太阳电池光伏组件旁路二极管检测方法的探讨

焦黎斌， 王 男， 李 钏

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

太阳电池光伏组件旁路二极管检测方法的探讨

焦黎斌， 王 男， 李 钏

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

太阳电池阵是卫星的关键部分，负责为整星在光照期供电和为储能装置充电，太阳电池阵的质量和可靠性直接决定着卫星的可靠性，提出了针对目前广泛使用的高效率三结砷化镓太阳电池阵的旁路二极管的检测方法，通过遮挡电池片的方法检测太阳电池阵列的I-V曲线，判断旁路二极管的好坏。

太阳电池阵；旁路二极管；I-V曲线

在整个卫星系统中，电源系统承担着重要的角色，其中太阳电池阵更是重中之重，负责在光照期为负载供电，同时为卫星电源储能装置充电。

太阳电池片已经广泛应用于卫星供电系统，太阳电池阵的可靠性直接关系到卫星发射的成败，在目前卫星太阳电池阵验收时只针对太阳电池阵的输出隔离二极管性能进行检查，对集成于太阳电池片上的三结砷化镓旁路二极管未进行测试，由于旁路二极管的存在，当某个太阳电池片被遮挡或出出现故障时，该二极管两端形成正向偏压，不会阻碍其它组件的工作而导致整串太阳电池阵损失。根据三结砷化镓太阳电池阵工作原理，当一片电池片受到遮挡时，整个太阳电池阵组件输出的I-V曲线会发生变化，根据I-V曲线的变化判断旁路二极管是否正常工作。针对这种情况，同时结合FY-2太阳电池阵的实际情况，对三结砷化镓太阳电池阵的旁路二极管的检测方法进行探讨。

1 三结砷化镓太阳电池阵等效电路分析

1.1 太阳电池阵等效电路

目前卫星太阳电池阵上的每一片三结砷化镓太阳电池片都并联一个旁路二极管，当太阳电池片被遮挡或电池片开路时，整个光伏组件的电流可以通过旁路二极管继续为整星供电，只损失一片太阳电池片的功率输出。图1为太阳电池阵等效电路图[1]。

太阳电池阵正常工作时，输出近似于恒流源，太阳电池片由光生电源、二极管、串联电阻s、并联内阻p等组成，太阳电池的I-V特性曲线与太阳辐射强度、电池温度有着密切关系，即=(,,)，从等效电路中可以得出：

图1 太阳电池组件等效电路示意图

由图1可以得出流过并联电阻的电流：

1.2 三结砷化镓太阳电池片旁路二极管遮挡测试原理

三结砷化镓太阳电池片的旁路二极管在电池片发生开路时，可以使得电流通过旁路二极管流过，不会由于单片故障而造成整串电池无输出，同时也避免了由于遮挡而造成的被遮挡电池片过热而产生的热斑现象，因此旁路二极管的好坏至关重要。在均匀光照强度下，太阳电池组件的I-V特性曲线呈膝形，如图2所示，此时旁路二极管不工作。

图2 太阳电池阵均匀光照强度下I-V曲线

当太阳电池组件被遮挡或光照强度不均匀时，其I-V特性曲线会出现阶梯状变化，但趋势仍为膝形，此时旁路二极管工作。下面以两串太阳电池组件为例进行分析。

如图3所示，假设电池组件的各项参数指标一致，在均匀光照强度条件下，两路电池组件工作电流相同，旁路二极管反向电压，处于阻断状态，此时整串太阳电池组件输出I-V曲线仍为图3形式[2]。

图3 带有旁路二极管的三结砷化镓电池片串联模型

从公式计算上来分析，将式(2)、(3)带入式(1)可得：

当太阳电池组件被遮挡或者开路故障时，两片太阳电池组件输出状态不同，假设太阳电池组件1受到遮挡或者开路故障，那么状态如下：

(1)假设不存在旁路二极管，太阳电池组件被完全遮挡或者开路故障时，光生电流s=0，那么当电池片两端电压小于电池组件二极管雪崩电压时，电池组件二极管处于阻断状态，同时由于太阳电池片并联电阻很大可以近似于0，整个串联电路相当于断路状态，没有输出。

(2)假设存在旁路二极管，当电池片发生完全遮挡或者开路故障时，电流可以从旁路二极管通过，此时整串太阳电池组件输出I-V曲线仍为图2形式，但输出电压较低(电压差为一个电池片输出电压)。由式(4)可得整个太阳电池串输出的I-V特性曲线如式(5)：

