空间用太阳电池阵双回路型剩磁消除方法研究

张肖君，林君毅，尹兴月，苏 彬

(中国电子科技集团有限公司第十八研究所，天津 300384)

对于近地卫星来说，卫星利用磁强计与其他姿态敏感期的测量能确定其姿态[1-2]。星体如果因为一些原因残留较大的剩磁[3]，一方面,剩磁会严重影响磁强计的地磁测量，会降低卫星姿态确定的精度；同时，剩磁矩与地磁场作用产生一个较大的干扰力矩，且随时间积累使卫星偏离定向姿态[4]。

为保证近地卫星姿态的稳定控制，卫星的研制对剩磁提出了严格的要求，尤其一些对磁敏感有特殊用途的卫星。太阳电池阵作为卫星的重要组成部分，展开后的面积往往是卫星截面积的数倍以上，太阳电池阵工作态时剩磁的大小对卫星能否正常工作存在重要的影响。

太阳电池阵安装于太阳电池基板表面，正面粘贴太阳电池，光照期将太阳能转换为电能，背面安装功率传输线缆，将电能传输于星体内为卫星负载提供电能。影响太阳电池阵剩磁量的因素主要有[5]：

(1)太阳电池正面电路的构型；

(2)太阳电池背面电路引线及线缆布局。

目前我国不同空间轨道的卫星太阳电池阵大都只考虑正面电路的构型对剩磁的影响，其中通信卫星大都采用高压太阳电池阵(100 V)，需要六十多片太阳电池并联才能满足电压的使用要求。由于太阳电池板尺寸限制，单并太阳电池串需要打折，在太阳电池回折内部形成磁矩，为了减少整个太阳电池阵的剩磁，需要对正面电路进行合理布局，将正面电路的剩磁尽力降到最低。但是该高压卫星太阳电池阵背面线缆的剩磁却无法消除。

对于中低轨道卫星太阳电池，电压选择范围较大，从28～100 V，剩磁消除方法可以综合考虑太阳电池正面电路构型、太阳电池背面电路引线及线缆布局的影响，尤其一些对磁敏感的卫星大都处于中低轨轨道。

1 太阳电池阵剩磁消除方法简介

目前工程应用中通常采用两种方法来消除太阳电池阵的剩磁。

(1)“镜面映射”剩磁消除方法

根据消除剩磁的镜像映射原理，太阳电池电路采取“镜面映射”方式布置，太阳电池阵引线及线缆采用双绞线设计。图1 为镜面映射布局示意图。

图1 镜面映射布局示意图

上述太阳电池片布局采用双镜面映射补偿方式布片，正面剩磁基本可消除，该方法忽略了背面电缆未绞合部分的剩磁消除，研究表明[6]背面线缆走向和分布对太阳电池阵剩磁有明显的影响。

该布片方式的缺点为：(a)采用回折布线方式，在串间引入压差，在轨有发生静电放电失效的可能；(b)增加了汇流条和走线位置，基板有效面积利用率降低的前提下增大了太阳电池阵生产工作量；(c)背面无法进行双绞合布线的线缆剩磁无法消除。

(2)单回线型剩磁消除方法

该方法中，太阳电池串的回线位于太阳电池中心位置的背面，采用平衡电流的方法来消除正背面的回路产生的剩磁[5]。图2 为单回线型剩磁消除法示意图

图2 单回线型剩磁消除法示意图

该方法的优点是背面线缆未绞合部分和正面太阳电池片之间形成回路，剩磁相互抵消；缺点为太阳电池阵基板存在一定厚度，会产生一个与基板面平行的剩磁无法消除，且当电池串或在回路中存在开路失效时，可能会引起回路电流的不平衡，从而导致剩磁增加。

2 双回路剩磁消除法研究

针对章节1 提出的两种传统剩磁消除方法的不足，本文提出了一种基于回线型剩磁消除方法的空间用太阳电池阵双回路剩磁消除方法。其中回路模块A 及回路模块B 由n并太阳电池串组成，回路模块A 及回路模块B 背面引线均位于模块中线。该方法的正面电路和背面电路示意图见图3～4。

图3 双回路剩磁消除法电池面示意图

图5 为回路模块A 和模块B 中第m、第(n-m)(m=0～n)串太阳电池回路剩磁示意图。

图4 双回路剩磁消除法电缆面示意图

图5 双回路剩磁消除法剩磁示意图

假设回路模块A 的电流为IA且均匀分布，宽为bA，长为LA；回路模块B 的电流为IB，且均匀分布，宽为bB，长为LB，基板的厚度为d。根据上述的设计可以得出，回路模块A 中回路Am及回路A(n-m)，产生如图5 所示剩磁RM[(Am)]和RM[A(n-m)]，方向如图5 所示。

剩磁的定义为环形电流与其所围成面积的乘积，即I·S，其中I为电池电路的电流，S为电流回路所包围的面积。剩磁的方向按右手法则，四个手指的方向为电流流动方向，拇指所指的方向为剩磁方向。

