深空探測(cè)器多結(jié)太陽(yáng)電池電性能量化評(píng)測(cè)方法

王超 朱立穎 蔡曉東 杜青

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品作為深空探測(cè)器主要的能源供給，要具備大功率面密度和高功率質(zhì)量比的特點(diǎn)，為了評(píng)價(jià)其能否滿足能源供給需求，需要有效的手段進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。因此，太陽(yáng)電池產(chǎn)品量化評(píng)測(cè)工作對(duì)于深空探測(cè)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。

太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試是以標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光為基準(zhǔn)、模擬太陽(yáng)光源作為測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行的精確測(cè)試。航天用單結(jié)太陽(yáng)電池可以通過(guò)AM0標(biāo)準(zhǔn)光照條件下太陽(yáng)模擬器標(biāo)定測(cè)試，獲得較為準(zhǔn)確的模擬空間環(huán)境單體太陽(yáng)數(shù)據(jù)，主要包括短路電流與伏-安數(shù)據(jù),這為設(shè)計(jì)航天用太陽(yáng)電池板提供了一定的參考數(shù)據(jù)[1-5]。多結(jié)太陽(yáng)電池測(cè)試時(shí)則具有較大誤差，因?yàn)椴煌牧蠈?duì)太陽(yáng)光譜響應(yīng)，與標(biāo)準(zhǔn)AM0光譜相比，普通的太陽(yáng)模擬器誤差大，因而不能達(dá)到測(cè)試要求。目前，對(duì)多結(jié)太陽(yáng)電池測(cè)試和標(biāo)定存在以下問(wèn)題[6-10]。

(1)太陽(yáng)模擬器合成光譜分布與AM0標(biāo)準(zhǔn)光照條件的一致性難以保證，現(xiàn)有的技術(shù)水平難以高度擬合與傳遞AM0標(biāo)準(zhǔn)輻照條件的光譜分布。

(2)太陽(yáng)模擬器的脈沖光源均勻性、穩(wěn)定性難以同時(shí)保證，尤其是地面模擬光源的穩(wěn)定性極差，很難在2次測(cè)試中保持完全相同的輻照參數(shù)。

(3)標(biāo)準(zhǔn)子電池與被測(cè)電池在測(cè)試光照條件下的失配度無(wú)法保證，各種三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池所使用的基片及材料并不相同，不能統(tǒng)一為一類(lèi)電池，更不能使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電池進(jìn)行地面測(cè)試光源的標(biāo)定。

本文針對(duì)深空探測(cè)器太陽(yáng)電池陣選定工作點(diǎn)電流的關(guān)鍵指標(biāo)開(kāi)展專項(xiàng)評(píng)測(cè)，利用標(biāo)準(zhǔn)電池和參考電池建立脈沖光源標(biāo)準(zhǔn)光源，可有效解決太陽(yáng)模擬器合成光譜分布與AM0標(biāo)準(zhǔn)光照條件的一致性問(wèn)題，脈沖光源均勻性和穩(wěn)定性兼容性問(wèn)題，以及電池失配修正問(wèn)題。測(cè)試得到不同評(píng)測(cè)對(duì)象的選定工作點(diǎn)電流關(guān)鍵指標(biāo)的地面測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)與修正后的在軌飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，證明了評(píng)測(cè)方法的準(zhǔn)確性和有效性。

