一种航天器双母线能量平衡分析方法与流程

本发明涉及一种航天器双母线能量平衡分析方法，尤其适用于对航天器的电源系统进行能量规划，属于航天器能量平衡控制
技术领域：
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背景技术：
：能量平衡分析是航天器设计基础，为电源系统提供供电功率量级设计基础，为航天器在轨运行提供能量规划。航天器双母线体制包括不调节母线和全调节母线两条母线，航天器双母线体制多用于功率大脉冲型负载及组合航天器领域，是航天器重要的发展方向。传统的航天器能量平衡分析方法只针对单一母线进行能量平衡分析，计算精度低、母线电压只考虑定值，遮挡率情况单一，没有考虑蓄电池的涓流充电情况。文章《航天器组合体能量平衡分析系统设计及应用》(航天器工程，Vol.22,No.2,P60-64)中对航天器组合体能量平衡分析系统分别计算阳照区蓄电池充电容量、并网蓄电池消耗容量及阴影区放电容量，其计算复杂，且没有考虑母线电压不同及涓流充电等情况。传统的航天器能量平衡分析方法无法解决双母线能量平衡的以下问题：两条母线对应的太阳电池阵遮挡情况不同、两条母线电压不同、两条母线交叉供电、蓄电池涓流充电。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，本发明提供了一种航天器双母线能量平衡分析方法，通过对蓄电池充电状态的判断，区分了双母线下的不同母线电压对蓄电池电量的影响，提高了双母线交叉供电能量平衡的计算精度，解决了双母线交叉供电蓄电池电量计算复杂的问题；通过分别计算两条母线太阳电池阵遮挡情况下的输出功率，实现了精确计算航天器能量平衡状态所需的参数，克服了太阳翼实时输出功率不精确的问题；通过对蓄电池可充电电流的比较，有效判断蓄电池是否涓流充电并将充电电量累计到蓄电池充电电量中，弥补了无法计算蓄电池涓流充电状态的缺陷。本发明的技术解决方案是：一种航天器双母线能量平衡分析方法，包括如下步骤：第一步：通过测量太阳入射角和太阳电池阵遮挡面积，计算太阳翼输出功率；第二步：通过测量线缆损耗功率与用电设备总功率的百分比，计算负载需求功率；第三步：通过计算太阳翼输出功率与负载需求功率的差值，确定蓄电池的工作状态；第四步：判断蓄电池的充电形式，通过计算充电电流和放电电流，确定蓄电池当前容量；第五步：根据蓄电池初始容量、蓄电池当前容量和蓄电池总容量，评估蓄电池能量平衡状态。在上述的一种航天器双母线能量平衡分析方法中，评估蓄电池能量平衡状态的判据为：若C0-Cd+Cc≥C，则能量平衡；若C0-Cd+Cc＜C，则能量不平衡。其中：C0为蓄电池初始状态容量；Cd为蓄电池放电容量；Cc为蓄电池充电容量；C为蓄电池总容量。太阳翼输出功率包括全调节太阳翼输出功率PQS和不调节太阳翼输出功率PBS。负载需求功率包括全调节母线负载需求功率和不调节母线负载需求功率；全调节母线负载需求功率计算公式为PQL＝(1-ηQL)PQ0；其中：PQL为全调节母线负载需求功率，ηQL为全调节母线线缆损耗功率比，PQ0为全调节母线用电设备总功率；不调节母线负载需求功率计算公式为PBL＝(1-ηBL)PB0；其中：PBL为不调节母线负载需求功率，ηBL为不调节母线线缆损耗功率比，PB0为不调节母线用电设备总功率。蓄电池的工作状态包括充电状态和放电状态，在双母线系统中，全调节母线与不调节母线交叉供电；当PQS－PQL≥0时，蓄电池的工作状态由下式确定：若(PQS-PQL)+PBS-PBL≥0，则蓄电池处于充电状态；若(PQS-PQL)+PBS-PBL<0，则蓄电池处于放电状态；当PQS－PQL＜0时，蓄电池的工作状态由下式确定：若则蓄电池处于充电状态；若则蓄电池处于放电状态；式中：ηd为放电调节器工作效率。