CN116032215A - 空间太阳电池测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空间太阳电池测量系统及方法，属于计算机技术领域，所述系统包括：测量板，测量板包括信号处理模块、数模转换模块、第一放大模块、电子负载、电流采样模块、电压采样模块、温度采集模块和模数转换模块，信号处理模块用于基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出目标数字量至数模转换模块；接收模数转换模块输出的采样数据、电压采样数据和温度采样数据；基于电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据，进行数据转换，确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据。通过变电流扫电压的方式对待标定电池进行测量，避免通过对待标定电池充放电来进行测量，实现高效地对太阳电池进行空间AM0原位标定。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种空间太阳电池测量系统及方法。
背景技术
近年来，随着人们对空间领域的不断探索，除了卫星、空间站等空间飞行器外，临近空间长航时无人飞行器（包含平流层飞艇、太阳能飞机等）逐渐成为各国研究热点。其中，太阳电池是长航时无人飞行器在内的空间飞行器的主要能量来源。在设计飞行器能源系统时，受安装面积和重量要求等条件限制，能源非常紧张，因此需要对太阳电池性能参数有准确的测量和标定，以满足空间飞行器能源系统的精确设计。常规的空间太阳电池地面标定方法难以准确模拟空间AM0辐射环境，因此需要对太阳电池进行空间AM0原位标定。
用于对太阳电池进行AM0原位标定的方法有高空飞机标定法、高空气球标定法、卫星标定法等。以空间太阳电池高空气球标定法为例，其是指利用高空气球将待标定的空间太阳电池送往海拔35km以上的高空，在太阳光无遮挡地垂直照射到太阳电池表面时，测量太阳电池的相关性能。
相关技术中，一般通过控制开关使太阳电池处于充电状态或放电状态，对太阳电池进行测量，每一次测量过程需要对太阳电池进行一次充电或放电，测量效率较低。如何高效地对太阳电池进行空间AM0原位标定是目前业界亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种空间太阳电池测量系统及方法。
第一方面，本发明提供一种空间太阳电池测量系统，包括：测量板，所述测量板包括信号处理模块、数模转换模块、第一放大模块、电子负载、电流采样模块、电压采样模块、温度采集模块和模数转换模块；
所述信号处理模块与所述数模转换模块的数字输入端电连接，所述数模转换模块的模拟输出端与所述第一放大模块的输入端电连接，所述第一放大模块的输出端与所述电子负载的控制端电连接，所述电子负载的第一负载端与待标定电池的正极电连接，所述电子负载的第二负载端与所述电流采样模块电连接，所述电压采样模块与所述待标定电池并联，所述温度采集模块用于采集所述待标定电池的第一温度；
所述电流采样模块的输出端、所述电压采样模块的输出端和所述温度采集模块的输出端与所述模数转换模块的模拟输入端电连接，所述模数转换模块的数字输出端与所述信号处理模块电连接；
所述信号处理模块用于：
基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出所述目标数字量至所述数模转换模块；
接收所述模数转换模块输出的电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据；
基于所述电流采样数据、所述电压采样数据和所述温度采样数据，进行数据转换处理，确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，所述电流采样模块包括第一采样电阻和电压跟随器，所述第一采样电阻的第一端与所述电子负载的第二负载端电连接，所述第一采样电阻的第二端接地；
所述电压跟随器用于采集所述第一采样电阻两端的电压，并输出第一采样模拟量至所述模数转换模块，所述第一采样模拟量用于表征所述待标定电池的电流。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，所述电压采样模块包括第二采样电阻与运算放大单元，所述第二采样电阻的第一端与所述待标定电池的正极电连接，所述第二采样电阻的第二端与所述待标定电池的负极电连接；
所述运算放大单元用于采集所述第二采样电阻两端的电压，并输出第二采样模拟量至所述模数转换模块，所述第二采样模拟量用于表征所述待标定电池的电压。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，还包括金属导热板，所述金属导热板设置于所述测量板与所述待标定电池之间，所述温度采集模块包括第二放大模块和片状的第一温度传感器，所述第二放大模块固定于所述测量板上，所述第一温度传感器贴敷于所述金属导热板的目标面，所述目标面为金属导热板的朝向所述待标定电池的一面，所述第一温度传感器与所述待标定电池相接触；
所述第二放大模块用于采集所述第一温度传感器两端的电压，并输出第三采样模拟量至所述模数转换模块，所述第三采样模拟量用于表征所述待标定电池的温度。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，所述测量板还包括温度控制模块，所述温度控制模块包括驱动单元、制冷制热器和第二温度传感器；
所述信号处理模块与所述驱动单元的输入端电连接，所述驱动单元的输出端与所述制冷制热器的控制端电连接；
所述第二温度传感器用于采集所述待标定电池的第二温度；
所述信号处理模块用于基于所述第二温度和目标温度，输出目标控制信号至所述驱动单元；