1 多結(jié)太陽(yáng)電池電性能量化評(píng)測(cè)方法

深空探測(cè)器多結(jié)太陽(yáng)電池電性能量化評(píng)測(cè)方法的總體思路為：利用標(biāo)準(zhǔn)電池和參考電池，通過(guò)分結(jié)標(biāo)定子電池、光源不穩(wěn)定度測(cè)試與不均勻度調(diào)試、脈沖光源校準(zhǔn)和光譜失配誤差修正建立標(biāo)準(zhǔn)脈沖光源，之后利用此光源開(kāi)展太陽(yáng)電池陣電性能的地面測(cè)試，得到地面測(cè)試環(huán)境下的太陽(yáng)電池功率評(píng)測(cè)結(jié)果。針對(duì)太陽(yáng)電池陣在軌真實(shí)輸出功率，開(kāi)展溫度工況和負(fù)載工況的修正，作為地面評(píng)測(cè)結(jié)果的比較基準(zhǔn)，可以檢驗(yàn)本文方法的評(píng)測(cè)精度。多結(jié)太陽(yáng)電池電性能量化評(píng)測(cè)方法流程如圖1所示。標(biāo)定好短路電流的標(biāo)準(zhǔn)電池就是一把標(biāo)尺，可以利用其傳遞和恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)光源。分結(jié)標(biāo)定是為了更方便地分譜段調(diào)試、測(cè)試脈沖光源的光譜強(qiáng)度，而參考電池的引入可以使每次脈沖光源的測(cè)試都能最大程度地剔除光源不穩(wěn)定的因素。

圖1 評(píng)測(cè)方法流程Fig.1 Flow of evaluation method

1.1 分結(jié)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)子電池組

使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量設(shè)備對(duì)不同產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)電池按照頂電池、中電池、底電池進(jìn)行分結(jié)標(biāo)定，形成標(biāo)準(zhǔn)電池組，其中包括標(biāo)準(zhǔn)頂電池、標(biāo)準(zhǔn)中電池、標(biāo)準(zhǔn)底電池在AM0條件下的光譜響應(yīng)度、量子效率ηn及短路電流Isc,n(頂電池n=1，中電池n=2，底電池n=3)。深空探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)子電池組如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)子電池組示例Fig.2 Example of standard sub-solar-cell

在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用絕對(duì)光譜響應(yīng)度基準(zhǔn)裝置，依據(jù)《光電探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)度校準(zhǔn)規(guī)范》(JJF1150-2006)的校準(zhǔn)規(guī)程，按照20 nm波長(zhǎng)步進(jìn)精度對(duì)評(píng)測(cè)對(duì)象，即產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的標(biāo)準(zhǔn)子電池分別開(kāi)展短路電流的標(biāo)定。這2種參評(píng)產(chǎn)品是2個(gè)不同研制單位的太陽(yáng)電池產(chǎn)品，采用不同的生產(chǎn)制造工藝，在國(guó)內(nèi)深空太陽(yáng)電池領(lǐng)域中指標(biāo)較好。絕對(duì)光譜響應(yīng)度的測(cè)量結(jié)果如圖3所示，量子效率的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖3 產(chǎn)品A與產(chǎn)品B的絕對(duì)光譜響應(yīng)度Fig.3 Absolute spectral response of product A and B

圖4 產(chǎn)品A與產(chǎn)品B的量子效率Fig.4 Quantum efficiency of product A and B

根據(jù)式(1)，計(jì)算出在AM0條件下的理論短路電流值。這樣，由頂電池、中電池、底電池形成標(biāo)準(zhǔn)電池組，利用其短路電流作為標(biāo)尺，傳遞標(biāo)準(zhǔn)光源數(shù)據(jù)。

(1)

式中：R(λ)為光譜響應(yīng)度，A/W；S(λ)為光譜輻照度，W/m2；A為電池有效受光面積，m2。

圖5為ISO 15387-2005提供的AM0光譜輻射分布。根據(jù)三結(jié)太陽(yáng)電池頂電池到底電池的主要響應(yīng)譜段，本文取有效響應(yīng)譜段200～2000 nm，在AM0條件下，如果太陽(yáng)常數(shù)取1353 W/m2，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖5 ISO 15387-2005標(biāo)準(zhǔn)AM0光譜分布Fig.5 ISO 15387-2005 standard AM0 spectrum distribution

