专利名称：一种基于i-v曲线与能量平衡的小卫星太阳阵寿命预测方法
—种基于I-V曲线与能量平衡的小卫星太阳阵寿命预测方技术领域
本发明属于小卫星太阳阵预测技术领域，具体涉及一种基于ι-v曲线与能量平衡的小卫星太阳阵寿命预测方法。
背景技术：
小卫星应用于除载人航天外的所有空间领域，包括在遥感、通信、导航、技术验证、 空间科学等发挥了重要的作用。电源系统是卫星的关键服务系统，负责产生、存储和为卫星整个寿命期间为整星用电负载提供稳定的不间断的能源，其供电能力、电源品质直接影响卫星的工作状态、可靠性与使用寿命。对电源系统控制的性能、可靠性有很高的要求。
由于不同卫星运行轨道有其明显的环境特点，导致不同轨道运行的卫星系统性能退化规律和特征有所区别。小卫星的运行轨道大部分为中低轨道，受复杂空间环境影响， 如太阳压力、电离层、带电粒子等，太阳入射角在一年中的变化范围大，小卫星进出影频繁，高低温交替变换等，太阳阵间歇性工作次数多，工作时间短，工作电流大，高低温冲击剧烈。这些因素不可避免的将对卫星的性能与寿命产生影响。最终在内部和外部因素的综合作用下，导致系统失效。图I给出了，由于小卫星各子系统失效而导致小卫星整体失效所占的比例情况。由此可知，电源系统失效占据大部分比例，且太阳阵失效是电源系统失效的最主要因素。
然而，由于小卫星属于不可修复产品，且受质量和尺寸的限制，不能采取冗余部件的方法以提高小卫星太阳阵的可靠性，使得小卫星太阳阵寿命预测对于小卫星的设计、生产、使用起着重要指导作用。
目前应用于空间环境条件下小卫星太阳阵寿命预测的方法可归纳为(一)、紫外加速寿命试验法建立模拟空间环境下的紫外加速寿命试验装置，对太阳电池进行紫外加速寿命试验技术研究，获得太阳电池开路电压随着紫外辐照时间的变化数据。通过试验数据处理，获得太阳电池开路电压随着等效紫外辐照时间的衰减规律，采用加严判据理论，研究紫外辐射对太阳电池的损伤规律，预测紫外辐照环境下的电池寿命；(二)、热应变极值法以试验测试为基础分析多次热循环后太阳电池板的热应变演变规律，提出以热应变极大值(或残余热应变)作为多层胶接结构的损伤参量，建立预测太阳单体电池结构寿命的数学模型等方法。其中，紫外加速寿命试验法仅仅考虑了紫外这一空间环境条件，且较其它寿命影响因素，紫外的影响相对较弱，单一开展紫外辐射对太阳阵的损伤规律研究不能很好的揭露太阳阵在复杂空间环境条件下的损伤规律；热应变极值法从通过试验建立了单体电池的数据模型，对于经试验测试，且仅考虑单体电池在温度影响下的寿命预测是有效的， 对于不同批次、不同型号等太阳单体需要重新建立寿命预测模型，且无法解决太阳阵整体寿命预测问题。发明内容6
针对当前小卫星太阳阵寿命预测存在的问题，本发明提出一种基于I-V曲线与能量平衡的小卫星太阳阵寿命预测方法，在空间环境模拟试验的基础上，构建在考虑日地距离因子、轨道地影时间、太阳光线与太阳阵法线的夹角、温度、太阳辐射等重要空间环境因素影响下的太阳阵整体寿命预测模型，进而部分解决考虑太阳阵重要寿命影响因素的寿命预测及太阳阵整体寿命预测的通用性问题。所述I-V曲线为太阳单体电池的电流与电压曲线。
本发明采用的技术方案为一种基于I-V曲线与能量平衡的小卫星太阳阵寿命预测方法，该方法通过如下步骤实现
步骤一、日地距离因子、轨道地影时间、太阳光线与太阳阵法线的夹角确定；
根据轨道高度、降交点地方时和预测起始时间，计算每天的日地距离因子、轨道周期Te、轨道地影时间、每轨太阳光线与太阳阵法线的夹角的变化规律，得到随时间变化的定量数据，用于后续的太阳阵ι-ν曲线和能量平衡分析；
步骤二、太阳阵I-V曲线模型确定；
根据太阳阵特性构建太阳阵计算模型，同时考虑太阳入射角、辐照衰减、日地因子、损失因子因素的影响，计算不同季节、不同轨道条件和不同工况下太阳阵输出电压、输出电流，以表征太阳阵输出功率实时及长期变化情况；
以标准状态的I-V曲线特征点为参数，考虑多种环境因素对太阳阵寿命的影响， 计算太阳阵的输出特性；利用公式(Equ. I)太阳阵I-V曲线的计算机解析模型，得到不同条件下的太阳阵的I-V特性曲线；该模型在光照强度小于2个太阳常数时，有很高的精确性； 太阳同步轨道小卫星的光照情况满足这一条件
