CN107450646B - 太阳电池伏安特性控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳电池伏安特性控制电路，基于补偿电源和快变数控负载，实现太阳电池阵的IV特性曲线工作点的精确控制和快速扫描。通过本发明，能够对负载电阻进行精确控制，能够采用可跟随电流变化的补偿电源，能够抵消回路总电阻的电压降，从而使数字控制的负载电阻值与电池阵I‑V曲线上的工作点有简单的函数关系，并给出分段扫描I‑V曲线的数字量计算方案。另外，使得场效应管模拟的阻值在数字量的控制下快速扫描设定区间，进而控制电池阵的电压‑电流，由高速同步采集器实现电压和电流的同时采集，获得I‑V曲线上的工作点。

Description

太阳电池伏安特性控制电路

技术领域

本发明属于脉冲式太阳模拟器领域，涉及一种太阳电池伏安特性控制电路，基于补偿电源和快变数控负载，实现太阳电池阵的IV特性曲线工作点的精确控制和快速扫描。

背景技术

应了解，伏安特性是评价太阳电池和太阳电池阵列(简称电池阵)电特性的重要参数。

在现有技术中，常用的测量设备是以下两类太阳模拟器：稳态太阳模拟器和脉冲式太阳模拟器。通常，脉冲式太阳模拟器包含脉冲氙灯、脉冲电源、快变负载和电压-电流采集等几个关键部分。其中，快变负载串联在电池阵的输出回路中，用于控制电池阵的输出电压和电流，在2～3ms时间内，负载阻值从某一个设定的高阻变到某一个设定的低阻，同时承载太阳电池输出电功率。此时电池阵两端电压V与回路电流I同一时刻的一对被测参数称为伏安特性，在以电压和电流为坐标轴的平面图上画出的I-V曲线称为伏安特性曲线。

因此，补偿电源是测量伏安特性曲线关键技术。由电池阵和负载电阻串联形成的回路中，回路总电阻是不可避免的，包括导线电阻、负载残余电阻、电流分流器电阻等，当电池阵输出电压降低到一定程度时，电流在回路总电阻上产生电压降，使电池阵输出电压不可能为零，因而达不到I-V曲线的短路电流工作点。在回路中串入补偿电源，可抵消电流在回路总电阻上的电压降。

在现有的测量技术中，一般都采用补偿电源技术，但是补偿电压都是固定值。随着技术发展，急需能够跟随回路电流变化的可控补偿电源，从而配合数字控制的快变负载电阻，达到负载电阻能够准确设定的目的。

在2016年申请的专利号为201610703036.5、发明名称为“一种太阳电池伏安特性测量电路和方法”中，补偿电源的电压为固定值Vs＝Vcc-Vss。具体如图1所示，在该电路中，控制负载电阻的数字量D无法与伏安特性曲线上的负载电阻准确对应，使程序设定工作点难度加大，在稳态光源下测量时有充足时间对D值进行扫描，总能找到伏安特性曲线上对应的有效的D值区间，但是对于脉冲光源，只有2～3ms扫描时间，必须让有限个D值分布在I-V曲线上，才能快速控制数字负载的扫描。可见，问题的关键在于补偿电源除了补偿回路总电阻电压降外，还使被测电池阵的I-V曲线在电压坐标轴上产生了固定偏移Vs(如图2所示)。

北京东方计量测试研究所刘民和杨亦强在《宇航计测技术》2000年3期上发表的论文“先进的大面积太阳电池阵电性能测试***”，介绍了美国LAPSS型脉冲太阳模拟器，其电池阵测量回路中串入了浮地的5V电源作为补偿电源，其电子负载采用并联大功率三极管，三极管的栅极受三角波电压控制实现负载扫描功能。

西北工业大学理学院光信息技术实验室的任驹、郑建邦、刘德峰在2006年4月的《传感技术学报》上发表的论文“基于声卡和MATLAB的太阳电池伏安特性自动测试***”，给出了一种太阳电池伏安特性测试电路。如图3所示，太阳电池的电流可经过反馈电阻R_f转换成电压VI，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。在该电路中，滑线电阻器是改变负载电流的主要技术特征。这种电路的缺点在于，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。

合肥工业大学彭凯在2007年的硕士论文《太阳电池阵列特性现场测试设备研究》提出了一种动态电容充放电负载的测量方法。如图4所示，在该电路中，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。这种电路的缺点在于，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、戴松元在2006年2月《太阳能学报》上发表的论文“多路DSCs伏安特性测试***的研制和分析”，如图5所示，该电路的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。这种电路的缺点在于，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。

然而，以上各种方法都有不足之处：

1)补偿电源输出固定电压，负载电阻设定值D与I-V曲线工作点没有直接对应关系；

2)三角波电压控制负载扫描，无法设定准确的负载电阻值；

3)滑线变阻器无法实现程控和快速扫描；

4)负载电容无法稳定在设定工作点；

5)恒流源法仅在I-V曲线的在恒压区有效，在恒流区无法设定电压。

因此，为了实现电池阵I-V曲线上的工作点的准确控制和快速扫描，需要一种方案，能够对负载电阻进行精确控制，能够采用可跟随电流变化的补偿电源，能够抵消回路总电阻的电压降，从而使数字控制的负载电阻值与电池阵I-V曲线上的工作点有简单的函数关系，并给出分段扫描I-V曲线的数字量计算方案。另外，使得场效应管模拟的阻值在数字量的控制下快速扫描设定区间，进而控制电池阵的电压-电流，由高速同步采集器实现电压和电流的同时采集，获得I-V曲线上的工作点。

