DE102012018634A1

DE102012018634A1 - Verfahren zur Ermittlung der Kennlinie von Spannungsquellen

Info

Publication number: DE102012018634A1
Application number: DE201210018634
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-23
Filing date: 2012-09-23
Publication date: 2014-04-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie von Spannungsquellen, bei dem mittels kontinuierlich aufsteigenden und absteigenden Parameterwerten wenigstens eines Parameters x eine Kennlinienmessung durchgeführt wird, wobei in Abhängigkeit von den Parameterwerten zugehörige Messwerte y zur Bestimmung der Kennliniendaten ausgewertet werden. Die Veränderung der Parameterwerte eines Parameters x erfolgt mit unterschiedlichen Veränderungsgeschwindigkeiten v und aus den zugehörigen Messwerten y werden durch Mittelwertbildung oder eine sonstige mathematische Kombination der Messwerte wenigstens Messfehler erster und zweiter Ordnung eliminiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie von Spannungsquellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur optimalen Verschaltung von Spannungsquellen, wie beispielsweise elektrochemischen Zellen, Brennstoffzellen, aus diesen gebildete Batterien, Photovoltaikzellen oder Photovoltaikmodulen, ist eine Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie und darauf basierende Selektierung vonnöten. Anhand der Kennlinie lassen sich auch die maximale Leistung und der maximale Wirkungsgrad sowie der zugehörige Betriebspunkt bestimmen. Bei Photovoltaikelementen müssen die nach der Norm IEC 904 gemessenen Daten auf dem Typenschild vermerkt werden. Zur Bestimmung kann die Quelle bei unterschiedlicher Last betrieben werden. Eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor als elektronisch einstellbare Last ist aus DE 43 42 389 A1 bekannt. Der Betriebspunkt kann durch die Lastspannung, den Laststrom oder indirekt, beispielsweise durch das Tastverhältnis der Last, vorgegeben werden. An verschiedenen Betriebspunkten werden so Strom und Spannung für die Kennlinie gemessen.
Zur Beschleunigung der Taktzeit von Produktionsanlagen ist eine möglichst kurze Messzeit erwünscht. Zudem muss bei Photovoltaikelementen die Messung mit eine Lichtquelle durchgeführt werden, die nur für eine eingeschränkte Dauer einen konstanten Lichtblitz zur Verfügung zu stellen vermag.
Bei der schnellen Verstellung des Betriebspunkts entsteht ein Dynamikfehler. Dieser Fehler wird unter anderem durch Ladungsträgerdiffusion und dielektrische Polarisationseffekte verursacht. Insbesondere moderne hocheffiziente Photovoltaikelemente besitzen große Sperrschicht- und Diffusionskapazitäten, die zudem nichtlinear mit der Beleuchtung und dem Betriebspunkt variieren.
Es werden also als Funktion einer zeitabhängigen Stellgröße x als Kenngrößen der Strom I und die Spannung U gemessen, wobei die Stellgröße auch mit einer der Kenngrößen identisch sein kann. Die Stellgröße wird ausreichend variiert, um den interessanten Bereich der Kennlinie zu durchlaufen, die regelmäßig durch mindestens einen Analog-Digital-Wandler abgetastet wird. Bekannt ist ein Verfahren, bei dem die Messung zunächst mit aufsteigender Stellgröße und anschließend mit absteigender Stellgröße bei gleicher Änderungsgeschwindigkeit durchgeführt wird. Es entstehen zwei Kennlinien, deren Messfehler erster Ordnung nach dem Stand der Technik durch Mittelwertbildung eliminiert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Kennlinie von Spannungsquellen anzugeben, mit dem bei einer dynamischen Messung eine höhere Messgenauigkeit für die ermittelten Daten erzielt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erhält man mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Besonders vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Messverfahrens sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 wird die Veränderung der Stellgröße x mit mehreren unterschiedlichen Veränderungsgeschwindigkeiten durchgeführt, so dass aus den zugehörigen Messwerten durch Mittelwertbildung oder durch eine andere mathematische Kombination der Messwerte wenigstens Messfehler erster und zweiter Ordnung eliminiert werden. Die Veränderung der Stellgröße mit unterschiedlichen Veränderungsgeschwindigkeiten ergibt somit eine höhere Messgenauigkeit als bei einem Messverfahren mit nur einer konstanten Veränderungsgeschwindigkeit der Stellgröße.
