[發(fā)明專利]一種基于I-V曲線與能量平衡的小衛(wèi)星太陽陣壽命預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210432124.8
• 申請日: 2012-11-02
• 公開（公告）號: CN102928714A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂琛;陶來發(fā);劉紅梅;彭健;劉一薇;楊生勝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué);航天東方紅衛(wèi)星有限公司;蘭州空間技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00;G01R31/26
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明

1.一種基于I-V曲線與能量平衡的小衛(wèi)星太陽陣壽命預(yù)測方法，其特征在于：該方法通過如下步驟實現(xiàn)：

步驟一、日地距離因子、軌道地影時間、太陽光線與太陽陣法線的夾角確定；

根據(jù)軌道高度、降交點地方時和預(yù)測起始時間，計算每天的日地距離因子、軌道周期Te、軌道地影時間、每軌太陽光線與太陽陣法線的夾角的變化規(guī)律，得到隨時間變化的定量數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的太陽陣I-V曲線和能量平衡分析；

步驟二、太陽陣I-V曲線模型確定；

根據(jù)太陽陣特性構(gòu)建太陽陣計算模型，同時考慮太陽入射角、輻照衰減、日地因子、損失因子因素的影響，計算不同季節(jié)、不同軌道條件和不同工況下太陽陣輸出電壓、輸出電流，以表征太陽陣輸出功率實時及長期變化情況；

以標準狀態(tài)的I-V曲線特征點為參數(shù)，考慮多種環(huán)境因素對太陽陣壽命的影響，計算太陽陣的輸出特性；利用公式（Equ.1）太陽陣I-V曲線的計算機解析模型，得到不同條件下的太陽陣的I-V特性曲線；該模型在光照強度小于2個太陽常數(shù)時，有很高的精確性；太陽同步軌道小衛(wèi)星的光照情況滿足這一條件：

I=Isc′(1-C1×{exp[V/(C2×Vov′)]-1})C1=[1-(Imp′/Isc′)]×{exp[-Vmp′/(C2×Vov′)]}C2=[(Vmp′/Vov′)-1]/1n(1-Imp′/Isc′)---(Equ.1)]]>

式中：

I——太陽陣輸出電流，單位為A；

Isc'——太陽陣短路電流，典型參數(shù)或?qū)崪y值，單位為A；

C₁——公式系數(shù)1；

V——太陽陣輸出電壓，單位為V；

C₂——公式系數(shù)2；

V_ov'——太陽陣開路電壓，典型參數(shù)或?qū)崪y值，單位為V；

I_mp'——太陽陣最佳工作點輸出電流，典型參數(shù)或?qū)崪y值，單位為A；

V_mp'——太陽陣最佳工作點輸出電壓，典型參數(shù)或?qū)崪y值，單位為V；

太陽陣開路電壓和最佳工作點輸出電壓計算模型如下：

Vov′=(Vov+βVBOL×(T-25))×0.98×0.98×Ns×KVRADVmp′=(Vmp+βVBOL×(T-25))×0.98×0.98×Ns×KVRAD---(Equ.2)]]>

式中：

V_ov——單體太陽電池開路電壓，單位為V；

V_mp——單體太陽電池最佳工作點電壓，單位為V；

β_VBOL——單體太陽電池壽命初期電壓溫度系數(shù)，單位為V/℃；

K_VRAD——太陽陣開路電壓輻照衰降因子；

T——太陽陣溫度，單位為℃；

太陽陣短路電流和最佳工作點電流計算模型如下：

Isc′=(Isc+αI×(T-25))×0.98×0.98×0.98×Np×cosθ(t)×Frd×KIRADImp′=(Imp+αI×(T-25))×0.98×0.98×0.98×Np×cosθ(t)×Frd×KIRAD---(Equ.3)]]>

I_SC——單體太陽電池短路電流，單位為A；

I_mp——單體太陽電池最佳工作點電流，單位為A；

α_I—單體太陽電池電流溫度系數(shù)，單位為A/℃；

θ(t)——?一圈軌道內(nèi)太陽光線與太陽陣法線方向的夾角，單位為度；

T——太陽陣溫度，單位為℃；

K_IRAD________太陽陣短路電流輻照衰降因子；

F_rd——日地距離因子；

利用“太陽陣開路電壓及短路電流輻照衰降因子計算模型”預(yù)測LEO軌道輻射環(huán)境對衛(wèi)星太陽電池輸出參數(shù)衰減的影響，在該模型中Isc即為K_IRAD，Vov即為K_VRAD；

