Najlepsze obwody kontrolera ładowania słonecznego 3 MPPT do wydajnego ładowania baterii

Najlepsze obwody kontrolera ładowania słonecznego 3 MPPT do wydajnego ładowania baterii

MPPT, jak wszyscy wiemy, odnosi się do śledzenia punktu maksymalnej mocy, które jest zwykle związane z panelami słonecznymi w celu optymalizacji ich wydajności z maksymalną wydajnością. W tym poście poznamy 3 najlepsze obwody kontrolera MPPT do efektywnego wykorzystania energii słonecznej i ładowania baterii w najbardziej efektywny sposób.



Gdzie używany jest MPPT

Zoptymalizowana moc wyjściowa obwodów MPPT jest używana głównie do ładowania akumulatorów z maksymalną wydajnością z dostępnego światła słonecznego.

Nowi hobbyści zwykle uważają tę koncepcję za trudną i mylą się z wieloma parametrami związanymi z MPPT, takimi jak maksymalny punkt mocy, „kolano” wykresu I / V itp.





Właściwie nie ma nic bardziej skomplikowanego w tej koncepcji, ponieważ panel słoneczny to nic innego jak forma zasilania.

Optymalizacja tego źródła zasilania staje się konieczna, ponieważ zazwyczaj panele słoneczne nie mają prądu, ale mają nadmierne napięcie, ta nienormalna specyfikacja panelu słonecznego ma tendencję do niekompatybilności ze standardowymi obciążeniami, takimi jak akumulatory 6 V, 12 V, które mają wyższą wartość AH i niższe napięcie w porównaniu do specyfikacje panelu, a ponadto stale zmieniające się nasłonecznienie sprawia, że ​​urządzenie jest wyjątkowo niespójne z parametrami V i I.



Dlatego potrzebujemy pośredniego urządzenia, takiego jak MPPT, które może „zrozumieć” te zmiany i wytworzyć najbardziej pożądaną moc wyjściową z podłączonego panelu słonecznego.

Być może już to studiowałeś prosty obwód MPPT oparty na IC 555 który jest wyłącznie zbadany i zaprojektowany przeze mnie i stanowi doskonały przykład działającego obwodu MPPT.

Dlaczego MPPT

Podstawową ideą stojącą za wszystkimi MPPT jest obniżenie lub zmniejszenie nadmiernego napięcia z panelu zgodnie ze specyfikacjami obciążenia, upewniając się, że odliczona ilość napięcia jest konwertowana na równoważną ilość prądu, w ten sposób równoważąc wielkość I x V na wejściu a wydajność zawsze na najwyższym poziomie ... nie możemy oczekiwać niczego więcej od tego przydatnego gadżetu, prawda?

Powyższe automatyczne śledzenie i efektywna konwersja parametrów jest realizowane za pomocą PWM etap trackera i a stopień konwertera buck lub czasami stopień konwertera buck-boost chociaż pojedynczy konwerter buck daje lepsze wyniki i jest prostszy w implementacji.

Projekt nr 1: MPPT wykorzystujący PIC16F88 z 3-poziomowym ładowaniem

W tym poście badamy obwód MPPT, który jest dość podobny do projektu IC 555, jedyną różnicą jest użycie mikrokontrolera PIC16F88 i ulepszonego 3-poziomowego obwodu ładowania.

MPPT przy użyciu PIC16F88 z 3-poziomowym ładowaniem

Krok mądry Szczegóły pracy

Podstawowe funkcje poszczególnych etapów można zrozumieć za pomocą następującego opisu:

1) Wyjście panelu jest śledzone poprzez wyodrębnienie z niego kilku informacji przez powiązane potencjalne sieci rozdzielaczy.

2) Jeden wzmacniacz operacyjny z IC2 jest skonfigurowany jako popychacz napięcia i śledzi chwilowe napięcie wyjściowe z panelu przez dzielnik potencjału na swoim pinie3 i przekazuje informacje do odpowiedniego styku czujnikowego PIC.

