CN104796085A - 基于恒流模式电子负载的太阳能电池iv测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，包括：一电子负载模块；一驱动增强模块，其输入端与电子负载模块的端口1连接，该驱动增强模块并与一太阳电池串连；一第一保护电路，其输入端与驱动增强模块的电压检测端口5连接，其输出端与MCU主控模块的16位ADO端口6连接；一第二保护电路，其输入端与驱动增强模块的电流检测端口4连接，其输出端与MCU主控模块的16位AD1端口5连接；一MCU主控模块，其是C8051F芯片；一键盘控制模块，其与MCU主控模块的端口2连接；一液晶显示模块，其与MCU主控模块的端口1连接；一接口通讯模块，其与MCU主控模块的端口3连接；一供电稳压模块，该供电稳压模块向整个太阳能电池IV测试系统供电。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域与测量与自动控制领域的结合，特别涉及一种基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统。
背景技术
随着人类社会的飞速发展，能源需求量在全球范围变得越来越大，而传统非可再生矿物能源却在逐渐枯竭，对可再生新能源的开发利用已经成为世界各国的热点研究课题。太阳能因其洁净性与可再生性等诸多优点越来越受到世界关注。在“节能、减排、开发绿色能源”的背景下，开发光伏能源及其应用价值成为当下科研的一个重要方向。在光伏电池生产中，电池性能的好坏直接影响整个光伏发电系统的效率。因此，对太阳电池光伏特性的精确快速检测，就显得尤为重要。这不仅利于企业生产效率的提高，更有助于科研活动的进一步开展。目前，国内外多家公司针对太阳电池特性已经开发出多款I-V测试系统，用于满足光伏研究与生产的需要。如美国Newport公司开发的Oriel I-V测试系统，可对太阳能电池的光电特性和参数进行全面的测量。美国吉时利公司开发的4500-MTS I-V测试系统，可以实现36通道高速并行测试。国内的赛凡光电、巨力科技、及卓立汉光等光电科技公司，也相继开发出各种I-V测试系统用于光伏企业生产与科研活动。另外，科研院校也在I-V测试系统开发中，崭露头角。1994年，Hovinen A等人提出了IV曲线到电池二极管模型的拟合方法。2004年，Guvench.M.G.等人基于PC硬件与数学编程研制了IV测试系统用于大面积光伏电池特性的测试。2009年，Aranda.E.D等人提出一种基于DC-DC转换器的光伏电池测试方法。2010年，Chen Fengxiang等人基于单片机开发了光伏I-V测试系统，电池主要参数测量误差最小于5％。2013年，Herman M等人提出了太阳能电池IV测试时间最优化方法。但目前的光伏I-V测试系统，由于体积庞大、成本昂贵、携带不便等突出缺点，无法满足多样化的市场需求。因此，提出一种和传统测试系统相比，体积轻巧、成本较低、携带方便、准确度高的太阳能电池IV测试系统变得十分必要。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，具有以下显著特点：
1、巧妙利用电路的对称性消除了运放的输入失调电压对测量精度的影响，保证测量系统的准确性。
2、在消除温度漂移影响的情况下增加了电子负载驱动增强电路，提高了系统驱动负载的能力。
3、巧妙地设计了供电稳压部分，有效解决由于电路漏电造成的过零点问题，保证测试系统的准确性。
4、加入了过压保护电路，克服了非正常情况带来的瞬时高压的影响，提高电路的可靠性。
5、系统在保证测量准确度的基础上，其结构简单，成本低廉，体积小巧，利于携带和规模化生产。
本发明提供一种基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，包含：
一模拟部分和数字部分，其中：
该模拟电路部分包括：
一电子负载模块；
一驱动增强模块，其输入端与电子负载模块的端口1连接，该驱动增强模块并与一太阳电池串连；
一第一保护电路，其输入端与驱动增强模块的电压检测端口5连接，其输出端与MCU主控模块的16位AD0端口6连接；
一第二保护电路，其输入端与驱动增强模块的电流检测端口4连接，其输出端与MCU主控模块的16位AD1端口5连接；
该数字电路部分包括：
一MCU主控模块，其是C8051F芯片；
一键盘控制模块，其与MCU主控模块的端口2连接；
一液晶显示模块，其与MCU主控模块的端口1连接，该液晶显示模块是带中文字库12864液晶；
一接口通讯模块，其与MCU主控模块的端口3连接；
一供电稳压模块，该供电稳压模块向整个太阳能电池IV测试系统供电。
本发明的有益效果是：