Eine erste Veränderungsgeschwindigkeit, mit der die Stellgröße durchlaufen wird, kann dabei doppelt so groß sein wie eine zweite Veränderungsgeschwindigkeit, um Messfehler erster und zweiter Ordnung eliminieren zu können.
Besonders vorteilhaft ist es, die Veränderung der Stellgröße in Form von wenigstens drei rampenförmigen Werteverläufen durchzuführen. Als rampenförmiger Werteverlauf ist dabei ein zeitlich ansteigender oder absteigender Werteverlauf zu verstehen. Damit erhält man für jeden Arbeitspunkt wenigstens drei Messwerte, wodurch die zu einem Arbeitspunkt gehörenden Kenngrößen mit höherer Genauigkeit ermittelt werden können.
Das Verfahren kann in der Weise weitergebildet sein, dass zusätzlich zur linearen Veränderung der Stellgröße überlagert eine nichtlineare Variation der Stellgröße zur Erfassung von Messdaten durchgeführt wird. Auf diese Weise erhält man zusätzliche Messwerte für unterschiedliche Arbeitspunkte, mit denen auch von der Veränderungsgeschwindigkeit unabhängige Messfehler eliminiert werden können. Es empfiehlt sich statt einer linearen Kombination der Messwerte eine überbestimmte Regressionskurve anzugleichen, z. B. bei vier Messreihen ein Polynom zweiter Ordnung oder eine rationale Funktion.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 den zeitlichen Verlauf der Stellgröße, die zur Ermittlung von Kennliniendaten einer Spannungsquelle verwendet wird,
2 die zu einem Arbeitspunkt gehörenden Messwerte in Abhängigkeit von der Veränderungsgeschwindigkeit der Stellgröße, und
1 veranschaulicht wie eine Stellgröße x in Abhängigkeit von der Zeit t während eines Messdurchlaufs verändert wird. Der Wert ändert sich zunächst an einer ansteigenden Rampe 1 linear bis zu einem Maximalwert x_max. Dann fällt der Wert entlang der Rampe 2 mit gleicher Veränderungsgeschwindigkeit, wie bei der Rampe 1, auf den Wert x_min ab. Daraufhin steigt der Wert wieder linear an, jedoch mit geringerer Veränderungsgeschwindigkeit, bis diese entlang der Rampe 3 wieder den Maximalwert x_max erreicht hat. Von dort fällt der Wert wieder mit gleicher Veränderungsgeschwindigkeit entlang der Rampe 4 bis zu dem Wert x_min ab.
Für jeden Arbeitspunkt erhält man auf diese Weise insgesamt vier Messwerte, wie in 2 beispielhaft dargestellt. Die dynamischen Messfehler können durch lineare Kombination der Messwerte weitgehend aufgehoben werden, um den Messwert für v = 0 zu schätzen.
Für eine Messgröße y, die abhängig ist von einem Parameter x, der mit konstanter Geschwindigkeit v verstellt wird, kann folgende Gleichung in Form einer Taylorreihe angegeben werden: y(x, v) = y(x) + y'(x)v + 1 / 2y''(x)v² + ... (1)
Dabei bezeichnet y' die Ableitung nach v. Durch eine zweite Messung in umgekehrter Richtung, beispielsweise mit abnehmenden Werten für x, wenn zuvor ansteigende Werte für x durchlaufen wurden, erhält man die nachfolgende Funktion, bei der der dynamische Messfehler nun in erster Näherung mit negativem Vorzeichen auftritt: y(x, –v) = y(x) – y'(x)v + 1 / 2y''(x)v² + ... (2)
Bildet man den Mittelwert aus den beiden Gleichungen (1) und (2), so heben sich die Fehler erster Ordnung auf.
