空間用太陽電池陣雙回路型剩磁消除方法研究

張肖君，林君毅，尹興月，蘇 彬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司第十八研究所，天津 300384)

對(duì)于近地衛(wèi)星來說，衛(wèi)星利用磁強(qiáng)計(jì)與其他姿態(tài)敏感期的測(cè)量能確定其姿態(tài)[1-2]。星體如果因?yàn)橐恍┰驓埩糨^大的剩磁[3]，一方面,剩磁會(huì)嚴(yán)重影響磁強(qiáng)計(jì)的地磁測(cè)量，會(huì)降低衛(wèi)星姿態(tài)確定的精度；同時(shí)，剩磁矩與地磁場(chǎng)作用產(chǎn)生一個(gè)較大的干擾力矩，且隨時(shí)間積累使衛(wèi)星偏離定向姿態(tài)[4]。

為保證近地衛(wèi)星姿態(tài)的穩(wěn)定控制，衛(wèi)星的研制對(duì)剩磁提出了嚴(yán)格的要求，尤其一些對(duì)磁敏感有特殊用途的衛(wèi)星。太陽電池陣作為衛(wèi)星的重要組成部分，展開后的面積往往是衛(wèi)星截面積的數(shù)倍以上，太陽電池陣工作態(tài)時(shí)剩磁的大小對(duì)衛(wèi)星能否正常工作存在重要的影響。

太陽電池陣安裝于太陽電池基板表面，正面粘貼太陽電池，光照期將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，背面安裝功率傳輸線纜，將電能傳輸于星體內(nèi)為衛(wèi)星負(fù)載提供電能。影響太陽電池陣剩磁量的因素主要有[5]：

(1)太陽電池正面電路的構(gòu)型；

(2)太陽電池背面電路引線及線纜布局。

目前我國(guó)不同空間軌道的衛(wèi)星太陽電池陣大都只考慮正面電路的構(gòu)型對(duì)剩磁的影響，其中通信衛(wèi)星大都采用高壓太陽電池陣(100 V)，需要六十多片太陽電池并聯(lián)才能滿足電壓的使用要求。由于太陽電池板尺寸限制，單并太陽電池串需要打折，在太陽電池回折內(nèi)部形成磁矩，為了減少整個(gè)太陽電池陣的剩磁，需要對(duì)正面電路進(jìn)行合理布局，將正面電路的剩磁盡力降到最低。但是該高壓衛(wèi)星太陽電池陣背面線纜的剩磁卻無法消除。

對(duì)于中低軌道衛(wèi)星太陽電池，電壓選擇范圍較大，從28～100 V，剩磁消除方法可以綜合考慮太陽電池正面電路構(gòu)型、太陽電池背面電路引線及線纜布局的影響，尤其一些對(duì)磁敏感的衛(wèi)星大都處于中低軌軌道。

1 太陽電池陣剩磁消除方法簡(jiǎn)介

目前工程應(yīng)用中通常采用兩種方法來消除太陽電池陣的剩磁。

(1)“鏡面映射”剩磁消除方法

根據(jù)消除剩磁的鏡像映射原理，太陽電池電路采取“鏡面映射”方式布置，太陽電池陣引線及線纜采用雙絞線設(shè)計(jì)。圖1 為鏡面映射布局示意圖。

圖1 鏡面映射布局示意圖

上述太陽電池片布局采用雙鏡面映射補(bǔ)償方式布片，正面剩磁基本可消除，該方法忽略了背面電纜未絞合部分的剩磁消除，研究表明[6]背面線纜走向和分布對(duì)太陽電池陣剩磁有明顯的影響。

該布片方式的缺點(diǎn)為：(a)采用回折布線方式，在串間引入壓差，在軌有發(fā)生靜電放電失效的可能；(b)增加了匯流條和走線位置，基板有效面積利用率降低的前提下增大了太陽電池陣生產(chǎn)工作量；(c)背面無法進(jìn)行雙絞合布線的線纜剩磁無法消除。

(2)單回線型剩磁消除方法

該方法中，太陽電池串的回線位于太陽電池中心位置的背面，采用平衡電流的方法來消除正背面的回路產(chǎn)生的剩磁[5]。圖2 為單回線型剩磁消除法示意圖

圖2 單回線型剩磁消除法示意圖

該方法的優(yōu)點(diǎn)是背面線纜未絞合部分和正面太陽電池片之間形成回路，剩磁相互抵消；缺點(diǎn)為太陽電池陣基板存在一定厚度，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與基板面平行的剩磁無法消除，且當(dāng)電池串或在回路中存在開路失效時(shí)，可能會(huì)引起回路電流的不平衡，從而導(dǎo)致剩磁增加。