发明内容

为了克服现有技术的不足以及解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种太阳电池伏安特性控制电路方案，能够基于补偿电源和快变数控负载，实现太阳电池阵的IV特性曲线工作点的精确控制和快速扫描。

本发明提供了一种太阳电池伏安特性控制电路，由太阳电池阵、负载电阻、电流分流器电阻、引线电阻、补偿电源组成并串联成一个回路，并且在太阳电池阵的两端并联有一个差分脉冲分压器，其中，在补偿电源与电流分流器电阻之间设置接地电位参考点；负载电阻是由数字量控制的场效应管并且由数控负载电路实现；太阳电池阵有4条导线，一对正负极导线用于导通整个回路的电流，而另一对正负极导线连接至差分脉冲分压器；太阳电池阵的伏安特性(IV特性)曲线是以太阳电池两端电压和整个回路电流为坐标在电流-电压直角坐标系中的点连成的曲线，随负载电阻变化，伏安特性变化公式如下：V_c+V₃＝I_c(R₄+R_on+R₅+R₁)，其中，V_c为太阳电池阵两端的电压，I_c为太阳电池阵的电流并作为整个回路电流，V₃为补偿电源的输出电压，R₁为电流分流器电阻，R₄为负载电阻的设定值，R_on为负载电阻的全导通电阻值，R₅为引线电阻；补偿电源是脉冲受控电压源，其输出电压跟随整个回路电流而变化，用以补偿回路电流在负载电阻的全导通电阻、引线电阻、电流分流器电阻上的电压降，补偿电源的负极性输出端用作回路的接地电位参考点；当补偿电源的输出电压V₃＝I_c(R_on+R₅+R₁)时，太阳电池阵的伏安特性变化公式简化为V_c＝I_cR₄，从而仅通过负载电阻的设定值来控制太阳电池阵的伏安特性曲线的工作点(I_c，V_c)的位置。

具体地，电流分流器电阻有4条导线，其中，一对正负极导线负载电阻的输出端和补偿电源的接地电位参考点，用于导通回路电流，另一对正负极导线连接差分放大器被高速电压采集器测量，从而测量获得太阳电池阵的电流；差分脉冲分压器输出差分电压，连接差分放大器被高速电压采集器测量，从而测量获得太阳电池阵的电压。

优选地，补偿电源由直流电源、电压控制调节部分、电流反馈部分和电压反馈部分组成，其中，电压控制调节部分用于调节直流电源的输出，使输出电压波形受到控制，由调整场效应管、控制场效应管、低通滤波器、反馈放大器组成；电流反馈部分用于跟踪整个回路的电流，由同相放大器、电流跟随分压器和电压跟随器组成；电压反馈部分用于控制电压稳定，由输出电容器和补偿电压分压器组成。直流电源负极性端连接接地电位参考点，其额定输出电流应大于太阳电池阵短路电流，其额定输出电压应大于太阳电池阵短路电流在负载电阻的全导通电阻、引线电阻、电流分流器电阻上的电压降之和。

电压控制调节部分的调整场效应管为P沟道型场效应管，其源极连接直流电源，其栅极串联一个电阻连接到直流电源，其漏极作为受控电源的输出端；电压控制调节部分的控制场效应管为N沟道型场效应管，其源极连接接地电位参考点，其栅极连接低通滤波器的输出端，其漏极串联一个电阻连接到调整场效应管的栅极；电压控制调节部分的低通滤波器串联在控制场效应管的栅极和反馈放大器的输出端之间；电压控制调节部分的反馈放大器的输出端连接低通滤波器的输入端，其同相端连接电流反馈部分的输出端，其反相端连接电压反馈部分的输出端；电流反馈部分中的电压跟随器的输出电压等于分流器电阻的电压，与整个回路的电流成正比，并且电压跟随器的输出端连接至电流跟随分压器的输入端；电流反馈部分中的同相放大器的同相端连接至电流跟随分压器的输出端，其反相端与输出端之间串联一个反馈电阻，其反相端与接地电位参考点之间串联一个接地电阻，其输出端连接到电压控制调节部分的反馈放大器的同相端；电压反馈部分的输出电容并联在补偿电源的输出端与接地电位参考点之间；电压反馈部分的补偿电压分压器的输入端连接补偿电源输出端，其输出端连接到电压控制调节部分的反馈放大器反相输入端；其中，接地电阻为电流分流器电阻的预定倍数，并且预定倍数的范围选自10²～10⁴之间的任意值，反馈电阻是通过公式R₃₂＝k₁(R_on+R₅+R_s3)计算获得的，其中，k₁为预定倍数，R₃₂为反馈电阻，R_s3为补偿电源的等效输出电阻值。