mA

1.2 光源不穩(wěn)定度測(cè)試與不均勻度調(diào)試

以脈沖太陽(yáng)模擬器為主要設(shè)備建立太陽(yáng)電池陣測(cè)試系統(tǒng)，使用一片固定位置的參考太陽(yáng)電池，在太陽(yáng)模擬器有效光照范圍內(nèi)的一個(gè)平面上對(duì)輻照不均勻度進(jìn)行測(cè)量評(píng)價(jià)，根據(jù)AAA級(jí)太陽(yáng)模擬器對(duì)不均勻度的要求，本次選取的脈沖模擬器的不均勻度優(yōu)于±2%。其具體做法為：選取能夠覆蓋被測(cè)組件面積的工裝架(一般為方形)，工裝平面的法線(工裝平面)應(yīng)與光束的中心線平行，因?yàn)槟壳疤綔y(cè)器的太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(SADA)對(duì)日定向精度誤差一般在5°以內(nèi)，為加強(qiáng)地面驗(yàn)證精度，本文測(cè)試系統(tǒng)中要求夾角不大于3°。將被測(cè)組件固定在工裝架正中，如圖6所示，按照被測(cè)組件電路的條帶分布或者工裝面有效光照區(qū)域平均分布來(lái)確定N個(gè)參考點(diǎn)，參考電池固定在其中1個(gè)參考點(diǎn)保持不動(dòng)，將標(biāo)準(zhǔn)電池遍歷N個(gè)參考點(diǎn)，每布置到1個(gè)新的參考點(diǎn)都進(jìn)行脈沖光照射，得到一組標(biāo)準(zhǔn)電池短路電流/參考電池短路電流的參數(shù)，用來(lái)構(gòu)造不均勻度指標(biāo)，同時(shí)該比值參數(shù)也能剔除N次脈沖光源照射時(shí)不穩(wěn)定度的因素。

圖6 參考點(diǎn)設(shè)置Fig.6 Reference point setting

以有效光照區(qū)域平均分布參考點(diǎn)為例，被測(cè)產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的太陽(yáng)電池組件面積為0.875 m×1.110 m，因此選取工裝架上尺寸為1.500 m×1.500 m的有效光照區(qū)域，脈沖光源照射中心為P0點(diǎn)，并按照?qǐng)D7所示建立P0～P8共9個(gè)參考點(diǎn)。

圖7 測(cè)試平面及輻照不均勻度測(cè)點(diǎn)位置Fig.7 Test plane and position of irradiance non-uniformity measurement point

將標(biāo)準(zhǔn)電池中的頂電池固定在P0處，保持電池正面面對(duì)脈沖燈箱，在后續(xù)測(cè)試過(guò)程中工裝支架姿態(tài)和位置不能改變。使用標(biāo)準(zhǔn)電池工裝專用電纜，將頂電池工裝連接至測(cè)試系統(tǒng)的被測(cè)組件通道。將參考電池片固定在工裝架P1位置，使用測(cè)試專用電纜將參考電池連接至測(cè)試系統(tǒng)的參考通道，參考電池在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中保持不動(dòng)。

只移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)電池，在受照平面的9個(gè)測(cè)量點(diǎn)以5 min的等時(shí)間間隔依次開(kāi)啟脈沖光源測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電池的短路電流值Isc,s和參考電池的短路電流值Isc,r，并按照式(2)計(jì)算剔除不穩(wěn)定度的輻照不均勻度。

(2)

式中：(Isc,s/Isc,r)max和(Isc,s/Isc,r)min分別為9個(gè)測(cè)量點(diǎn)中標(biāo)準(zhǔn)電池與參考電池之比的最大值和最小值。

計(jì)算所得δ若小于2%，則脈沖光源滿足不均勻度和不穩(wěn)定度的要求；否則，調(diào)整脈沖光源和工裝架測(cè)試平面并重新測(cè)量，直至滿足δ小于2%的要求。這樣，利用參考電池配合標(biāo)準(zhǔn)電池同步接收脈沖光源，剔除了脈沖太陽(yáng)模擬器光源不穩(wěn)定度的因素。

1.3 脈沖光源校準(zhǔn)

反復(fù)將頂電池、中電池、底電池固定在P0處，保持電池正面面對(duì)燈箱，使用標(biāo)準(zhǔn)電池工裝專用電纜接至測(cè)試系統(tǒng)的被測(cè)組件通道。開(kāi)啟脈沖光源，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)電池的短路電流，與子電池的標(biāo)定值做比較。如果電流誤差超過(guò)±1%，則調(diào)試脈沖光源的光強(qiáng)，以及與該子電池波長(zhǎng)匹配的濾光片，使脈沖光源的輻照度和光譜分布達(dá)到要求，調(diào)試過(guò)程保持短路電流匹配。測(cè)試過(guò)程中始終保持參考電池位置不動(dòng)，且參考電池的短路電流響應(yīng)誤差始終保持在一個(gè)固定值，用于消除脈沖光源的不穩(wěn)定度影響。

