低轨三结砷化镓太阳电池阵遥测数据分析

低轨三结砷化镓太阳电池阵遥测数据分析
解晓莉;高剑锋;房爱省
【摘要】针对采用三结砷化镓太阳电池阵作为主电源的低轨道卫星进行梳理,介绍了典型平台产品的技术状态.收集、整理了在轨运行时间最长的三结砷化镓太阳电池阵的在轨遥测数据,给出了其在轨温度变化曲线,分析了电性能输出及演化情况,为后续三结砷化镓太阳电池阵的应用提供了数据支持.
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2014(038)002
【总页数】4页(P279-281,289)
【关键词】LEO轨道;三结砷化镓;太阳电池阵;遥测;在轨温度
【作者】解晓莉;高剑锋;房爱省
【作者单位】中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384;中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384;中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300384
【正文语种】中文
【中图分类】TM914
电源系统是航天器的重要组成部分，是航天器运行的能量来源，配置一个高效、可靠的电源系统对于航天器，特别是小型航天器尤其重要。

截至目前，世界上已发射的航天器除少量采用燃料电池、核能、一次性化学电池作为能源外，90%以上均采用太阳电池阵-蓄电池电源系统。

在光照区，太阳电池阵通过光生伏特效应将太
阳光能转换为电能，满足卫星平台及有效负载功率需求，同时为蓄电池组充电，满足阴影期卫星功率需求。

小型航天器的功率需求通常从几瓦到几百瓦，对质量和体积要求更为苛刻，采用高性能的太阳电池阵是其必然选择。

从2008年开始，三结砷化镓太阳电池以其高效率、耐辐射、低温度系数等优势，取代单晶硅太阳电池、单结砷化镓太阳电池阵在小型航天器上得到了广泛的应用。

本文针对采用三结砷化镓太阳电池阵作为主电源的低轨道航天器进行梳理，介绍了典型平台CAST2000平台产品的技术状态，开展了典型太阳电池阵在轨遥测数据
的收集、整理和分析，得到了太阳电池阵在轨运行期间的性能变化以及衰降趋势，同时获得了在轨运行期间太阳电池阵的分流态电路、工作态电路的电路温度、温差等数据，积累了三结砷化镓太阳电池阵低轨应用的数据。

目前，三结砷化镓太阳电池阵以其高效率、耐辐射、低温度系数等优势已逐步取代硅电池及单结砷化镓太阳电池阵广泛应用于各种高、中、低轨道航天器。

在低轨道航天器应用方面，我所已为18颗星、船提供了三结砷化镓太阳电池阵产品，截至目前已发射16颗，均在轨工作良好。

各三结砷化镓太阳电池阵产品状态详见表1。

2.1 在轨输出电压分析
2.1.1 太阳电池阵设计状态
卫星母线电压要求为(28.5±1)V。

太阳电池阵采用三结砷化镓太阳电池作为发电单元，单体电池尺寸为39.8 mm×60.4 mm。

太阳电池阵设计时，根据母线电压、
考虑衰降因子等采用以下公式计算出电池片的串联数量。

经计算、确认，太阳电池阵采用18片电池串联。

太阳电池阵串联数s的计算公式为：
式中：B为母线电压；D为二极管的正向压降；W为线缆的压降；MP为单片电池寿命末期的工作温度和光强条件下的最大功率点电压。

MP的计算公式为：
式中：MP'为经辐射后的带盖片太阳电池在标准温度下的最大功率点电压；ΔS为由于光强变化引起的与标准光强下最大功率点电压的差值；βVP为最大功率点电压温度系数；OP为太阳电池的工作温度；O为太阳电池阵标准测试温度[1]。

2.1.2 输出电压分析
对太阳电池阵2009年至2013年在轨运行期间输出电压的遥测数据进行收集、整理，统计分析其在轨期间每个月的遥测最高值和最低值，得到太阳电池阵在轨输出变化趋势，如图1所示。

图示曲线表明，太阳电池阵在轨运行期间，输出电压稳定，遥测值为28.73～29.4 V，满足卫星的母线电压要求。

2.2 输出性能变化趋势分析
对太阳电池阵2009年至2013年在轨运行期间输出电流的遥测数据进行收集、整理，统计分析在轨期间每个月的电流遥测最大值，得到太阳电池阵的输出电流变化趋势，详见图2。

