本發(fā)明屬于航天器電源系統(tǒng)防護(hù)，具體涉及一種降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法。

背景技術(shù)：

1、隨著我國空間站和衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對航天器電源系統(tǒng)的需求不斷提高，超大功率電源系統(tǒng)成為下一代航天器能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。為滿足大功率需求可通過高電壓和大電流實(shí)現(xiàn)傳輸，但大電流傳輸會帶來龐大功率電纜重量以及損耗等問題，因此高電壓低電流的高壓太陽電池陣成為必然選擇。然而高壓太陽電池陣大面積的暴露在空間等離子體中，會與空間環(huán)境中的等離子體相互作用發(fā)生表面充電現(xiàn)象，在太陽電池陣的基板-互連片-絕緣部位(又稱“三結(jié)合處”)之間產(chǎn)生反向電位梯度。高電壓加劇了三結(jié)合處的懸浮電位差，當(dāng)電位差達(dá)到一定值后，在空間等離子體的作用下，極易誘發(fā)一次放電，甚至?xí)鸪掷m(xù)放電電弧，造成太陽電池陣短路、燒毀，嚴(yán)重威脅航天器的安全運(yùn)行。

2、空間高壓太陽電池陣放電的根本原因是高電位差和空間等離子體的耦合作用，從這兩點(diǎn)出發(fā)可對其放電進(jìn)行抑制。目前空間高壓太陽電池陣放電防護(hù)措施主要有降低串間電壓、減小串電流、玻璃蓋片表面鍍導(dǎo)電層、填充rtv膠和使用主動電位控制器。降低串間電壓和減小串電流這兩種措施無法滿足于高電壓大功率的空間太陽電池陣需求。表面鍍導(dǎo)電層是通過減小太陽電池陣表面的局部不平衡電位來抑制放電發(fā)生，填充rtv膠是通過在放電路徑上增加絕緣物來提高放電擊穿電壓或進(jìn)行隔絕來減小放電發(fā)生概率，這兩種方法均是通過使用特殊材料來抑制放電現(xiàn)象，但需考慮材料性能衰減、制備工藝和增加重量等問題；使用主動電位控制器是通過使用等離子體發(fā)射器來達(dá)到主動控制電位的目的，但存在設(shè)備性能衰減、設(shè)備安裝和體積重量增加等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法，主要采用在航天器結(jié)構(gòu)體、母線正端、母線負(fù)端和太陽電池陣基板之間增加動態(tài)偏置電阻和靜態(tài)偏置電容的方法，對高壓太陽電池陣局部惡劣電位分布進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)平衡，從而減小易發(fā)生一次放電的三結(jié)合處的最惡劣懸浮電位差，達(dá)到降低一次放電風(fēng)險(xiǎn)的目的。

2、本發(fā)明降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法，具體步驟為：

3、步驟1：根據(jù)高壓太陽電池陣與航天器結(jié)構(gòu)體的連接及分布電容特性，獲得高壓太陽電池陣不同部位的懸浮電位，包括航天器結(jié)構(gòu)體與太陽電池陣基板所處的負(fù)懸浮電位u結(jié)-基，太陽電池陣表面電位u表，以及上電池串和下電池串的互連片電位u上串互連片與u下串互連片。

4、步驟2：根據(jù)步驟1中得到的高壓太陽電池陣不同部位的懸浮電位，分別計(jì)算獲得上電池串和下電池串中三結(jié)合處的最惡劣懸浮電位差和平衡后的電位差δu。

5、步驟3：增加動態(tài)偏置電阻，根據(jù)動態(tài)偏置電阻分壓關(guān)系，計(jì)算獲得偏置后的太陽電池陣正端和負(fù)端電位，結(jié)合步驟2中得到的δu，得到動態(tài)偏置電阻與偏置后電位間的關(guān)系。

6、步驟4：考慮懸浮電位變化時(shí)偏置所需時(shí)間、靜態(tài)偏置電容和太陽電池陣的分布電容，結(jié)合步驟3中動態(tài)偏置電阻與偏置電位之間的關(guān)系方程組，計(jì)算得到動態(tài)偏置電阻值、靜態(tài)偏置電容及平衡后的懸浮電位。

7、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

8、1、本發(fā)明降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法，僅需在航天器結(jié)構(gòu)體、母線正端、母線負(fù)端和太陽電池陣基板之間增加動態(tài)偏置電阻，便可實(shí)現(xiàn)懸浮電位平衡，減小太陽電池片三結(jié)合處最惡劣懸浮電位差，達(dá)到降低一次放電風(fēng)險(xiǎn)的目的，簡單易實(shí)現(xiàn)，且無需考慮防護(hù)材料退化、器件可靠性、性能衰減等問題，具有較高的可靠性。

9、2、本發(fā)明降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法，當(dāng)太陽電池陣分布電容出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象時(shí)，動態(tài)偏置電阻難以實(shí)現(xiàn)懸浮電位平衡，增加靜態(tài)偏置電容可解決分布電容不均衡問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)懸浮電位的動態(tài)和靜態(tài)平衡。

10、3、本發(fā)明降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法，考慮了電位偏置時(shí)間，使其保持在百毫秒-秒級，具有平衡效率高的特性；且考慮了動態(tài)偏置電阻的功耗，僅占電源系統(tǒng)功率不到千分之一量級，不會對電源系統(tǒng)造成任何影響。

技術(shù)特征：

1.一種降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法，其特征在于：包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法，其特征在于：

3.如權(quán)利要求1所述的一種降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法，其特征在于：步驟3中，在母線正負(fù)兩端加上動態(tài)偏置電阻r1和r2，使u正端和u負(fù)端相對于遠(yuǎn)處零電位發(fā)生偏置，即使u上串互連片和u下串互連片的電位發(fā)生偏移，偏置后的太陽電池陣正端和負(fù)端電位，分別為：

4.如權(quán)利要求1所述的一種降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法，其特征在于：步驟4中，考慮增加動態(tài)偏置電阻后的懸浮電位偏置時(shí)間，即分布電容和靜態(tài)偏置電容充電時(shí)間，取其為時(shí)間常數(shù)的5倍：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種降低航天器高壓太陽電池陣一次放電風(fēng)險(xiǎn)的動靜態(tài)電位平衡方法，屬于航天器電源系統(tǒng)防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。所述方法首先根據(jù)航天器表面懸浮電位及高壓太陽電池陣的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得到高壓太陽電池片局部電位分布；然后計(jì)算不同電池串的基板、互連片和玻璃蓋片之間的最大懸浮電位差，得到需平衡的電位差；最后根據(jù)高壓太陽電池陣分布電容及偏置時(shí)間，可計(jì)算得到動態(tài)偏置電阻值、靜態(tài)偏置電容及平衡后的懸浮電位。本發(fā)明可有效地減小航天器高壓太陽電池陣最惡劣懸浮電位差，極大降低一次放電發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，提高空間高壓太陽電池陣供電可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員：武建文,尉德杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10