CN114715440A - 一种太阳电池卫星搭载设备及电池测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳电池卫星搭载设备及电池测试方法，属于航天电源技术领域，其特征在于，包括与卫星连接用的安装件；安装于安装件上表面的搭载太阳电池片；安装于安装件上表面，用于测试太阳电池片在轨温度的温度传感器；安装于安装件上，用于监测太阳电池片在轨光照角度数据的光照传感器；用于接收温度传感器、光照传感器、太阳电池片电流和电压数据，并对数据进行存储、处理的太阳电池测试***；与卫星进行数据交互的通信模块；搭载太阳电池片、温度传感器、光照传感器与太阳电池测试***进行数据通信。该发明具备多路子电池数据独立、同时采集功能，能实现一个周期内采集完整I‑V曲线上的电流、电压及电池温度、光照角度、测试时间数据。
Description
技术领域
本发明属于航天电源技术领域，具体涉及一种太阳电池卫星搭载设备及电池测试方法。
背景技术
随着人类对宇宙世界的探索，航空航天技术在不断地发展，对卫星长期在轨高精度、高可靠性和高稳定性的运行也提出了新的挑战。太阳电池是各卫星主要发电单元，为卫星在轨运行时提供太阳能向电能的转换，其技术水平直接决定空间任务开展的可行与否，其中多结砷化镓薄膜太阳电池是目前卫星供电最广泛使用的电池，同时其他种类的新型空间太阳电池也在开发和研制中。
由于太空环境的复杂性，如空间粒子辐射、原子氧、地磁亚暴等，以及卫星飞行轨道、太阳光入射角、温度交变等因素都会影响太阳电池的最终在轨输出功率。但是地面试验环境无法完全模拟电池在轨空间光照条件，因此电池在地面的电学性能测试结果与在轨输出数据存在一定的偏差。
然而太阳电池在轨测试结果的精度至关重要，为精确研制和设计太阳电池阵提供可靠的数据支持。因此，为了保证卫星在轨安全运行以及成功执行空间任务，需要得到准确的太阳电池在轨性能数据。
现有的卫星搭载电池安装在太阳翼内板处，与太阳翼板处于相同的光照条件，通过太阳电池工作点控制电路、电压电流采样电路和温度采样电路分别获取电池短路电流工作点、开路电压工作点、最大功率输出点附近的若干个工作点以及温度数据，然后将所有测试数据通过遥控遥测模块进行模数转换，由星地通信单元传输至地面，地面人员通过遥测数据进行计算，得出太阳电池在轨性能参数，并且各个采样电路依次开启，无法现实多路测试电路的同时采集。
综上所述，现有的在轨测试***只能得到I-V曲线上有限的采样数据点，无法得到完整的太阳电池I-V曲线，即从短路电流到开路电压之间所有的数据点，更加无法直观、全面反映电池在轨温变损失、功率衰减等重要数据，采样效率低。除此以外，由于卫星上的在轨测试电路与搭载电池分别独立位于卫星***不同的模块中，增加了搭载装置的复杂性和安装难度。在卫星完成空间任务之后，该搭载设备也无法在不同卫星上重复使用。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种太阳电池卫星搭载设备及电池测试方法，解决现有卫星搭载电池测试数据不完整直观、采样效率低、搭载设备结构复杂、无法通用使用的问题，该设备具备多路子电池数据独立、同时采集功能，能实现一个周期内采集完整I-V曲线上的电流电压及电池温度、光照角度、测试时间多种采样点数据，同时对多路采样数据进行储存、处理和传输，直观评估在轨太阳电池性能，并保证其采样精度，采样时间短、效率高，同时该设备结构简单，搭载电池与在轨测试电路集成一体，在不同卫星上使用时具有通用性。
本发明的第一目的是提供一种太阳电池卫星搭载设备，至少包括：
与卫星连接用的安装件；
安装于安装件上表面的M块搭载太阳电池片(5)；M为大于1的自然数；
安装于安装件上表面，用于测试每块搭载太阳电池片(5)在轨实时温度的温度传感器；
安装于安装件上，用于监测搭载太阳电池片(5)在轨实时光照角度数据的光照传感器；
安装于安装件上的接地柱(7)；
用于接收温度传感器、光照传感器、每块搭载太阳电池片(5)电流和电压数据，并对数据进行存储、分析处理的太阳电池测试***；
与卫星进行数据交互的通信模块；其中：
所述搭载太阳电池片(5)、温度传感器、光照传感器与太阳电池测试***进行数据通信。
优选地，所述安装件包括铝合金框架(1)和上盖板(2)。