3) Drugi wzmacniacz operacyjny z IC2 staje się odpowiedzialny za śledzenie i monitorowanie zmieniającego się prądu z panelu i przekazuje go do innego wejścia czujnikowego PIC.

4) Te dwa wejścia są przetwarzane wewnętrznie przez MCU w celu opracowania odpowiednio dostosowanego PWM dla stopnia konwertera buck związanego z jego pinem # 9.

5) PWM z PIC jest buforowany przez Q2, Q3 w celu bezpiecznego wyzwalania przełączającego P-mosfet. Powiązana dioda chroni bramkę mosfet przed przepięciami.

6) Mosfet przełącza się zgodnie z przełączającymi PWM i moduluje stopień konwertera buck utworzony przez cewkę indukcyjną L1 i D2.

7) Powyższe procedury dają najbardziej odpowiednią moc wyjściową z przetwornika buck, który ma niższe napięcie jak na akumulator, ale jest bogaty w prąd.

8) Wyjście z dolara jest stale modyfikowane i odpowiednio regulowane przez układ scalony w odniesieniu do przesłanych informacji z dwóch wzmacniaczy operacyjnych powiązanych z panelem słonecznym.

9) Oprócz powyższej regulacji MPPT, PIC jest również zaprogramowany do monitorowania ładowania akumulatora przez 3 dyskretne poziomy, które są zwykle określane jako tryb zbiorczy, tryb absorpcji, tryb pływający.

10) MCU „obserwuje” rosnące napięcie akumulatora i odpowiednio dostosowuje prąd buck, utrzymując prawidłowe poziomy amperów podczas 3 poziomów procedury ładowania. Odbywa się to w połączeniu ze sterowaniem MPPT, co przypomina obsługę dwóch sytuacji naraz w celu uzyskania najbardziej korzystnych wyników dla akumulatora.

11) Sam PIC jest zasilany precyzyjnie regulowanym napięciem na wyprowadzeniu Vdd przez układ scalony TL499, każdy inny odpowiedni regulator napięcia można tutaj wymienić, aby uzyskać to samo.

12) W projekcie można również zobaczyć termistor, który może być opcjonalny, ale można go skutecznie skonfigurować do monitorowania temperatury akumulatora i dostarczania informacji do PIC, który bez wysiłku przetwarza tę trzecią informację w celu dostosowania mocy wyjściowej, upewniając się, że temperatura akumulatora nigdy nie przekracza niebezpiecznego poziomu.

13) Wskaźniki LED związane z PIC wskazują różne stany ładowania baterii, co pozwala użytkownikowi uzyskać aktualne informacje dotyczące stanu naładowania baterii w ciągu dnia.

14) Proponowany obwód MPPT wykorzystujący PIC16F88 z 3-poziomowym ładowaniem obsługuje ładowanie akumulatora 12 V, jak również ładowanie akumulatora 24 V bez żadnych zmian w obwodzie, z wyjątkiem wartości pokazanych w nawiasach i ustawienia VR3, które należy dostosować, aby umożliwić 14,4 V na początku dla akumulatora 12 V i 29 V dla akumulatora 24 V.

Kod programowania można pobrać tutaj

Projekt nr 2: Synchroniczny, impulsowy kontroler baterii MPPT

Drugi projekt oparty jest na urządzeniu bq24650, które zawiera zaawansowany wbudowany synchroniczny kontroler ładowania akumulatora MPPT z przełączanym trybem. Oferuje wysoki poziom regulacji napięcia wejściowego, który zapobiega przepływowi prądu ładowania do akumulatora za każdym razem, gdy napięcie wejściowe spada poniżej określonej wartości. Ucz się więcej:

Za każdym razem, gdy wejście jest połączone z panelem słonecznym, pętla stabilizacji zasilania obniża wzmacniacz ładujący, aby zapewnić, że panel słoneczny jest w stanie wytworzyć maksymalną moc wyjściową.

Jak działa IC BQ24650

BQ24650 obiecuje dostarczyć synchroniczny kontroler PWIVI o stałej częstotliwości z optymalnym poziomem dokładności ze stabilizacją prądu i napięcia, wstępnym kondycjonowaniem ładowania, odcięciem ładowania i sprawdzaniem poziomu ładowania.

