專利名稱：一種皮衛(wèi)星太陽電池模擬裝置及模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天器件的模擬技術(shù)，尤其涉及一種皮衛(wèi)星太陽電池模擬技術(shù)及裝置。
背景技術(shù)：
皮衛(wèi)星(重量l-10kg的微小衛(wèi)星M本積小，通常形狀為立方體，六個(gè)面外側(cè)均
貼有高效太陽電池，通過串聯(lián)與并聯(lián)構(gòu)成太陽電池陣。皮衛(wèi)星太陽電池陣供電有如下特
性 l.負(fù)載較小時(shí)太陽電池陣近似恒流源輸出。隨著負(fù)載增大，輸出電壓升高，輸 出電流降低，直至截止。較其它類型衛(wèi)星而言，皮衛(wèi)星的太陽電池陣輸出的電流與電壓 都很小。
2.因?yàn)椴季值牟煌總€(gè)面的太陽電池面積不會(huì)完全相等；而每片太陽電池自 身的輸出性能也不會(huì)完全一致。所以照射面的最終性能需通過專門標(biāo)定。
3.衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，整個(gè)太陽電池陣不可能同時(shí)受到光照，有效光照的面積僅 僅是太陽光照方向的投影面積，因此輸出功率較小。 4.每個(gè)面的輸出電壓都不相同，所以太陽電池輸出端與母線間應(yīng)有電壓變換電 路作隔離確保安全。 5.當(dāng)衛(wèi)星處于軌道中的陰影區(qū)時(shí)，衛(wèi)星供電不足的部分由二次能源供應(yīng)。
為了在地面也能模擬出太空環(huán)境中衛(wèi)星的供電狀態(tài)，評(píng)估皮衛(wèi)星在軌的能量儲(chǔ) 備與消耗情況，應(yīng)在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段計(jì)算出相應(yīng)軌道參數(shù)，并對(duì)衛(wèi)星受照射情況進(jìn)行模 擬。 國內(nèi)外已有研究機(jī)構(gòu)對(duì)該問題作過研究，有些公司也推出類似產(chǎn)品。總體來 說，存在以下幾個(gè)問題 1、市面上所售的一些儀器，價(jià)格昂貴，功能復(fù)雜但針對(duì)性不強(qiáng)，且輸出接口數(shù) 量有限制，經(jīng)常無法做到一臺(tái)儀器同時(shí)模擬任意多個(gè)面的輸出； 2、能輸出較大功率，但對(duì)小功耗的皮衛(wèi)星而言沒有必要，反而使輸出精度降 低； 3.輸出曲線多來自對(duì)太陽電池的建模，與太陽電池陣列的試驗(yàn)標(biāo)定曲線存在差 別。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種硬件結(jié)構(gòu)簡單，靈活性高，適合微小衛(wèi)星等小功率應(yīng)用系統(tǒng)的 太陽電池模擬裝置。本發(fā)明還提供該皮衛(wèi)星太陽電池的模擬方法。
—種皮衛(wèi)星太陽電池模擬裝置，包括
(a)計(jì)算機(jī)，用于參數(shù)配置，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)； (b)若干子板，根據(jù)計(jì)算機(jī)所配置的參數(shù)對(duì)單路負(fù)載提供輸出；
(C)母板，用于對(duì)各路子板進(jìn)行物理連接、電氣連接與信號(hào)連接； (d)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口，連接母板與計(jì)算機(jī)，用于在母板和計(jì)算機(jī)間進(jìn)行指令
控制與數(shù)據(jù)傳輸。標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)接口包括USB、 RS232、并口等等。 其中子板包括 (a)壓控恒流源電路，又稱V-I電路，用于將輸入電壓按比例轉(zhuǎn)換為輸出電流；
(b)控制芯片， 一端與母板連接，用于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊、執(zhí)行控制指令和輸出 控制信號(hào)； (c)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，連接控制芯片與壓控恒流源電路的輸入端，將控制芯片輸出 的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)； (d)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于連接控制芯片與壓控恒流源電路的輸出端，將壓控恒流 源電路的輸出端的模擬反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字反饋信號(hào)。 在所述的壓控恒流源電路與負(fù)載之間還設(shè)置保護(hù)電路，當(dāng)壓控恒流源電路的輸 出電流過高時(shí)，保護(hù)電路分擔(dān)部分電流，防止過大輸出對(duì)負(fù)載造成損害。
