薛 蕾， 趙建輝， 李 帆， 郝 博

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191)

基于多峰峰值功率跟蹤的月球車一次電源

薛 蕾， 趙建輝， 李 帆， 郝 博

(北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191)

由于月球上月塵、遮擋等造成太陽電池陣輸出功率呈現(xiàn)多峰特性，此時傳統(tǒng)的峰值功率跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)失效。為提高功率利用率，需要跟蹤全局最大功率。且月球車處于極度低溫環(huán)境，需要放射性同位素溫差發(fā)電器(radioisotope thermoelectric generator,RTG)為月球車提供電能和熱能。綜上，月球車一次電源系統(tǒng)由太陽電池陣-蓄電池組-放射性同位素溫差發(fā)電器聯(lián)合供電。仿真結(jié)果表明，太陽電池陣按照需要輸出峰值功率，蓄電池組通過恒流恒壓(CC-CV)充電，母線電壓始終維持在42 V左右，各項功率、電流、電壓輸出都符合月球車供電要求。

多峰峰值功率跟蹤；聯(lián)合供電；智能化控制；一次電源；月球車

太陽電池陣-蓄電池組組合是目前應用最為廣泛的衛(wèi)星電源系統(tǒng)，但月球日照面和陰影面溫度相差極大。日照面的月球表面溫度可達，陰影面極端低溫可達，月夜長達14個地球日，這段時間里太陽電池不能為蓄電池充電，放射性同位素溫差發(fā)電器(RTG)是最佳的供電供熱部件[1]。因此，月球車一次電源工作方式為太陽電池陣-蓄電池組-放射性同位素溫差發(fā)電器聯(lián)合供電，進而維持電源系統(tǒng)持續(xù)、正常地供電，且能夠按照要求進行不同工作模式的順利切換，實現(xiàn)月晝時期由太陽電池陣-蓄電池組向負載聯(lián)合供電，月夜時期由放射性同位素溫差發(fā)電器提供負載功率。

要提高電源系統(tǒng)性能，提高供電效率，除選用高性能的發(fā)電裝置外，應該采用峰值功率跟蹤MPPT(Maximum Peck Power tracking)控制策略，嚴格按照負載需求控制太陽電池陣的輸出功率，不產(chǎn)生過剩功率，最大限度地利用太陽電池陣輸出功率。但由于月球上月塵、遮擋的影響，使得太陽電池陣輸出功率成多峰特性，因此需要研究適用于外界光照變化的多峰MPPT。

本文建立月球車一次電源仿真模型，采取太陽電池陣-蓄電池組-放射性同位素溫差發(fā)電器聯(lián)合供電，設定相關(guān)參數(shù)，仿真并進行相關(guān)分析。

1 月球車分系統(tǒng)

1.1 太陽電池陣遮擋模型

局部陰影條件下，光伏陣列串聯(lián)支路中被遮蔽的電池組件成為負載而發(fā)熱，稱之為“熱斑”效應。此時，被遮蔽部分的光伏電池兩端為反向電壓，達到一定程度時，發(fā)生反向雪崩擊穿從而損壞電池[2-3]。

光伏電池模塊是由光伏電池元串并聯(lián)而成的，光伏電池陣太陽電池陣串并聯(lián)數(shù)分別為和，則此光伏模塊的數(shù)學模型[4]為：

假設光伏陣列由三組光伏電池模塊串聯(lián)組成，電池表面溫度不變。在三種不同陰影條件下：A.光照均為1 000 W/m2；B.光照分別為1 000、1 000和800 W/m2；C.光照分別為1 000、800和600 W/m2；D.光照分別為800、600和400 W/m2。進行仿真，得到的光伏陣列的P-V特性和I-V特性仿真曲線如圖1所示。

