太阳同步轨道卫星电源系统设计计算方法研究_鄢婉娟

光强因子为
Kss = co sU× K d
其中 K d 为日地距离因子 ,
Kd=
1 d2
,
d 为日地距离
(单位用天文单位
AU来表示 )。
( 2) 地影时间
对于太阳同步轨道 , 基本可以按圆轨道考虑 , 则蚀区因子可以表示为
Ke = 1180a rcco s
1 - re2 / ( re + h ) 2 cosV
2. 2 太阳电池阵计算
太阳电池阵所需面积的大小取决于太阳电池本身的性能参数和负载功率的大小。 为了
在最恶劣的情况下能满足负载的功率需求 , 通常以寿命末期太阳电池的最小输出情况为基 础计算太阳电池阵的面积。 考虑太阳电池在寿命期间的辐照损失、 紫外损失、 各种测量和
装配误差、 太阳有效光强因子的影响等 , 太阳电池最大功率点的最小输出电压和最小输出
联节数。 例如对于 28V 母线 , 蓄电池的串联节数一般取 N bat≤ 18, 而对于 42V 母线 , 蓄电 池的串联节数一般取 N bat≤ 28。
∑ ∑ ∑ Fmc =
c
Fl ZD
, Fmd =
Tmc + [ Tl - ( Tmc +
c
c
Tme ) ] Ft
e
式中 ZD为放电调节器效率 ; Zc为充电调节器效率 ;Zwh 为蓄电池充电的瓦时效率 ; Fl为放电
回路损失因子 ; Ft 为光照区允许充电的时间比例 ; Tl 为光照区时间。
在全调节母线电源系统中 , 母线电压在光照期受分流调节器调节 , 在地影期受放电调 节器调节 , 因此 , 在卫星进出地影或峰值功率负载工作时 , 母线电压始终能保持稳定。 全 调节母线电源系统为蓄电池组充电的方式主要有两种: 一种是在母线上挂接蓄电池充电调 节器 , 由它来调节蓄电池组的充电电流 , 直接从母线上取电为蓄电池组充电 , 并满足蓄电 池组充电电压的要求 ; 另外一种是将太阳阵分成供电阵和充电阵两部分 , 其中充电阵除了 在峰值功率负载工作时向母线供电外 , 还在整个光照期内为蓄电池组充电 , 这种方法直接
2001年 4月 中 国 空 间 科 学 技 术 1 9
第 2 期 C HIN ESE SP ACE SCIEN CE AN D T ECHNO LO GY
太阳同步轨道卫星电源系统 设计计算方法研究
鄢婉娟
(北京空间飞行器总体设计部 , 北京 100086)
∑ P0 Te +
Pma Tma
∑ Pme Tme
∑ Tme
式中 Fma =
a
Fl ZD Zwh Zc
, Fmb =
e
Fl ZD
Zwh
Zc , Fme =
e
Zwh
Zc
2 2 中 国 空 间 科 学 技 术 2001年 4月
∑ Pmc Tmc
2 电源系统设计计算方法
在电源系统设计时 , 首先应根据负载工作模式和功率大小确定太阳电池阵的面积和蓄 电池组的类型及规模 , 再配以合适的电源功率调节设备 , 可组成一个完整的电源系统。 本 文以全调节母线的电源系统为例 , 考虑上述两种充电方式下的电源系统设计计算方法。
2. 1 轨道条件
太阳光线与太阳阵法线的夹角和地影时间是设计电源系统时最关心的两个轨道输入条
Pmc / Tmc , ( 1≤ m ≤ n) , ( c = 1, 2, 3,… ) 3) 光照期短期功率 (超过充电阵的供电能力或与长期功率的总和超过太阳阵的供电能
力 ) 及工作时间
Pme / Tme , ( 1≤ m ≤ n) , ( e = 1, 2, 3,… )
( 1) 太阳电池阵 (分供电阵和充电阵两部分 ) 布片
e
Fl ZD Zwh Zc
∑ F′mc =
( Pmc + P0 ) Tmc
c
∑ ∑ F′md = P0 [ Tl - ( Tmc +
Tme ) ] FtBaidu Nhomakorabea
c
e
∑ Tme
F′me = Fl
e
ZD
Zwh
Zc
∑ ∑ ∑ F′mf =
Tmc + [ Tl - ( Tmc +
Tme ) ] Ft
