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太阳能接线盒介绍

前沿	接线盒在太阳电池组件中起着非常重要的作用，因为它不仅将太阳电池产生的电方便的传输到外部电路中去，同时它也是太阳电池组件的“保镖”。接线盒是集电气设计、机械设计与材料科学相结合的跨领域的综合性设计；接线盒充当“保镖”时，利用二极管自身的性能使得太阳电池组件在遮光、电流失配等其他不利因素发生时，还能保持其能工作，适当降低损失。伴随光伏市场的发展，接线盒的品牌也随之多了起来，产品质量也参差不齐，接线盒在系统应用中出现的问题也越来越多。

接线盒的基本应用

1、接线盒的结构

2、接线盒的材料

3、接线盒的作用

常规型的接线盒基本由以下几部分构成：底座、导电块、二极管、卡接口/焊接点、密封圈、盒盖、后罩及配件、连接器、电缆线等，如图所示：

一个简单的接线盒所需要的材料就达十多种，原材料的性能及使用寿命关乎着接线盒本身的质量，所以接线盒的材料一直受到厂商的倍加关注。下表中列举接线盒原材料的材质。

a）连接和传输功能：单个组件发出的电想传输到充电、控制系统中去，必须要通过接线盒进行传输；而且接线盒还是整个太阳能方阵的“纽带”，将许多组件串联在一起形成一个发电的整体，所以接线盒在太阳能应用中的作用是不可忽视的；

b）保护组件：当阵列中的组件受到乌云、树枝、鸟粪等其它遮挡物而发生热斑时，旁路在组件中的二极管，利用自身的单向导电性能，将问题电池、电池串旁路掉，保护整个组件乃至整个阵列，确保能使其保持在必要的工作状态，减少不必要的损失。

图1 卡接式接线盒基本构造

表1 接线盒原材料材质

接线盒原材料名称	材质
底座及上盖	PPO
导电块	铜、黄铜
卡接口	尼龙、铜
二极管	肖特基二极管
电缆线	镀锡铜线＋低烟无卤交联聚烯烃
连接器	尼龙、PC
后罩及配件	尼龙

4、接线盒各部分功能

外壳具有强烈的抗老化、耐紫外线能力；符合室外恶劣环境条件下的使用要求；自锁功能使连接方式更加便捷、牢固；

必须应有防水密封设计、科学的防触电绝缘保护，具有更好的安全性能；接线端子安装要牢固，与汇流带有良好的焊接性。

二极管分为：旁路二极管和防反冲二极管。二极管的主要功能是单向导通功能。旁路二极管：主要作用防止组件的热斑效应。

防反冲二极管：组件在没有光照时防止蓄电池电流倒流。连接器、连接线：具有良好的绝缘性能，公母插头带有自锁功能是太阳能电池板与电气连接更便捷可靠。

接线盒的性能分析

1、接线盒的性能要求

a) 满足于室外恶劣环境条件下的使用要求； b）外壳有强烈的抗老化、耐紫外线能力；c）优秀的散热模式和合理的内腔容积来有效降低内部温度，以满足电气安全要求；d）良好的防水、防尘保护为用户提供安全的连接方案；e）较低的体电阻，以尽可能的减小接线盒带来的功率损耗；列出接线盒性能要求表：

表2 接线盒性能要求

率损项目	要求
额定电流	>10A
额定电压	600/1000V
防护等级	>IP65
使用环境	-40-100℃
体电阻	<15mΩ
二极管结温	<200℃
线缆拔出力（f1方向）	》150N
公母头连接力（f2方向）	》120N
公母头与线缆连接力（f3方向）	》120N

图2 测试接线盒部件拉力示意图

2、接线盒的选型

组件厂在使用选择接线盒时，除了要求接线盒已取得TUV、UL等认证外，还必须关注以下方面，才能确保选择合适的接线盒：

a）二极管额定电流结温测试（旁路二极管热性能试验）；由于太阳能电池采用低电压高电流的模式，对于接线盒中旁路二极管的额定电流就显得尤为重要；目前要求二极管的结温不超过200℃，但是不同二极管之间是有差异的，如果二极管的结温过高，不但会导致二极管的本身的损坏和使用寿命的降低，而且会给组件带来负面影响，比如EVA脱层、EVA及背板加速老化等其它不良状况，甚至会引起组件烧毁现象。所以在选择接线盒时额定电流尽可能的大，结温测试温度越低越好。

b）接线盒体电阻：接线盒由各种金属、塑料组成，本身会有一定的电阻，外加到组件中去无疑会增加组件的功率损耗，这会给组件额外增加一部分不必要的功率损耗，所以这部分电阻需要越小越好。

