CN104410362B - 基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统和方法 - Google Patents
基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统和方法，其特征在于，包括与光伏电池组件的输出端口相串联的电流表和可调负载、分别与每个电池片两端相连的模拟边界扫描测试装置，所述模拟边界扫描测试装置包括自保持采样接口组、译码器和多路选择器，所述译码器分别与自保持采样接口组和多路选择器相连，所述自保持采样接口组的输出端和多路选择器相连，每个电池片的一个端部与一个自保持采样接口相连，所述多路选择器的输出与电压表相连。通过模拟自保持测试接口、模拟边界扫描测试外壳、模拟边界扫描总线，实现了光伏电池组件内部电池片的独立测试，降低了测试成本、减少了测试时间、实现了测试的在线化、自动化。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统和方法。
背景技术
光伏电池组件是由多块光伏电池片串联（构成电池片串），然后经过盖板、边框、接线装置等封装，组成的便于现场使用的发电单元。电池片在封装的过程中及封装完成后，会进行一系列的测试，来确定最终形成的光伏电池组件是否达到产品合格要求。当光伏电池组件安装到光伏电站后，受工作环境的影响，以及光伏电池本身的老化特性，光伏电池片的性能会发生变化，甚至出现故障。然而，由于光伏电池片的可测试点已经被封装到了盖板与边框里面，现场无法对每块电池板进行测试，无法确定其老化程度与故障情况。
目前光伏电池组件的测试方法为端口测试，仅可以对电池组件的出口电压、电流进行测试，且测试方法为离线测试。如图1所示，光伏电池组件1内部由多个电池片2串联（或串并联的组合）而成，光伏电池组件1对外提供一个二线端口，输出电能。在电池组件封装完成后，目前的测试方案为在光伏电池组件1的端口外串联电流表3、并联电压表4，并且通过可调负载5来获得电池板的伏安特性及其它电气特性。并且通过在外施加不同的光照和温度6条件，即可获得不同环境下的伏安特性及其它电气特性。测试成本高，测试时间长，测试需要人工完成，自动化程度低，无法检测每一块电池片的单独性能，在现场老化与故障后，不能得知每个电池片的老化与故障差异。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统和方法，通过模拟自保持测试接口、模拟边界扫描测试外壳、模拟边界扫描总线，实现了光伏电池组件内部电池片的独立测试，降低了测试成本、减少了测试时间、实现了测试的在线化、自动化。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统，其特征在于，包括与光伏电池组件的输出端口相串联的电流表和可调负载、分别与每个电池片两端相连的模拟边界扫描测试装置，所述模拟边界扫描测试装置包括自保持采样接口组、译码器和多路选择器，所述译码器分别与自保持采样接口组和多路选择器相连，所述自保持采样接口组的输出端和多路选择器相连，每个电池片的一个端部与一个自保持采样接口相连，所述多路选择器的输出与电压表相连。
优选，所述自保持采样接口包括顺次相连的第一放大器、开关S2、和第二放大器，所述第一放大器与电池片的一个端部相连，所述第二放大器的输出通过开关S4与多路选择器相连，所述自保持采样接口的输入和输出之间通过开关S3相连，第二放大器的同相输入端通过电容C接地，所述开关S2、开关S3和开关S4分别与开关译码器相连。
一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测方法，其特征在于，伏安特性测试包括如下步骤：
步骤11、在一个给定光照与温度下，设置伏安特性曲线的数据点数M；
步骤12、设置或改变可调负载大小，获得电池片串联电流大小；
步骤13、触发采样保持，使自保持采样接口进入保持状态；
步骤14、依次选通每块电池片的两端，测量每块电池片的电压输出；
步骤15、判断是否已循环了M次，若否，则进入步骤12，否则进入步骤16；
步骤16、针对每一块电池片，绘制伏安特性曲线；
步骤17、比较伏安特性曲线，分析其相互匹配特性。
一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测方法，其特征在于，频率特性测试包括如下步骤：
