基于数据采集卡及电子负载的太阳能电池伏安特性测试系统.pdf

引用格式：引用格式：雷剑鹏,肖邦治,肖文波,等.基于数据采集卡及电子负载的太阳能电池伏安特性测试系统J.中国测试，2024,50(2):79-84.LEIJianpeng,XIAOBangzhi,XIAOWenbo,etal.Current-voltagetestsystemofsolarcellbasedondataacquisitioncardandelectronicloadJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(2):79-84.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2021120154基于数据采集卡及电子负载的太阳能电池伏安特性测试系统雷剑鹏1,2，肖邦治3，肖文波1,2，吴华明1,2，刘伟庆1,2，陈文浩1,2(1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌330063;2.南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室，江西南昌330063;3.南昌大学工程建设学院，江西南昌330031)摘要:为低成本高速测量太阳能电池伏安特性，设计一套基于数据采集卡(DAQ)及金属-氧化物半导体场效应晶体管电子负载(MOS)的测量系统。该系统硬件主要包括 DAQ、MOS 以及采样电阻等，软件主要包括数据采集模块、数据分析处理模块、数据存储模块等。对测量系统研究有三点结论。第 1 点是系统测量结果与 Keithley2400 源表对比，它们之间全局相对误差约为 9.5%；与电阻箱负载测量结果对比，它们之间最大功率点相差约 17%；说明系统测量精度较高。第 2 点是发现 MOS 管电子负载无法实现零阻值负载，但可在电池最大功率点附近做到几乎连续电阻变化；管子型号影响测量结果，且开态电阻大的 MOS 管测量误差大。采样电阻应选择小的但不能无穷小，因为当使用小的采样电阻时导线电阻将对测量结果严重影响。第 3 点是采用 Matlab/Simulink 建模和拟合实验数据时，可获得电池短路电流、反向饱和电流及二极管理想因子，弥补系统固有缺点。关键词:数据采集卡;MOS 管;太阳能电池;I-V 曲线中图分类号:TB9;TH89文献标志码:A文章编号:16745124(2024)02007906Current-voltage test system of solar cell based on dataacquisition card and electronic loadLEIJianpeng1,2,XIAOBangzhi3,XIAOWenbo1,2,WUHuaming1,2,LIUWeiqing1,2,CHENWenhao1,2(1.KeyLaboratoryofNondestructiveTesting,MinistryofEducation,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;2.JiangxiEngineeringLaboratoryforOptoelectronicsTestingTechnology,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China;3.SchoolofInfrastructureEngineering,NanchangUniversity,Nanchang330031,China)Abstract:Inordertomeasurethecurrent-voltagecharacteristicofsolarcellatlowcostandhighspeed,asetoftest system based on data acquisition card(DAQ)and metal oxide semiconductor field effect transistorelectronicload(MOS)isdesigned.ThehardwaremainlyincludesDAQ,MOSandsamplingresistance,etc.The software mainly includes data acquisition module,data analysis and processing module,data storage收稿日期:2021-12-26；收到修改稿日期:2022-05-13基金项目:国家自然科学基金(12064027，62065014)作者简介:雷剑鹏（1998-），男，江西南昌市人，硕士研究生，专业方向为光电检测技术研究。通信作者:肖文波（1975-），男，江西南昌市人，教授，博士，主要从事半导体光电检测等方面的教学与科研工作。