深空探测器多结太阳电池电性能量化评测方法

深空探测器多结太阳电池电性能量化评测方法

陈诗文，范斌，韦祎，杨宁，王凯

上海空间电源研究所，上海市，邮编200245，

摘要：由于目前国内缺少量化评价方法来评价深空探测器的阵电特性，因此本文采用标准电池和基准电池，建立了脉冲标准光源，并根据分结校准标准子电池组、测试光源稳定度及均匀度调试、脉冲光源校正和光谱失配校正等技术指标进行了专门的评定，从而有效地解决了光源的均匀度、稳定性、以及电池失配校正等问题。通过对卫星五号升降机太阳电池位置面的实测资料与已校正的在轨飞行资料进行比较，表明该评价方法具有良好的精度和有效性。

关键词：深空探测器；太阳电池；电性能；标准光源；误差修正

引言：太阳能板作为深空探测装置的重要能量来源，必须具有大功率密度与高功率质量比，因此，必须采用一种行之有效的方法来检测和确认它是否能够达到能量供应的要求。所以，对太阳能电池进行定量评价是实现深太空探测器最佳化的关键。太阳电池的标准试验采用了以太阳为基准，模拟太阳光源为基准进行的精密试验。

一、多结太阳电池电性能量化评测方法

深空探测器多节点太阳能电池的电学性质量化评估的基本思路是：采用标准电池组与基准组、定子单元组、定子单元组、光源不稳、非均匀性校验、利用脉冲光源准和光谱不匹配等方法对其进行了校准。最后，利用该光源对太阳能电池进行了地面试验，得出了在地面试验条件下太阳能电池的功率测量结果。利用实测的太阳电池板在轨道上的实际输出功率，对其进行了温度、负载状况的修正，并与地面实测结果进行了比较，以证实本文所述的计算方法是正确的。

1.1分结标定标准子电池组

标准电池采用标准测量装置，按照上、中、下三种标准电池进行划分，以AM0工况下标准电池、标准中电池、标准低电池的频谱响应、量子效率及短路电流（顶电池n＝1，中电池n＝2，底电池n＝3）。

根据《光电探测器相对光谱响应度校准规范》（XJJF1150-2006）中的规定，采用绝对频谱响应度基准，对被测样品 A. B样品的标准电池进行短路电流校正。两项被评定为两个不同研发单位的太阳能电池，其生产技术和制造技术各不相同，在我国的深空太阳能电池行业中表现良好。

1.2光源不稳定度测试与不均匀度调试

采用脉冲式太阳模拟器作为主要装置，采用一块固定的基准太阳电池，在太阳模拟器的有效光照射区域中某一平面上进行辐射不均匀性的测定和评定，并依据 AAA级太阳模拟器对非均匀性的要求，该方法的不均匀性达到了±2%以上。它的实施方法是：选择一个可以覆盖被测部件的面积的工作台（通常是方形），工作台的法线（工作台）应该与光束的中线相平行，这是由于当前的检测器的太阳翼驱动装置（SADA）对日方向的精度误差通常在5°之内，为了提高地面验证的准确性，本系统要求测量的角度不超过3度，根据被测元件的条带分布或工作面上的有效光区域平均分布来决定 N个参考点，基准电池在一个参照点上固定，基准单元遍历 N个参考点，每个新的参考点都经过一个参照点，然后用脉冲光照射一个新的参照点，就可以得出一个标准的短路电流/基准电池的短路电流，用来构建一个不均匀度指数。

1.3脉冲光源校准

将上、中、下电池重复固定于P0位置，并将电池正面朝向灯箱，采用标准电池专用线缆连接到试验系统的被测部件。打开脉冲光源，对标准蓄电池的短路电流进行测量，并将其与标定值进行对比。当电流偏差大于±1%时，调整脉冲光源的亮度，配合滤波器的波长，保证脉冲光源的辐射和频谱分布符合规定，并在调试时保证短路电流的匹配。