Chip ładuje baterię na 3 dyskretnych poziomach: przygotowanie wstępne, stały prąd i stałe napięcie.

Ładowanie jest przerywane, gdy tylko poziom ampera zbliży się do 1/10 szybkości szybkiego ładowania. Licznik czasu wstępnego ładowania jest ustawiony na 30 minut.

BQ2465O bez ręcznej interwencji uruchamia ponownie procedurę ładowania w przypadku, gdy napięcie akumulatora spadnie poniżej wewnętrznie ustawionego limitu lub osiągnie minimalny tryb uśpienia w stanie spoczynkowym, gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej napięcia akumulatora.

Urządzenie jest przeznaczone do ładowania akumulatora od 2,1 V do 26 V z VFB wewnętrznie przymocowanym do punktu sprzężenia zwrotnego 2,1 V. Specyfikację wzmacniacza ładującego ustawia się wewnętrznie, mocując dobrze dopasowany rezystor czujnikowy.

Bq24650 można zamówić z 16-pinową, cienką opcją QFN 3,5 x 3,5 mm ^ 2.

Schemat obwodu

Arkusz danych bq24650

REGULACJA NAPIĘCIA AKUMULATORA

Bq24650 wykorzystuje niezwykle dokładny regulator napięcia do decydowania o napięciu ładowania. Napięcie ładowania jest ustawiane za pomocą dzielnika rezystora od akumulatora do masy, z punktem środkowym podłączonym do wtyku VFB.

Napięcie na pinie VFB jest ustalone na poziomie odniesienia 2,1 V. Ta wartość odniesienia jest używana w następującym wzorze do określenia pożądanego poziomu regulowanego napięcia:

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

gdzie R2 jest połączony z VFB z akumulatorem, a R1 jest podłączony z VFB do GND. Akumulatory Li-Ion, LiFePO4, a także kwasowo-ołowiowe SMF to idealnie obsługiwane chemikalia akumulatorów.

Większość dostępnych na rynku ogniw litowo-jonowych można teraz skutecznie ładować do 4,2 V / ogniwo. Akumulator LiFePO4 obsługuje proces znacznie wyższych cykli ładowania i rozładowania, ale wadą jest to, że gęstość energii nie jest zbyt dobra. Rozpoznawane napięcie ogniwa wynosi 3,6 V.

Profil ładowania dwóch ogniw Li-Ion i LiFePO4 to przygotowanie wstępne, stały prąd i stałe napięcie. Aby zapewnić efektywną żywotność ładowania / rozładowania, limit napięcia końca ładowania może zostać prawdopodobnie obniżony do 4,1 V / ogniwo, jednak jego gęstość energii może być znacznie niższa w porównaniu ze specyfikacją chemiczną na bazie litu. jest zdecydowanie preferowanym akumulatorem ze względu na zmniejszone koszty produkcji, a także szybkie cykle rozładowania.

Wspólny próg napięcia wynosi od 2,3 V do 2,45 V. Po całkowitym naładowaniu akumulatora konieczne staje się ładowanie podtrzymujące lub podtrzymujące w celu wyrównania samorozładowania. Próg ładowania podtrzymującego wynosi 100mV-200mV poniżej stałego punktu napięcia.

REGULACJA NAPIĘCIA WEJŚCIOWEGO

Panel słoneczny może mieć wyłączny poziom na krzywej V-I lub V-P, popularnie zwany maksymalnym punktem mocy (MPP), w którym kompletny system fotowoltaiczny (PV) opiera się na optymalnej wydajności i generuje wymaganą maksymalną moc wyjściową.

Algorytm stałego napięcia jest najłatwiejszą dostępną opcją śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT). Bq2465O automatycznie wyłącza wzmacniacz ładowania, tak że maksymalny punkt mocy jest włączony w celu uzyskania maksymalnej wydajności.

Stan włączenia

Chip bq2465O zawiera komparator „SLEEP” do identyfikacji sposobu zasilania na pinie VCC, ponieważ VCC może być zaterminowany zarówno z baterii, jak i zewnętrznego adaptera AC / DC.

