臨近空間探空飛艇能源系統(tǒng)仿真技術(shù)研究

王 燾，趙彬濤，于智航，周 強(qiáng)，胡 強(qiáng)

(1.中國極地研究中心，上海 200136；2.中國電子科技集團(tuán)有限公司第十八研究所，天津 300384；3.中國電子科技集團(tuán)有限公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；4.北京臨近空間飛艇技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100070)

極地區(qū)域地處地球兩極，地面溫度常年維持在0 ℃以下，惡劣的自然天氣限制了常規(guī)偵查手段的長時間使用。但是極地區(qū)域，特別是北極區(qū)域，由于處在北半球區(qū)域，距離世界各個主要的經(jīng)濟(jì)體均較近，成為未來各國爭搶的重點(diǎn)。極地區(qū)域臨近空間的環(huán)境具有極晝現(xiàn)象，能夠?yàn)榕R近空間飛艇等各種飛行器提供長時間的太陽能供給，確保臨近空間飛行器長時間的滯空偵查，開發(fā)極地區(qū)域臨近空間的探測偵查已經(jīng)成為臨近空間領(lǐng)域爭奪的熱點(diǎn)。

臨近空間是指距離地面20～100 km 的空域，現(xiàn)有的飛行器，包括民航客機(jī)、軍用戰(zhàn)斗機(jī)、偵察機(jī)以及衛(wèi)星，均無法長期滯留該區(qū)域。該空域距離地面較近，空氣稀薄，是理想的高空偵查以及探測飛行器的活動區(qū)域。該空域的利用能夠降低衛(wèi)星承擔(dān)的壓力，特別是在區(qū)域探測的時候，能夠極大地提升探測效率與探測精度，實(shí)時監(jiān)控局部區(qū)域，避免衛(wèi)星繞地環(huán)繞造成的探測空窗。

自2003 年美國空軍正式提出臨近空間的概念模型后，該區(qū)域已經(jīng)成為世界各國作戰(zhàn)能力建設(shè)的新方向[1]。傳統(tǒng)的飛行器，如美國U-2 高空偵察機(jī)、全球鷹無人機(jī)、米格-25 高空截?fù)魴C(jī)以及F22 猛禽戰(zhàn)斗機(jī)等，均能夠短時間到達(dá)臨近空間區(qū)域，但是這些飛行器無法長時間滯空停留在該區(qū)域，無法充分利用臨近空間空氣稀薄以及阻力低的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)臨近空間偵查探測。

為了充分利用臨近空間的空間優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)長時間、實(shí)時對地偵測，需要開發(fā)新型臨近空間飛行器。臨近空間距離地面較遠(yuǎn)，云層以及大氣層對該區(qū)域的影響極小，這就造成了該區(qū)域空間的太陽能資源充足。豐富的太陽能資源能夠?yàn)殚L時間滯空飛行器提供主要的能量來源，同時利用高比能量的儲能電池，能夠彌補(bǔ)夜間太陽能的匱乏，實(shí)現(xiàn)臨近空間飛行器長航時、跨晝夜的飛行。

目前臨近空間飛行器主要分為兩類：臨近空間太陽能無人機(jī)，臨近空間飛艇。這兩類飛行器均采用太陽能供電和儲能供電的方式，為飛行器的飛行探測提供能量。為了提升臨近空間飛行器的滯空時間，和偵測性能，飛行器在設(shè)計(jì)制造的過程中必須采用輕質(zhì)高強(qiáng)度的碳纖維材料，同時臨近空間飛行器的能源供給系統(tǒng)必須采用高轉(zhuǎn)換效率的柔性三結(jié)砷化鎵太陽電池以及高質(zhì)量比能量的鋰金屬電池，以實(shí)現(xiàn)飛行器長航時偵測的目標(biāo)。這些特殊材料以及產(chǎn)品的使用，造成臨近空間飛行器的整體價格昂貴；而且利用臨近空間飛行器真實(shí)平臺進(jìn)行各種試驗(yàn)時，試驗(yàn)樣本少、成本高、耗時長，無法滿足臨近空間快速發(fā)展的需求。特別是臨近空間飛行器的能源系統(tǒng)，是整個臨近空間飛行器的整體動力來源，決定著整個飛行器能否實(shí)現(xiàn)跨晝夜飛行。目前能源系統(tǒng)產(chǎn)品更新?lián)Q代速度較快，技術(shù)不斷更新，但是臨近空間飛行器的價格決定了能源系統(tǒng)無法實(shí)時進(jìn)行真實(shí)環(huán)境驗(yàn)證，無法及時利用真實(shí)環(huán)境評估能源系統(tǒng)的整體性能。這就要求我們開發(fā)新的臨近空間飛行器驗(yàn)證手段，快速評估臨近空間飛行器用能源系統(tǒng)的可靠性。臨近空間能源系統(tǒng)仿真平臺技術(shù)能夠模擬臨近空間復(fù)雜的飛行環(huán)境，快速評估太陽電池和儲能電池的特性，優(yōu)化能源系統(tǒng)耦合匹配模型，提升臨近空間能源系統(tǒng)的整體性能。