1.4光谱失配误差修正

即使是同一批的标准电池与被测试的电池，其频谱响应率也会有不同，并且由于地表模拟光源的辐射分布很难与标准太阳谱相匹配，所以必须进行谱失配的校正。测量了各标准子单元的相对光谱响应和各被测三结单元的相对光谱响应，并在±1%以上的光谱失配误差小于±1%。

二、在太阳电池阵地面测试中的应用

采用以上方法对SpectrolabLAPSS-II激光脉冲式大太阳模拟器进行了光源标定，标定后的光源用于某型号升降机的太阳能电池阵列产品（A、 B采用同一类型的部件）。在校正了光源和不匹配误差之后，利用脉冲光源对 A. B的5个电池元件进行了连续的光照实验，测量了10个太阳能电池的电压特性，并在25℃下进行了测量。

表1太阳电池电路功率表

在校正了光源和不匹配误差之后，利用脉冲光源对 A. B的5个电池元件进行了连续的光照实验，测量了10个太阳能电池的电压特性，并在25℃下进行了测量。通过对运行点的电压进行统计，得出其总电流，分别为17.77 A和18.33 A。

三、在轨评测验证

3.1在轨数据分析

某型号升降机的太阳能电池阵列打破了以往的对称结构，采用了一种不同的结构形式，其中2个分阵被分为 A. B两部分，一方面可以增强产品的可靠性，另一方面也可以为后续的测试工作做好准备。在实现对日方位的定位后，利用太阳光的辐射，形成了一个热平衡状态，当各个电池板温度稳定后，电池阵列的电压、电流、温度状态都得到了稳定。由于地面试验和在轨试验中，不同的环境温度和载荷方式存在着很大的差别，因此在轨观测资料必须进行校正，以便更准确、量化的比较。

3.2环境温度修正

太阳能电池的电流与温度成正比，而电压与温度呈负关系。航天器供电系统通常将工作重点置于太阳能电池阵列的恒流区，工作点的电压和最大功率点之间存在很大的空隙，而且在太阳电池的后期，高温状态下仍然能正常工作，所以仅需对工作点的电流进行温度恢复校正即可。

太阳电池阵产品的温度修正函数为：

式中为温度修正后太阳电池阵在轨AM0工况下工作点电流，A；为太阳电池阵在轨AMO工况下工作点电流，A；Torbit为太阳电池阵在轨AMO工况下实时温度，℃；β为太阳电池阵温度系数，温度因子的单位面积是+0。采用01毫安/(cm²· C)，与电池单元的单元面积和并联的方式，采用0.102 A/C。为了实现对地面评测和在轨数据的准确比对，必须将各个线路的负荷状态统一到一个固定电压点上。相比之前的温度修正和负载修正前的评估，精度得到了极大的提高，准确率在±1%左右。经比较，该评价方法的准确率高，可以作为今后深入太空等多个空间飞行器进行太阳电池阵列性能评估的参考依据，并有一定的可操作性，可以为进一步的精细设计提供有力的支持。

四、结语

本文针对深空探测器太阳能阵列选择工作点电流的几个关键指标进行了专项评估，采用标准型和基准型电池作为基准光源，可以有效地解决模拟器的综合频谱分布与AM0标准的光照情况不一致、脉冲光源的一致性、稳定性、电池失配校正等问题。该方法具有较高的精度、较强的可移植性和可操作性，可应用于后续的深空和其他空间飞行器的太阳能电池阵列性能评估，为以后的航天飞船太阳能电池阵列的设计提供了有益的参考。

参考文献

[1]蒋小勇. 深空探测器小推力轨道优化设计方法及其应用研究[D].国防科学技术大学,2014.

[2]崔平远,徐瑞,朱圣英,赵凡宇.深空探测器自主技术发展现状与趋势[J].航空学报,2014,35(01):13-28.