优选地，所述铝合金上盖板(1)与搭载太阳电池片(5)的接触面上粘贴一层聚酰亚胺薄膜，搭载太阳电池片(5)通过底片胶粘贴在聚酰亚胺薄膜上。
优选地，所述光照传感器安装于上盖板(2)的下表面，在光照传感器上方的上盖板(2)开设有通光孔。
优选地，所述温度传感器为热敏电阻模块(4)，所述光照传感器为光敏电阻模块(3)。
优选地，所述太阳电池测试***包括测试电路板(8)和安装在测试电路板(8)上的测试模块。
优选地，每块搭载太阳电池片(5)引出一对正负电极引脚，并通过导线及电子学部分与太阳电池测试***相连接。
优选地，M＝6。
优选地，所述太阳电池测试***包括电池I-V测试电路、测温电路、光照角度测试电路、电连接器；其中：
电池I-V测试电路由M路完全相同的容性负载采样电路组成，所述容性负载采样电路包括电流采样电路、电压采样电路，用于搭载太阳电池在轨I-V曲线测试，当I-V测试电路接收到测试指令后，通过卫星搭载设备实时采集太阳电池完整电压电流、温度、光照角度、测试时间在轨数据，通过电连接器传输给卫星信息处理单元并存储，由卫星信息处理单元处理后星地通信单元将该数据下传，绘制完整的太阳电池I-V特性曲线，地面人员获取实时在轨采样数据，调取某一时间点的采样数据；
测温电路与热敏电阻通过导线及电子学部分相连接，处理实时温度信号，通过电连接器传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，得到电池在轨实时温度数据；光照角度测试电路与光敏电阻通过导线及电子学部分相连接，处理实时太阳电池片光照角度与测试时间信号,通过电连接器传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，得到电池在对应时间点的在轨光照角度与测试时间数据。
本发明的第二目的是提供一种电池测试方法，基于上述太阳电池卫星搭载设备而完成如下功能：
S1、当通信模块收到来自卫星发送的I-V测试指令时，测试***开始采样；
S2、测试电路可实现多路控制电路同时开始遥控遥测；
S3、所述容性负载采样电路可实时获取太阳电池完整电压电流、温度、光照角度、测试时间在轨数据，通过电连接器传输给卫星信息处理单元存储，由卫星信息处理单元处理后星地通信单元将该数据下传，绘制完整的太阳电池I-V特性曲线；地面人员可获取实时在轨采样数据，也可调取某一时间点的采样数据；
所述测温电路与热敏电阻处理实时温度信号，通过电连接器传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，得到电池在轨实时温度数据；
所述光照角度测试电路与光敏电阻处理实时太阳电池片光照角度与测试时间信号,通过电连接器传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，得到电池在对应时间点的在轨光照角度数据。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明利用搭载太阳电池结合在轨测试电路，提供了一种太阳电池卫星搭载设备。使用的采样设备精度高，输入输出可控。通过卫星采样信号输入后，即可以实时获取搭载电池在轨电流电压、温度、光照角度、测试时间数据的采集。
2、本发明解决了现有方法中只能统计电池特性曲线工作点的电压、电流数据点，不能直观、全面地反映I-V曲线的缺陷，提高了太阳电池性能监测的准确性和全面性，为太阳电池在轨性能评估提供了完整的I-V曲线信息，提高了太阳电池在空间环境下电学性能评估的准确性，为卫星太阳电池在轨管理提供更加简洁直观的数据支持。
3、本发明太阳电池测试***扫描速度快、电路简单、工作可靠性高、功率热耗低、可较大限度避免瞬态效应对I-V曲线采集的影响。
4、本发明太阳电池测试***可实现多路控制电路同时采样，极大减少采样时间，提高采样效率。
5、本发明测试太阳电池与电池测试***集成在一起，设备体积小、质量轻、结构可靠性高、安装简单，可以适用在不同卫星上的搭载。
附图说明
图1为本发明优选实施例的结构图；
图2为本发明优选实施例的俯视图；
图3为本发明优选实施例A-A面的剖面图；
图4为本发明优选实施例的太阳电池I-V特性曲线图；
图5为本发明优选实施例中太阳电池在轨测试电路的原理框图；
图6为本发明优选实施例中太阳电池在轨测试电路的I-V采样电路原理图；
图7为本发明优选实施例中多路太阳电池IV测试结构图；
