CN106253842A - 光伏电池串并联自动切换电路及方法 - Google Patents

光伏电池串并联自动切换电路及方法 Download PDF

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周小壮
陈英杰
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Abstract

本发明公开了一种光伏电池串并联自动切换电路及方法，所述电路包括多个依次排列的光伏电池和控制模块；任意两个相邻的光伏电池设为第一光伏电池和第二光伏电池，所述第一光伏电池和第二光伏电池之间设有一个MOS管，第一光伏电池的正极接有第一二极管，第一光伏电池的负极和MOS管的漏极之间接有第二二极管，第二光伏电池的正极和MOS管的源极之间接有第三二极管，第二光伏电池的负极接有第四二极管，所述MOS管的栅极与控制模块连接。本发明结构简单、使用方便，能够根据负载的变化合理的自动切换光伏电池的串并联形式，提高其输出能力，以满足负载变化的需求。

Description

光伏电池串并联自动切换电路及方法
技术领域
本发明涉及一种串并联自动切换电路，尤其是一种光伏电池串并联自动切换电路及方法，属于光伏电池领域。
背景技术
单个光伏电池的输出能力有限，在实际工程中，通常都会将很多个光伏电池通过串联或者并联的形式连接在一起，以提高其输出能力。通过串联的形式可以提高其输出电压，而通过并联的形式则可以提高其输出电流，使负载能够工作在额定状态。然而当负载发生变化时，固定的串并联形式不一定能够满足其额定工作电压、额定功率等。当采用串并联切换的形式时，若电压差距较大的光伏电池进行并联或者并联的光伏电池数量不相同时，将会形成环流，使光伏电池损坏。同时在正常工作的过程中，若有光伏电池损坏，其输出能力会下降，从而影响负载的正常工作，需要及时的检测和更换。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种光伏电池串并联自动切换电路，该电路结构简单、使用方便，能够根据负载的变化合理的自动切换光伏电池的串并联形式，提高其输出能力，以满足负载变化的需求。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述电路的光伏电池串并联自动切换方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
光伏电池串并联自动切换电路，包括多个依次排列的光伏电池和控制模块；
任意两个相邻的光伏电池设为第一光伏电池和第二光伏电池，所述第一光伏电池和第二光伏电池之间设有一个MOS管，第一光伏电池的正极接有第一二极管，第一光伏电池的负极和MOS管的漏极之间接有第二二极管，第二光伏电池的正极和MOS管的源极之间接有第三二极管，第二光伏电池的负极接有第四二极管，所述MOS管的栅极与控制模块连接，当控制模块给出控制信号使MOS管导通时，第二二极管和第三二极管截止，第一二极管和第四二极管导通，当控制模块给出控制信号使MOS管关断时，第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管均导通。
进一步的，所述控制模块包括中央处理器、隔离电路和驱动电路，所述中央处理器通过隔离电路、驱动电路与MOS管的栅极连接，中央处理器输出的控制信号通过隔离电路、驱动电路来控制MOS管的导通和关断。
进一步的，所述控制模块还包括测量电路，所述测量电路与中央处理器连接，用于测量光伏电池的输出电压和输出电流。
进一步的，第一光伏电池的正极与第一二极管的阳极连接，第一光伏电池的负极和MOS管的漏极分别与第二二极管的阴极连接，第二光伏电池的正极和MOS管的源极分别与第三二极管的阳极连接，第二光伏电池的负极与第四二极管的阴极连接，第一二极管的阴极和第三二极管的阴极接负载电阻的一端，并与测量电路的输入端连接，第二二极管的阳极和第四二极管的阳极接负载电阻的另一端，所述测量电路的输出端与中央处理器连接。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
基于上述电路的光伏电池串并联自动切换方法，通过测量电路对输出电压、电流进行采样给中央处理器处理，中央处理器根据实际的偏差，经过计算确定光伏电池串并联数量，然后中央处理器输出相应的控制信号再通过隔离、驱动电路来控制MOS管的导通和关断；
中央处理器控制MOS管的导通和关断有以下三种情况：
1)当中央处理器给出控制信号使所有MOS管导通时，所有光伏电池串联；
2)当中央处理器给出控制信号使所有MOS管关断时，所有光伏电池并联；