图3 组件二极管安装方式

3、旁路二极管热性能试验

按照IEC61215 10.18.3的要求进行测试试验，组件旁路二极管热性能试验过程：先测试该组件的电性能，确定Isc，并测试二极管的管压降；前期准备工作完毕后，将组件放入温度为75℃±5℃的腔室内进行加温，并同时通以等于标准测试条件下短路电流±2%的电流；1小时候测试每个二极管的表明温度，再利用下列方程式计算二极管的测试最大结温；二极管结温测试后，再增加通以组件电流到标准测试条件下短路电流1.25倍，同时保持组件的温度在75℃±5℃，保持通过组件电流1h，验证二极管仍能工作。

图4 接线盒体电阻测量

4、接线盒体电阻性能测试

我们模拟组件中的连接方式，将2根同规格汇流条分别插接在接线盒两边的卡接口，并将公母头短接，用低电阻测试仪测试汇流条两端电阻。接线盒的实际电阻，为测试电阻减去2根汇流条电阻的差值。这个电阻主要与3部分有关：接触电阻、线阻及内部金属电阻；

体电阻对组件封装损失的影响；如果接线盒体电阻测试值较大的话，虽然其本身的其他性能良好，但是高体电阻的接线盒给组件带来的负面影响是显而易见的，所以我们在选择接线盒时在保证其他性能的前提下，它的体电阻应越小越好。

室外因接线盒问题引起的故障

接线盒测试试验过程及分析

1、接线盒IP65防冲水测试

试验过程:

防水性能是接线盒性能的重要指标。认证测试中，先进行老化预处理测试，然后进行防冲水测试，再通过外观结构检查和工频耐压测试进行评判。

测试能否顺利通过，取决于接线盒的密封保护程度，而接线盒的密封保护直接影响到成品组件的防触电保护和漏电防护的等级。

图9 IP65防冲水测试

防冲水测试失败的主要现象

（1）接线盒密封盒体内大量积水；

（2）接线盒盒体与背板材料不匹配；

（3）接线盒的密封螺母开裂失效；

（4）接线盒在老化预处理测试中盒体变形；

（5）接线盒密封圈老化预处理测试后失效，或其他原因

失败原因分析：

（1）盒体的锁扣设计

两扣模式可能导致试验失败。两扣模式使得盒盖受力集中在二点，加上盒盖面积较大，导致其余各点受力不均匀。特别高温时，受密封圈热涨、材料受热变软的影响，导致接线盒龇口，影响盒体密封性。

（2）接线盒密封圈的橡胶材料选择不当

密封圈选择不当，接线盒经过240h老化预处理后，其延伸率和收缩率降低，密封圈材质硬度升高，降低盒体与盒盖的密封性能，导致密封圈不能完全密封盒体和盒盖的槽口，导致水流渗入；