图8为本发明优选实施例中I2C数据采集传输电路；
图9为本发明优选实施例中光敏接口电路图。
其中：1、铝合金框架；2、上盖板；3、光敏电阻模块；4、热敏电阻模块；5、搭载太阳电池片；6、电连接器；7、接地柱；8、测试电路板。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图9，本发明的技术方案为：
一种太阳电池卫星搭载设备，包括：
与卫星连接用的安装件；在本优选实施例中，所述安装件包括铝合金框架1和上盖板2两部分；
安装于安装件上表面的M块搭载太阳电池片5；M为大于1的自然数；
安装于安装件上表面，用于测试每块搭载太阳电池片5在轨实时温度的温度传感器；
安装于安装件上，用于监测搭载太阳电池片5在轨实时光照角度数据的光照传感器；所述光照传感器安装于上盖板2的下表面，在光照传感器上方的上盖板2开设有通光孔。
安装于安装件上的接地柱7；
用于接收温度传感器、光照传感器、每块搭载太阳电池片5电流和电压数据，并对数据进行存储、分析处理的太阳电池测试***；
与卫星进行数据交互的通信模块；其中：
所述搭载太阳电池片5、温度传感器、光照传感器与太阳电池测试***进行数据通信。
所述温度传感器为热敏电阻模块4，所述光照传感器为光敏电阻模块3。
所述太阳电池测试***包括测试电路板8和安装在测试电路板8上的测试模块。
每块搭载太阳电池片5引出一对正负电极引脚，并通过导线及电子学部分与太阳电池测试***相连接。
如图1所示，M优选的是6。
上述优选实施例主要包括铝合金框架、负载电阻及星上电子设备、太阳电池片、太阳电池测试***、接地柱。
所述铝合金框架通过螺栓孔与卫星连接，起到搭载设备与卫星之间的固定作用。铝合金框架上盖板上表面为受光面，分布六个单体电池安装位，搭载太阳电池片以该盖板为基板，分别安装固定在安装位上，并且铝合金上盖板与搭载电池的接触面上粘贴一层聚酰亚胺薄膜，搭载电池通过底片胶粘贴在该聚酰亚胺薄膜上。
所述负载电阻及星上电子设备包括热敏电阻模块、光敏电阻模块、导线及电子学部分。其中热敏电阻模块安装在铝合金框架上盖板上表面，每片太阳电池一侧各配备一个热敏电阻模块，分别测量相应太阳电池片处的在轨实时温度，该模块通过导线及电子学部分与太阳电池测试***相连接。光敏电阻模块固定于铝合金框架上盖板下表面处，在上盖板开孔，使光敏电阻测试部分暴露在与太阳电池片相同的光照条件下，用于监测搭载太阳电池片在轨实时光照角度数据，该模块通过导线及电子学部分与太阳电池测试***相连接。
所述太阳电池片为在轨测试太阳电池，每片电池各引出一对正负电极引脚，分别通过导线及电子学部分与太阳电池测试***相连接。
所述太阳电池片测试***包括电池I-V测试电路、测温电路、光照角度测试电路、电连接器。其中电池I-V测试电路由6路完全相同的容性负载采样电路组成，包括电流采样电路、电压采样电路，用于搭载太阳电池在轨I-V曲线测试，当I-V测试电路接收到测试指令后，即可通过卫星搭载设备实时采集太阳电池完整电压电流、温度、光照角度、测试时间等在轨数据，通过电连接器传输给卫星信息处理单元并存储，由卫星信息处理单元处理后星地通信单元将该数据下传，绘制完整的太阳电池I-V特性曲线，地面人员可获取实时在轨采样数据，也可调取某一测试时间点的采样数据。测温电路与热敏电阻通过导线及电子学部分相连接，处理实时温度信号,通过电连接器传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，得到电池在轨实时温度数据。光照角度测试电路与光敏电阻通过导线及电子学部分相连接，处理实时太阳电池片光照角度、测试时间信号,通过电连接器传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，得到电池对应时间点的在轨光照角度数据。
所述接地柱设计为单浮地(电地)，通过静电泄放电阻接地的安装方式实现数据采集***内部安装的大面积裸露导体的绝缘设计。