3)当中央处理器给出控制信号使部分MOS管导通、其他MOS管关断时，与导通MOS管连接的光伏电池先串联，在串联后，若串联的光伏电池只有一组，则该组串联的光伏电池与其他光伏电池并联，若串联的光伏电池有多组，则多组串联的光伏电池和其他光伏电池全部并联。
进一步的，在情况1)中，输出电压为所有光伏电池的电压之和。
进一步的，在情况2)中，将所有光伏电池的电压进行比较，若所有光伏电池的电压相同，则输出电压为任意一个光伏电池的电压，输出电流为所有光伏电池的电流之和；若存在一个光伏电池的电压大于其他光伏电池的电压，则输出电压为这个光伏电池的电压，输出电流为这个光伏电池的电流。
进一步的，在情况3)中，若串联的光伏电池只有一组，将该组串联的光伏电池电压进行相加，再将这个相加后的电压与其他光伏电池的电压进行比较，其中最大的电压为输出电压；若串联的光伏电池有多组，将每组串联的光伏电池电压分别进行相加，再将各个相加的电压和其他光伏电池的电压全部进行比较，其中最大的电压为输出电压。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的多个依次排列的光伏电池中，任意两个相邻的光伏电池之间设有一个MOS管，并使其中一个光伏电池的正极接一个二极管，负极和MOS管再接一个二极管，另一个光伏电池的正极和MOS管接一个二极管，负极再接一个二极管，通过这种独特的二极管连接方式，能有效的阻断光伏电池并联时电压较小的一路，起到保护的作用；同时，在电路正常工作的过程中，若有光伏电池损坏，可以通过控制MOS管的导通和关断，从而切换到相同功能的组合进行替代，具有一定的灵活性。
2、本发明的控制模块包括中央处理器、隔离电路、驱动电路和测量电路，可以先通过测量电路对输出电压、电流进行采样给中央处理器处理，以确定光伏电池的串并联数量，然后中央处理器输出控制信号再通过隔离、驱动电路来控制MOS管的导通和关断，从而实现光伏电池的串并联自动切换，以满足负载正常工作的需求。
附图说明
图1为本发明实施例1的两个光伏电池的串并联切换电路图。
图2为本发明实施例1的两个光伏电池切换至串联的电路图。
图3为本发明实施例1的两个光伏电池切换至并联的电路图。
图4为本发明实施例2的光伏电池串并联自动切换电路图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，以两个光伏电池的串并联切换为例进行分析，两个光伏电池分别为第一光伏电池BT1和第二光伏电池BT2，第一光伏电池BT1和第二光伏电池BT2之间设有一个MOS管Q1，第一光伏电池BT1的正极接有第一二极管D1，第一光伏电池BT1的负极和MOS管Q1的漏极之间接有第二二极管D2，第二光伏电池BT2的正极和MOS管Q1的源极之间接有第三二极管D3，第二光伏电池BT2的负极接有第四二极管D4，所述MOS管Q1的栅极接收控制信号；其中，第一光伏电池BT1的正极与第一二极管D1的阳极连接，第一光伏电池BT1的负极和MOS管Q1的漏极分别与第二二极管D2的阴极连接，第二光伏电池BT2的正极和MOS管Q1的源极分别与第三二极管D3的阳极连接，第二光伏电池BT2的负极与第四二极管D4的阴极连接，第一二极管D1的阴极和第三二极管D3的阴极接负载电阻RL的一端，第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阳极接负载电阻RL的另一端。
如图2所示，当控制信号使MOS管Q1导通时，第二二极管D2和第三二极管D3由于承受反压而截止，只有第一二极管和第四二极管导通，此时相当于第一光伏电池和第二光伏电池串联，输出电压Vout为第一光伏电池BT1电压VBT1和第二光伏电池BT2的电压VBT2之和，即Vout＝VBT1+VBT2。
如图3所示，当控制信号使MOS管Q1关断时，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4均导通，此时相当于第一光伏电池BT1和第二光伏电池BT2并联，有以下三种情况：
若第一光伏电池BT1的电压VBT1和第二光伏电池BT2的电压VBT2相同，则输出电压Vout为第一光伏电池BT1的电压VBT1或第二光伏电池BT2的电压VBT2，即Vout＝VBT1＝VBT2，输出电流Iout为第一光伏电池BT1的电流IBT1和第二光伏电池BT2的电流IBT2之和，即Iout＝IBT1+IBT2；
若第一光伏电池BT1的电压VBT1大于第二光伏电池BT2的电压VBT2，则第三二极管D3截止，输出电压Vout为第一光伏电池BT1的电压VBT1，即Vout＝VBT1，输出电流Iout为第一光伏电池BT1的电流IBT1，即Iout＝IBT1；