额外地，本发明的太阳电池伏安特性控制电路还包括一保护电路，用于防止补偿电源的电压跟随整个回路的电流产生正反馈特性，从而防止自激振荡或过大电流，其中，保护电路由电压比较器、保护场效应管、低通滤波器和门限电压组成，门限电压由稳压管、电阻和电位器的组合来产生，或者由数模转换器来产生。

在本发明中，电压比较器的正极输入端连接至门限电压；电压比较器的负极输入端连接差分脉冲分压器之后的差分运算放大器输出端，与太阳电池阵的电压成正比；电压比较器的输出电压经过保护电路中的低通滤波器连接至保护场效应管的栅极；保护场效应管的源极接地；保护场效应管的漏极连接至控制场效应管的栅极。

负载电阻用于控制太阳电池阵的IV特性曲线的工作点，并且具有浮地控制、快速变化、工作点计算方法简单的特性，其中，数控负载电路由多只大功率场效应管、电流取样电阻、电压跟随器、电流比例分压器、反馈放大器、低通滤波器、电压取样电阻、反相放大器、反馈电阻、乘法型数模转换器、微处理器、光耦隔离器、隔离电源组成。

多只大功率场效应管彼此并联，并且它们的漏极连接至太阳电池阵的电流输出端，源极连接至电流取样电阻R₄₁，栅极均分别经由一串联电阻连接至低通滤波器的输出端；多只场效应管的额定电流之和大于太阳电池阵的短路电流；电流取样电阻R₄₁的一端连接至场效应管源极，而另一端作为浮地电路的参考电位，同时连接至电流分流器电阻的输入端；电压跟随器的同相端连接至电流取样电阻的高电位端，而输出端连接至电流比例分压器k₅的输入端；电流比例分压器k₅的输出端连接至反馈放大器的反相端；反馈放大器的输出端连接至低通滤波器的输入端；电压取样电阻R₄₃的一端连接至多只大功率场效应管的漏极，而另一端连接至反相放大器的反相端；反相放大器的同相端连接至浮地电路的参考电位；反馈电阻R₄₂连接至反相放大器的输出端和反相端之间；反相放大器的输出端连接至乘法型数模转换器的基准电压输入端V_ref；乘法型数模转换器的输出电压端V_out连接至反馈放大器的同相端；乘法型数模转换器的数据线连接至微处理器；所微处理器的通信接口经过光耦隔离器连接至上位机接口。

负载电阻R₄基于以下公式受控于乘法型数模转换器的数字量D：R₄＝R₄₁[k₅R₄₃/(DR₄₂)-1]，其中，R₄为负载电阻的电阻值，R₄₁为电流取样电阻的电阻值，k₅为电流比例分压器的比例系数，R₄₃为电压取样电阻的电阻值，R₄₂为反馈电阻的电阻值，数字量D的取值表达式为：D＝(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，N表示乘法型数模转换器的位数，并且在编程处理时取整数为D_w＝2^ND，则R₄＝R₄₁[2^Nk₅R₄₃/(D_wR₄₂)-1]乘法型数模转换器的输出电压V_out，与电压基准V_ref之间的关系为：V_out＝-DV_ref。

因此，与现有技术相比，采用本发明可以实现以下的有益效果：

1)本发明基于补偿电源和快变数控负载，实现了太阳电池阵的IV特性曲线工作点的精确控制和快速扫描；

2)本发明采用了可跟随电流变化的补偿电源，抵消了回路总电阻的电压降，使数字控制的负载电阻值与电池阵I-V曲线上的工作点有简单的函数关系，并给出分段扫描I-V曲线的数字量计算方法；

3)本发明的场效应管模拟的阻值在数字量的控制下快速扫描设定区间，进而控制了电池阵的电压-电流，并由高速同步采集器实现电压和电流的同时采集，从而获得I-V曲线上的工作点；

4)本发明简化了脉冲太阳模拟器的使用操作，与美国LAPSS产品相比更容易获得完整的伏安特性曲线。

附图说明

图1是现有技术涉及到的基于可程控负载电阻的太阳电池伏安特性测量电路的示意图；

图2是现有技术涉及到的太阳电池伏安特性曲线在总回路中的关系图；

图3是现有技术涉及到的基于声卡和MATLAB的太阳电池伏安特性自动测试***中的太阳电池伏安特性测试电路的示意图；

图4示出了现有技术涉及到的动态电容充放电测试VI特性的流程；

图5a是现有技术涉及到的采用四线法及恒流源的多路DSCs伏安特性测试***的示意图；

图5b是现有技术涉及到的DSCs伏安特性测试***硬件结构图；

图5c是现有技术涉及到的压控恒流源电路原理图；

图6是本发明的太阳电池伏安特性控制电路的原理图；

图7是本发明的具体实施方式所涉及的补偿电源的电压脉冲波型图

图8是本发明的具体实施方式所涉及的补偿电源和保护电路的设计原理图；

图9是本发明的具体实施方式所涉及的数控负载原理图；

图10示出了分段计算工作点对应的数字量D。

具体实施方式

下面结合附图6-10及具体实施方式对本发明进行详细说明。

基于补偿电源和快变数控负载的太阳电池伏安特性控制电路

如图6所示，本发明的太阳电池伏安特性控制电路由太阳电池阵V_c、负载电阻R₄、电流分流器电阻R₁、引线电阻R₅、补偿电源V₃串联成一个回路，差分脉冲分压器k₂₃并联在电池阵两端。在补偿电源与分流器电阻之间设置接地参考点。