步骤21、在光伏电池组件的输出端口施加调频正弦信号源，在测试总线上采用高速同步采样方法，检测每块电池片的同步电压输出，绘制每块电池片电压的同步输出曲线；
步骤22、改变施加调频正弦信号频率，检测在此频率下的电压同步输出曲线；
步骤23、重复步骤22，针对多个频率信号，得到几组不同频率下的电压同步输出曲线；
步骤24、绘制每块电池片的幅频特性、相频特性曲线。
本发明采用模拟边界扫描技术，可单独访问到光伏电池组件中的每一块电池片，从而得知光伏电池组件中电池片之间的老化与故障差异，进而分析故障与老化原因，指导改进组件性能，提高组件可靠性。同时通过自动化测试手段，减少组件测试时间与成本。
本发明的有益效果是：
a) 实现对光伏电池组件内电池片的电气特性测试。
b) 实现了电池片的同步采样，从而可测试光伏电池组件内电池片的匹配特性，如负载效应、相位关系等，从而可用于电池片故障与老化的特征提取。
c) 在封装完成后，可测试组件内电池片的伏安特性、频率响应、脉冲响应、阶跃响应。
d) 可实现组件内电池片测试的自动化，测试速度快，成本低。
e) 测试总线数量少，包括光伏电池组件的原来输出端口，不计地线，最少只有5条。
附图说明
图1是传统光伏电池组件的测试结构示意图；
图2是本发明基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统的结构示意图；
图3是本发明模拟边界扫描测试装置的内部结构示意图；
图4是本发明自保持采样接口的内部结构示意图；
图5是本发明电池片伏安特性测试的流程图；
附图的标记含义如下：
1：光伏电池组件；2：电池片；3：电流表；4：电压表；5：可调负载；6：光照和温度；7：模拟边界扫描测试装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统，如图2所示，包括与光伏电池组件1的输出端口相串联的电流表3和可调负载5、分别与每个电池片2两端相连的模拟边界扫描测试装置7。其中，可调负载5可以是电阻负载，或者是逆变器、DC-DC变换器、或光伏电站现场负载等，在组件的输出端口施加可调负载5，用于检测输出电流。
边界扫描是一种检查印刷电路板上的连线或是集成电路中模组的方式，本申请中，所述模拟边界扫描测试装置7如图3所示，包括自保持采样接口组（SHATI_1、SHATI_2……SHATI_N）、译码器和多路选择器。其中，译码器将串行控制输入信号译成采样保持信号与选通信号，SHATI负责在采样保持信号到来时，对被测输入电压信号进行采样，并对采样电压进行锁存，多路选择器（图在是N选二通道选择器）在选通信号的控制下，使二线制输出端依次输出每块电池片2的两端电压。
优选，多路选择器是N选二通道选择器或N选三通道选择器，但不限于此，即多路选择器是N选X通道选择器（N和X均是正整数，且N大于X），且通道选择器的实现方式不限于电子器件或机械开关。
所述译码器分别与自保持采样接口组和多路选择器相连，所述自保持采样接口组的输出端和多路选择器相连，每个电池片2的一个端部与一个自保持采样接口相连，即从每一块电池片2的两端引出导线，接入到两个自保持采样接口，相连的电池片2的共同连接端可以仅接入到一个自保持采样接口。所述多路选择器的输出与电压表4相连。
模拟边界扫描测试装置7通过采样保持机制与选通机制，使每一块电池片2的两端电压依次输出，并用电压表4检测电池片2的输出电压。通过串行通讯总线（如I2C总线、1-wire总线，也可通过并行控制总线，但这将增加通讯端口数量）控制电压采样保持与电池片2的选通动作。通过分析检测到的电压、电流的关系，得到伏安特性曲线，在组件输出端口施加调频信号、脉冲信号、阶跃信号，并在测试总线端口用高速采样法检测电压响应，可得到各个电池片2的频率特性、脉冲响应特性、阶跃响应特性及两两电池片2之间的响应关系。在不同的光照、温度下可测试电池片2相应的电气特性。
优选，自保持采样接口的结构如图4所示，包括顺次相连的第一放大器OPA1、开关S2、和第二放大器OPA2，第一放大器OPA1用于输入跟踪，匹配电路的输入阻抗，而第二放大器OPA2用于输出驱动，匹配电路的输出阻抗。所述第一放大器与电池片2的端部相连，所述第二放大器的输出通过开关S4与多路选择器相连，所述自保持采样接口的输入和输出之间通过开关S3相连，第二放大器的同相输入端通过电容C接地，所述开关S2、开关S3和开关S4分别与开关译码器相连，需说明的是，此处的开关译码器即是译码器，为了便于与上述的译码器区分，特在名称前加了开关进行限制。