所述驱动单元用于基于所述目标控制信号，驱动所述制冷制热器进行制冷或制热。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，所述测量板还包括存储模块，所述存储模块包括：安全数码SD卡和带电可擦可编程只读存储器EEPROM；
所述信号处理模块用于：
将所述电流测量数据、所述电压测量数据和所述温度测量数据转存至SD卡和EEPROM。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，还包括工控机，所述信号处理模块与所述工控机电连接；
所述信号处理模块用于通过串口通信方式将所述电流测量数据、所述电压测量数据和所述温度测量数据转发至所述工控机；
所述工控机用于将所述电流测量数据、所述电压测量数据和所述温度测量数据，通过无线通信方式，下发到地面接收站。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，还包括太阳追踪平台，所述太阳追踪平台包括单轴舵机、测试平台和光电传感器，所述测量板和所述光电传感器搭载于所述测试平台上，所述信号处理模块与所述单轴舵机的控制端电连接，所述信号处理模块与所述光电传感器的信号输出端电连接；
所述单轴舵机用于调节所述测试平台的仰俯角；
所述光电传感器用于采集太阳光的光照信息；
所述信号处理模块用于基于所述光照信息和目标光照条件，控制所述单轴舵机动作。
第二方面，本发明还提供一种空间太阳电池测量方法，应用于上述任一项空间太阳电池测量系统，包括：
基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出所述目标数字量至所述数模转换模块；
接收所述模数转换模块输出的电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据；
基于所述电流采样数据、所述电压采样数据和所述温度采样数据，进行数据转换处理，确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据。
本发明提供的空间太阳电池测量系统及方法，通过信号处理模块基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出目标数字量至数模转换模块，经由数模转换模块转换成模拟信号后，接入第一放大模块进行放大及滤波，放大及滤波之后的模拟信号接入电子负载的控制端，随着目标数字量的变化，电子负载的导通量也随之变化，进而流过待标定电池的电流也随之变化，随着待标定电池的电流变化，待标定电池的电压也随之改变，以变电流扫电压的方式对待标定电池进行测量，进而信号处理模块可以通过模数转换模块获取电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据，进而通过数据转换处理，可以确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据，避免通过对待标定电池充放电来进行测量，能够实现高效地对太阳电池进行空间AM0原位标定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的空间太阳电池测量系统的结构示意图；
图2是本发明提供的电流采样模块的结构示意图；
图3是本发明提供的电压采样模块的结构示意图；
图4是本发明提供的电路板结构布局示意图；
图5是本发明提供的温度采集模块的结构示意图；
图6是本发明提供的温度控制模块的结构示意图；
图7是本发明提供的太阳追踪平台的结构示意图；
图8是本发明提供的太阳追踪平台的工作流程示意图；
图9是本发明提供的空间太阳电池测量方法的流程示意图之一；
图10是本发明提供的空间太阳电池测量方法的流程示意图之二；
附图标记：
101：测量板；102：信号处理模块；103：数模转换模块；104：第一放大模块；105：电子负载；106：电流采样模块；107：电压采样模块；108：温度采集模块；109：模数转换模块；110：待标定电池；111：温度控制模块；201：电压跟随器；401：金属导热板；402：第二放大模块；403：第一温度传感器；601：驱动单元；602：制冷制热器；603：第二温度传感器；700：太阳追踪平台；701：单轴舵机；702：测试平台；703：光电传感器；704：俯仰轴。
具体实施方式
为了便于更加清晰地理解本发明各实施例，首先对一些相关的背景知识进行如下介绍。
一般地，可以把作为参考的电池在一定的光源状态下，确定短路电流或测试其I-V曲线的过程叫做标定。而利用标准电池的数据，去获得其它电池的数据的对比过程简称为复现。对太阳电池进行临近空间的AM0原位标定，具有以下几点现实意义：
（1）获得太阳电池在临近空间环境下的准确性能参数，如短路电流、开路电压、IV特性曲线、温度特性、稳定性等，为航天器和临近空间飞行器能源系统设计提供第一手参考资料。
（2）获得标定后的一级AM0标准电池片。一级AM0标准电池片可用于校准太阳模拟器光源，使之能在地面复现AM0标准阳光条件，从而测试更多具有相同光谱响应的太阳电池单体、组件及阵列。
为了克服上述缺陷，本发明提供一种空间太阳电池测量系统及方法，通过变电流扫电压的方式对待标定电池进行测量，避免通过对待标定电池充放电来进行测量，能够实现高效地对太阳电池进行空间AM0原位标定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明提供的空间太阳电池测量系统的结构示意图，如图1所示，所述空间太阳电池测量系统包括：测量板101，所述测量板101包括信号处理模块102、数模转换模块103、第一放大模块104、电子负载105、电流采样模块106、电压采样模块107、温度采集模块108和模数转换模块109；
所述信号处理模块102与所述数模转换模块103的数字输入端电连接，所述数模转换模块103的模拟输出端与所述第一放大模块104的输入端电连接，所述第一放大模块104的输出端与所述电子负载105的控制端电连接，所述电子负载105的第一负载端与待标定电池110的正极电连接，所述电子负载105的第二负载端与所述电流采样模块106电连接，所述电压采样模块107与所述待标定电池110并联，所述温度采集模块108用于采集所述待标定电池110的第一温度；
