空間電源性能測試仿真系統設計與實現

曹夢磊，張緒斌，張義超，張占峰

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

太陽能是衛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已普遍應用在航天器電源系統中，其中電源控制器是太陽能供配電系統的重要設備，它負責太陽電池陣分流調節、母線電壓調節與控制、蓄電池的充放電以及負載能量分配等功能[1]。采用太陽能供配電的航天器在地面進行電源系統測試時，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性能滿足設計要求。因此，對太陽能電源系統各組成模塊進行研究，建立數學模型進行全系統模擬仿真，是進行電源系統設計和驗證的必要手段。

任航等[2]考慮了光照強度和電池溫度兩種因素對太陽電池輸出特性的影響，采用太陽電池的實用化數學模型，利用MODELS語言搭建通用仿真模型，研究不同型號太陽電池板隨著光照強度和溫度變化的伏安特性和功率特性。肖夏等[3]、Gupta等[4]對太陽電池等效電路、輸出特性和最大功率點跟蹤原理進行了研究，利用Matlab/Simulink構建通用型光伏系統仿真模型，驗證所提出的數學模型的準確性。

王超等[5]主要研究了航天大功率電源控制器PCU的自動化測試技術，提出了PCU跨域負載瞬變情況、母線電壓波動范圍等性能指標的自動化測試方法。王鵬鵬等[6]、崔文聰等[7]、鄒湘文等[8]、Colombo等[9]主要研究電源能量平衡仿真系統，通過Simulink或VTB軟件編程設置太陽電池陣、蓄電池組、電源控制器各模塊參數和負載功率，借助衛星工具包STK軟件中的實時參數(主要包括太陽位置坐標及衛星位置坐標等參數)進行聯合數學仿真，仿真太陽電池陣輸出能量，蓄電池能量等數據。Neji等[10]提出一種電源系統架構用于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度的影響，設計了一種智能型最大功率點跟蹤模糊算法，利用Simulink模型搭建了分層模糊邏輯控制器架構，根據設定的模糊控制規則輸出子系統工作模式狀態進行星上電源管理。Beukes等[11]提出基于SunSat衛星電源系統的仿真工具，該仿真工具對太陽電池陣、蓄電池和能源管理單元進行了數學建模，基于該仿真工具進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仿真研究較多，而基于硬件設備搭建仿真系統開展空間動態環境下電源系統性能的研究較少。本文提出一種基于空間電源控制器的半實物仿真系統，主要由電源控制器、太陽電池模擬陣、蓄電池模擬器、程控電子負載和仿真微機組成。以電源控制器為被測對象，搭建的仿真系統可對航天器上的電源系統性能進行測試，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，并且實時模擬航天器在空間各種狀態下太陽電池陣的輸出特性，包括不同軌道、太陽光照角、進出地影等狀態條件下的輸出。

1 系統框架設計及工作原理

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

圖1 電源性能測試仿真系統框架圖

系統控制主機用于完成對仿真設備參數的設置、被測產品的指令施加、測試過程控制、測試仿真和數據處理；LAN總線集線器將各設備集成在一起，并通過LAN總線與主機進行通信；太陽電池模擬陣能夠按照仿真軟件的仿真結果實時輸出太陽電池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的輸出功能，進而驗證電源控制器的相關功能；程控直流負載提供航天器上電源系統模擬負載，可用于產品帶載能力測試和老煉測試；指令和數據采集模塊完成對被測產品輸出的溫度、電壓、電流的采集。

整個測試仿真系統工作原理如圖2所示，以電源控制與分配器(PCDU)為被測對象，主要由太陽電池模擬陣列模塊、蓄電池模擬模塊、程控電子負載模塊和仿真數據控制模塊組成。

太陽電池模擬陣列模塊：接收仿真數據控制模塊傳輸的輸入參數，根據輸入參數動態模擬太陽電池陣產生電能，將產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，或者向程控電子負載供電。