1 臨近空間能源系統(tǒng)仿真平臺技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)臨近空間能源系統(tǒng)仿真平臺的建立，首先需要完成能源系統(tǒng)仿真平臺的仿真框架，確定仿真平臺的仿真結(jié)構(gòu)以及邏輯關(guān)系。建立臨近空間飛行器能源系統(tǒng)組件模型，包括太陽能發(fā)電模型和儲能耗電模型這兩部分。通過仿真優(yōu)化能源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)合和控制策略。同時為了提升仿真平臺的可操作性，需要實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)仿真平臺的仿真數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，直觀展示臨近空間能源系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，便于設(shè)計(jì)人員后續(xù)改進(jìn)與提高。

1.1 臨近空間能源系統(tǒng)仿真平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

臨近空間仿真平臺主要針對臨近空間飛艇能源系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包含太陽能發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊、飛行器負(fù)載耗能模塊和能源管理控制模塊，同時為了真實(shí)模擬臨近空間的低溫低氣壓環(huán)境，在能源系統(tǒng)仿真平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)上增加了輔助模塊，包括位姿環(huán)境模塊、熱平衡模塊以及飛行模型模塊等，這些模塊能夠模擬臨近空間飛艇在臨近空間飛行時的周邊氣象環(huán)境、飛行器自身的姿態(tài)參數(shù)等。這些參數(shù)對臨近空間飛艇的太陽能模塊、儲能模塊以及控制模塊具有一定的約束，通過使用這些輔助模塊，能夠更好地調(diào)控能源系統(tǒng)能量的供給分配，提升臨近空間飛艇整體性能。臨近空間飛艇能源系統(tǒng)仿真平臺架構(gòu)采用Matlab 進(jìn)行編譯，整體示意圖如圖1所示。

圖1 臨近空間能源系統(tǒng)仿真平臺架構(gòu)示意圖

臨近空間能源系統(tǒng)仿真平臺的框架采用串并聯(lián)交錯的方式，整個框架各個模塊之間相互聯(lián)系。該仿真平臺框架包含了臨近空間飛艇運(yùn)行過程中的耗能模塊，包括抵押的通信、網(wǎng)絡(luò)等負(fù)載，這些低壓模塊的用電功率較為穩(wěn)定，模擬方法簡單。但是對于高壓負(fù)載模塊，包括飛行器轉(zhuǎn)向和推進(jìn)系統(tǒng)等負(fù)載用電，自損耗較高，真實(shí)耗能需要結(jié)合螺旋槳以及電機(jī)等設(shè)備的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能夠準(zhǔn)確獲取能源系統(tǒng)的耗散數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行能源系統(tǒng)平臺架構(gòu)的設(shè)計(jì)時，為了提升仿真模型的實(shí)用性，采用仿真集成軟件，將臨近空間飛艇的運(yùn)行軌跡、狀態(tài)參數(shù)匯總，增添可視化界面進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)臨近空間飛艇能源仿真數(shù)據(jù)的可視化。臨近空間能源系統(tǒng)平臺架構(gòu)的可視化界面如圖2 所示。

圖2 能源系統(tǒng)仿真可視化界面

針對能源系統(tǒng)仿真平臺開發(fā)的可視化界面包含了臨近空間飛行器的飛行軌跡、預(yù)計(jì)的飛行路線等。在飛行器飛行路線上，包含有具體的飛行數(shù)據(jù)信息，包括飛行器的狀態(tài)參數(shù)、飛行高度、飛行速度以及飛行經(jīng)緯度等。臨近空間飛行器的可視化界面詳細(xì)參數(shù)示意圖如圖3 所示。該界面包含有臨近空間飛行器的太陽能發(fā)電實(shí)時信息、蓄電池電量實(shí)時信息、飛行器動力系統(tǒng)的實(shí)時能耗信息以及能源管理控制策略信息等，通過點(diǎn)擊對應(yīng)的模塊，能夠快速查詢對應(yīng)的信息，及時掌握臨近空間飛行的運(yùn)行態(tài)勢。