当闪光脉冲瞬时照到电池阵上，负载电阻R₄由小到大扫描，控制电池阵的电压V_c电流I_c发生变化，回路电压方程为：

V₃+V_c＝I_c(R₁+R₄+R_on+R₅+R_s3) 公式(1)

在公式(1)中，V₃—补偿电源输出电压；V_c—电池阵输出电压；I_c—回路电流；R₁—分流器电阻；R₄—负载电阻设定值；R_on—负载电阻全导通时的电阻值；R₅—引线电阻；R_s3—补偿电源等效输出电阻。

补偿电源V₃是受控电压源，输出电压为：

V₃＝I_c(R₁+R_on+R₅+R_s3)＝I_c R₀ 公式(2)

在公式(2)中，R₀为全导通时回路总电阻并且R₀＝R₁+R_on+R₅+R_s3。

将公式(2)代入公式(1)得到：

V_c＝I_c R₄ 公式(3)

负载电阻R₄是由数字量D控制的场效应管，场效应管全导通电阻R_on约几百mΩ到几Ω，为固定值，R₄最大可达几MΩ，R₄能够控制电池阵从短路到开路，公式(3)表明R₄与电池阵I-V特性具有简单的函数关系，准确设定R₄是数控负载电路实现的。

补偿电源的作用是当太阳电池输出电压V_c小于I_cR₀时，补偿回路电流I_c在回路总电阻R₀上的电压降。公式(2)表明补偿电源跟随回路电流变化，电阻R₀仅与电路固有特性有关，为固定值。在现有技术中，补偿电压通常为固定值，当V₃>I_cR₀时，出现过补偿现象。当负载电阻全导通R₄＝0时，将有电流通过电池阵并联的旁路二极管，所测量的电流大于电池阵短路电流，使电池阵输出负电压：

V_c＝I_cR₀-V₃<0 公式(4)

补偿电源是脉冲电压源，在R₄扫描过程中，其电压时间波形如图7所示。

分流器电阻R₁有4条导线，其中一对正负极导线用于导通电流I_c，另外一对正负极导线输出电压V₁，经差分放大器，被高速电压采集器测量，用于测量电流。

被测太阳电池阵有4条导线，其中一对正负极导线用于导通电流I_c，另外一对正负极导线连接差分脉冲分压器k₂₃，k₂₃由双路电阻R₂和R₃组成，分压器输出差分电压V₂，经差分放大器被高速电压采集器测量，用于测量电压。

补偿电源

补偿电源串联在电池阵测量回路中，电动势方向与电池阵电动势方向相同，以负极性输出端作为整个回路的接地电位参考点。补偿电源是受控电压源。如图8所示，补偿电源由直流电源和两个反馈环路控制组成。电流反馈环路跟踪回路电流I_c，由场效应管Q2、Q3、低通滤波器LF3、反馈放大器A3、同相放大器A2、分压器k₂和电压跟随器A1组成。电压反馈环路控制电压稳定，由场效应管Q2、Q3、低通滤波器LF3、反馈放大器A3和分压器k₃组成。

电压跟随器A1输出电压V₃₁等于分流器R₁的电压，与回路电流I_c成正比，V₃₁接到分压器k₂的输入：

V₃₁＝I_cR₁ 公式(5)

同相放大器A2同相端接分压器k₂的输出，A2反相端接地电阻R₃₁是分流器电阻R₁的k₁倍，R₃₁＝k₁R₁，A2的反馈电阻R₃₂是可调节电阻，通过调节应使R₃₂＝k₁(R_on+R₅+R_s3)，其中k₁是系数，为减小A2在反馈电阻网络上电流，k₁范围可选10²～10⁴之间的任意值。A2输出电压V₃₂：

V₃₂＝I_c(R₁+R_on+R₅+R_s3)k₂ 公式(6)

分压器k₃的输入接补偿电源输出电压V₃：

V₃₃＝k₃V₃ 公式(7)

反馈放大器A3的同相端接A2的输出V₃₂，反相端接分压器k₃的输出V₃₃，当负反馈稳定后V₃₃＝V₃₂，将公式(7)代入公式(6)得：

V₃＝I_c(R₁+R_on+R₅+R_s3)k₂/k₃ 公式(8)