1、巧妙利用电路的对称性消除了运放的输入失调电压对测量精度的影响，保证测量系统的准确性。
2、在消除温度漂移影响的情况下增加了电子负载驱动增强电路，提高了系统驱动负载的能力。
3、巧妙地设计了供电稳压部分，有效解决由于电路漏电造成的过零点问题，保证测试系统的准确性。
4、加入了过压保护电路，克服了非正常情况带来的瞬时高压的影响，提高电路的可靠性。
5、系统在保证测量准确度的基础上，其结构简单，成本低廉，体积小巧，利于携带和规模化生产。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是基于恒流模式电阻负载的太阳能电池IV测试系统结构框图；
图2是电子负载模块1局部细节电路图；
图3是驱动增强模块2局部细节电路图；
图4是键盘控制模块4局部细节电路图；
图5是液晶显示模块5局部细节电路图；
图6是接口通信模块6局部细节电路图；
图7是保护电路模块7和保护电路模块7’局部细节电路图；
图8是稳压供电模块8局部细节电路图。
具体实施方式
请参阅图1至图8所示，本发明提供一种基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，包含：
一模拟电路部分10和数字电路部分20，其中：
该模拟电路部分10包括：
一电子负载模块1，所述电子负载模块1由三个对称结构的运算放大器和四个分压电阻和一个采样电阻组成(参阅图2)，其作用是将MCU主控模块3的12位数模转换器DA0输入的激励电压信号转化为电流信号，精确控制流过太阳能电池电流。具体的工作方式和连接方式为，电子负载有Vb、VI、VU、VCC、VSS，5个主要外接端口：端口Vb连接被测太阳能电池的正输出极；端口VI连接MCU的DA0输出管脚并通过保护电路连接MCU的AD1输入管脚；端口VU通过保护电路连接到MCU的AD0输入管脚；VCC和VSS接口负责整个电子负载模块的供电。电子负载的功能可以通过公式ICELL＝VI/RSAM来描述，电子负载可以使DA0的输入激励电压VI全部施加在采样电阻RSAM两端，从而起到精确控制ICELL的功能；
一驱动增强模块2，其输入端与电子负载模块1的端口1连接，该驱动增强模块2并与一太阳电池串连，所述驱动增强模块2由对称结构的四个三极管和两个分压电构成(参阅图3)，具体的工作方式和连接方式为，驱动增强模块有V1、V2、VSS和VCC，4个主要外接接口：接口V1连接运放OPO的输出端口；接口V2连接采样电阻RSAM的一端和运放OP1的正向输入端；接口VCC和VSS负责整个驱动增强模块的供电。恒流模式电子负载具有很好的恒流控制特性，但其缺点是驱动负载的能力比较差。流过太阳能电池的电流ICELL全部由运算放大器OPO的输出端提供，而运放的输出端的驱动能力是十分有限的，从而造成电路的驱动能力严重不足，而驱动增强电路引入，可以完美解决这个问题。其次，Q3和Q4与Q1和Q2都是BJT三极管，因此他们随温度的漂移特性非常接近，结合电路的对称性结构，非常有效消除由于温度漂移带来的测量误差，提高整个恒流模式电子负载的测量准确性；
一第一保护电路7，其输入端与驱动增强模块2的电压检测端口5连接；
一第二保护电路7’，其输入端与驱动增强模块2的电流检测端口4连接，该第一保护电路7和第二保护电路7’是采用相同电路结构(参阅图7)。所述保护电路7和保护电路7’由一个齐纳二极管和两个开关二极管构成，其作用是对MCU的AD0和AD1输入管脚进行保护，防止由于非正常情况产生的高压对MCU造成永久性损坏。保护电路7模块位于电压测试点VU和MCU的AD0输入管脚之间，保护电路7’模块位于电流测试点VI和MCU的AD1输入管脚之间。保护电路7和保护电路7’作用为，由于AD0和AD1输入管脚的耐压值为5V，所以由于突发原因被测点电压很有可能瞬时超过这个耐压值对芯片造成永久损坏，因此必须引入过压保护电路来对AD0和AD1的输入管脚进行保护。保护电路7和保护电路7’的工作原理为，当系统正常工作时，AD0和AD1的芯片管脚电压都低于，此时稳压二极管D3不导通，因而在系统正常工作时保护电路处于低功耗状态。当被测点VU和VI的电压正向异常时，二极管D1和稳压管D3瞬时导通，此时AD0和AD1的芯片管脚电位将被稳定在相对于DGND电位4.0V处，低于耐压值，起到保护芯片的作用。当被测点VU和VI的电压反向异常时，二极管D2导通，此时AD0和AD1的芯片管脚电位将被稳定在相对于DGND电位-0.6V处，低于耐压值，起到保护芯片的作用；
该数字电路部分20包括：
一MCU主控模块3，其是C8051F芯片；
一键盘控制模块4，其与MCU主控模块3的端口2连接，该键盘控制模块4包括三个分压电阻和两个旁路电容以及一个机械开关，键盘控制模块4与MCU的输入端口相连(参阅图4)。所述键盘控制模块4的作用有两个：第一，产生复位信号，控制整个系统初始化和重新采样。第二，产生必要的中断，控制系统执行与终端相关的操作，如向PC发送存储数据等。；