圖3 能源系統(tǒng)仿真可視化界面參數(shù)示意圖

1.2 臨近空間飛行器能源系統(tǒng)關(guān)鍵部件建模

臨近空間飛行器能源系統(tǒng)中，太陽電池供電、蓄電池儲能以及能源系統(tǒng)的耦合匹配設(shè)計(jì)技術(shù)是整個電能源系統(tǒng)的核心，是決定飛行器能否正常飛行的關(guān)鍵。能源系統(tǒng)仿真建模過程中，針對太陽能能源獲取模型、儲能電池充放電模型以及能源系統(tǒng)耦合匹配技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效的能源系統(tǒng)能源供耗的預(yù)測。

1.2.1 太陽電池發(fā)電功能模型建模

針對太陽電池的能源獲取特性，研究不同成組方式、安裝方向角和高度角、不同飛行姿態(tài)以及不同太陽輻射強(qiáng)度下各個參數(shù)的影響因素，實(shí)現(xiàn)太陽能供電仿真模型的構(gòu)建。

在太陽電池發(fā)電模型搭建的過程中，主要的影響因素包括日照強(qiáng)度和溫度、太陽電池串并聯(lián)模型等，通過數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)臨近空間飛行器用太陽能發(fā)電模型建立。

在日照強(qiáng)度和溫度影響方面，主要考慮兩者對太陽電池I-V 曲線的影響。假定地面上的日照強(qiáng)度S處在0～1 000 W/m2的范圍內(nèi)，在不同光強(qiáng)照射下，地面太陽電池的溫度變化在10～70 ℃的大范圍內(nèi)變動。但是在臨近空間環(huán)境下，太陽電池的溫度受環(huán)境溫度的影響較大，無法參照地面光照強(qiáng)度和太陽電池溫度對太陽電池的I-V 曲線進(jìn)行修正。為此我們假定在臨近空間環(huán)境下某一時刻太陽電池的溫度為T，此時日照強(qiáng)度為SNS，環(huán)境溫度為TNS，采用如下公式對臨近空間用太陽電池表面溫度進(jìn)行修正[2-4]：

式中：K通過試驗(yàn)測試T(S)斜率獲取，本文采用的太陽電池，K=0.03 ℃·m2/W。在臨近空間領(lǐng)域，需要對太陽電池實(shí)際發(fā)電情況進(jìn)行修正[5]。

選取參考日的照射強(qiáng)度以及參考日電池溫度下的電流電壓曲線上的任意一點(diǎn)數(shù)據(jù)V和I，通過移動獲取新的一天照射強(qiáng)度及溫度下的I-V 曲線上的任一點(diǎn)V'和I'。

式中：α 為參考日照射強(qiáng)度的電流溫度系數(shù)；β 為參考日照射強(qiáng)度的電壓溫度系數(shù)。

使用上述修正公式對標(biāo)準(zhǔn)電壓-電流進(jìn)行修正，獲取新的電壓電流曲線，如圖4 所示。

圖4 單體太陽電池I-V曲線

臨近空間飛行器用的太陽電池組件采用串并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)，在計(jì)算太陽能組件總功率的時候，首先選取串流過程中的最小電流，并聯(lián)選擇最小的電壓值，之后采用基爾霍夫定律計(jì)算總的太陽能組件功率。

在電池串聯(lián)的過程中：

在太陽電池組件并聯(lián)時：

根據(jù)以上串并聯(lián)公式，通過計(jì)算獲取單體太陽電池的電流和電壓值，逐步獲取太陽電池組件總的電流、電壓和總功率值。

1.2.2 儲能電池充放電模型

儲能電池由于是動態(tài)模型，在實(shí)際應(yīng)用過程中匯總，臨近空間飛行器的能量輸出以及荷電狀態(tài)始終變化，同時電池循環(huán)次數(shù)的改變對整體儲能電池也有一定的影響，導(dǎo)致儲能電池的模型較為復(fù)雜[6-8]。目前常用的模擬方法包括電化學(xué)分析方法、電學(xué)模擬以及電路等效建模等。其中電化學(xué)分析方法最準(zhǔn)確，但是這種建模方法極為復(fù)雜，內(nèi)部的電化學(xué)方法建模較為困難，目前應(yīng)用較少。電學(xué)模擬是以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的模型方法，這種方法依賴于大量的真實(shí)試驗(yàn)，耗時較長，使用受限。電路等效建模通過對電池端電壓、充放電電流等電學(xué)參數(shù)建模，能夠較好地反映儲能電池的充放電過程，是目前最常用的一種試驗(yàn)方法。在電路等效模型中，二階等效電路模型是儲能電池中常用的一種方式，如圖5 所示。圖中：Voc(SOC)為電池開路電壓，可以反映出電池電量情況；RSeries為電池歐姆內(nèi)阻；U0反映電池功率損耗情況；R1和R2為極化內(nèi)阻；Vout為電池外部負(fù)載電壓；I為電池外部負(fù)載電量。