分压器k₂和k₃在不同量程应有不同的比例，确保其输出电压在±5V以内，当比例k₂＝k₃时，满足公式(2)的要求。

补偿电源是脉冲电压源，当闪光脉冲未到达时，初始电压接近0V，闪光到达初始t＝0ms，回路电流I_c瞬时增大到I_sc，V₃随I_c增大而增大，出现正反馈作用，产生电压脉冲，在0.5ms内电流反馈环路进入稳定控制状态，之后的1～3ms期间，闪光脉冲辐照稳定，太阳电池的电压V_c和电流I_c受负载电阻R₄控制，R₄由小到大，使回路电流I_c从短路电流I_sc减小到0，进而使V₃＝0。两个反馈环路既要能够快速跟踪电流变化，又要防止自激振荡，采用低通滤波器LF3限制两个反馈环路的带宽，对于闪光脉冲宽度T，反馈环路的截止频率应在(10～50)/T之间。

补偿电源的功率由直流电源提供，其最大输出电流应大于被测电池阵的短路电流I_sc，最大输出电压应大于I_scR₀，输出功率应大于I_sc ²R₀，输出阻抗R_s3尽可能小。若用市场采购的直流电压源，应有电流设定或过流保护功能。

保护电路

补偿电源的电压跟随回路电流具有正反馈特性，应有保护电路防止自激振荡或过大电流。保护电路由电压比较器A4、场效应管Q4、低通滤波器LF4和门限电压V_r组成，其中门限电压V_r一般在-0.5V～0V之间，可选择稳压管、电阻和电位器的组合来实现，也可用数模转换器实现，具体可参考图8中的保护电路部分。电压比较器A4的正极输入端接门限电压V_r，负极输入端接差分电压放大器G2的输出V₂，与电池阵电压成正比。A4的输出电压经过低通滤波器LF4连接到场效应管Q4的栅极，Q4的源极接地，Q4的漏极直接连接补偿电源的场效应管Q2的栅极。

正常测量I-V曲线的过程中，回路电流I_c从最大I_sc减小到0，正反馈作用使V₃也从最大I_scR₀变小至0，此时正反馈作用控制了电压脉冲的下降沿。在有光辐照的起始瞬间，因负载电阻R₄设置为最小值，回路电流I_c由小变大，使V₃增大，正反馈作用使回路电流很快达到电池阵短路电流I_sc，控制了电压脉冲的上升沿。当电池阵电压V_c下降为零甚至出现负电压时，V₂＝k₂₃V_c低于保护电路门限电压V_r，比较器A4输出高电平使Q4导通，进而使补偿电源的Q2、Q3趋向截止，使输出电压V₃下降，保护电路使补偿电源进入负反馈控制，负反馈稳定结果是V₂＝V_r。当负载电阻R₄增大，使电池阵输出电压V_c大于零，达到V₂>V_r后，电压比较器A4输出低电平，Q4截止，对补偿电源的Q2没有影响。

数控负载电路

负载电阻的作用是控制电池阵I-V特性曲线的工作点，光源闪光脉冲的工作过程中，负载电阻先设定某一个低阻状态，触发开始后，快速扫描到某一高阻状态，应在闪光脉冲平稳区间完成快速扫描，一般为1ms～3ms。

应了解，本发明与申请号为201610703036.5的专利的不同之处在于：

1)浮地控制——负载电阻两端串联了大功率的脉冲电源，一边是补偿电源，另一边是电池阵，闪光脉冲过程中，两边电源产生较大电压脉冲，因此负载电阻必须浮地控制；

2)快速变化——负载电阻每个工作点阻值都代表I-V曲线上的工作点，分段扫描时，阻值扫描的起始值和结束值均应准确设定，低通滤波器在反馈环路的位置与之前的设计不同，低通滤波器串联在反馈放大器输出端和场效应管栅极之间，可有效抑制高频振荡，截止频率应大于闪光脉冲基波频率；

3)工作点计算方法改进——由于补偿电源抵消了回路总电阻R₀的影响，负载电阻阻值与I-V曲线有简单的对应关系。

数控负载电路由n只场效应管、电流取样电阻R₄₁、电压跟随器A41、分压器k₅、反馈放大器A43、低通滤波器LF1、电压取样电阻R₄₃、反相放大器A42、反馈电阻R₄₂、乘法型数模转换器D/A、微处理器CPU、光耦隔离器、隔离电源AC/DC组成，见图9。

多只场效应管并联，其漏极接电池阵电流输出I+端，其源极连接电流取样电阻R₄₁，栅极经过串联电阻接低通滤波器LF1的输出，应使场效应管额定电流之和大于被测电池阵短路电流I_sc，根据场效应管的额定电流和被测电池阵电流选择并联数n。电流取样电阻R₄₁一端连接场效应管源极，另一端作为浮地电路的参考电位，同时连接电流分流器R₁的输入端，优化设计中，电流分流器R₁和电流取样电阻R₄₁功能相同可以合并。电压跟随器A41同相端接R₄₁的高电位端，A41输出接分压器k₅的输入端，k₅的输出端接反馈放大器A43的反相端。A43的输出端接LF1的输入端。电压取样电阻R₄₃也可看作反相放大器的输入电阻，R₄₃一端连接场效应管漏极，另一端连接反相放大器A42的反相端，A42同相端接参考电位，反馈电阻R₄₂连接A42的输出端和反相端，A42的输出接乘法型D/A的基准电压V_ref输入端，D/A的输出电压V_out接A43的同相端，乘法型D/A的运算关系为V_out＝-DV_ref，D/A的数据线连接微处理器CPU，CPU的通信接口经过光耦隔离器连接上位机接口，上位机设定数字量D值控制负载电阻R₄。

