臨近空間探空飛艇能源系統仿真技術研究

王 燾，趙彬濤，于智航，周 強，胡 強

(1.中國極地研究中心，上海 200136；2.中國電子科技集團有限公司第十八研究所，天津 300384；3.中國電子科技集團有限公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；4.北京臨近空間飛艇技術開發有限公司，北京 100070)

極地區域地處地球兩極，地面溫度常年維持在0 ℃以下，惡劣的自然天氣限制了常規偵查手段的長時間使用。但是極地區域，特別是北極區域，由于處在北半球區域，距離世界各個主要的經濟體均較近，成為未來各國爭搶的重點。極地區域臨近空間的環境具有極晝現象，能夠為臨近空間飛艇等各種飛行器提供長時間的太陽能供給，確保臨近空間飛行器長時間的滯空偵查，開發極地區域臨近空間的探測偵查已經成為臨近空間領域爭奪的熱點。

臨近空間是指距離地面20～100 km 的空域，現有的飛行器，包括民航客機、軍用戰斗機、偵察機以及衛星，均無法長期滯留該區域。該空域距離地面較近，空氣稀薄，是理想的高空偵查以及探測飛行器的活動區域。該空域的利用能夠降低衛星承擔的壓力，特別是在區域探測的時候，能夠極大地提升探測效率與探測精度，實時監控局部區域，避免衛星繞地環繞造成的探測空窗。

自2003 年美國空軍正式提出臨近空間的概念模型后，該區域已經成為世界各國作戰能力建設的新方向[1]。傳統的飛行器，如美國U-2 高空偵察機、全球鷹無人機、米格-25 高空截擊機以及F22 猛禽戰斗機等，均能夠短時間到達臨近空間區域，但是這些飛行器無法長時間滯空停留在該區域，無法充分利用臨近空間空氣稀薄以及阻力低的特點，實現臨近空間偵查探測。

為了充分利用臨近空間的空間優勢，實現長時間、實時對地偵測，需要開發新型臨近空間飛行器。臨近空間距離地面較遠，云層以及大氣層對該區域的影響極小，這就造成了該區域空間的太陽能資源充足。豐富的太陽能資源能夠為長時間滯空飛行器提供主要的能量來源，同時利用高比能量的儲能電池，能夠彌補夜間太陽能的匱乏，實現臨近空間飛行器長航時、跨晝夜的飛行。

目前臨近空間飛行器主要分為兩類：臨近空間太陽能無人機，臨近空間飛艇。這兩類飛行器均采用太陽能供電和儲能供電的方式，為飛行器的飛行探測提供能量。為了提升臨近空間飛行器的滯空時間，和偵測性能，飛行器在設計制造的過程中必須采用輕質高強度的碳纖維材料，同時臨近空間飛行器的能源供給系統必須采用高轉換效率的柔性三結砷化鎵太陽電池以及高質量比能量的鋰金屬電池，以實現飛行器長航時偵測的目標。這些特殊材料以及產品的使用，造成臨近空間飛行器的整體價格昂貴；而且利用臨近空間飛行器真實平臺進行各種試驗時，試驗樣本少、成本高、耗時長，無法滿足臨近空間快速發展的需求。特別是臨近空間飛行器的能源系統，是整個臨近空間飛行器的整體動力來源，決定著整個飛行器能否實現跨晝夜飛行。目前能源系統產品更新換代速度較快，技術不斷更新，但是臨近空間飛行器的價格決定了能源系統無法實時進行真實環境驗證，無法及時利用真實環境評估能源系統的整體性能。這就要求我們開發新的臨近空間飛行器驗證手段，快速評估臨近空間飛行器用能源系統的可靠性。臨近空間能源系統仿真平臺技術能夠模擬臨近空間復雜的飛行環境，快速評估太陽電池和儲能電池的特性，優化能源系統耦合匹配模型，提升臨近空間能源系統的整體性能。

1 臨近空間能源系統仿真平臺技術

為了實現臨近空間能源系統仿真平臺的建立，首先需要完成能源系統仿真平臺的仿真框架，確定仿真平臺的仿真結構以及邏輯關系。建立臨近空間飛行器能源系統組件模型，包括太陽能發電模型和儲能耗電模型這兩部分。通過仿真優化能源系統的拓撲結合和控制策略。同時為了提升仿真平臺的可操作性，需要實現能源系統仿真平臺的仿真數據可視化呈現，直觀展示臨近空間能源系統的整體運行情況，便于設計人員后續改進與提高。