—種皮衛(wèi)星太陽電池模擬方法，包括如下步驟 (1)獲取若干太陽電池陣特性曲線參數(shù)與太陽電池陣有效照射系數(shù)；太陽電池陣 特征曲線參數(shù)通過在太陽電池陣的試驗(yàn)標(biāo)定曲線上取點(diǎn)獲得，有效照射系數(shù)來自軌道仿 真分析。 (2)將太陽電池陣特性曲線與太陽電池陣有效照射系數(shù)相乘，得到一條太陽電池 實(shí)際應(yīng)該輸出的曲線； (3)利用在負(fù)載兩端采樣得到的輸出電流和輸出電壓計(jì)算出負(fù)載阻值，得到負(fù)載 兩端的電壓電流關(guān)系圖，在同一坐標(biāo)系內(nèi)將其與太陽電池實(shí)際應(yīng)該輸出的曲線相交，交 點(diǎn)即得到實(shí)際應(yīng)該輸出的電流值； (4)將實(shí)際應(yīng)該輸出的電流值輸出到負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮衛(wèi)星太陽電池的輸出電流值 的實(shí)時(shí)模擬。 皮衛(wèi)星太陽電池模擬裝置通過計(jì)算機(jī)配置子板的控制芯片，每塊子板模擬單面 太陽電池陣輸出特性，包括自身輸出特性和外界條件(如太陽照射角度)變化，可完成不 同型號(hào)的太陽電池以及不同軌道上的實(shí)驗(yàn)要求。太陽電池陣的輸出功率PA可通過下式計(jì) 算 pA = s.cosr . n .f.aa (i) 其中，S表示空間太陽光強(qiáng)，單位為瓦/米、W/m2)， r是太陽光線與太陽電池
陣法線之間的夾角，n表示太陽電池效率，F(xiàn)表示所有太陽電池陣設(shè)計(jì)和衰減系數(shù)的總
和，AA表示太陽電池陣的面積。n、F與AA可看作常數(shù)。通過軌道參數(shù)和衛(wèi)星姿態(tài)信
息可以計(jì)算出衛(wèi)星第i個(gè)面在時(shí)刻t的受照角度r《t)和強(qiáng)度s《t;)，進(jìn)一步用有效照射系數(shù) A(t)= r《t)Si(t)來描述。易知，實(shí)際受照的太陽電池輸出電流與有效照射系數(shù)成正比。 母板結(jié)構(gòu)簡單，而且可以板間互連，方便多路子板并聯(lián)使用，完成對(duì)不同外形
的衛(wèi)星的模擬。子板中的壓控恒流源電路設(shè)計(jì)為低電壓小功率輸出，保證較高精度的同 時(shí)也可確保安全性。但不失靈活性，也可依照不同的輸出功率與精度需求對(duì)該部分電路 進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)作為控制與存儲(chǔ)終端，具有單面太陽電池特性曲線輸入，軌道受 照參數(shù)輸入，回傳數(shù)據(jù)處理三個(gè)功能。通過終端軟件，分析長時(shí)間的供電電壓與電流數(shù)
4據(jù)，通過計(jì)算可以得到星上二次能源(如電池)的能量儲(chǔ)備情況。 本發(fā)明硬件結(jié)構(gòu)簡單，能方便地做到同時(shí)模擬任意多個(gè)面的電流輸出；能按照 實(shí)際的標(biāo)定曲線來模擬出太陽電池在不同受照情況下的輸出。
圖1為本發(fā)明裝置的整體框架圖。
圖2為本發(fā)明裝置中子板的硬件框圖。
圖3為貼片太陽電池的輸出特性曲線。
圖4為本發(fā)明裝置中計(jì)算機(jī)端的工作流程圖。
圖5為本發(fā)明裝置中子板的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖來介紹本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
。 如附圖l所示為本發(fā)明的整體框架圖，若干塊子板并列連接到一塊母板，若干 塊母板并列連接到計(jì)算機(jī)。 附圖2為本發(fā)明子板的硬件框圖，子板包括控制芯片和壓控恒流源電路以及連 接在二者之間的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。在壓控恒流源的輸出端接有以穩(wěn)壓管為 主的保護(hù)電路，防止過大電流輸出對(duì)負(fù)載造成損害，當(dāng)電壓與實(shí)際太陽電池陣輸出相符 合時(shí)，保護(hù)電路不工作；當(dāng)由于異常情況導(dǎo)致輸出電壓過高時(shí)，保護(hù)電路能夠分擔(dān)部分 電流，鉗制電壓，保護(hù)衛(wèi)星供電端。 附圖3為某型號(hào)貼片太陽電池的輸出特性曲線，通過并聯(lián)與串聯(lián)若干片這種太 陽電池就能構(gòu)成皮衛(wèi)星單面的太陽電池陣，太陽電池陣的輸出特性曲線與附圖3類似， 只是電壓與電流有所不同。在太陽電池陣輸出特性曲線上取若干點(diǎn)，確保通過在這些點(diǎn) 間插值直線或二次曲線能足夠精確的還原曲線即可。這些點(diǎn)值就是太陽電池陣特性曲線 參數(shù)。 計(jì)算機(jī)與子板間的命令主要有三條，都是由計(jì)算機(jī)發(fā)送到子板