2 雙回路剩磁消除法研究

針對(duì)章節(jié)1 提出的兩種傳統(tǒng)剩磁消除方法的不足，本文提出了一種基于回線型剩磁消除方法的空間用太陽電池陣雙回路剩磁消除方法。其中回路模塊A 及回路模塊B 由n并太陽電池串組成，回路模塊A 及回路模塊B 背面引線均位于模塊中線。該方法的正面電路和背面電路示意圖見圖3～4。

圖3 雙回路剩磁消除法電池面示意圖

圖5 為回路模塊A 和模塊B 中第m、第(n-m)(m=0～n)串太陽電池回路剩磁示意圖。

圖4 雙回路剩磁消除法電纜面示意圖

圖5 雙回路剩磁消除法剩磁示意圖

假設(shè)回路模塊A 的電流為IA且均勻分布，寬為bA，長(zhǎng)為L(zhǎng)A；回路模塊B 的電流為IB，且均勻分布，寬為bB，長(zhǎng)為L(zhǎng)B，基板的厚度為d。根據(jù)上述的設(shè)計(jì)可以得出，回路模塊A 中回路Am及回路A(n-m)，產(chǎn)生如圖5 所示剩磁RM[(Am)]和RM[A(n-m)]，方向如圖5 所示。

剩磁的定義為環(huán)形電流與其所圍成面積的乘積，即I·S，其中I為電池電路的電流，S為電流回路所包圍的面積。剩磁的方向按右手法則，四個(gè)手指的方向?yàn)殡娏髁鲃?dòng)方向，拇指所指的方向?yàn)槭４欧较颉?/p>

由剩磁的定義可以得出：

式中：RM(Am)為回路Am的剩磁;RM[A(n-m)]為回路模塊A(n-m)的剩磁；IA為回路模塊A 的總電流。

可將RM分解為垂直于基板的剩磁RM⊥和平行于基板面的剩磁RM//，得出：

由式(1)～(6)可以得出，回路Am及回路A(m-n)產(chǎn)生的剩磁為：

由式(7)及式(8)可以得出，回路模塊A 的剩磁為：

方向?yàn)槠叫杏诨逑蛴?。同理可以得出回路模塊B 的剩磁為：

方向?yàn)槠叫杏诨逑蜃蟆?/p>

由式(9)、(10)可以得出，在太陽電池陣設(shè)計(jì)時(shí)，合理分配模塊A 及模塊B 的尺寸及匹配電流大小，就可以保證回路模塊A 和回路模塊B 產(chǎn)生的剩磁最大限度地抵消。

當(dāng)回路模塊A 或回路模塊B 存在開路失效時(shí)，同樣會(huì)破壞回路模塊內(nèi)部的電流分配平衡，從而導(dǎo)致電路剩磁增加。可以采取一種細(xì)化電流分布的方法來預(yù)防該故障的發(fā)生，主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)當(dāng)回路模塊并聯(lián)數(shù)目較多時(shí)，將回路模塊劃分為多個(gè)子模塊；

(2)每個(gè)子模塊內(nèi)相鄰太陽電池片間進(jìn)行串并相連；

(3)每個(gè)子模塊的正負(fù)極都采用雙點(diǎn)雙線引出。

在有效消除剩磁的同時(shí)，組成太陽電池陣的單元回路模塊內(nèi)電池串間壓差為0，回路模塊間存在一個(gè)太陽電池陣工作態(tài)壓差，當(dāng)太陽電池陣工作電壓較高時(shí)(＞50 V)，模塊間存在靜電放電的可能。通過采用以下電路設(shè)計(jì)方法，從根本上減少雙回路剩磁消除太陽電池陣在軌發(fā)生靜電放電失效的可能性，提高太陽電池陣在軌運(yùn)行的可靠性：

(1)合理設(shè)計(jì)模塊之間間距，增加模塊間靜電放電的閾值電壓；

(2)太陽電池陣模塊間防靜電放電工藝實(shí)施，如涂覆硅橡膠；

(3)太陽電池陣模塊正極串聯(lián)隔離二極管，進(jìn)行模塊間故障隔離。

3 本設(shè)計(jì)驗(yàn)證的相關(guān)數(shù)據(jù)

