Cele mai bune circuite de control de încărcare solară de 3 MPPT pentru o încărcare eficientă a bateriei

Un MPPT, după cum știm cu toții, se referă la urmărirea punctului de putere maxim, care este de obicei asociat cu panourile solare pentru optimizarea ieșirilor lor cu eficiență maximă. În această postare aflăm cele mai bune 3 circuite de control MPPT pentru valorificarea eficientă a energiei solare și încărcarea unei baterii în modul cel mai eficient.

Unde este utilizat un MPPT

Ieșirea optimizată din circuitele MPPT este utilizată în principal pentru încărcarea bateriilor cu eficiență maximă din lumina soarelui disponibilă.

Noii pasionați consideră în mod normal că conceptul este dificil și se confundă cu mulți parametri asociați cu MPPT, cum ar fi punctul maxim de putere, „genunchi” al graficului I / V etc.

De fapt, nu există nimic atât de complex în acest concept, deoarece un panou solar nu este altceva decât o formă de alimentare cu energie electrică.

Optimizarea acestei surse de alimentare devine necesară deoarece de obicei panourile solare nu au curent, dar posedă tensiune excesivă, aceste specificații anormale ale unui panou solar tinde să devină incompatibile cu sarcini standard, cum ar fi bateriile de 6V, 12V care au o clasificare AH mai mare și o tensiune mai mică comparativ cu specificațiile panoului și, în plus, soarele mereu variabil face ca dispozitivul să fie extrem de inconsistent cu parametrii săi V și I.

De aceea, avem nevoie de un dispozitiv intermediar, cum ar fi un MPPT, care să poată „înțelege” aceste variații și să producă cea mai dorită ieșire de la un panou solar conectat.

S-ar putea să fi studiat deja acest lucru circuit simplu MPPT bazat pe IC 555 care este cercetat și proiectat exclusiv de mine și oferă un exemplu excelent de circuit MPPT funcțional.

De ce MPPT

Ideea de bază din spatele tuturor MPPT-urilor este să scăpați sau să reduceți excesul de tensiune de pe panou în conformitate cu specificațiile de încărcare, asigurându-vă că cantitatea de tensiune dedusă este convertită într-o cantitate echivalentă de curent, echilibrând astfel magnitudinea I x V pe intrare și rezultatul întotdeauna până la limită ... nu ne putem aștepta la nimic mai mult decât acest lucru de la acest gadget util, nu-i așa?

Urmărirea automată de mai sus și conversia eficientă a parametrilor în mod eficient este implementată utilizând un PWM etapa de urmărire și a etapa de conversie buck , sau uneori a etapa convertorului Buck-Boost , deși un convertor solitar de bani oferă rezultate mai bune și este mai simplu de implementat.

Proiectul nr. 1: MPPT utilizând PIC16F88 cu încărcare pe 3 niveluri

În această postare studiem un circuit MPPT care este destul de similar cu designul IC 555, singura diferență fiind utilizarea unui microcontroler PIC16F88 și a unui circuit de încărcare îmbunătățit pe 3 niveluri.

Detalii de lucru pas cu pas

Funcția de bază a diferitelor etape poate fi înțeleasă cu ajutorul următoarei descrieri:

1) Ieșirea panoului este urmărită prin extragerea a două informații din acesta prin rețelele de divizare potențiale asociate.

2) Un opamp de la IC2 este configurat ca un adept de tensiune și urmărește tensiunea instantanee ieșită de la panou printr-un divizor de potențial la pinul său 3 și alimentează informațiile către pinul de detectare relevant al PIC.

3) Al doilea opamp de la IC2 devine responsabil pentru urmărirea și monitorizarea curentului variabil din panou și alimentează același lucru către o altă intrare de detectare a PIC.

4) Aceste două intrări sunt procesate intern de MCU pentru a dezvolta un PWM adaptat corespunzător pentru stadiul convertorului buck asociat cu pinul său # 9.

5) Ieșirea PWM din PIC este tamponată de Q2, Q3 pentru declanșarea în siguranță a comutării P-mosfet. Dioda asociată protejează poarta MOSFET de supratensiuni.

6) Mosfetul comută în conformitate cu PWM-urile de comutare și modulează stadiul convertorului buck format din inductorul L1 și D2.

7) Procedurile de mai sus produc cea mai adecvată ieșire de la convertorul Buck, care are o tensiune mai mică, conform bateriei, dar bogată în curent.