1.4 光譜失配誤差修正

即便是同一批次生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電池和被測(cè)電池，其光譜響應(yīng)度也可能存在差異，而且地面模擬光源在輻照度分布上難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜，因此需要進(jìn)行光譜失配誤差修正。測(cè)試太陽(yáng)模擬器的相對(duì)光譜輻照度、各標(biāo)準(zhǔn)子太陽(yáng)電池的相對(duì)光譜響應(yīng)、各被測(cè)三結(jié)太陽(yáng)電池的相對(duì)光譜響應(yīng)，其光譜失配誤差應(yīng)優(yōu)于±1%(底電池為鍺結(jié)時(shí)，光譜響應(yīng)范圍的差異較大，因此可將光譜失配誤差指標(biāo)放寬到優(yōu)于±5%)，否則應(yīng)進(jìn)行光譜修正。按照式(3)計(jì)算太陽(yáng)電池與被測(cè)三結(jié)太陽(yáng)電池相應(yīng)子結(jié)的光譜失配誤差。

(3)

式中：Mj為三結(jié)太陽(yáng)電池中第j個(gè)子電池光譜失配誤差；ES為太陽(yáng)模擬器光譜輻照度相對(duì)值，W/m2；λ為波長(zhǎng)，nm；λ1和λ2分別為被測(cè)電池某子結(jié)的光譜響應(yīng)最短波長(zhǎng)和最長(zhǎng)波長(zhǎng)，nm；λ3和λ4分別為對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)子電池的光譜響應(yīng)最短波長(zhǎng)和最長(zhǎng)波長(zhǎng)，nm；ST,j為被測(cè)電池中第j個(gè)子結(jié)的光譜響應(yīng)；ER為標(biāo)準(zhǔn)AM0光譜輻照度，W/m2；SR為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池相對(duì)光譜響應(yīng)。

在太陽(yáng)模擬器的測(cè)試平面上依次放置頂電池、中電池、底電池3個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池，反復(fù)調(diào)節(jié)光源的光譜分布和輻照度，使得3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池的短路電流與標(biāo)定電流值之間滿足式(4)，且標(biāo)準(zhǔn)電池的頂電池、中電池、底電池的短路電流與修正后的校準(zhǔn)值偏差絕對(duì)值也應(yīng)分別小于1%，1%，5%。

(4)

2 在太陽(yáng)電池陣地面測(cè)試中的應(yīng)用

使用上述方法對(duì)Spectrolab LAPSS-II脈沖型大太陽(yáng)模擬器進(jìn)行光源校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后光源對(duì)嫦娥五號(hào)上升器太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品組件(產(chǎn)品A和產(chǎn)品B取相同可比組件)開(kāi)展地面測(cè)試。Spectrolab LAPSS-II脈沖型大太陽(yáng)模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，實(shí)物如圖8所示。

表2 Spectrolab LAPSS-II脈沖型大太陽(yáng)模擬器參數(shù)Table 2 Parameters of Spectrolab LAPSS-II pulse solar simulator

圖8 Spectrolab LAPSS-II脈沖型大太陽(yáng)模擬器Fig.8 Spectrolab LAPSS-II pulse solar simulator

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電池片進(jìn)行光源校準(zhǔn)和失配誤差調(diào)整后，使用脈沖光源依次對(duì)產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的5個(gè)電池電路組件分別開(kāi)展光照試驗(yàn)，測(cè)得10個(gè)太陽(yáng)電池電路的伏安曲線特性，并對(duì)測(cè)試環(huán)境溫度進(jìn)行25 ℃的校準(zhǔn)。根據(jù)工作點(diǎn)電壓進(jìn)行功率統(tǒng)計(jì)，如表3所示。根據(jù)表3中產(chǎn)品A和產(chǎn)品B各電路的電流，可以得到它們總電流的地面評(píng)測(cè)結(jié)果為17.761 A和18.334 A。