圖1 不同陰影條件時光伏陣列的輸出特性曲線

由圖1可以看出由于光伏模塊并聯(lián)旁路二極管，陰影條件下P-V和I-V特性曲線呈現(xiàn)多峰狀，即輸出功率存在局部極大值和全局最大值，且其多峰個數(shù)隨光照條件復雜程度增加而增加。

1.2 鋰離子蓄電池模型

鋰離子蓄電池一般采用恒流-恒壓(CC-CV)充電制度。本文中鋰電池采取小電流-大電流-恒壓充電制度：首先用低倍率(0.1)充電，當單體電池電壓達到3 V時轉(zhuǎn)為高倍率(0.4)充電，直到單體電池電壓達到4.2V時改為恒壓充電，此時充電電流成指數(shù)形式衰減，當充電電流小于0.02 A時充電終止。

按照設定電流對充電電流進行控制，采用比例積分控制占空比信號調(diào)節(jié)開關(guān)管開度，從而對充電電流進行控制。具體過程如下：

開關(guān)管占空比增量：

控制開關(guān)管開度的占空比信號為：

總充電電流為：

鋰離子蓄電池充電電壓、電流曲線如圖2所示。

圖2 鋰離子蓄電池充電過程

圖2中，上下曲線分別為充電電流、充電電壓，可見恒流充電階段充電電流大小保持不變 (小電流階段保持為5 A，大電流階段轉(zhuǎn)為20 A)，蓄電池端電壓不斷上升，恒壓充電階段，端電壓保持不變，充電電流不斷減小直到小于0.02 A時充電結(jié)束。

2 多峰MPPT控制器設計

2.1 MPPT控制器設計

占空比擾動MPPT算法采用脈寬調(diào)制器(PWM)作為核心控制部件，是由微擾觀察法改進而來的，能快速地跟蹤太陽電池陣的最大功率點，為保證動、穩(wěn)態(tài)性能，采用自適應占空比擾動法。

運用模糊PID控制調(diào)節(jié)占空比，跟蹤太陽電池陣的最大功率點。功率誤差信號為[5-6]：

2.2 多峰MPPT控制器設計

模糊控制的最大優(yōu)點是不依賴于被控對象的精確模型，魯棒性較強，因此被廣泛應用于各種控制系統(tǒng)。本文設計的多峰MPPT控制器基于模糊免疫自適應PID控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊免疫PID控制器結(jié)構(gòu)圖

當外界光照發(fā)生變化時，首先通過模糊免疫PID控制方法跟蹤到局部極大值，對于該時刻的PWM值，加±30%擾動，判斷此時輸出的功率是否大于局部極大值，如果輸出功率小于局部極大值，則輸出局部極大功率為全局最大輸出功率；如果擾動范圍內(nèi)一點的輸出功率值大于局部極大功率，則該功率成為新的“最大功率點”，繼續(xù)對PWM施加擾動，直到找到全局最大功率。

2.3 多峰MPPT控制器仿真結(jié)果

假設3 s時發(fā)生遮擋，光照強度從1 000 W/m2突然減小為600 W/m2，光伏電池表面溫度=298 K，負載阻值=1.568 Ω。設置仿真固定步長為0.01 s，運行時間為6 s，仿真結(jié)果如圖4所示：(a)改進的固定步長擾動法，步長=2%；(b)基于模糊PID控制的自適應擾動法；(c)基于模糊免疫PID控制的多峰MPPT。

圖4 MPPT控制器仿真輸出波形

根據(jù)圖4，波形(a)跟蹤速度較快，動態(tài)響應性能較好，但波動較大；波形(b)對外界環(huán)境因素變化的反應迅速，但有時震蕩較大，且陷入局部極大功率，不能有效跟蹤到全局最大功率，功率損失高達38.3%；波形(c)不僅跟蹤速度快，幾乎無穩(wěn)態(tài)誤差，在3 s發(fā)生遮擋時，振蕩相對較小，能夠快速越過局部極大功率，跟蹤到全局最大功率，因而具有良好的動、穩(wěn)態(tài)性能且魯棒性高。

