卫星电源系统的热仿真建模方法与流程

本发明属于卫星电源系统，特别是一种卫星电源系统的热仿真建模方法。

背景技术：

1、卫星电源系统的热安全对卫星的安全运行至关重要。在卫星运行过程中，由于太阳能帆板局部失效、蓄电池组故障、电源控制器故障等因素引起系统电路异常和温度异常，给系统安全运行带来隐患。因此，建立卫星电源系统故障与系统温度参数的关联关系是监测电源系统健康状态的重要基础，而开发精确的卫星电源系统热仿真模型是系统故障与温度响应关联关系的前提。目前，由于卫星电源系统组成复杂、各部件工作特性差异大、系统控制逻辑复杂等因素，尚无精确可靠的卫星电源系统热仿真方法，无法对不同工作状态下的电源系统温度响应进行准确预测。

2、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种卫星电源系统的热仿真建模方法。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种卫星电源系统的热仿真建模方法，包括如下步骤：

2、根据太阳能电池的伏安特性和物性参数建立太阳能电池等效电路模型，通过优化算法确定太阳能电池等效电路模型的模型参数，并根据实际工况修正太阳能电池等效电路模型的模型参数；其中，卫星电源系统包括太阳能电池帆板、蓄电池组和电源控制器；

3、根据太阳能电池物性参数和电学特征构建太阳能电池热学模型；

4、将太阳能电池扩展为光伏阵列，耦合太阳能电池等效电路模型和太阳能电池热学模型，联立得到太阳能电池帆板的热电仿真模型；

5、根据蓄电池的动态响应特性建立蓄电池等效电路模型，通过实验标定确定蓄电池等效电路模型的特征参数；

6、根据蓄电池物性参数和电学特征构建蓄电池热学模型；

7、将蓄电池单元扩展为蓄电池组，耦合蓄电池等效电路模型和蓄电池热学模型，建立蓄电池组的热电仿真模型；

8、根据电源控制器的工作原理构建电路控制逻辑表达方程，确定工作模式切换条件，建立电源控制器的热电仿真模型；

9、以太阳能帆板接收外部辐照作为输入条件，太阳能电池帆板、蓄电池组、电源控制器热电仿真模型联立求解，获得太阳能电池帆板、蓄电池组和电源控制器的温度响应曲线。

10、所述的卫星电源系统的热仿真建模方法中，太阳能电池等效电路模型为双二极管模型、单二极管模型或理想二极管模型。

11、所述的卫星电源系统的热仿真建模方法中，所述太阳能电池等效电路模型由多阶rc网络组成。

12、所述的卫星电源系统的热仿真建模方法中，所述优化算法包括梯度求解算法或元启发型算法，所述梯度型算法包括梯度下降法和共轭梯度法，元启发型算法包括狼群算法和遗传算法。

13、所述的卫星电源系统的热仿真建模方法中，太阳能电池等效电路模型的伏安特性方程为：

14、

15、其中，j为负载电流密度，jph为光生电流密度，j0为饱和电流密度，q为电子电量1.6×10-19c，v为负载电压，rs为串联电阻，n为二极管理想系数，k为玻尔兹曼常数，其为1.380649×10-23j/k，tcell为太阳能电池温度，rp为并联电阻；

16、将伏安特性方程化为隐式的求零点问题，构造函数：

17、

18、步骤1：取初值为开路电压：v0＝vi＝voc；

19、步骤2：根据下式计算此时的函数值与一阶导数值：

20、

21、步骤3：根据牛顿迭代法计算下一迭代步电压：

22、

23、步骤4：计算收敛条件，若满足，则跳出循环执行步骤5，否则跳转步骤2，i＝i+1继续迭代计算；

24、步骤5：取输出v＝vi+1，结束迭代，作为输出量；

25、通过串联电流计算每个太阳能电池的输出电压，完成建立太阳能电池等效电路模型；

26、优化算法通过短路点电流isc与一阶导数dsc、开路点电压voc及一阶导数doc、最大功率点电压vm与电流im确定太阳能电池等效电路模型五个模型参数：

27、

28、其中：

29、e1＝(doc-dsc)·[dsc(isc-im)+vm]，e2＝(dscim+vm)·(dscisc+voc)，jph为光生电流密度，j0为饱和电流密度，rs为串联电阻，n为二极管理想系数，rp为并联电阻；