假设卫星长期功率为 P0, 有 n 种短期负载工作模式 , 以下列出在某种短期负载工作模 式中地影期和光照期短期功率的大小和相应的工作时间:
1) 地影期短期功率及工作时间 Pma / Tma , ( 1≤ m ≤ n ) ( a = 1, 2, 3,… ) 2) 光照期短期功率 (不超过充电阵的供电能力或与长期功率的总和不超过太阳阵的供 电能力 ) 及工作时间
1 电源系统一般框架
太阳同步轨道一般属于低轨道 , 这种轨道的地影时间较长 , 有些几乎占整个轨道周期 的 1 /3左右。 卫星进出地影频繁 , 为了使母线电压在进出地影时不致产生大的跃变而影响 到母线上的用电负载 , 电源系统的母线一般采用全调节母线。 本文以全调节母线的电源系 统为例 , 讨论电源系统的设计计算方法。
主题词 电源 设计 计算方法 太阳同步卫星
太阳同步轨道的特点是卫星从同方向飞经同纬度的当地时间和太阳高度角相同 ,因此 , 这种轨道常被一些对地观测卫星和照相侦察卫星所采用 , 因为它们在观测或侦察同一地区 时的太阳光照情况相同 , 便于事后的分析和比较。 研究这种典型轨道下的卫星电源系统设 计计算方法 , 总结出一些经验和规律 , 并用软件编程加以实现 , 形成一个界面友好、 可以 独立运行的应用软件 , 不仅避免了以前电源系统设计时繁琐的人工计算 , 而且避免了一旦 输入条件发生改变 , 整个计算过程就要重来一遍的局面 , 对于今后更好地开展电源系统设 计、 提高工作效率、 特别是在方案论证阶段配合总体进行电源分系统的论证有着重要意义。
V I bus
eolm p
故共需太阳电池片数为 N = N scs N scp
2. 3 蓄电池组计算
为了减轻电源系统的质量和体积 , 提高蓄电池组的比能量 , 目前电源系统的蓄电池放
电调节一般采用升压型 , 即蓄电池组的最高充电电压不能高于母线电压。 又为了便于提高
放电调节器的效率 , 应使得蓄电池组电压尽量接近母线电压 , 这样就限制了蓄电池组的串
收稿日期: 2000-06-27。 收修改稿日期: 2000-09-15
2 0 中 国 空 间 科 学 技 术 2001年 4月
利用太阳电池的恒流输出特性 , 对蓄电池组进行限流充电。考虑到技术的成熟度和继承性 , 中国的太阳同步轨道卫星大都采用独立充电阵的充电方式。
( 2) 太阳电池阵统一布片
太阳电池阵除了满足负载的功耗需求外 , 还要满足蓄电池组的充电功率需求。 若按当
圈能量平衡设计 , 太阳电池阵的最小输出功率 Pw 应满足下式
Pw =
Fma +
F′mb + F′me +
F′mc + F′m f
F′m d
∑ [ ( Pme + P0 ) Tme ]
式中 F′mb =
摘要 给出了太阳同步轨道卫星电源系统的两种基本结构框架 ; 分析了这两 种结构的电源系统的设计计算方法 ; 推导出了基于单圈能量平衡和多圈能量平衡 的计算公式。 以一个算例验证了该算法 , 并计算出所需太阳电池阵的面积和蓄电 池组的容量 , 最后进行了能量平衡分析 , 得到了单圈或多圈能量平衡的结果。
其中 re 为地球赤道半径 ; h 为卫星轨道高度。
判断星蚀的准则是 0≤ 1 - re2 / ( re + h ) 2 < 1 ,即只有当轨道面太阳入射角 V满足 cosV
上述条件时 , 这圈轨道才有星蚀出现。 地影时间为 Te = T0 × Ke , T 0 为卫星轨道周期。
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电流为:
Veolmp = [Vbmp + K vmp ( Top - T0 ) ] Fzv Fhv Frav
Ieolmp = [ Ibmp + K imp ( Top - T 0 ) ] Fzi Fhi Kss Frai 式中 Vbmp 为标准条件下太阳电池最大功率点电压 ; Ibmp 为标准条件下太阳电池最大功率 点电流 ; Kimp 为电流温度系数 ; K vmp 为电压温度系数 ; T op 为太阳电池工作温度 ; T 0 为标准温 度 ,取 25℃ ; Fzv 为电压装配损失因子 ; Fhv 为电压辐照损失因子 ; Frav 为电压测量损失因子 ; Fzi 为电流装配损失因子 ; Fhi 为电流辐照及紫外损失因子 ; Frai 为电流测量和标定损失因子。