电压跟随器A41从电流取样电阻R₄₁上获得电流信号，输出电压经过分压器k₅后，获得输出电压V₄₁：

V₄₁＝I_cR₄₁k₅ 公式(9)

电流取样电阻R₄₁应根据被测电池阵最大短路电流I_sc选取，保证A41输出小于10V。可分量程设计。如对应被测电池阵I_sc量程：100A、50A、20A、10A、5A、2A、1A、0.5A、0.2A、0.1A，可选R₄₁为：0.1Ω、0.2Ω、0.5Ω、1Ω、2Ω、5Ω、10Ω、20Ω、50Ω、100Ω。

电压取样电阻R₄₃和反馈电阻R₄₂测量场效应管的漏极相对于参考点的电位V₄，反相放大器A42输出电压V₄₂与D/A的基准电压V_ref相等：

V_ref＝V₄₂＝-V₄R₄₂/R₄₃ 公式(10)

电压取样电阻R₄₃应保证旁路电流足够小，如被测电池阵最大开路电压V_oc为200V，R₄₃＝200kΩ时，旁路电流为1mA。为保证A42输出电压V₄₂绝对值小于10V，R₄₂可分量程设计，如R₄₃＝200kΩ对应V_oc量程：200V、100V、50V、10V、5V、1V，可选R₄₂应小于：1kΩ、2kΩ、4kΩ、20kΩ、40kΩ、200kΩ。

乘法型D/A的输出电压V_out与基准电压V_ref有运算关系：

V_out＝-DV_ref 公式(11)

在公式(11)中，D为乘法型D/A的数字量，是二进制小数。

对于N位D/A，数字量D表达式：

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

在公式(12)中，a_N-1，a_N-2，···a₁，a₀取值为0或1。在编程时D对应的整数D_w＝2^ND。

反馈放大器A43的输出电压控制场效应管，满足反馈平衡条件V₄₁＝V_out，将公式(9)～(11)联立等到I_cR₄₁k₅＝DV₄R₄₂/R₄₃，变换为：

V₄＝I_cR₄₁R₄₃k₅/DR₄₂ 公式(13)

由场效应管模拟的负载电阻R₄等于两端电压除以电流：

R₄＝(V₄-I_cR₄₁)/I_c 公式(14)

将公式(13)代入公式(14)中得到：

R₄＝R₄₁[k₅R₄₃/(DR₄₂)-1] 公式(15)

由公式(15)可见负载电阻R₄受数字量D的控制，表示设定值D对应的负载电阻值R₄，因补偿电源可以消除场效应管全导通电阻R_on的影响，因此，公式(15)中不包含R_on。

R₄中不包括电流取样电阻R₄₁。在回路总电阻R₀计算时，R₄₁视为分流器电阻R₁的一部分。在优化设计时，可将R₁与R₄₁合并。补偿电源可以消除R₄₁的影响。

在公式(15)中为抵消反相放大器比例R₄₂/R₄₃造成的影响，硬件上设计了分压器k₅，当k₅＝R₄₂/R₄₃时，公式(15)简化为以下的公式(16)：

R₄＝R₄₁[1/D-1] 公式(16)

因此，当D＝1时，R₄＝0；当D＝1/2时，R₄＝R₄₁；当D＝1/2^N时，R₄＝(2^N-1)R₄₁；当D＝0时，R₄＝∞。

从公式(16)可见，上位机程序设定D值从0～1，可使负载电阻R₄从无穷大到零。

接下来，举例说明分段扫描负载电阻的计算方法。

在闪光脉冲的平稳段约3ms期间，负载电阻R₄从起始电阻值R_start扫描到结束值R_end，中间被R_m1和R_m2分为三段，采用50个工作点扫描I-V曲线，要求第一段R_start到R_m1有20个点，第二段R_m1到R_m2有10个点，第三段R_m2到R_end有20个点。每一段内R₄在I-V特性图上等角度递增，其中R_start、R_end、R_m1、R_m2对应的角度为α_s、α_e、α_m1、α_m2。具体如图10所示。

在I-V平面电阻值与角度的关系是：

R_n＝tg(α_n)或α_n＝arctg(R_n) 公式(17)

式中：R_n是第n个工作点的电阻值；α_n是在I-V坐标平面第n个工作点与原点所连接直线与I轴的夹角。

由公式(16)计算数字量D：

D＝1/(R₄/R₄₁+1) 公式(18)

通过公式(17)先设定R_n或α_n，将R₄＝R_n，再代入公式(18)，可计算第n个数字量的值：

D_n＝1/[tg(α_n)/R₄₁+1] 公式(19)