表3 太陽(yáng)電池電路功率統(tǒng)計(jì)Table 3 Power statistics of solar cell circuits

3 在軌評(píng)測(cè)驗(yàn)證

3.1 在軌數(shù)據(jù)分析

嫦娥五號(hào)上升器太陽(yáng)電池陣突破了傳統(tǒng)的對(duì)稱式設(shè)計(jì)，方案最終采用了異構(gòu)電路式設(shè)計(jì)，2個(gè)分陣分別選用產(chǎn)品A和產(chǎn)品B，一方面提高了太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品的可靠性，另一方面也為評(píng)測(cè)結(jié)果的在軌驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。上升器太陽(yáng)電池陣展開(kāi)對(duì)日定向姿態(tài)建立后，在太陽(yáng)光照的輻射作用下建立熱平衡狀態(tài)，待各電池板溫度達(dá)到穩(wěn)定后，穩(wěn)定負(fù)載下的電池陣電壓、電流、溫度狀態(tài)見(jiàn)圖9。

圖9 產(chǎn)品A和產(chǎn)品B太陽(yáng)電池陣總電流在軌測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.9 On-orbit test data of total current of solar array of product A and B

上升器從月面起飛后進(jìn)入200 km高的環(huán)月軌道飛行，繞月周期約2 h。從電流遙測(cè)數(shù)據(jù)可知，深空測(cè)控弧段與光照區(qū)大致重合，測(cè)控弧段略滯后于光照區(qū)，因此上升器進(jìn)月影的事件發(fā)生在測(cè)控弧段內(nèi)，進(jìn)月影后太陽(yáng)電池陣停止發(fā)電。測(cè)控弧段的光照區(qū)內(nèi)，產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的等效在軌平均電流分別為18.674 A和19.081 A，均優(yōu)于地面評(píng)測(cè)結(jié)果的17.761 A和18.334 A，以等效在軌平均電流為基準(zhǔn)，產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的地面評(píng)測(cè)誤差分別為-4.891%和-3.917%。

由于太陽(yáng)電池的地面測(cè)試與在軌測(cè)試在環(huán)境溫度和負(fù)載模式上均有差異，為了更準(zhǔn)確、量化地比對(duì)在軌數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)，需要對(duì)在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

3.2 環(huán)境溫度修正

太陽(yáng)電池的電流與溫度正相關(guān)，電壓與溫度負(fù)相關(guān)。航天器電源系統(tǒng)一般將工作點(diǎn)設(shè)置在太陽(yáng)電池陣伏安曲線的恒流段，且工作點(diǎn)電壓與最大功率點(diǎn)電壓留有較大余量，在太陽(yáng)電池產(chǎn)品的末期高溫工況仍滿足恒流段工作，因此只需要對(duì)工作點(diǎn)的電流進(jìn)行溫度還原修正。

嫦娥五號(hào)上升器每個(gè)太陽(yáng)電池陣(產(chǎn)品A和產(chǎn)品B)，在不同電路位置分別配置了3個(gè)熱敏電阻作為溫度傳感器，各測(cè)溫點(diǎn)的在軌溫度與產(chǎn)品平均溫度見(jiàn)圖10。

太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品的溫度修正函數(shù)為

IAM0,25℃=IAM0,orbit/[1+β(Torbit-25)]

(5)

式中：IAM0,25℃為溫度修正后太陽(yáng)電池陣在軌AM0工況下工作點(diǎn)電流，A；IAM0,orbit為太陽(yáng)電池陣在軌AM0工況下工作點(diǎn)電流，A；Torbit為太陽(yáng)電池陣在軌AM0工況下實(shí)時(shí)溫度，℃；β為太陽(yáng)電池陣溫度系數(shù)，單位面積溫度系數(shù)為+0.01 mA/(cm2·℃)，結(jié)合電池單體面積及電路并聯(lián)設(shè)計(jì)，取0.010 2 A/℃。