组装时，铝合金框架1通过螺栓孔与卫星连接，铝合金上盖板2的上表面为太阳光受光面，铝合金上盖板2与搭载太阳电池片5的接触面上粘贴一层聚酰亚胺薄膜，搭载太阳电池片5通过底片胶粘贴在该薄膜上。热敏电阻模块4安装在铝合金框架上盖板2上表面，每片太阳电池5一侧各配备一个热敏电阻模块4，分别测量相应太阳电池片处的在轨实时温度，该热敏电阻模块4通过导线及电子学部分与太阳电池测试电路板8相连接。光敏电阻模块3固定于铝合金框架上盖板2下表面处，在上盖板2上开孔，使光敏电阻模块3测试部分暴露在与太阳电池片5相同的光照条件下，用于监测搭载太阳电池片在轨实时光照角度数据，该光敏电阻模块3通过导线及电子学部分与太阳电池测试电路板8相连接。搭载太阳电池片5分别通过导线及电子学部分与太阳电池测试电路板8相连接。
使用本发明设备进行I-V测试时，当通信模块收到来自卫星发送的I-V测试电路接通指令时，测试***开始一次测量扫描，太阳电池测试***原理框图如图5所示，采用主容性负载，其大小决定了测量速度和准确度；较小的电容扫描速度较快，可降低出错的风险；较大的电容扫描速度较慢但可完成更精确的测量采样。太阳电池I-V测试***由6路完全相同的容性负载采样电路组成，如图6所示，单路采样最大太阳电池开路电压20V，短路电流0.5A。电流检测通道，通过高增益带宽和低闭环增益要求的运放实现快速闭环响应，较大限度减小由群延迟引起的误差来精确跟踪流过采样电阻的电流。电压检测通道，电阻对模块全电压进行分压，以使得电压采样输出在经过了5V/V的闭环增益级后位于5V电源轨内，而流过分压电阻的电流产生19uA的误差，约为最大短路电流的0.0038％。在准备采样时，先将2个MOS接通进入初始状态，此时电容两端没有电压，即电池处在短路状态下，采样电压从0开始扫描。然后将两个MOS依次打开(先打开M2，再打开M1)，以启动一次持续时间为150ms(时间取决于电容容量)的测量扫描，以电容两端达到太阳电池开路电压Voc为结束。该模块使用开关并联大电容器的拓扑形式，通过打开并联开关使太阳电池输出能量直接供给大电容器，电容器在其几百毫秒的充电时间里将高效地对其阻抗进行从短路到开路的扫描。此拓扑形式可较大限度减少瞬态效应影响I-V曲线的几率。除了这种拓扑方法所具备的明显优势(即速度、简单性和测量的简易性)之外，采用瞬态电容性扫描所需要的高额定功率组件极少。组件承受高功率的持续时间不超过几百毫秒。本发明的测试电路能够连续采集从短路电流Jsc到开路电压Voc过程中至少50个数据点，采样信号通过电连接器6传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，从而能够得到电池在轨实时完整的I-V特性曲线，如图4所示。太阳电池片、电源及遥测地均在模块内部接地，并由接地柱7引出。
使用本发明设备进行多路I-V测试时，原理图如图7所示，在测试***中加入如图8所示的I2C数据采集电路后，多路采样电路可同时实现遥控遥测，图9所示的光敏接口电路不仅能测试电池光照角度数据，也可获取每个子电路的采样时间点，最终将所有采样信号传输总线通讯模块并存储，极大减少数据采样时间，提高采样效率。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种太阳电池卫星搭载设备，其特征在于，至少包括：
与卫星连接用的安装件；
安装于安装件上表面的M块搭载太阳电池片(5)；M为大于1的自然数；
安装于安装件上表面，用于测试每块搭载太阳电池片(5)在轨实时温度的温度传感器；
安装于安装件上，用于监测搭载太阳电池片(5)在轨实时光照角度数据的光照传感器；
安装于安装件上的接地柱(7)；
用于接收温度传感器、光照传感器、每块搭载太阳电池片(5)电流和电压数据，并对数据进行存储、分析处理的太阳电池测试***；
与卫星进行数据交互的通信模块；其中：
所述搭载太阳电池片(5)、温度传感器、光照传感器与太阳电池测试***进行数据通信。
2.根据权利要求1所述的太阳电池卫星搭载设备，其特征在于，所述安装件包括铝合金框架(1)和上盖板(2)。
3.根据权利要求2所述的太阳电池卫星搭载设备，其特征在于，所述铝合金上盖板(1)与搭载太阳电池片(5)的接触面上粘贴一层聚酰亚胺薄膜，搭载太阳电池片(5)通过底片胶粘贴在聚酰亚胺薄膜上。
4.根据权利要求2所述的太阳电池卫星搭载设备，其特征在于，所述光照传感器安装于上盖板(2)的下表面，在光照传感器上方的上盖板(2)开设有通光孔。
5.根据权利要求1所述的太阳电池卫星搭载设备，其特征在于，所述温度传感器为热敏电阻模块(4)，所述光照传感器为光敏电阻模块(3)。
6.根据权利要求1所述的太阳电池卫星搭载设备，其特征在于，所述太阳电池测试***包括测试电路板(8)和安装在测试电路板(8)上的测试模块。