一液晶显示模块5，其与MCU主控模块3的端口1连接，该液晶显示模块5是带中文字库12864(参阅图5)。所述液晶显示模块5有DVDD、DGND、D0-D7数据总线、C0-C9控制总线，4种主要外部接口。DVDD和DGND是液晶模块的供电接口；D0-D7数据总线接口负责MCU与液晶之间的数据传输；C0-C9控制总线接口负责MCU与液晶之间的控制信号和状态信号的双向传输。液晶显示模块5由一块带中文字库的12864点阵液晶构成，负责显示测试系统所处的状态和测试返回结果；
一接口通讯模块6，其与MCU主控模块3的端口3连接，所述接口通讯模块6由SP3223电压转换芯片和RS232接口构成(参阅图6)。接口通信模块6有DVDD、DGND、UART、RS232，4种主要外部接口。DVDD和DGND是SP3223电位转换芯片的供电接口；UART接口负责MCU与SP3223芯片间的数据串行传输；RS232负责SP3223芯片与PC间的数据串行传输。接口通信模块6的功能是将单片机存储的测试数据发送到PC上；
一供电稳压模块8，该供电稳压模块8向整个太阳能电池IV测试系统供电，所述稳压供电模块8由DCDC正电稳压芯片和DCDC负电稳压芯片构成(参阅图8)，稳压供电模块8有，+12和-12V接口，VCC和VSS接口，DVDD和DGND接口，3个主要外部接口。+12V和-12V接口连接外部总体供电，是IV测试系统的能量来源；VCC和VSS接口负责向IV测试系统模拟部分供电；DVDD和DGND接口负责向IV测试系统数字部分供电。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，包含：
一模拟部分和数字部分，其中：
该模拟电路部分包括：
一电子负载模块；
一驱动增强模块，其输入端与电子负载模块的端口1连接，该驱动增强模块并与一太阳电池串连；
一第一保护电路，其输入端与驱动增强模块的电压检测端口5连接，其输出端与MCU主控模块的16位AD0端口6连接；
一第二保护电路，其输入端与驱动增强模块的电流检测端口4连接，其输出端与MCU主控模块的16位AD1端口5连接；
该数字电路部分包括：
一MCU主控模块，其是C8051F芯片；
一键盘控制模块，其与MCU主控模块的端口2连接；
一液晶显示模块，其与MCU主控模块的端口1连接，该液晶显示模块是带中文字库12864液晶；
一接口通讯模块，其与MCU主控模块的端口3连接；
一供电稳压模块，该供电稳压模块向整个太阳能电池IV测试系统供电。
2.根据权利要求1所述的基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，其中所述电子负载模块由三个对称结构的运算放大器和四个分压电阻和一个采样电阻组成，其作用是将MCU主控模块的12位数模转换器DA0输入的激励电压信号转化为电流信号，精确控制流过太阳能电池电流。
3.根据权利要求1所述的基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，其中驱动增强模块由对称结构的四个三极管和两个分压电构成。
4.根据权利要求1所述的基于恒流模式电子负载的太阳能电池TV测试系统，其中接口通讯模块由SP3223电压转换芯片和RS232接口构成。
5.根据权利要求1所述的基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，其中稳压供电模块由DCDC正电稳压芯片和DCDC负电稳压芯片构成。
6.根据权利要求1所述的基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，其中接口通信模块由SP3223电压转换芯片和RS232接口构成，其作用是通过UART串口实现测试系统与PC之间的数据交互。
7.根据权利要求1所述的基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，其中保护电路和保护电路7’结构相同，由一个齐纳二极管和两个开关二极管构成，其作用是对MCU的AD0和AD1输入管脚进行保护，防止由于非正常情况产生的高压对MCU造成永久性损坏。
8.根据权利要求1所述的基于恒流模式电子负载的太阳能电池IV测试系统，其中供电稳压模块由多个稳压电容、3块DCDC正电转换芯片和3块DCDC负电转换芯片构成，其作用是为测试系统的数字部分和模拟部分提供干净稳定的工作电压。
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