臨近空間飛艇能源晝夜閉環仿真驗證系統研究

劉文平，李 釧，劉 碩，宋建青

(中電科能源有限公司，天津 300384)

能源系統是臨近空間飛艇最重要的分系統之一，需要為平臺有效載荷系統、控制系統等提供晝夜正常工作所需的能源[1]。能源系統由太陽電池陣列、儲能電池和能源管理設備構成，其工作原理為：白天由太陽電池陣列采集太陽光產生電能，由能源管理設備進行能量分配，一部分供給艇載設備，另外一部分供給儲能電池，對儲能電池進行充電；夜間飛艇供電由儲能電池完成，并通過能源管理設備實現平臺不間斷供電。

飛艇在放飛前需要開展全系統不間斷模擬工況測試，以確認系統功能性能滿足飛行任務要求，其中能源系統的能量平衡為重點測試項目，它可以對能源晝夜閉環仿真進行驗證[2]。然而，太陽能飛艇的能量來源是鋪設在囊體上的太陽電池陣，由于光照、風速、云層、降水等自然條件不可控[3]，在戶外條件下難以避免云層遮擋及地面風力的不利影響，加之飛艇太陽陣及相關電源控制設備的龐大規模造成其出入艇庫費時費力，因此利用戶外自然光照射太陽電池陣供電開展整艇測試顯然是難以實現的。而采用人造光源模擬太陽光在室內照射太陽陣的測試方式也不可行，主要原因在于當前相關發光設備的技術水平尚無法維持長時間高功率輸出和足夠大的光照面積[4]。

本文研究一種臨近空間飛艇能源晝夜閉環仿真驗證系統，包括仿真系統和驗證系統兩部分。對實際的飛艇能源系統進行仿真模擬，并且通過半實物驗證系統進行驗證，這樣既省去了大面積鋪裝太陽電池陣的麻煩，也能對真實的能源系統進行評估和驗證，并且負載隨意可調，可驗證各種工況[5]。

1 仿真系統

仿真系統包括發電計算模塊、儲能計算模塊和預測評估模塊。其中，發電計算模塊是通過飛艇飛行參數計算出陽光和太陽電池的夾角，再通過該夾角計算出輻照度，再結合太陽電池參數計算出太陽電池發電功率和總發電量。儲能計算模塊是根據發電情況和負載情況計算出能量盈虧，再結合儲能電池當前剩余電量計算未來24 h 儲能電池電量剩余情況。預測評估模塊是根據上述計算結果進行分析判斷，對飛艇能源系統進行預測評估，判斷是否能夠晝夜閉環運行。本文通過在線預測評估，為長航時飛艇的能源晝夜平衡提供數據支撐，助力飛艇的長時間飛行，更好地完成飛行任務。

1.1 發電計算模塊

1.1.1 陽光和太陽電池夾角計算

計算太陽光線和太陽電池片的夾角，首先要根據時間和經緯度、海拔高度，計算得到某個仿真時刻在地理坐標系中的陽光矢量；而后根據飛艇的三個姿態角，將其變換至飛艇的本體坐標系中。

調用商業航天軟件STK 可完成上述處理。具體方法是在STK 中創建飛艇模型，并指定其位置(經緯度、海拔)，以當地地理坐標系(北東地)為基準根據飛艇飛行姿態(航向、俯仰、滾動)旋轉其本體坐標系(前右下)，再以飛艇本體坐標系為基準根據太陽電池的安裝角(為貼合囊體產生的角度)旋轉太陽電池坐標系。最后調用Report 模塊，即可得到陽光與太陽電池片法線(即太陽電池片坐標系的-Z方向)的夾角。

1.1.2 太陽電池陣發電量計算

通過以下公式可以計算單體電池片的輻照度。

式中：S為輻照度；S0為太陽常數，隨高度變化而變化，例如在20 000 m 平流層，S0=1.2 kW/m2；α 為陽光與太陽電池片法線的夾角。

則單體太陽電池片的發電功率可以通過輻照度乘以單體面積計算得出，太陽電池陣的發電功率等于全部單體太陽電池片的功率總和。

則太陽電池的發電量為：

太陽電池陣是由太陽電池單體經過串并聯構成的。太陽能無人飛艇太陽電池的鋪裝特點是一串電池中的各單體與陽光的夾角可能存在不一致的情況，即不同“排”間的單體電池進行了串聯。出現此種情況時，整串電池的電流會受到輸出電流最小的單體電池鉗位，無法做到每片電池都處于最佳工作點。為了減小計算量，本系統不再分別計算電池串中除最小功率單體外的每片電池的非最佳工作點輸出功率，直接采用最小功率單體的輸出功率作為該串各電池的輸出功率，乘以串聯數即可得到該串電池的輸出功率。將各串電池的輸出功率相加可得出整個太陽電池陣的輸出總功率。