在軌數(shù)據(jù)溫度修正后的電流值如圖11所示。計(jì)算溫度修正后產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的等效在軌平均電流分別為18.105 A和18.426 A，以此為基準(zhǔn)衡量地面評(píng)測(cè)結(jié)果17.761 A和18.334 A，誤差分別為-1.901%和0.497%，較溫度修正前的評(píng)測(cè)準(zhǔn)確度有了較大的提升。然而，由于產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的太陽(yáng)電池電路交錯(cuò)分布，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)和分流輸出電路序號(hào)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品A的5個(gè)電路和產(chǎn)品B的5個(gè)電路工作狀態(tài)并不相同，為了進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)估地面評(píng)測(cè)準(zhǔn)確度，需要對(duì)溫度修正后的在軌平均電流開(kāi)展負(fù)載模式修正。

圖11 溫度修正后電流值(測(cè)控弧段內(nèi))Fig.11 Current values after temperature correction (within TT&C arc)

3.3 負(fù)載模式修正

在軌實(shí)際工況中，各電池陣電路工作于分流或輸出模式。輸出模式對(duì)應(yīng)重載工況，電流通過(guò)負(fù)載電路形成閉環(huán)；分流模式對(duì)應(yīng)輕載工況，電流通過(guò)分流模塊/分流開(kāi)關(guān)管形成閉環(huán)。因此，在輸出模式下，負(fù)載越重電路電壓高；而分流模式下，電路電壓為分流模塊/分流開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降，與輸出模式電壓相比可近似為零。

理論上，太陽(yáng)電池電路工作在伏安曲線的恒流段，但是實(shí)際電路輸出特性對(duì)應(yīng)不同負(fù)載模式/工作電壓時(shí)，其輸出電流仍有一定的變化，即隨著工作電壓逐漸提升(負(fù)載加重)，輸出電流在恒流段近似線性的減小，直至電壓增加到固定工作電壓點(diǎn)，輸出電流最小，如圖12所示。

圖12 太陽(yáng)電池陣?yán)碚撦敵鎏匦耘c實(shí)際輸出特性Fig.12 Theoretical and practical output characteristics of solar array

太陽(yáng)電池陣地面評(píng)測(cè)時(shí)，在工作點(diǎn)電壓的基礎(chǔ)上考慮一定的線路壓降損耗，各電路只考察固定電壓點(diǎn)的產(chǎn)品性能，與在軌實(shí)時(shí)工況并不一致。如圖13所示，當(dāng)探測(cè)器剛從陰影區(qū)進(jìn)入光照區(qū)時(shí)，根據(jù)能量平衡策略，需要太陽(yáng)電池陣為蓄電池組充電，各電路電壓較高；在光照區(qū)隨著充電過(guò)程的持續(xù)，蓄電池充電電流逐漸降低，部分電路按照工作電路序號(hào)依次進(jìn)入分流模式，工作電壓降低。

為了精確比對(duì)地面評(píng)測(cè)與在軌數(shù)據(jù)，需要各電路在軌實(shí)時(shí)變化的負(fù)載工況統(tǒng)一為工作在固定電壓點(diǎn)的負(fù)載工況。負(fù)載模式修正方法為：①根據(jù)產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的輸出特性建立負(fù)載模式修正函數(shù)；②給出產(chǎn)品A和產(chǎn)品B在軌平均工作電壓曲線；③將②獲得的曲線數(shù)據(jù)作為變量，輸入①的修正函數(shù)中，得到修正量曲線；④將產(chǎn)品A和產(chǎn)品B在軌工作電流曲線疊加③中獲得的修正量曲線，得到負(fù)載模式修正后的等效在軌電流。下面給出具體修正結(jié)果。

圖13 探測(cè)器出月影后及進(jìn)月影前各太陽(yáng)電池陣工作電壓分布Fig.13 Working voltage of each solar array after and before lunar shadow

1)建立負(fù)載模式修正函數(shù)

根據(jù)各電路地面測(cè)試的伏安曲線縱向疊加，得到產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的線性恒流段的特征點(diǎn)坐標(biāo)值，分別為(33.000,17.761)，(0.000,18.036)和(33.000,18.334)，(0.000,18.693)，代入線性擬合的公式y(tǒng)=kx+b中，反解得到產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的系數(shù)kA為-0.008 33，kB為-0.010 88，bA為18.036，bB為18.693。

(6)

(7)