A.模型輸入?yún)?shù)定義如下：

電池類型：單結(jié)GaAs太陽電池；石英玻璃蓋片厚度：120μm；軌道高度：300km~3000km；傾角：只針對99°；時間單位：月；

B.模型輸出參數(shù)定義如下：

最大輸出功率P_max、短路電流I_sc、開路電壓V_ov，其輸出形式：給出P_max、I_sc和V_ov經(jīng)過m個月后，P_max、I_sc和V_ov為初始值的百分比，即給出P_max、I_sc和V_ov關(guān)于時間month的函數(shù)；

以下為該太陽陣開路電壓及短路電流輻照衰降因子的計算模型：

不同軌道高度位移損傷劑量計算如下：x為軌道高度，month為在軌月數(shù)，y為計算得到的位移損傷劑量；

當300km<=x<=600km時，計算公式為：

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

當600km<x<=1000km時，計算公式為：

y＝14（A₀+A₁·x+A₂·x²+A₃·x³+A₄·x⁴）·month???????????????（Equ.5）

其中，A0=-5.80893E7，A1=321272.30685，A2=-663.23216，A3=0.59526，A4=-1.77968E-4

當1000km<x<=3000km時，計算公式為：

y＝14（A₀+A₁·x+A₂·x²+A₃·x³+A₄·x⁴+A₅·x⁵）·month????????（Equ.6）

其中，A0=5.01219E8，A1=-1.76649E6，A2=2453.54778，

A3=-1.65135，A4=5.32602E-4，A5=-5.18233E-8

GaAs/Ge太陽電池的Pmax、Isc和Voc的計算模型為：

最大輸出功率衰減，即Pmax的計算模型：

P_max=1.0-C×log10(1+(y/Dx))??????????????????????????????????（Equ.7）

其中，C=0.242，Dx=3.47e9，y為計算得到的位移損傷劑量；

短路電流衰減，即Isc的計算模型：

K_IRAD=Isc=1.0-C×log10(1+(y/Dx))?????????????????????????????（Equ.8）

其中，C=0.213，Dx=8.3e19

開路電壓衰減，即Voc的計算模型：

K_VRAD=Vov=1.0-C×log10(1+(y/Dx))?????????????????????????????（Equ.9）

其中，C=0.07，Dx=1.8e9

步驟三、太陽陣能量平衡計算模型確定；

在進行能量平衡計算時，根據(jù)在軌數(shù)據(jù)或地面提供的數(shù)據(jù)對能量平衡的臨界狀態(tài)進行實時監(jiān)控，如果太陽陣提供能量的多余電量Q_residual(c)由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮诘扔诹愕娜我庵担瑒t表明太陽陣已處于嚴重損傷狀態(tài)，且Q_residual(c)的計算式為：

Qresidual(c)=ISA(c)×(Te-te)-Iload_mean(c)×(Te-te)-1.02×∫0teId(t)×dt---(Equ.10)]]>

其中：

Q_residual(c)——在軌第c圈太陽陣可提供的多余電量，單位為C；

te——陰影期時間，單位為s；

I_SA(c)——在軌第c圈方陣電流箝位點電流值，單位為A；

I_{load_mean}(c)——光照期負載電流I_load(A)，其為在軌第c圈負載電流每周期的平均值，單位為A；

I_d(t)——陰影期，蓄電池放電電流，單位為A；

根據(jù)指定時期太陽陣I-V曲線的方程，在給出相應(yīng)的光照區(qū)母線電壓V_{s_bus}及太陽陣隔離二極管和供電線纜壓降之和V_{s_dioline}時，得到該指定時期I-V曲線上太陽陣工作電壓箝位點V_op1處的電流值I_{s_op1}；由能量平衡計算可知，該指定時期的太陽陣提供能量的多余電量Q_residual(c)可表示為：

Qs-residual(c)=Is_opl(c)×(Te-te)-Is_load_mean(c)×(Te-te)-1.02×∫0teId(t)×dt---(Equ.11)]]>