所述电流采样模块106的输出端、所述电压采样模块107的输出端和所述温度采集模块108的输出端与所述模数转换模块109的模拟输入端电连接，所述模数转换模块109的数字输出端与所述信号处理模块102电连接；
所述信号处理模块102用于：
基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出所述目标数字量至所述数模转换模块103；
接收所述模数转换模块109输出的电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据；
基于所述电流采样数据、所述电压采样数据和所述温度采样数据，进行数据转换处理，确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据。
具体地，为了实现高效地对太阳电池进行空间AM0原位标定，通过信号处理模块102基于预设步长和预设步长增加次数（例如，预设步长增加次数可以是1000次），控制目标数字量逐步增加，并输出目标数字量至数模转换模块103，经由数模转换模块103转换成模拟信号后，接入第一放大模块104进行放大及滤波，放大及滤波之后的模拟信号接入电子负载105的控制端，随着目标数字量的变化，电子负载105的导通量也随之变化，进而流过待标定电池110的电流也随之变化，随着待标定电池110的电流变化，待标定电池110的电压也随之改变，以变电流扫电压的方式对待标定电池110进行测量。
具体地，电流采样模块106可以对待标定电池110的电流进行采样并输出电流的采样模拟量至模数转换模块109，电压采样模块107可以对待标定电池110的电压进行采样并输出电压的采样模拟量至模数转换模块109，温度采集模块108可以对待标定电池110的温度进行采样并输出温度的采样模拟量至模数转换模块109，进而信号处理模块102可以通过模数转换模块109获取电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据，进而通过数据转换处理，可以确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据。
可选地，可以基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量从预设数字量开始逐步增长，每次增长的步长为预设步长，直至达到预设步长增加次数。其中，在增长次数为0的情况下，目标数字量为预设数字量（也即此时目标数字量最小），第一放大模块104输出的模拟信号的电压最低，相应地电子负载105的导通量最低，流过待标定电池110的电流最小；在增长次数达到预设步长增加次数的情况下，目标数字量最大，第一放大模块104输出的模拟信号的电压最高，相应地电子负载105的导通量最高，流过待标定电池110的电流最大。
可选地，电子负载105可以是基于金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）的可控电子负载105。第一放大模块104的输出端与MOS管的栅极电连接，基于MOS管的可控电子负载105，配合16位的模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和12位的数模转换器（Digital-to-AnalogConverter，DAC）转换模块，可使电流的采样精度达到0.01mA，电压的采样精度达到0.1mV，实现高精度的数据采集。
可选地，电压测量数据可以包括多个电压测量值，该多个电压测量值的数量对应于预设步长增加次数，例如预设步长增加次数为1000次，则多个电压测量值的数量可以是1001个，此1001个电压测量值包括在增长次数为0的情况下所测得的电压测量值，以及每一次按预设步长增长所测得的电压测量值。
可选地，电流测量数据可以包括多个电流测量值，该多个电流测量值的数量对应于预设步长增加次数，例如预设步长增加次数为1000次，则多个电流测量值的数量可以是1001个，此1001个电流测量值包括在增长次数为0的情况下所测得的电流测量值，以及每一次按预设步长增长所测得的电流测量值。
可选地，基于多个电压测量值和多个电流测量值，通过数据拟合，可以确定待标定电池110的I-V特性曲线。
可选地，基于所确定的I-V特性曲线，可以选取I-V特性曲线的第一组数据作为开路电压。
可选地，基于所确定的I-V特性曲线，可以遍历I-V特性曲线，寻找电压值小于1mV的点，认定为短路电流，若没有，则认定最后一组数据为短路电流。
可选地，基于I-V特性曲线、开路电压和短路电流，可以确定待标定电池110的标定结果。
可选地，空间太阳电池测量系统还可以包括电源模块，用于为空间太阳电池测量系统中其他模块提供电源，并为太阳电池提供偏置电压。
可选地，模数转换模块109的位数可以是16位，若采样电压满量程为5V，电流满量程为0.5A，则可辨识到小于0.1mV的电压和0.01mA的电流。
可以理解的是，由于临近空间特殊的低气压环境和太阳的持续照射，太阳电池温度难以控制在目标温度（例如25℃），因此还需要实时记录温度测量数据，该温度测量数据可以用于后标定结果的修正。在测量结束后回收被测太阳电池，可以基于温度测量数据对测量数据进行修正从而获得一级AM0标准片，能够提高标定结果的准确性。
