基于LabVIEW的衛星電源系統仿真設計

許 薇，王 仲，于智航，呼文韜，周春亮

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

基于LabVIEW的衛星電源系統仿真設計

許 薇1,2，王 仲2，于智航1，呼文韜1，周春亮1

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

衛星電源系統仿真對電源的設計具有指導作用。通過分析和研究衛星電源系統三個單機的工作原理和工作特性，建立了單機的純數學模型，通過LabVIEW實現模型仿真并搭建了電源系統的軟件仿真平臺。通過設置單機模型參數以及軌道參數，可以模擬衛星在軌運行的工作狀態，并實時輸出仿真數據。仿真結果和某衛星的遙測數據進行比對，證明該仿真可以正確地模擬衛星在軌飛行時電源系統的工作狀態。

衛星電源系統；仿真；數學模型

衛星電源系統是航天器服務系統中的重要組成部分，航天器要完成復雜的飛行任務，必須以電源系統安全、持續、可靠的供電為前提，因此，電源系統仿真研究在設計過程中是非常重要的，建立合理、有效并適合于衛星電源系統的仿真模型，在系統開發過程中十分關鍵。

衛星電源系統的仿真涉及光電、電化學、電路以及航天等多學科領域，研究人員可以通過STK進行軌道計算，VTB、Matlab/Simulink、Spice等電路仿真軟件或者真實的電源控制器，結合太陽電池陣、蓄電池組的數學模型或模擬器進行電源系統的仿真，涉及多種儀器設備和多種專業軟件，實施起來比較復雜，成本也比較高[1-5]。

本文介紹了一種純數學模型建立的衛星電源系統仿真方法，通過建立太陽電池陣、蓄電池和電源控制器的數學模型，搭建系統的仿真平臺，根據衛星軌道信息及電源系統主要技術指標對系統進行配置，從而模擬衛星電源系統在軌運行的整個工作狀態變化并計算出關鍵指標的數據，實現工作過程仿真，驗證電源系統的設計方案。

1 仿真環境介紹

LabVIEW是美國國家儀器公司(NI)的軟件產品，是目前應用最廣、功能最強的圖形化軟件開發集成環境，它可以實現數據采集、儀器控制、過程監控和自動測試等實驗室研究和工業自動化領域常用軟件的開發。LabVIEW環境下編寫的文件稱為VI(Virtual Instruments)，每一個VI都具有可視化的前面板和程序編寫窗口，可以清晰地顯示程序的數據流和輸入輸出，方便設計人員的調試，LabVIEW還封裝了很多實現基本功能的控件模板，加快了軟件編寫的速度，非常適合工程人員使用。本文使用該環境進行模型仿真，能夠快捷地修改模型參數，進行仿真過程控制，并以圖表形式觀察仿真數據，使用簡單，方便電源系統設計師使用。

2 系統的組成

本文仿真的衛星電源系統是基于低軌道衛星展開研究的。由于低軌道衛星的軌道周期大多是在97 min左右，每天進出影次數頻繁，電池組的充放電次數多，放電深度淺，同時太陽電池陣每年經受大量的溫度沖擊，因此對于低軌衛星來說，建立電源系統仿真模型能夠掌握衛星在軌運行的工作狀態，尤其是壽命末期電源的能量供給情況，為系統的設計初期提供方案的驗證手段和參考數據。三結砷化鎵太陽電池陣、鎘鎳蓄電池和全調節電源控制器組成，這是目前低軌道衛星較為常見的結構組成，本文以該拓撲為基礎，進行電源系統的仿真模型設計[6]。

3 仿真模型

3.1 太陽電池陣的數學模型

太陽電池陣是由太陽電池片陣列組成的，因此只需要建立單片電池片的數學模型就可以獲得太陽電池陣的模型。單片電池片的數學模型采用太陽電池直流等效模型，原理如圖1所示，太陽電池相當于一個恒流源與理想二極管并聯，串聯電阻Rs代表電流流動時的內部電阻，并聯電阻Rsh代表流過N-P結的漏電流，理想的太陽電池Rs=0，Rsh為無窮大。負載電流I等于光電流IS減去二極管電流Id和并聯電流Ish。當負載電流為0時，電池的開路電壓VOC可以表示為：

二極管電流由二極管電流表達式給出：

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

圖1 太陽電池片直流等效模型

描述太陽電池性能的最重要的兩個參數為開路電壓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。這種情況下通過負載的電流可以表示為[7]：

式中：vmp和imp為最佳工作點的電壓和電流。

太陽電池的模型建立后就可以獲得任意工作點的輸出電壓和電流，為了進一步描述在軌飛行狀態下太陽電池陣的工作狀態，還需要考慮太陽電池的輻照損傷引起的性能衰降。太陽電池片的輻照損傷主要是由空間粒子造成的位移損傷，主要來自質子和電子。本文采用文獻[8]中介紹的太陽電池的位移損傷模型來計算質子和電子引起的輻照衰降，從而獲得輻照衰降后開路電壓點、短路電流點和最佳工作點的衰降數據，再通過公式(3)就可以獲得輻照后任意工作點的數據。

太陽電池陣是由若干片太陽電池串并聯組成，上述模型描述的是一片太陽電池片工作時輸出的電壓和電流，那么根據太陽電池陣的串并聯數目就可以得到整個電池陣的數學模型。圖2為太陽電池陣的模型仿真程序。

