包邮航天器电源系统建模与仿真

第1 章　绪论1

　1. 1　航天器电源系统简介1

　　1. 1. 1　太阳电池阵2

　　1. 1. 2　储能电池3

　　1. 1. 3　电源控制装置5

　　1. 1. 4　总体电路13

　1. 2　系统建模与仿真概述15

　　1. 2. 1　系统建模方法15

　　1. 2. 2　通用建模语言17

　1. 3　航天器电源系统仿真需求18

　1. 4　航天器电源系统仿真软件21

　　1. 4. 1　通用电路仿真软件22

　　1. 4. 2　专用的航天器电源系统仿真软件25

第2 章　Modelica 语言建模与仿真基础35

　2. 1　Modelica 概述35

　2. 2　模型要素37

　　2. 2. 1　变量37

　　2. 2. 2　方程与算法38

　　2. 2. 3　连接39

　　2. 2. 4　类与类型41

　2. 3　建模功能43

　　2. 3. 1　面向对象建模43

　　2. 3. 2　陈述式建模47

　　2. 3. 3　连续离散混合建模50

　　2. 3. 4　多领域统一建模53

　2. 4　方程55

　　2. 4. 1　声明方程55

　　2. 4. 2　变型方程55

　　2. 4. 3　等式方程56

　　2. 4. 4　for 方程57

　　2. 4. 5　连接方程58

　　2. 4. 6　条件方程59

　　2. 4. 7　其他方程64

　2. 5　算法64

　　2. 5. 1　赋值语句66

　　2. 5. 2　for 循环语句66

　　2. 5. 3　while 循环语句67

　　2. 5. 4　if 语句68

　　2. 5. 5　when 语句69

　　2. 5. 6　其他语句70

　2. 6　数组71

　　2. 6. 1　数组声明71

　　2. 6. 2　数组构造73

　　2. 6. 3　数组连接77

　　2. 6. 4　数组索引与切片79

　　2. 6. 5　数组运算81

　2. 7　函数84

2　　■ 航天器电源系统建模与仿真

　　2. 7. 1　函数定义85

　　2. 7. 2　函数调用87

　　2. 7. 3　内置函数90

　　2. 7. 4　记录构造函数93

　　2. 7. 5　函数向量化调用94

　　2. 7. 6　导函数95

　　2. 7. 7　外部函数96

　　2. 7. 8　外部对象102

　2. 8　模型初始条件104

　　2. 8. 1　设置初始条件105

　　2. 8. 2　确定初始条件个数106

第3 章　航天器电源系统建模基础107

　3. 1　太阳电池建模107

　　3. 1. 1　太阳电池建模基础107

　　3. 1. 2　硅太阳电池114

　　3. 1. 3　砷化镓太阳电池117

　　3. 1. 4　三结砷化镓太阳电池121

　　3. 1. 5　太阳电池阵122

　3. 2　蓄电池建模123

　　3. 2. 1　蓄电池建模基础123

　　3. 2. 2　镉镍/ 氢镍蓄电池模型128

　　3. 2. 3　锂离子电池模型129

　3. 3　电源控制装置建模132

　　3. 3. 1　分流调节器数学模型132

　　3. 3. 2　蓄电池充电调节器模型133

　　3. 3. 3　蓄电池放电控制器模型134

　　3. 3. 4　S3R 调节器电路模型135

　　3. 3. 5　S4R 调节器电路模型139

目　 录 ■　 　 3

　　3. 3. 6　MPPT 141

　3. 4　配电和负载146

　　3. 4. 1　开关模型146

　　3. 4. 2　SSPC/ LCL 模型149

　　3. 4. 3　典型负载模型154

第4 章　基于Modelica 的航天器电源系统建模157

　4. 1　模型构建规范及开发验证流程157

　　4. 1. 1　模型库构建规范157

　　4. 1. 2　模型库结构设计158

　　4. 1. 3　单机模型开发与验证159

　　4. 1. 4　模型的修正与评价160

　4. 2　太阳电池模型163

　　4. 2. 1　三结砷化镓太阳电池模型163

　　4. 2. 2　硅太阳电池168

　　4. 2. 3　砷化镓太阳电池169

　　4. 2. 4　太阳能电池阵模型169

　4. 3　蓄电池模型172

　　4. 3. 1　锂离子电池模型172

　　4. 3. 2　镉镍蓄电池模型176

　4. 4　电源控制装置179

　　4. 4. 1　MEA 和BEA 控制器179

　　4. 4. 2　S3R 分流调节器模型181

　　4. 4. 3　S4R 充电分流调节器模型183

　　4. 4. 4　BDR 模型186

　　4. 4. 5　BCR 模型187

　　4. 4. 6　MPPT 调节模块模型189

　4. 5　配电和负载模型192

　　4. 5. 1　二次电源DC/ DC 192

4　　■ 航天器电源系统建模与仿真

　　4. 5. 2　开关控制配电器193

　　4. 5. 3　固态功率控制器196

　　4. 5. 4　直供电配电器199

　　4. 5. 5　火工品配电器200

　　4. 5. 6　典型负载模型202

第5 章　航天器电源系统层次化建模和多要素仿真211

　5. 1　航天器电源系统层次化模型表征和构建方法211

　　5. 1. 1　“数字地图式” 层次化模型211

　　5. 1. 2　系统层模型213

　　5. 1. 3　设备层模型213

　　5. 1. 4　电路层模型214

　　5. 1. 5　层次化模型间的关系214

　　5. 1. 6　层次化模型的可视化215

　　5. 1. 7　层次化模型实例216

　5. 2　能量平衡仿真220

　　5. 2. 1　分析原则220

　　5. 2. 2　分析方法220

　　5. 2. 3　仿真实现223

　5. 3　地回路仿真224

　　5. 3. 1　仿真目的224

　　5. 3. 2　分析方法225

　　5. 3. 3　仿真实现227

　5. 4　故障仿真228

　　5. 4. 1　太阳电池阵故障228

　　5. 4. 2　蓄电池组故障229

　　5. 4. 3　电源控制装置故障229

　　5. 4. 4　配电开关与电缆故障229

　5. 5　状态评估与预测230

目　 录 ■　 　 5

　　5. 5. 1　蓄电池组SOC 估计230

　　5. 5. 2　蓄电池组SOH 估计与预测234

　5. 6　航天器电源系统“数字伴飞” 235

　　5. 6. 1　航天器数字伴飞的概念与功能235

　　5. 6. 2　航天器数字伴飞的基础237

　　5. 6. 3　数字伴飞模型237

　　5. 6. 4　模型修正238

　　5. 6. 5　在线估计与预测243

　　5. 6. 6　航天器能源流数字伴飞系统设计和应用实践246

第6 章　航天器电源系统仿真实例250

　6. 1　LEO 航天器电源系统仿真实例250

　　6. 1. 1　系统设计概况250

　　6. 1. 2　系统架构及各组件建模250

　　6. 1. 3　能量平衡分析256

　6. 2　火星车电源系统仿真实例260

　　6. 2. 1　系统设计概况261

　　6. 2. 2　环境模型建模262

　　6. 2. 3　太阳电池阵模型建模267

　　6. 2. 4　蓄电池模型建模272

　　6. 2. 5　电源控制建模273

　　6. 2. 6　能量平衡分析277

　6. 3　“嫦娥五号” 电源系统仿真实例282

　　6. 3. 1　系统设计概况282

　　6. 3. 2　上升器电源子系统架构及各组件建模283

　　6. 3. 3　能量平衡分析287

参考文献291

索引298