可以理解的是，相关技术中，在高空标定中使用的电测量装置与地面实验室复现时使用的电测量装置不同，并且是分离的，例如在交付用户时，只将进行过飞行标定的一级标准电池片和其标定值给到用户，用户在使用该一级标准电池片校准太阳光模拟器时，是通过实验室的电测量装置测量标准片的输出值和标定值对比来复现AM0太阳光，可见即便采用同样的标定值作为参考，也势必会引入由仪器测量误差所造成的不确定度因素。而本发明提供的空间太阳电池测量系统，能够集成在一块测量板（实际测量板的尺寸可以控制在小于8cm×6cm）之上，通过高空飞行标定后，该测量板与其相应的标定结果形成一级标准测量单元，可用于在地面实验室直接校准AM0光源。相比于常规的高空标定，本发明能够避免标准传递过程中由电测量装置不同而引起的不确定度分量，可显著提高由高空标定一级AM0标准电池校准地面太阳模拟器AM0光源的准确性。
本发明提供的空间太阳电池测量系统，通过变电流扫电压的方式对待标定电池进行测量，能够避免通过对待标定电池充放电来进行测量，能够实现高效地对太阳电池进行空间AM0原位标定。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，所述电流采样模块包括第一采样电阻和电压跟随器，所述第一采样电阻的第一端与所述电子负载的第二负载端电连接，所述第一采样电阻的第二端接地；
所述电压跟随器用于采集所述第一采样电阻两端的电压，并输出第一采样模拟量至所述模数转换模块，所述第一采样模拟量用于表征所述待标定电池的电流。
具体地，电压跟随器可以通过采集第一采样电阻两端的电压，以实现采样待标定电池的电流，并可以输出电流的第一采样模拟量至模数转换模块，进而信号处理模块可以通过模数转换模块获取电流采样数据，进而通过数据转换处理，可以确定电流测量数据。
可选地，图2是本发明提供的电流采样模块的结构示意图，如图2所示，第一放大模块104的输出端连接至MOS管Q1（作为可控电子负载105）的栅极（也即电子负载105的控制端），待标定电池110的正极连接至MOS管的源极（也即电子负载105的第一负载端），待标定电池110的负极连接至5V电源，MOS管的漏极（也即电子负载105的第二负载端）与第一采样电阻的第一端连接，第一采样电阻的第二端接地，电压跟随器201与第一采样电阻并联。
可以理解的是，如图2所示，将5V电源正极和待标定电池110的负端PV-相连，为其提供偏置电压和补偿采样电阻两端电压，待标定电池110的正极PV+连接到MOS管的源极上。
可以理解的是，如图2所示，第一放大模块104可以包括放大器及其外围电路，外围电路可以包括电阻R1、电阻R2、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4，其中，电阻R1的第一端与数模转换模块103的模拟输出端电连接，电阻R1的第二端与放大器的正输入端电连接，电阻R6的第一端与电阻R1的第二端电连接，电阻R6的第二端接地，电阻R7的第一端与放大器的负输入端电连接，电阻R7的第二端与MOS管的漏极电连接，电容C1的第一端与放大器的正电源端电连接，电容C1的第二端接地，电容C2的第一端与放大器的负电源端电连接，电容C2的第二端接地，电容C3的第一端与放大器的负输入端电连接，电容C3的第二端与放大器的输出端电连接，电阻R1的第一端与放大器的输出端电连接，电阻R1的第二端与MOS管的栅极电连接。
可以理解的是，信号处理模块可以输出0-2600mV的数字电压（也即目标数字量），经数模转换模块103转换成模拟电压后输出至第一放大模块104，经过分压后接到放大器的正端，其中电容用来对干扰信号进行过滤，且放大器和MOS管组成了射极跟随器，具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，起到了隔离阻抗变换的作用，放大系数设置为1，运放的负端接电阻后连接到了MOS管的漏极处，使分压后的电压直接加在第一采样电阻（可以为3欧的采样电阻）的两端，有效地避免MOS管栅极与漏极之间导通压降的影响，漏极连接着高精度第一采样电阻，使采样精度更高。
可选地，电压跟随器可以包括电容、电阻和运算放大器，通过电压跟随器可以采集第一采样电阻两端的电压，并输出第一采样模拟量至模数转换模块。
因此，通过第一采样电阻和电压跟随器，可以采样待标定电池的电流，进而信号处理模块可以通过模数转换模块获取电流采样数据并进行数据转换，以实现测量待标定电池的电流。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，所述电压采样模块包括第二采样电阻与运算放大单元，所述第二采样电阻的第一端与所述待标定电池的正极电连接，所述第二采样电阻的第二端与所述待标定电池的负极电连接；
所述运算放大单元用于采集所述第二采样电阻两端的电压，并输出第二采样模拟量至所述模数转换模块，所述第二采样模拟量用于表征所述待标定电池的电压。
具体地，运算放大单元可以通过采集第二采样电阻两端的电压，以实现采样待标定电池的电压，并可以输出电压的第二采样模拟量至模数转换模块，进而信号处理模块可以通过模数转换模块获取电压采样数据，进而通过数据转换处理，可以确定电压测量数据。
可选地，图3是本发明提供的电压采样模块的结构示意图，如图3所示，第二采样电阻R14的第一端与待标定电池110的正极电连接，第二采样电阻R14的第二端与待标定电池110的负极电连接，运算放大单元用于采集第二采样电阻R14两端的电压，并输出第二采样模拟量至模数转换模块109。
可选地，如图3所示，运算放大单元可以包括放大器、电阻R12、电阻R13、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C6和电容C7，其中，电阻R13的第一端与第二采样电阻R14的第一端电连接，电阻R13的第二端与放大器的正输入端电连接，电阻R12的第一端与第二采样电阻R14的第二端电连接，电阻R12的第二端与放大器的负输入端电连接，电阻R16和电容C7以并联方式连接在放大器的正输入端，电阻R15和电容C6以并联方式跨接在放大器的负输入端与输入端之间，电阻R17的第一端与放大器的输出端电连接，电阻R17的第二端接地。
因此，通过第二采样电阻和运算放大单元，可以采样待标定电池的电压，进而信号处理模块可以通过模数转换模块获取电压采样数据并进行数据转换，以实现测量待标定电池的电压。