权利要求
1.一种基于I-V曲线与能量平衡的小卫星太阳阵寿命预测方法，其特征在于该方法通过如下步骤实现 步骤一、日地距离因子、轨道地影时间、太阳光线与太阳阵法线的夹角确定； 根据轨道高度、降交点地方时和预测起始时间，计算每天的日地距离因子、轨道周期Te、轨道地影时间、每轨太阳光线与太阳阵法线的夹角的变化规律，得到随时间变化的定量数据，用于后续的太阳阵ι-ν曲线和能量平衡分析； 步骤二、太阳阵I-V曲线模型确定； 根据太阳阵特性构建太阳阵计算模型，同时考虑太阳入射角、辐照衰减、日地因子、损失因子因素的影响，计算不同季节、不同轨道条件和不同工况下太阳阵输出电压、输出电流，以表征太阳阵输出功率实时及长期变化情况； 以标准状态的ι-v曲线特征点为参数，考虑多种环境因素对太阳阵寿命的影响，计算太阳阵的输出特性；利用公式(Equ. I)太阳阵I-V曲线的计算机解析模型，得到不同条件下的太阳阵的I;特性曲线；该模型在光照强度小于2个太阳常数时，有很高的精确性；太阳同步轨道小卫星的光照情况满足这一条件 = Isc'X (I - CiX {exp[F / (C 2 x F ,·')] - 1})< Ci = [I - (Imp Isc ')]χ {exp[-Fmj, V (C2 X Vo,')}}C Equ. I) C 2 = [(Vmp Vor ')-l]/ln(l- Imp V Isc ') 式中 I——太阳阵输出电流，单位为A ； Isc’——太阳阵短路电流，典型参数或实测值，单位为A ； C1——公式系数I ; V——太阳阵输出电压，单位为V ； C2——公式系数2 ； V0；——太阳阵开路电压，典型参数或实测值，单位为V ； Imp'——太阳阵最佳工作点输出电流，典型参数或实测值，单位为A ； Vffl；——太阳阵最佳工作点输出电压，典型参数或实测值，单位为V ； 太阳阵开路电压和最佳工作点输出电压计算模型如下 J Vov' = (Vov + βVBOi. X (Γ — 25)) X 0.98 χ 0.98 χ Ns x Kvrad(ε 2) [Vmp' = (Vmp + βνηοι χ (Τ - 25)) χ 0.98 χ 0.98 χ Ns χ Kvrad^ 式中 Vov—单体太阳电池开路电压，单位为V ； Vmp——单体太阳电池最佳工作点电压，单位为V ； β VB0L—单体太阳电池寿命初期电压温度系数，单位为VV ； Kvead—太阳阵开路电压辐照衰降因子； T——太阳阵温度，单位为。C ； 太阳阵短路电流和最佳工作点电流计算模型如下 \Isc' - (Isc + αιχ (T - 25)) χ 0.98 χ 0.98χ 0.98 x Npxcos 9{t) χ Frd χ Kirad <(Equ.3) [Imp1 = (Imp + αι χ (Τ - 25)) x0.98x 0.98 χ 0.98 x Npxcos θ{ ) χ Frd χ KjradIsc——单体太阳电池短路电流，单位为A ； Imp——单体太阳电池最佳工作点电流，单位为A ； α工一单体太阳电池电流温度系数，单位为A/°C ； Θ (t)——一圈轨道内太阳光线与太阳阵法线方向的夹角，单位为度； T——太阳阵温度，单位为。C ； Kiead__太阳阵短路电流辐照衰降因子； Frd—日地距离因子； 利用“太阳阵开路电压及短路电流辐照衰降因子计算模型”预测LEO轨道辐射环境对卫星太阳电池输出参数衰减的影响，在该模型中Isc即为Kikad, Vov即为Kvead ； A.模型输入参数定义如下 电池类型单结GaAs太阳电池；石英玻璃盖片厚度120 ym;轨道高度300knT3000km ;倾角只针对99。；时间单位月； B.模型输出参数定义如下 最大输出功率Pmax、短路电流Is。、开路电压Vot，其输出形式给出Pmax、Is。