Jeśli napięcie VCC jest bardziej istotne niż napięcie SRN, a dodatkowe kryteria są spełnione dla procedur ładowania, bq2465O następnie rozpoczyna próbę naładowania podłączonego akumulatora (patrz sekcja Włączanie i wyłączanie ładowania).

Jeśli napięcie SRN jest wyższe w stosunku do VCC, co symbolizuje, że bateria jest źródłem, z którego pobierana jest moc, bq2465O jest włączane dla niższego prądu spoczynkowego (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Jeśli VCC jest poniżej granicy UVLO, układ scalony jest odcinany, po czym VREF LDO jest wyłączany.

WŁĄCZ I WYŁĄCZ ŁADOWANIE

Przed zainicjowaniem procesu ładowania proponowanego obwodu synchronicznego przełączanego kontrolera ładowania akumulatora MPPT należy zapewnić następujące kwestie:

• Proces ładowania jest włączony (MPPSET> 175mV)

• Urządzenie nie posiada funkcji blokady podnapięciowej (UVLO), a VCC przekracza limit VCCLOWV

• Układ scalony nie działa w trybie SLEEP (tj. VCC> SRN)

• Napięcie VCC jest poniżej limitu przepięcia AC (VCC

• Upływ czasu 30 ms jest spełniony po pierwszym włączeniu

• Napięcia REGN LDO i VREF LDO są ustalone w określonych połączeniach

• Thermal Shut (TSHUT) nie jest zainicjowany - TS bad nie został zidentyfikowany Każdy z następujących problemów technicznych może uniemożliwić dalsze ładowanie akumulatora:

• Ładowanie jest wyłączone (MPPSET<75mV)

• Wejście adaptera jest odłączone, co powoduje przejście układu scalonego do funkcji VCCLOWV lub SLEEP

• Napięcie wejściowe adaptera jest poniżej 100mV powyżej oznaczenia akumulatora

• Adapter jest przystosowany do wyższego napięcia

• Napięcie REGN lub VREF LDO nie jest zgodne ze specyfikacją

• Zidentyfikowano limit ciepła układu TSHUT IC • Zdarza się, że napięcie TS wykracza poza określony zakres, co może wskazywać, że temperatura akumulatora jest bardzo wysoka lub alternatywnie znacznie niższa

Wbudowana z własnym wyzwalaniem ŁADOWARKA SOFT-START CURRENT

Ładowarka sama z siebie łagodnie uruchamia regulację mocy ładowarki za każdym razem, gdy ładowarka przechodzi w tryb szybkiego ładowania, aby ustalić, że nie ma absolutnie żadnego przeregulowania lub stresujących warunków na zewnętrznie podłączonych kondensatorach lub przetworniku mocy.

Miękki start polega na zwiększaniu mocy wzmacniacza stabilizującego do ośmiu jednolicie wykonywanych kroków operacyjnych obok wstępnie ustalonego poziomu prądu ładowania. Wszystkie przypisane kroki trwają przez około 1,6 ms, przez określony czas Up wynoszący 13 ms. Do włączenia omawianej funkcji operacyjnej nie jest wymagana żadna część zewnętrzna.

DZIAŁANIE KONWERTERA

Synchroniczna przetwornica buck PWM wykorzystuje z góry określony tryb napięcia częstotliwości ze strategią sterowania z wyprzedzeniem.

Konfiguracja kompensacji w wersji III pozwala na włączenie kondensatorów ceramicznych na stopniu wyjściowym przekształtnika. Stopień wejściowy kompensacji jest powiązany wewnętrznie między wyjściem sprzężenia zwrotnego (FBO) wraz z wejściem wzmacniacza błędu (EAI).

Stopień kompensacji sprzężenia zwrotnego jest zamontowany między wejściem wzmacniacza błędu (EAI) a wyjściem wzmacniacza błędu (EAO). Należy określić stopień filtru wyjściowego LC, aby zapewnić częstotliwość rezonansową około 12 kHz - 17 kHz dla urządzenia, dla którego częstotliwość rezonansowa fo jest sformułowana jako:

fo = 1/2 √ oLoCo

Zintegrowana rampa piłokształtna umożliwia porównanie wewnętrznego wejścia kontroli błędu EAO w celu zmiany cyklu pracy przekształtnika.

