王超 朱立穎 蔡曉東 杜青

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

太陽電池陣產(chǎn)品作為深空探測器主要的能源供給，要具備大功率面密度和高功率質(zhì)量比的特點，為了評價其能否滿足能源供給需求，需要有效的手段進行測試驗證。因此，太陽電池產(chǎn)品量化評測工作對于深空探測器的優(yōu)化設計起著至關重要的作用。

太陽電池的標準測試是以標準太陽光為基準、模擬太陽光源作為測量基準進行的精確測試。航天用單結(jié)太陽電池可以通過AM0標準光照條件下太陽模擬器標定測試，獲得較為準確的模擬空間環(huán)境單體太陽數(shù)據(jù)，主要包括短路電流與伏-安數(shù)據(jù),這為設計航天用太陽電池板提供了一定的參考數(shù)據(jù)[1-5]。多結(jié)太陽電池測試時則具有較大誤差，因為不同材料對太陽光譜響應，與標準AM0光譜相比，普通的太陽模擬器誤差大，因而不能達到測試要求。目前，對多結(jié)太陽電池測試和標定存在以下問題[6-10]。

(1)太陽模擬器合成光譜分布與AM0標準光照條件的一致性難以保證，現(xiàn)有的技術水平難以高度擬合與傳遞AM0標準輻照條件的光譜分布。

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

(3)標準子電池與被測電池在測試光照條件下的失配度無法保證，各種三結(jié)砷化鎵太陽電池所使用的基片及材料并不相同，不能統(tǒng)一為一類電池，更不能使用統(tǒng)一的標準電池進行地面測試光源的標定。

本文針對深空探測器太陽電池陣選定工作點電流的關鍵指標開展專項評測，利用標準電池和參考電池建立脈沖光源標準光源，可有效解決太陽模擬器合成光譜分布與AM0標準光照條件的一致性問題，脈沖光源均勻性和穩(wěn)定性兼容性問題，以及電池失配修正問題。測試得到不同評測對象的選定工作點電流關鍵指標的地面測試數(shù)據(jù)，通過與修正后的在軌飛行數(shù)據(jù)進行比對，證明了評測方法的準確性和有效性。

1 多結(jié)太陽電池電性能量化評測方法

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

圖1 評測方法流程Fig.1 Flow of evaluation method

1.1 分結(jié)標定標準子電池組

使用標準計量設備對不同產(chǎn)品的標準電池按照頂電池、中電池、底電池進行分結(jié)標定，形成標準電池組，其中包括標準頂電池、標準中電池、標準底電池在AM0條件下的光譜響應度、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)。深空探測器標準子電池組如圖2所示。

圖2 標準子電池組示例Fig.2 Example of standard sub-solar-cell

在光學實驗室使用絕對光譜響應度基準裝置，依據(jù)《光電探測器相對光譜響應度校準規(guī)范》(JJF1150-2006)的校準規(guī)程，按照20 nm波長步進精度對評測對象，即產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的標準子電池分別開展短路電流的標定。這2種參評產(chǎn)品是2個不同研制單位的太陽電池產(chǎn)品，采用不同的生產(chǎn)制造工藝，在國內(nèi)深空太陽電池領域中指標較好。絕對光譜響應度的測量結(jié)果如圖3所示，量子效率的測量結(jié)果如圖4所示。

圖3 產(chǎn)品A與產(chǎn)品B的絕對光譜響應度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、底電池形成標準電池組，利用其短路電流作為標尺，傳遞標準光源數(shù)據(jù)。

(1)

式中：R(λ)為光譜響應度，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)太陽電池頂電池到底電池的主要響應譜段，本文取有效響應譜段200～2000 nm，在AM0條件下，如果太陽常數(shù)取1353 W/m2，計算結(jié)果如表1所示。

圖5 ISO 15387-2005標準AM0光譜分布Fig.5 ISO 15387-2005 standard AM0 spectrum distribution

mA

1.2 光源不穩(wěn)定度測試與不均勻度調(diào)試

以脈沖太陽模擬器為主要設備建立太陽電池陣測試系統(tǒng)，使用一片固定位置的參考太陽電池，在太陽模擬器有效光照范圍內(nèi)的一個平面上對輻照不均勻度進行測量評價，根據(jù)AAA級太陽模擬器對不均勻度的要求，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)應與光束的中心線平行，因為目前探測器的太陽翼驅(qū)動機構(gòu)(SADA)對日定向精度誤差一般在5°以內(nèi)，為加強地面驗證精度，本文測試系統(tǒng)中要求夾角不大于3°。將被測組件固定在工裝架正中，如圖6所示，按照被測組件電路的條帶分布或者工裝面有效光照區(qū)域平均分布來確定N個參考點，參考電池固定在其中1個參考點保持不動，將標準電池遍歷N個參考點，每布置到1個新的參考點都進行脈沖光照射，得到一組標準電池短路電流/參考電池短路電流的參數(shù)，用來構(gòu)造不均勻度指標，同時該比值參數(shù)也能剔除N次脈沖光源照射時不穩(wěn)定度的因素。