命令l，計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)點(diǎn)的特性曲線參數(shù)；
命令2，計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)有效照射系數(shù)；
命令3，計(jì)算機(jī)獲取當(dāng)前的采樣數(shù)據(jù)。 計(jì)算機(jī)端工作流程如附圖4所示，首先，需要準(zhǔn)備太陽電池陣特性曲線參數(shù)與 有效照射系數(shù)文件。前者通過在太陽電池陣的試驗(yàn)標(biāo)定曲線上取點(diǎn)獲得，后者來自軌道 仿真分析。兩個(gè)參數(shù)都按一定格式存為txt文件。然后，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)端的軟件，載入太 陽電池陣特性曲線參數(shù)文件與有效照射系數(shù)文件。在裝置端已啟動(dòng)的情況下，控制計(jì)算 機(jī)發(fā)送命令l到子板的控制芯片。當(dāng)子板完成曲線參數(shù)的接收后，計(jì)算機(jī)開始定時(shí)(10s 左右)向子板發(fā)送命令2。在間隔時(shí)間中，計(jì)算機(jī)一邊向子板發(fā)送命令3以獲得當(dāng)前子板 工作狀態(tài)， 一邊實(shí)時(shí)處理獲得的采樣數(shù)據(jù)。 子板端工作流程如附圖5所示，裝置啟動(dòng)后，子板一方面采樣負(fù)載兩端的輸出 電流I與電壓V，并通過11 = V/I計(jì)算出當(dāng)前負(fù)載阻值R，得到此負(fù)載兩端的電壓電流關(guān) 系圖，另一方面通過中斷接收命令。通過接收到若干個(gè)命令l傳來的數(shù)據(jù)，子板能粗略重建出I與V的關(guān)系曲線，數(shù)據(jù)越多，重建出的曲線越趨近于原曲線。當(dāng)接收到命令2 時(shí)，子板把已重建的特性輸出曲線與新的有效照射系數(shù)相乘，生成一條實(shí)際輸出曲線。 在同一坐標(biāo)系中，將負(fù)載在I-V圖中所對(duì)應(yīng)的直線與太陽電池實(shí)際輸出曲線相交，交點(diǎn)對(duì) 應(yīng)的電流值即實(shí)際應(yīng)該輸出的電流值；也就是說，負(fù)載阻值R可對(duì)應(yīng)到唯一的一點(diǎn)(V。， 1。)使11 = V。/I。成立，該點(diǎn)的電流值I。就是裝置實(shí)際應(yīng)該輸出的電流值，此時(shí)，控制芯片 將此應(yīng)該輸出的電流值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換控制壓控恒流源電路在負(fù)載端得到該輸出電流，此 過程還包括電流的反饋控制調(diào)節(jié)。 電池的在軌能量儲(chǔ)備曲線理論上為一條折線，代表電池不斷充電與放電的過 程，該折線包絡(luò)的趨勢(shì)，表明衛(wèi)星能量獲得與能量消耗趨向。 通過該裝置模擬供電與數(shù)據(jù)采集，可以獲得其供電電壓K與供電電流L，以及 模擬太陽電池所提供的總功率Pi二 ^XI"它與整星功耗&、電池充放電功率P3的關(guān) 系為& = &+^(正值為充電，負(fù)值為放電)。在整星功耗^已知的情況下，可以計(jì)算出 P3， P3對(duì)時(shí)間積分，就獲得了上述電池的在軌能量儲(chǔ)備曲線。 在測(cè)控關(guān)閉的狀態(tài)下，我們無法直接獲取星上信息，但我們能預(yù)測(cè)整星的工作 狀態(tài)以及理論功耗，這可以作為能量平衡估算的有效方法。 通過與測(cè)控回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，評(píng)估太陽電池處到負(fù)載的實(shí)際損耗，從 而驗(yàn)證該方法的有效性。 需要指出的是，命令發(fā)送沒有嚴(yán)格的順序要求。例如，當(dāng)裝置工作一段時(shí)間 后，計(jì)算機(jī)追加發(fā)送更多的輸出特性曲線參數(shù)可以使子板輸出更加精確。
