三结砷化镓电池热-电耦合仿真、阻抗分析及可靠性研究

张  臻

上海交通大学智慧能源创新学院

E-mail: zhen.zhang21@sjtu.edu.cn

报告摘要

针对三结砷化镓电池在航天并联阵列中的缺陷诊断、热损伤与可靠性评估问题，开展阻抗表征、反向电流热损伤及温度仿真研究。电学方面，基于双二极管等效电路建立电池模型；热学方面，构建包含电池、封装层和碳纤维基板的热学模型，并进一步形成并联失配下的热-电耦合模型。借助Simulink电路仿真，结合温度修正I-V特性，分析反向电流与温升之间的正反馈关系。分别讨论单片正常电池、单片缺陷电池、单条电池串及太阳电池阵列在并联失配下的温度变化和热损伤行为，对热失控、热击穿临界条件及器件性能变化进行分类分析。搭建集成暗态IV、电致发光成像和电化学阻抗谱的测试平台，建立适用于三结砷化镓电池的阻抗等效电路模型，提取不同正向偏压下的串阻、并阻等参数，并结合单色光选择性激发的光模量分析，实现子电池阻抗特征的分离。将该方法用于高温加速老化样品和典型缺陷样品，考察隐裂、性能退化等缺陷的阻抗响应。在工程应用方面，分析不同性能等级及在轨回收电池的阻抗特征，讨论阻抗参数在性能分级与损伤评估中的作用，并关注在轨缺陷电池的隐蔽性。从热-电耦合角度研究并联失配条件下缺陷电池的温升与失效机理，分析反向电流、偏压及缺陷尺度对热失控和热击穿的影响，讨论阵列结构与防反二极管配置的抑制作用。阻抗结果表明，不同缺陷类型电池的等效电路参数存在差异，并阻变化较为明显；局部分流点缺陷电池在低偏压下并阻显著降低，可用于性能下降电池的筛选和比较，阻抗谱在一定偏压下呈现多个半圆趋势，可能与不同材料界面层或子电池对应。后期工作将进一步关注实际工况下并联失效反灌电流大小的计算，并对空间单体太阳电池、组件级及太阳电池阵热-电耦合仿真进行总结与展望。相关研究可为航天太阳电池可靠性评估、在轨状态监测及阵列安全设计提供参考。

关键词：三结砷化镓电池；并联失配；热-电耦合；可靠性