如何改进和提升光伏接线盒

光伏接线盒从本质上是一种连接器，能够将太阳能电池组件方阵与太阳能充电控制装置连接在一起。光伏接线盒主要是起到对太阳能光伏组件连接和保护作用。

光伏接线盒能够将太阳能光伏组件所产生的电力传递给外部电路从而实现电力传输功能。因此光伏接线盒性能至关重要。

当前光伏接线盒可以根据其工艺的不同划分为灌胶类和非灌胶类两种，以下对这两种不同类型的光伏接线盒进行优缺点分析，探究光伏接线盒的性能。

灌胶类光伏接线盒。

灌胶类光伏接线盒体积较小，而且在设计时采用了灌胶措施，具有良好防水性能，可以达到IP68的防护等级。

除此之外灌胶类光合接线盒所采用的灌胶材料的导热系数为0.3W/m·K，该系数要比密闭环境下空气导热系数高很多，因此灌胶材料具有良好的导热性和散热性，能够将产生的热量及时散发出去，降低温度对光伏接线盒性能的影响。

但是灌胶类光伏接线盒需要购买的灌胶材料会在一定程度上增加光伏接线盒的成本，而且一旦装置发生故障，很难进行拆卸维修，影响光伏接线盒的使用和性能。

非灌胶类光伏接线盒。

非灌胶类光伏接线盒可以自由拆卸，一旦装置发生故障，可以立即对装置进行拆卸维修，不会影响光伏接线盒使用性能。当非灌胶类光伏接线盒达到使用寿命之后，组件内部的零件可以随意拆卸回收，提高材料利用效率。

但是由于非灌胶类光伏接线盒没有采用灌胶材料，光伏接线盒的密封性能和防水性能会降低，此时随着光伏接线盒使用时间的延长，装置会不断老化，性能会不断下降。当前应用最为广泛的非灌胶类光伏接线盒的防护等级一般在IP65。

普通光伏接线盒的痛点

普通光伏接线盒电路主要是由电池片与二极管组成的，二极管通过并联的方式与电池片连接在一起，起到平衡电流的作用，电路结构如图1所示。

图1 接线盒电路的等效电路

由于太阳光照射角度、周围遮挡物等因素的影响，太阳能电池组件的可能存在局部被照射现象，从而产生热斑现象，此时在该区域内的温度会达到200℃左右。在高温状态下光伏接线盒内部焊点熔化、封装材料密封性下降，降低光伏电池方阵性能，因此为了有效保护电池组件内电池方阵性能，在结构设计时通过并联二极管的作用起到平衡电流作用，有效避免热斑现象对光伏组件的影响。

二极管是一个敏感性较强的电子元器件，两侧压降为1V，当二极管流经电流为10A时，此时二极管会消耗10W功率，造成电子组件功率损失。除此之外二极管对温度比较敏感，在高温状态下，二极管会被烧坏，无法起到平衡电流作用，最终烧坏光伏接线盒。

当前在光伏接线盒中采用的是肖特基二极管，其在实际应用时的压降为0.5~0.7V，此时虽然会比普通二极管消耗功率略有下降，但是仍然存在较大功率损耗。而且肖特基二极管的反向漏电流要比普通二极管的大很多，这样也会产生一定的电能损耗，因此对于光伏接线盒而言，不管是采用普通二极管还是选用肖特基二极管都会存在功率损耗，这也是当前光伏接线盒性能设计的痛点。

如何优化和改进思路

光伏接线盒通过旁路二极管平衡电流，从而起到保护光伏接线盒的作用，但是该装置一旦其中某一个组件发生损坏或者是故障，此时接线盒会直接流经二极管形成完整回路，此时会降低整个光伏组件发电量，进而引发电池组件串联失配，降低光伏组件的发电效率，而智能接线盒的出现则可以很好解决这一问题。

智能接线盒是在传统接线盒的基础上优化而来的装置，该装置能够对单个组件的最大功率进行实时追踪，从而保证每一个光伏组件都能够达到最大输出功率，降低失配对发电效率的影响。

