一种空间电源控制器动态环境仿真系统及方法与流程

本发明涉及一种空间电源控制器动态环境仿真系统及方法，属于航天器电源系统技术领域。

背景技术：

目前，航天器电源系统大多采用太阳能电池阵+蓄电池作为能源供给，由空间电源控制与分配单元(pcdu)即电源控制器负责能源管理的方案。一般情况下，航天器电源系统在研制阶段需开展地面仿真验证试验，以确保其各项功能、性能指标满足设计要求。目前，常用的仿真方法为分段仿真方法，首先对太阳能电池阵自身性能进行地面仿真验证，然后将蓄电池(或模拟电源)、电源控制器连接负载进行供配电性能测试，此方法为静态测试未模拟太阳能电池阵在空间动态环境下的输出，缺乏一种太阳能电池阵与蓄电池、电源控制器全系统的性能仿真测试系统。目前的分段仿真方法容易存在较大设计裕量，增加不必要的研制成本。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种空间电源控制器动态环境仿真系统及方法，提高航天器电源系统地面测试覆盖性和测试效率。

本发明的技术方案是：

一种空间电源控制器动态环境仿真系统，包括：太阳能模拟阵列模块、蓄电池模拟模块、程控电子负载模块和仿真数据控制模块；

太阳能模拟阵列模块：接收仿真数据控制模块传输的输入参数，根据所述输入参数动态模拟太阳能电池阵产生电能，将所述产生的电能传输给外部电源控制器，并根据仿真数据控制模块的控制指令向蓄电池模拟模块充电；

蓄电池模拟模块：接收太阳能模拟阵列的供电进行自身充电，所述自身充电的电能用于根据仿真数据控制模块的控制指令向外部电源控制器放电；

程控电子负载模块：接收外部电源控制器的供电，通过模拟航天器上的负载消耗所述外部电源控制器供电的电能；

仿真数据控制模块：根据太阳能电池阵的在轨工作参数，生成输入参数，将所述生成输入参数传输给太阳能模拟阵列模块；根据蓄电池的输出电压，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块向蓄电池模拟模块充电和控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电；采集外部电源控制器的输出参数、太阳能模拟阵列模块的输出参数、蓄电池模拟模块的输出参数向外显示。

所述仿真数据控制模块采集的输出参数包括：输出电压和输出电流。

所述太阳能电池阵的在轨工作参数包括：太阳能电池阵所搭载飞行器的运行轨道周期、地影期、太阳能电池阵的环境温度、太阳能电池阵接收太阳光光照的角度。

所述太阳能电池阵为三结砷化镓太阳能电池。

所述仿真数据控制模块生成的输入参数包括开路电压uoc，短路电流isc，最大功率点电压um，最大功率点电流im。

所述仿真数据控制模块根据蓄电池模拟模块的输出电压，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块向蓄电池模拟模块充电和控制控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电，具体为：

当蓄电池模拟模块的输出电压大于或等于充电起始电压阈值且小于充电终止电压阈值时，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块向蓄电池模拟模块充电；当蓄电池模拟模块的输出电压大于或等于充电终止电压阈值时，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块停止向蓄电池模拟模块充电；

当蓄电池模拟模块的输出电压由低电压升高到正常放电电压阈值时，生成控制指令，控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电；

当蓄电池模拟模块的输出电压由高电压降低到最低放电电压阈值时，生成控制指令，控制蓄电池模拟模块停止向外部电源控制器放电；

所述充电终止电压阈值大于充电起始电压阈值，充电起始电压阈值大于正常放电电压阈值，正常放电电压阈值大于低放电电压阈值。

所述程控电子负载模块根据负载真实电压、电流、电阻以及功率参数实时模拟消耗电源控制器的供电输出。

一种使用上述空间电源控制器动态环境仿真系统进行空间电源控制器动态环境仿真的方法，包括步骤如下：

1)根据太阳能电池阵的在轨工作参数，使用仿真数据控制模块生成输入参数；

2)根据所述步骤1)生成的输入参数，利用太阳能模拟阵列模块动态模拟太阳能电池阵产生电能；

3)将太阳能模拟阵列模块产生的电能输入给外部电源控制器，同时使用仿真数据控制模块根据蓄电池的输出电压，控制太阳能模拟阵列模块产生的电能向蓄电池模拟模块充电和控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电；

4)根据负载实际电压、电流、电阻以及功率参数，利用程控电子负载模块实时模拟消耗外部电源控制器的供电输出；

5)使用仿真数据控制模块实施采集外部电源控制器的输出参数、太阳能模拟阵列模块的输出参数、蓄电池模拟模块的输出参数向外显示。

所述步骤3)使用仿真数据控制模块根据蓄电池的输出电压，控制太阳能模拟阵列模块产生的电能向蓄电池模拟模块充电和控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电，具体为：

