CN113078241B - 一种空间太阳电池阵及其混联方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间太阳电池阵及其混联方法，该方法包含：获取单个电路的电压余量ΔU和电流余量ΔI；根据在轨输出电压U0和输出电流I0的要求，得到单个混联电池串的工作电压U和工作电流I：U＝U0+UD，I＝I0/Np，其中，UD为隔离二极管组件和线路的压降，Np为单个电路内混联电池串的数目；计算单个太阳电池片的工作电压Uc：Uc＝U/Nc，其中，Nc为单个电池串内总的太阳电池片数量；一个混联组最优太阳电池片数量为：X＝[ΔU/Uc]，混联电池串内的最优电池串数量为：Y＝[ΔI/I]。其优点是：通过采用最小冗余法进行混联串联和并联分组，平衡了混联技术的优点和隐患，可整体提高整个太阳电池阵的可靠性。

Description

一种空间太阳电池阵及其混联方法
技术领域
本发明涉及航天器太阳电池阵技术领域，具体涉及一种空间太阳电池阵及其混联方法。
背景技术
空间太阳电池阵通常作为航天器能源系统的重要组成部分，其可靠性对飞行任务的直接成败起到至关重要的作用。空间太阳电池阵的主要失效模式为开路和短路，经过多年研究和应用发展，针对开路故障，目前提高太阳电池阵的可靠性主要依赖包括功率冗余、连接冗余、器件冗余和并联旁路二极管等方法；针对短路故障，目前主要依赖保证基板绝缘性、防等离子体放电、串接隔离二极管等方法。尽管采用多种技术手段，在轨飞行产品仍然存在由于焊点失效、电池裂片开路等引起的电池串失效问题，从而导致太阳电池阵功率显著下降的情况，目前电池串失效引起太阳电池阵功率显著下降的问题仍需进一步解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间太阳电池阵及其混联方法，该方法通过采用最小冗余法进行混联串联和并联分组，平衡混联技术的优点和隐患；通过本发明的空间太阳电池阵混联技术，可整体提高整个太阳电池阵的可靠性，避免局部开路或短路引起太阳电池阵大面积失效的灾难，适合空间航天器高可靠发电应用，同时也降低了工艺操作难度和器件使用量。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种空间太阳电池阵的混联方法，包含：
获取单个电路的电压余量ΔU和电流余量ΔI，所述单个电路包含若干个并联的混联电池串，各个混联电池串包含若干个并联的电池串，各个电池串内包含若干个混联组，每个混联组包含若干个太阳电池片，各个混联电池串的正输出端通过隔离二极管组件与电连接器连接，各个所述混联电池串的负输出端与电连接器连接，以在所述电连接器处汇集功率；
根据在轨输出电压U0和输出电流I0的要求，得到单个混联电池串的工作电压U和工作电流I：U＝U0+UD，I＝I0/Np，其中，UD为隔离二极管组件和线路的压降，Np为单个电路内混联电池串的数目；
计算单个太阳电池片的工作电压Uc：Uc＝U/Nc，其中，Nc为单个电池串内总的太阳电池片数量；
一个混联组最优太阳电池片数量为：X＝[ΔU/Uc]，混联电池串内的最优电池串数量为：Y＝[ΔI/I]。
可选的，根据计算的一个混联组最优太阳电池片数量X对混联电池串进行混联，当余下的太阳电池片数目不够一个混联组所需的数目时，以余下的太阳电池片为一个混联组，余下的太阳电池片不与其他电池串的太阳电池片并联。
可选的，一种空间太阳电池阵，包含：