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

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

仿真數據控制模塊：根據太陽電池陣的在軌工作參數，生成太陽電池模擬陣仿真輸入參數，將其傳輸給太陽能模擬陣列模塊；設置各模塊仿真參數、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、太陽電池模擬陣列模塊的輸出參數、蓄電池模擬模塊的輸出參數。

2 系統硬件設備設計

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，具有輸出性能優良、響應速度快以及體積小等優點，并具備遠程通信控制能力，主要技術參數指標如表1所示，仿真時可根據功率需求采用多個模塊并聯。

表1 太陽電池模擬陣列主要技術參數表

2.2 程控直流電子負載

程控直流電子負載用于仿真航天器中各種用電設備的實時工作狀態，選用NGI公司生產的N6102多通道程控直流電子負載，有恒流、恒壓、恒功率模式可供選擇，具有高精度、高可靠性等優點，每個通道可并聯疊加增加使用功率，主要技術參數指標如表2所示。

表2 程控直流電子負載主要技術參數表

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動態直流電源和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、連續的工作模式切換，主要技術參數指標如表3所示，仿真時可根據負載功率需求采用多個N7909A耗散器組合并聯。

表3 蓄電池模擬器主要技術參數表

2.4 指令和數據采集模塊

指令模塊用于向電源系統設備發送指令，采用開關三極管設計的OC門脈沖模式，正常工作電壓可達28V，最高36V，驅動電流可達300mA，主要技術參數指標如表4所示。

表4 指令模塊主要技術參數表

數據采集模塊用于電源系統中各種電壓信號的采集和處理，配合上位機軟件，可實現多通道數據采集、存儲和處理，主要技術參數指標如表5所示。

表5 數據采集模塊主要技術參數表

2.5 控制主機

為了使整個系統集成度更高，系統結構更輕便，體積更小，電源性能仿真系統選用工業平板電腦SHP-190TA為系統控制主機，該產品主要技術參數指標如表6所示。

表6 控制主機主要技術參數表

所有系統設備采用標準19英寸機箱集成在機柜中，如圖3所示。考慮通用性，整個系統對外接口通過后面板上的統一化接口與被測產品進行相連，圖4為后面板布局圖。

圖3 電源性能仿真系統硬件設備集成實物圖

圖4 統一化接口后面板布局圖

3 系統軟件設計

系統軟件基于Lab Windows/CVI開發，軟件設計在于實現各個子系統協調配合工作，構成一個有機的整體，整個軟件采用集中界面管理模式，具有良好的人機交互能力。電源性能仿真系統軟件按功能可分為系統管理模塊、主控制模塊、測試配置和執行模塊、太陽電池輸出仿真模塊、數據管理模塊和數據顯示模塊共6大部分，圖5為軟件功能框圖。

3.1 數據管理模塊

數據管理模塊的具體功能包括：1)支持電源性能測試仿真系統采集的所有數據的存儲、查看；2)支持太陽電池仿真數據的存儲、查看；3)支持數據有選擇性的導出。系統運行時主要產生兩種數據，一種是STK仿真軟件仿真產生的太陽能光強的數據記錄，一種是采集卡采集到的電壓數據。兩種數據都以時間為主線，以通道劃分，在SQL Server中以數據表的形式存儲。

3.2 系統管理模塊

系統管理模塊旨在對系統使用用戶進行登記、錄入和級別權限控制，保證系統操作安全，用戶管理數據流圖如圖6所示。系統管理模塊中設備管理項能夠完成對測試設備的添加、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 電源性能仿真系統軟件功能框圖

圖6 用戶權限管理數據流示意圖

3.3 主控制模塊

主控制模塊用于對系統的配置資源進行配置，用戶根據不同的需要對各系統模塊進行輸入輸出設置，形成測試序列用于系統測試，系統中配置的各資源均可單獨控制開關，也可通過調用配置文件的方式實現一鍵配置。

3.4 測試配置和執行模塊

測試配置和執行模塊提供可視化圖形界面環境引導開發人員輸入測試步驟、測試激勵儀器操作、提示信息等，完成測試配置開發任務。測試流程使用測試腳本和封裝好的固件庫形式實現測試的激勵施加，按照設定條件順序執行腳本序列。