可选地，图4是本发明提供的电路板结构布局示意图，如图4所示，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，还包括金属导热板401，所述金属导热板401设置于所述测量板101与所述待标定电池110之间，所述温度采集模块108包括第二放大模块402和片状的第一温度传感器403，所述第二放大模块402固定于所述测量板101上，所述第一温度传感器403贴敷于所述金属导热板401的目标面，所述目标面为金属导热板401的朝向所述待标定电池110的一面，所述第一温度传感器403与所述待标定电池110相接触；
所述第二放大模块402用于采集所述第一温度传感器403两端的电压，并输出第三采样模拟量至所述模数转换模块109，所述第三采样模拟量用于表征所述待标定电池110的温度。
具体地，第二放大模块402可以通过采集第一温度传感器403两端的电压，以实现采样待标定电池的温度，并可以输出温度的第三采样模拟量至模数转换模块，进而信号处理模块可以通过模数转换模块获取温度采样数据，进而通过数据转换处理，可以确定温度测量数据。
可以理解的是，由于在进行空间太阳电池标定过程中，高空气球从地面到达海拔35km的临近空间进行标定工作，环境温度大概变化范围为-60℃~+50℃，为了准确地记录太阳电池在标定过程中电池工作性能与温度的关系，空间太阳电池测量系统可以采用分层设计，分为待标定电池所处的第一层、金属导热板401所处的第二层和测量板101所处的第三层，片状的第一温度传感器403可以设置于金属导热板401与待标定电池之间并与待标定电池相接触，通过片状的第一温度传感器403和金属导热板401相结合，可以增加待标定电池与第一温度传感器403之间的热传导效率，能够提高温度测量的准确性。
可选地，金属导热板401可以采用铝芯印刷电路板。
可选地，第一温度传感器403可以采用片状的PT1000铂电阻。PT1000铂电阻的阻值跟温度的变化成正比，PT1000铂电阻的阻值与温度变化关系为：当PT1000铂电阻温度为0℃时，PT1000铂电阻的阻值为1000欧姆，在100℃时PT1000铂电阻的阻值约为1385.005欧姆。PT1000铂电阻的工作原理：阻值会随着温度上升而成匀速增长。相比于传统热敏电阻（互换性差、非线性严重、测温范围小的缺点），PT1000铂电阻有着更好的长期稳定性和更好的温度循环性能，更宽的温度范围以及高测量精度和线性度。
可选地，图5是本发明提供的温度采集模块的结构示意图，如图5所示，第二放大模块402可以采集PT1000铂电阻两端的电压，并输出第三采样模拟量至模数转换模块109。第二放大模块402可以包括放大器、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电容C8和电容C10，其中，PT1000铂电阻的第一端（PT1000铂电阻的热端）与放大器的正输入端电连接，PT1000铂电阻的第二端（PT1000铂电阻的冷端）接2.5V电源，电阻R18的第一端接5V电源，电阻R18的第二端与放大器的正输入端电连接，电阻R19的第一端接5V电源，电阻R19的第二端与放大器的负输入端电连接，电容C8的第一端与放大器的正输入端电连接，电容C8的第二端接2.5V电源，电阻R20的第一端与放大器的负输入端电连接，电阻R20的第二端接2.5V电源。放大器采用5V供电和2.5V电源提供参考电压，通过电阻和放大器组成一个减法电路，能够精确地输出采样电压（也即第三采样模拟量）。
因此，通过第一温度传感器和第二放大模块，可以采样待标定电池的温度，进而信号处理模块可以通过模数转换模块获取温度采样数据并进行数据转换，以实现测量待标定电池的温度。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，所述测量板还包括温度控制模块，所述温度控制模块包括驱动单元、制冷制热器和第二温度传感器；
所述信号处理模块与所述驱动单元的输入端电连接，所述驱动单元的输出端与所述制冷制热器的控制端电连接；
所述第二温度传感器用于采集所述待标定电池的第二温度；
所述信号处理模块用于基于所述第二温度和目标温度，输出目标控制信号至所述驱动单元；
所述驱动单元用于基于所述目标控制信号，驱动所述制冷制热器进行制冷或制热。
可以理解的是，在执行太阳电池测量过程中，需要控制温度调节单元来保证该太阳电池的温度能够维持在预设温度范围内，以使得太阳电池在临近空间低温低气压环境下的温度仍处于太阳电池的标准测试条件下。
具体地，图6是本发明提供的温度控制模块的结构示意图，如图6所示，温度控制模块111包括驱动单元601、制冷制热器602和第二温度传感器603，制冷制热器602基于信号处理模块102下发的指令对太阳电池进行制冷或制热，第二温度传感器603用于监控制冷制热器602的制冷或制热效果，测量太阳电池的温度并将实时温度反馈到信号处理模块102，以供信号处理模块102基于实时温度向制冷制热器602下发指令，即此处信号处理模块102进行闭环控制。
可选地，制冷制热器602可以是TEC组件。
因此，通过信号处理模块基于待标定电池的温度，输出控制信号至驱动单元，以驱动制冷制热器进行制冷或制热，能够实现自动化地调节待标定电池的温度至目标温度。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，所述测量板还包括存储模块，所述存储模块包括：安全数码SD卡和带电可擦可编程只读存储器EEPROM；
所述信号处理模块用于：
将所述电流测量数据、所述电压测量数据和所述温度测量数据转存至SD卡和EEPROM。
可以理解的是，通过将测量数据同时转存至SD卡和带电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable read only memory，EEPROM），实现对测量数据的双备份，避免测量数据意外丢失。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，还包括工控机，所述信号处理模块与所述工控机电连接；