Amplituda rampy wynosi 7% napięcia wejściowego adaptera, dzięki czemu może być trwale i całkowicie proporcjonalna do zasilania wejściowego napięcia adaptera.

Eliminuje to wszelkiego rodzaju zmiany wzmocnienia pętli ze względu na zmiany napięcia wejściowego i upraszcza procedury kompensacji pętli. Rampa jest równoważona przez 300 mV, tak że zerowy procentowy cykl pracy jest osiągany, gdy sygnał EAO jest poniżej rampy.

Sygnał EAO jest również kwalifikowany do przewyższania liczby sygnału rampy piły w celu osiągnięcia 100% cyklicznego zapotrzebowania PWM.

Wbudowany logika napędu bramy umożliwia osiągnięcie 99,98% cyklu pracy w tym samym czasie potwierdzając, że górne urządzenie kanału N stale przenosi tyle napięcia, ile jest konieczne, aby zawsze było włączone w 100%.

W przypadku, gdy napięcie między stykami BTST i stykami PH spadnie poniżej 4,2 V na dłużej niż trzy interwały, w takim przypadku tranzystor mocy MOSFET n-channe po stronie wysokiej zostanie wyłączony, a po stronie n-channe po stronie niskiej | MOSFET mocy jest wyzwalany w celu obniżenia węzła PH i naładowania kondensatora BTST.

Następnie sterownik strony wysokociśnieniowej normalizuje się do 100% cyklu pracy, aż napięcie (BTST-PH) ponownie spadnie do niskiego poziomu, ze względu na prąd wypływu wyczerpujący kondensator BTST poniżej 4,2 V, a także impuls resetowania. wznowione.

Oscylator o określonej częstotliwości utrzymuje sztywne sterowanie częstotliwością przełączania w większości przypadków napięcia wejściowego, napięcia akumulatora, prądu ładowania i temperatury, upraszczając układ filtra wyjściowego i utrzymując go z dala od słyszalnego stanu zakłóceń.

Projekt nr 3: obwód szybkiej ładowarki MPPT

Trzeci najlepszy projekt MPPT na naszej liście wyjaśnia prosty obwód ładowarki MPPT wykorzystujący IC bq2031 z INSTRUMENTY TEKSASOWE, który najlepiej nadaje się do szybkiego i stosunkowo szybkiego ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych o dużej pojemności

Abstrakcyjny

Ten artykuł dotyczący praktycznego zastosowania jest przeznaczony dla osób, które mogą opracowywać ładowarkę do akumulatorów kwasowo-ołowiowych na bazie MPPT z pomocą ładowarki bq2031.

Ten artykuł zawiera strukturalny format ładowania akumulatora kwasowo-ołowiowego 12 A z wykorzystaniem MPPT (śledzenie punktu maksymalnej mocy) w celu poprawy wydajności ładowania w zastosowaniach fotowoltaicznych.

Wprowadzenie

Najłatwiejszą procedurą ładowania baterii z systemów paneli słonecznych może być podłączenie baterii bezpośrednio do panelu słonecznego, jednak może to nie być najbardziej efektywna technika.

Załóżmy, że panel słoneczny ma moc 75 W i generuje prąd 4,65 A przy napięciu 16 V w normalnym środowisku testowym o temperaturze 25 ° C i nasłonecznieniu 1000 W / m2.

Akumulator kwasowo-ołowiowy ma napięcie 12 V, podłączenie bezpośrednio panelu słonecznego do tego akumulatora spowodowałoby zmniejszenie napięcia panelu do 12 V i tylko 55,8 W (12 V i 4,65 A) można by wytworzyć z panelu do ładowania.

W tym przypadku do ekonomicznego ładowania może być najbardziej odpowiedni konwerter DC / DC.