图4中包括四个开关，其中，所述第一放大器通过开关S1与电池片2的一个端部相连，开关S1与开关译码器相连。S1为输入开关，S1打开时可隔开输入，需说明是的，从功能上而言S1不是必需的，但从性能上而言，S1的存在提高了隔离性能。S2为电容充电控制开关或称跟随控制开关，S3为旁路开关，用于输入与输出的直通，S4为输出控制开关。当开关S1,S2,S3闭合，S4打开时，电压输入与电压输出直连，SHATI处于跟踪状态，同时电容C跟踪电压输入信号。当S1,S2,S3打开，S4闭合时，SHATI采样电压输入，并使电压输出保持为采样时刻的值。
一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测方法，如图5所示，伏安特性测试包括如下步骤：
步骤11、在一个给定光照与温度下，设置伏安特性曲线的数据点数M；
步骤12、设置或改变可调负载5大小，获得电池片2串联电流大小；
步骤13、触发采样保持，使自保持采样接口进入保持状态；
步骤14、依次选通每块电池片2的两端，测量每块电池片2的电压输出；
步骤15、判断是否已循环了M次，若否，则进入步骤12，否则进入步骤16；
步骤16、针对每一块电池片2，绘制伏安特性曲线；
步骤17、比较伏安特性曲线，分析其相互匹配特性。
伏安特性测试在一个给定光照和温度6下，测试每一块电池片2的伏安特性曲线，可以比较其在相同工作状态下的差异。
频率特性测试包括如下步骤：
步骤21、在光伏电池组件1的输出端口施加调频正弦信号源，在测试总线上采用高速同步采样方法（按奈奎斯特定律，每个周期至少采两个点，实现操作过程中需采10个点以上），检测每块电池片2的同步电压输出，绘制每块电池片2电压的同步输出曲线。其中，高速指达到 1MSPS，即每秒采样100万次以上个点，或者指不同电池片之间的电压采样时间误差小于1微秒；
步骤22、改变施加调频正弦信号频率，检测在此频率下的电压同步输出曲线；
步骤23、重复步骤22，针对多个频率信号，得到几组不同频率下的电压同步输出曲线；
步骤24、绘制每块电池片2的幅频特性、相频特性曲线。
由于采用同步采样方法，因此可分析串联电池片2之间的频率相位差。
其它特性测试方法：比如，在组件的输出端口施加脉冲信号并采用高速同步采样方法，可测试内部电池片2的脉冲响应及电池片2之间的脉冲响应相位关系。在组件的输出端口施加阶跃信号并采用高速同步采样方法，可测试内部电池片2的阶跃响应及电池片2之间的阶跃响应相位关系。
可以采用计算机或可编程控制器控制可控制信号源与自动测试设备，可实现组件内电池片2电气特性与电池片2间匹配特性的测试自动化。
本发明的有益效果是：
A）实现对光伏电池组件1内电池片2的电气特性测试。
B）实现了电池片2的同步采样，从而可测试光伏电池组件1内电池片2的匹配特性，如负载效应、相位关系等，从而可用于电池片2故障与老化的特征提取。
C）在封装完成后，可测试组件内电池片2的伏安特性、频率响应、脉冲响应、阶跃响应。
D）可实现组件内电池片2测试的自动化，测试速度快，成本低。
E）测试总线数量少，包括光伏电池组件1的原来输出端口，不计地线，最少只有5条。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统，其特征在于，包括与光伏电池组件（1）的输出端口相串联的电流表（3）和可调负载（5）、分别与每个电池片（2）两端相连的模拟边界扫描测试装置（7），所述模拟边界扫描测试装置（7）包括自保持采样接口组、译码器和多路选择器，所述译码器分别与自保持采样接口组和多路选择器相连，所述自保持采样接口组的输出端和多路选择器相连，每个电池片（2）的一个端部与一个自保持采样接口相连，所述多路选择器的输出与电压表（4）相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统，其特征在于，所述自保持采样接口包括顺次相连的第一放大器、开关S2、和第二放大器，所述第一放大器与电池片（2）的一个端部相连，所述第二放大器的输出通过开关S4与多路选择器相连，所述自保持采样接口的输入和输出之间通过开关S3相连，第二放大器的同相输入端通过电容C接地，所述开关S2、开关S3和开关S4分别与开关译码器相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统，其特征在于，所述第一放大器通过开关S1与电池片（2）的一个端部相连，所述开关S1与开关译码器相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测系统，其特征在于，所述多路选择器是N选二通道选择器或N选三通道选择器。
