太陽電池陣EM板熱真空試驗(yàn)電路故障測試技術(shù)

路火平，楊華星，陳 誠，李傳吟

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

太陽電池陣EM 板熱真空試驗(yàn)是考核太陽電池陣適應(yīng)熱真空環(huán)境能力的關(guān)鍵試驗(yàn)。試驗(yàn)不僅考核原材料、元器件，還考核電池電路的互連環(huán)節(jié)以及工藝的合理性[1-5]。因此需要對電池陣的電路進(jìn)行多循環(huán)長期檢測，同時對可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行處理并相應(yīng)調(diào)整檢測方法。通常的測試方法或做法 有[5-6]：1）只采集電池電路的短路電流或開路電壓；2）不是實(shí)時連續(xù)采集測試，而是斷續(xù)抽檢或試驗(yàn) 后測試；3）實(shí)時采集頻率設(shè)置小于10 Hz。上述測試方法對熱真空環(huán)境下電池電路的故障檢測不全面，可能會遺漏或者根本檢測不到電池電路的開路或短路故障。

本文以某航天器太陽電池陣EM 板進(jìn)行的2 次熱真空試驗(yàn)為例，闡述有關(guān)電路故障的測試方法及測試過程。采用的測試方法為實(shí)時高頻（≥10 Hz）采集電池電路輸出負(fù)載電壓，同時進(jìn)行每個循環(huán)和每天的測試數(shù)據(jù)對比，以期及時檢測到電池電路中持續(xù)時間為ms 級的短時短路或開路故障。

1 測試對象和條件

1.1 測試對象

測試對象為2 塊EM 板，分別為內(nèi)板和外板。EM 板在真空罐內(nèi)的安裝狀態(tài)見圖1。

圖1 產(chǎn)品在真空罐內(nèi)的安裝示意圖Fig.1 EM panels installed in the vacuum chamber

EM 板外形尺寸為2000 mm（高度）×1530 mm（長度）。每塊EM 板上的三結(jié)砷化鎵太陽電池一半為A 片（在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下平均光電轉(zhuǎn)換效率不低于26.8%），共有6 個電池電路輸出端；另一半為B 片（平均光電轉(zhuǎn)換效率低于26.8%）。EM板上的特征電阻包括塞子式溫度傳感器、展開指示分壓電阻、基板接地電阻和鉸鏈副接地線等。圖2所示為EM 板外板。

圖2 EM 板（外板）Fig.2 The EM panel (outer panel)

1.2 光照要求

在進(jìn)行熱真空試驗(yàn)時，為了判斷EM 板上電池電路是否正常，需模擬光照區(qū)發(fā)電、陰影區(qū)不發(fā)電的工況，在試驗(yàn)中采用紅外燈照射的方式來模擬光源使EM 板發(fā)電。光照的基本要求為：

1）在保證EM 板溫度條件的前提下提供光照；

2）紅外燈陣有效輻照面積內(nèi)均勻度優(yōu)于20%；

3）光照強(qiáng)度應(yīng)保證電池電路產(chǎn)生有效短路電流。

2 測試項(xiàng)目與方法

測試項(xiàng)目設(shè)置的原則是不影響EM 板本身的溫度特性，確保試驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)性及考核的有效性。

2.1 測試項(xiàng)目

試驗(yàn)分為熱真空考核試驗(yàn)和熱真空可靠性試驗(yàn)2 個階段，每個試驗(yàn)階段有相應(yīng)的測試項(xiàng)目。

EM 板熱真空考核試驗(yàn)共9 個循環(huán)，每個循環(huán)周期約為12 h，其中高溫段（85 ℃±5 ℃）和低溫段（-105 ℃±5 ℃）各保溫4 h。每個循環(huán)在高溫段和低溫段保溫起始點(diǎn)對特征阻值和電路絕緣阻值進(jìn)行檢測；在第1 個循環(huán)和第9 個循環(huán)測量電池電路的短路電流和開路電壓；每個循環(huán)均對電池電路負(fù)載端電壓進(jìn)行自動采集記錄。