蓄电池当前容量包括蓄电池充电容量Cc和蓄电池放电容量Cd；当PQS-PQL≥0，PQS-PQL+PBS-PBL≥0时，Cc=Σi=1nIci·ηc·Ti=Σi=1nmin(PQS-PQLVBUS+PBS-PBLVBAT,VBAT0-VBATRBAT)·ηc·Ti;]]>当时，Cc=Σi=1nIci·ηc·Ti=Σi=1nmin(PQS-PQLVBUSηd+PBS-PBLVBAT,VBAT0-VBATRBAT)·ηc·Ti;]]>其中，可用于判断是否涓流充电，当时，蓄电池采用涓流充电形式，此时蓄电池充电电流则为其中，Ici为第i时刻的充电电流；ηc为充电效率；Ti为第i时刻的充电时间；n为充电总时段数；VBUS为全调节母线电压；VBAT为蓄电池电压，即不调节母线电压；VBAT0为蓄电池标称电压；RBAT为蓄电池等效内阻。蓄电池放电容量Cd由放电电流和电池组的放电效率决定：当PQS-PQL≥0，PQS-PQL+PBS-PBL＜0时，Cd=Σi=1nIfi/ηd·ΔT=Σi=1n|PQS-PQLVBUS+PBS-PBLVBAT|/ηd·ΔT;]]>当时，Cd=Σi=1nIfi/ηd·ΔT=Σi=1n|PQS-PQLVBUS+PBS-PBLVBAT|/ηd·ΔT;]]>其中，Ifi为第i时刻的放电电流；ηd为放电效率；ΔT为蓄电池放电时间。本发明与现有技术相比的有益效果是：1、本发明通过对蓄电池充电状态的判断，区分了双母线下的不同母线电压对蓄电池电量的影响，提高了双母线交叉供电能量平衡的计算精度，解决了双母线交叉供电蓄电池电量计算复杂的问题。2、本发明通过分别计算两条母线太阳电池阵遮挡情况下的输出功率，实现了精确计算航天器能量平衡状态所需的参数，克服了太阳翼实时输出功率不精确的问题。3、本发明通过对蓄电池可充电电流的比较，有效判断蓄电池是否涓流充电并将充电电量累计到蓄电池充电电量中，弥补了无法计算蓄电池涓流充电状态的缺陷。4、本发明逻辑通顺、思路清晰、设计合理，本领域技术人员按照本发明的步骤进行实验，能够快速分析出大脉冲型负载及组合航天器的能量平衡状态。5、本发明的测试过程安全可靠，适用范围较广，减轻了工作人员的操作负担。6、本发明以电池放电深度不高于预定值为出发点，进行能量平衡管理，使航天器双母线具备了承受较高负载的能力。7、本发明实现了在太阳电池阵遮挡情况不同、两条母线电压不同、两条母线交叉供电、蓄电池涓流充电时，对航天器双母线进行高精度能量平衡控制。附图说明图1为本发明的流程图图2为本发明蓄电池电压与蓄电池容量关系图具体实施方式下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：如图1所示，一种航天器双母线能量平衡分析方法，包括如下步骤：第一步：通过测量太阳电池阵遮挡面积和太阳入射角、计算太阳翼输出功率；太阳翼的输出功率包括全调节太阳翼输出功率PQS和不调节太阳翼输出功率PBS。i0时刻，全调节母线太阳翼输出功率其中，PQS0为全调节母线在太阳入射角为0°时的太阳翼额定输出功率，SQSZ为全调节母线太阳电池阵遮挡面积，SQS为全调节母线太阳翼面积。当全调节母线太阳翼面积为2m2，全调节母线太阳翼遮挡面积为0.1m2，太阳入射角为10°，全调节母线太阳翼额定输出功率为500W时，计算得到全调节母线太阳翼输出功率PQS为467.78W。i0时刻，不调节母线太阳翼输出功率其中，PBS0为不调节母线在太阳入射角为0°时太阳翼额定输出功率，SBSZ为不调节母线太阳电池阵遮挡面积，SBS为不调节母线太阳翼面积。当不调节母线太阳翼面积为6m2，不调节母线太阳翼遮挡面积为0.2m2，太阳入射角为10°，不调节母线太阳翼额定输出功率为1500W时，计算得到不调节母线太阳翼输出功率PBS为1427.97W。第二步：通过测量线缆损耗功率与用电设备总功率的百分比，计算负载需求功率；负载需求功率包括全调节母线负载需求功率和不调节母线负载需求功率；全调节母线负载需求功率计算公式为PQL＝(1-ηQL)PQ0；(式1)其中：PQL为全调节母线负载需求功率，ηQL为全调节母线线缆损耗率，PQ0为全调节母线用电设备总功率。