5.一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测方法，其特征在于，伏安特性测试包括如下步骤：
步骤11、在一个给定的光照和温度（6）下，设置伏安特性曲线的数据点数M；
步骤12、设置或改变可调负载（5）大小，获得电池片（2）串联电流大小；
步骤13、触发采样保持，使自保持采样接口进入保持状态；
步骤14、依次选通每块电池片（2）的两端，测量每块电池片（2）的电压输出；
步骤15、判断是否已循环了M次，若否，则进入步骤12，否则进入步骤16；
步骤16、针对每一块电池片（2），绘制伏安特性曲线；
步骤17、比较伏安特性曲线，分析其相互匹配特性。
6.一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测方法，其特征在于，频率特性测试包括如下步骤：
步骤21、在光伏电池组件（1）的输出端口施加调频正弦信号源，在测试总线上采用高速同步采样方法，检测每块电池片（2）的同步电压输出，绘制每块电池片（2）电压的同步输出曲线；
步骤22、改变施加调频正弦信号频率，检测在此频率下的电压同步输出曲线；
步骤23、重复步骤22，针对多个频率信号，得到几组不同频率下的电压同步输出曲线；
步骤24、绘制每块电池片（2）的幅频特性、相频特性曲线。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测方法，其特征在于，在组件的输出端口施加脉冲信号并采用高速同步采样方法，测试内部电池片（2）的脉冲响应及电池片（2）之间的脉冲响应相位关系。
8.根据权利要求5或6所述的一种基于模拟边界扫描的光伏电池板检测方法，其特征在于，在组件的输出端口施加阶跃信号并采用高速同步采样方法，测试内部电池片（2）的阶跃响应及电池片（2）之间的阶跃响应相位关系。
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Effective date of registration: 20160426 Address after: 100085, No. 2, building 2, information road, Haidian District, Beijing, 25C Applicant after: BEIJING TSING YUN ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: 210000 Jiangsu city of Nanjing province science and Technology Innovation Park kylin (eco technology city) Qi East Road No. 666 Applicant before: NANJING QINGYUN ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Address after: 100085, No. 2, building 2, information road, Haidian District, Beijing, 25C Patentee after: Beijing Qidi Qingyun Intelligent Energy Co., Ltd Address before: 100085, No. 2, building 2, information road, Haidian District, Beijing, 25C Patentee before: Being Tsingyun Solar Energy Tech Co., Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |