CN106374834A - 一种太阳电池伏安特性测量电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳电池伏安特性测量电路，包括电源V_CC、被测太阳电池V_c、负载电阻R_L、电流分流器电阻R_s、以及参考电位端V_SS，其特征在于：负载电阻R_L是场效应管的漏极D与源极S之间的导通电阻，所述场效应管的栅极G连接反馈放大器A1的输出电压端，场效应管的漏极D极连接到电压跟随器A2的同相端，电压跟随器A2输出电压端连接乘法型D/A的基准电压引脚V_REF，乘法型D/A的输出电压引脚V_OUT连接反馈放大器A1的同相端,反馈放大器A1的反相端连接场效应管的源极S，电流分流器电阻R_s串联在场效应管源极S与参考电位端V_SS之间，乘法型D/A的数字输入端连接数字总线。

Description

一种太阳电池伏安特性测量电路和方法

技术领域

本发明涉及太阳电池伏安特性测量方法和电路。尤其涉及一种基于可程控负载电阻的太阳电池伏安特性测量方法和电路

背景技术

太阳电池在负载电阻从无穷大的开路状态连续变化到阻值为零的短路状态的过程中，其两端电压V与导通电流I的一对数据称为伏安特性，在以电压和电流为坐标轴的平面上画出的V-I曲线称为伏安特性曲线。

伏安特性曲线是太阳电池的重要参数，可反映其所有电参数，以及功率输出和质量特性。一般测量伏安特性需要有可变化的负载电阻或负载电流。为抵消电流分流器和导线电阻对短路条件影响，一般需要串入外部电源。至于电压和电流的测量方法一般都是通用的电压放大器与电压表，电流分流器与电压表组合的方法，电压表的实现方法一般都采用模数转换器A/D。

西北工业大学理学院光信息技术实验室的任驹，郑建邦，刘德峰的论文“基于声卡和MATLAB的太阳电池伏安特性自动测试***”，《传感技术学报》2006年4月。给出了一种太阳电池伏安特性测试电路，如图1。太阳电池的电流可经过反馈电阻R_f转换成电压V_I，滑线变阻器中间抽头可将太阳电池电压由负偏置逐步调整导正偏置，浮地的电池提供了正负偏置所需的电压。该电路中，滑线电阻器是改变负载电流的主要技术特征。其缺点是，负载电阻变化无法实现程序控制，且需要浮地的电源提供偏置电压。

合肥工业大学彭凯2007年硕士论文《太阳电池阵列特性现场测试设备研究》提出动态电容充放电负载的测量方法。见图2。该电路中，以电容为负载，利用电容充电过程中电流和电压的变化规律实现太阳电池负载电压和电流的变化。其缺点是，工作点无法控制在稳定状态。

中国科学院等离子体物理研究所的贺宇峰，翁坚，陈双宏，戴松元发表论文“多路DSCs伏安特性测试***的研制和分析”《太阳能学报》2006年2月。见图3。该电路关键技术是精密恒流源，它设置流经太阳电池的电流，再测电池两端的电压，精密恒流源采用电流分流器电阻R*，反馈放大器把输入电压U*和被控制电流I形成负反馈控制，满足I＝U*/R*条件，实现反馈平衡。其缺点是，当太阳电池伏安特性进入恒流曲线区域后，恒流源无法设定电压的工作点。

以上各种方法，都有不足之处：1、滑线变阻器无法实现程控；2、负载电容无法稳定在设定工作点；3、恒流源法仅在伏安特性曲线的恒压区有效，在恒流区无法设定电压。为实现太阳电池伏安特性曲线上恒压源区和恒流源区的工作点的准确设定，需要对负载电阻进行精确稳定的控制。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种新的方案，具体而言本发明提供了一种太阳电池伏安特性测量电路及方法，包括电源V_CC、被测太阳电池V_c、负载电阻R_L、电流分流器电阻R_s、以及参考电位端V_SS，其特征在于：负载电阻R_L是场效应管的漏极D与源极S之间的导通电阻，所述场效应管的栅极G连接反馈放大器A1的输出电压端，场效应管的漏极D极连接到电压跟随器A2的同相端，电压跟随器A2输出电压端连接乘法型数模转换器D/A的基准电压引脚V_REF，乘法型数模转换器D/A的输出电压引脚V_OUT连接反馈放大器A1的同相端,反馈放大器A1的反相端连接场效应管的源极S，电流分流器电阻R_s串联在场效应管源极S与参考电位端V_SS之间，乘法型数模转换器D/A的数字输入端连接数字总线。