c
c
e
蓄电池组在一圈内的放电瓦时数为
Dwh = ( Fma + F′mb - Pw F′me ) Zwh Zc
若按 n 圈能量平衡设计 , 则
Pw =
F1a +
F′1b +
F′1c + F′1e +
F′1d + … + F′1f + … +
Fna + F′nb + F′ne + F′nf
F′nc +
W( t ) = arctan [ si n( 2πt / 365) tan(X) ] t ∈ [ 0, 365]
T( t ) =
arccos
co s( 2πt /365) cos(Wh ( t ) )
-
2πt / 365 t ∈
[ 0, 182. 5 ]
2π -
arccos
cos( 2πt /365) cos(Wh ( t ) )
供电阵的并联电池片数为
N map =
( 1+ a′) P0
V I bu s
eolmp
式中 a′为功率设计裕度。 充电阵设计时 , 首先要根据负载需求确定充电阵的最小应输出功率 Pc。 若按当圈能量
平衡设计 , 充电阵的最小输出功率应满足下式
Pc =
Fma + Fmb + Fmc Fme + Fmd
供电阵主要用于满足长期功率负载的需要 ; 充电阵除了在光照区给蓄电池组充电外 ,还 在峰值功率负载工作时联合供电阵甚至蓄电池组向外供电。
供电阵的串联电池片数为
N mas =
Vbus + Vdio + Veolm p
V li ne
式中 Vdio 为隔离二极管压降 ; Vb us为光照期母线电压上限值 ; Vline为太阳阵供电线缆压降 。
件。
( 1) 太阳光线与太阳阵法线的夹角
对于有双轴驱动的太阳阵 , 可以始终保持对日定向 , 太阳光线与太阳阵法线的夹角只 需考虑对日定向的精度误差。 而对于单轴驱动的太阳阵 , 就要考虑太阳光线与卫星轨道面 的夹角。 由于轨道面太阳入射角在一年中随太阳位置的变化而有较大变化 , 因此 , 应首先
计算当天的太阳赤经和赤纬:
充电阵串联电池片数为
N cas = N bat
Vc + Vdio + Vline Veolm p
式中 N bat 为蓄电池组串联单体数 ; Vc 为蓄电池单体最高充电电压 。
充电阵并联电池片数为
故共需太阳电池片数为
N cap =
( 1+ a′) Pc N bat Vc Ieolmp
N = N mas N map + N cas N cap
- 2πt /365 t ∈
[ 182. 5, 365 ]
给定降交点地方时 t0 , 可换算出卫星轨道的升交点赤经 K, 即
K= t0 × π / 12 t0 ∈ [ 0, 24 ]
则太阳光线与轨道面的夹角为
V= arcsi n [si ni cosT( t ) cosW( t ) sinK - sini sinT( t ) cosW( t ) cosK+ sinW( t ) co si ] 若太阳阵与轨道平面的夹角为 T, 则太阳光线与太阳阵法线的夹角为 U= V- T, 则太阳有效
蓄电池组在一圈内的放电瓦时数为
Dwh = ( Fma + Fmb - Pc Fme ) Zwh Zc
若按 n 圈能量平衡设计 , 则
Pc =
F1a +
F1b + F1e +
F1c + … + F1d + … +
Fna + Fne +
Fnb + F nd
F nc
编程采用逐步逼近的算法来获得 Pc 。
F′nd
编程采用逐步逼近的算法来获得 Pw。
太阳阵串联电池片数为 N scs =
Vb us + Vdio + Veolm p
V li ne
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太阳阵并联电池片数为 N scp =
( 1+ a′) Pw