航天器电源系统建模与仿真

　　本书概述了航天器电源系统的组成和仿真需求，梳理了常用建模方法、建模语言和仿真工具的发展现状，给出了利用Modelica语言开展航天器电源系统建模的相关技术基础，系统介绍了航天器电源系统拓扑、关键单机的工作原理，提出了航天器电源系统层次化模型表征和构建方法，总结了电源系统能量平衡、接地分析等多要素仿真验证和能源流“数字伴飞”研究成果，并结合工程实践给出了仿真实例，使读者能够了解航天工程一线的知识沉淀，对读者的学习、工作产生启发。本书立足于航天器电源系统总体设计、分析和仿真验证，可作为高等院校宇航相关专业学生的教学参考书，也可供从事宇航工程、航天器总体设计及有关专业的科技人员参考。

　　刘治钢，博士，研究员，现任职于北京空间飞行器总体设计部。中国电工技术学会无线电能传输专业委员会委员、中国宇航学会第一届空间太阳能电站专业委员会委员，主要从事航天器供配电系统设计、复杂航天器电源系统建模与仿真、空间能源技术发展规划等工作。曾先后参加“嫦娥五号”“天问一号”供配电分系统研制，主持完成10余项军民预先研究项目，参与出版专著3本，发表学术论文30余篇，授权国家发明专利20余项，获中国专利奖银奖1项。

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