第50卷第2期中国测试Vol.50No.22024年2月CHINAMEASUREMENT&TESTFebruary,2024module,etc.Therearethreeconclusionsbaseontheresearchofmeasurementsystem.Firstly,theglobalrelativeerrorbetweenthetestsystemandKeithley2400measurementdataisabout9.5%,andtherelativeerrorofmaximumpowerpointbetweenthetestsystemandresistanceboxasaloadisabout17%,whichshowthatthesystemhashighmeasurementaccuracy.Secondly,theMOSelectronicloadisfoundnottobeapproachzeroresistanceload,butitcanrealizealmostcontinuousresistancechangenearthemaximumpowerpointofsolarcell.ThetestsystemwithdifferentMOSmodelswillbedifferentmeasurementaccuracy.And,thesystemmeasurementerrorislargeasusingMOSwithlargeon-stateresistance.Thesmallsamplingresistanceshouldbeusedforthetestsystembutnotinfinitelysmall,becausethewireresistancewillseriouslyaffecttheresults.Thirdly,Matlab/Simulinkcanbeusedtogeneratethesimulationsignals,inordertoobtaincellsshort-circuitcurrent,reversesaturationcurrent,anddiodeidealityfactor.Thosewillmakeupfortheinherentshortcomingsofthetestsystem.Keywords:dataacquisitioncard;MOS;solarcell;I-Vcurve0 引言随着各国对可再生能源的重视，太阳能电池成为重要的光电转换器件。光电器件的电流-电压(I-V)特性是其性能评估的重要手段1-2。目前，电池 I-V 测试方法大致可分为：可变电阻方法、电子负载方法、四象限电流源表等3。采用源表方法例如Keithley2400，虽然测量精度较高，可到微安，但设备较为昂贵4-5。采用可变电阻方法例如滑动变阻器，虽然可手动调节负载阻值，操作简单，但无法做到稳定且精度高的测量6-7。当采用电容的充放电特征作为负载测电池 I-V 时，合适的电容选择及电压电流的测量范围受限是该方法的挑战8-9。最近，以金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOS)为核心的电子负载用于测量引起广泛关注10-11。但大都需要单片机例如 STM32、ATmega328 作为控制电子负载的处理器，这类基于嵌入式技术的测量方法不仅涉及电子负载、显示模块等复杂电路，且编程操作难12-14，并不适用于推广。已有研究提出采用数据采集卡 DAQ 与 MOS 结合的思路搭建测量系统，但是需要单独电流、电压信号读取设备，不仅复杂且受管子开态电阻等影响导致短路电流测量不准15。实际上 DAQ 由于高速及成本低可广泛用于光伏信号测量16。为此，本文设计并实现了一套基于 DAQ 与MOS 的太阳能电池 I-V 测试与分析系统。系统硬件主要包括USB-6212DAQ、MOS、采样电阻等。软件主要包括数据采集模块、数据分析处理模块、数据存储模块等。虚拟仪器软件 LabVIEW 通过DAQ 的输出端控制 MOS 管的导通状态，实现模拟可变电阻功能；且通过 DAQ 的输入端实时采集采样电阻电压并计算得电流。系统将采集的数据保存并屏幕显示。研究分析了 MOS 开态电阻对测量结果的影响规律，且系统采用 Matlab/Simulink 建模和拟合实验数据，获得电池短路电流等信息。1 电池工作原理、系统原理及硬件图实际上，太阳能电池是将入射的太阳光能转化为电能的半导体器件，如图 1(a)所示。单块电池等效电路由恒流源、二极管、并联电阻和串联电阻组成17。图中 I1为光生电流(A)；n 为二极管理想因子；I0为反向饱和电流(A)；R2为等效并联电阻()；R3为等效串联电阻()；I 为电池输出电流(A)；V为电池输出电压(V)。光In,I0DAQ6212太阳能电池电脑R1GDScAI0AI1AO1AO2AI4AI3I1R2R3(a)太阳能电池等效电路图(b)测量原理图(c)硬件实物图电容采样电阻MOS管NI USB-6212光源太阳能电池V图 1 太阳能电池伏安特性测试系统根据光生电流约等于短路电流的假设，以及电池并联电阻为无穷大、串联电阻无穷小的假设18-20，80中国测试2024年2月电池电流输出特性可简化为：I=I1I2I3=I1I0exp(q(V+IR3)nkT)1V+IR3R2I4I0exp(qVnkT)(1)式中：I2流过二极管的电流；I3流过等效并联电阻的电流；I4电池短路电流；q电子电荷常数；k玻尔兹曼常数；T电池温度。测量原理如图 1(b)所示，MOS 管、采样电阻作为太阳能电池负载；由数据采集卡控制 MOS 管的导通程度，实现电路中的电流调节。