若干个并联的混联电池串，所述混联电池串采用所述的混联方法进行混联，所述混联电池串内包含若干个并联的电池串，所述电池串内包含若干个太阳电池片，所述太阳电池片为第一太阳电池片或第二太阳电池片，一个第一太阳电池片和依次相邻的若干个第二太阳电池片形成一个混联组，所述第一太阳电池片与所在电池串中相邻的第二太阳电池片串联连接，并与相邻电池串的第一太阳电池片并联连接，所述第二太阳电池片与所在电池串中相邻的第一太阳电池片或第二太阳电池片连接，各个混联电池串负输出端与电连接器连接；
若干个旁路二极管，各个所述旁路二极管分别安装于所述第一太阳电池片或所述第二太阳电池片的缺角位置；
若干个隔离二极管组件，其输入端分别与所述混联电池串的正输出端连接，各个隔离二极管组件的输出端分别与电连接器连接。
可选的，所述隔离二极管组件包含：
第一组件连接片，其与所述混联电池串通过若干根导线连接；
若干个隔离二极管，各个所述隔离二极管相互并联，各个所述隔离二极管的输入端通过若干根导线与所述第一组件连接片连接；
第二组件连接片，各个所述隔离二极管的输出端通过若干根导线与所述第二组件连接片连接，所述第二组件连接片通过导线与所述电连接器连接。
可选的，所述第一组件连接片和第二组件连接片采用银箔或银镀金或Kovar镀银材料，所述第一组件连接片和第二组件连接片厚度为d＝20μm～50μm；
和/或，所述导线与所述第一组件连接片、第二组件连接片、所述隔离二极管采用锡焊焊接工艺连接，焊接后单个焊点抗拉力强度大于或等于20N。
可选的，同一混联电池串内的各个电池串输出端之间采用第三组件连接片连接，并采用导线进行连通；
所述第一太阳电池片或所述第二太阳电池片为空间用砷化镓太阳电池片或硅太阳电池片；
和/或，所述第一太阳电池片通过混联互联片与所在电池串内相邻第二太阳电池片以及相邻电池串的第一太阳电池片连接；
和/或，所述第二太阳电池片与相邻太阳电池片通过串联互联片连接；
和/或，所述旁路二极管通过旁路连接片与所述第一太阳电池片或所述第二太阳电池片连接；
和/或，所述旁路二极管为薄片型硅二极管，所述旁路二极管的额定电流大于或等于2I×Y，反向耐压大于或等于20V，最高耐受结温大于或等于T+75℃，其中，I为单个混联电池串的工作电流，Y为一个混联电池串内的电池串数目，T为在轨环境温度。
可选的，所述旁路连接片、所述混联互联片、所述串联互联片或第三组件连接片采用银箔或银镀金或Kovar镀银材料，所述旁路连接片、所述混联互联片、所述串联互联片或第三组件连接片厚度为d＝20μm～50μm；
和/或，所述第一太阳电池片、所述第二太阳电池片、旁路二极管、旁路连接片、混联互联片、串联互联片、第三组件连接片之间采用电阻焊焊接工艺连接，焊接后单个焊点45°方向抗拉力大于或等于1.6N；
和/或，所述第一太阳电池片或所述第二太阳电池片与混联互联片或串联互联片在串联方向焊接焊点数大于或等于6个；所述第一太阳电池片与混联互联片在并联方向焊接焊点数大于或等于2个；
和/或，所述旁路连接片和/或所述混联互联片和/或所述串联互联片设置Ω减应力环，所述Ω减应力环用于释放温度交变引起的连接环节应力，所述Ω减应力环的环体弯曲半径大于或等于4d，折弯半径大于或等于2d，d为所述旁路连接片和/或所述混联互联片和/或所述串联互联片的厚度。
可选的，所述混联电池串包含两个并联的电池串。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明的一种空间太阳电池阵及其混联方法中，该太阳电池阵通过混联互联片将相邻两个电池串的邻近太阳电池片并联，从而实现多个电池串内部并联冗余，在某一电池串局部太阳电池片或焊点开路时，其余太阳电池片功率也可以通过其它电池串输出，从而实现单个电池串局部开路时，也不会损失该电池串功率的目的，提高太阳电池阵可靠性。
