 太陽(yáng)陣輸出電流、母線電壓、蓄電池組電壓

圖8 分流級(jí)數(shù)、充電電流、放電電流

本文的仿真過(guò)程覆蓋了衛(wèi)星運(yùn)行過(guò)程中的光照期和地影期。太陽(yáng)電池陣受太陽(yáng)光照射時(shí)，為負(fù)載提供功率，若功率富余且蓄電池組需要?jiǎng)t還為蓄電池組充電。隨著軌道的變化太陽(yáng)電池陣輸出的電流會(huì)隨之調(diào)整，此時(shí)由電源控制器來(lái)調(diào)整充電電流和分流級(jí)數(shù)，以保證為負(fù)載提供足夠的功率。仿真的部分結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8。仿真的初始狀態(tài)為光照期開(kāi)始，母線電壓和電池組的初始值分別設(shè)置為29.3和28.0 V。地影期，蓄電池組放電為負(fù)載提供功率，此時(shí)電源控制器將母線電壓穩(wěn)定在28 V，太陽(yáng)電池陣無(wú)功率輸出。光照期，太陽(yáng)電池陣為負(fù)載提供功率并對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，第一階段為15 A充電，然后轉(zhuǎn)到9 A充電，直至充滿。此后蓄電池組充滿后，充電電流為零，電池組會(huì)進(jìn)入一個(gè)緩慢的自放電狀態(tài)，當(dāng)太陽(yáng)陣提供的功率富余時(shí)，分流器會(huì)將多余的能量進(jìn)行分流處理，根據(jù)MEA輸出的電壓來(lái)判斷分流級(jí)數(shù)，電壓越大，電流越大，分流級(jí)數(shù)越多。當(dāng)再次進(jìn)入地影期后，蓄電池組再一次進(jìn)行放電，為負(fù)載提供功率。

太陽(yáng)電池陣的輻照衰降是在長(zhǎng)期的運(yùn)行中體現(xiàn)出性能的衰降，本文中只列舉進(jìn)行了2圈的仿真，衰降數(shù)據(jù)降低微小，只能在數(shù)據(jù)中比較出差別，運(yùn)行多圈仿真后可明顯看出初期和末期太陽(yáng)電池陣的衰降。

5 結(jié)論

本文建立的電源系統(tǒng)仿真是由純數(shù)學(xué)模型構(gòu)成的，在Lab-VIEW的開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建了仿真平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)配置和修改，模擬了電源系統(tǒng)在軌運(yùn)行的能量變化情況。經(jīng)對(duì)比，仿真數(shù)據(jù)和在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)相符合，證明本仿真能夠?yàn)殡娫聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程提供一定的參考，同時(shí)仿真不依賴其他硬件設(shè)備，使用方便，適合在設(shè)計(jì)階段作為方案驗(yàn)證的一個(gè)手段。

[1]鄒湘文，潘孟春，陳棣湘，等.衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的聯(lián)合仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2007，24(7)：69-73.

[2]趙翔宇.衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2009，43(2)：228-233.

[3]簡(jiǎn)彬.衛(wèi)星電源系統(tǒng)半實(shí)物仿真研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[4]宋暉.微小衛(wèi)星的一體化仿真環(huán)境及電源系統(tǒng)仿真技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.

[5]崔文聰.天文衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析與仿真[D].北京：中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，2004.

[6]徐偉.低軌道長(zhǎng)壽命衛(wèi)星電源特點(diǎn)分析[J].電源技術(shù)，2009(12)：1095-1096.

[7]ZIMMERMANN S,LUCA A D,DEFOUG S,et al.A power system analysis and selection for a reference LEO satellite using the powercap tool[C]//Proceedings of the 8th European Space Power Conference.Constance,Germany:European Space Agency,2008.

[8]呼文韜，張巖松.三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池粒子輻照位移損傷模型簡(jiǎn)化[J].電源技術(shù)，2013，37(3)：401-403.

[9]LIU S Y,DOUGAL R A,WEIDNER J W,et al.A simplified physicsbased model for nickel hydrogen battery[J].J Power Sources,2004 (9):326-330.

[10]GOMADAM P M,WEIDNER J W,DOUGAL R A,et al.Mathematical modeling of lithium-ion and nickel battery systems[J]. Journal of Power Sources,2002,110:267-284.

Simulation design of satellite power source system based on LabVIEW

XU Wei1,2,WANG Zhong2,YU Zhi-hang1,HU Wen-tao1,ZHOU Chun-liang1
(1.Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China;2.Tianjin University,Tianjin 300072,China)

The simulation of satellite power source system (PSS)has guiding role for the design.According to the operation principal and characteristic of three single machines,the mathematical model of solar array was built.The model simulation and software simulation platform were established by LabVIEW.Through setting up model and orbit parameters, the in-orbit work state of satellite could be simulated and the simulating data could be outputted. Through comprising the simulating data and telemetry data of one satellite in-orbit,it verifies that the simulation can correctly simulate the work state of PSS of the satellite in-orbit.

satellite power source system;simulation;mathematical model

TM 91

A

1002-087 X(2015)08-1729-04

2015-03-10

許薇(1981—)，女，黑龍江省人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真。