1.2 儲能計算模塊

儲能電池的充電功率可以根據以下公式計算：

式中：P充電為儲能電池的充電功率；P發電為太陽電池陣的發電功率；P負載為負載用電功率；η1為母線效率；η2為MPPT 效率；η3為充電效率。

當太陽電池陣輸出的功率大于負載用電功率時，剩余的能量將為儲能電池充電；當太陽電池陣輸出功率不足以滿足負載用電功率時，P充電為負值，儲能電池將放電，則η3為放電效率。充放電的累計影響儲能電池的當前能量。其中，充電功率最大不可超過“儲能電池能量×最大充電倍率”，放電功率最大不可超過“儲能電池能量×最大放電倍率”。

因此，當P充電＞0 時，有：

式中：E為當前能量；E0為上一時刻能量；Min()為取最小值；t為充電時間；Emax為儲能電池最大容量；Cmax為最大充電倍率。

因此，當P充電＜0 時，有：

式中：P放電=－P充電；E為當前能量；E0為上一時刻能量；Min()為取最小值；t為放電時間；Emax為儲能電池最大容量；Cmax為最大放電倍率。

1.3 預測評估模塊

根據發電計算模塊和儲能計算模塊的計算結果，結合遙測數據，對臨近空間長航時太陽能無人飛艇進行預測評估。

首先，獲取當前時刻MPPT 控制器的輸出電壓、電流遙測數據，根據該遙測數據計算出實際總發電功率，根據當前時刻實際和理論總發電功率計算系數K。

根據系數K預測未來24 h 的發電曲線，即認為K隨著時間的變化基本保持不變，采用K對發電計算模塊中的結果進行校正，計算得出未來24 h 不同時刻的發電功率，繪制發電功率曲線。

獲取當前時刻負載、儲能電池的電壓、電流遙測數據，根據當前時刻發電、用電、儲能情況計算出系統效率η。

根據效率η 預測未來24 h 的儲能曲線，即認為η 隨著時間的變化基本保持不變，采用η 對儲能計算模塊中的結果進行校正，計算得出未來24 h 不同時刻的儲能電量，繪制儲能曲線。

判斷儲能電池電量是否會放空，如果儲能曲線的電量最低點大于0 則證明儲能電池至少能維持24 h，繼續判斷24 h后的電量是否不低于初始電量，如果也滿足該條件則證明飛艇能源系統能夠晝夜閉環運行，否則不能閉環運行。預測出結果后在界面上進行提示，給出合理化建議，讓飛艇地面站判斷是否需要對飛艇的飛行進行相應的調整。

以上程序流程圖如圖1 所示。

圖1 臨近空間飛艇能源系統預測評估程序流程

2 半實物驗證系統

2.1 總體架構

如圖2 所示，本系統由太陽電池模擬器、MPPT 控制器、儲能電池、DC-DC 配電器、電子負載、交換機和監控計算機組成。

圖2 系統框圖

在本系統中，儲能電池、MPPT 控制器和DC-DC 配電器為飛艇實際使用的設備，太陽電池模擬器和電子負載為模擬實際太陽電池發電和飛艇實際用電設備，用于驗證飛艇的能源晝夜閉環，所以稱為半實物驗證系統。

太陽電池模擬器用于模擬太陽電池陣發電，MPPT 控制器用于跟蹤所述太陽電池陣最大功率點，儲能電池用于儲存電能，DC-DC 配電器用于系統穩壓配電。電子負載用于模擬飛艇用電負載，交換機用于組建局域通信網，監控計算機用于監控能源系統。

系統中太陽電池模擬器由三相380 V 交流電源供電，電子負載、交換機和監控計算機由單相220 V 交流電源供電。MPPT 控制器的輸入直流電壓范圍為350～400 V，輸出直流電壓范圍為400～500 V，最大功率為5 kW，最大輸入電流為15 A，最大輸出電流為12.5 A，效率大于等于95%。儲能電池的額定容量為9.9 Ah，工作電壓為300～504 V。DC-DC 配電器的輸入直流電壓為400～500 V，最大功率為5 kW，最大輸入電流為13 A，最大輸出電流為11.5 A。

2.2 太陽電池模擬

本系統采用太陽電池模擬器模擬太陽電池陣發電，采用數字式太陽電池模擬器模擬各子陣，以太陽電池的數學建模為基礎，利用數字信號處理器控制電力電子變換裝置，根據精準的控制算法不斷調節主電路的工作狀態，使模擬器的輸出性能與真實的太陽電池陣輸出性能相符合。圖3 為數字式太陽電池模擬器的原理框圖。

圖3 太陽電池模擬器原理框圖

太陽電池模擬器能模擬出真實的太陽電池陣輸出性能，太陽電池模擬器的輸出電壓和電流在I-V 坐標系所對應的點應落在太陽電池I-V 特性曲線上。這個點即為負載曲線與太陽電池輸出曲線的交點，稱為模擬器的目標工作點。眾所周知，太陽電池輸出特性具有非線性，易受光照強度和環境溫度的影響，而且系統在實際應用中會經常切換負載，在飛艇系統測試過程中I-V 特性曲線也在實時變化，這些都會導致太陽模擬器目標工作點的變化。圖4(a)中的點A、B、C 分別為環境條件一定，不同負載Ra、Rb、Rc所對應的目標工作點；圖4(b)中的點L1、L2、L3分別為系統負載一定，外界環境條件變化所對應的目標工作點。評價模擬器性能優劣最重要的指標之一即是系統追蹤到目標工作點的速度、準確性和穩定性。