所述信号处理模块用于通过串口通信方式将所述电流测量数据、所述电压测量数据和所述温度测量数据转发至所述工控机；
所述工控机用于将所述电流测量数据、所述电压测量数据和所述温度测量数据，通过无线通信方式，下发到地面接收站。
可以理解的是，通过工控机将测量数据实时地下发至地面接收站，能够实现地面接收站实时地监控空间太阳电池的测量过程。
可选地，工控机可以通过U频，将电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据，下发至地面接收站。
可选地，根据本发明提供的一种空间太阳电池测量系统，还包括太阳追踪平台，所述太阳追踪平台包括单轴舵机、测试平台和光电传感器，所述测量板和所述光电传感器搭载于所述测试平台上，所述信号处理模块与所述单轴舵机的控制端电连接，所述信号处理模块与所述光电传感器的信号输出端电连接；
所述单轴舵机用于调节所述测试平台的仰俯角；
所述光电传感器用于采集太阳光的光照信息；
所述信号处理模块用于基于所述光照信息和目标光照条件，控制所述单轴舵机动作。
具体地，可以将测量板和光电传感器搭载于所述测试平台上，光电传感器可以采集太阳光的光照信息，测量板上的信号处理模块可以比较光照信息和目标光照条件，生成控制指令以控制单轴舵机动作，进而可以调整测量板的仰俯角，以使测量板上搭载的待标定电池处于或接近目标光照条件。
可选地，目标光照条件可以是待标定电池处于AM0直射的状态。
可选地，图7是本发明提供的太阳追踪平台的结构示意图，图8是本发明提供的太阳追踪平台的工作流程示意图，如图7和图8所示，太阳追踪平台700包括单轴舵机701、测试平台702和光电传感器703。
可以理解的是，太阳电池的高空气球标定需要在海拔35km的高空环境中进行，期间要保证待标定电池始终稳定的正对太阳直射光，来确保测量板获得足够数量的数据和有效性。而高空气球在平飞过程中受到风力扰动、低温低气压等严苛环境因素，使测量板存在上下浮动、自旋转、平飞等复杂运动形式。区别于传统的双轴控制，本发明提供的太阳追踪平台700采用方位轴固定，仅对俯仰轴704（如图7所示）进行单轴舵机701控制，而方位轴随平台自由旋转，单舵机相比于双步进电机重量会减轻，结合一体式测量板，整个空间太阳电池测量系统的重量较轻、成本较低，需要的配重较轻，仅需使用较小的高空气球即可完成，甚至可以使用用于探空的乳胶球来进行飞行试验，配合卫星定位系统，可以实现单人一天内快速部署、发放以回收空间太阳电池测量系统。
因此，通过基于光照信息控制单轴舵机动作，能够调整测量板的仰俯角至合适值，以使测量板上搭载的待标定电池处于或接近目标光照条件，保证在指定的光照条件下对待标定电池进行测量。
本发明提供的空间太阳电池测量系统，通过信号处理模块基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出目标数字量至数模转换模块，经由数模转换模块转换成模拟信号后，接入第一放大模块进行放大及滤波，放大及滤波之后的模拟信号接入电子负载的控制端，随着目标数字量的变化，电子负载的导通量也随之变化，进而流过待标定电池的电流也随之变化，随着待标定电池的电流变化，待标定电池的电压也随之改变，以变电流扫电压的方式对待标定电池进行测量，进而信号处理模块可以通过模数转换模块获取电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据，进而通过数据转换处理，可以确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据，避免通过对待标定电池充放电来进行测量，能够实现高效地对太阳电池进行空间AM0原位标定。
图9是本发明提供的空间太阳电池测量方法的流程示意图之一，如图9所示，所述方法的执行主体可以是信号处理模块。该方法包括：
步骤901，基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出所述目标数字量至所述数模转换模块；
步骤902，接收所述模数转换模块输出的电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据；
步骤903，基于所述电流采样数据、所述电压采样数据和所述温度采样数据，进行数据转换处理，确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据。
具体地，通过信号处理模块基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出目标数字量至数模转换模块，经由数模转换模块转换成模拟信号后，接入第一放大模块进行放大及滤波，放大及滤波之后的模拟信号接入电子负载的控制端，随着目标数字量的变化，电子负载的导通量也随之变化，进而流过待标定电池的电流也随之变化，随着待标定电池的电流变化，待标定电池的电压也随之改变，以变电流扫电压的方式对待标定电池进行测量。
可选地，可以通过数模转换模块所输出电压的调整来调节的电子负载，数模转换模块所输出电压从最小到最大值变化过程中，电子负载也对应变化，从而实现“变电流”的功能。预设步长增加次数可以为1000次，每次按预设步长控制目标数字量增加之后，均对待标定电池进行温度采集、电压采集和电流采集，可以每十组数据存储其中一组，即每条I-V曲线可以由100个数据点构成。
本发明提供的空间太阳电池测量方法，信号处理模块通过模数转换模块可以获取电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据，进而通过数据转换处理，可以确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据，通过变电流扫电压的方式对待标定电池进行测量，能够避免通过对待标定电池充放电来进行测量，能够实现高效地对太阳电池进行空间AM0原位标定。