智能光伏接线盒为了有效提高太阳能的转换效率，就需要对组件的输出功率进行控制，利用MPPT（最大功率点跟踪）技术将其控制在最大功率附近。

在MPPT技术下能够对组件的电流、电压以及功率等参数进行测定，确定组件的输出功率，然后通过自寻优方式确定峰值（最大功率）位置，并通过自调节作用对组件的运行电压、电流等进行控制，将实际输出功率向着最大功率移动。根据实践经验测试发现在MPPT技术下智能接线盒转换效率提升了20%到30%。

通过对光伏组件的P-V曲线进行测试，所得到的测试结果如图2所示。

图2 光伏组件P-V曲线

从图中可以了解到光伏组件的输出功率与实际电压存在一定的关系，在电压达到最大输出电压Vmax之前，此时随着电压不断增加，输出功率也在不断增加，当实际电压达到最大电压Vmax时，此时组件的输出功率也达到了最大输出功率Pmax。

随后当实际电压超过最大输出电压Vmax时，此时实际电压增加，输出功率Pmax反而会不断下降，从P-V曲线中可以了解到要想达到最大输出功率Pmax，就需要将组件的实际输出电压控制在最大电压Vmax处，智能接线盒MPPT技术就是实时跟踪功率变化，通过控制实际输出电压，将其控制在Pmax附近。

根据以上对MPPT技术分析可知，MPPT技术从本质上就是对组件的实际输出功率进行自寻优，通过调整实际输出电压的方式控制输出功率，因此在光伏接线盒设计时就可以以此为基础进行优化和改进。

智能光伏接线盒的设计

本文在进行光伏接线盒设计时选取250W的光伏组件进行研究，然后利用MPPT+DC/DC+无线通讯的组织架构进行通信系统设计。

250W光伏组件的相关参数如下：开路电压为42.4V，短路电流为7.6A，工作电压为34V，工作电流为7.3A，峰值功率为250W。

MPPT+DC/DC+无线通讯相结合的通信系统能够实时检测光伏组件的实际输出功率。在智能光伏接线盒系统中主要包括七个不同的控制模块。

供电系统模块

该模块主要是将光伏组件所输出的实际电压进行转换，转换为5V、10V、15V等不同电压等级的系统，以便为其他模块提供动力。5V电压能够为控制中心单片机供电，从而驱动单片机实现各项控制指令。10V电压能够为驱动模块提供模拟电源。15V能够为无线通信模块提供数字电源，驱动各无线模块运行，实现数据传输功能。

检测电路模块

检测电路主要是对光伏组件内的电压、电压和温度进行检测，从而根据检测结果对相关参数进行调整，实现自寻优控制功能。

首先，在电压检测功能中主要是利用分压电阻检测的方式实现功能。在电压检测时会采用1%精度分压电阻的作用进行分压，然后将分压后采集到的电压数据经过AD口进行采集和转换。

此时为了保证采集电压数据的准确性，降低干扰信号对电压信号的影响，在AD口处经常会并联一个0.01μF的电容。经过AD口转换后的电压会直接传送到单片机中进行处理，并发出对应控制指令。但是由于单片机的电源电压是5V，此时要求经过AD口转换后的电压在5V以下。

在一般状况下光伏组件的输出电压在30~40V之间，此时可以采用电阻分压的方式降低AD口采集电压值。电压检测电路如图3所示。

图3 电压检测电路图

假设在光伏组件的最大输出电压为60V，要求AD口采集电压为5V，此时要求所选用的R11∶R10=1∶11，两个电阻的阻值分别是10KΩ和110KΩ。放大倍数为1/12。

其次，在电流检测中所选用的数据采样方法是高边电流检测方式。在该方式下将采样电阻放置在电压的正极以及负载之间，这样可以有效降低地线等干扰信号对采样电阻电压值产生的影响，从而快速识别实际电流。

在进行采样时，如果电源等回路发生故障，装置能够快速检测到电路中的短路电流，从而显示故障信息。电流检测电路如图4所示。

图4电流检测电路图

在电流检测电路中在主回路中采样电阻R_sen通过串联的方式与负载进行连接，此时在采样电阻的两侧会产生压降，此时为了对采样电阻流经的电流进行检测，在设计时采用运算放大器A的作用吸收电流，此时该电流会流经电阻RI，这样在电阻RI两侧的电压就相当于采样电阻R_sen两侧的电压。