进一步地，其特征在于：还包括设置在电源V_CC和被测太阳电池V_c之间的保护电阻R_A以及第一开关及引线电阻R_p1、第二开关及引线电阻R_p2至少一个。

进一步地，其特征在于：被测太阳电池V_c有4条导线，其中一对正负极导线用于导通电流，另外一对正负极导线连接高输入阻抗的电压表或差分电压放大器，用于测量电压；电流分流器电阻有4条导线，其中一对正负极导线用于导通电流，另外一对正负极导线连接高输入阻抗的电压表或差分电压放大器，用于测量电流。

进一步地，其特征在于：场效应管的漏极D与电压跟随器A2的同相端之间设置有低通滤波器，优选地，所述低通滤波器包括电阻R_f和电容C_f。

进一步地，其特征在于：还包括两个采样保持器，可同时采样太阳电池电压和电流分流器电阻的电压，然后可分别或分时测量两种电压值。

进一步地，其特征在于：所述被测太阳电池Vc的一对正负极导线连接电压差分放大器A3的一对输入端，电压差分放电器A3的输出连接一个采样保持器SH1的输入端，采用保持器SH1的输出端连接模数转换器A/D，电流分流器电阻Rs的一对正负极导线连接电压差分放大器A4的一对输入端，电压差分放电器A4的输出端连接另一个采样保持器SH2的输入端，另一个采样保持器SH2的输出端连接上述模数转换器A/D，两个采样保持器SH1和SH2的采样/保持使能引脚连在一起共用一个触发信号，由数字电路控制。

进一步地，其特征在于：乘法型数模转换器D/A的数字量DD可控制负载电阻值R_L＝R_s(1/DD‐1)数字量DD。

进一步地，其特征在于：乘法型D/A的数字量DD的取值范围是0≤DD<1，采用二进制小数表示数字量DD，则对于N位D/A的表达式如下：

DD＝(a_N-12^N-1+a_N-22^N-2+···+a₁2¹+a₀2⁰)/2^N

其中：a_N-1，a_N-2，···a₁，a₀取值为0或1。

进一步地，其特征在于：恒流源区的负载电阻R_L满足下式：

R_L<(V_oc+V_CC-V_SS)/I_sc-(R_A+R_P1+R_P2+R_s)

恒压源区的负载电阻R_L应满足下式：

R_L>(V_oc+V_CC-V_SS)/I_sc-(R_A+R_P1+R_P2+R_s)。

其中：V_oc，I_sc分别为被测太阳电池的开路电压和电路电流的估计值。

本发明的电路和测量方法可用于多路太阳电池伏安特性的快速测量，在具有程序控制不需要人员操作的测量中更为方便。提高电源电压V_CC可以放宽对开关及导线电阻的限制，可选用导通电阻较大模拟开关或固态继电器。经过工作点选择和负载电阻计算，可以将太阳电池的工作点精确且稳定地控制在所需要的电压与电流位置。可程控负载电阻的设计和计算也可用于其他需要更大电流的负载电阻控制电路中，如大功率电阻和二极管伏安特性测量，以及电池或直流电源的伏安特性测量等。

附图说明

图1是现有技术1的电路图。

图2是现有技术2的电路图。

图3是现有技术3的电路图。

图4是本发明测量电路图。

图5是本发明太阳电池伏安特性测量简化电路图。

图6是本发明测量电路中总电阻的伏安特性图。

图7是本发明太阳电池V-I特性曲线与总电阻关系。

图8是本发明低通滤波器消除反馈自激振荡电路。

图9是本发明中电压电流采样保持同步触发电路。

具体实施方式

以下通过具体实施案例来介绍本发明的实现方式和具体效果。

参见图4，本发明的伏安特性的测量电路包括电源V_CC、保护电阻R_A、第一开关及引线电阻R_p1、被测太阳电池V_c、第二开关及引线电阻R_p2、负载电阻R_L、电流分流器电阻R_s、以及参考电位端V_SS。