进一步的，本发明的空间太阳电池阵混联方法，通过采用最小冗余法进行混联串联和并联分组，平衡混联技术的优点和隐患；通过空间太阳电池阵混联技术，可整体提高整个太阳电池阵的可靠性，避免局部开路或短路引起太阳电池阵大面积失效的灾难，适合空间航天器高可靠发电应用，同时也降低了工艺操作难度和器件使用量。
附图说明
图1为本发明的一种空间太阳电池阵；
图2为本发明的一种Ω减应力环。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
针对电池串110失效引起的太阳电池阵功率显著下降的问题，本发明提出了一种空间太阳电池阵混联设计方法，该方法采用最小冗余法进行混联串联和并联分组，最小冗余包括电压冗余和电流冗余，通过最小电压冗余切割法计算电池串110内的混联组内最优太阳电池片111数量，通过最小电流冗余切割法计算每个电路混联电池串100内最优电池串110的数量。
具体地，本发明提供的一种空间太阳电池阵的混联方法包含：
S1、根据任务指标进行太阳电池阵的初步设计，通过布片和电路设计获取单个电路的电压余量ΔU和电流余量ΔI。
所述单个电路包含若干个并联的混联电池串100，各个混联电池串100包含若干个并联的电池串110，各个电池串110内包含若干个混联组，每个混联组包含若干个太阳电池片111，各个混联电池串100的正输出端通过隔离二极管组件与电连接器连接，各个所述混联电池串100的负输出端与电连接器连接，以在所述电连接器处汇集功率。
S2、根据在轨输出电压U0和输出电流I0的要求，得到单个混联电池串100的工作电压U和工作电流I：U＝U0+UD，I＝I0/Np，其中，UD为隔离二极管组件和线路的压降，Np为单个电路内混联电池串100的数目。
S3、计算单个太阳电池片111的工作电压Uc：Uc＝U/Nc，其中，Nc为单个电池串110内总的太阳电池片111数量。
S4、一个混联组最优太阳电池片111数量为：X＝[ΔU/Uc]，混联电池串100内的最优电池串110数量为：Y＝[ΔI/I]。
上述计算中，一个混联电池串100内的电池串110数量采用Y表示，单个电路中每Y串电池串110组成一个混联电池串100。一个混联组最优太阳电池片111数量X表示混联电池串100内的电池串110中，每X片太阳电池片111为一个混联组(分组后剩余不足X片的一组不并联)，一组内使用混联互联片实现单片太阳电池与邻近电池串110中太阳电池片111的并联。
进一步的，根据计算的一个混联组最优太阳电池片111数量X对混联电池串100内的电池串110进行混联，当余下的太阳电池片111数目不够一个混联组所需的数目时，以余下的太阳电池片111为一个混联组，其不与其他电池串110的太阳电池片111并联。
本发明提供的一种空间太阳电池阵的混联技术方法中，通过混联互联片将相邻两个电池串110的邻近太阳电池片111并联，从而实现多个电池串110内部并联冗余，在某一电池串110局部太阳电池片111或焊点开路时，其余太阳电池片111功率也可以通过其它电池串110输出，从而实现单个电池串110局部开路时，也不会损失该串功率的目的，提高太阳电池阵可靠性。
进一步的，考虑到两个电池串110的邻近太阳电池片111并联针对开路故障提高了太阳电池阵可靠性的同时，也带来了一些隐患，如大规模并联后，若出现局部短路故障，则可能导致大规模电池短路，从而造成极大功率损失。因此，本发明的空间太阳电池阵混联方法中，通过采用最小冗余法进行混联串联和并联分组，平衡混联技术的优点和隐患，从而综合提高整个太阳电池阵的可靠性，同时降低了工艺操作难度和器件使用量。
基于同一发明构思，如图1所示，本发明还提供了一种空间太阳电池阵，其包含：若干个并联的混联电池串100、若干个旁路二极管200和若干个隔离二极管组件300。