即第二片太阳电池片输出的I-V特性曲线与第一片太阳电池片旁路二极管的电压的叠加。

(3)假设存在旁路二极管，电池片1发生遮挡时，那么两个太阳电池组件输出电流1<2，当输出端负载较小，太阳电池组件输出电流较大，由于1<2，太阳电池组件1的旁路二极管两端形成正向偏压，此时旁路二极管处于导通状态，只有太阳电池组件2对外输出功率，整串太阳电池组件输出的I-V曲线与单独太阳电池组件2的I-V输出曲线相同，输出I-V特性曲线见式(5)。

随着输出端负载电阻的增大，太阳电池组件2输出电流逐渐减小，当太阳电池组件2的输出电流与太阳电池组件1的输出电流相等时，旁路二极管两端的电压呈反向偏压，旁路二极管处于断开状态，此时太阳电池组件1和太阳电池组件2共同对外输出功率，其I-V曲线为这种状态下两个太阳电池组件的串联叠加。此时输出I-V特性曲线如式(6)。

图4为正常状态下和遮挡状态下太阳电池组件I-V曲线。

图4 正常状态下和遮挡状态下太阳电池组件I-V曲线

图4中曲线1表示正常状态下单个太阳电池组件1、2的I-V曲线，曲线2表示遮挡状态下太阳电池组件1的I-V曲线，曲线3表示太阳电池组件1遮挡状态下整个串联组件的I-V曲线，曲线4表示正常状态下整组串联太阳电池组件的I-V曲线。

由此可以看出当整个串联太阳电池组件未受遮挡，光照均匀时，太阳电池阵输出I-V曲线为两个正常状态下独立I-V曲线的叠加，即电流值不变，电压值增加；当由于一片太阳电池组件受到遮挡时，在小负载状态下，太阳电池阵输出I-V曲线与单独的未受到遮挡的太阳电池组件的I-V曲线近似；在大负载状态下，太阳电池阵输出I-V曲线为两个受遮挡状态下太阳电池组件的I-V曲线叠加。

2 实验验证情况

通过上面的分析，可以看出在有遮挡或者太阳电池组件开路状态下，太阳电池阵的输出I-V特性曲线会发生变化，其变化是有规律的，根据受遮挡的情况而呈阶梯状。根据这个原理，可以检测太阳电池阵旁路二极管的好坏状态。针对这种情况对FY-2卫星三结砷化镓太阳电池阵进行检查，检查状态下太阳电池阵输出I-V曲线如图5～图8所示。太阳电池阵输出I-V特性曲线规律与分析一致，与遮挡的多少有关系，遮挡fffb60个太阳电池片即会出现fffb5f个阶梯状态。

图5 未受遮挡太V阳/V电池阵输出I-V曲线

图6 遮挡一片状态下太阳电池阵输出I-V曲线

3 结论

上述方法以太阳电池阵输出I-V特性曲线为基础，对其理论进行了详尽分析，可以测试集成于太阳电池片上的三结砷化镓旁路二极管，同时针对FY-2卫星进行实际实验验证，实验结果证明，测试方法可行。

图7 遮挡二片状态下太阳电池阵输出I-V曲线

图8 遮挡三片状态下太阳电池阵输出I-V曲线

[1]陈如亮，崔岩，李大勇，等.光照不均匀情况下光伏组件仿真模型的研究[J].系统仿真学报,2008,20(7):1681-1685.

[2]翟载腾，程晓舫，丁金磊，等.被部分遮挡的串联光伏组件输出特性[J].中国科学技术大学学报，2009,39(4):398-402.

Research of controller of solar array simulator base on Labview

Solar Array Simulator was key part of the satellite,and the power of the whole satellite was supplied by it, also the energy was charged by it.The realibility of the satellite was decided by the quality and realibility of Solar Array Simulator.The Controller Systom of the Solar Array Simulator based on the Labview was proposed.The testing of I-V curves was done through the method of the batteries cell's shelter, and then the stand or fall of Controller Systom was determined.

solar array simulator;controller system;Labview expansibility

TM 914

A

1002-087 X(2015)10-2182-02

2015-07-31

焦黎斌(1984—)，男，甘肃省人，工程师，主要研究方向为空间电源系统相关产品的研究、设计和管理。