当蓄电池模拟模块的输出电压大于或等于充电起始电压阈值且小于充电终止电压阈值时，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块向蓄电池模拟模块充电；当蓄电池模拟模块的输出电压大于或等于充电终止电压阈值时，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块停止向蓄电池模拟模块充电；

当蓄电池模拟模块的输出电压由低电压升高到正常放电电压阈值时，生成控制指令，控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电；

当蓄电池模拟模块的输出电压由高电压降低到最低放电电压阈值时，生成控制指令，控制蓄电池模拟模块停止向外部电源控制器放电；

所述充电终止电压阈值大于充电起始电压阈值，充电起始电压阈值大于正常放电电压阈值，正常放电电压阈值大于低放电电压阈值。

步骤1)所述的太阳能电池阵的在轨工作参数包括：太阳能电池阵所搭载飞行器的运行轨道周期、地影期、太阳能电池阵的环境温度、太阳能电池阵接收太阳光光照的角度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明系统既模拟了太阳能电池阵、蓄电池作为电源控制器的输入，又模拟了真实负载功耗作为电源控制器的输出，消除了分段测试方法的不完备性，能够保证空间电源控制器的测试全覆盖，提高测试效率。

2)本发明方法根据太阳能电池阵所在空间的轨道周期、地影期、环境温度、接收太阳光光照的角度等条件，实时模拟输出供电电压和电流，该方法能够动态模拟太阳能电池阵空间输出特性，有利于提高太阳能电池阵和电源控制器的设计精确度，避免存在较大裕量造成设计成本浪费。

附图说明

图1为本发明仿真系统框图；

图2为本发明电源性能仿真系统集成化设计示意图；

图3为本发明电源性能仿真系统i/o接口置示意图；

图4为本发明电源性能仿真系统测试软件功能框图。

图5为本发明被模拟太阳能电池等效电路图。

具体实施方式

一种模拟空间动态环境输出的电源性能仿真系统及测试方法，该系统由太阳能模拟阵列、蓄电池模拟器、程控电子负载和仿真微机组成，可对航天器上的电源系统性能进行测试，包括充放电、配电输出、最大输出功率等性能指标测试，还能模拟航天器在空间各种状态下太阳能电池阵的输出特性，包括轨道、太阳光照角、温度、寿命初期、寿命末期、进出地影等状态条件下的输出。本发明提出的测试方法通过stk仿真软件计算给出本影/半影文件、光照角、开始模拟时间、轨道周期等数据，实时动态输出电源性能仿真测试结果。本发明提出的电源性能仿真系统及测试方法具有全系统覆盖性、实时输出性和通用性的特点。本发明方法通过太阳能电池阵运行轨道数据、光照角度、尺寸、材料等信息，计算出太阳能电池输出的仿真数据，太阳能电池模拟阵按照仿真数据参数进行输出，在电源控制器的控制下，进行供配电输出驱动程控电子负载，测试过程中对太阳能电池阵输出电压、电流、蓄电池模拟电压、供电输出电压、电流进行记录。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

本发明一种空间电源控制器动态环境仿真系统，如图1所示，包括：太阳能模拟阵列模块、蓄电池模拟模块、程控电子负载模块和仿真数据控制模块；

太阳能模拟阵列模块：接收仿真数据控制模块传输的输入参数，根据所述输入参数动态模拟太阳能电池阵产生电能，将所述产生的电能传输给外部电源控制器，并根据仿真数据控制模块的控制指令向蓄电池模拟模块充电；太阳能电池阵的在轨工作参数包括：太阳能电池阵所搭载飞行器的运行轨道周期、地影期、太阳能电池阵的环境温度、太阳能电池阵接收太阳光光照的角度。太阳能电池阵为三结砷化镓(gaas)太阳能电池。

蓄电池模拟模块：接收太阳能模拟阵列的供电进行自身充电，所述自身充电的电能用于根据仿真数据控制模块的控制指令向外部电源控制器放电；

程控电子负载模块：接收外部电源控制器的供电，通过模拟航天器上的负载消耗所述外部电源控制器供电的电能；具体根据负载真实电压、电流、电阻以及功率参数实时模拟消耗电源控制器的供电输出。

仿真数据控制模块：根据太阳能电池阵的在轨工作参数，生成输入参数，将所述生成输入参数传输给太阳能模拟阵列模块；根据蓄电池的输出电压，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块向蓄电池模拟模块充电和控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电；采集外部电源控制器的输出参数、太阳能模拟阵列模块的输出参数、蓄电池模拟模块的输出参数向外显示，所述输出参数包括输出电压和输出电流。仿真数据控制模块生成的输入参数包括开路电压uoc，短路电流isc，最大功率点电压um，最大功率点电流im。