若第一光伏电池BT1的电压VBT1小于第二光伏电池BT2的电压VBT2，则第一二极管D1截止，输出电压Vout为第二光伏电池BT2的电压VBT2，输出电流Iout为第二光伏电池BT2的电流IBT2，即Iout＝IBT2。
实施例2：
如图4所示，将多个形如图2的电路进行组合，得到光伏电池串并联自动切换电路，该电路包括五个依次排列的光伏电池(BT1～BT5)和控制模块，其中光伏电池的数量理论上可以有很多个，只要两个以上即可，本实施例只示出五个光伏电池。
对于相邻的光伏电池BT1和光伏电池BT2，光伏电池BT1作为第一光伏电池，光伏电池BT2作为第二光伏电池，二极管D1作为第一二极管，二极管D2作为第二二极管，二极管D3作为第三二极管，二极管D4作为第四二极管。
对于相邻的光伏电池BT2和光伏电池BT3，光伏电池BT2作为第一光伏电池，光伏电池BT3作为第二光伏电池，二极管D3作为第一二极管，二极管D4作为第二二极管，二极管D5作为第三二极管，二极管D6作为第四二极管，第一光伏电池和第二光伏电池之间设有一个MOS管Q2。
对于相邻的光伏电池BT3和光伏电池BT4，光伏电池BT3作为第一光伏电池，光伏电池BT4作为第二光伏电池，二极管D5作为第一二极管，二极管D6作为第二二极管，二极管D7作为第三二极管，二极管D8作为第四二极管，第一光伏电池和第二光伏电池之间设有一个MOS管Q3。
对于相邻的光伏电池BT4和光伏电池BT5，光伏电池BT4作为第一光伏电池，光伏电池BT5作为第二光伏电池，二极管D7作为第一二极管，二极管D8作为第二二极管，二极管D9作为第三二极管，二极管D10作为第四二极管，第一光伏电池和第二光伏电池之间设有一个MOS管Q4。
上述几种情况的具体结构如上述实施例1所述。
本实施例中，所述控制模块包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、隔离电路、驱动电路和测量电路，所述中央处理器通过隔离电路、驱动电路与MOS管(Q1～Q5)的栅极连接，中央处理器输出的控制信号通过隔离电路、驱动电路来控制MOS管的导通和关断；所述测量电路用于测量光伏电池的输出电压和输出电流。
二极管D1(作为第一二极管)的阴极、二极管D3(作为第一二极管或第三二极管)的阴极、二极管D5(作为第一二极管或第三二极管)的阴极、二极管D7(作为第一二极管或第三二极管)的阴极、二极管D9(作为第一二极管或第三二极管)的阴极与测量电路的输入端连接，测量电路的输出端与中央处理器连接。
本实施例的光伏电池串并联自动切换电路工作原理下：
通过测量电路对输出电压、电流进行采样给中央处理器处理，中央处理器根据实际的偏差，经过计算确定光伏电池串并联数量，然后中央处理器输出相应的控制信号再通过隔离、驱动电路来控制MOS管的导通和关断。
现在以其中三个光伏电池(BT1、BT2和BT3)为例进行说明，三个光伏电池的串并联通过MOS管Q1和Q2来控制：
设MOS管导通为“1”，关断为“0”，由于存在两个开关器件，则其开关组合存在以下四种情况：“00”、“01”、“10”、“11”，如下：
A、开关组合为“00”时，MOS管Q1和MOS管Q2均关断，光伏电池BT1、光伏电池BT2、光伏电池BT3三者并联；
B、开关组合为“11”时，MOS管Q1和MOS管Q2均导通，光伏电池BT1、光伏电池BT2、光伏电池BT3三者串联；
C、开关组合为“10”时，MOS管Q1导通且MOS管Q2关断，光伏电池BT1和光伏电池BT2串联后，再与光伏电池BT3并联；
D、开关组合为“01”时，MOS管Q1关断且MOS管Q2导通，光伏电池BT2和光伏电池BT3串联后，再与光伏电池BT1并联。
C和D两种情况都是先串联再并联，所谓先串联再并联，就是串联后的总体再与另外的并联，而且如果光伏电池BT1、光伏电池BT2、光伏电池BT3的电压、电流相差不大的情况下，开关组合C和D的功能基本相同，其输出的电压、电流基本相同，形如开关组合C决定的电路如果出了故障，可以寻找形如开关组合D决定的电路来代替。
同理，若以其中四个光伏电池(BT1、BT2、BT3和BT4)为例，则开关组合存在以下八种情况：“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”、“111”。
若以五个光伏电池(BT1、BT2、BT3、BT4和BT5)为例，则开关组合存在以下十六种情况：“0000”、“0001”、“0010”、“0011”、“0100”、“0101”、“0110”、“0111”、“1000”、“1001”、“1010”、“1011”、“1100”、“1101”、“1110”、“1111”。
