1 导言
太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球构成生物就首要以太阳供给的热和光生计，而自古人类也懂得以阳光晾干物件，并作为保存食物的办法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料削减下，才有意把太阳能进一步开展。太阳能的运用有被动式运用（光热转化）和光电转化两种方法。太阳能发电一种新式的可再生能源。现在，在航天电源领域内，绝大多数卫星电源均运用太阳能电池作为其动力中心。卫星电源的功用直接影响到卫星的功用和作业寿数，对卫星的正常运转和运用也有严重的影响。因而，为了进步电源体系的功用和可靠性，对卫星电源体系进行仿真和测验评价具有十分重要的含义。
卫星的空间作业条件恶劣且杂乱，温度规模大，日照条件改变敏捷，且太阳能电池方阵处于高能粒子辐射下，在地上上无法选用实践的太阳能电池方阵来再现卫星在空间轨道中的作业状况，因而需求选用太阳能电池模仿器（Solar Array Simulator，简称SAS）来模仿太阳能电池阵在空间的作业状况。SAS是卫星电源模仿器的重要组成部分，其首要使命是真实地遵从太阳能电池方阵在各种杂乱空间条件下的实践输出特性曲线，在卫星的地上测验阶段替代太阳能电池方阵为卫星上的各分体系供电。
2 太阳能电池的数学模型
依据太阳能电池原理和图1 所示的实践丈量成果建立了多种模型，用于太阳能电池的测验和使用研究。事实证明，这些模型具有满足的工程精度。
2.1 单指数模型
图2 示出太阳能电池的等效电路。
Iph 取决于太阳能电池各作业区的半导体资料性质和电池几许结构参数以及入射光强、外表反射率、前后外表复合速度、资料吸收系数等。因为器材的瞬时呼应时刻比较于绝大多数光伏体系的时刻常数显得微乎其微，因而剖析中可疏忽结电容。设定图中所示的电压、电流为正方向，由固体物理理论和全电路欧姆定律即可推呈现在常用的单指数方式的太阳能电池模型：
式中
I0———二极管反向饱和电流
q———电子电荷
I———电池的输出电流
K———波尔兹曼常数
T———绝对温度
A———二极管质量因子（曲线因子），一般A=1～2：
2.2 双指数模型
在单指数模型中，在不同的电压规模内，决议IVD 的要素也不同。当电压较高时，IVD 首要由电中性区的注入电流决议；当电压较低时，IVD 首要由空间电荷区的复合电流决议。为了进步模型精度，能够归纳考虑这两种状况，在等效电路顶用两个参数不同的二极管来产生这两个电流，如图3 所示。
两个二极管产生的暗电流IVD1，IVD2 可别离表明成一个指数式的方式，这便是双指数太阳能电池理论模型，其表达式为：
式中
I01，A1———电中性区的饱和电流及完整性因子
I02，A2———空间电荷区的饱和电流及完整性因子
该模型不只考虑了Rs 和Rsh 对太阳能电池功用的影响，并且用指数的方式概括地表明了不同机制下产生的IVD，并将不同电压规模内的IVD 决议要素也考虑在内，因而具有更高的精度。
2.3 工程使用的模型
上述单指数和双指数模型是依据物理原理的最基本的解析表达式，已被广泛使用于太阳能电池的理论剖析中。但因为表达式中的参数，包含Iph，I0（或I01，I02），Rs，Rsh 和A（或A1，A2）与电池温度和日射强度都有关，确认起来好不容易，因而不便于工程使用，在太阳能电池供货商向用户供给的技术参数中也不包含这些参数。
工程用模型着重的是有用性与准确性的结合。
实践使用中，在规划各种体系时，考虑到数字仿真和模仿时的动态反应速度及核算作业量，有必要尽或许在工程精度答应的条件下简化模型。
工程用太阳电池的模型一般要求仅选用供货商供给的几个重要技术参数，如短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率点电流Im、最大功率点电压Um、最大功率点功率Pm，就能在必定的精度下复现阵列的特性，并便于核算机剖析。
鉴于单指数模型已足以准确描绘太阳能电池的伏安特性，下面将在单指数模型的基础上，经过疏忽（U+IRs）/Rsh 项和设定Iph=Isc，得到工程有用的太阳能电池模型。疏忽（U+IRs）/Rsh 项，是因为在一般状况下Rsh 较大，有几百到几千欧，该项远小于光电流；设定Iph=Isc，是因为在一般状况下Rs 远小于二极管正导游通电阻。
此外，界说：