Ten praktyczny dokument aplikacyjny wyjaśnia model wykorzystujący bq2031 do efektywnego ładowania.

Charakterystyka I-V panelu słonecznego

Rysunek 1 przedstawia standardowe aspekty systemów paneli słonecznych. Isc to prąd zwarciowy, który przepływa przez panel w przypadku zwarcia panelu słonecznego.

Zdarza się, że jest to optymalny prąd, jaki można pobrać z panelu słonecznego.

Voc to napięcie otwartego obwodu na zaciskach panelu słonecznego.

Vmp i Imp to poziomy napięcia i prądu, przy których maksymalną moc można kupić z panelu słonecznego.

Podczas gdy światło słoneczne zmniejsza optymalny prąd (Isc), który można osiągnąć, najwyższy prąd z panelu słonecznego jest również tłumiony. Rysunek 2 przedstawia zmiany charakterystyk I-V pod wpływem światła słonecznego.

Niebieska krzywa łączy szczegóły maksymalnej mocy przy różnych wartościach nasłonecznienia

Powodem dla obwodu MPPT jest próba utrzymania poziomu roboczego panelu słonecznego przy maksymalnym punkcie mocy w kilku warunkach nasłonecznienia.

Jak widać na rysunku 2, napięcie, przy którym dostarczana jest maksymalna moc, nie zmienia się znacząco pod wpływem światła słonecznego.

Obwód zbudowany z bq2031 wykorzystuje ten znak do praktycznej realizacji MPPT.

Dodatkowa pętla regulacji prądu jest dołączona do zmniejszania prądu ładowania, gdy spada światło dzienne, a także do podtrzymywania napięcia panelu słonecznego w pobliżu maksymalnego napięcia punktu mocy.

Ładowarka MPPT oparta na bq2031

Arkusz danych BQ2031

Rysunek 3 przedstawia schemat płyty DV2031S2 z dodaną pętlą sterowania prądem dodaną w celu wykonania MPPT z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego TLC27L2.

Bq2031 utrzymuje prąd ładowania, utrzymując napięcie 250 mV przy wyczuwalnym oporze R 20. Napięcie odniesienia 1,565 V jest wytwarzane przy użyciu 5 V z U2.

Napięcie wejściowe jest porównywane z napięciem odniesienia, aby wytworzyć napięcie błędu, które można zaimplementować na pinie SNS bq2031 w celu zmniejszenia prądu ładowania.

Napięcie (V mp), przy którym maksymalna moc może zostać pobrana z panelu słonecznego, jest kondycjonowane za pomocą rezystorów R26 i R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

Przy R 27 = 1 k Ω i R 26 = 9,2 k Ω uzyskuje się V mp = 16 V. TLC27L2 jest wewnętrznie regulowany z szerokością pasma 6 kHz przy V dd = 5 V. Głównie dlatego, że szerokość pasma TLC27L2 jest znacznie poniżej częstotliwości przełączania bq2031, dodana pętla sterowania prądem pozostaje stała.

Bq2031 we wcześniejszym obwodzie (rysunek 3) oferuje optymalny prąd 1 A.

W przypadku, gdy panel solarny może dostarczyć wystarczającą moc do ładowania akumulatora przy 1 A, zewnętrzna pętla sterująca nie działa.

Jeśli jednak izolacja zmniejsza się, a panel solarny ma trudności z dostarczeniem energii wystarczającej do naładowania akumulatora prądem 1 A, zewnętrzna pętla sterująca zmniejsza prąd ładowania, aby zachować napięcie wejściowe na poziomie V mp.

Wyniki przedstawione w tabeli 1 potwierdzają działanie obwodu. Odczyty napięcia zapisane pogrubioną czcionką oznaczają problem za każdym razem, gdy wtórna pętla sterująca minimalizuje prąd ładowania, aby zachować wejście na poziomie V mp

Bibliografia:

Texas Instruments

Obwód synchronicznego przełącznika ładowania akumulatora MPPT




Wstecz: Zbadano 3 proste pojemnościowe obwody czujnika zbliżeniowego Dalej: Obwód 8 funkcji Christmas Light