基于LabVIEW的卫星电源系统仿真设计

许 薇，王 仲，于智航，呼文韬，周春亮

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.天津大学，天津300072)

基于LabVIEW的卫星电源系统仿真设计

许 薇1,2，王 仲2，于智航1，呼文韬1，周春亮1

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.天津大学，天津300072)

卫星电源系统仿真对电源的设计具有指导作用。通过分析和研究卫星电源系统三个单机的工作原理和工作特性，建立了单机的纯数学模型，通过LabVIEW实现模型仿真并搭建了电源系统的软件仿真平台。通过设置单机模型参数以及轨道参数，可以模拟卫星在轨运行的工作状态，并实时输出仿真数据。仿真结果和某卫星的遥测数据进行比对，证明该仿真可以正确地模拟卫星在轨飞行时电源系统的工作状态。

卫星电源系统；仿真；数学模型

卫星电源系统是航天器服务系统中的重要组成部分，航天器要完成复杂的飞行任务，必须以电源系统安全、持续、可靠的供电为前提，因此，电源系统仿真研究在设计过程中是非常重要的，建立合理、有效并适合于卫星电源系统的仿真模型，在系统开发过程中十分关键。

卫星电源系统的仿真涉及光电、电化学、电路以及航天等多学科领域，研究人员可以通过STK进行轨道计算，VTB、Matlab/Simulink、Spice等电路仿真软件或者真实的电源控制器，结合太阳电池阵、蓄电池组的数学模型或模拟器进行电源系统的仿真，涉及多种仪器设备和多种专业软件，实施起来比较复杂，成本也比较高[1-5]。

本文介绍了一种纯数学模型建立的卫星电源系统仿真方法，通过建立太阳电池阵、蓄电池和电源控制器的数学模型，搭建系统的仿真平台，根据卫星轨道信息及电源系统主要技术指标对系统进行配置，从而模拟卫星电源系统在轨运行的整个工作状态变化并计算出关键指标的数据，实现工作过程仿真，验证电源系统的设计方案。

1 仿真环境介绍

LabVIEW是美国国家仪器公司(NI)的软件产品，是目前应用最广、功能最强的图形化软件开发集成环境，它可以实现数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试等实验室研究和工业自动化领域常用软件的开发。LabVIEW环境下编写的文件称为VI(Virtual Instruments)，每一个VI都具有可视化的前面板和程序编写窗口，可以清晰地显示程序的数据流和输入输出，方便设计人员的调试，LabVIEW还封装了很多实现基本功能的控件模板，加快了软件编写的速度，非常适合工程人员使用。本文使用该环境进行模型仿真，能够快捷地修改模型参数，进行仿真过程控制，并以图表形式观察仿真数据，使用简单，方便电源系统设计师使用。

2 系统的组成

本文仿真的卫星电源系统是基于低轨道卫星展开研究的。由于低轨道卫星的轨道周期大多是在97 min左右，每天进出影次数频繁，电池组的充放电次数多，放电深度浅，同时太阳电池阵每年经受大量的温度冲击，因此对于低轨卫星来说，建立电源系统仿真模型能够掌握卫星在轨运行的工作状态，尤其是寿命末期电源的能量供给情况，为系统的设计初期提供方案的验证手段和参考数据。三结砷化镓太阳电池阵、镉镍蓄电池和全调节电源控制器组成，这是目前低轨道卫星较为常见的结构组成，本文以该拓扑为基础，进行电源系统的仿真模型设计[6]。

3 仿真模型

3.1 太阳电池阵的数学模型

太阳电池阵是由太阳电池片阵列组成的，因此只需要建立单片电池片的数学模型就可以获得太阳电池阵的模型。单片电池片的数学模型采用太阳电池直流等效模型，原理如图1所示，太阳电池相当于一个恒流源与理想二极管并联，串联电阻Rs代表电流流动时的内部电阻，并联电阻Rsh代表流过N-P结的漏电流，理想的太阳电池Rs=0，Rsh为无穷大。负载电流I等于光电流IS减去二极管电流Id和并联电流Ish。当负载电流为0时，电池的开路电压VOC可以表示为：