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、材料特征等內容動態生成太陽電池整個軌道周期的I-V曲線，將生成的輸入參數傳輸給太陽能模擬陣列，生成的輸入參數包括開路電壓Uoc、短路電流Isc、最大功率點電壓Um、最大功率點電流Im。

圖7 三結砷化鎵太陽電池等效電路圖

圖7為三結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式如下

(1)

式中，i為三結砷化鎵光伏電池的層數，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；T為電池溫度；A為電池面積；Rsh、Rs分別為并聯電阻和串聯電阻。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電流

Im=AJm

(5)

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

3.6 數據顯示模塊

數據顯示模塊提供多種形式的數據顯示，數據顯示界面、軟面板界面均通過組態界面進行配置，并支持多區域設置，為各部件設定不同區域，便于用戶直觀查看。在數據呈現過程中，系統為用戶提供了依需所建的應用方式，可根據在線監視要求，快速構建監視頁面、控件添加、數據綁定等操作。

4 空間動態環境測試仿真

空間動態環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)根據太陽電池陣的在軌工作參數，設置STK仿真軟件軌道參數和姿態參數；根據蓄電池設計參數設置蓄電池模擬器輸出電壓、輸出電流和充電電流；根據負載參數，設置程控電子負載功率曲線；

2)太陽電池輸出模塊調用STK軟件計算出太陽能光強數據，根據工程化實用模型[2]計算I-V曲線數據表，太陽能模擬陣列動態模擬太陽電池陣產生電能；

3)被測對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，輸出相應的電壓電流給程控電子負載，程控電子負載根據負載實際功率參數，模擬消耗外部電源控制器的供電輸出；

4)系統在統一仿真周期控制下，周期性調用太陽能光強數據，實時驅動太陽能模擬陣列、蓄電池模擬器和程控電子負載輸出，數據采集模塊實時存儲電源控制器的輸出電壓電流等參數并對外顯示。

圖8 空間動態環境電源性能測試仿真流程圖

以MEO軌道上的衛星為例，進行一個軌道周期的仿真，太陽電池陣和軌道參數等主要仿真參數如表7所示，設置仿真時間從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

根據該飛行器的軌道參數理論計算在軌能量平衡情況。航天器單圈常規負載能量需求為

W1=P負載×T

(6)

式中，P負載為負載功率，T為軌道周期，計算得W1=12000W·h。

充電調節器、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光為光照期時間，計算得W2=13175W·h，因此W2>W1能量充足。

蓄電池放電調節器效率、放電回線線纜、插件等損耗因子取0.92，地影期蓄電池常規放電電量為

E1=P負載×T陰影÷0.92

(8)

式中，T陰影為陰影期時間，計算得E1=1739W·h。充電調節器、蓄電池組瓦時效率、線纜、插件等損耗因子取0.90，光照期對蓄電池充電能量為

E2=(P電池-P負載)×T光×0.9

(9)

計算得E2=3529W·h。因此E2>E1，航天器在軌單圈能量平衡。

按照表7中的參數開展仿真，太陽能模擬器輸出電壓和蓄電池電流的仿真結果如圖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果

通過仿真結果可以看出，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，在一個軌道周期內電源系統達到能量平衡。

5 結論

本文基于硬件設備搭建了由太陽電池模擬陣、蓄電池模擬器、電源控制器、程控電子負載和仿真計算機組成的電源性能測試仿真系統，通過定制化軟件控制仿真系統的運行，利用STK軟件模擬空間動態環境生成太陽電池模擬陣的仿真輸入參數，以MEO軌道衛星電源系統為例進行仿真。結果表明：該仿真系統可實時模擬衛星在軌期間電源系統各模塊的性能輸出，通過仿真結果可直觀反映出衛星在軌運行能量平衡情況，并與理論計算結果相一致，為空間電源系統的在軌運行提供了一種仿真測試工具。