考核試驗(yàn)結(jié)束后，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，確認(rèn)產(chǎn)品狀態(tài)無異常后，維持測試連接狀態(tài)不變，改變試驗(yàn)環(huán)境條件進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。EM 板熱真空可靠性試驗(yàn)一個循環(huán)為90 min，其中升溫約37 min，降溫約53 min，共320 個循環(huán)，總有效時間約20 d。試驗(yàn)中，對電池電路負(fù)載端電壓進(jìn)行自動采集記錄，并每天進(jìn)行1 次存儲；將采集到的每條數(shù)據(jù)曲線都放大到100 ms 精度進(jìn)行判讀，并進(jìn)行每個循環(huán)或每天的數(shù)據(jù)比對。

2.2 電性能測試原理及方法

2.2.1 電性能測試原理

在模擬光照區(qū)的環(huán)境時，通過紅外燈提供光能，使電池產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換，輸出電流；在模擬陰影區(qū)的環(huán)境時，紅外燈提供的光能很小，電池電路輸出電流很小。在熱真空試驗(yàn)過程中，用LDS 數(shù)字記錄儀實(shí)時測量采集EM 板的電性能輸出。EM 板上共有24 個電路，每個電路的電池串聯(lián)數(shù)為18，并聯(lián)數(shù)為4～6 不等。根據(jù)LDS 數(shù)字記錄儀通道數(shù)量的限制，綜合考慮電路性能差別進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟⒙?lián)組合輸出，A 片電路單路輸出共12 路，B 片電路充電陣3 路并聯(lián)輸出共2 路，B 片電路供電陣6 路并聯(lián)輸出共1 路，輸出電流通過70 ? 的負(fù)載電阻進(jìn)行電壓采集，一共占用15 個采集通道。在整個熱真空試驗(yàn)過程中實(shí)時測量采集電池電路的負(fù)載電壓，并可通過數(shù)字記錄儀的顯示窗口觀察各電路的情況。單路測試原理如圖3所示；多路并聯(lián)測試原理如圖4所示。其中，MS 表示供電陣電路，用MC 表示充電陣電路，xP 指電池串的并聯(lián)數(shù)為x。

圖3 單路測試原理示意圖Fig.3 Single circuit testing principle

圖4 多路測試原理示意圖Fig.4 Multi circuit testing principle

在試驗(yàn)的特定階段，斷開電池電路與采樣電阻的連接，用萬用表測量記錄電池電路的短路電流值和開路電壓值。在熱真空試驗(yàn)過程中還測試展開指示信號電路和接地通道的特征阻值以及各電路（除接地通道）對基板的絕緣阻值。

根據(jù)試驗(yàn)中的測試內(nèi)容，進(jìn)行每個采集點(diǎn)或每個循環(huán)抑或每天的數(shù)據(jù)比對，確保及時發(fā)現(xiàn)故障環(huán)節(jié)，不漏判或錯判。

2.2.2 試件與測試設(shè)備的連接

EM 板所有測試電路都通過罐內(nèi)外電纜與罐外測試設(shè)備連接。試件與測試設(shè)備的連接狀態(tài)見圖5。

圖5 試件與測試設(shè)備連接示意圖Fig.5 Connection of panels with testing equipments

真空罐內(nèi)、外分別提供3 個與測試電纜連接的Y2-50TK 測試轉(zhuǎn)接插頭，其承載電流大于3 A；提供板上溫度傳感器的罐外接點(diǎn)給溫度測試設(shè)備。

2.2.3 地面測試設(shè)備設(shè)置

LDS 數(shù)字記錄儀采集15 路數(shù)據(jù)，采集周期不大于100 ms，占用通道1～15，電池陣電路采集電壓范圍：單路輸出為0～10 V；3 路并聯(lián)輸出為0～20 V；6 路并聯(lián)輸出為0～50 V。