以上所述僅為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)例，并非限定本發(fā)明的的實(shí)施范圍，凡依本 發(fā)明申請(qǐng)專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)在本專利的保護(hù)范疇之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種皮衛(wèi)星太陽電池模擬裝置，其特征在于，包括(a)計(jì)算機(jī)，用于參數(shù)配置，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；(b)若干子板，根據(jù)計(jì)算機(jī)所配置的參數(shù)對(duì)單路負(fù)載提供輸出；(c)母板，用于對(duì)各路子板進(jìn)行物理連接、電氣連接與信號(hào)連接；(d)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口，連接母板與計(jì)算機(jī)，用于在母板和計(jì)算機(jī)間進(jìn)行指令控制與數(shù)據(jù)傳輸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬裝置，其特征在于，所述的子板包括(a) 壓控恒流源電路，用于將輸入電壓按比例轉(zhuǎn)換為輸出電流；(b) 控制芯片， 一端與母板連接，用于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊、執(zhí)行控制指令和輸出控制 信號(hào)；(c) 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，連接控制芯片與壓控恒流源電路的輸入端，將控制芯片輸出的數(shù) 字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；(d) 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于連接控制芯片與壓控恒流源電路的輸出端，將壓控恒流源電路的輸出端的模擬反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字反饋信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬裝置，其特征在于在所述的壓控恒流源電路與負(fù)載之間設(shè)置用于當(dāng)壓控恒流源電路的輸出電流過高時(shí)，分擔(dān)部分電流的保護(hù)電路。
4. 一種皮衛(wèi)星太陽電池模擬方法，包括如下步驟(1) 獲取若干太陽電池陣特性曲線參數(shù)與太陽電池陣有效照射系數(shù)；(2) 將太陽電池陣特性曲線與太陽電池陣有效照射系數(shù)相乘，得到一條太陽電池實(shí)際 應(yīng)該輸出的曲線；(3) 利用在負(fù)載兩端采樣得到的輸出電流和輸出電壓計(jì)算出負(fù)載阻值，對(duì)應(yīng)到I-V圖 上為一條過原點(diǎn)、斜率為1/R的直線，該直線與太陽電池實(shí)際輸出的曲線有且僅有一個(gè)交 點(diǎn)，這個(gè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值為實(shí)際應(yīng)該輸出的電流值；(4) 將實(shí)際應(yīng)該輸出的電流值輸出到負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮衛(wèi)星太陽電池的輸出電流值的實(shí) 時(shí)模擬。
全文摘要
本發(fā)明提供一種皮衛(wèi)星太陽電池模擬裝置，包括計(jì)算機(jī)，若干子板，母板，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接口。本發(fā)明還提供一種皮衛(wèi)星太陽電池模擬方法，先獲取若干太陽電池陣特性曲線參數(shù)與有效照射系數(shù)；再將太陽電池陣特性曲線與有效照射系數(shù)相乘，得到一條太陽電池實(shí)際應(yīng)該輸出的曲線；利用在負(fù)載兩端采樣得到的輸出電流和輸出電壓計(jì)算出當(dāng)前負(fù)載阻值，得到負(fù)載兩端的電壓電流關(guān)系圖，并將其與太陽電池實(shí)際應(yīng)該輸出的曲線相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值即實(shí)際應(yīng)輸出的電流值；最后將實(shí)際應(yīng)輸出的電流值輸出到負(fù)載，實(shí)現(xiàn)電流值實(shí)時(shí)模擬。本發(fā)明硬件結(jié)構(gòu)簡單，能方便地做到同時(shí)模擬任意多個(gè)面的電流輸出；能按照實(shí)際的標(biāo)定曲線來模擬出太陽電池在不同受照情況下的輸出。
文檔編號(hào)B64G7/00GK101691140SQ200910153429
公開日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2009年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月12日
發(fā)明者胡琪, 辜渝嘉, 鄭陽明, 金仲和 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)