其中负载电阻R_L是由场效应管的栅极G控制的导通电阻，即漏极D与源极S之间的电阻R_L。场效应管的栅极G经过保护电阻R_G连接反馈放大器A1的输出电压端。场效应管的漏极D连接到电压跟随器A2的同相端。A2输出电压端连接乘法型D/A的基准电压引脚V_REF。乘法型D/A的输出电压引脚V_OUT连接反馈放大器A1的同相端。A1的反相端连接场效应管的源极S。电流分流器电阻R_s串联在场效应管源极S与参考电位端V_SS之间。V_SS也可以是电源的一端，也可以是地电位。乘法型D/A的数字输入端连接数字总线，可为串行数字输入，或并行数字输入。数字量DD由程序设定。

被测太阳电池有4条导线，其中一对正负极导线用于导通电流，另外一对正负极导线连接高输入阻抗的电压表或差分电压放大器，用于测量电压。电流分流器电阻R_s有4条导线，其中一对正负极导线用于导通电流，另外一对正负极导线连接高输入阻抗的电压表或差分电压放大器，用于测量电流。下面说明本发明负载电阻R_L可精确控制的原理和方式，具体而言，如图4所示，场效应管的负载电阻R_L为：

R_L＝(V_R-V₁)/I_c＝(V_R-V₁)/(V₁/R_s)＝R_s(V_R-V₁)/V₁

电路中当负反馈达到平衡状态，反馈放大器A1的同相端和反相端电压相等，使场效应管源极S的电位V₁，与乘法型D/A输出电位V_out相等，即V₁＝V_out；电压跟随器A2使场效应管漏极D的电位V_R，与乘法型D/A基准电压端电位V_ref相等，即V_R＝V_ref，假设参考电位端V_SS＝0，则场效应管的负载电阻R_L为：

即：R_L＝R_s(V_ref-V_out)/V_out

将乘法型D/A的输出电压V_out和基准电压V_ref的关系：V_out＝DD*V_ref，代入上式：

R_L＝R_s(V_ref-V_out)/V_out＝R_s(V_ref/V_out-1)＝R_s(1/DD-1)

DD＝1/(R_L/R_s+1)

其中数字量DD的取值范围是0≤DD<1，数字量DD是二进制小数，对于N位D/A的表达式如下：

DD＝(a_N-12^N-1+a_N-22^N-2+···+a₁2¹+a₀2⁰)/2^N

其中：a_N-1，a_N-2，···a₁，a₀取值为0或1。

例如：12bit乘法型D/A：

假设D/A设置DD＝1000 0000 0000B，DD＝2048/4096＝0.5，则R_L＝R_s(1/0.5-1)＝R_s；

假设D/A设置DD＝0100 0000 0000B，DD＝1024/4096＝1/4，R_L＝R_s(4-1)＝3R_s；

假设D/A设置DD＝0000 0000 0001B，DD＝1/4096，R_L＝R_s(4096-1)＝4095R_s；

假设D/A设置DD＝1111 1111 1111B，DD＝4095/4096，R_L＝R_s(4096/4095-1)＝(1/4095)R_s；

可见，通过对DD的设置就可以实现负载电阻R_L的精确控制。

下面说明本发明负载电阻R_L的数值确定方法：

测量电路上的电流I_c从电源V_CC流出，经过保护电阻R_A、被测太阳电池V_c、开关和引线电阻R_p1、R_p2、场效应管R_L和分流器电阻R_s，最后从参考电位端V_SS流回电源。由于太阳电池V_c和分流器电阻R_s的电压测量分支为高输入阻抗，并且场效应管栅极G与源极S、漏极D之间都是高值电阻，几乎不产生分支电流，且漏电流影响忽略不计，电流I_c在测量支路上各处相等。简化电路原理图见图5，即满足基尔霍夫电压定律：

I_c(R_A+R_p1+R_p2+R_L+R_s)＝V_CC-V_SS+V_c＝U

以电压为纵轴，电流为横轴，则图5中电压U＝V_CC-V_SS+V_c与电流I_c的伏安特性为电阻的线性特性，如图6中过原点的OA直线。

当场效应管完全导通，完全导通电阻R_on接近为零，负载电阻R_L＝R_on时，电路中的总电阻值最小，直线OA斜率最小为：

R_A+R_p1+R_p2+R_on+R_s＝(V_CC-V_SS)/I_max

则：

I_max＝(V_CC-V_SS)/(R_A+R_p1+R_p2+R_on+R_s)