可选地，所述温度采集模块为采用热敏电阻进行温度采样的模块，所述温度采样数据包括多个电压采样值，所述电压采样值用于表征所述待标定电池的温度，所述基于所述电流采样数据、所述电压采样数据和所述温度采样数据，进行数据转换处理，确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据，包括：
基于预设电压电阻对应关系和所述多个电压采样值，进行数值转换处理，确定多个电阻采样值；
基于预设电阻温度对应关系表和所述多个电阻采样值，通过插值计算，确定多个待修正的温度值；
基于所述多个待修正的温度值，通过加权系数滤波处理，确定所述温度测量数据。
具体地，温度测量数据用于后标定结果的修正，温度测量数据的准确性决定后标定结果的修正效果，为了保证温度测量数据的准确性，可以基于预设电压电阻对应关系和多个电压采样值，进行数值转换处理，确定多个电阻采样值，进而可以基于预设电阻温度对应关系表，对多个电阻采样值进行插值处理，插值处理之后可以确定多个待修正的温度值，进而可以通过加权系数滤波方式，对多个待修正的温度值进行修正，能够提高温度测量数据的准确性。
可以理解是，温度采集模块中的传感器（例如PT1000铂电阻）有着特定的阻值温度对应关系表，也即预设电阻温度对应关系表，该关系表表征多个预设电阻值与多个预设温度值之间的对应关系，例如，该关系表包括多个预设电阻值R21、R22、R23、R24和R25，还包括多个预设温度值T1、T2、T3、T4和T5，其中R21对应于T1，R22对应于T2，R23对应于T3，R24对应于T4，R25对应于T5。
可选地，对于某一个电阻采样值，可以通过以下插值计算公式确定该电阻采样值对应的温度值（待修正的温度值）：
；
其中，表示电阻采样值，大于且小于，和是预设电阻温度对应关系表中的预设电阻值，和是预设电阻温度对应关系表中的预设温度值，对应于，对应于，是对应的温度值（待修正的温度值）。
可选地，在确定多个待修正的温度值之后，可以基于各待修正的温度值对应的采样时刻，按时序对多个待修正的温度值进行排序，获取待修正的温度值序列，进而可以基于预设加权系数，对待修正的温度值序列中每个待修正的温度值进行加权系数滤波处理，获取修正后的温度值，具体可以通过以下加权系数滤波公式获取修正后的温度值。
；
其中，为待修正的温度值序列中的第个待修正的温度值，为待修正的温度值序列中的第个待修正的温度值，和为预设加权系数，为对进行加权系数滤波处理所获取的修正后的温度值。
可以理解的是，通过上述加权系数滤波处理，能够防止某一次数据波动对最终结果的影响。
可选地，图10是本发明提供的空间太阳电池测量方法的流程示意图之二，如图10所示，空间太阳电池测量方法包括步骤1001至步骤1007。
步骤1001，基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出目标数字量至数模转换模块。
步骤1002，接收模数转换模块输出的电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据。
步骤1003，基于电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据，进行数据转换处理，确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据。
步骤1004，基于多个电压测量值和多个电流测量值，通过数据拟合，可以确定待标定电池的I-V特性曲线。
步骤1005，基于所确定的I-V特性曲线，可以选取I-V特性曲线的第一组数据作为开路电压。
步骤1006，基于所确定的I-V特性曲线，可以遍历I-V特性曲线，寻找电压值小于1mV的点，认定为短路电流，若没有，则认定最后一组数据为短路电流。
步骤1007，基于I-V特性曲线、开路电压和短路电流，可以确定待标定电池的标定结果。
本发明提供的空间太阳电池测量方法，信号处理模块通过模数转换模块可以获取电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据，进而通过数据转换处理，可以确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据，通过变电流扫电压的方式对待标定电池进行测量，能够避免通过对待标定电池充放电来进行测量，能够实现高效地对太阳电池进行空间AM0原位标定。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种空间太阳电池测量系统，其特征在于，包括：测量板，所述测量板包括信号处理模块、数模转换模块、第一放大模块、电子负载、电流采样模块、电压采样模块、温度采集模块和模数转换模块；
所述信号处理模块与所述数模转换模块的数字输入端电连接，所述数模转换模块的模拟输出端与所述第一放大模块的输入端电连接，所述第一放大模块的输出端与所述电子负载的控制端电连接，所述电子负载的第一负载端与待标定电池的正极电连接，所述电子负载的第二负载端与所述电流采样模块电连接，所述电压采样模块与所述待标定电池并联，所述温度采集模块用于采集所述待标定电池的第一温度；
所述电流采样模块的输出端、所述电压采样模块的输出端和所述温度采集模块的输出端与所述模数转换模块的模拟输入端电连接，所述模数转换模块的数字输出端与所述信号处理模块电连接；
所述信号处理模块用于：
基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出所述目标数字量至所述数模转换模块；
接收所述模数转换模块输出的电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据；
基于所述电流采样数据、所述电压采样数据和所述温度采样数据，进行数据转换处理，确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据。