3 月球車一次電源設計

3.1 月球車一次電源總體結(jié)構(gòu)

月球車一次電源分系統(tǒng)月晝期間負責提供電能，月夜期間負責提供安全度過月夜所需的電能和熱能。電源分系統(tǒng)在發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月和動力下降段，直至與著陸器分離前不工作，由著陸器提供月球車負載所需的電能。兩器分離后，月球車電源分系統(tǒng)開始為巡視器負載提供供電功率。

月球車一次電源結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，整個控制過程為月晝時期由太陽電池陣-蓄電池組聯(lián)合供電，月夜時期由RTG供電。采用鋰離子蓄電池，充電方式為恒流-恒壓(CC-CV)。

圖5 月球車一次電源結(jié)構(gòu)框圖

3.2 月球車一次電源工作模式轉(zhuǎn)換模塊

電源分系統(tǒng)承擔能量的產(chǎn)生、儲存、輸送以及控制管理的任務，直至壽命終止。太陽電池陣工作點選擇性位于峰值功率點[7-8]。工作模式包括[9]：

模式1，峰值功率跟蹤-放電模式(MPPTD)：月球車出現(xiàn)峰值負載或光照條件不好，太陽電池陣輸出最大功率仍不能滿足負載需要，由太陽電池陣和蓄電池組聯(lián)合供電。

模式2，峰值功率跟蹤-充電模式(MPPTC)：太陽電池陣輸出最大功率，功率滿足負載要求并剩余時，鋰離子蓄電池組以小于恒流充電電流充電，充電電流隨太陽電池輸出電流大小變化。

模式3，充電調(diào)節(jié)模式(BCR)：太陽電池陣輸出功率完全滿足負載和充電功率需要，蓄電池以設定的電流充電，太陽電池陣的工作點偏離最大功率點。鋰電池采取恒流-恒壓(CC-CV)充電。

模式4，放射性同位素溫差發(fā)電器供電(RTG)：月夜期間，光照強度為0，RTG利用塞貝克效應將放射性同位素的衰變熱直接轉(zhuǎn)換成電能，為月球車提供月夜期生存所需電功率和熱功率。

工作模式狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖及條件如圖6所示。

4 月球車一次電源仿真結(jié)果及分析

假設月球車所處環(huán)境光照強度如圖7所示，0～5 000 s為光照期(月晝時期)，5 000～7 000 s為陰影期(月夜時期)，7 000～8 000 s返回光照期，但光照強度變?nèi)?。一次電源仿真結(jié)果如圖8～11所示。

圖7 光照強度

圖9 太陽電池陣輸出功率、負載功率、蓄電池充放電功率

圖8所示為月球車一次電源工作模式轉(zhuǎn)換信號的變化，1表示開關(guān)選通，0表示開關(guān)關(guān)斷。圖9所示為太陽電池陣輸出功率、負載功率以及蓄電池充放電功率。

由圖分析可知，0～5 000 s為月晝時期，其中0～2 500 s時，負載功率較小，此時太陽電池陣輸出功率能滿足負載供電與蓄電池組正常充電，因此開關(guān)BCR選通，峰值功率跟蹤器調(diào)節(jié)太陽電池陣工作點，使其輸出功率小于峰值功率。2 500 s后蓄電池端電壓升高，蓄電池充電功率隨之增大。2 500～4 500 s內(nèi)，太陽電池陣輸出功率不足以滿足負載供電與蓄電池組正常充電，此時工作模式為MPPTC，即太陽電池陣工作于峰值功率點，根據(jù)“負載優(yōu)先”原則，其輸出功率滿足負載供電，多余能量用于蓄電池組充電，圖9顯示此時蓄電池充電電流遠小于參考設定值20 A。4 500～5 000 s，負載功率增加，此時太陽電池陣輸出功率不能滿足負載供電，因此停止對蓄電池組充電，由蓄電池組與太陽電池陣聯(lián)合向負載供電，工作模式為MPPTD。5 000～7 000 s，月球車進入月夜時期，太陽電池陣輸出功率為0，此時由同位素溫差發(fā)電器單獨向負載供電，工作模式為RTG。7 000 s以后，月球車再一次進入月晝時期，工作模式轉(zhuǎn)換原理同上。

