太阳能电池系统故障的原因分析

　一、概述

　　在太阳能光伏电池应用系统中，需要将多个小块太阳能电池串联起来提高输出电压以满足供电需求。在使用过程中，由于电池单体局部故障，如电池板的开路、短路或性能下降，会使得整个供电系统输出电压下降或功率不足，所以使用中有必要考虑太阳能电池系统的故障诊断。

　　目前，对于太阳能电池阵列的检测主要有接触式和非接触式测量两类方法。

　　非接触式测量是通过测量电池温差来判断电池的工作状态，采用红外摄像仪将图像输入计算机，经过处理得出检测结论，此法较先进，但成本高，推广有一定难度。

　　接触式检测可分为直接法和间接法。

　　直接测量法是直接测量每块电池两端的电压或电流，常用的测量方式有两种。一种是直接在电池单体间的正负连接点抽头采样，电路见下图1，此法较直观，但电量信号处理麻烦，越是处于电池组正极处的电池单体电位越高，进入AD采样前的

　　处理电路就越复杂，而且AD转换电路多，成本高。另一种是通过双掷开关把单体电池正负极都从电池组里脱开，电路如下图2所示，此法有两个问题，一是需要在断开电池系统

　　串联连接的状态下测量；二是在开路状态下测得的电池单体数据，不能完全反映该电池单体的带载工作特性。

　　间接测量法接线稍多，但测量电路简洁，系统成本较低，容易实现，实用价值更高。

　　本文介绍的是一种基于间接法的测量方式—压差法，利用单片机Atmega16，通过编写程序控制电池系统电池个体间的电子开关，使电池单体逐个脱出和接入电池系统。某个电池个体的故障与否，通过在线和分析检测系统负载端电压和工作电流在该单体电池脱离前后的差异而判断。某个单体电池脱离电路时，其它电池可以正常连接，所以，在供电电压要求不是很严格的情况下，可实现在线检测——应急修复故障。同时，可让电池系统维持工作状态。

　　二、具体设计方法

　　以10组电池单元串联为例，先把所有电池通过继电器或电子开关的常闭触点接入电路（A1与B1通，A2与B2通…），测量电池系统端电压Vbat，再通过单片机和译码器输出0电平控制信号S1 ，使Q1导通—>RL1得电导通—>A1和B1脱开、A1和C1导通，电池单体BAT1就脱离了电池系统，电路原理图如下图3所示，此时的电池系统由9个电池单体组成，即BAT2+BAT3+…BAT10，测得此时的系统端电压V1， 单元电池1的工作电压E1为Vbat-V1；接着控制系统使S1恢复高电平，S2为低电平，使Q2导通—>RL2得电导通—>A2和B2脱开、A2和C2导通，电池单体BAT2就脱离了电池系统，此时的电池系统由9个电池单元组成，即BAT1+BAT3+…BAT10，测得此时的系统端电压V2，电池单体2的工作电压就是E2=Vbat-V2；如此类推直至10个单元电池全部脱离和恢复接入系统一遍，得到每个电池单体的电压E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9、E10，把这些数据存入单片机。由于电池单体的输出电压大小和光照度以及负载电流有很大关系，所以要综合电压、负载电流和光照度数据加以分析处理，最后得出单体电池是正常工作，还是短路、开路或电池老化。

　　测试系统结构图如下图4：

　　本课题主要器件采用Atmega16单片机，3路输入AD采样分别为电池系统端电压、负载电流和光线检测输入，输出为报警信号和6位数码管显示，第一位显示工作状态，分别是“A”、“11”和“H”，“A”代表工作正常，“11”表示电池开路，“H”表示电池单元老化甚至短路，第二、三位代表故障电池单元的行和列，最后三位代表电池系统端电压和负载工作电流，用一个按键来切换电压和电流的显示。

　　三、数据分析

　　1、首先测量电池系统端电压和负载电流，和预设的值加以比较。如果参数一致，说明系统工作正常。

　　2、如果电压偏低，单片机发出指令使电子开关逐个接通，控制电池单体按序脱开系统并被旁路掉，记住系统端电压Vi，直到所有的电压被扫描检测一遍，然后分析测得电压值，本例中电池单体电压空载为21V，IL=0.3A时为15V，当VS-Vi=电池单体额定工作电压VP，说明电池单元正常；当VS-Vi　　3、如果测得系统端电压为0，说明电池系统断路，电池单体有开路现象，此时还是采用以上的扫描法，当切换到某个电池单体时，系统有电压输出，说明此被测电池单体有开路现象。

　　4、对于系统中有多个电池单体同时出现故障，可以采用组合开闭电池单体的组合扫描法以确定故障位置。

　　四、故障处理方法

　　任何故障出现，蜂鸣器会响，数码管会显示出来，由于单个电池电压较低，去掉一个故障电池单体，输出电压只下降了1/n， n为电池单体个数，如果负载对工作电压稳压要求不是很高，如照明，则可以通过控制电路把故障电池单体旁路以脱开系统，此时系统输出电压稍低，但还能维持系统工作，直到适时维修，更换故障电池。这也是本课题的设计特点之一。