具体地，所述混联电池串100采用上述混联方法进行混联，所述混联电池串100内包含若干个并联的电池串110，所述电池串110内包含若干个太阳电池片111，所述太阳电池片111为第一太阳电池片112(混联电池片)或第二太阳电池片113(非混联电池片)，一个第一太阳电池片112和依次相邻的若干个第二太阳电池片113形成一个混联组，所述第一太阳电池片112与所在电池串110中相邻的第二太阳电池片113串联连接，并与相邻电池串110的一个第一太阳电池片112并联连接，所述第二太阳电池片113与所在电池串110中相邻的第一太阳电池片112或第二太阳电池片113串联连接，各个混联电池串100负输出端与电连接器400连接。各个所述旁路二极管200分别并联安装于所述第一太阳电池片112或所述第二太阳电池片113的缺角位置处，以防止电池开路和热斑效应。各个隔离二极管组件300的输入端分别与所述混联电池串100的正输出端连接，各个隔离二极管组件300的输出端分别与电连接器400连接。各个混联电池串100的正输出端与隔离二极管组件300串联连接，并通过导线连接到电连接器400处，各个混联电池串100的负输出端通过导线连接至电连接处，以在所述电连接器400处汇集功率以便输出，形成一个完整的回路。
可选的，同一混联电池串100内的各个电池串110(正、负)输出端之间采用第三组件连接片131连接，所述第三组件连接片131实现了各个电池串110的汇流连接。各个混联电池串100之间采用导线连接，当一个混联电池串100内的部分电池片故障时，也不会影响同一混联电池串100内的其他电池片。
所述第一太阳电池片112或所述第二太阳电池片113为空间用砷化镓太阳电池片或硅太阳电池片。所述第一太阳电池片112通过混联互联片121与所在电池串110内相邻第二太阳电池片113以及相邻电池串110的第一太阳电池片112连接。所述第二太阳电池片113与所在电池串110内的相邻太阳电池片111通过串联互联片122连接，从而按照混联设计结果实现电池阵内部电池片的混联。
所述旁路二极管200通过旁路连接片210与所述第一太阳电池片112或所述第二太阳电池片113电气连接，所述旁路二极管200防止电路开路。所述旁路二极管200为薄片型硅二极管，所述旁路二极管200的额定电流大于或等于2I×Y，反向耐压大于或等于20V，最高耐受结温大于或等于(T+75)℃，其中，I为单个混联电池串100的工作电流，Y为一个混联电池串100内的电池串110数目，T为在轨环境温度。在本实施例中，X＝3，Y＝2，即每个混联电池串100内包含2个并联的单独电池串110，每个单独的电池串110内每3个太阳电池片111为一个混联组，采用上述混联方式即可保证太阳电池阵的稳定性与可靠性。
可选的，所述旁路连接片210、所述混联互联片121、所述串联互联片122或第三组件连接片131采用银箔或银镀金或Kovar镀银材料，所述旁路连接片210、所述混联互联片121、所述串联互联片122或第三组件连接片131厚度为d＝20μm～50μm。所述第一太阳电池片112、所述第二太阳电池片113、旁路二极管200、旁路连接片210、混联互联片121、串联互联片122、第三组件连接片131之间采用电阻焊焊接工艺连接(即太阳电池片111与混联互联片121、混联互联片121与第三组件连接片131、导线与第三组件互联片连接使用电阻焊焊接工艺)，通过焊接技术将上述各部件按混联设计结果连接组成混联太阳电池阵，焊接后单个焊点45°方向抗拉力大于或等于1.6N。所述第一太阳电池片112或所述第二太阳电池片113与混联互联片121或串联互联片122在串联方向焊接焊点数大于或等于6个；所述第一太阳电池片112与混联互联片121在并联方向焊接焊点数大于或等于2个。