1.1 臨近空間能源系統仿真平臺架構設計

臨近空間仿真平臺主要針對臨近空間飛艇能源系統進行設計，主要包含太陽能發電模塊、蓄電池儲能模塊、飛行器負載耗能模塊和能源管理控制模塊，同時為了真實模擬臨近空間的低溫低氣壓環境，在能源系統仿真平臺架構設計上增加了輔助模塊，包括位姿環境模塊、熱平衡模塊以及飛行模型模塊等，這些模塊能夠模擬臨近空間飛艇在臨近空間飛行時的周邊氣象環境、飛行器自身的姿態參數等。這些參數對臨近空間飛艇的太陽能模塊、儲能模塊以及控制模塊具有一定的約束，通過使用這些輔助模塊，能夠更好地調控能源系統能量的供給分配，提升臨近空間飛艇整體性能。臨近空間飛艇能源系統仿真平臺架構采用Matlab 進行編譯，整體示意圖如圖1所示。

圖1 臨近空間能源系統仿真平臺架構示意圖

臨近空間能源系統仿真平臺的框架采用串并聯交錯的方式，整個框架各個模塊之間相互聯系。該仿真平臺框架包含了臨近空間飛艇運行過程中的耗能模塊，包括抵押的通信、網絡等負載，這些低壓模塊的用電功率較為穩定，模擬方法簡單。但是對于高壓負載模塊，包括飛行器轉向和推進系統等負載用電，自損耗較高，真實耗能需要結合螺旋槳以及電機等設備的實驗數據，才能夠準確獲取能源系統的耗散數據。

在進行能源系統平臺架構的設計時，為了提升仿真模型的實用性，采用仿真集成軟件，將臨近空間飛艇的運行軌跡、狀態參數匯總，增添可視化界面進行展示，實現臨近空間飛艇能源仿真數據的可視化。臨近空間能源系統平臺架構的可視化界面如圖2 所示。

圖2 能源系統仿真可視化界面

針對能源系統仿真平臺開發的可視化界面包含了臨近空間飛行器的飛行軌跡、預計的飛行路線等。在飛行器飛行路線上，包含有具體的飛行數據信息，包括飛行器的狀態參數、飛行高度、飛行速度以及飛行經緯度等。臨近空間飛行器的可視化界面詳細參數示意圖如圖3 所示。該界面包含有臨近空間飛行器的太陽能發電實時信息、蓄電池電量實時信息、飛行器動力系統的實時能耗信息以及能源管理控制策略信息等，通過點擊對應的模塊，能夠快速查詢對應的信息，及時掌握臨近空間飛行的運行態勢。

圖3 能源系統仿真可視化界面參數示意圖

1.2 臨近空間飛行器能源系統關鍵部件建模

臨近空間飛行器能源系統中，太陽電池供電、蓄電池儲能以及能源系統的耦合匹配設計技術是整個電能源系統的核心，是決定飛行器能否正常飛行的關鍵。能源系統仿真建模過程中，針對太陽能能源獲取模型、儲能電池充放電模型以及能源系統耦合匹配技術進行設計，實現高效的能源系統能源供耗的預測。

1.2.1 太陽電池發電功能模型建模

針對太陽電池的能源獲取特性，研究不同成組方式、安裝方向角和高度角、不同飛行姿態以及不同太陽輻射強度下各個參數的影響因素，實現太陽能供電仿真模型的構建。

在太陽電池發電模型搭建的過程中，主要的影響因素包括日照強度和溫度、太陽電池串并聯模型等，通過數學模型的構建，實現臨近空間飛行器用太陽能發電模型建立。

在日照強度和溫度影響方面，主要考慮兩者對太陽電池I-V 曲線的影響。假定地面上的日照強度S處在0～1 000 W/m2的范圍內，在不同光強照射下，地面太陽電池的溫度變化在10～70 ℃的大范圍內變動。但是在臨近空間環境下，太陽電池的溫度受環境溫度的影響較大，無法參照地面光照強度和太陽電池溫度對太陽電池的I-V 曲線進行修正。為此我們假定在臨近空間環境下某一時刻太陽電池的溫度為T，此時日照強度為SNS，環境溫度為TNS，采用如下公式對臨近空間用太陽電池表面溫度進行修正[2-4]：

式中：K通過試驗測試T(S)斜率獲取，本文采用的太陽電池，K=0.03 ℃·m2/W。在臨近空間領域，需要對太陽電池實際發電情況進行修正[5]。

選取參考日的照射強度以及參考日電池溫度下的電流電壓曲線上的任意一點數據V和I，通過移動獲取新的一天照射強度及溫度下的I-V 曲線上的任一點V'和I'。

式中：α 為參考日照射強度的電流溫度系數；β 為參考日照射強度的電壓溫度系數。

使用上述修正公式對標準電壓-電流進行修正，獲取新的電壓電流曲線，如圖4 所示。

圖4 單體太陽電池I-V曲線

臨近空間飛行器用的太陽電池組件采用串并聯方式實現，在計算太陽能組件總功率的時候，首先選取串流過程中的最小電流，并聯選擇最小的電壓值，之后采用基爾霍夫定律計算總的太陽能組件功率。