3.2 蓄電池的數學模型

圖2 太陽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，影響蓄電池組電壓的因素主要有充放電電流、電池溫度、內阻等，因此蓄電池組的仿真模型的關鍵就是建立蓄電池組電壓同其輸入參數和自身特性的關系表達式。目前常用的蓄電池的數學模型有等效電路模型[1]和基于物理過程模型[9-10]，鑒于后者的模型比較簡單，而且可以有效地將工程中的電池數據相結合，因此本文選用了文獻[9-10]使用的模型作為依據并進行了改進，從而建立蓄電池模型。

Bulter-Volmer方程是表述電化學極化的基本動力學方程，而電池開路時正負極之間的電位差，電池的電動勢與溫度、活性物質的濃度存在關系，能斯特方程很好地表示了這種關系，因此根據Bulter-Volmer方程和能斯特仿真建立蓄電池的單體模型。氫鎳蓄電池的電動勢可用下面的方程來表示：

式中：R為摩爾氣體常數；T為電池溫度；F為法拉第常數；q為電池的荷電態。電池實際熱力學平衡電動勢為1.521 V，鎘鎳蓄電池電動勢溫度系數S0為－0.5 mV/K，則：

考慮到電池的內阻對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為電池的內阻(歐姆內阻)；ΔU為電池的極化電壓，這個參數根據電池的特性決定。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 電源控制器的數學模型

電源控制器設計為全調節模式，根據外部輸入能量和向外部提供的能量來控制電源系統的兩個能量單元的工作狀況，以及電源控制器自身的工作狀態。電源控制器一般由主誤差放大器(MEA)、充電調節器(BCR)、放電調節器(BDR)和分流調節器(S3R)組成，由于需要控制蓄電池充放電狀態和過程控制，一般還配置電量計或者電池的V-T控制單元。圖4為完成電源控制器仿真模型需要設計的幾個子模塊，其中數據預處理模塊用來實現各子模塊互相交互以及外部輸入數據處理。圖5所示為電源控制器仿真模型中各子模塊的通信關系，其中BDR為兩個，同時處于工作狀態。

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系

電源控制器實現三域調節的功能，MEA根據母線電壓的變化向BCR、BDR和S3R發出控制信號，控制信號是MEA的輸出電壓，上述三個模塊判斷自身是否繼續工作；S3R的分流計數控制同樣是由MEA的輸出電壓控制，電壓越高，分流的級數越大。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 仿真結果

三個單機的模型建立完成后，通過LabVIEW建立一個調度管理平臺，進行單機參數和仿真參數的配置，控制仿真進程，仿真結果以圖表形式顯示，并將仿真的數據進行存儲。

4.1 模型參數設置

太陽電池陣需要設置的參數見表1。

蓄電池組需要設置的參數見表2。

電源控制器需要設置的參數見表3。

仿真參數是指仿真的開始時間、持續時間、仿真步長和延時，需要設置的參數見表4。

表1 太陣電池陣參數

表2 蓄電池組參數

表3 電源控制器參數

表4 仿真參數

負載可以自行設置，由于衛星飛行過程的大部分時間為常值功率工作，因此本文設置每圈均為恒功率工作，需要設置的參數見表5。

表5 負載參數

4.2 仿真結果

圖7 太陽陣輸出電流、母線電壓、蓄電池組電壓

圖8 分流級數、充電電流、放電電流

本文的仿真過程覆蓋了衛星運行過程中的光照期和地影期。太陽電池陣受太陽光照射時，為負載提供功率，若功率富余且蓄電池組需要則還為蓄電池組充電。隨著軌道的變化太陽電池陣輸出的電流會隨之調整，此時由電源控制器來調整充電電流和分流級數，以保證為負載提供足夠的功率。仿真的部分結果見圖7和圖8。仿真的初始狀態為光照期開始，母線電壓和電池組的初始值分別設置為29.3和28.0 V。地影期，蓄電池組放電為負載提供功率，此時電源控制器將母線電壓穩定在28 V，太陽電池陣無功率輸出。光照期，太陽電池陣為負載提供功率并對蓄電池組進行充電，第一階段為15 A充電，然后轉到9 A充電，直至充滿。此后蓄電池組充滿后，充電電流為零，電池組會進入一個緩慢的自放電狀態，當太陽陣提供的功率富余時，分流器會將多余的能量進行分流處理，根據MEA輸出的電壓來判斷分流級數，電壓越大，電流越大，分流級數越多。當再次進入地影期后，蓄電池組再一次進行放電，為負載提供功率。

太陽電池陣的輻照衰降是在長期的運行中體現出性能的衰降，本文中只列舉進行了2圈的仿真，衰降數據降低微小，只能在數據中比較出差別，運行多圈仿真后可明顯看出初期和末期太陽電池陣的衰降。

5 結論

本文建立的電源系統仿真是由純數學模型構成的，在Lab-VIEW的開發環境搭建了仿真平臺，可以實現對系統的參數配置和修改，模擬了電源系統在軌運行的能量變化情況。經對比，仿真數據和在軌衛星數據相符合，證明本仿真能夠為電源系統設計過程提供一定的參考，同時仿真不依賴其他硬件設備，使用方便，適合在設計階段作為方案驗證的一個手段。

[1]鄒湘文，潘孟春，陳棣湘，等.衛星電源分系統的聯合仿真[J].計算機仿真，2007，24(7)：69-73.

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

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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，主要研究方向為空間電源系統設計和仿真。