MOS管导通相当于其上下的两个光伏电池串联，MOS管关断相当于其上下的两个光伏电池并联，同时满足先串联后并联的方式，最后多组并联的光伏电池中只有个数最多(电压较大)的一组或多组工作，其余的由于该路的二极管承受反压而阻断，理论上N个MOS管组成的电路其开关组合就有2N种(本实施例的MOS管有四个，因此开关组合有十六种)，其中会有相同功能的开关组合，不存在无效开关组合；若有光伏电池损坏，可以通过中央处理器控制切换到相同功能的组合进行代替，以保证电路的正常工作，具体的切换方式可以根据以上方法进行设置，从而实现光伏电池串并联的自动切换，具有一定的灵活性。
上述中央处理器、隔离电路、驱动电路和测量电路均为现有的硬件电路。
综上所述，本发明结构简单、使用方便，能够根据负载的变化合理的自动切换光伏电池的串并联形式，提高其输出能力，以满足负载变化的需求。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.光伏电池串并联自动切换电路，其特征在于：包括多个依次排列的光伏电池和控制模块；
任意两个相邻的光伏电池设为第一光伏电池和第二光伏电池，所述第一光伏电池和第二光伏电池之间设有一个MOS管，第一光伏电池的正极接有第一二极管，第一光伏电池的负极和MOS管的漏极之间接有第二二极管，第二光伏电池的正极和MOS管的源极之间接有第三二极管，第二光伏电池的负极接有第四二极管，所述MOS管的栅极与控制模块连接，当控制模块给出控制信号使MOS管导通时，第二二极管和第三二极管截止，第一二极管和第四二极管导通，当控制模块给出控制信号使MOS管关断时，第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管均导通。
2.根据权利要求1所述的光伏电池串并联自动切换电路，其特征在于：所述控制模块包括中央处理器、隔离电路和驱动电路，所述中央处理器通过隔离电路、驱动电路与MOS管的栅极连接，中央处理器输出的控制信号通过隔离电路、驱动电路来控制MOS管的导通和关断。
3.根据权利要求2所述的光伏电池串并联自动切换电路，其特征在于：所述控制模块还包括测量电路，所述测量电路与中央处理器连接，用于测量光伏电池的输出电压和输出电流。
4.根据权利要求3所述的光伏电池串并联自动切换电路，其特征在于：第一光伏电池的正极与第一二极管的阳极连接，第一光伏电池的负极和MOS管的漏极分别与第二二极管的阴极连接，第二光伏电池的正极和MOS管的源极分别与第三二极管的阳极连接，第二光伏电池的负极与第四二极管的阴极连接，第一二极管的阴极和第三二极管的阴极接负载电阻的一端，并与测量电路的输入端连接，第二二极管的阳极和第四二极管的阳极接负载电阻的另一端，所述测量电路的输出端与中央处理器连接。
5.基于权利要求4所述电路的光伏电池串并联自动切换方法，其特征在于：通过测量电路对输出电压、电流进行采样给中央处理器处理，中央处理器根据实际的偏差，经过计算确定光伏电池串并联数量，然后中央处理器输出相应的控制信号再通过隔离、驱动电路来控制MOS管的导通和关断；
中央处理器控制MOS管的导通和关断有以下三种情况：
1)当中央处理器给出控制信号使所有MOS管导通时，所有光伏电池串联；
2)当中央处理器给出控制信号使所有MOS管关断时，所有光伏电池并联；
3)当中央处理器给出控制信号使部分MOS管导通、其他MOS管关断时，与导通MOS管连接的光伏电池先串联，在串联后，若串联的光伏电池只有一组，则该组串联的光伏电池与其他光伏电池并联，若串联的光伏电池有多组，则多组串联的光伏电池和其他光伏电池全部并联。
6.根据权利要求5所述的光伏电池串并联自动切换方法，其特征在于：在情况1)中，输出电压为所有光伏电池的电压之和。
7.根据权利要求5所述的光伏电池串并联自动切换方法，其特征在于：在情况2)中，将所有光伏电池的电压进行比较，若所有光伏电池的电压相同，则输出电压为任意一个光伏电池的电压，输出电流为所有光伏电池的电流之和；若存在一个光伏电池的电压大于其他光伏电池的电压，则输出电压为这个光伏电池的电压，输出电流为这个光伏电池的电流。
8.根据权利要求5所述的光伏电池串并联自动切换方法，其特征在于：在情况3)中，若串联的光伏电池只有一组，将该组串联的光伏电池电压进行相加，再将这个相加后的电压与其他光伏电池的电压进行比较，其中最大的电压为输出电压；若串联的光伏电池有多组，将每组串联的光伏电池电压分别进行相加，再将各个相加的电压和其他光伏电池的电压全部进行比较，其中最大的电压为输出电压。
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