圖6 參考點設置Fig.6 Reference point setting

以有效光照區(qū)域平均分布參考點為例，被測產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的太陽電池組件面積為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，并按照圖7所示建立P0～P8共9個參考點。

圖7 測試平面及輻照不均勻度測點位置Fig.7 Test plane and position of irradiance non-uniformity measurement point

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

只移動標準電池，在受照平面的9個測量點以5 min的等時間間隔依次開啟脈沖光源測量標準電池的短路電流值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個測量點中標準電池與參考電池之比的最大值和最小值。

計算所得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試平面并重新測量，直至滿足δ小于2%的要求。這樣，利用參考電池配合標準電池同步接收脈沖光源，剔除了脈沖太陽模擬器光源不穩(wěn)定度的因素。

1.3 脈沖光源校準

反復將頂電池、中電池、底電池固定在P0處，保持電池正面面對燈箱，使用標準電池工裝專用電纜接至測試系統(tǒng)的被測組件通道。開啟脈沖光源，測試標準電池的短路電流，與子電池的標定值做比較。如果電流誤差超過±1%，則調(diào)試脈沖光源的光強，以及與該子電池波長匹配的濾光片，使脈沖光源的輻照度和光譜分布達到要求，調(diào)試過程保持短路電流匹配。測試過程中始終保持參考電池位置不動，且參考電池的短路電流響應誤差始終保持在一個固定值，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)的標準電池和被測電池，其光譜響應度也可能存在差異，而且地面模擬光源在輻照度分布上難以達到標準太陽光譜，因此需要進行光譜失配誤差修正。測試太陽模擬器的相對光譜輻照度、各標準子太陽電池的相對光譜響應、各被測三結(jié)太陽電池的相對光譜響應，其光譜失配誤差應優(yōu)于±1%(底電池為鍺結(jié)時，光譜響應范圍的差異較大，因此可將光譜失配誤差指標放寬到優(yōu)于±5%)，否則應進行光譜修正。按照式(3)計算太陽電池與被測三結(jié)太陽電池相應子結(jié)的光譜失配誤差。

(3)

式中：Mj為三結(jié)太陽電池中第j個子電池光譜失配誤差；ES為太陽模擬器光譜輻照度相對值，W/m2；λ為波長，nm；λ1和λ2分別為被測電池某子結(jié)的光譜響應最短波長和最長波長，nm；λ3和λ4分別為對應標準子電池的光譜響應最短波長和最長波長，nm；ST,j為被測電池中第j個子結(jié)的光譜響應；ER為標準AM0光譜輻照度，W/m2；SR為標準太陽電池相對光譜響應。

在太陽模擬器的測試平面上依次放置頂電池、中電池、底電池3個子標準太陽電池，反復調(diào)節(jié)光源的光譜分布和輻照度，使得3個標準電池的短路電流與標定電流值之間滿足式(4)，且標準電池的頂電池、中電池、底電池的短路電流與修正后的校準值偏差絕對值也應分別小于1%，1%，5%。

(4)

2 在太陽電池陣地面測試中的應用

使用上述方法對Spectrolab LAPSS-II脈沖型大太陽模擬器進行光源校準，校準后光源對嫦娥五號上升器太陽電池陣產(chǎn)品組件(產(chǎn)品A和產(chǎn)品B取相同可比組件)開展地面測試。Spectrolab LAPSS-II脈沖型大太陽模擬器的主要技術指標見表2，實物如圖8所示。

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

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

經(jīng)標準電池片進行光源校準和失配誤差調(diào)整后，使用脈沖光源依次對產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的5個電池電路組件分別開展光照試驗，測得10個太陽電池電路的伏安曲線特性，并對測試環(huán)境溫度進行25 ℃的校準。根據(jù)工作點電壓進行功率統(tǒng)計，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測結(jié)果為17.761 A和18.334 A。

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

3 在軌評測驗證

3.1 在軌數(shù)據(jù)分析

嫦娥五號上升器太陽電池陣突破了傳統(tǒng)的對稱式設計，方案最終采用了異構(gòu)電路式設計，2個分陣分別選用產(chǎn)品A和產(chǎn)品B，一方面提高了太陽電池陣產(chǎn)品的可靠性，另一方面也為評測結(jié)果的在軌驗證奠定了基礎。上升器太陽電池陣展開對日定向姿態(tài)建立后，在太陽光照的輻射作用下建立熱平衡狀態(tài)，待各電池板溫度達到穩(wěn)定后，穩(wěn)定負載下的電池陣電壓、電流、溫度狀態(tài)見圖9。

圖9 產(chǎn)品A和產(chǎn)品B太陽電池陣總電流在軌測試數(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入200 km高的環(huán)月軌道飛行，繞月周期約2 h。從電流遙測數(shù)據(jù)可知，深空測控弧段與光照區(qū)大致重合，測控弧段略滯后于光照區(qū)，因此上升器進月影的事件發(fā)生在測控弧段內(nèi)，進月影后太陽電池陣停止發(fā)電。測控弧段的光照區(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)于地面評測結(jié)果的17.761 A和18.334 A，以等效在軌平均電流為基準，產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的地面評測誤差分別為-4.891%和-3.917%。