进一步的，所述旁路连接片210和/或所述混联互联片121和/或所述串联互联片122设置Ω减应力环，所述Ω减应力环500用于释放温度交变引起的连接环节应力，如图2所示，所述Ω减应力环500的环体弯曲半径510大于或等于4d，折弯半径520大于或等于2d，d为所述旁路连接片210和/或所述混联互联片121和/或所述串联互联片122的厚度。
进一步的，如图1所示，所述隔离二极管组件300包含：第一组件连接片301、若干个隔离二极管302和第二组件连接片303。
所述第一组件连接片301与所述混联电池串100的正输出端即第三组件连接片131(同一混联电池串100内的各个电池串110输出端之间采用第三组件连接片131连接)通过若干根导线连接，各个所述隔离二极管302相互并联，各个所述隔离二极管302的输入端通过若干根导线与所述第一组件连接片301连接，各个所述隔离二极管302的输出端通过若干根导线与所述第二组件连接片303连接，所述第二组件连接片303通过导线与所述电连接器400连接。所述隔离二极管组件300中隔离二极管可防止介流倒灌，隔离二极管302的数量可根据实际应用需求来决定。
所述第一组件连接片301和第二组件连接片303采用银箔或银镀金或Kovar镀银材料，所述第一组件连接片301和第二组件连接片303厚度为d＝20μm～50μm。所述导线与所述第一组件连接片301、第二组件连接片303、隔离二极管302引脚采用锡焊焊接工艺连接，焊接后单个焊点抗拉力强度大于或等于20N。
综上所述，本发明的一种空间太阳电池阵及其混联方法中，该太阳电池阵通过混联互联片121将相邻两个电池串110的邻近太阳电池片111并联，从而实现多个电池串110内部并联冗余，在某一电池串110局部太阳电池片111或焊点开路时，其余太阳电池片111功率也可以通过其它电池串110输出，从而实现单个电池串110局部开路时，也不会损失该电池串110功率的目的，提高太阳电池阵可靠性。
进一步的，本发明的空间太阳电池阵混联方法，通过采用最小冗余法进行混联串联和并联分组，平衡混联技术的优点和隐患；通过空间太阳电池阵混联技术，可整体提高整个太阳电池阵的可靠性，避免局部开路或短路引起太阳电池阵大面积失效的灾难，适合空间航天器高可靠发电应用，同时也降低了工艺操作难度和器件使用量。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种空间太阳电池阵的混联方法，其特征在于，包含：
获取单个电路的电压余量ΔU和电流余量ΔI，所述单个电路包含若干个并联的混联电池串，各个混联电池串包含若干个并联的电池串，各个电池串内包含若干个混联组，每个混联组包含若干个太阳电池片，各个混联电池串的正输出端通过隔离二极管组件与电连接器连接，各个所述混联电池串的负输出端与电连接器连接，以在所述电连接器处汇集功率；
根据在轨输出电压U0和输出电流I0的要求，得到单个混联电池串的工作电压U和工作电流I：U＝U0+UD，I＝I0/Np，其中，UD为隔离二极管组件和线路的压降，Np为单个电路内混联电池串的数目；
计算单个太阳电池片的工作电压Uc：Uc＝U/Nc，其中，Nc为单个电池串内总的太阳电池片数量；
一个混联组最优太阳电池片数量为：X＝[ΔU/Uc]，混联电池串内的最优电池串数量为：Y＝[ΔI/I]。
2.如权利要求1所述的空间太阳电池阵的混联方法，其特征在于，
根据计算的一个混联组最优太阳电池片数量X对混联电池串进行混联，当余下的太阳电池片数目不够一个混联组所需的数目时，以余下的太阳电池片为一个混联组，余下的太阳电池片不与其他电池串的太阳电池片并联。
3.一种空间太阳电池阵，其特征在于，包含：
