一分钟读懂航天器供电系统及实时仿真解决方案

各部分主要功能：

空间阳照环境：描述环境量的模块，需要计算出光照强度、太阳光线矢量等。

航天器姿态：需计算出太阳光线矢量、太阳翼对日定向、航天器姿态 三者耦合影响下的遮挡情况、太阳入射角等；

太阳电池阵：根据环境和姿态模块的计算结果，计算电池阵在某温度下的发电功率，并传递给电源控制器模块；

电源控制器：采集蓄电池组、输出端的电信息，计算负载功率需求，依据发电功率对负载、蓄电池的功率进行分配、调度和调节，并在必要时进行分流。

蓄电池组：根据电源控制器的功率调度信息，进行充电或放电。

配电器、负载模型：根据飞行程序的设置，实时模拟出所需的各类负载功率。

航天器电力系统组成部件多，结构复杂（分流模块SR、充电控制模块BCR、放电控制模块BDR、滤波器模块BF、主误差放大器模块（MEA）等），而且特殊的空间环境难以实现如：阳照条件，因此要搭建多级的完整的物理原型系统几乎不可实现。

因此目前许多航天器电力系统的研究工作是通过离线仿真来进行，如参考文献[2], 参考文献[3]，参考文献[4]是通过MWorks Modelica仿真来验证所提出的控制方法。

在以上的电源系统中，电源系统控制器运行控制算法，该算法的主要控制目标是电压，即要求电压稳定在一定范围之内。导致系统电压变化的主要因素是阳照面积、电池充放电和负载的变化，设定固定的轨道和电池充放电逻辑条件下，以上的仿真系统可以通过用户指定负载的功率曲线，完成对控制算法的校验。

图2.1，是模拟用电设备的启动过程，给定负载电阻数学模型为：min(time * 10 + 1, 200)，负载变化曲线如下：

图2.1 负载变化曲线

图2.2是航天器电力系统在负载变化的情况下，输入电压的波形曲线，可以看到电压一直在30V附近波动，证明电源控制器算法是正确的：

图2.2 输入电压变化曲线

图2.3是航天器电力系统在负载变化的情况下，输入电流的波形曲线，可以看到电流根据负载的变动呈现周期性的变化：

图2.3 输入电流变化曲线

功率硬件在环仿真（Power Hardware in Loop）是将实时仿真器通过功率接口与系统相连，实时仿真器通过实时运行数学模型来模拟物理系统的行为，功率接口将仿真器输出微小信号放大成能够带动系统的功率信号输出。

科研人员和工程师可以通过实时仿真器+功率接口组成的功率硬件在环仿真平台来对包括控制器在内的整个航天器电力系统进行非常接近真实情况的测试与验证，功率硬件在环仿真是一种比离线仿真要更接近真实工况的研究方法，在科研领域获得越来越广泛的应用。

图3.1 功率硬件在环仿真框图

功率硬件在环仿真实验系统的照片如下图所示，下图左上方的白色机箱是实时仿真器，它的MCU上实时运行着航天器主电路的数学模型；下方的机箱是功率接口（北京博电自主开发的PI系列模块化功率平台），右方是替代航天器负载模型的实际负载，它随着航天器在太空的运行状态而时刻改变。实时仿真器和实际负载通过功率IO物理互联。

图4.1 硬件在环仿真结果（输入电流波形）

下图4.2示波器图形是采集到的输入航天器负载两端的电压波形，可以看到在航天器负载根据用户指定负载的功率曲线变化的情况下，电源系统控制器算法发挥作用，使得电压保持在一定范围以内波动。对比离线仿真结果，离线仿真结果过于理想化，该波形更接近真实情况。

图4.2 硬件在环仿真结果（输入电压波形）

航天器电力系统是目前航天科研工作的热点，本文介绍了如何通过北京博电公司的功率接口(PI系列模块化功率平台)配合苏州同元的模型，实现航天器电力系统的功率硬件在环仿真，并通过一个经典的航天器电力系统的离线仿真和功率硬件在环仿真两者结果比对，完成对控制算法的校验，为科研人员从事相关工作提供参考。