8) Ieșirea din dolar este constant modificată și ajustată în mod corespunzător de către IC cu referire la informațiile trimise de la cele două opamps asociate cu panoul solar.

9) În plus față de regulamentul MPPT de mai sus, PIC este de asemenea programat pentru a monitoriza încărcarea bateriei prin 3 niveluri discrete, care sunt în mod normal specificate ca modul vrac, modul absorbție, și modul plutitor.

10) MCU „păstrează un ochi” asupra creșterii tensiunii bateriei și reglează curentul de curent în consecință, menținând nivelurile corecte de ampere în timpul celor 3 niveluri de procedură de încărcare. Acest lucru se face împreună cu controlul MPPT, care este ca și cum ar gestiona două situații la un moment dat pentru a oferi cele mai favorabile rezultate pentru baterie.

11) PIC în sine este furnizat cu o tensiune reglată de precizie la pinout-ul său Vdd prin IC TL499, orice alt regulator de tensiune adecvat ar putea fi înlocuit aici pentru a face același lucru.

12) Un termistor poate fi, de asemenea, văzut în proiectare, acesta poate fi opțional, dar poate fi configurat eficient pentru monitorizarea temperaturii bateriei și alimentarea informațiilor către PIC, care procesează fără efort aceste a treia informații pentru a adapta ieșirea buck asigurându-vă că temperatura bateriei nu se ridică niciodată peste niveluri nesigure.

13) Indicatoarele LED asociate cu PIC indică diferitele stări de încărcare pentru baterie, ceea ce permite utilizatorului să obțină informații actualizate cu privire la starea de încărcare a bateriei pe parcursul zilei.

14) Circuitul MPPT propus care utilizează PIC16F88 cu încărcare pe 3 niveluri acceptă încărcarea bateriei de 12V, precum și încărcarea bateriei de 24V fără nicio modificare a circuitului, cu excepția valorilor afișate în paranteză și setarea VR3 care trebuie ajustată pentru a permite ieșirea să fie 14,4V la debut pentru o baterie de 12V și 29V pentru o baterie de 24V.

Codul de programare poate fi descărcat Aici

Proiectul nr. 2: Controler de baterie MPPT sincron cu comutator

Al doilea design se bazează pe dispozitivul bq24650 care include un controler de încărcare a bateriei MPPT sincronizat încorporat avansat. Oferă un nivel ridicat de reglare a tensiunii de intrare, care previne curentul de încărcare a bateriei de fiecare dată când tensiunea de intrare scade sub o cantitate specificată. Aflați mai multe:

Ori de câte ori intrarea este atașată cu un panou solar, bucla de stabilizare a alimentării trage în jos amplificatorul de încărcare pentru a se asigura că panoul solar este activat pentru a produce putere maximă.

Cum funcționează IC BQ24650

Bq24650 promite să ofere un controler PWIVI sincron cu frecvență constantă, cu un nivel optim de precizie, cu stabilizarea curentului și a tensiunii, precondiționarea încărcării, întreruperea încărcării și verificarea nivelului de încărcare.

Cipul încarcă bateria în 3 niveluri discrete: pre-condiționare, curent constant și tensiune constantă.

Încărcarea este întreruptă imediat ce nivelul amplificatorului se apropie de 1/10 din rata de încărcare rapidă. Temporizatorul de preîncărcare este setat să fie la 30 de minute.

Bq2465O fără o intervenție manuală repornește procedura de încărcare în cazul în care tensiunea bateriei revine sub o limită stabilită intern sau atinge un mod de repaus minim al amplificatorului în timp ce tensiunea de intrare coboară sub tensiunea bateriei.

Dispozitivul este conceput pentru a încărca o baterie de la 2.1V la 26V cu VFB fixat intern la un punct de feedback de 2.1V. Specificația amplificatorului de încărcare este presetată intern prin fixarea unui rezistor de detectare bine asortat.

Bq24650 poate fi achiziționat cu o opțiune QFN subțire de 16 pini, 3,5 x 3,5 mm ^ 2.

Diagrama circuitului

Foaie de date bq24650

REGULAREA TENSIUNII BATERIEI

Bq24650 folosește un regulator de tensiune extrem de precis pentru a decide asupra tensiunii de încărcare. Tensiunea de încărcare este presetată prin intermediul unui divizor de rezistență de la baterie la masă, cu punctul mediu conectat pinul VFB.