遥测数据显示，太阳电池阵在轨运行3.5年期间，方阵电流最高为44.52 A，出现在2012年的12月。

方阵电流最低为41.32 A，出现在2010年6月。

观察图示太阳电池阵的输出电流，每年的变化趋势基本相同，6月份方阵输出电流最小，在12月达到最大。

表明方阵输出特性正好与入射光强的影响相吻合：夏至点日地距离最远，光强最弱，且光照角较大，故方阵输出电流最低；冬至点日地距离最近，光强最强，且光照角较小，故方阵输出电流最高。

同时，变化趋势表明，太阳电池阵在轨期间的性能一致、稳定，无明显的性能衰降。

2.3 分流状态分析
2.3.1 分流级的设计状态
本三结砷化镓太阳电池阵产品设置8级分流电路，对应电源控制器的分流级数。

同时，设置了分流状态的遥测指令TMN16，以监控当时太阳电池阵的分流状态。

具体分流状态遥测值与分流状态的对应关系详见表2。

2.3.2 分流状态分析
太阳电池阵在轨运行期间，每月选取分流状态的6个遥测数据，进行整理、分析，绘制分流状态的变化趋势，详见图3。

遥测数据表明，太阳电池阵分流状态的遥测值集中在0～2.5 V。

依据分流级设置，表明太阳电池阵在轨运行期间，第1～2级分流电路常处于分流态，第8级分流电路一直处于工作态。

因此，监测第1级分流电路的温度代表分流态温度，第8级
分流电路的温度代表工作态温度。

2.4 电路温度分析
2.4.1 测温点分布
太阳电池阵上共布置了4个测温点，每翼2个，分别为+Y翼内板正面和背面各一个，用于监测第1级分流电路温度。

-Y翼外板正面和背面各一个，用于监测第8
级分流电路温度。

根据分流状态遥测数据的分析，表明太阳电池阵在轨运行期间第1级分流电路常
处于分流态，第8级分流电路一直处于工作态。

因此，+Y翼内板温度代表分流态电路的温度，-Y外板温度代表工作态电路的温度。

2.4.2 电路温度分析
(1)光照区的高温环境
对太阳电池阵2009年至2013年在轨运行期间四个温度的遥测数据进行收集、整理，统计分析在轨期间每个月太阳电池阵在光照区的最高温度，并作图进行变化趋势分析，详见图4。

遥测数据表明，太阳电池电路在光照区的最高温度均出现在每年的12月份。

+Y
内板正面温度遥测最高为95.34℃，+Y内板背面温度遥测最高为83.46℃，-Y外板正面温度遥测最高为79.07℃，-Y外板背面温度遥测最高为69.97℃。

观察图中太阳电池阵温度的变化可看出，分流态电路的温度普遍高于供电态电路的
温度，两种状态下的电路温差约为18～25℃。

光照区，太阳电池阵电路的正面温度高于背面温度，约为7～12℃。

收集、整理的太阳电池阵典型月份的温度数据详见表3。

(2)阴影区的低温环境
对太阳电池阵2009年至2013年在轨运行期间四个温度的遥测数据进行收集、整理，统计分析在轨期间每个月太阳电池阵在阴影区的最低温度，并作图进行变化趋势分析，详见图5。

遥测数据表明，太阳电池电路在阴影区的最低温度均出现在每年的12月份。

+Y 内板正面温度遥测最低为-75.77℃，+Y内板背面温度遥测最低为-78.28℃，-Y外板正面温度遥测最低为-80.79℃，-Y外板背面温度遥测最低为-83.89℃。

2.4.3 进出影温度变化分析
卫星的轨道周期为97.6 min。

每一轨道圈既有光照区也有阴影区。

因此，太阳电池阵在轨运行期间进出影较频繁，一天内约有15次。

选取太阳电池阵2009年至2013年在轨运行期间经历温度范围最大的时间段，绘制了一天内进出影的变化曲线，以及进出影时的详细变化过程，详见图6、7。

遥测参数表明，太阳电池阵在轨所经历的温度范围为-84～96℃。

通过对在轨运行的三结砷化镓太阳电池阵遥测数据进行收集、整理、分析，可以总结出如下结论：太阳电池阵在轨工作状态良好，太阳电池阵输出稳定；太阳电池阵在轨输出电流每年的变化趋势相同，6月份最低，在12月份达到最大，且运行3.5年后，性能无明显衰降；太阳电池阵在轨运行期间所经历的温度范围达到-84～96℃；太阳电池阵分流电路的温度普遍高于工作电路的温度，两种状态下的电路温差约为18～25℃。

【相关文献】
[1]马世俊.卫星电源技术[M].北京：宇航出版社，2001:202-203.。