圖4 太陽電池模擬器工作目標點

從上述分析中可知，太陽電池模擬器實質上是一種DCDC 變換電路，它將一種直流電源變化為另一種不同特性輸出的直流電源，以實現對太陽電池輸出特性的模擬。

2.3 最大功率點跟蹤

當前所有型號的太陽能飛艇能源系統均采用了最大功率點跟蹤(MPPT)技術，以實現太陽電池陣發電能力利用率的最大化。MPPT 是由DC-DC 變換電路(下文稱為MPPT 控制器)實現的，太陽電池陣列與負載通過MPPT 控制器連接，其工作原理是檢測主回路直流電壓及輸出電流，計算出太陽能陣列的輸出功率，并實現對最大功率點的追蹤。圖5 為最大功率點跟蹤過程示意圖。

圖5 MPPT原理示意圖

可見與數字式太陽電池陣列模擬器類似，本系統的直接測試對象——MPPT 控制器，本質上也是一種DC 變換器。在MPPT 控制器進行上下擾動時，太陽電池模擬器必須隨著擾動快速并且準確地跟蹤到目標的工作點，才能使MPPT 控制器正確地測量到擾動后的電壓電流值，保證調節方向正確，最終達到最大功率輸出。

2.4 DC-DC 變換器原理

(1)DC-DC 變換電路

DC-DC 的作用是為負載提供穩定的供電，它可以在400～500 V 輸入電壓范圍條件下輸出穩定的450 和28 V，其中450 V 負載最大功率5 kW，28 V 負載最大功率100 W。

DC/DC 轉換器本身具有較寬的輸入電壓范圍，輸入輸出端隔離，輸出過壓保護，過熱關斷，輸出電壓調節，而且元件數量少，應力低，熱阻抗小。DC/DC 轉換器本身具有完善的保護功能，再加以外部的濾波電路，可以有效、可靠地保證電源的輸出品質。

(2)信號變換電路

DC-DC 信號變換電路負責能源管理器內各部分工作狀態模擬量信號的采集及變換，并將每路需采集的信號變換為適合TM/TC 輸入的電壓信號，傳入TM/TC。

電壓信號采集變換按照數字信號地或模擬信號地應與推進電源地相互隔離的要求，均采用隔離方式進行采集變換。

推進母線電壓信號選用光電耦合器作為隔離變換器件，信號隔離變換后生成共地信號經放大電路變換為均符合TM/TC 信號輸入范圍的電壓信號，原理框圖見圖6。

圖6 隔離電壓信號變換原理框圖

2.5 負載模擬

本系統的負載采用電子負載模擬。電子負載的原理是控制內部功率場效應管或晶體管的導通量，靠功率管的耗散功率從而消耗電能，它能夠準確地檢測出負載電壓，從而調整負載電流。電子負載可以模擬出真實環境中的載荷，它有恒流(CC)、恒阻(CR)、恒壓(CV)、恒功率(CP)功能。本系統可根據負載類型控制電子負載工作在CC、CR、CV、CP 模式。

3 仿真運行與數據分析

在仿真軟件中輸入某太陽電池陣的單片電池參數、電池片數量、仿真時間、仿真緯度、經度、高度、蓄電池總能量、初始能量以及負載功率等參數，即可生成發電-用電-儲電仿真數據。能源晝夜閉環仿真輸入數據為：仿真開始時間2021-06-21 0：00，仿真結束時間2021-06-21 23：50，電池片工作點電壓0.627 V，電池片開路電壓0.735 V，電池片工作點電流2.75 A，電池片短路電流3.008 A，緯度42°，經度87°，高度為20 000 m，電池片數量為2 448 片，蓄電池能量3 600 Wh，初始能量3 600 Wh。負載功率為：0：00—6：50 負載功率323 W，7：00—8：50負載功率1 083 W，9：00—9：50 負載功率323 W，10：00—19：50 負載功率3 000 W，20:00—23:50 負載功率323 W。圖7為臨近空間飛艇能源晝夜閉環仿真曲線。

圖7 臨近空間飛艇能源晝夜閉環仿真曲線

將仿真結果輸入能源晝夜閉環仿真驗證系統中，記錄發電功率和蓄電池剩余能量數據，生成系統實際運行曲線圖，從曲線的符合度表明，運行結果與仿真結果基本一致。圖8為系統實際運行曲線。

圖8 系統實際運行曲線

4 結論

本文通過一種臨近空間飛艇能源晝夜閉環仿真驗證系統研究，對仿真軟件和半實物驗證系統進行了設計，通過仿真系統和半實物驗證系統，可以對真實的能源系統進行評估和驗證，這樣省去了大面積鋪裝太陽電池陣的麻煩。通過仿真模擬和系統測試，驗證了系統的有效性。