在電池串聯的過程中：

在太陽電池組件并聯時：

根據以上串并聯公式，通過計算獲取單體太陽電池的電流和電壓值，逐步獲取太陽電池組件總的電流、電壓和總功率值。

1.2.2 儲能電池充放電模型

儲能電池由于是動態模型，在實際應用過程中匯總，臨近空間飛行器的能量輸出以及荷電狀態始終變化，同時電池循環次數的改變對整體儲能電池也有一定的影響，導致儲能電池的模型較為復雜[6-8]。目前常用的模擬方法包括電化學分析方法、電學模擬以及電路等效建模等。其中電化學分析方法最準確，但是這種建模方法極為復雜，內部的電化學方法建模較為困難，目前應用較少。電學模擬是以實驗數據為基礎的模型方法，這種方法依賴于大量的真實試驗，耗時較長，使用受限。電路等效建模通過對電池端電壓、充放電電流等電學參數建模，能夠較好地反映儲能電池的充放電過程，是目前最常用的一種試驗方法。在電路等效模型中，二階等效電路模型是儲能電池中常用的一種方式，如圖5 所示。圖中：Voc(SOC)為電池開路電壓，可以反映出電池電量情況；RSeries為電池歐姆內阻；U0反映電池功率損耗情況；R1和R2為極化內阻；Vout為電池外部負載電壓；I為電池外部負載電量。

圖5 二階等效電路模型

為了獲取二階等效電路模型中各個參數的值，采用二階RC 模型的狀態方程來獲取。式中：U1(t)、U2(t)、SOC(t)分別為U1、U2、SOC在t時刻的值；Q0為電池的額定容量，Ah。

在該模型中，二階RC 模型中的電壓和電池的SOC有關，假定：

式中：Vnom為蓄電池SOC=1 時的名義電壓，系數β通過測試某一電壓V1下的SOC來確定。之后通過二階等效電路模型，對電池進行充放電試驗，獲取電池的各個電壓以及電流參數。

1.2.3 能源系統耦合匹配模型

在臨近空間飛行器儲能系統中，單體電池的電壓和電流無法滿足飛行器整體負載的需求，需要將單體儲能電池通過串并聯方式形成儲能模組。在飛行過程中，臨近空間飛行器的能量流動過程如圖6 所示。

圖6 臨近空間飛行器能量流動示意圖

在臨近空間飛行器能源系統中，太陽電池和儲能電池產生的能量分配給飛行器的負載，在飛行器工作過程中，整體能源系統的流動情況復雜，需要進行能量系統的耦合匹配，高效管理整體能量流動，實現臨近空間飛行器長航時的目標。通過對臨近空間飛行器飛行環境分析，基于太陽能供電模型和儲能電池模型，設計出臨近空間飛行器能源系統耦合匹配技術邏輯圖，如圖7 所示。

圖7 臨近空間能源系統耦合匹配邏輯示意圖

在該邏輯圖中，假定太陽電池與儲能電池能夠滿足任意時刻臨近空間飛行器負載的需要，并且儲能電池模組不能過充和過放。在模型構建過程中，引入飛行器飛行坐標、周邊溫度信息等，實現臨近空間飛行器能源系統動態耦合匹配。

2 臨近空間飛艇能源系統仿真模型驗證

為了驗證臨近空間能源系統仿真平臺的有效性，采用實際試驗與仿真結果進行對比，驗證能源系統仿真的準確性，如圖8 所示。

圖8 能源系統模擬值與實際值對比

試驗采用的是砷化鎵電池，儲能電池采用的是高性能鋰離子電池，在能源系統仿真模型中，太陽電池的模擬值與實際值之間最大偏差在10%左右，鋰離子電池組SOC估算值與實際值最大偏差在1%以內，表明臨近空間能源系統仿真模型具有較好的預測效果，能夠替代部分后期臨近空間飛艇的實際工況試驗，加速臨近空間飛艇能源系統的優化升級。

3 結論

臨近空間能源系統模擬仿真平臺是快速評測臨近空間能源系統有效性、快速提出改進方向、降低能源系統開發難度的有效手段。

通過對臨近空間能源系統中太陽電池與儲能電池實際發電與耗電情況的仿真，實現了快速評測臨近空間飛艇能源系統的目標，為臨近空間能源系統的快速優化提供了可靠的試驗保證，降低了臨近空間飛艇試驗的成本和難度，為臨近空間飛艇的快速發展奠定了能源保障基礎。