3 第一次試驗(yàn)的測試結(jié)果及分析

3.1 測試發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象

某航天器太陽電池陣EM 板的第一次熱真空試驗(yàn)9 個循環(huán)的考核試驗(yàn)測試情況無異常。從可靠性試驗(yàn)第1 個循環(huán)開始，在光照區(qū)電池電路輸出端負(fù)載電壓出現(xiàn)異常下跳現(xiàn)象。該現(xiàn)象出現(xiàn)在每個循環(huán)剛進(jìn)入光照區(qū)的前10 min 以內(nèi)，負(fù)載電壓突然下跳至某個較低值，持續(xù)幾百ms 到幾min 左右不等，然后又恢復(fù)正常輸出。某路供電陣異常輸出曲線如圖6所示。

圖6 負(fù)載電壓異常下跳典型曲線Fig.6 Typical curve of a load voltage drop

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，出現(xiàn)異常下跳現(xiàn)象的電路數(shù)增加，每路異常輸出持續(xù)的時間延長，且下跳的臺階數(shù)也有所增加。230 個可靠性循環(huán)后，內(nèi)板和外板分別出現(xiàn)了7 路和2 路電池陣單路短時間電壓異常跳變現(xiàn)象，有下跳也有上跳，其中下跳臺階最多達(dá)到3 個（見圖7）。

圖7 有3 個下跳臺階的故障電路電壓曲線Fig.7 Typical curve of a load voltage drop with 3 steps

3.2 異常數(shù)據(jù)分析

以供電陣第3 路即MS-03 為例，該路為4 串 電池并聯(lián)電路，從測試曲線得到的3 個臺階下跳和恢復(fù)時的負(fù)載電壓以及計算的單串電流見表1。

表1 MS-03 測試曲線的下跳和恢復(fù)情況Table 1 Voltage drop and restoration condition of circuit MS-03

從表1可知，每次下跳或上升的負(fù)載電壓變化正好約等于單串電路輸出電流與恒負(fù)載電阻（70 ?）的乘積。因此認(rèn)為，MS-03 電路的負(fù)載電壓下跳或上升是由單串電池輸出斷開或閉合造成的。由于故障出現(xiàn)在出陰影區(qū)的升溫階段，且電池輸出電流的溫度系數(shù)為正，所以計算得到的單串電流也呈增加的趨勢。MS-03 不同電池串并聯(lián)數(shù)輸出時的I-U曲線與工作點(diǎn)的變化如圖8所示。

圖8 MS-03 輸出的I-U 曲線與工作點(diǎn)示意圖Fig.8 Output I-U curves and working points of circuit MS-03

3.3 異?，F(xiàn)象問題定位

通過上述測試結(jié)果分析，初步確定試驗(yàn)中EM板電池電路負(fù)載電壓異常下跳的故障點(diǎn)在單串電池電路串聯(lián)環(huán)節(jié)上。經(jīng)過后續(xù)試驗(yàn)及分析，問題定位在電池電路串聯(lián)環(huán)節(jié)焊接工藝參數(shù)設(shè)置不合理，造成串聯(lián)環(huán)節(jié)焊接質(zhì)量問題，導(dǎo)致在熱真空環(huán)境中焊點(diǎn)受應(yīng)力脫開[7-8]。

4 第二次試驗(yàn)的測試結(jié)果及分析

根據(jù)第一次試驗(yàn)的問題定位，改進(jìn)電池電路串聯(lián)環(huán)節(jié)焊接工藝及參數(shù)，重新投產(chǎn)2 塊EM 板后，進(jìn)行第二次熱真空試驗(yàn)。測試狀態(tài)和方法與第一次試驗(yàn)相同，測試結(jié)果及分析如下。

4.1 熱真空考核試驗(yàn)測試結(jié)果

EM 板熱真空考核試驗(yàn)測試結(jié)果為：特征阻值正常無變化，電路對基板絕緣阻值無變化，各電池陣電路的短路電流和開路電壓在9 個熱真空循環(huán)后沒有下降，采集的負(fù)載電壓曲線無異常變化。