二极管电流由二极管电流表达式给出：

式中：Ir为二极管的饱和电流；q为电子电荷；A为二级管品质因子；k为波尔兹曼常量；T为温度。

图1 太阳电池片直流等效模型

描述太阳电池性能的最重要的两个参数为开路电压VOC和短路电流ISC，外压电压为零的情况下，可以忽略Id和Ish，那么ISC即为光电流IS。这种情况下通过负载的电流可以表示为[7]：

式中：vmp和imp为最佳工作点的电压和电流。

太阳电池的模型建立后就可以获得任意工作点的输出电压和电流，为了进一步描述在轨飞行状态下太阳电池阵的工作状态，还需要考虑太阳电池的辐照损伤引起的性能衰降。太阳电池片的辐照损伤主要是由空间粒子造成的位移损伤，主要来自质子和电子。本文采用文献[8]中介绍的太阳电池的位移损伤模型来计算质子和电子引起的辐照衰降，从而获得辐照衰降后开路电压点、短路电流点和最佳工作点的衰降数据，再通过公式(3)就可以获得辐照后任意工作点的数据。

太阳电池阵是由若干片太阳电池串并联组成，上述模型描述的是一片太阳电池片工作时输出的电压和电流，那么根据太阳电池阵的串并联数目就可以得到整个电池阵的数学模型。图2为太阳电池阵的模型仿真程序。

3.2 蓄电池的数学模型

图2 太阳电池阵模型仿真程序

蓄电池组电压是反映其特性最直接的参数，影响蓄电池组电压的因素主要有充放电电流、电池温度、内阻等，因此蓄电池组的仿真模型的关键就是建立蓄电池组电压同其输入参数和自身特性的关系表达式。目前常用的蓄电池的数学模型有等效电路模型[1]和基于物理过程模型[9-10]，鉴于后者的模型比较简单，而且可以有效地将工程中的电池数据相结合，因此本文选用了文献[9-10]使用的模型作为依据并进行了改进，从而建立蓄电池模型。

Bulter-Volmer方程是表述电化学极化的基本动力学方程，而电池开路时正负极之间的电位差，电池的电动势与温度、活性物质的浓度存在关系，能斯特方程很好地表示了这种关系，因此根据Bulter-Volmer方程和能斯特仿真建立蓄电池的单体模型。氢镍蓄电池的电动势可用下面的方程来表示：

式中：R为摩尔气体常数；T为电池温度；F为法拉第常数；q为电池的荷电态。电池实际热力学平衡电动势为1.521 V，镉镍蓄电池电动势温度系数S0为－0.5 mV/K，则：

考虑到电池的内阻对电池两端电压的影响，电池两端的电压U用下面的方程表示，也就是镉镍蓄电池的充放电模型：

式中：RBat为电池的内阻(欧姆内阻)；ΔU为电池的极化电压，这个参数根据电池的特性决定。图3为蓄电池组模型仿真程序。

图3 蓄电池组模型仿真程序

3.3 电源控制器的数学模型

电源控制器设计为全调节模式，根据外部输入能量和向外部提供的能量来控制电源系统的两个能量单元的工作状况，以及电源控制器自身的工作状态。电源控制器一般由主误差放大器(MEA)、充电调节器(BCR)、放电调节器(BDR)和分流调节器(S3R)组成，由于需要控制蓄电池充放电状态和过程控制，一般还配置电量计或者电池的V-T控制单元。图4为完成电源控制器仿真模型需要设计的几个子模块，其中数据预处理模块用来实现各子模块互相交互以及外部输入数据处理。图5所示为电源控制器仿真模型中各子模块的通信关系，其中BDR为两个，同时处于工作状态。