在公式(19)中，n为扫描顺序号，n＝0，1，2，…

按照等角度递增原则：

第一段内第n个(n＝0,1…19)电阻值R_n所代表的角度的表达式：α_n＝(α_m1-α_s)*n/20+α_s

第二段内第n个(n＝20,21…29)电阻值R_n所代表的角度的表达式：α_n＝(α_m2-α_m1)*n/10+α_m1

第三段内第n个(n＝30,31…49)电阻值R_n所代表的角度的表达式：α_n＝(α_e-α_m2)*n/20+α_m2

将上述角度值代入公式(19)计算数字量D：

第一段内第n个数字量：D_n＝1/{tg[(α_m1-α_s)*n/20+α_s]/R₄₁+1}；

第二段内第n个数字量：D_n＝1/{tg[(α_m2-α_m1)*n/10+α_m1]/R₄₁+1}；

第三段内第n个数字量：D_n＝1/{tg[(α_e-α_m2)*n/20+α_m2]/R₄₁+1}；

编程时需将D值由小数变成整数，D_w＝D*2^N。

综上所述，本发明所涉及的电路设计方案属于脉冲太阳模拟器产品中的一部分关键技术，采用此项技术后，太阳电池的伏安特性工作点控制更佳准确，补偿电源消除了回路总电阻的影响，使数字控制量与I-V特性工作点能够一一对应，并可直接计算，为分段扫描负载电阻创造了条件。简化了脉冲太阳模拟器的使用操作，与美国LAPSS产品相比更容易获得完整的伏安特性曲线。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (9)

1.一种太阳电池伏安特性控制电路，用于实现太阳电池阵的IV特性曲线工作点的精确控制和快速扫描，其特征在于，由所述太阳电池阵、负载电阻、电流分流器电阻、引线电阻、补偿电源组成并串联成一个回路，并且在所述太阳电池阵的两端并联有一个差分脉冲分压器，

其中，在所述补偿电源与所述电流分流器电阻之间设置接地电位参考点；

所述负载电阻是由数字量控制的场效应管并且由数控负载电路实现；

所述太阳电池阵有4条导线，一对正负极导线用于导通整个回路的电流，而另一对正负极导线连接至所述差分脉冲分压器；

所述太阳电池阵的伏安特性曲线是以太阳电池两端电压和整个回路电流为坐标点在电流-电压直角坐标系中的点连成的曲线，随所述负载电阻变化，伏安特性变化公式如下：

V_c+V₃＝I_c(R₄+R_on+R₅+R₁)，

其中，V_c为所述太阳电池阵两端的电压，I_c为所述太阳电池阵的电流并作为整个回路电流，V₃为所述补偿电源的输出电压，R₁为所述电流分流器电阻，R₄为所述负载电阻的设定值，R_on为所述负载电阻的全导通电阻值，R₅为所述引线电阻；

所述补偿电源是脉冲受控电压源，其输出电压跟随整个回路电流而变化，用以补偿所述回路电流在所述负载电阻的全导通电阻、所述引线电阻、所述电流分流器电阻上的电压降，所述补偿电源的负极性输出端用作回路的接地电位参考点；

当所述补偿电源的输出电压V₃＝I_c(R_on+R₅+R₁)时，所述太阳电池阵的伏安特性变化公式简化为V_c＝I_cR₄，从而仅通过所述负载电阻的设定值来确定所述太阳电池阵的伏安特性曲线的工作点(I_c，V_c)的位置。

2.根据权利要求1所述的太阳电池伏安特性控制电路，其特征在于，

所述电流分流器电阻有4条导线，其中，一对正负极导线连接所述负载电阻的输出端和所述补偿电源的接地电位参考点，用于导通回路电流，另一对正负极导线连接差分放大器被高速电压采集器测量，从而测量获得所述太阳电池阵的电流；

所述差分脉冲分压器输出差分电压，连接差分放大器被高速电压采集器测量，从而测量获得所述太阳电池阵的电压。

3.根据权利要求2所述的太阳电池伏安特性控制电路，其特征在于，所述补偿电源由直流电源、电压控制调节部分、电流反馈部分和电压反馈部分组成，

其中，所述电压控制调节部分用于调节所述直流电源的输出，使输出电压波形受到控制，由调整场效应管、控制场效应管、低通滤波器、反馈放大器组成；

所述电流反馈部分用于跟踪整个回路的电流，由同相放大器、电流跟随分压器和电压跟随器组成；

所述电压反馈部分用于控制电压稳定，由输出电容器和补偿电压分压器组成；

所述直流电源负极性端连接接地电位参考点，其额定输出电流应大于所述太阳电池阵短路电流，其额定输出电压应大于太阳电池阵短路电流在所述负载电阻的全导通电阻、所述引线电阻、所述电流分流器电阻上的电压降之和。

4.根据权利要求3所述的太阳电池伏安特性控制电路，其特征在于，

所述电压控制调节部分的所述调整场效应管为P沟道型场效应管，其源极连接所述直流电源正极性端，其栅极串联一个电阻连接到所述直流电源，其漏极作为受控电源的输出端；

所述电压控制调节部分的所述控制场效应管为N沟道型场效应管，其源极连接所述接地电位参考点，其栅极连接所述低通滤波器的输出端，其漏极串联一个电阻连接到所述调整场效应管的栅极；