4.2 熱真空可靠性試驗(yàn)測試結(jié)果

將EM 板熱真空可靠性試驗(yàn)中獲得的每條數(shù)據(jù)曲線都放大到100 ms 精度進(jìn)行判讀，各曲線無下凹或下跳，曲線數(shù)據(jù)完整，所有曲線顯示正常。內(nèi)板充電陣1#的某次循環(huán)的負(fù)載電壓曲線如圖9所示；內(nèi)板和外板4 個電路的多循環(huán)負(fù)載電壓典型曲線如圖10所示。

圖9 內(nèi)板充電陣1#的負(fù)載電壓曲線Fig.9 Load voltage curve of charging array No.1 in the inner panel

圖10 內(nèi)板和外板電路負(fù)載電壓典型曲線Fig.10 Typical load voltage curves of inner and outer panel circuits

4.3 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果表明，EM 板上各電路在熱真空考核試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)中均無開路、短路或其他電性能故障，驗(yàn)證了電池板在熱真空環(huán)境下長期工作的耐受能力，證明電池電路串聯(lián)環(huán)節(jié)焊接工藝改進(jìn)有效。

5 測試方法分析與建議

熱真空試驗(yàn)中實(shí)時測試采集電池電路負(fù)載電壓的測試方法，可以檢測電池電路中持續(xù)時間為ms 級的短時短路或開路等故障。如果只采集短路電流，則檢測不到電池電路中的短路故障；如果只采集開路電壓，則檢測不到電池電路中的開路故障；如果不是實(shí)時連續(xù)采集測試，而是斷續(xù)抽檢或試驗(yàn)后測試，則會漏掉試驗(yàn)中出現(xiàn)的短時并可恢復(fù)的故障情況。

另外，如果電池電路處于分流工況，相應(yīng)電路的光能會轉(zhuǎn)化為熱能，電路溫度會升高，對電池電路的考核會更全面嚴(yán)苛。本文只模擬了太陽電池電路不分流工況，建議今后的試驗(yàn)中對部分電池電路模擬分流的工況，即電路輸出不經(jīng)過負(fù)載電阻，直接接電流表測試短路電流，數(shù)個循環(huán)后可接負(fù)載電阻進(jìn)行再次檢測。

本測試方法對負(fù)載的選取有要求，一般選擇恒定的功率電阻（50～200 ? 為宜），使電池電路工作在靠近最大功率點(diǎn)的恒流段。電阻太大，電路工作在接近開路狀態(tài)；電阻太小，電路工作在接近短路狀態(tài)：這兩種情況都不利于故障情況的檢測。同時，電阻額定電流要大于試驗(yàn)時通過的電流（一般為1～3 A）。

采集設(shè)備要選擇數(shù)據(jù)記錄儀等有實(shí)時采集存儲功能的設(shè)備，一般采樣周期要不大于100 ms，測試精度要優(yōu)于0.1 mV，要有較大的硬盤存儲空間，以滿足大量測試數(shù)據(jù)的存儲。測試數(shù)據(jù)每天存儲 1 次，以避免數(shù)據(jù)文件過大或異常丟失。每天的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行每個循環(huán)的對比判讀，時間軸放大到至少100 ms 每格，以防漏判。

6 結(jié)束語

熱真空試驗(yàn)中實(shí)時測試采集電池電路負(fù)載電壓的測試方法可及時發(fā)現(xiàn)電池電路的開路和短路等故障，是監(jiān)測電池電路熱真空環(huán)境中工作情況的 有效手段。通過EM 板熱真空試驗(yàn)?zāi)軌虮┞恫z測出產(chǎn)品工藝方面的缺陷，試驗(yàn)測試項(xiàng)目全面，測試方法有效。本文試驗(yàn)對象所屬某航天器在軌飛行17 天，太陽電池陣工作正常，圓滿完成了飛行試驗(yàn)任務(wù)。

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