圖5 二階等效電路模型

為了獲取二階等效電路模型中各個參數(shù)的值，采用二階RC 模型的狀態(tài)方程來獲取。式中：U1(t)、U2(t)、SOC(t)分別為U1、U2、SOC在t時刻的值；Q0為電池的額定容量，Ah。

在該模型中，二階RC 模型中的電壓和電池的SOC有關(guān)，假定：

式中：Vnom為蓄電池SOC=1 時的名義電壓，系數(shù)β通過測試某一電壓V1下的SOC來確定。之后通過二階等效電路模型，對電池進(jìn)行充放電試驗(yàn)，獲取電池的各個電壓以及電流參數(shù)。

1.2.3 能源系統(tǒng)耦合匹配模型

在臨近空間飛行器儲能系統(tǒng)中，單體電池的電壓和電流無法滿足飛行器整體負(fù)載的需求，需要將單體儲能電池通過串并聯(lián)方式形成儲能模組。在飛行過程中，臨近空間飛行器的能量流動過程如圖6 所示。

圖6 臨近空間飛行器能量流動示意圖

在臨近空間飛行器能源系統(tǒng)中，太陽電池和儲能電池產(chǎn)生的能量分配給飛行器的負(fù)載，在飛行器工作過程中，整體能源系統(tǒng)的流動情況復(fù)雜，需要進(jìn)行能量系統(tǒng)的耦合匹配，高效管理整體能量流動，實(shí)現(xiàn)臨近空間飛行器長航時的目標(biāo)。通過對臨近空間飛行器飛行環(huán)境分析，基于太陽能供電模型和儲能電池模型，設(shè)計(jì)出臨近空間飛行器能源系統(tǒng)耦合匹配技術(shù)邏輯圖，如圖7 所示。

圖7 臨近空間能源系統(tǒng)耦合匹配邏輯示意圖

在該邏輯圖中，假定太陽電池與儲能電池能夠滿足任意時刻臨近空間飛行器負(fù)載的需要，并且儲能電池模組不能過充和過放。在模型構(gòu)建過程中，引入飛行器飛行坐標(biāo)、周邊溫度信息等，實(shí)現(xiàn)臨近空間飛行器能源系統(tǒng)動態(tài)耦合匹配。

2 臨近空間飛艇能源系統(tǒng)仿真模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證臨近空間能源系統(tǒng)仿真平臺的有效性，采用實(shí)際試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證能源系統(tǒng)仿真的準(zhǔn)確性，如圖8 所示。

圖8 能源系統(tǒng)模擬值與實(shí)際值對比

試驗(yàn)采用的是砷化鎵電池，儲能電池采用的是高性能鋰離子電池，在能源系統(tǒng)仿真模型中，太陽電池的模擬值與實(shí)際值之間最大偏差在10%左右，鋰離子電池組SOC估算值與實(shí)際值最大偏差在1%以內(nèi)，表明臨近空間能源系統(tǒng)仿真模型具有較好的預(yù)測效果，能夠替代部分后期臨近空間飛艇的實(shí)際工況試驗(yàn)，加速臨近空間飛艇能源系統(tǒng)的優(yōu)化升級。

3 結(jié)論

臨近空間能源系統(tǒng)模擬仿真平臺是快速評測臨近空間能源系統(tǒng)有效性、快速提出改進(jìn)方向、降低能源系統(tǒng)開發(fā)難度的有效手段。

通過對臨近空間能源系統(tǒng)中太陽電池與儲能電池實(shí)際發(fā)電與耗電情況的仿真，實(shí)現(xiàn)了快速評測臨近空間飛艇能源系統(tǒng)的目標(biāo)，為臨近空間能源系統(tǒng)的快速優(yōu)化提供了可靠的試驗(yàn)保證，降低了臨近空間飛艇試驗(yàn)的成本和難度，為臨近空間飛艇的快速發(fā)展奠定了能源保障基礎(chǔ)。