图4 电源控制器仿真模块部件分解图

图5 电源控制器仿真模块通信关系

电源控制器实现三域调节的功能，MEA根据母线电压的变化向BCR、BDR和S3R发出控制信号，控制信号是MEA的输出电压，上述三个模块判断自身是否继续工作；S3R的分流计数控制同样是由MEA的输出电压控制，电压越高，分流的级数越大。图6为电源控制器模型仿真程序。

图6 电源控制器模型仿真程序

4 仿真结果

三个单机的模型建立完成后，通过LabVIEW建立一个调度管理平台，进行单机参数和仿真参数的配置，控制仿真进程，仿真结果以图表形式显示，并将仿真的数据进行存储。

4.1 模型参数设置

太阳电池阵需要设置的参数见表1。

蓄电池组需要设置的参数见表2。

电源控制器需要设置的参数见表3。

仿真参数是指仿真的开始时间、持续时间、仿真步长和延时，需要设置的参数见表4。

表1 太阵电池阵参数

表2 蓄电池组参数

表3 电源控制器参数

表4 仿真参数

负载可以自行设置，由于卫星飞行过程的大部分时间为常值功率工作，因此本文设置每圈均为恒功率工作，需要设置的参数见表5。

表5 负载参数

4.2 仿真结果

图7 太阳阵输出电流、母线电压、蓄电池组电压

图8 分流级数、充电电流、放电电流

本文的仿真过程覆盖了卫星运行过程中的光照期和地影期。太阳电池阵受太阳光照射时，为负载提供功率，若功率富余且蓄电池组需要则还为蓄电池组充电。随着轨道的变化太阳电池阵输出的电流会随之调整，此时由电源控制器来调整充电电流和分流级数，以保证为负载提供足够的功率。仿真的部分结果见图7和图8。仿真的初始状态为光照期开始，母线电压和电池组的初始值分别设置为29.3和28.0 V。地影期，蓄电池组放电为负载提供功率，此时电源控制器将母线电压稳定在28 V，太阳电池阵无功率输出。光照期，太阳电池阵为负载提供功率并对蓄电池组进行充电，第一阶段为15 A充电，然后转到9 A充电，直至充满。此后蓄电池组充满后，充电电流为零，电池组会进入一个缓慢的自放电状态，当太阳阵提供的功率富余时，分流器会将多余的能量进行分流处理，根据MEA输出的电压来判断分流级数，电压越大，电流越大，分流级数越多。当再次进入地影期后，蓄电池组再一次进行放电，为负载提供功率。

太阳电池阵的辐照衰降是在长期的运行中体现出性能的衰降，本文中只列举进行了2圈的仿真，衰降数据降低微小，只能在数据中比较出差别，运行多圈仿真后可明显看出初期和末期太阳电池阵的衰降。

5 结论

本文建立的电源系统仿真是由纯数学模型构成的，在Lab-VIEW的开发环境搭建了仿真平台，可以实现对系统的参数配置和修改，模拟了电源系统在轨运行的能量变化情况。经对比，仿真数据和在轨卫星数据相符合，证明本仿真能够为电源系统设计过程提供一定的参考，同时仿真不依赖其他硬件设备，使用方便，适合在设计阶段作为方案验证的一个手段。

[1]邹湘文，潘孟春，陈棣湘，等.卫星电源分系统的联合仿真[J].计算机仿真，2007，24(7)：69-73.

[2]赵翔宇.卫星电源系统的设计与仿真[J].浙江大学学报：工学版，2009，43(2)：228-233.

[3]简彬.卫星电源系统半实物仿真研究[D].长沙：国防科学技术大学，2008.

[4]宋晖.微小卫星的一体化仿真环境及电源系统仿真技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2003.

[5]崔文聪.天文卫星电源系统设计分析与仿真[D].北京：中国科学院空间科学与应用研究中心，2004.

[6]徐伟.低轨道长寿命卫星电源特点分析[J].电源技术，2009(12)：1095-1096.

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[8]呼文韬，张岩松.三结GaAs太阳电池粒子辐照位移损伤模型简化[J].电源技术，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.

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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

许薇(1981—)，女，黑龙江省人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为空间电源系统设计和仿真。