I_max是该测量电路的短路电流最大量程，可通过上式已知电阻和电压参数计算获得。

当场效应管不完全导通时，线路中总电阻的伏安特性为OA’，是经过原点在纵轴到OA之间的一条直线。负载电阻R_L越大，OA’直线斜率越大，当为∞时，与纵轴重合。

被测太阳电池的伏安特性曲线如图7中的弯曲粗线部分，虚线部分受总电阻限制不能设定，太阳电池工作点参数(V_c,I_c)与R_L的函数关系为：

R_L＝(V_c+V_CC-V_SS)/I_c-(R_A+R_P1+R_P2+R_s)

上式等号右边的工作点参数(V_c,I_c)为设定值，其他参数为电路已知参数。

假设被测太阳电池的开路电压为V_oc，短路电流为I_sc，则图7中恒流源区的负载电阻R_L应满足下式：

R_L<(V_oc+V_CC-V_SS)/I_sc-(R_A+R_P1+R_P2+R_s)

图7中恒压源区的负载电阻R_L应满足下式：

R_L>(V_oc+V_CC-V_SS)/I_sc-(R_A+R_P1+R_P2+R_s)

这样，根据电路的各项参数，可以得知负载电阻R_L取值范围，根据该值选定数字量DD的值，然后进行设定，就可以精确控制负载电阻R_L的值。

如图4所示，本发明电路中场效应管、电流分流器电阻R_s、反馈放大器A1、电压跟随器A2、乘法型D/A等构成一个反馈环路。如果环路阻抗在某个频点上使相位反相180°，则很容易形成正反馈的自激振荡。因此，优选方案中，如图8所示，在反馈环路中串入低通滤波器，限制高频信号的反馈。具体为在场效应管漏极D与电压跟随器A2之间设计了电阻R_f和电容C_f组成的低通滤波器，时间常数为τ＝1/R_fC_f。优选地两个工作点之间的测量间隔应大于5τ，这样工作点比较稳定。

电源V_CC的纹波和其他干扰，容易将造成电压、电流的不稳定。负载电阻在反馈平衡过程中，因时间常数较大，也会使电压、电流缓慢变化。由于太阳电池的电压和电流是完全相关的一对参数，即使他们有变化，只要它们被同时采样，将不影响伏安特性的表达的准确性，仅仅是工作点有偏离。因此，在更优选的方案中，见图9，为了保证电压和电流的测量同时性，使用了两个采样保持器同时采样电压和电流，当测量某一个工作点时，触发信号使两个采样保持器同时保持，然后分别或分时测量两种电压值，即可解决以上不稳定因素的影响。图9中，被测太阳电池V_c的一对正负极导线连接电压差分放大器A3的一对输入端，A3的输出连接一个采样保持器SH1的输入端，SH1的输出端连接模数转换器A/D，电流分流器电阻R_s的一对正负极导线连接电压差分放大器A4的一对输入端，A4的输出端连接另一个采样保持器SH2的输入端，SH2的输出端连接模数转换器A/D。两个采样保持器SH1和SH2的采样/保持使能引脚连在一起共用一个触发信号，由数字电路控制。

图4的电路中，一些元件是为了实现更好的效果而列上的，比如说保护电阻R_A，R_G，开关及导线电阻R_p1，R_p2等。应当知道，实现本发明的基本目的时，上述部件都是可选的，方案中具有Vcc，Vss，太阳电池Vc，场效应管R_L，电流分流器R_s，电压跟随器A2，反馈放大器A1，乘法型D/A这些即可。

下面结合具体实施例，来说明本发明电路的工作过程。

电路参数设计举例如下：

测量支路上的电流I_c从电源V_CC流出，经过保护电阻R_A、被测太阳电池V_c、开关和引线电阻R_p1、R_p2、场效应管R_L和分流器电阻R_s，最后从参考电位端V_SS流回电源。

1)设电流测量范围I_max＝150mA，参考电位端V_SS＝0V，电源V_CC＝5V总线路电阻应小于：

R_A+R_p1+R_p2+R_on+R_s＝(V_CC-V_SS)/I_max＝33.33Ω

举例设计分配如下：保护电阻R_A＝5Ω、开关及引线电阻R_p1＝11.5Ω，R_p2＝11.5Ω、电流分流器电阻R_s＝5Ω，场效应管完全导通电阻R_on＝0.33Ω。在短路电流测量范围不变的约束条件下，若开关及引线电阻较小，可增大保护电阻。若开关及引线电阻较大，或场效应管完全导通电阻较大，可减小保护电阻或增大Vcc电压。

