空間站太陽電池標定技術

王 凱，劉 民，溫天成，侯旭瑋，王英爽，王保林，唐友東

（北京東方計量測試研究所，北京 100086）

1 引言

空間計量［1］是實現地外空間的測量單位統一、測量量值準確可靠的技術和管理活動。把計量學科與空間應用相結合，實現地外空間的測量單位統一、量值準確可靠，進而保障航天器、空間站、空間基地、深空探測等任務的順利完成，是空間計量的內涵［2］。針對所有航天型號的太陽電池翼測試和新型太陽電池［3］效率評估所涉及的AM0 一級標準太陽電池周期性溯源需要［4］，國內外同步開展了太陽電池的標定技術研究。

2004年～2014年，國際空間站開展了3 次太陽電池測量試驗。對幾種新的電池技術，包括四結（4J）IMM（Inverted Metamorphic Multi-junction）電池進行了電性能測試，并將測試結果將與地面測量方法進行比較。國際空間站太陽電池實驗平臺安裝位置如圖1所示，白天時段使用機械臂將“太陽電池實驗平臺”SCE（Solar Cell Experiment）的活動側直接對準太陽。并使用相機工具進一步精確地完成太陽對準。試驗平臺被命名為“未來技術太陽電池實驗”FTSCE（Forward Technology Solar Cell Experiment），該試驗平臺是“國際空間站材料試驗”任務MISSE（Materials on the International Space Station Experiment）的一部分。試驗樣品包含了2004年來最新的空間太陽電池產品和防護蓋片。空間站上的先進太陽電池試驗FTSCE 極大地提升了美國相關研究機構的科研水平，加速了空間太陽電池新產品的在軌應用，提升了太陽電池測試的技術水平［5］。

圖1 國際空間站SCE 安裝外部位置圖Fig.1 Exterior location of SCE on the international space station

2012年，中國開展了32 km 高空氣球太陽電池標定試驗［6］，并于2017年建立國防電學最高標準“航天用單結太陽電池標準裝置”［7］。2019年，首次開展衛星平臺上的太陽電池標定，基于衛星平臺的標定，太陽電池樣品無法返回，只能采用雙胞胎法［8］。中國計量院建立了太陽電池校準裝置AM1.5G光譜（300～1200）nm 條件下的標定值范圍：0～500 mA 標定值的Urel＝0.8 %（k＝2），中國計量院光學所采用了ISO 15387 推薦的微分光譜法，但只能復現地面用AM1.5 G 的標準太陽電池［9］。

為了解決中國AM0 一級標準太陽電池無法溯源的問題，需在空間站上開展太陽電池標定。空間標定可用于建立國防最高計量標準，可使我國空間計量理論與實踐研究水平達到國際領先水平。

2 總體方案設計

在空間站上直接用太陽光標定獲得的標準太陽電池為一級標準太陽電池，從空間站回傳的短路電流數據，在經過溫度修正、光入射角修正和日地平均軌道修正，就可獲得AM0 條件的短路電流標定值，定期溯源仍需要往返空間站開展多次標定。選取合適的空間標準太陽電池樣品，研制空間標定搭載子系統，搭載飛行器入軌進行空間標定。

通過星上太陽敏感器或艙外標準太陽電池組件上的陽光入射角檢測器（太陽敏感器），確定標準太陽電池組件法線與陽光光線的夾角小于10°立體角后，數據采集裝置開始連續、依次測試各標準太陽電池的短路電流、I-V 和溫度信號。為了避免粒子輻照對標準電池的性能的影響，標定實驗測試應在飛行器入軌后，滿足測試條件時盡早進行，太陽電池標定實驗應連續進行，獲得10 小時的有效測試數據后，AM0 標定實驗段結束，待恰當的時機，航天員將艙外電池板拆下并帶回地面，可作為地面AM0 標準太陽電池。選取兩款高效空間電池產品和柔性電池，驗證其在空間環境下的適用性，測試電池板在空間環境試驗前后的光電性能，以及產品在空間環境下的性能變化，最終完成產品空間適用性的驗證。

