航天器太阳电池阵遮挡影响及电源系统仿真优化方法研究
发布时间：2023-04-04 04:09
航天器电源系统作为航天器系统核心部分,主要完成产生电能、调节电能、储存电能和分配电能等功能,是至关重要的基础系统,且由于体积、重量及经济可行性的限制,航天器电源系统无法像其他分系统一样实施双机备份。本文依托探月工程二期、国家自然科学基金等工程项目与研究基金,围绕航天器设计阶段和在轨服务阶段电源系统能量平衡这一核心问题,通过太阳电池阵透光性遮挡分析和计算、部分遮挡情况下太阳电池阵布片优化、电源系统多目标优化设计、锂离子蓄电池荷电状态估计及月球巡视器电源系统模拟验证,这五个方面进行深入研究并改进,以合理设计和减少遮挡对太阳电池阵造成的影响、精确计算不同轨道位置和姿态下太阳电池阵输出功率、快速准确估算电池荷电状态,为航天器电源系统能量平衡分析、配置优化以及在轨管理提供支撑。航天器在轨运行时,舱外大型构件对太阳电池阵造成的复合遮挡包含金属网布的透光性遮挡与实体部件的非透光性遮挡,并导致太阳电池阵输出功率下降。针对该问题,对航天器构件进行三维建模,提出精确计算透光性遮挡的方法,以最小重复单元对金属网布进行三维建模并求取不同光照下金属网布透光率,建立透光率与入射光方向之间的对应关系以快速准确计算含...
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 航天器电源控制器发展现状
1.2.2 太阳电池阵部分遮挡问题的研究现状
1.2.3 航天器电源系统设计优化的研究现状
1.2.4 航天器锂离子蓄电池荷电状态估计的研究现状
1.3 目前面临的问题
1.4 本文的主要研究内容
第2章 太阳电池阵透光性遮挡计算及影响分析
2.1 引言
2.2 航天器构件建模与阴影计算
2.2.1 构件的三维建模
2.2.2 构件在太阳电池阵上的阴影图形计算
2.3 金属网布透光率分析
2.3.1 金属网布的构造和建模
2.3.2 基于最小重复单元的透光率计算
2.3.3 透光率计算实例与实验验证
2.4 含金属网布构件透光性遮挡的阴影计算方法
2.4.1 含金属网布构件模型的数据结构
2.4.2 透光性遮挡阴影图形计算
2.4.3 透光性遮挡阴影计算实例与分析
2.5 透光性遮挡情况下太阳电池阵输出特性
2.5.1 模型与计算方法
2.5.2 太阳电池阵输出特性仿真结果及分析
2.6 本章小结
第3章 部分遮挡情况下太阳电池阵的布片优化
3.1 引言
3.2 部分遮挡情况下太阳电池阵电性能评价指标
3.3 基于遗传算法的太阳电池阵布片优化设计
3.3.1 多目标遗传算法
3.3.2 布片编码方法
3.3.3 个体选择方法
3.3.4 交叉和变异方法
3.4 布片优化实例与实验验证
3.5 本章小结
第4章 航天器电源系统多目标优化设计
4.1 引言
4.2 基于仿真的航天器电源系统设计方案优化方法
4.2.1 仿真层架构
4.2.2 优化算法层架构
4.3 单目标双变量优化设计算例
4.3.1 发射重量单目标优化问题描述
4.3.2 理论分析法优化设计
4.3.3 基于仿真的优化设计
4.3.4 两种优化设计结果对比分析
4.4 多目标多变量优化设计算例
4.4.1 发射重量与费用双目标优化设计问题描述
4.4.2 优化结果分析
4.5 优化结果半物理仿真校验
4.5.1 半物理仿真平台软件架构
4.5.2 半物理仿真平台硬件组成
4.5.3 多目标多变量算例优化结果校验
4.6 本章小结
第5章 锂离子电池荷电状态的快速估计
5.1 引言
5.2 锂离子电池模型及参数提取
5.2.1 锂离子电池模型
5.2.2 模型参数提取
5.3 荷电状态快速估计方法
5.3.1 由短时间内的电流估计滤波电流
5.3.2 荷电状态估计
5.4 实验验证及分析
5.4.1 参数提取
5.4.2 恒流放电实验
5.4.3 复杂工况放电实验