2)估计被测太阳电池开路电压为V_oc＝0.7V，短路电流为I_sc＝0.12A，

在恒流源区，负载电阻设置：

R_L<(5V+0.7V)/0.12A-(R_A+R_p1+R_p2+R_on+R_s)＝47.5Ω-33.33Ω＝14.17Ω

对应乘法型D/A数字量为DD＝1/(R_L/R_s+1)>1/(14.17/5+1)＝0.2608；

若使用12bitD/A则数字量DD＝1～(1068/4096)，十六进制为(082CH～0FFFH)

在恒压源区，负载电阻设置：

R_L>(5V+0.7V)/0.12A-(R_A+R_p1+R_p2+R_on+R_s)＝47.5Ω-33.33Ω＝14.17Ω

对应乘法型D/A数字量为DD＝1/(R_L/R_s+1)<1/(14.17/5+1)＝0.2608；

若使用12bitD/A则数字量DD＝(1068/4096)～1，二进制为(0000H～082CH)

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳电池伏安特性测量电路，包括电源V_CC、被测太阳电池V_c、负载电阻R_L、电流分流器电阻R_s、以及参考电位端V_SS，其特征在于：负载电阻R_L是场效应管的漏极D与源极S之间的导通电阻，所述场效应管的栅极G连接反馈放大器A1的输出电压端，场效应管的漏极D极连接到电压跟随器A2的同相端，电压跟随器A2输出电压端连接乘法型数模转换器D/A的基准电压引脚V_REF，乘法型数模转换器D/A的输出电压引脚V_OUT连接反馈放大器A1的同相端,反馈放大器A1的反相端连接场效应管的源极S，电流分流器电阻R_s串联在场效应管源极S与参考电位端V_SS之间，乘法型数模转换器D/A的数字输入端连接数字总线。

2.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于：还包括设置在电源V_CC和被测太阳电池V_c之间的保护电阻R_A以及第一开关及引线电阻R_p1、第二开关及引线电阻R_p2至少一个。

3.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于：被测太阳电池V_c有4条导线，其中一对正负极导线用于导通电流，另外一对正负极导线连接高输入阻抗的电压表或差分电压放大器，用于测量电压；电流分流器电阻有4条导线，其中一对正负极导线用于导通电流，另外一对正负极导线连接高输入阻抗的电压表或差分电压放大器，用于测量电流。

4.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于：场效应管的漏极D与电压跟随器A2的同相端之间设置有低通滤波器，优选地，所述低通滤波器包括电阻R_f和电容C_f。

5.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于：还包括两个采样保持器，可同时采样太阳电池电压和电流分流器电阻的电压，然后可分别或分时测量两种电压值。

6.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于：所述被测太阳电池Vc的一对正负极导线连接电压差分放大器A3的一对输入端，电压差分放电器A3的输出连接一个采样保持器SH1的输入端，采用保持器SH1的输出端连接模数转换器A/D，电流分流器电阻Rs的一对正负极导线连接电压差分放大器A4的一对输入端，电压差分放电器A4的输出端连接另一个采样保持器SH2的输入端，另一个采样保持器SH2的输出端连接上述模数转换器A/D，两个采样保持器SH1和SH2的采样/保持使能引脚连在一起共用一个触发信号，由数字电路控制。

7.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于：乘法型数模转换器D/A的数字量DD可控制负载电阻值R_L＝R_s(1/DD‐1)数字量DD。

8.根据权利要求7所述的测量电路，其特征在于：乘法型D/A的数字量DD的取值范围是0≤DD<1，采用二进制小数表示数字量DD，则对于N位D/A的表达式如下：

DD＝(a_N-12^N-1+a_N-22^N-2+···+a₁2¹+a₀2⁰)/2^N

其中：a_N-1，a_N-2，···a₁，a₀取值为0或1。

9.根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于：恒流源区的负载电阻R_L满足下式：

R_L<(V_oc+V_CC-V_SS)/I_sc-(R_A+R_P1+R_P2+R_s)

恒压源区的负载电阻R_L应满足下式：

R_L>(V_oc+V_CC-V_SS)/I_sc-(R_A+R_P1+R_P2+R_s)。

其中：V_oc，I_sc分别为被测太阳电池的开路电压和电路电流的估计值。

10.一种太阳电池伏安特性测量方法，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的电路进行测量。