空間計量平臺的太陽電池標定單元包含采集器和樣品裝置兩部分，如圖2所示。安裝在元器件試驗裝置的暴露單元OEU I 位置。太陽電池面向朝天面。如圖3，元器件試驗平臺體積為（600 ×600 ×500）mm。元器件試驗裝置的側面有4 個暴露單元，右上為OEU I 單元。太陽電池標定單元被安置在OEU I 單元，體積為（260 ×200 ×160）mm。元器件試驗裝置頂部有機械手連接器，可被機械臂拔出，送入艙內。在艙內由航天員操作，更換試驗樣品后，再由機械臂送出，安插在原來的位置上。

圖2 標準太陽電池標定裝置總體框圖Fig.2 Overall block diagram of standard solar cell calibration device

太陽電池標定總體設計方案如圖3所示，標定裝置中采集器負責供電、傳輸數據和電路測量。樣品裝置保護太陽電池片，防止意外磕碰損傷。樣品裝置設計成對折的合頁結構，方便航天員帶回。在地面更換電路板后和太陽電池樣品，還可以再次使用。

圖3 太陽電池標定總體設計方案框圖Fig.3 Overall design scheme of solar cell calibration

1）標定樣品為多結標準太陽電池，第一期為24個子電池，和2 個整電池；

2）子電池的標定時機為：當陽光與太陽電池法線夾角±10 °范圍內，且無其它反射光照到太陽電池，5 min 內完成5 組伏安特性曲線和溫度測量，同時記錄光入射角。直到元器件試驗平臺其它試驗結束，航天員取回太陽電池樣品，返回地面；

3）地面需要獲得相應的回傳標定數據（無需實時），包括伏安特性數據、溫度、測量時間、光入射角數據；

4）標定任務結束后，太陽電池標定單機的采集器部分，保留在空間站。能為后續太陽電池標定重復使用；

5）樣品裝置可以拆卸，隨航天員帶回地面，新的一批太陽電池標定樣品隨貨運飛船，或者載人飛船帶入空間站，安裝在采集器上，進行下一次標定試驗。

空間站太陽電池標定測量流程規定了采集器工作的時機和數據產生的過程。測量流程分為在軌測量和地面測試兩種狀態。

1）在軌測量時機

在軌測量條件為太陽光入射角小于±10 °，按空間站軌道周期90 min 計算，若空間站對地定向保持調姿，受空間站軌道角速度作用，朝天面的法線相對于地球地心坐標系的角速度為：360 °／90 min ＝20 °／5 min ＝4 °／min，即-10 °～＋10 °過程為5 min。每分鐘完成一次全部數據測量，一共測量5 次／軌道周期，如圖4所示。

圖4 空間站太陽電池標定的測量時機圖Fig.4 Measurement timing for solar cell calibration on space station

若空間站對地定向調姿，受地球公轉作用，朝天面法線相對于太陽質心坐標系的角速度：360 °／365 天＝20 °／20.278 天＝20 °／324.4 軌道周期＝1 °／16.22 軌道周期＝1 °／1460 min。

標定時段：每年有兩個時段滿足±10 °測量條件，稱為標定時段。時段間隔半年，各時段內有連續的20.278 天或324.4 個軌道周期滿足測量條件，最佳測量條件應該為時段中間一天的16 個軌道周期。一年內除兩個20 天時段外的其他時間約325天，雖然可以測量獲得數據，但不適合用作標定數據。

非標定時段：整體電池測量不要求陽光入射角，目的是為了比較自身的衰變，只要有光照條件都需要測量，一年周期內，標定時段以外的時間為非標定時段。非標定時段數據應簡化下傳數據量。非標定時段分為兩個162.42 天，一共324.8 天。此時段內的每次測量仍按照上述測量流程測量，比較光入射角數據，選取每天最佳測量數據下傳。

2）地面測試狀態

地面測試狀態是為了配合在地面進行的校準、環境試驗和聯調。觸發測量的條件與光入射角無關，只要軟件指令通過CAN 總線接收到啟動測量，就開始一次測量，產生7kbyte 的數據，并及時下傳到CAN 總線。地面測試狀態總數據量，與發出測量指令次數有關，數據產生速率為7 kbyte／min。