采集卡输出电压控制 MOS 管导通状态。采集卡输入端口测量采样电阻 R1端电压，得到电池输出电流。采集卡同步测量电池输出电压。电容 C 与电池并联接地，有着隔直通交的作用，并且利用其充放电特性使系统中测得的直流电压更加稳定与平滑。系统硬件由 NI 公司生产的 USB-6212 数据采集卡、N 沟道增强型 MOS 管、电容器以及采样电阻构成，光源采用 150W 的卤钨灯，测试样品是艾科电子科技有限公司生产的 2V、130mA、54mm54mm 单晶硅太阳能电池，如图 1(c)所示。由电脑中 LabVIEW 程序执行十次测量后平均得到 I-V 等。2 软件设计、测量结果及对比验证2.1 测试系统软件设计及测量结果图 2 所示为程序流程(a)、LabVIEW 软件的显示面板及运行框图(b)、I-V 及 P-V 实验结果(c)。流程图中首先初始化栅源电压 V1，设置步长 f以及最大控制电压 V2。其次，启动采集电池电压，及采样电阻电压后计算得电流。再次，控制栅源电压增加，逐步到最大控制电压；并重复上面步骤。最后将采集的数据保存并绘制 I-V 及 P-V。LabVIEW 软件编写的显示面板及框图易于交互修改，如图 2(b)所示，所以系统有较好的人机交互界面。电池温度 25光强 2000lx 下，系统测得 I-V 及 P-V 如图 2(c)所示。测量结果与均匀光照下电池输出特性一致，电流随偏置电压增加而下降，只有单峰值最大功率输出。(c)I-V及P-V实验结果(b)LabVIEW软件的显示面板及运行框图0.0350.0300.0250.0200.0150.0100.00500.022 50.020 00.017 50.015 00.012 50.010 00.007 50.005 00.002 500123功率/W功率/W电流/A电流/A电压/V0123电压/V电压/V电压/V开始初始化栅源电压V1、设置步长f及最大控制电压V2启动采集停止采集绘制I-V、P-V曲线等结束V1+fV2?采集、显示电压、电流、保存数据等YN(a)程序流程图图 2 程序设计及实验结果2.2 测试系统与 Keithley2400 源表、电阻箱负载的实验对比电池温度50 光强3000lx 下，系统(IRFP250NMOS 与 10 采样电阻)与 Keithley2400 源表测得I-V，如图 3(a)所示。电池温度 25 光强 3000lx下，系统与用杭州大华仪器制造有限公司生产的型号 ZX21A 直流电阻箱作为负载的 I-V，如图 3(b)所示。由图 3(a)可看出，两种方式测得 I-V 曲线差异小。与 Keithley2400 测量结果对比，全局均方根误差约为 8.5366106A，全局相对误差约为 9.5%，说明系统测量精度较高。注意到测试系统中电池输出电压无法到 0V，即无法得到短路电流。原因是第50卷第2期雷剑鹏，等：基于数据采集卡及电子负载的太阳能电池伏安特性测试系统81MOS 管导通电阻和采样电阻的存在，负载电路不能短路，因此测得的电池电压到达不了 0。由图 3(b)可看出，两种方式测量结果也基本一致，但最大功率点附近差别很大，最大功率点相差约 17%。原因是电阻箱负载阻值无法做到连续变化。因此，MOS管电子负载无法实现零电阻负载，但在电池最大功率点附近几乎可以做到电阻阻值连续变化。00.51.01.52.000.010.020.030.04电流/A电压/V Keithley 2400 A MOS as an electronic load(a)测试系统与Keithley 2400源表的实验结果对比00.51.01.52.000.010.020.030.04电流/A电压/VResistance box as a loadA MOS as an electronic load(b)测试系统与电阻箱负载的实验结果对比图 3 测试系统与其他实验结果对比3 MOS 管型号及采样电阻阻值对测试系统影响3.1 MOS 管型号对系统的影响电池温度 50 光强 3000lx 下，10 采样电阻 与 IRFP250N、PHX18NQ20T、FQPF10N60C、FQPF8N60C 等四种型号 MOS 管搭建的系统测量结果，如图 4 所示，功率-电压(P-V)结果(a)，对应最大输出功率(b)及管子开态电阻(c)。由图 4(a)看出，四种型号 MOS 管的 P-V 在低电压及高电压输出处基本重合。原因是实验过程中光强与电池温度基本保持不变，电池短路电流与开路电压也基本不变。但可以看出电池最大输出功率有明显区别。对比图 4(b)与(c)，看出开态电阻大的管子，测得最大输出功率小，反之亦然。原因可能是开态电阻大的 MOS 管电阻值变化步长大。开态电阻小的管子更有利于输出。注意到 IRFP250N与 FQPF8N60C管子之间开态电阻变化了大约 93%，而它们系统测得最大输出功率只有大约 33%的差别。说明除了MOS 本身的阻抗特性影响测量外，还会耦合器件封装过程中的连线电阻、器零件材料属性等其他因素影响。