航天器电源系统建模与仿真

图书标准信息

• 作者 刘治钢、杜青、李海津 著
• 出版社 北京理工大学出版社
• 出版时间 2022-08
• 版次 1
• ISBN 9787576306446
• 装帧 精装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 328页
• 字数 310.000千字

【内容简介】

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。

 

【作者简介】

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。

 

【目录】

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