由于太陽電池的地面測試與在軌測試在環(huán)境溫度和負載模式上均有差異，為了更準確、量化地比對在軌數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)，需要對在軌數(shù)據(jù)進行修正。

3.2 環(huán)境溫度修正

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

嫦娥五號上升器每個太陽電池陣(產(chǎn)品A和產(chǎn)品B)，在不同電路位置分別配置了3個熱敏電阻作為溫度傳感器，各測溫點的在軌溫度與產(chǎn)品平均溫度見圖10。

太陽電池陣產(chǎn)品的溫度修正函數(shù)為

IAM0,25℃=IAM0,orbit/[1+β(Torbit-25)]

(5)

式中：IAM0,25℃為溫度修正后太陽電池陣在軌AM0工況下工作點電流，A；IAM0,orbit為太陽電池陣在軌AM0工況下工作點電流，A；Torbit為太陽電池陣在軌AM0工況下實時溫度，℃；β為太陽電池陣溫度系數(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)設計，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，以此為基準衡量地面評測結(jié)果17.761 A和18.334 A，誤差分別為-1.901%和0.497%，較溫度修正前的評測準確度有了較大的提升。然而，由于產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的太陽電池電路交錯分布，根據(jù)負載狀態(tài)和分流輸出電路序號設計，產(chǎn)品A的5個電路和產(chǎn)品B的5個電路工作狀態(tài)并不相同，為了進一步準確評估地面評測準確度，需要對溫度修正后的在軌平均電流開展負載模式修正。

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

3.3 負載模式修正

在軌實際工況中，各電池陣電路工作于分流或輸出模式。輸出模式對應重載工況，電流通過負載電路形成閉環(huán)；分流模式對應輕載工況，電流通過分流模塊/分流開關管形成閉環(huán)。因此，在輸出模式下，負載越重電路電壓高；而分流模式下，電路電壓為分流模塊/分流開關管的導通壓降，與輸出模式電壓相比可近似為零。

理論上，太陽電池電路工作在伏安曲線的恒流段，但是實際電路輸出特性對應不同負載模式/工作電壓時，其輸出電流仍有一定的變化，即隨著工作電壓逐漸提升(負載加重)，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，輸出電流最小，如圖12所示。

圖12 太陽電池陣理論輸出特性與實際輸出特性Fig.12 Theoretical and practical output characteristics of solar array

太陽電池陣地面評測時，在工作點電壓的基礎上考慮一定的線路壓降損耗，各電路只考察固定電壓點的產(chǎn)品性能，與在軌實時工況并不一致。如圖13所示，當探測器剛從陰影區(qū)進入光照區(qū)時，根據(jù)能量平衡策略，需要太陽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依次進入分流模式，工作電壓降低。

為了精確比對地面評測與在軌數(shù)據(jù)，需要各電路在軌實時變化的負載工況統(tǒng)一為工作在固定電壓點的負載工況。負載模式修正方法為：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 探測器出月影后及進月影前各太陽電池陣工作電壓分布Fig.13 Working voltage of each solar array after and before lunar shadow

1)建立負載模式修正函數(shù)

根據(jù)各電路地面測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坐標值，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)負載模式修正后的等效在軌電流

在溫度修正后的太陽電池陣總電流基礎上減去修正量，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 溫度修正和負載修正后的電流值Fig.16 Current values after temperature correction and load correction

計算溫度修正和負載修正后產(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，以此為基準衡量地面評測結(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、負載修正前的評測準確度有了進一步提升，評測準確度達到±1%以內(nèi)。通過對比，證明了本文提出的評測方法具有很高的評測精度，可用于后續(xù)深空等多領域航天器對太陽電池陣性能的評測中，且具有較好的可操作性，可為太陽電池陣的精細化設計提供有力支撐。

4 結(jié)束語

本文針對深空探測器太陽電池陣選定工作點電流的關鍵指標開展專項評測，利用標準電池和參考電池建立脈沖光源標準光源，可有效解決太陽模擬器合成光譜分布與AM0標準光照條件的不一致問題，脈沖光源均勻性和穩(wěn)定性兼容性問題，以及電池失配修正問題。使用本文的評測方法，以嫦娥五號上升器太陽電池陣參評產(chǎn)品為評測對象開展地面評測，最終得到評測對象產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的選定工作點電流關鍵指標的地面測試數(shù)據(jù)17.761 A和18.334 A。通過對在軌飛行遙測數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度修正與負載模式修正，得到了評測結(jié)果的比較基準，通過分析與計算，基于修正后的基準指標，產(chǎn)品A和產(chǎn)品B的地面評測結(jié)果誤差分別為-0.957%和0.748%，相較于修正前的評測誤差-4.891%和-3.917%有了很大提升，評測準確度達到優(yōu)于±1%的量級。本文提出的評測方法評測精度高、評測方法可移植性強、具有很高的可操作性，可用于后續(xù)深空及其他領域航天器的太陽電池陣性能評測中，有利于后續(xù)航天器太陽電池陣的精細化設計。