7.根据权利要求1所述的太阳电池卫星搭载设备，其特征在于，每块搭载太阳电池片(5)引出一对正负电极引脚，并通过导线及电子学部分与太阳电池测试***相连接。
8.根据权利要求1所述的太阳电池卫星搭载设备，其特征在于，M＝6。
9.根据权利要求1-8任一项所述的太阳电池卫星搭载设备，其特征在于，所述太阳电池测试***包括电池I-V测试电路、测温电路、光照角度测试电路、电连接器；其中：
电池I-V测试电路由M路完全相同的容性负载采样电路组成，所述容性负载采样电路包括电流采样电路、电压采样电路，用于搭载太阳电池在轨I-V曲线测试，当I-V测试电路接收到测试指令后，通过卫星搭载设备实时采集太阳电池完整电压电流、温度、光照角度、测试时间在轨数据，通过电连接器传输给卫星信息处理单元并存储，由卫星信息处理单元处理后星地通信单元将该数据下传，绘制完整的太阳电池I-V特性曲线，地面人员获取实时在轨采样数据，调取某一时间点的采样数据；
测温电路与热敏电阻通过导线及电子学部分相连接，处理实时温度信号，通过电连接器传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，得到电池在轨实时温度数据；光照角度测试电路与光敏电阻通过导线及电子学部分相连接，处理实时太阳电池片光照角度与测试时间信号,通过电连接器传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，得到电池在对应时间点的在轨光照角度与测试时间数据。
10.一种电池测试方法，其特征在于，基于上述权利要求9所述太阳电池卫星搭载设备而完成如下功能：
S1、当通信模块收到来自卫星发送的I-V测试指令时，测试***开始采样；
S2、测试电路实现多路控制电路同时开始遥控遥测；
S3、所述容性负载采样电路实时获取太阳电池完整电压电流、温度、光照角度、测试时间在轨数据，通过电连接器传输给卫星信息处理单元并存储，由卫星信息处理单元处理后星地通信单元将该数据下传，绘制完整的太阳电池I-V特性曲线；地面人员获取实时在轨采样数据，调取某一时间点的采样数据；
所述测温电路与热敏电阻处理实时温度信号，通过电连接器传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，得到电池在轨实时温度数据；
所述光照角度测试电路与光敏电阻处理实时太阳电池片光照角度与测试时间信号,通过电连接器传输给卫星信息处理单元，由卫星信息处理单元处理后通过星地通信单元将该数据下传，得到电池在对应时间点的在轨光照角度数据。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202210231698.2A CN114715440A (zh) | 2022-03-10 | 2022-03-10 | 一种太阳电池卫星搭载设备及电池测试方法 |
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| CN202210231698.2A CN114715440A (zh) | 2022-03-10 | 2022-03-10 | 一种太阳电池卫星搭载设备及电池测试方法 |
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| CN114715440A true CN114715440A (zh) | 2022-07-08 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115754786A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-03-07 | 深圳市朗泰沣电子有限公司 | 一种动力电池倍率温升测试方法及其测试装置 |
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2022
- 2022-03-10 CN CN202210231698.2A patent/CN114715440A/zh active Pending
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