3 采集器裝置設計

空間站相對于陽光快速運動，光線入射角瞬時改變，需要在滿足光線入射條件的時間內，測量所有電池，每個電池要快速掃描電子負載，完成至少30 個電壓-電流工作點的采集，同時記錄光線入射角度和測量時間，每個軌道周期有7k 字節測量數據暫存在內部存儲器內，適當時機通過CAN 總線發送到元器件試驗平臺的綜合電子單元，再組成數據包發送地面。

采集器電路主要包括：電源開關、電源轉換器DC-DC、FPGA、繼電器陣列、模擬開關、電子負載、儀器放大器、A／D 轉換器、D／A 轉換器、角度傳感器。采集器與外部接口電路框圖如圖5所示。

圖5 采集器與外部接口電路框圖Fig.5 Block diagram of collector and external interface circuit

測量原理主要特點是：

1）電子負載的掃描方式是數字信號的掃描，由D／A 反饋環路控制場效應管的導通電阻，數字波形信號事先計算好，存儲在FPGA 內部；

2）為補償測量引線電壓降，增加了電流控制的受控電壓源，可保護被測太陽電池不被反向電壓損壞。

FPGA 的主要功能為接口、計算、采集控制，數據存儲、通信協議。A／D 轉換器測量IV 電壓、IV 電流、溫度和角度，模擬開關選通4 種功能。D／A 轉換器用于設定負載電阻，掃阻值范圍從短路到開路。繼電器陣列和多路模擬開關用于選通電池和自檢電阻。角度傳感器測量光入射角，用4 個光敏二極管，OP07 運放和負反饋電阻實現I-V 轉換。熱敏電阻MF51 用于測量每片電池的溫度和機箱內部溫度。

為保證采集器的長期溯源性，本項目設計了內裝自檢通道，自檢電阻的IV 特性是一條直線，斜率是電阻值，自檢電阻為標準電阻，在地面校準后，利用其長期穩定性證明采集器的變化。自檢通道還設計了電壓基準器，利用電壓基準器長期穩定性和地面校準數據，可保障采集器長期溯源性。采集器結構示意圖如圖6所示。

4 樣品裝置設計

樣品裝置電路由26 個太陽電池樣品和26 支熱敏電阻，以及電連接器組成。有兩個電連接器分別連接兩邊對折的樣品電路。其中1 邊15 個子電池，另一邊9 個子電池和2 個整電池。每個電池配置一個熱敏電阻。考慮到采集器未來重復使用，采用對稱設計，兩邊一樣的電路。

首次太陽電池標定有24 個子電池和2 個整電池，為滿足后續太陽電池標定的需要，盡可能充分利用暴露表面安排了30 個子電池的布局。單邊布局15 個子電池，雙邊一共可有30 個。柔性整電池4 cm×2 cm 編號26，剛性整電池4 cm×6 cm 編號29。

樣品裝置PCB 安裝示意圖如圖7 和圖8所示，電池座的作用是保護電池片、集成熱敏電阻。回收后，電池座可拆卸，作為一級標準太陽電池開展量值傳遞。

圖7 樣品裝置PCB 安裝示意圖Fig.7 PCB installation diagram of sample device

圖8 樣品裝置電池座示意圖Fig.8 Schematic diagram of battery holder for sample unit

樣品裝置PCB 的作用是把26 個樣品和熱敏電阻固定在一個平面上，其引線集成到80 芯電連接器上。最終樣品裝置圖如圖9所示。

圖9 太陽電池樣品裝置布局圖Fig.9 Layout of solar cell sample device

5 結束語

絕大多數的空間飛行器均采用太陽電池陣電源系統作為其一次能源，太陽電池則是其中最主要的部件。通過空間站搭載標定AM0 標準太陽電池，有效提升了標準太陽電池在AM0 條件下的短路電流準確度，為光電轉化效率準確測量提供保證。同時，可建立溯源至空間AM0 標準的標準太陽電池溯源體系，開展量值傳遞，為我國空間太陽電池及太陽電池陣的研究提供基礎數據。通過空間飛行驗證，對每一種新型太陽電池需要不斷進入空間站進行標準太陽電池標定，對電池生產廠商提供數據支撐。