[发明专利]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

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。

主权项

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I‑V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.1）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： I = Isc ′ ( 1 - C 1 × { exp [ V / ( C 2 × V ov ′ ) ] - 1 } ) C 1 = [ 1 - ( I mp ′ / Isc ′ ) ] × { exp [ - V mp ′ / ( C 2 × V ov ′ ) ] } C 2 = [ ( V mp ′ / V ov ′ ) - 1 ] / 1 n ( 1 - I mp ′ / Isc ′ ) - - - ( Equ . 1 ) 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1；V——太阳阵输出电压，单位为V；C2——公式系数2；Vov'——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；Vmp'——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： V ov ′ = ( V ov + β VBOL × ( T - 25 ) ) × 0.98 × 0.98 × N s × K VRAD V mp ′ = ( V mp + β VBOL × ( T - 25 ) ) × 0.98 × 0.98 × N s × K VRAD - - - ( Equ . 2 ) 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；βVBOL——单体太阳电池寿命初期电压温度系数，单位为V/℃；KVRAD——太阳阵开路电压辐照衰降因子；T——太阳阵温度，单位为℃；太阳阵短路电流和最佳工作点电流计算模型如下： Isc ′ = ( Isc + α I × ( T - 25 ) ) × 0.98 × 0.98 × 0.98 × N p × cos θ ( t ) × F rd × K IRAD I mp ′ = ( I mp + α I × ( T - 25 ) ) × 0.98 × 0.98 × 0.98 × N p × cos θ ( t ) × F rd × K IRAD - - - ( Equ . 3 ) ISC——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；αI—单体太阳电池电流温度系数，单位为A/℃；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℃；KIRAD________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KIRAD，Vov即为KVRAD；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：120μm；轨道高度：300km~3000km；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Isc、开路电压Vov，其输出形式：给出Pmax、Isc和Vov经过m个月后，Pmax、Isc和Vov为初始值的百分比，即给出Pmax、Isc和Vov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·x+A2·x2+A3·x3+A4·x4+A5·x5）·month        （Equ.4）其中，A0=‑5.72637E6，A1=69074.68933，A2=‑329.19032，A3=0.77634，A4=‑9.13546E‑4，A5=4.49106E‑7当600km Q residual ( c ) = I SA ( c ) × ( Te - te ) - I load _ mean ( c ) × ( Te - te ) - 1.02 × ∫ 0 te I d ( t ) × dt - - - ( Equ . 10 ) 其中：Qresidual(c)——在轨第c圈太阳阵可提供的多余电量，单位为C；te——阴影期时间，单位为s；ISA(c)——在轨第c圈方阵电流箝位点电流值，单位为A；Iload_mean(c)——光照期负载电流Iload(A)，其为在轨第c圈负载电流每周期的平均值，单位为A；Id(t)——阴影期，蓄电池放电电流，单位为A；根据指定时期太阳阵I‑V曲线的方程，在给出相应的光照区母线电压Vs_bus及太阳阵隔离二极管和供电线缆压降之和Vs_dioline时，得到该指定时期I‑V曲线上太阳阵工作电压箝位点Vop1处的电流值Is_op1；由能量平衡计算可知，该指定时期的太阳阵提供能量的多余电量Qresidual(c)可表示为： Q s - residual ( c ) = I s _ opl ( c ) × ( Te - te ) - I s _ load _ mean ( c ) × ( Te - te ) - 1.02 × ∫ 0 te I d ( t ) × dt - - - ( Equ . 11 ) 式中：Is_opl—指点时期I‑V曲线上太阳阵工作电压箝位点Vop1处的电流值，单位为A；Is_load_mean——指定时期光照区负载电流/在轨所有负载电流数据的平均值，单位为A；Id(t)——指定周期蓄电池在阴影区的放电电流值，单位为A；太阳阵工作电压点输出功率计算模型如下：PSA(t)＝Vbus(t)Iop1(t)，    ISA(t)＝Iop1(t)进一步可得：Ps_op1(c)＝Vs_bus(c)Is_op1(c)Vs_op1(c)＝Vs_bus(c)+Vs_dioline               （Equ.12）式中：t――第c圈轨道周期内时刻，0 I d ( t ) = ( I load ( t ) - I SA ( t ) ) × V bus η BDR · η line · V bat ( t ) 式中：t――第c圈轨道周期内时刻，0

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