2.根据权利要求1所述空间太阳电池测量系统，其特征在于，所述电流采样模块包括第一采样电阻和电压跟随器，所述第一采样电阻的第一端与所述电子负载的第二负载端电连接，所述第一采样电阻的第二端接地；
所述电压跟随器用于采集所述第一采样电阻两端的电压，并输出第一采样模拟量至所述模数转换模块，所述第一采样模拟量用于表征所述待标定电池的电流。
3.根据权利要求1所述空间太阳电池测量系统，其特征在于，所述电压采样模块包括第二采样电阻与运算放大单元，所述第二采样电阻的第一端与所述待标定电池的正极电连接，所述第二采样电阻的第二端与所述待标定电池的负极电连接；
所述运算放大单元用于采集所述第二采样电阻两端的电压，并输出第二采样模拟量至所述模数转换模块，所述第二采样模拟量用于表征所述待标定电池的电压。
4.根据权利要求1所述空间太阳电池测量系统，其特征在于，还包括金属导热板，所述金属导热板设置于所述测量板与所述待标定电池之间，所述温度采集模块包括第二放大模块和片状的第一温度传感器，所述第二放大模块固定于所述测量板上，所述第一温度传感器贴敷于所述金属导热板的目标面，所述目标面为金属导热板的朝向所述待标定电池的一面，所述第一温度传感器与所述待标定电池相接触；
所述第二放大模块用于采集所述第一温度传感器两端的电压，并输出第三采样模拟量至所述模数转换模块，所述第三采样模拟量用于表征所述待标定电池的温度。
5.根据权利要求1所述空间太阳电池测量系统，其特征在于，所述测量板还包括温度控制模块，所述温度控制模块包括驱动单元、制冷制热器和第二温度传感器；
所述信号处理模块与所述驱动单元的输入端电连接，所述驱动单元的输出端与所述制冷制热器的控制端电连接；
所述第二温度传感器用于采集所述待标定电池的第二温度；
所述信号处理模块用于基于所述第二温度和目标温度，输出目标控制信号至所述驱动单元；
所述驱动单元用于基于所述目标控制信号，驱动所述制冷制热器进行制冷或制热。
6.根据权利要求1所述空间太阳电池测量系统，其特征在于，所述测量板还包括存储模块，所述存储模块包括：安全数码SD卡和带电可擦可编程只读存储器EEPROM；
所述信号处理模块用于：
将所述电流测量数据、所述电压测量数据和所述温度测量数据转存至SD卡和EEPROM。
7.根据权利要求1所述空间太阳电池测量系统，其特征在于，还包括工控机，所述信号处理模块与所述工控机电连接；
所述信号处理模块用于通过串口通信方式将所述电流测量数据、所述电压测量数据和所述温度测量数据转发至所述工控机；
所述工控机用于将所述电流测量数据、所述电压测量数据和所述温度测量数据，通过无线通信方式，下发到地面接收站。
8.根据权利要求1-7任一项所述空间太阳电池测量系统，其特征在于，还包括太阳追踪平台，所述太阳追踪平台包括单轴舵机、测试平台和光电传感器，所述测量板和所述光电传感器搭载于所述测试平台上，所述信号处理模块与所述单轴舵机的控制端电连接，所述信号处理模块与所述光电传感器的信号输出端电连接；
所述单轴舵机用于调节所述测试平台的仰俯角；
所述光电传感器用于采集太阳光的光照信息；
所述信号处理模块用于基于所述光照信息和目标光照条件，控制所述单轴舵机动作。
9.一种空间太阳电池测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8任一项所述空间太阳电池测量系统，包括：
基于预设步长和预设步长增加次数，控制目标数字量逐步增加，并输出所述目标数字量至所述数模转换模块；
接收所述模数转换模块输出的电流采样数据、电压采样数据和温度采样数据；
基于所述电流采样数据、所述电压采样数据和所述温度采样数据，进行数据转换处理，确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据。
10.根据权利要求9所述空间太阳电池测量方法，其特征在于，所述温度采集模块为采用热敏电阻进行温度采样的模块，所述温度采样数据包括多个电压采样值，所述电压采样值用于表征所述待标定电池的温度，所述基于所述电流采样数据、所述电压采样数据和所述温度采样数据，进行数据转换处理，确定电流测量数据、电压测量数据和温度测量数据，包括：
基于预设电压电阻对应关系和所述多个电压采样值，进行数值转换处理，确定多个电阻采样值；
基于预设电阻温度对应关系表和所述多个电阻采样值，通过插值计算，确定多个待修正的温度值；
基于所述多个待修正的温度值，通过加权系数滤波处理，确定所述温度测量数据。
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Citations (5)
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| CN103207363A (zh) * | 2013-04-21 | 2013-07-17 | 南昌航空大学 | 一种测量太阳电池参数的仪器 |
| US20140129164A1 (en) * | 2012-11-02 | 2014-05-08 | Analog Devices Technology | System and method to reduce data handling on lithium ion battery monitors |
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-
2023
- 2023-03-30 CN CN202310325517.7A patent/CN116032215B/zh active Active
Patent Citations (5)
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| CN116032215B (zh) | 2023-07-14 |
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