i0时刻，全调节母线线缆损耗率为0.03，全调节母线用电设备总功率为450W，计算得到全调节母线负载需求功率为436.5W。不调节母线负载需求功率计算公式为PBL＝(1-ηBL)PB0；(式2)其中：PBL为不调节母线负载需求功率，ηBL为不调节母线线缆损耗率，PB0为不调节母线用电设备总功率。i0时刻，不调节母线线缆损耗率为0.04，全调节母线用电设备总功率为878W，计算得到全调节母线负载需求功率为842.88W。第三步：通过计算太阳翼输出功率与负载需求功率的差值，确定蓄电池的工作状态；当PQS－PQL≥0时，蓄电池的工作状态由下式确定：若(PQS-PQL)+PBS-PBL≥0，则蓄电池处于充电状态；(式3)若(PQS-PQL)+PBS-PBL<0，则蓄电池处于放电状态；(式4)当PQS－PQL＜0时，蓄电池的工作状态由下式确定：若则蓄电池处于充电状态；(式5)若则蓄电池处于放电状态；(式6)式中：ηd为放电调节器工作效率。i0时刻，PQS－PQL＝467.78-436.5＝31.28>0，(PQS-PQL)+PBS-PBL＝467.78-436.6+1427.97-842.88＝616.27，蓄电池处于充电状态。第四步：判断蓄电池的充电形式，通过计算充电电流和放电电流确定蓄电池当前容量；蓄电池当前容量包括蓄电池充电容量Cc和蓄电池放电容量Cd；当PQS-PQL≥0，PQS-PQL+PBS-PBL≥0时，当时，其中，式7中可用于判断是否涓流充电，当时，蓄电池采用涓流充电形式，此时蓄电池充电电流则为式8同理。其中，Ici为第i时刻的充电电流；ηc为充电效率；Ti为第i时刻的充电时间；n为充电总时段数；VBUS为全调节母线电压；VBAT为蓄电池电压，即不调节母线电压；VBAT0为蓄电池标称电压；RBAT为蓄电池等效内阻。蓄电池放电容量Cd由放电电流和电池组的放电效率决定：当PQS-PQL≥0，PQS-PQL+PBS-PBL＜0时，当时，其中，Ifi为第i时刻的放电电流；ηd为放电效率；ΔT为蓄电池放电时间。i0时刻，经第三步判读蓄电池处于充电状态。此时，充电效率ηc为0.95；第i时刻的充电时间Ti设为1分钟，1分钟内所有参数无变化；充电总时段数n为1；全调节母线电压VBUS为29V；i0时刻蓄电池电压VBAT为28V，在i0时刻蓄电池容量为105Ah，蓄电池电压可以根据蓄电池容量大小确定，可查蓄电池参数表确定，计算中采用查表方式获得，蓄电池电压与蓄电池容量对应关系见图2；蓄电池标称电压VBAT0为28.7V；蓄电池等效内阻RBAT为0.05Ω，蓄电池内阻通过实验测量得到。计算的蓄电池充电容量为：Cc=Σi=1nIci·ηc·Ti=Σi=1nmin(PQS-PQLVBUS+PBS-PBLVBAT,VBAT0-VBATRBAT)·ηc·Ti(PQS-PQL≥0,PQS-PQL+PBS-PBL≥0)=min(467.78-436.629+1427.97-842.8828,28.7-280.05)×0.95×1/60=min(21.97,14)×0.95×1/60=0.22Ah]]>其中，式中min(21.97,14)作为涓流充电判据，蓄电池采用涓流充电形式，此时蓄电池充电电流为第五步：根据蓄电池初始容量、蓄电池当前容量和蓄电池总容量，评估蓄电池能量平衡状态。若C0-Cd+Cc≥C，则能量平衡；若C0-Cd+Cc＜C，则能量不平衡。其中：C0为蓄电池初始状态容量；C为蓄电池总容量。i0时刻至一分钟后，C0-Cd+Cc＝105-0+0.22＝105.22<120所以此时蓄电池未平衡。本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。当前第1页1 2 3