（3）粘合性失效

（4）密封螺母材质选择不当

接线盒在老化预处理测试后，密封螺母发生断裂，也是造成接线盒防冲水失败的原因。

图10 防水测试后接线盒变形大量积水

图11 老化试验后盒盖变形

图12 接线盒与轨交粘结失败

2、接线盒湿热试验

3、接线盒盒体灼热热丝测试

4、接线盒其他常规测试

湿热试验对于接线盒来说是一个相当严酷的环境试验，试验失败的主要现象有：

（1）湿热试验后接线盒盒体碎裂失效；

（2）湿热试验后接线盒盒体和盒盖密封变形；

（3）湿热试验后接线盒与背板脱落；

（4）湿热试验后电气连接不可靠；

（5）湿热试验后接线盒电缆的抗拉扭性能减小，爬电距离、电气间隙减小。

（6）其他现象。

失败原因分析：

（1）盒体PPO材料的选择不当或用料不纯；

（2）密封螺母开裂导致在湿热之后电缆的抗拉扭性能削弱，或者直接开裂；

（3）接线盒盒体与硅胶不匹配，长时间高温高湿后接线盒与硅胶脱落；

（4）其他原因。

试验过程

图13 支撑带电体开始燃烧	图14 支撑带电体继续燃烧

图15火焰熄灭的时间
上图示，接线盒支撑带电体部分在进行750°C灼热丝测试时，火焰熄灭时间为44.92s，不符合接线盒标准中灼热丝测试的要求。测试失败的主要原因是，接线盒材质无法承受灼热丝元件在短时间内所造成的热应力，不符合灼热丝测试的要求（没有火焰或是火焰可以在30s内自动熄灭）。

（1）工频耐压测试失败，见图12所示。其失败原因主要为爬电距离/电气间隙不足、环境试验之后绝缘性能受到损害(由于材料方面的原因)。

（2）接线盒带电部件抗腐蚀强度不足，其原因为金属件铜质选型和表面处理不当。

图16工频耐压测试仪

图17 带电部件抗二氧化硫腐蚀能力不足


图18 湿热试验后接线盒变形	图19 湿热试验后接线盒与背板脱落	图20 湿热试验引起接线盒失效	图21 湿热试验后接线盒失效

接线盒质量改进建议

1、将盒体、盒盖分体，由密封圈密封的设计，改进为盒体、盒盖压接一体式密封处理，加强整个接线盒结构密封性和密封强度；

2、根据目前组件认证、制造、使用的需要，建议接线盒内预留扩展连接座；装配不同规格的二极管可以随时改变接线盒的最大工作电流；根据组件生产工艺在接线盒装配中保留密封胶和灌封胶两种安装方式；

3、考虑在接线盒盒盖设置导气阀以导出盒体内部热量，或在接线盒内部采用薄片状金属端子，增加散热片，以达到降温的作用；

4、通过系列测试，研究不同类型硅胶和不同材质背板材料的相互匹配性，为光伏组件制造商提供接线盒安装、使用、匹配的整套解决方案。

接线盒未来发展方向

1、MOS集成基础的智能光伏组件

使用MOS集成电路代替传统二极管，降低组件被遮挡时二极管的发热能耗，同时减少组件正常工作时晶体管的反向漏电流，提高组件的发电效率。

MOS管与普通的二极管比较，其导通电阻只有5~10mΩ，且自带散热片，散热性能较好等优点，下图是某公司生产的MOS电路接线盒。

图22 一款MOS电路接线盒

2、旁路电路集成无线发射接收数据系统

极此系统中接线盒内集成了无线收发装置，可以实时监控并传输数据，譬如组件的电流、电压、功率等，其工作原理是组件在工作时，利用接线盒内的单片机，通过检测两串太阳电池的端电压来判断太阳电池是否处于正常工作状态，一旦检测到两处电压不一样，就认为低电压的一串电池片出现了热斑效应，两串电池片的输出电流就有差别，此时单片机通过控制MOS管的栅极电压来控制MOS管的导通状态，来把其中一串电池片多产生的电流旁路掉，使组件正常工作，实现了MOS管的旁路作用。单片机在监控光伏组件工作，控制MOS管的同时，把每一时刻的电压、电流信息采集下来，经过其内部运算累加，得到整个组件的发电量，并在需要时可传输相关数据信息。

3、MPPT＋DCtoDC/DCtoAC转换方式

接线盒加装此种装置后，通过对阵列中每块电池板分布式安装最大功率跟踪模块，使电站方阵中每块板始终工作在最大功率输出点。

利用NS的SolarMagic技术能够以太阳能电池组件为单位进行控制，使其在MPP状态下工作，在以上情况发生时与之前比较最多可提高45%的发电量。

图23 智能太阳能光伏组件接线盒

小

结

在选择接线盒时需不仅仅的关注它是否通过了知名机构的认证，出于今后长久使用角度考虑，更需要关注接线盒的额定电流、二极管的结温测试以及接线盒的体电阻等其他性能要求。

将新的技术容纳、集成到接线盒中，这无非是一种大胆的创新，而且同样非常有效，现在的关键问题就是怎样开发出一种低成本高性能的接线盒，这样才能进行广泛的推广。

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