①开路状况下，I=0，U=Uoc；
②最大功率点时，U=Um，I=Im。
据此，太阳能电池的I-V 方程可简化为：
在最大功率点时，U=Um，I=Im，可得：
因为在常温条件下exp［Um/（C2Uoc）］）1，因而可疏忽式中的“- 1”项，解出：
注意到开路状况下，当I=0 时，U=Uoc，所以有：
可见，该模型只需输入太阳电池一般的技术参数Isc，Uoc，Im，Um，即可求出C1 和C2。从Isc，Uoc，Im，Um的改变中可体现出光照强度和电池温度的改变。工程使用中可经过实测曲线来设置这4 个参数，亦可经过近似的函数来描绘这组参数的改变。一般可近似以为Isc，Uoc 别离随温度和光照强度呈线性改变。
3 太阳能电池阵模仿器的规划
3.1 整体结构
太阳阵模仿器本质上是一个电源，其输出端的I-U 特性曲线能够模仿太阳电池的I-U 曲线特性。模仿器带有与核算机接口，可依据核算机给定的太阳电池阵特征参数进行设定。
为了较真实地模仿实践电源体系，并使仿真体系具有测验功用，太阳阵模仿器要以太阳能电池电路为基本单位，以多个模块并联的方式构成。关于卫星电源体系，一般每个卫星具有两个太阳翼，每个太阳翼有多个同种或不同种太阳能电池阵列并联构成，一起因为输出调理的需求，每个支路模块还分为上、下两段。因而，模仿器的规划应以每个分段为模块，经过多个模块的串并联完成对卫星电源阵的模仿。图4示出太阳电池模仿器的体系框图。
每个支路由两个模仿器模块组成，上段和下段之直接分流调理器，每个支路经过阻隔二极管接到直流母线上。要求每个模块的状况能够独自设置，以模仿电池阵光照不均匀的状况以及某些支路呈现毛病的状况；一起还能够快速更新一切支路的作业条件，以便在环境改变时进行快速模仿。
3.2 I-U 特性曲线生成模块
图5示出规划每个模块的结构。
考虑到实践作业环境或许比较恶劣，且温度和日照条件均改变较快，因而选用模仿器材来完成曲线的生成电路，以加速呼应速度。经过高精度D/A将接收到的数字参数给定转化为模仿值给定。
依据太阳能电池的数学模型，太阳能电池的输出I-U 曲线是在一个稳定电压下减去一个二极管的I-U 特性曲线，对此，可选用如图6所示的太阳电池输出I-U 曲线模仿电路进行模仿。
由图可见，输入包含开路电压和短路电流的给定，由这两个参数就能确认太阳能电池的作业状况。
太阳能电池的非线性特性首要由模仿器材来完成，不同的曲线对应着不同特性的二极管和其他电阻电容参数的挑选。
开路电压和短路电流由外界环境条件所决议。
依据太阳能电池的工程模型，短路电流近似等于太阳能电池的光电流，首要由光照条件所决议，而开路电压则近似为电池温度的一个线性函数。因而，光照条件和电池温度就能够简略地经过这两个参数的设置得到反映。
能够看出，当反应电压小于给定的Uoc 的参阅值，扩大器A1 输出为负，二极管因为反偏截止，A2的输出就只能由Isc 决议，整个电路输出电流就为短路电流。当反应电压增大，能使A1 的输出为正，二极管正偏导通，A2 的输入则随二极管电流的增大而增大，输出则随之减小。因为二极管的电压电流是指数联系，运用这一联系进行规划，使电流的减小量作为输出电压的函数，并经过挑选适宜特性的二极管，就能很好地模仿太阳电池阵的I-U 曲线。 3.3 功率输出部分
选用图7所示的功率扩大电路，对前面产生的输出特性进行扩大，电路选用了电流负反应的方式，经过简略的调理来盯梢模仿器的输出电流。电路规划上选用了P 沟道的MOSFET，规划成输入越大，输出电流越小的方式，这样整个电路的输出电流将随二极管压降的增大而减小。当所需的输出功率较大时，能够选用一组该电路进行并联，因为MOSFET的负温度系数特性，完成了输出时的天然均流。一起在负载上并联了电容Co，以模仿太阳能电池的节%&&&&&%。为了保证每个MOSFET 支路不因短路而产生毛病，需在每个MOSFET 支路上装置必定容量的保险丝，以保证整个模仿器的安全。太阳电池阵模仿器的每个主阵支路模块具有支路输出、抽头点输出和功率地3 个对外功率接口端子。
4 试验成果
依据上述太阳能电池单体模型仿真电路，进行了I-U 特性曲线的Pspice 仿真及实践电路测验。在测验中，每组试验采样60 个点，然后拟合作出曲线图。图8 示出光照条件和温度条件改变时电池的I-U 特性曲线波形。
（1）光照条件改变时的电池I-U 特性参数设定：温度参阅电压UT=- 5.11V；光照