Tensiunea la pinul VFB este fixată la referința de 2,1 V. Această valoare de referință este utilizată în următoarea formulă pentru determinarea nivelului dorit de tensiune reglată:

V (batt) = 2,1V x [1 + R2 / R1]

unde R2 este legat de la VFB la baterie și R1 este conectat de la VFB la GND. Bateriile Li-Ion, LiFePO4, precum și SMF cu plumb acid sunt produse chimice acceptate în mod ideal.

Majoritatea celulelor Li-ion de pe raft pot fi acum încărcate în mod eficient până la 4,2 V / celulă. O baterie LiFePO4 acceptă procesul unui ciclu de încărcare și descărcare substanțial mai mare, dar partea de jos este că densitatea energiei nu este prea bună. Tensiunea recunoscută a celulei este de 3,6V.

Profilul de încărcare al celor două celule Li-Ion și LiFePO4 este precondiționat, curent constant și tensiune constantă. Pentru o durată de viață eficientă de încărcare / descărcare, limita de tensiune la sfârșitul sarcinii poate fi redusă la 4,1 V / celulă, dar densitatea energiei ar putea deveni mult mai mică în comparație cu specificațiile chimice pe bază de Li, acidul de plumb continuă să fie o baterie mult preferată din cauza cheltuielilor reduse de producție, precum și a ciclurilor de descărcare rapidă.

Pragul de tensiune comun este de la 2,3V la 2,45V. După ce se vede că bateria este complet completă, devine obligatorie o încărcare cu plutitor sau cu scurgere, pentru a compensa descărcarea automată. Pragul de încărcare a scurgerii este de 100mV-200mV sub punctul de tensiune constantă.

REGLEMENTAREA TENSIUNII DE INTRARE

Un panou solar poate avea un nivel exclusiv pe curba V-I sau V-P, cunoscut popular ca Punctul maxim de putere (MPP), în care sistemul fotovoltaic complet (PV) se bazează cu o eficiență optimă și generează puterea de ieșire maximă necesară.

Algoritmul de tensiune constantă este cea mai ușoară opțiune de urmărire a punctelor de putere maximă (MPPT) disponibilă. Bq2465O oprește automat amplificatorul de încărcare astfel încât punctul de putere maximă este activat pentru a produce o eficiență maximă.

Porniți starea ON

Cipul bq2465O încorporează un comparator „SLEEP” pentru a identifica mijloacele de tensiune de alimentare pe pinul VCC, datorită faptului că VCC poate fi terminat atât de la o baterie, fie de la o unitate externă AC / DC.

Dacă tensiunea VCC este mai semnificativă decât tensiunea SRN și criteriile suplimentare sunt îndeplinite pentru procedurile de încărcare, bq2465O începe apoi să încerce să încarce o baterie conectată (consultați secțiunea Activare și dezactivare încărcare).

Dacă tensiunea SRN este mai mare față de VCC, simbolizând că o baterie este sursa de unde este achiziționată puterea, bq2465O este activat pentru un curent de repaus mai mic (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Dacă VCC este sub limita UVLO, IC-ul este întrerupt, după care VREF LDO este oprit.

ACTIVAȚI ȘI DEZACTIVAȚI ÎNCĂRCAREA

Următoarele aspecte în cauză trebuie asigurate înainte de inițializarea procesului de încărcare a circuitului controlerului de încărcare a bateriei în modul de comutare sincronă MPPT propus:

• Procesul de încărcare este activat (MPPSET> 175mV)

• Unitatea nu are funcționalitate de blocare sub tensiune (UVLO) și VCC este peste limita VCCLOWV

• IC nu este în funcționalitate SLEEP (adică VCC> SRN)

• Tensiunea VCC este sub limita de supratensiune AC (VCC

• Timpul de 30 ms este îndeplinit după prima pornire

• Tensiunile REGN LDO și VREF LDO sunt fixate la joncțiunile specificate

• Închiderea termică (TSHUT) nu este inițializată - TS bad nu este identificată. Oricare dintre următoarele probleme tehnice poate inhiba încărcarea continuă a bateriei:

• Încărcarea este dezactivată (MPPSET<75mV)

• Intrarea adaptorului este deconectată, provocând IC-ul pentru a intra într-o funcționalitate VCCLOWV sau SLEEP

• Tensiunea de intrare a adaptorului este sub 100mV peste marca bateriei

• Adaptorul are o tensiune mai mare

• Tensiunea REGN sau VREF LDO nu este conform specificațiilor

• Limita de căldură IC TSHUT este identificată • Tensiunea TS se întâmplă să se deplaseze în afara intervalului specificat, ceea ce poate indica faptul că temperatura bateriei este extrem de fierbinte sau, alternativ, mult mai rece

Încărcător auto-declanșat încorporat SOFT-START CHARGER CURENT

Încărcătorul de la sine porneste curentul de reglare a puterii încărcătorului de fiecare dată când încărcătorul se deplasează în încărcarea rapidă pentru a stabili că nu există absolut condiții de depășire sau stres pe condensatorii conectați extern sau pe convertorul de putere.