IRFP250NPHX18NQ20T FQPF10N60CFQPF8N60C00.40.81.2开态电阻/MOS型号(c)四种MOS管的开态电阻0.51.01.52.000.020.040.06功率/W电压/VIRFP250NPHX18NQ20TFQPF10N60CFQPF8N60C(a)四种MOS管的P-V IRFP250N PHX18NQ20T FQPF10N60C FQPF8N60C0.046 20.046 80.047 4最大输出功率/WMOS型号(b)四种MOS管最大输出功率图 4 四种 MOS 管的输出功率及与开态电阻关系82中国测试2024年2月3.2 采样电阻阻值对系统的影响分别用 5、10、15 采样电阻与 IRFP250N管子结合对电池进行测量，得到的 I-V 如图 5 所示。由图 5 看出，曲线基本重合，电池短路电流、开路电压以及最大功率点不受采样电阻选择的影响。注意到当采用电阻越小的时候，能测到的电池输出电压越接近零，特性曲线更加完整。原因是负载电阻越小，越接近电池短路情况。所以系统的采样电阻应选择小的。当然实际系统中采样电阻阻值也不能无穷小，因为采样电阻的端电压将难于测量，且导线电阻将严重影响测量结果。0.51.01.52.000.0150.0300.045电流/A电压/V 5 10 15 图 5 5，10，15 采样电阻下测得的电池 I-V4 Matlab/Simulink 仿真及与实验结果对比为获得完整的 I-V 曲线并提取电池的短路电流等，根 据 实 验 数 据 及 公 式(1)搭 建 的 Matlab/Simulink 仿真图及实验与仿真结果对比如图 6 所示。仿真图 6(a)中箭头指的是需要拟合得到的 I4、I0及n 三个参数。将相同光照强度及温度条件下模型输出的 I-V 数据与实验所得数据对比，如图 6(b)所示，实验与仿真结果符合很好，且全局均方根偏差约为0.0012A，进一步说明该系统测量误差小。拟合得到 I4=0.038A，I0=5.278 105A，n=12.248。仿真结果不仅解决了 MOS 电子负载无法测量到电池短路电流的固有缺点，对测试系统作进一步的完善；而且可以提取出电池理想因子等三个参数，通过它们进一步反映电池中载流子的复合情况等。由测量系统设计及验证，可见系统测量结果与Keithley2400 源表之间全局相对误差约为 9.5%，与电阻箱负载测量结果之间最大功率点相差约 17%，证明系统测量精度高。此外，MOS 管电子负载内阻对测量结果严重影响。最后发现采用仿真手段可以扩展系统功能，获得电池短路电流、反向饱和电流及二极管理想因子，弥补系统固有缺点。5 结束语本文设计并研究了一套基于 DAQ 及 MOS 的太阳能电池 I-V 测试系统。结果表明：1)系统测量结果与 Keithley2400 源表、电阻箱负载测量对比，证明系统测量精度较高。2)发现 MOS 管电子负载无法实现零电阻负载，但在电池最大功率点附近几乎可做到电阻连续变化；管子型号影响测量结果，且开态电阻大的 MOS 管测量误差大。3)采样电阻应选择小的但不能无穷小，因为测量误差及导线电阻将严重影响结果。4)发现采用 Matlab/Simulink可建模和拟合实验数据，获得电池短路电流、反向饱和电流及二极管理想因子，弥补系统固有缺点。参考文献 陈功,许杨,袁鑫,等.柔性光伏电池阵列电气参数建模研究J.中国测试,2020,46(5):134-142.CHEN G,XU Y,YUAN X,et al.Research on electricalparameters model for flexible photovoltaic cell arrayJ.ChinaMeasurementTest,2020,46(5):134-142.1周啸宇,周路遥,李特,等.交流线路用金属氧化物避雷器的伏安温度特性研究J.中国测试,2021,47(7):154-160.ZHOUXY,ZHOULY,LIT,etal.Researchonvoltage-currenttemperaturecharacteristicsofmetaloxidearresterfor2(a)搭建的Matlab/Simulink仿真图00.51.01.52.00.010.020.030.04电流/A电压/V Data Fitting(b)实验与仿真结果VthnISCI0l1V1ProductProduct4Subtract2Mathfunctioneu1Subtract3Divide1图 6 搭建的仿真图及实验与仿真结果第50卷第2期雷剑鹏，等：基于数据采集卡及电子负载的太阳能电池伏安特性测试系统83AClineJ.ChinaMeasurementTest,2021,47(7):154-160.PILIOUGINEM,CARRETEROJ,MORA-LPEZL,etal.Experimental system for current-voltage curve measurementof photovoltaic modules under outdoor conditionsJ.ProgressinPhotovoltaics,2011,19(5):591-602.3周伟,黄其煜,焦方,等.基于 Keithley 源表的太阳电池测试系统设计实现J.太阳能学报,2013,34(12):2139-2145.ZHOU W,HUANG Q Y,JIAO F,et al.Design andimplementation of solar 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