產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的負(fù)載模式修正函數(shù)為

ΔIA=kA·UA+bA-IA@33V=

-0.008 33×UA+0.275

(8)

ΔIB=kB·UB+bB-IB@33V=

-0.010 88×UB+0.359

(9)

在式(8)和式(9)中：UA和UB分別為產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的各電路測(cè)控弧段內(nèi)光照期平均工作電壓；IA@33V和IB@33V分別為產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的各電路在33 V工作點(diǎn)電壓的電流總和。

2)平均工作電壓曲線

根據(jù)產(chǎn)品A和產(chǎn)品B各電路測(cè)控弧段內(nèi)光照期的分陣電壓，給出平均工作電壓曲線，如圖14所示。

3)修正量曲線

以平均工作電壓為輸入，代入負(fù)載模式修正函數(shù)，得到修正量ΔIA和ΔIB的曲線，如圖15所示。

4)負(fù)載模式修正后的等效在軌電流

在溫度修正后的太陽(yáng)電池陣總電流基礎(chǔ)上減去修正量，得到最終的在軌總電流曲線，如圖16所示。

圖14 平均工作電壓Fig.14 Average operating voltage

圖15 修正量ΔIA和ΔIB曲線Fig.15 Correction curve of ΔIA and ΔIB

圖16 溫度修正和負(fù)載修正后的電流值Fig.16 Current values after temperature correction and load correction

計(jì)算溫度修正和負(fù)載修正后產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的等效在軌平均電流分別為17.933 A和18.198 A，以此為基準(zhǔn)衡量地面評(píng)測(cè)結(jié)果17.761 A和18.334 A，誤差分別為-0.957%和0.748%，相較于溫度修正后、負(fù)載修正前的評(píng)測(cè)準(zhǔn)確度有了進(jìn)一步提升，評(píng)測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)到±1%以內(nèi)。通過(guò)對(duì)比，證明了本文提出的評(píng)測(cè)方法具有很高的評(píng)測(cè)精度，可用于后續(xù)深空等多領(lǐng)域航天器對(duì)太陽(yáng)電池陣性能的評(píng)測(cè)中，且具有較好的可操作性，可為太陽(yáng)電池陣的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供有力支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)深空探測(cè)器太陽(yáng)電池陣選定工作點(diǎn)電流的關(guān)鍵指標(biāo)開(kāi)展專項(xiàng)評(píng)測(cè)，利用標(biāo)準(zhǔn)電池和參考電池建立脈沖光源標(biāo)準(zhǔn)光源，可有效解決太陽(yáng)模擬器合成光譜分布與AM0標(biāo)準(zhǔn)光照條件的不一致問(wèn)題，脈沖光源均勻性和穩(wěn)定性兼容性問(wèn)題，以及電池失配修正問(wèn)題。使用本文的評(píng)測(cè)方法，以嫦娥五號(hào)上升器太陽(yáng)電池陣參評(píng)產(chǎn)品為評(píng)測(cè)對(duì)象開(kāi)展地面評(píng)測(cè)，最終得到評(píng)測(cè)對(duì)象產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的選定工作點(diǎn)電流關(guān)鍵指標(biāo)的地面測(cè)試數(shù)據(jù)17.761 A和18.334 A。通過(guò)對(duì)在軌飛行遙測(cè)數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度修正與負(fù)載模式修正，得到了評(píng)測(cè)結(jié)果的比較基準(zhǔn)，通過(guò)分析與計(jì)算，基于修正后的基準(zhǔn)指標(biāo)，產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的地面評(píng)測(cè)結(jié)果誤差分別為-0.957%和0.748%，相較于修正前的評(píng)測(cè)誤差-4.891%和-3.917%有了很大提升，評(píng)測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)到優(yōu)于±1%的量級(jí)。本文提出的評(píng)測(cè)方法評(píng)測(cè)精度高、評(píng)測(cè)方法可移植性強(qiáng)、具有很高的可操作性，可用于后續(xù)深空及其他領(lǐng)域航天器的太陽(yáng)電池陣性能評(píng)測(cè)中，有利于后續(xù)航天器太陽(yáng)電池陣的精細(xì)化設(shè)計(jì)。