Entsprechend dem Beispiel von 1 werden die Arbeitspunkte x mit höherer Geschwindigkeit und mit geringerer Geschwindigkeit durchlaufen. Unter der Voraussetzung, dass die Rampen 1 und 2 mit doppelter Geschwindigkeit durchlaufen werden, wie die Rampen 3 und 4, erhält man für die mit doppelter Geschwindigkeit durchlaufenen Arbeitspunkte Messwerte, die von x und der doppelten Veränderungsgeschwindigkeit 2v abhängen. Man misst somit: y(x, 2v) = y(x) + 2y'(x)v + 2y''(x)v² + ... (3)
Bei absteigendem Werteverlauf ergibt sich folgende Gleichung: y(x, –2v) = y(x) – 2y'(x)v + 2y''(x)v² + ... (4)
Durch geeignete lineare Kombination der Messwerte heben sich nun auch die Fehler zweiter Ordnung auf. Somit verbleibt nur ein Fehler der dritten Ordnung. Damit kann bei gleicher Messgenauigkeit schneller oder bei gleicher Messdauer genauer gemessen werden.
2 veranschaulicht die Messwerteverteilung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit v für einen Arbeitspunkt, dem der rechnerisch zugeordnete Messwert y₀ zugeordnet wird. Dabei repräsentiert y₀ den Wert für die Geschwindigkeit v = 0, also für den stationären Zustand.
Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Messverfahrens kann aus den Messwerten y₁ bis y₄ der Wert y₀, der einen zu ermittelnden Kennfeldwert darstellt, mit hoher Genauigkeit im Wege des erfindungsgemäßen dynamischen Messverfahrens ermittelt werden.
Denkbar ist auch, aus den Kennlinien für verschiedene Rampen zunächst Kenngrößen, wie beispielsweise Klemmspannung, Kurzschlussstrom, Innenwiderstand, Wirkungsgrad, Maximalleistung oder Füllfaktor zu ermitteln. Aus den verschiedenen Werten der Kenngröße kann nun nach durch lineare Kombination ein Messwert für v = 0 errechnet werden. Wenn der Messfehler entlang der Kennlinie variiert, so können die Messwerte entsprechend gewichtet werden.
Als zusätzliche Parameter können die Temperatur und bei chemischen Zellen Druck und Konzentrationen oder bei Photovoltaikelementen Bestrahlungsintensität und Spektrum erfasst oder variiert werden, um auf Normbedingungen zurückzurechnen oder um ein mehrdimensionales Kennfeld zu erstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4342389 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm IEC 904 [0002]

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie von Spannungsquellen, bei dem mittels kontinuierlich aufsteigenden und absteigenden Parameterwerten wenigstens eines Parameters x eine Kennlinienmessung durchgeführt wird, wobei in Abhängigkeit von den Parameterwerten zugehörige Messwerte y zur Bestimmung der Kennliniendaten ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Parameterwerte eines Parameters x mit unterschiedlichen Veränderungsgeschwindigkeiten v erfolgt, und dass aus den zugehörigen Messwerten y durch Mittelwertbildung oder eine sonstige mathematische Kombination der Messwerte wenigstens Messfehler erster und zweiter Ordnung eliminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Parameterwerte für jeden Parameter x in Form von aufsteigenden und absteigenden rampenförmigen Werteverläufen (1 bis 4) erfolgt, wobei ein erster Werteverlauf (1, 2) mit einer ersten Veränderungsgeschwindigkeit v und ein zweiter Werteverlauf (3, 4) mit einer zweiten Veränderungsgeschwindigkeit v durchlaufen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Veränderungsgeschwindigkeit v doppelt so groß ist, wie eine zweite Veränderungsgeschwindigkeit v.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Parameterwerte für jeden Parameter x in Form von wenigstens drei aufsteigenden und absteigenden rampenförmigen Werteverläufen (1 bis 4) mit unterschiedlichen Veränderungsgeschwindigkeiten v erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine nichtlineare Variation der Parameterwerte zur Erfassung von Messdaten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich mehrere Parameter x bezüglich ihrer Parameterwerte zur Ermittlung von Kennliniendaten variiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle mindestens ein Photovoltaikelement enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle mindestens eine elektrochemische Zelle enthält.