若干个并联的混联电池串，所述混联电池串采用如权利要求1～2任一项所述的混联方法进行混联，所述混联电池串内包含若干个并联的电池串，所述电池串内包含若干个太阳电池片，所述太阳电池片为第一太阳电池片或第二太阳电池片，一个第一太阳电池片和依次相邻的若干个第二太阳电池片形成一个混联组，所述第一太阳电池片与所在电池串中相邻的第二太阳电池片串联连接，并与相邻电池串的第一太阳电池片并联连接，所述第二太阳电池片与所在电池串中相邻的第一太阳电池片或第二太阳电池片连接，各个混联电池串负输出端与电连接器连接；
若干个旁路二极管，各个所述旁路二极管分别安装于所述第一太阳电池片或所述第二太阳电池片的缺角位置；
若干个隔离二极管组件，其输入端分别与所述混联电池串的正输出端连接，各个隔离二极管组件的输出端分别与电连接器连接。
4.如权利要求3所述的空间太阳电池阵，其特征在于，所述隔离二极管组件包含：
第一组件连接片，其与所述混联电池串通过若干根导线连接；
若干个隔离二极管，各个所述隔离二极管相互并联，各个所述隔离二极管的输入端通过若干根导线与所述第一组件连接片连接；
第二组件连接片，各个所述隔离二极管的输出端通过若干根导线与所述第二组件连接片连接，所述第二组件连接片通过导线与所述电连接器连接。
5.如权利要求4所述的空间太阳电池阵，其特征在于，
所述第一组件连接片和第二组件连接片采用银箔或银镀金或Kovar镀银材料，所述第一组件连接片和第二组件连接片厚度为d＝20μm～50μm；
和/或，所述导线与所述第一组件连接片、第二组件连接片、所述隔离二极管采用锡焊焊接工艺连接，焊接后单个焊点抗拉力强度大于或等于20N。
6.如权利要求3所述的空间太阳电池阵，其特征在于，
同一混联电池串内的各个电池串输出端之间采用第三组件连接片连接，并采用导线进行连通；
所述第一太阳电池片或所述第二太阳电池片为空间用砷化镓太阳电池片或硅太阳电池片；
和/或，所述第一太阳电池片通过混联互联片与所在电池串内相邻第二太阳电池片以及相邻电池串的第一太阳电池片连接；
和/或，所述第二太阳电池片与相邻太阳电池片通过串联互联片连接；
和/或，所述旁路二极管通过旁路连接片与所述第一太阳电池片或所述第二太阳电池片连接；
和/或，所述旁路二极管为薄片型硅二极管，所述旁路二极管的额定电流大于或等于2I×Y，反向耐压大于或等于20V，最高耐受结温大于或等于T+75℃，其中，I为单个混联电池串的工作电流，Y为一个混联电池串内的电池串数目，T为在轨环境温度。
7.如权利要求6所述的空间太阳电池阵，其特征在于，
所述旁路连接片、所述混联互联片、所述串联互联片或第三组件连接片采用银箔或银镀金或Kovar镀银材料，所述旁路连接片、所述混联互联片、所述串联互联片或第三组件连接片厚度为d＝20μm～50μm；
和/或，所述第一太阳电池片、所述第二太阳电池片、旁路二极管、旁路连接片、混联互联片、串联互联片、第三组件连接片之间采用电阻焊焊接工艺连接，焊接后单个焊点45°方向抗拉力大于或等于1.6N；
和/或，所述第一太阳电池片或所述第二太阳电池片与混联互联片或串联互联片在串联方向焊接焊点数大于或等于6个；所述第一太阳电池片与混联互联片在并联方向焊接焊点数大于或等于2个；
和/或，所述旁路连接片和/或所述混联互联片和/或所述串联互联片设置Ω减应力环，所述Ω减应力环用于释放温度交变引起的连接环节应力，所述Ω减应力环的环体弯曲半径大于或等于4d，折弯半径大于或等于2d，d为所述旁路连接片和/或所述混联互联片和/或所述串联互联片的厚度。
8.如权利要求3所述的空间太阳电池阵，其特征在于，
所述混联电池串包含两个并联的电池串。
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