我國(guó)通信衛(wèi)星大都采用“鏡面映射”剩磁消除方法，在考慮消除剩磁的同時(shí)，為了兼顧電池串間電壓限制(＜50 V)，太陽電池陣單元模塊采用多折回路的方式，為了將剩磁消除到最小，對(duì)基板尺寸的要求比較高。某中軌衛(wèi)星太陽電池陣采用單回線型剩磁消除方法。

為了真實(shí)體現(xiàn)雙回路剩磁消除法的優(yōu)勢(shì)，以某中軌衛(wèi)星太陽電池陣為例，對(duì)剩磁計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，見圖6～8。

圖6 “鏡面映射”剩磁消除方法

理論剩磁計(jì)算，建立在以下假設(shè)中：

(1)不考慮補(bǔ)片區(qū)域的剩磁；

(2)不考慮正負(fù)線纜絞合部分的剩磁；

(3)采用的太陽電池片的工作電流均一致。

上述例子中采用尺寸為40 mm×60 mm 的太陽電池作為發(fā)電單元，單串太陽電池的電流為0.4 A，太陽電池板尺寸為1 500 mm×1 180 mm×23 mm。

根據(jù)剩磁的定義，環(huán)形電流與其所圍成面的乘積，即I·S，得出“鏡面映射”剩磁消除方法正面剩磁的分布如圖9 所示，正面電路的剩磁為0,不考慮背面線纜的剩磁。

圖7 單回線型剩磁消除方法

圖8 雙回路型剩磁消除方法

圖9 “鏡面映射”剩磁消除方法剩磁示意圖

根據(jù)章節(jié)2 的計(jì)算方法得出，采用單回線型剩磁消除方法見圖10 所示。

圖10 單回線型剩磁消除方法剩磁示意圖

為了更加直觀地表征剩磁的分布，將基板厚度擴(kuò)大顯示，其中綠色的線條為每串太陽電池串正面電流方向與背面電流方向的垂直連線，紫色為每串太陽電池串回路的剩磁方向，每條紫色的剩磁可以分解成垂直與基板面(向上或向下)和平行于基板面向右的分剩磁，藍(lán)色的箭頭為每串太陽電池電路平行于基板向右的分剩磁，其中垂直于基板面向上和向下的剩磁大小相等方向相反，相互抵消，平行于基板面向右的剩磁大小采用等效電流法計(jì)算：

式中：BZ=BY=0.375 m；H=0.023 m；L=1.18 m；IZ=IY=4.8 A；sinθZ=sinθY=0.06。代入式(11)得出：

根據(jù)章節(jié)2 的計(jì)算方法得出，采用雙回線型剩磁消除方法見圖11 所示。

圖11 雙回路型剩磁消除方法剩磁示意圖

為了更加直觀地表征剩磁的分布，將基板厚度擴(kuò)大顯示，其中綠色的線條為每串太陽電池正面電流方向與背面電流方向的垂直連線，紫色為每串太陽電池回路的剩磁方向，每條紫色的剩磁可以分解成垂直與基板面(向上或向下)和平行于基板面(向左或向右)的分剩磁，藍(lán)色的箭頭為每串太陽電池電路平行于基板(向左向右)的分剩磁，其中垂直于基板面向上和向下的剩磁大小相等方向相反，相互抵消，平行于基板面向左和向右的剩磁大小相等方向相反，相互抵消，因此剩磁為0。

由以上分析可以得出，以中軌某型號(hào)為例，采用“鏡面映射”剩磁消除方法正面電路剩磁為0，采用單回線型剩磁消除方法，單板正背面剩磁為0.255 A·m2,采用雙回路型剩磁消除方法，單板正背面剩磁為0。

綜上，理論計(jì)算得出，采用雙回路型剩磁消除方法，剩磁可以實(shí)現(xiàn)最小化。

4 結(jié)論

本文通過分析“鏡面映射”剩磁消除方法及單回線型剩磁消除方法的應(yīng)用不足，提出了一種基于回路剩磁消除的雙回路剩磁消除方法，在合理分配雙回路模塊的布局及電池匹配的前提下，該方法可以將回路中的剩磁最大限度地消除，并提出了如何降低該方法在軌發(fā)生靜電放電失效的可能。

本文所述方法從理論上可以最大限度地減小太陽電池陣回路中的剩磁，實(shí)際應(yīng)用中還需考慮電路分配方式，太陽電池陣在軌工作模式，實(shí)際基板尺寸承載能力等因素的影響。