5.5 本章小结
第6章 月球巡视器电源系统模拟验证
6.1 引言
6.2 电源系统模拟验证节点架构与模块设计
6.2.1 月尘积累建模及影响规律分析
6.2.2 月夜唤醒仿真流程设计
6.2.3 二次电源控制器仿真建模
6.2.4 电缆网分析及建模
6.2.5 负载仿真模块设计
6.3 仿真结果与分析
6.3.1 28天连续工况
6.3.2 恶劣工况
6.4 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
本文编号：3781755
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 航天器电源控制器发展现状
1.2.2 太阳电池阵部分遮挡问题的研究现状
1.2.3 航天器电源系统设计优化的研究现状
1.2.4 航天器锂离子蓄电池荷电状态估计的研究现状
1.3 目前面临的问题
1.4 本文的主要研究内容
第2章 太阳电池阵透光性遮挡计算及影响分析
2.1 引言
2.2 航天器构件建模与阴影计算
2.2.1 构件的三维建模
2.2.2 构件在太阳电池阵上的阴影图形计算
2.3 金属网布透光率分析
2.3.1 金属网布的构造和建模
2.3.2 基于最小重复单元的透光率计算
2.3.3 透光率计算实例与实验验证
2.4 含金属网布构件透光性遮挡的阴影计算方法
2.4.1 含金属网布构件模型的数据结构
2.4.2 透光性遮挡阴影图形计算
2.4.3 透光性遮挡阴影计算实例与分析
2.5 透光性遮挡情况下太阳电池阵输出特性
2.5.1 模型与计算方法
2.5.2 太阳电池阵输出特性仿真结果及分析
2.6 本章小结
第3章 部分遮挡情况下太阳电池阵的布片优化
3.1 引言
3.2 部分遮挡情况下太阳电池阵电性能评价指标
3.3 基于遗传算法的太阳电池阵布片优化设计
3.3.1 多目标遗传算法
3.3.2 布片编码方法
3.3.3 个体选择方法
3.3.4 交叉和变异方法
3.4 布片优化实例与实验验证
3.5 本章小结
第4章 航天器电源系统多目标优化设计
4.1 引言
4.2 基于仿真的航天器电源系统设计方案优化方法
4.2.1 仿真层架构
4.2.2 优化算法层架构
4.3 单目标双变量优化设计算例
4.3.1 发射重量单目标优化问题描述
4.3.2 理论分析法优化设计
4.3.3 基于仿真的优化设计
4.3.4 两种优化设计结果对比分析
4.4 多目标多变量优化设计算例
4.4.1 发射重量与费用双目标优化设计问题描述
4.4.2 优化结果分析
4.5 优化结果半物理仿真校验
4.5.1 半物理仿真平台软件架构
4.5.2 半物理仿真平台硬件组成
4.5.3 多目标多变量算例优化结果校验
4.6 本章小结
第5章 锂离子电池荷电状态的快速估计
5.1 引言
5.2 锂离子电池模型及参数提取
5.2.1 锂离子电池模型
5.2.2 模型参数提取
5.3 荷电状态快速估计方法
5.3.1 由短时间内的电流估计滤波电流
5.3.2 荷电状态估计
5.4 实验验证及分析
5.4.1 参数提取
5.4.2 恒流放电实验
5.4.3 复杂工况放电实验
5.5 本章小结
第6章 月球巡视器电源系统模拟验证
6.1 引言
6.2 电源系统模拟验证节点架构与模块设计
6.2.1 月尘积累建模及影响规律分析
6.2.2 月夜唤醒仿真流程设计
6.2.3 二次电源控制器仿真建模
6.2.4 电缆网分析及建模
6.2.5 负载仿真模块设计
6.3 仿真结果与分析
6.3.1 28天连续工况
6.3.2 恶劣工况
6.4 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
本文编号：3781755
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