式中：

I_{s_opl}—指點時期I-V曲線上太陽陣工作電壓箝位點V_op1處的電流值，單位為A；

I_{s_load_mean}——指定時期光照區(qū)負載電流/在軌所有負載電流數(shù)據(jù)的平均值，單位為A；

I_d(t)——指定周期蓄電池在陰影區(qū)的放電電流值，單位為A；

太陽陣工作電壓點輸出功率計算模型如下：

P_SA(t)＝V_bus(t)I_op1(t)，????I_SA(t)＝I_op1(t)

進一步可得：

P_{s_op1}(c)＝V_{s_bus}(c)I_{s_op1}(c)

V_{s_op1}(c)＝V_{s_bus}(c)+V_{s_dioline}???????????????（Equ.12）

式中：

t――第c圈軌道周期內(nèi)時刻，0<t<Te，其中，Te為軌道周期，單位為s；

P_SA——太陽陣輸出功率，單位為W；

P_{s_OP1}(c)——第c圈太陽陣輸出為箝位點V_{s_op1}時輸出功率，單位為W；

I_{s_opI}(c)——第c圈I-V曲線上太陽陣工作電壓箝位點V_{s_op1}時電流值，單位為A；

V_{s_bus}——光照區(qū)母線電壓，單位為V；

V_{s_dioline}——太陽陣隔離二極管和供電線纜壓降之和，單位為V；

對于在軌電源系統(tǒng)，由于電源控制器使得光照期母線電壓始終保持為定值，因而，可以認為：在電源控制器正常工作的前提下，光照期母線電壓始終不變；同時，在得到V_{s_dioline}值后，可夠通過上述建立的I-V曲線得到指定時期箝位點電流值I_{s_op1}(c)，以用于能量平衡計算；

如果系統(tǒng)預(yù)測得到某指定時期Q_residual(c)=0，則說明此時太陽陣已到壽；

其中，進行蓄電池組放電電流計算時，蓄電池組的放電電流取決于蓄電池組的放電功率、放電調(diào)節(jié)器效率、蓄電池組供電線路損耗因子、電池組電壓因素；

陰影區(qū)，蓄電池組放電電流為：

Id(t)=(Iload(t)-ISA(t))×VbusηBDR·ηline·Vbat(t)]]>

式中：

t――第c圈軌道周期內(nèi)時刻，0<t<Te，其中，Te為軌道周期，單位為s；

I_load(t)――在軌負載電流需求隨時間變化的函數(shù)；

η_BDR――放電調(diào)節(jié)器效率；

n_line――蓄電池組供電線路損耗因子；

V_bat(t)――蓄電池組放電電壓；基于在軌第c圈軌道蓄電池放電初壓和放電終壓值，可以近似地認為V_bat(t)由放電初壓至放電終壓線性變化；

V_bus：放電時母線電壓，單位為V；

其中：陰影區(qū)太陽陣I_SA(t)電流為零，V_bat(t)是一個被積函數(shù)，該函數(shù)是由蓄電池在軌放電初壓和放電終壓確定的線性函數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于I-V曲線與能量平衡的小衛(wèi)星太陽陣壽命預(yù)測方法，其特征在于：所述的太陽陣溫度通過太陽陣溫度模型計算如下：

太陽陣溫度隨衛(wèi)星進出影狀態(tài)的變化而變化，地影區(qū)，太陽陣溫度逐漸下降，直至降至出影前的最低溫度；光照期，太陽陣溫度從出影后迅速上升，直至達到光照期的溫度平衡點，此后溫度保持不變直至衛(wèi)星進入下一軌道圈的地影期，周而復(fù)始；

太陽陣溫度變化的簡化模型如下：

在地影期內(nèi)，太陽陣溫度從光照期的最高平衡溫度線性下降至地影期最低溫度，出影后，太陽陣溫度在8分鐘內(nèi)從地影期最低溫度上升至60℃，在20分鐘內(nèi)從60℃上升至光照期最高平衡溫度，直至下次進影；

光照期的最高平衡溫度、地影期最低溫度的默認值分別為：光照期的最高平衡溫度Tx；地影期最低溫度T_SAE。