Soft-startul este prezentat cu intensificarea amplificatorului de stabilizare în opt pași operaționali uniform executați lângă nivelul curent de încărcare prefixat. Toți pașii atribuiți se desfășoară timp de aproximativ 1,6 ms, pentru o perioadă de Up specificată de 13 ms. Nici o singură parte externă nu este necesară pentru activarea funcției operaționale discutate.

FUNCȚIONAREA CONVERTITORULUI

Convertorul sincron BW PWM folosește un mod de tensiune de frecvență predeterminat cu strategie de control feed-forvvard.

O configurație de compensare versiunea III permite sistemului să încorporeze condensatori ceramici la etapa de ieșire a convertorului. Etapa de intrare de compensare este asociată intern între ieșirea de feedback (FBO) împreună cu o intrare de amplificare a erorii (EAI).

Etapa de compensare a feedback-ului este montată între intrarea amplificatorului de eroare (EAI) și ieșirea amplificatorului de eroare (EAO). Etapa filtrului de ieșire LC trebuie determinată pentru a permite o frecvență de rezonanță de aproximativ 12 kHz - 17 kHz pentru dispozitiv, pentru care frecvența de rezonanță, fo, este formulată ca:

fo = 1/2 √ oLoCo

O rampă integrată dinte de ferăstrău este permisă pentru a compara intrarea internă de control al erorilor EAO pentru a modifica ciclul de funcționare al convertorului.

Amplitudinea rampei este de 7% din tensiunea adaptorului de intrare, permițându-i să fie permanent și complet proporțional cu sursa de intrare a tensiunii adaptorului.

Acest lucru anulează orice fel de modificare a câștigului buclei din cauza unei variații a tensiunii de intrare și simplifică procedurile de compensare a buclei. Rampa este echilibrată cu 300mV, astfel încât se obține un ciclu de funcționare zero la sută atunci când semnalul EAO este sub rampă.

Semnalul EAO este, de asemenea, calificat să depășească semnalul rampei dinților de ferăstrău, cu scopul de a atinge o cerere 100% PWM de ciclu de funcționare.

Incorporat logica unității de poartă face posibilă realizarea unui ciclu de funcționare de 99,98% în același timp, confirmând că dispozitivul superior al canalului N poartă în mod constant tensiunea necesară pentru a fi întotdeauna pornit 100%.

În cazul în care tensiunea pinului BTST la pinul PH se reduce sub 4,2V pentru mai mult de trei intervale, în acest caz MOSFET-ul de putere n-channeI este oprit în timp ce n-channe-ul din partea inferioară | MOSFET de putere este declanșat pentru a trage nodul PH în jos și pentru a încărca condensatorul BTST.

După aceea, driverul din partea înaltă se normalizează la procedura de ciclu de funcționare de 100% până când se observă că tensiunea (BTST-PH) scade din nou, din cauza curentului de ieșire care epuizează condensatorul BTST sub 4,2 V, precum și a impulsului de resetare este reeditat.

Oscilatorul de frecvență predeterminat menține o comandă rigidă asupra frecvenței de comutare în majoritatea circumstanțelor de tensiune de intrare, tensiune a bateriei, curent de încărcare și temperatură, simplificând aspectul filtrului de ieșire și menținându-l departe de starea de perturbații sonore.

Proiectul # 3: Circuitul încărcătorului MPPT rapid

Al treilea cel mai bun design MPPT din lista noastră explică un circuit simplu de încărcare MPPT folosind IC bq2031 de la INSTRUMENTE TEXAS, care este cel mai potrivit pentru încărcarea rapidă a bateriilor cu plumb acid ridicat și cu o rată relativ rapidă

Abstract

Acest articol practic pentru aplicații este destinat persoanelor care ar putea dezvolta un încărcător de baterii cu plumb acid pe bază de MPPT cu ajutorul încărcătorului de baterii bq2031.

Acest articol include un format structural pentru încărcarea unei baterii de plumb acid de 12 ore utilizând MPPT (urmărirea punctului maxim de putere) pentru îmbunătățirea eficienței de încărcare pentru aplicațiile fotovoltaice.