所述电压控制调节部分的所述低通滤波器串联在所述控制场效应管的栅极和所述反馈放大器的输出端之间；

所述电压控制调节部分的反馈放大器的输出端连接所述低通滤波器的输入端，其同相端连接所述电流反馈部分的输出端，其反相端连接所述电压反馈部分的输出端；

所述电流反馈部分中的电压跟随器的输出电压等于所述分流器电阻的电压，与整个回路的电流成正比，并且所述电压跟随器的输出端连接至所述电流跟随分压器的输入端；

所述电流反馈部分中的同相放大器的同相端连接至所述电流跟随分压器的输出端，其反相端与输出端之间串联一个反馈电阻，其反相端与接地电位参考点之间串联一个接地电阻，其输出端连接到所述电压控制调节部分的反馈放大器的同相端；

所述电压反馈部分的输出电容并联在所述补偿电源的输出端与所述接地电位参考点之间；

所述电压反馈部分的补偿电压分压器的输入端连接所述补偿电源输出端，其输出端连接到所述电压控制调节部分的反馈放大器反相输入端；

其中，所述接地电阻为所述电流分流器电阻的预定倍数，并且所述预定倍数的范围选自10²～10⁴之间的任意值，所述反馈电阻是通过公式R₃₂＝k₁(R_on+R₅+R_s3)计算获得的，其中，k₁为所述预定倍数，R₃₂为所述反馈电阻，R_s3为所述补偿电源的等效输出电阻值。

5.根据权利要求4所述的太阳电池伏安特性控制电路，其特征在于，还包括一保护电路，用于防止所述补偿电源的电压跟随整个回路的电流产生正反馈特性，从而防止自激振荡或过大电流，

其中，所述保护电路由电压比较器、保护场效应管、低通滤波器和门限电压组成，所述门限电压由稳压管、电阻和电位器的组合来产生，或者由数模转换器来产生。

6.根据权利要求5所述的太阳电池伏安特性控制电路，其特征在于，

所述电压比较器的正极输入端连接至所述门限电压；

所述电压比较器的负极输入端连接至所述差分脉冲分压器之后的差分运算放大器输出端，与所述太阳电池阵的电压成正比；

所述电压比较器的输出电压经过所述保护电路中的低通滤波器连接至所述保护场效应管的栅极；

所述保护场效应管的源极接地；

所述保护场效应管的漏极连接至所述控制场效应管的栅极。

7.根据权利要求1所述的太阳电池伏安特性控制电路，其特征在于，所述负载电阻用于控制所述太阳电池阵的IV特性曲线的工作点，

其中，所述数控负载电路由多只大功率场效应管、电流取样电阻、电压跟随器、电流比例分压器、反馈放大器、低通滤波器、电压取样电阻、反相放大器、反馈电阻、乘法型数模转换器、微处理器、光耦隔离器、隔离电源组成。

8.根据权利要求7所述的太阳电池伏安特性控制电路，其特征在于，

所述多只大功率场效应管彼此并联，并且它们的漏极连接至所述太阳电池阵的电流输出端，源极连接至电流取样电阻，栅极均分别经由一串联电阻连接至所述低通滤波器的输出端；

所述多只场效应管的额定电流之和大于所述太阳电池阵的短路电流；

所述电流取样电阻的一端连接至所述场效应管源极，而另一端作为浮地电路的参考电位，同时连接至所述电流分流器电阻的输入端；

所述电压跟随器的同相端连接至所述电流取样电阻的高电位端，而输出端连接至所述电流比例分压器的输入端；

所述电流比例分压器的输出端连接至所述反馈放大器的反相端；

所述反馈放大器的输出端连接至所述低通滤波器的输入端；

所述电压取样电阻的一端连接至所述多只大功率场效应管的漏极，而另一端连接至所述反相放大器的反相端；

所述反相放大器的同相端连接至所述浮地电路的参考电位；

所述反馈电阻连接至所述反相放大器的输出端和反相端之间；

所述反相放大器的输出端连接至所述乘法型数模转换器的基准电压输入端；

所述乘法型数模转换器的输出电压端连接至所述反馈放大器的同相端；

所述乘法型数模转换器的数据线连接至所述微处理器；

所述微处理器的通信接口经过所述光耦隔离器连接至上位机接口。

9.根据权利要求8所述的太阳电池伏安特性控制电路，其特征在于，所述负载电阻基于以下公式受控于所述乘法型数模转换器的数字量D：

R₄＝R₄₁[k₅R₄₃/(DR₄₂)-1]，

其中，R₄为所述负载电阻的电阻值，R₄₁为所述电流取样电阻的电阻值，k₅为所述电流比例分压器的比例系数，R₄₃为所述电压取样电阻的电阻值，R₄₂为所述反馈电阻的电阻值，

所述数字量D的取值表达式为：D＝(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，N表示所述乘法型数模转换器的位数，并且在编程处理时取整数为D_w＝2^ND，则R₄＝R₄₁[2^Nk₅R₄₃/(D_wR₄₂)-1]，

所述乘法型数模转换器的输出电压V_out，与电压基准V_ref之间的关系为：V_out＝-DV_ref。