在电流检测电路中电阻RL一端与输出电压Vout连接，一端转变为驱动电压，输出电压Vout会通过电压跟随器的作用实时输出检测电流。

本文在进行设计时所选用的RI、RL电阻的阻值分别为20KΩ和500Ω。

最后，在温度检测中主要是采用芯片SM72480进行温度测量。光伏组件在正常运行时的工作温度在-40℃到85℃之间，如果经过测量实际工作稳定并不在该范围内，此时就说明组件运行在非工况状态下。芯片SM72480具有测量精度高、双输出、低功耗等特点，因此被广泛地应用到温度检测中，并起到良好的检测效果。

芯片SM72480采用的是电压等级为5V的供电电源，此时在该芯片作用下所输出的稳定信号有数字信号和模拟信号两种，其中数字信号表示检测温度的上限和下限值，当实际温度超出上下限范围后，此时芯片SM72480的引脚5OVERTEMP引脚会变化为高电平，引脚3则会变为低电平，将此时实际温度以模拟信号的形式输出。引脚1TRIPTEST进行接地，引脚6VTEMP能够根据温度输出实际电压值模拟信号。

电源管理和复位电路。

该电路主要是功能是对系统的工作电源进行控制，保证电源控制在稳定输出状态。当电源接收到复位控制指令之后，会对系统进行复位设置。

控制中心。

控制中心主要是接收各项检测数据，通过对检测数据分析、处理，发出各项控制指令。控制中心是光伏接线盒实现各项控制的基础。光伏接线盒在主回路中采用的是BUCK-BOOST电路实现各项控制功能。

驱动电路。

驱动电路主要的功能就是为控制信号提供驱动力，从而提高控制信号驱动能力，以便在驱动力的作用下对输出电压进行调节和控制。

通信模块。

通信模块主要的功能就是实现数据的采集、传输，并将控制指令通过通信模块的作用反馈回来，为装置提供控制信号。

保护电路。

保护电路主要的功能就是起到保护作用，对组件可能产生的过流、过压等信息进行分析，从而起到保护组件装置的作用，保证系统能够正常运行。

程序设计

智能光伏接线盒能够自动实现各种智能控制功能，本文主要是对主程序流程以及温度检测流程进行分析，从而达到智能光伏接线盒自动控制效果。

主程序流程。

本文设计的智能光伏接线盒主程序控制流程如下。

当单片机上电复位之后，此时系统会对寄存器、变量、接口、串口等进行初始化这是，经过初始化设置之后，系统所有的参数都会恢复到默认初始状态。随后系统会通过PWM输出默认的占空比，然后数据系统适量电压。控制系统开始进行工作，采集相关数据参数。

当数据采集之后控制系统将会跳入到计算子程序中，在子程序中调用MPPT算法对所采集到的数据信息进行计算得到当前的实际输出参数，返回主程序。在主程序中会将计算子程序中所计算的参数通过PWM波的作用进行输出，并更新PWM占空比，然后进行循环操作，继续进行数据信息采集，直到所输出的PWM占空比满足输出参数要求，达到调节参数的目的。

温度检测流程。

温度是影响光伏接线盒性能的主要参数，一旦温度异常会直接影响光伏接线盒性能，甚至还有可能损坏装置。本文在设计时通过对光伏接线盒温度进行监测，从而达到实时跟踪和控制温度目的。在温度检测中首先会通过智能接线盒的作用对实时温度进行采集，然后将所采集的实时温度与安全温度进行对比。

如果实时温度已经超出安全温度范围，此时系统会直接发出报警信息，通知相关人员采取控温措施。如果实时温度在安全温度范围内，系统会进入循环程序，继续采集温度信息并进行对比。

本文通过对光伏接线盒进行研究，分析光伏接线盒的类型以及光伏接线盒的痛点，然后针对光伏接线盒产生的功率损失问题，提出了MPPT技术对光伏接线盒进行功率控制，将其控制在最大功率点附近，最后对光伏接线盒进行硬件和软件的设计优化。

本文在研究时选取250W的光伏组件进行分析，然后从硬件的系统结构和电路结构分析，确定智能光伏接线盒的硬件电路，最后从主程序和温度检测程序两方面进行流程设计，为智能光伏接线盒设计提供了理论指导。