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
专利汇可以提供一种基于I-V曲线与能量平衡的小卫星太阳阵寿命预测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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。，下面是一种基于I-V曲线与能量平衡的小卫星太阳阵寿命预测方法专利的具体信息内容。
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：
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：
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——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：
2 3 4 5
y＝14（A0+A1·x+A2·x+A3·x+A4·x+A5·x）·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
y＝14（A0+A1·x+A2·x+A3·x+A4·x）·month （Equ.5）
其 中，A0=-5.80893E7，A1=321272.30685，A2=-663.23216，A3=0.59526，A4=-1.77968E-4
当1000km
y＝14（A0+A1·x+A2·x+A3·x+A4·x+A5·x）·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=1.0-C×log10(1+(y/Dx)) （Equ.7）其中，C=0.242，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：
KIRAD=Isc=1.0-C×log10(1+(y/Dx)) （Equ.8）其中，C=0.213，Dx=8.3e19
开路电压衰减，即Voc的计算模型：
KVRAD=Vov=1.0-C×log10(1+(y/Dx)) （Equ.9）其中，C=0.07，Dx=1.8e9
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Qresidual(c)由正值转变为小于等于零的任意值，则表明太阳阵已处于严重损伤状态，且Qresidual(c)的计算式为：
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：
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
Ps_OP1(c)——第c圈太阳阵输出为箝位点Vs_op1时输出功率，单位为W；
Is_opI(c)——第c圈I-V曲线上太阳阵工作电压箝位点Vs_op1时电流值，单位为A；
Vs_bus——光照区母线电压，单位为V；
Vs_dioline——太阳阵隔离二极管和供电线缆压降之和，单位为V；
对于在轨电源系统，由于电源控制器使得光照期母线电压始终保持为定值，因而，可以认为：在电源控制器正常工作的前提下，光照期母线电压始终不变；同时，在得到Vs_dioline值后，可够通过上述建立的I-V曲线得到指定时期箝位点电流值Is_op1(c)，以用于能量平衡计算；
如果系统预测得到某指定时期Qresidual(c)=0，则说明此时太阳阵已到寿；
其中，进行蓄电池组放电电流计算时，蓄电池组的放电电流取决于蓄电池组的放电功率、放电调节器效率、蓄电池组供电线路损耗因子、电池组电压因素；
阴影区，蓄电池组放电电流为：
式中：
t――第c圈轨道周期内时刻，0
ηBDR――放电调节器效率；
nline――蓄电池组供电线路损耗因子；
Vbat(t)――蓄电池组放电电压；基于在轨第c圈轨道蓄电池放电初压和放电终压值，可以近似地认为Vbat(t)由放电初压至放电终压线性变化；
Vbus：放电时母线电压，单位为V；
其中：阴影区太阳阵ISA(t)电流为零，Vbat(t)是一个被积函数，该函数是由蓄电池在轨放电初压和放电终压确定的线性函数。
2.根据权利要求1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℃，在20分钟内从60℃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。
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
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
而，Is_op1(c)可表示为：Is_op1(c)＝Is_op1(month)，最终，得到QS_residual(c)＝QS_residual(month)，即得到太阳阵提供能量的多余电量随时间变化的函数，从而可确定太阳阵寿命。
＝0.396A，Imp＝0.375A，aI＝0.014mA/cm°C，Np＝114，Ns＝18,T＝82°C（由太阳阵
温度模型可知，光照期，太阳阵温度可迅速上升至平衡温度，因而，此处以最高平衡温度TSAS＝82°C作为HY-1B小卫星太阳阵温度）；θ(t)，Frd由步骤一给出，且KVRAD=gv(month)，KIRAD=gI(month)。进而，分别建立形如Equ.14的表达式，把得到的表达式带入Equ.1，并最终建立HY-1B小卫星太阳阵I-V曲线随时间变化的规律，图6为HY-1B小卫星太阳阵寿命
周期内某一给定时刻的I-V曲线。
项，而Is_op1(c)由Equ.12及Equ.15确定，因而，Is_op1(c)可表示为：Is_op1(c)＝Is_op1(month)，由此，Equ.11转化为QS_residual(c)＝QS_residual(month)，即得到太阳阵提供能量的多余电量随时间变化的函数，图7所示为多余电量随时间的变化曲线。由图可知，多余电量随着日地距离因子，太阳入射角等周期影响因素的综合作用下，呈现明显的周期性，且多余电量持续减少，与水平线相交处即为太阳阵使用寿命终止位置。
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