Introducere

Cea mai ușoară procedură pentru încărcarea unei baterii dintr-un sistem de panouri solare ar putea fi conectarea bateriei direct la panoul solar, cu toate acestea, aceasta poate să nu fie cea mai eficientă tehnică.

Presupunem că un panou solar are o valoare nominală de 75 W și generează un curent de 4,65 A cu o tensiune de 16 V la un mediu de testare normal de 25 ° C temperatură și 1000 W / m2 de insolație.

Bateria cu plumb acid este evaluată cu o tensiune de 12 V, conectarea directă a panoului solar la această baterie ar scădea tensiunea panoului la 12 V și numai 55,8 W (12 V și 4,65 A) ar putea fi produs din panou pentru încărcare.

Un convertor DC / DC poate fi cel mai adecvat necesar pentru o încărcare economică aici.

Acest document practic de aplicare explică un model, folosind bq2031 pentru o încărcare eficientă.

Caracteristicile I-V ale panoului solar

Figura 1 afișează aspectele standard ale sistemelor de panouri solare. Isc este un curent de scurtcircuit care curge prin panou în cazul în care panoul solar este scurtcircuitat.

Se întâmplă să fie curentul optim care poate fi extras din panoul solar.

Voc este tensiunea în circuit deschis la bornele panoului solar.

Vmp și Imp sunt nivelurile de tensiune și curent în care puterea maximă poate fi achiziționată de la panoul solar.

În timp ce soarele scade curentul optim (Isc) care poate fi atins, cel mai mare curent de la panoul solar suprimă, de asemenea. Figura 2 indică variația caracteristicilor I-V cu lumina soarelui.

Curba albastră leagă detaliile puterii maxime la diferite valori ale insolației

Motivul circuitului MPPT este acela de a încerca să susțină nivelul de lucru al panoului solar la punctul maxim de putere în mai multe condiții de soare.

După cum se observă din Figura 2, tensiunea la care este furnizată puterea maximă nu se modifică foarte mult odată cu soarele.

Circuitul construit cu bq2031 folosește acest caracter pentru a pune în practică MPPT.

O buclă suplimentară de control al curentului este inclusă cu scăderea curentului de încărcare pe măsură ce lumina zilei scade, precum și pentru a menține tensiunea panoului solar în jurul tensiunii maxime a punctului de putere.

Încărcător MPPT pe bază de bq2031

Fișa tehnică BQ2031

Figura 3 afișează schema unei plăci DV2031S2 cu o buclă de control curent adăugată adăugată pentru a efectua MPPT folosind amplificatorul operațional TLC27L2.

Bq2031 păstrează curentul de încărcare păstrând o tensiune de 250 mV la rezistența de sens R 20. Se creează o tensiune de referință de 1,565 V utilizând 5 V de la U2.

Tensiunea de intrare este comparată cu tensiunea de referință pentru a produce o tensiune de eroare care ar putea fi implementată la pinul SNS al bq2031 pentru a reduce curentul de încărcare.

Tensiunea (V mp) în care puterea maximă poate fi dobândită de la panoul solar este condiționată folosind rezistențele R26 și R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

Cu R 27 = 1 k Ω și R 26 = 9,2 k Ω, se obține V mp = 16 V. TLC27L2 este ajustat intern cu o lățime de bandă de 6 kHz la V dd = 5 V. În principal, deoarece lățimea de bandă a TLC27L2 este semnificativ sub frecvența de comutare a bq2031, bucla de control a curentului adăugat continuă să fie constantă.

Bq2031 din circuitul anterior (Figura 3) oferă un curent optim de 1 A.

În cazul în care panoul solar poate furniza energie adecvată pentru a încărca bateria la 1 A, bucla de control externă nu trece în acțiune.

Cu toate acestea, dacă izolația se reduce și panoul de energie solară se străduiește să furnizeze suficientă energie pentru a încărca bateria la 1 A, bucla de control exterioară scade curentul de încărcare pentru a păstra tensiunea de intrare la V mp.

Rezultatele prezentate în tabelul 1 confirmă funcționarea circuitului. Citirile de tensiune cu caractere aldine semnifică problema ori de câte ori bucla de control secundară minimizează curentul de încărcare pentru a păstra intrarea la V mp

Referințe:

Texas Instruments

Circuitul controlerului de încărcare a bateriei în modul de comutare sincron MPPT