仿真数据控制模块根据蓄电池模拟模块的输出电压，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块向蓄电池模拟模块充电和控制控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电，具体为：

当蓄电池模拟模块的输出电压大于或等于充电起始电压阈值且小于充电终止电压阈值时，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块向蓄电池模拟模块充电；当蓄电池模拟模块的输出电压大于或等于充电终止电压阈值时，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块停止向蓄电池模拟模块充电；

当蓄电池模拟模块的输出电压由低电压升高到正常放电电压阈值时，生成控制指令，控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电；

当蓄电池模拟模块的输出电压由高电压降低到最低放电电压阈值时，生成控制指令，控制蓄电池模拟模块停止向外部电源控制器放电；

所述充电终止电压阈值大于充电起始电压阈值，充电起始电压阈值大于正常放电电压阈值，正常放电电压阈值大于低放电电压阈值。

一种使用上述空间电源控制器动态环境仿真系统进行空间电源控制器动态环境仿真的方法，包括步骤如下：

1)根据太阳能电池阵的在轨工作参数，使用仿真数据控制模块生成输入参数；

2)根据所述步骤1)生成的输入参数，利用太阳能模拟阵列模块动态模拟太阳能电池阵产生电能；

3)将太阳能模拟阵列模块产生的电能输入给外部电源控制器，同时使用仿真数据控制模块根据蓄电池的输出电压，控制太阳能模拟阵列模块产生的电能向蓄电池模拟模块充电和控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电；具体如下：

当蓄电池模拟模块的输出电压大于或等于充电起始电压阈值且小于充电终止电压阈值时，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块向蓄电池模拟模块充电；当蓄电池模拟模块的输出电压大于或等于充电终止电压阈值时，生成控制指令，控制太阳能模拟阵列模块停止向蓄电池模拟模块充电；

当蓄电池模拟模块的输出电压由低电压升高到正常放电电压阈值时，生成控制指令，控制蓄电池模拟模块向外部电源控制器放电；

当蓄电池模拟模块的输出电压由高电压降低到最低放电电压阈值时，生成控制指令，控制蓄电池模拟模块停止向外部电源控制器放电；

所述充电终止电压阈值大于充电起始电压阈值，充电起始电压阈值大于正常放电电压阈值，正常放电电压阈值大于低放电电压阈值。

4)根据负载实际电压、电流、电阻以及功率参数，利用程控电子负载模块实时模拟消耗外部电源控制器的供电输出；

5)使用仿真数据控制模块实施采集外部电源控制器的输出参数、太阳能模拟阵列模块的输出参数、蓄电池模拟模块的输出参数向外显示。

实施例

太阳能模拟阵列：太阳能电池模拟阵列是仿真太阳能电池的供电输出，采用双通道模拟两路太阳能帆板的输出，可以表格形式输入电池阵的i-v曲线，并具备远程通讯控制能力。

蓄电池模拟器：完成稳定电压、电流输出功能，并具备蓄电池充放电功能的模拟，充放电电压门限可在线设置。

程控电子负载：完成航天器上各用电负载的模拟，采用具有恒电流、恒电压、恒功率、恒电阻全功能可编程电子负载，具有灵活的编程接口，支持软件平台进行二次开发，以实时模拟航天器上负载功耗。

仿真微机：包含指令发送模块、数据采集模块和综合处理模块，完成测试指令的发出、测试信息的采集与显示，运行仿真测试软件，控制仿真开始、仿真周期及仿真流程，最终将仿真结果进行显示记录。

1)太阳能电池模拟阵列采用美国是德公司的e4361a型双通道光伏模拟器，具有输出性能优良，响应速度快以及体积小等优点，并具备远程通讯控制能力。主要功能和技术参数如下：

通道数：2路；

输出电压：0～65v/路；

电压精度：±0.1％；

输出电流：0～8.5a/路；

电流精度：±0.2％；

输出功率：510w/路；

电压纹波：≤20mv；

电压速率：≤20ms(10％～90％)；

蓄电池模拟器用于模拟蓄电池的输出和充放电功能，采用ngi的n8340e双象限，多通道，可编程电池模拟电源，它最多支持6个通道，电流可充可放，通过编程软件可分别设定各通道电压、电流，及充放电模型，各通道亦可分别显示数据及曲线图表。主要功能和技术参数如下：