由剩磁的定义可以得出：

式中：RM(Am)为回路Am的剩磁;RM[A(n-m)]为回路模块A(n-m)的剩磁；IA为回路模块A 的总电流。

可将RM分解为垂直于基板的剩磁RM⊥和平行于基板面的剩磁RM//，得出：

由式(1)～(6)可以得出，回路Am及回路A(m-n)产生的剩磁为：

由式(7)及式(8)可以得出，回路模块A 的剩磁为：

方向为平行于基板向右。同理可以得出回路模块B 的剩磁为：

方向为平行于基板向左。

由式(9)、(10)可以得出，在太阳电池阵设计时，合理分配模块A 及模块B 的尺寸及匹配电流大小，就可以保证回路模块A 和回路模块B 产生的剩磁最大限度地抵消。

当回路模块A 或回路模块B 存在开路失效时，同样会破坏回路模块内部的电流分配平衡，从而导致电路剩磁增加。可以采取一种细化电流分布的方法来预防该故障的发生，主要包括以下几个方面：

(1)当回路模块并联数目较多时，将回路模块划分为多个子模块；

(2)每个子模块内相邻太阳电池片间进行串并相连；

(3)每个子模块的正负极都采用双点双线引出。

在有效消除剩磁的同时，组成太阳电池阵的单元回路模块内电池串间压差为0，回路模块间存在一个太阳电池阵工作态压差，当太阳电池阵工作电压较高时(＞50 V)，模块间存在静电放电的可能。通过采用以下电路设计方法，从根本上减少双回路剩磁消除太阳电池阵在轨发生静电放电失效的可能性，提高太阳电池阵在轨运行的可靠性：

(1)合理设计模块之间间距，增加模块间静电放电的阈值电压；

(2)太阳电池阵模块间防静电放电工艺实施，如涂覆硅橡胶；

(3)太阳电池阵模块正极串联隔离二极管，进行模块间故障隔离。

3 本设计验证的相关数据

我国通信卫星大都采用“镜面映射”剩磁消除方法，在考虑消除剩磁的同时，为了兼顾电池串间电压限制(＜50 V)，太阳电池阵单元模块采用多折回路的方式，为了将剩磁消除到最小，对基板尺寸的要求比较高。某中轨卫星太阳电池阵采用单回线型剩磁消除方法。

为了真实体现双回路剩磁消除法的优势，以某中轨卫星太阳电池阵为例，对剩磁计算结果进行比对，见图6～8。

图6 “镜面映射”剩磁消除方法

理论剩磁计算，建立在以下假设中：

(1)不考虑补片区域的剩磁；

(2)不考虑正负线缆绞合部分的剩磁；

(3)采用的太阳电池片的工作电流均一致。

上述例子中采用尺寸为40 mm×60 mm 的太阳电池作为发电单元，单串太阳电池的电流为0.4 A，太阳电池板尺寸为1 500 mm×1 180 mm×23 mm。

根据剩磁的定义，环形电流与其所围成面的乘积，即I·S，得出“镜面映射”剩磁消除方法正面剩磁的分布如图9 所示，正面电路的剩磁为0,不考虑背面线缆的剩磁。

图7 单回线型剩磁消除方法

图8 双回路型剩磁消除方法

图9 “镜面映射”剩磁消除方法剩磁示意图

根据章节2 的计算方法得出，采用单回线型剩磁消除方法见图10 所示。

图10 单回线型剩磁消除方法剩磁示意图

为了更加直观地表征剩磁的分布，将基板厚度扩大显示，其中绿色的线条为每串太阳电池串正面电流方向与背面电流方向的垂直连线，紫色为每串太阳电池串回路的剩磁方向，每条紫色的剩磁可以分解成垂直与基板面(向上或向下)和平行于基板面向右的分剩磁，蓝色的箭头为每串太阳电池电路平行于基板向右的分剩磁，其中垂直于基板面向上和向下的剩磁大小相等方向相反，相互抵消，平行于基板面向右的剩磁大小采用等效电流法计算：

式中：BZ=BY=0.375 m；H=0.023 m；L=1.18 m；IZ=IY=4.8 A；sinθZ=sinθY=0.06。代入式(11)得出：

根据章节2 的计算方法得出，采用双回线型剩磁消除方法见图11 所示。

图11 双回路型剩磁消除方法剩磁示意图

为了更加直观地表征剩磁的分布，将基板厚度扩大显示，其中绿色的线条为每串太阳电池正面电流方向与背面电流方向的垂直连线，紫色为每串太阳电池回路的剩磁方向，每条紫色的剩磁可以分解成垂直与基板面(向上或向下)和平行于基板面(向左或向右)的分剩磁，蓝色的箭头为每串太阳电池电路平行于基板(向左向右)的分剩磁，其中垂直于基板面向上和向下的剩磁大小相等方向相反，相互抵消，平行于基板面向左和向右的剩磁大小相等方向相反，相互抵消，因此剩磁为0。

由以上分析可以得出，以中轨某型号为例，采用“镜面映射”剩磁消除方法正面电路剩磁为0，采用单回线型剩磁消除方法，单板正背面剩磁为0.255 A·m2,采用双回路型剩磁消除方法，单板正背面剩磁为0。

综上，理论计算得出，采用双回路型剩磁消除方法，剩磁可以实现最小化。

4 结论

本文通过分析“镜面映射”剩磁消除方法及单回线型剩磁消除方法的应用不足，提出了一种基于回路剩磁消除的双回路剩磁消除方法，在合理分配双回路模块的布局及电池匹配的前提下，该方法可以将回路中的剩磁最大限度地消除，并提出了如何降低该方法在轨发生静电放电失效的可能。

本文所述方法从理论上可以最大限度地减小太阳电池阵回路中的剩磁，实际应用中还需考虑电路分配方式，太阳电池阵在轨工作模式，实际基板尺寸承载能力等因素的影响。