和Vot经过m个月后，Pmax> Isc和L为初始值的百分比，即给出Pmax、Isc和Vot关于时间month的函数；以下为该太阳阵开路电压及短路电流辐照衰降因子的计算模型 不同轨道高度位移 损伤剂量计算如下x为轨道高度，month为在轨月数，y为计算得到的位移损伤剂量； 当300km〈=x〈=600km时,计算公式为y = 14 (A0+A1 · χ+Α2 · χ2+Α3 · x3+A4 · x4+A5 · χ5) · month(Equ. 4)其中，Α0=-5· 72637E6, Al=69074. 68933，Α2=_329· 19032，Α3=0· 77634，Α4=_9· 13546Ε-4，Α5=4· 49106Ε-7当600km〈x〈=1000km时,计算公式为 y = 14 (A0+A1 · χ+Α2 · x2+A3 · x3+A4 · χ4) · month(Equ. 5) 其中，Α0 = -5· 80893Ε7, Al = 321272. 30685，Α2=_663· 23216，Α3=0. 59526，A4=-l. 77968Ε-4 当1000km〈x〈=3000km时,计算公式为y = 14 (A0+A1 · χ+Α2 · x2+A3 · x3+A4 · x4+A5 · x5) · month(Equ. 6)其中，A0=5. 01219E8, Al=-L 76649E6, A2=2453. 54778，A3=-l. 65135，A4=5. 32602E-4，A5=_5. 18233E-8GaAs/Ge太阳电池的Pmax、Isc和Voc的计算模型为 最大输出功率衰减，即Pmax的计算模型 Pmax=L O-CX IoglO (l+(y/Dx))(Equ. 7) 其中，C=O. 242，Dx=3. 47e9, y为计算得到的位移损伤剂量； 短路电流衰减，即Isc的计算模型 Kiead=Isc=L O-CX IoglO (1+ (y/Dx))(Equ. 8)其中，C=O. 213，Dx=8. 3el9开路电压衰减，即Voc的计算模型 Kvead=Vov=L O-CX IoglO (1+ (y/Dx))(Equ. 9)其中，C=O. 07，Dx=L 8e9 步骤三、太阳阵能量平衡计算模型确定； 在进行能量平衡计算时，根据在轨数据或地面提供的数据对能量平衡的临界状态进行实时监控，如果太阳阵提供能量的多余电量Q_idual (C)由正值转变为小于等于零的任意值，贝U表明太阳阵已处于严重损伤状态Hidual(C)的计算式为
2.根据权利要求I所述的一种基于I-V曲线与能量平衡的小卫星太阳阵寿命预测方法，其特征在于所述的太阳阵温度通过太阳阵温度模型计算如下 太阳阵温度随卫星进出影状态的变化而变化，地影区，太阳阵温度逐渐下降，直至降至出影前的最低温度；光照期，太阳阵温度从出影后迅速上升，直至达到光照期的温度平衡点，此后温度保持不变直至卫星进入下一轨道圈的地影期，周而复始； 太阳阵温度变化的简化模型如下 在地影期内，太阳阵温度从光照期的最高平衡温度线性下降至地影期最低温度，出影后，太阳阵温度在8分钟内从地影期最低温度上升至60°C，在20分钟内从60°C上升至光照期最高平衡温度，直至下次进影； 光照期的最高平衡温度、地影期最低温度的默认值分别为光照期的最高平衡温度Tx ;地影期最低温度TSAE。
全文摘要
本发明提供一种基于I-V曲线与能量平衡的小卫星太阳阵寿命预测方法，针对当前小卫星太阳阵寿命预测存在的损伤规律空间环境影响因素较少，及较大程度上局限于单体电池的寿命预测而无法解决太阳阵整体寿命预测等问题，本发明基于空间环境模拟试验，在考虑日地距离因子、轨道地影时间、太阳光线与太阳阵法线的夹角、温度、太阳辐射等重要空间环境因素影响下太阳阵整体寿命预测模型，进而部分解决考虑太阳阵重要寿命影响因素的寿命预测及适用于不同批次、不同型号太阳阵整体寿命预测的通用性问题。所述I-V曲线为太阳单体电池的电流与电压曲线。本发明以试验为基础，具有较好的模型通用性以及更强的工程实用性。
文档编号G01R31/00GK102928714SQ20121043212
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年11月2日
发明者吕琛, 陶来发, 刘红梅, 彭健, 刘一薇, 杨生胜 申请人:北京航空航天大学, 航天东方红卫星有限公司, 兰州空间技术物理研究所