通道数：6路；

电压范围：0～5v；

设定分辨率：0.1mv；

电流范围：-10～10a；

电压上升时间(10％～90％的变化时间)：≤1ms；

电压下降时间(10％～90％的变化时间)：≤1ms。

程控电子负载用于仿真航天器中各种用电设备的实时工作状态，采用程控直流电子负载作为负载模拟器，有恒流、恒压、恒功率模式可供选择，选用ngi公司生产的n6102多通道程控直流电子负载，具有高精度、高可靠性等优点，每个通道可并联叠加增加使用功率。主要功能和技术参数如下：

通道数：3路；

输出电压：0～60v/路；

电压精度：±0.2％；

输出电流：0～80a/路；

电流精度：±0.2％；

输出功率：600w/路；

仿真微机的指令模块是用于向航天器设备发送指令，采用开关三极管的设计的oc门脉冲模式，正常工作电压可达28v，最高36v，驱动电流可达300ma；考虑到航天器地面测试要求，信号通道采用独立负极，与电路地具有高隔离，信号通道跟机壳、控制电路通过光耦隔离，隔离强度大于5000vdc。主要功能和技术参数如下：

指令模式：oc门脉冲；

通道数：16路；

指令宽度：70ms～160ms；

指令精度：1ms；

最高工作电压：36v；

驱动电流：300ma。

仿真微机的数据采集模块用于航天器上各种电压信号的采集和处理，配合上位机软件，可实现多通道数据采集、存储和处理。主要功能和技术参数如下：

通道数：20单端/8差分；

测试精度：16位；

测试速度：250khz。

仿真微机的主控模块用于数据综合处理、测试结果显示与存储，采用工业一体化机shp-190ta。主要功能和技术参数如下：

屏幕：19寸lcd屏(分辨率1280*1024)；

内存：ddr4g；

cpu：intelceleron1037u(1.8ghz双核)；

硬盘：500g硬盘+128gssd；

接口：5个usb3.0，2个rs232串口，2个千兆网口；

操作系统：windows7；

整个电源性能仿真系统采用集成化设计，如图2所示，并将系统所有对外i/o接口进行统一面板设计，如图3所示。

一种模拟空间动态环境的电源性能仿真测试方法

仿真测试方法通过一个定制化软件实现，软件运行在windows操作系统平台，整个软件采用集中界面管理模式，分为系统管理模块、主控制模块、测试配置和执行模块、太阳能电池输出仿真模块、数据显示模块和数据管理模块共6大部分，如图4所示。

系统管理模块对系统使用用户进行登记、录入和级别权限控制，保证系统操作安全；系统管理模块中设备管理项能够完成对测试设备的添加、删除、自检功能；该模块还具体软件使用操作帮助、版本等信息。

主控制模块用于对系统的配置资源进行配置，用户根据不同的需要对各系统模块进行输入输出设置，形成测试序列用于系统测试，系统中配置的各资源均可单独控制开关，也可通过调用配置文件的方式实现一键配置。

测试配置和执行模块提供可视化图形界面环境引导开发人员输入测试步骤、测试激励仪器操作、提示信息等，完成测试配置开发任务。测试流程使用测试脚本和封装好的固件库形式实现测试的激励施加，读取采用逐行读取指令和指令判读条件，按照设定条件顺序执行脚本序列。

太阳能电池输出仿真模块根据用户太阳能电池的轨道信息、太阳能帆板尺寸、位置、材料特征等内容自动生成太阳能电池整个轨道周期的i-v曲线，如图5所示。图5为三结砷化镓太阳能电池的单二极管等效电路，ui为各层电池电压，u为电池总电压，即u＝u1+u2+u3，被模拟太阳能电池电压表达式如下：

其中，i为三结砷化镓光伏电池的层数，1是顶层，即ingap；2为中间层，即lngaas；3为底层，即ge；jsc,i、jl和jo,i分别为各层短路电流密度、电池总短路电流密度和各层暗饱和电流密度；q为电子电荷；n为二极管理想因子；kb为波尔兹曼常数；t为电池温度；a为电池面积；rsh、rs分别为并联电阻和串联电阻。如果将jl置0则得到开路电压uoc＝u，如果将u置0则得到短路电流isc＝ajl。由于功率p＝jlua，因此求得可以得到最大功率点电流im＝ajm，将jm代入电压u表达式得到最大功率点电压um。

太阳能模拟阵通过调用仿真后的i-v曲线在地面模拟太阳能电池输出。

数据显示模块提供多种形式的数据显示，数据显示界面，软面板界面均通过组态界面进行配置。支持多区域设置，为各部件设定不同区域，便于用户直观查看。在数据呈现过程中，系统为用户提供了“依需所建”的应用方式，可根据在线监视要求，快速构建监视页面、控件添加、数据绑定等操作。

数据管理模块以excel数据库为核心，对系统硬件信息、测试人员信息、软件配置信息、测试数据、太阳能电池数据曲线等内容进行集中管理。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。