[发明专利]基于电流衰减的空间三结砷化镓太阳能电池片在轨剩余寿命预测方法

摘要

一种基于电流衰减的空间三结砷化镓太阳能电池片剩余寿命预测方法，通过对其在轨输出电流的衰减进行研究分析，提出了线性和幂函数两种数学模型，然后通过这两种模型分别对三结砷化镓太阳能电池片剩余寿命进行预测。通过模型验证发现，这种基于电流衰减的三结砷化镓太阳能电池剩余寿命预测分析方法拟合太阳能电池原始输出电流的变化曲线，并引入参数变化，能够较好的帮助开展对三结砷化镓太阳能电池片的寿命预测。

主权项

一种基于电流衰减的空间三结砷化镓太阳能电池片剩余寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、遥测空间三结砷化镓太阳能电池片在轨情况，采集试验数据；在空间环境中，通过对在轨卫星的遥测，利用装在太阳能电池片上的监测仪来读取其输出电流，记录每年每天不同时刻的电流数据，最后采集到的数据是卫星在轨运行三年的太阳能电池的遥测数据，遥测参数是原始输出电流；步骤二、对采集到的数据进行数据预处理，并且选择合适的关键性能退化量；采集到的各种数据包括太阳光照角余弦值、温度、原始电流、垂直光照角下电流，选择垂直光照角下电流作为三结砷化镓太阳能电池关键性能退化量；太阳能电池片输出电流是衡量卫星上太阳能电池片的功率的重要指标，因为太阳电池阵输出功率计算公式为P＝I×V   (1)V＝V_β+V_D1+V_D2   (2)其中，P为太阳电池阵输出功率，单位为W；V为太阳电池阵输出电压，单位为V；I为太阳电池阵输出电流，单位为A；V_β为母线电压，单位为V；V_D1为太阳电池阵上电缆及接插件平均压降，单位为V；V_D2为隔离二极管压降，单位为V；如果卫星母线电压基本保持不变，根据式(1)可得，太阳电池阵输出功率衰减主要体现在太阳电池阵输出电流的衰减上；而卫星在空间运行的过程中，受到太阳公转的影响，光照角通常以一年为周期呈现周期性变化，所以太阳入射角对于电流的影响显著，而当太阳光与太阳能电池片所在平面不垂直时，其电流也会发生变化，有如下关系：I_max＝I/cosθ，   (3)式(3)中，I_max为垂直光照角下的电流，I为实际测得的标准片的电流，也就是在轨所得的原始流数据，θ为太阳入射角，即为太阳入射方向与单元表面法线方向的夹角；利用处理后三年每天一个的原始电流数据，以及每年每天的太阳光照角的余弦值，通过公式(3)计算得到三年每天一个的垂直光照角下的电流数据；结合式(1)和式(2)，能够得到太阳电池阵输出功率衰减主要体现在太阳电池阵输出电流的衰减上，这里的输出电流选取垂直光照角下的输出电流，因此选取三结砷化镓太阳能电池片垂直光照角下的电流为关键性能退化量进行退化建模分析；步骤三、分析建立两种不同的衰减模型，计算得到相应的模型参数；结合三结砷化镓太阳能电池片在轨垂直光照角下电流的变化趋势，能够得到两个有效的模型；模型一：线性模型假设太阳电池阵垂直光照角下电流的衰退规律是线性的，则建立退化模型如下$D\left(t\right)=(a+b\·t)\·\left(\frac{S}{S_0}\right)+\mathrm{\ϵ},---\left(4\right)$式(4)中，(a+b·t)表示电流的衰退规律，S/S₀为太阳辐照强度影响系数，D(t)为垂直光照角下电流，即为I_max，ε服从正态分布；三结砷化镓太阳能电池片的电流输出主要受太阳入射角和太阳辐射照度的共同影响，这里剔除太阳入射角对电流的影响，而太阳辐照强度对电流的作用是正比例关系；太阳辐照强度是呈周期性变化的，其变化规律可用余弦函数拟合，即$S=S_0+c\·\cos (\mathrm{\α}+\frac{2\·\mathrm{\π}}{T}\·t),---\left(5\right)$这里，S为太阳辐射强度；S₀表示太阳辐射照度通常取平均日地距离下对应的数值，即伽利略综合数据，又称太阳辐射常数；c、α表示太阳辐射强度的周期变化的参数；t为在轨时间，单位为天；所以最终的垂直光照角下电流的退化模型为：$D\left(t\right)=I_{\max }=(a+b\·t)\·\left(\frac{S_0+c\·\cos (\mathrm{\α}+\frac{2\·\mathrm{\π}}{T}\·t)}{S_0}\right)+\mathrm{\ϵ}---\left(6\right)$式(6)中，(a+b·t)表示电流的衰退规律，为太阳辐照强度影响系数，D(t)为垂直光照角下电流，即为I_max，ε～N(0,σ²)；具体地，t为在轨时间，单位为天，a、b为模型参数，a＞0，表示t＝0时的电流；b＜0，表示电流衰减速度；c、α表示太阳辐射强度的周期变化的参数；定义残差平方和RSS：$\mathrm{RSS}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(D\left(t_i\right)-(a+b\·t_i)\·\frac{S_0+c\·\cos (\mathrm{\α}+\frac{2\·\mathrm{\π}}{T}\·t_i)}{S_0})}^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i}^2---\left(7\right)$模型二：幂函数模型根据实际获得数据表明电流的衰减速度越来越慢，所以下面用幂函数模型进行建模分析；$D\left(t\right)=(a+b\·t^c)\·\left(\frac{S}{S_0}\right)+\mathrm{\ϵ},---\left(8\right)$具体地，太阳辐照强度的计算同模型一一致，所以最终的函数模型为：$D\left(t\right)=I_{\max }=(a+b\·t^c)\·\left(\frac{S_0+d\·\cos (\mathrm{\α}+\frac{2\·\mathrm{\π}}{T})}{S_0}\right)+\mathrm{\ϵ}---\left(9\right)$式(9)中，(a+b·t^c)表示电流的衰退规律，t^c是指用幂函数来表示时间的函数，为太阳辐照强度影响系数，D(t)为垂直光照角下电流，即为I_max，ε～N(0,σ²)；具体地，t为在轨时间，单位为天，其中a、b、c、d、α为模型参数，a＞0，b＜0，c＜1，a表示t＝0时的电流；b表示一天的衰减率；c表示时间变化的快慢程度；d、α表示太阳辐射强度的周期变化的参数；通过最小二乘法，将三年每天一个共1095组垂直光照角下的电流数据分别带入到两模型中即式(6)和式(9)中，令RSS最小分别估计退化模型的参数；步骤四、利用建立的两种模型计算得到三结砷化镓太阳能电池片在轨运行不同时间以后的电流大小,从而预测电池在轨剩余寿命；在步骤二中选择砷化镓太阳能电池片在轨垂直光照角下的电流作为分析其寿命的关键性能退化量，所以用该电流值来表征电池片的寿命；给定一个失效阈值，也就是能够维持卫星正常工作的最低功率，由式(1)和式(2)以计算出此时电池所要的垂直光照角下最小输出电流，然后利用线性模型或者幂函数模型，计算出砷化镓电池的最大使用时间也就是最大寿命，从而进行寿命预测；或者给定一电流值，计算出砷化镓太阳能电池片目前使用了多长时间即它的使用寿命，然后再根据给定的失效阈值，利用线性模型或者幂函数模型，求出电池片的最大使用时间，这样就能获得砷化镓电池的剩余使用时间，即它的剩余寿命。