(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111492266.9 (22)申请日 2021.12.08 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 王新升　孙培钊　谢萌　康承玮　 (74)专利代理 机构 北京慧泉知识产权代理有限 公司 11232 代理人 王顺荣　唐爱华 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/18(2020.01) G06F 30/20(2020.01) H02J 7/35(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种小卫星电源系统的能量平衡分析方法 (57)摘要 本发明提出一种小卫星电源系统的能量平 衡分析方法， 具体如下： (1)、 进行太阳能电池阵 设计； (2)、 根据卫星工作过程设定不同工作模 式， 以及确定相应模式所需的电压和功率， 从而 实现对整星能量平衡问题的数学建模； (3)、 输入 卫星初始轨道根数， 并确定卫星姿态模式， 建立 卫星在轨模型， (4)、 计算太阳能电池阵表面太阳 入射角， 获取太阳能电池阵表面温度； (5)、 使用 温度补偿算法计算太阳能电池阵的实际工作参 数； (6)、 建立电源系统模型， 将步骤(5)得到的电 池阵工作参数输入其中； (7)、 通过对应任务飞行 序列的时间序列参数0和1控制卫星不同工作模 式， 获取电源系统的实时工作情况并进行分析。 权利要求书7页 说明书10页 附图10页 CN 114417494 A 2022.04.29 CN 114417494 A 1.一种小卫星电源系统的能量平衡分析 方法， 其特 征在于， 具体步骤如下： 步骤(1)、 进行太阳能电池阵设计， 根据卫星需求功率计算太阳能电池阵功率， 进而确 定太阳能电池阵排布方式、 电池片总面积、 电池阵串并联 方式参数； 步骤(2)、 整星能量平衡分析是基于卫星的工作过程来进行的， 首先根据卫星工作过程 设定不同工作模式， 以及确定相应模式所需的电压和功率， 从而实现对整星能量平衡问题 的数学建模； 步骤(3)、 输入卫星初始轨道根数， 并确定卫星姿态模式， 建立卫星在轨模型， 根据所建 立的卫星模型及设置的初始轨道根数， 获取限定时间周期内卫星处的轨道平面与太阳的矢 量夹角； 步骤(4)、 计算太阳能电池阵表面太阳入射角， 获取太阳能电池阵表面温度； 步骤(5)、 使用温度补偿算法计算太阳能电池阵的实际工作参数； 步骤(6)、 建立电源系统模型， 包含电池阵模块、 蓄电池模块、 电源控制器模块以及负载 模块， 在太阳能电池阵模型中， 将步骤(5)得到的电池阵工作参数输入其中； 步骤(7)、 通过对应任务飞行序列的时间序列参数0和1控制卫星不同工作模式， 获取电 源系统的实时工作情况并进行分析。 2.根据权利要求1所述的一种 小卫星电源系统 的能量平衡分析方法， 其特征在于： 步骤 (1)具体为： 输入轨道参数和功率需求， 进行太阳能电池阵的初步设计； 计算整个轨道周期内， 太阳能电池阵在日照时提供 给整颗卫星的能量： 这里， Pe和Ps分别为卫星在地影区和日照区时的需求功率， 包括调节和电池充电损失； τe和τs分别为每个周期内地影区和日照区的时长； Xe和Xs分别表示能量从太阳能电池阵经 蓄电池到 达负载和从太阳能电池阵直接 到达负载这两条路径的效率； 卫星寿命初期BOL的发电量 通过下面公式估算： 其中， S为太阳辐照度； ηSC为太阳能电池效率； m为卫星太阳能阵列数量； θn为太阳能电 池阵表面的太阳入射角； F F为太阳能电池填充因子； 而寿命末期的发电量 为： PEOL＝PBOL×Ld 这里， Ld为因空间环境产生的太阳能电池衰减； 为保证寿命末期完成任务所需的发电 量， 太阳能电池阵面积为： 3.根据权利要求1所述的一种 小卫星电源系统 的能量平衡分析方法， 其特征在于： 步骤 (2)具体为： 对能量平衡问题进 行数学建模； 在设计阶段通过模拟卫星功 率流和能量来进 行 能量平衡分析； 所有卫星太阳能电池阵产生的功率 为： Ppv(t)＝Fgen( ξS， r(t)， ηSC(t)， T(t) )权　利　要　求　书 1/7 页 2 CN 114417494 A 2这里， Fgen为函数的对应法则； 时刻t产 生的功率取决于太阳入射角 θ， 而入射角 θ又是卫 星位置r(t)的函数； ξS是太阳能电池阵构型的函数； ηSC(t)为时刻t时太阳能电池效率； T(t) 为时刻t时太阳能电池阵温度； 注意Ppv(t)是 ηSC(t)的增函数， 是T(t)的减函数； 设在一个周期任务λi∈ λ下， 每个设备的瞬时功耗定义为( τi， Pi(t， χi))， 其中τi为时长， Pi(t， χi)为设备在时刻t时以χi模式工作的瞬时功耗； 此时卫星总瞬时功耗 为： 这里， | λ|为 λ 中的任务总数； 反过来， 在一段小时间 间隔下蓄电池的充放电由电池荷电状态(SoC)表示 为如下函数： SoC(t+Δ)＝FSoC(SoC(t)， Δ(Ploads(t)‑Ppv(t))， ξB， ηb(t)， T(t) ) 这里， FSoC为函数的对应法则； SoC为蓄电池荷电状态； Δ(Ploads(t)‑Ppv(t))表示卫星总 瞬时功耗与太阳能电池阵产生的功率之差； ξB表示设计时的蓄电池单元构型； ηb(t)为电池 效率； 注意FSoC是Δ(Ploads(t)‑Ppv(t))的增函数， 是ηb(t)的减函数； 因此， 电池放电深度DoD 表述为： DoD(t+Δ)＝1 ‑SoC(t+Δ) 在时刻t时进行能量平衡分析， 光照区， Isa(t)＝Iload(t)+Ichrg(t)+Ishunt(t)‑Idisch(t) 地影区有， Iload(t)＝Idisch(t) 这里， Isa为太阳能电池阵输出电流； Iload为负载电流； Ishunt为通过电流分流器电流； Ichrg为蓄电池充电 电流； Idisch为蓄电池放电 电流。 4.根据权利要求1所述的一种 小卫星电源系统 的能量平衡分析方法， 其特征在于： 步骤 (3)具体为： 设定 轨道参数确定 轨道平面， 根据所 得轨道求得太阳光矢量与轨道 平面夹角 β； 对于卫星来说， 由于轨道节点 回归产生的轨道面移动， 以及每年太阳赤经赤纬的改变， β角会随着时间推移持续变化； 根据确定的轨道参数计算太阳光矢量与轨道 平面夹角 β， 计算公式如下： β ＝cos‑1[coS( δS)sin(iinc)sin(Ω‑ΩS)+sin( δS)cos(iinc)] 其中： δS为太阳赤纬， ΩS为太阳赤经， Ω为轨道升交点赤经RA AN， iinc为轨道面 倾角； 则卫星在日照区的时长为： 这里， 为卫星轨道周期； rEarth为地球半径； a为卫星轨道半长轴； μ≈GM， G 为引力常数， M为 地球重量。 5.根据权利要求1所述的一种 小卫星电源系统 的能量平衡分析方法， 其特征在于： 步骤 (4)具体为： 计算太阳能电池阵工作温度， 需要计算太阳能电池阵的入射热流 量； 设卫星赤纬为 δSat， 赤经为ΩSat， 求得：权　利　要　求　书 2/7 页 3 CN 114417494 A 3