圖10 單體蓄電池端電壓、充電電流、放電電流、放電深度DOD、母線電壓

圖10所示為單體鋰離子蓄電池端電壓、充電電流、放電電流、放電深度DOD、母線電壓的變化?？梢钥闯?，蓄電池充電電流小于20 A，DOD恒小于1。觀察母線電壓的變化，可知經(jīng)過母線電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)整保持在(42±0.2)V，能夠滿足月球車負載需求，且一次電源分系統(tǒng)可以保持供電穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

太陽電池陣在遮擋情況下，輸出功率呈現(xiàn)多峰特性，即具有多個局部極大值點。仿真結(jié)果表明，基于模糊免疫PID自適應的多峰峰值功率跟蹤算法可以跟蹤到全局最大功率值。

月球車一次電源模型，包括MPPT控制器、工作模式轉(zhuǎn)換模塊等，各模塊間有效配合使得月球車一次電源系統(tǒng)向負載穩(wěn)定供電。其中，多峰MPPT控制器，使太陽電池陣在遮擋情況下依然能夠根據(jù)負載需要輸出最大功率；工作模式轉(zhuǎn)換模塊，使一次電源系統(tǒng)在整個軌道周期滿足對負載的供電要求。

[1]張建中，任保國，王澤深，等.放射性同位素溫差發(fā)電器在深空探測中的應用[J].宇航學報，2008,29(2):644-647.

[2]PATEL H,AGARWAL V.Matlab-based modeling to study the effects of partial shading on PV array characteristics[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23(1):302-310.

[3]周德佳，趙爭鳴，吳理博，等.基于仿真模型的太陽能光伏電池陣列特性的分析[J].清華大學學報：自然科學版，2007,47(7): 1109-1112.

[4]薛陽，張佳棟.部分陰影條件下的光伏陣列仿真建模與特性分析[J].華東電力，2011,39(6):0949-0952.

[5]王鵬鵬，李帆，趙建輝.基于Saber-Simulink的PPT衛(wèi)星電源控制器聯(lián)合仿真[J].宇航學報，2010,31(12):2818-2823.

[6]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006:67-82.

[7]CHAO B H,LEE J R,LEE F C Y.Large-signal stability analysis of spacecraft power processing systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1990,V5(1):110-116.

[8]HUYNH P H,CHO B H.Design and analysis of a regulated peakpower tracking system[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electrinic Systems,1999,35(1):84-92.

[9]鄒湘文.小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的控制策略及仿真研究[D].長沙：國防科學技術(shù)大學，2006.

Design of primary electrical power subsystem of lunar rover based on global MPPT

The multi-peak characteristics of output power of solar array were cause of lunar dust and shading on moon.To improve power utilization,it was necessary to track the global maximum power point.Besides,the lunar rover worked in the extremely low temperature environment,and the Radioisotope Thermoelectric Generator(RTG) provided electricity and heat for the lunar rover.In summary,the lunar rover power system consisted of solar arrays, battery pack and RTG,which supplied power together.The simulation results show that the solar array can output power in accordance with need,the battery pack charges through constant current-constant voltage(CC-CV)and bus voltage are always maintained at about 42 V.The power,current and voltage were in line with power supply requirements of lunar rover.

global maximum power point tracking(MPPT);unite power supply;intelligent control;primary electrical power;lunar rover

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2184-05

2015-03-08

薛蕾(1987—)，女，河北省人，碩士生，主要研究方向為月球車一次電源。