30、顺序求解方程，通过测试条件下太阳能电池伏安特性曲线获得太阳能电池等效电路模型的五个模型参数。

31、所述的卫星电源系统的热仿真建模方法中，太阳能电池的光生电流和辐照光强成线性，并通过电流温度系数实现温度影响：

32、

33、其中，tref为标准测试条件下的绝对温度，sref为标准测试下光强，a为电流温度系数a/k，s为在轨工作等效光强，iph为光生电流，ref为测试条件下所得数据，iph，ref为标准测试条件下光生电流，t为温度，通过轨道位置和遮挡率进行修正：

34、s＝s0(1-r)cosθ，

35、其中，s0为卫星电源系统在轨位置环境光强，θ为太阳能电池法向和太阳光夹角，r为太阳能电池的遮挡率；

36、考虑温度和辐照条件的修正串联电阻，

37、

38、其中，b为串联电阻修正系数，rs，ref为标准测试条件下太阳能电池串联电阻；

39、仅考虑辐照强度修正并联电阻：

40、

41、其中，rp，ref为标准测试条件下太阳能电池并联电阻。

42、所述的卫星电源系统的热仿真建模方法中，根据能量守恒方程建立太阳能电池热模型；

43、

44、通过时间离散求解温度方程得：

45、

46、其中，m为太阳能电池质量，cp太阳能电池比热容，tt为t时刻太阳能电池温度，t表示时间，it为t时刻负载电流，vt为t时刻负载电压，ρ，τ，η分别指太阳能电池的反射系数、透射系数和量子效率，spt为航天器在轨位置环境光强，qt为从外接吸收的其他形式的热功率，求解方程实现太阳能电池温度响应的计算。

47、所述的卫星电源系统的热仿真建模方法中，所述光伏阵列总输出电流为各串联支路之和，总输出电压为每条支路两端电压。

48、所述的卫星电源系统的热仿真建模方法中，蓄电池等效电路模型频域离散为：

49、其中ib(t)为蓄电池输出电流，当电流值为正时表示输出电流，反之为充电电流，ro表示蓄电池的内阻，vb(t)表示蓄电池的输出端电压，vsoc(t)为蓄电池的荷电状态对应的电压值，它在0～1v之间，其中最低值和最高值对应荷电状态的0与1，voc为蓄电池荷电状态对应的电压值。

50、所述的卫星电源系统的热仿真建模方法中，根据电池热平衡构建温度模型如下：

51、

52、热源项包括电池自身产热、单体电池间热交换及电池与外界环境热交换。考虑电池自身放热时，电池的欧姆损耗、电化学反应的热效应与自放电过程均对电池发热产生贡献。电池与环境的热交换在太空中主要体现为辐射，包括太阳对蓄电池的辐射、深空背景辐射和其他组件的辐射。若考虑蓄电池组之间的导热，可通过傅里叶导热定律在热源中加入热扩散项来实现。由于等效电路模型的蓄电池模型是零维模型，采用偏微分形式的傅里叶导热定律不合适，故而采用热阻方法建模，将所计算节点的热量与相邻节点温度联系，故时域离散温度方程整体写为：

53、

54、其中，tb，it+δt为第i个蓄电池单元t+δt时刻温度，t表示时间，cbat，0为蓄电池比热容，mbat表示蓄电池质量，rbat表示蓄电池单元之间的导热热阻，cmr表示自放电过程对应的等效电容，rsd表示自放电过程对应的等效电阻，ε为蓄电池单元的发射率，sbat为蓄电池的辐射强度，σ为波兹曼常数5.67×10-8w/m2/k4，tspace为太空温度，tsun为太阳温度，tpv为光伏阵列平均温度。

55、和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明据太阳能电池的伏安特性和物性参数建立太阳能电池等效电路模型，通过优化算法确定模型参数，并根据实际工况修正伏安模型参数；根据太阳能电池热物性参数和电学特征构建太阳能电池热学模型；将太阳能电池单元扩展为光伏阵列，耦合等效电路模型和热学模型，建立太阳能电池帆板的热电仿真模型；根据蓄电池的动态响应特性建立电池等效电路模型，通过实验标定确定等效电路特征参数；根据蓄电池物性参数和电学特征构建蓄电池热学模型；将蓄电池单元扩展为蓄电池组，耦合等效电路模型和热学模型，建立蓄电池组的热电仿真模型；根据电源控制器的工作原理构建电路控制逻辑表达方程，确定工作模式切换条件，实现电源控制器的建模；以太阳能帆板接收外部辐照作为输入条件，求解电源系统各部件的非稳态产热特性和温度响应特性，获得电源系统各部件的温度响应曲线。