Els millors circuits de controlador de càrrega solar de 3 MPPT per a una càrrega eficient de la bateria

Els millors circuits de controlador de càrrega solar de 3 MPPT per a una càrrega eficient de la bateria

Un MPPT, com tots sabem, fa referència al seguiment del punt de potència màxim que normalment s’associa amb plaques solars per optimitzar les seves sortides amb la màxima eficiència. En aquest post aprenem els 3 millors circuits de control MPPT per aprofitar eficientment l’energia solar i carregar una bateria de la manera més eficient.



On s’utilitza un MPPT

La sortida optimitzada dels circuits MPPT s’utilitza principalment per carregar bateries amb la màxima eficiència del sol disponible.

Els nous aficionats normalment consideren que el concepte és difícil i es confon amb els molts paràmetres associats a MPPT, com ara el punt de potència màxim, 'genoll' del gràfic I / V etc.





En realitat, no hi ha res tan complex en aquest concepte, perquè un panell solar no és més que una forma d'alimentació.

L’optimització d’aquesta font d’alimentació és necessària perquè normalment els panells solars no tenen corrent, però tenen un voltatge excessiu. Aquestes especificacions anormals d’un panell solar tendeixen a ser incompatibles amb càrregues estàndard, com ara bateries de 6 V, 12 V especificacions del panell, i, a més, la sol cada vegada més diferent fa que el dispositiu sigui extremadament incompatible amb els seus paràmetres V i I.



Per això, necessitem un dispositiu intermedi com un MPPT que pugui 'entendre' aquestes variacions i produir la sortida més desitjable d'un panell solar connectat.

Potser ja ho haureu estudiat circuit MPPT simple basat en IC 555 que he estat investigat i dissenyat exclusivament per mi i que proporciona un excel·lent exemple de circuit MPPT en funcionament.

Per què MPPT?

La idea bàsica darrere de tots els MPPT és reduir o reduir l’excés de tensió del panell d’acord amb les especificacions de càrrega, assegurant-se que la quantitat de tensió deduïda es converteixi en una quantitat equivalent de corrent, equilibrant així la magnitud I x V a l’entrada. i la sortida sempre al màxim ... no podem esperar res més que aquest útil gadget, oi?

El seguiment automàtic anterior i la conversió adequada dels paràmetres de manera eficient s’implementa mitjançant un PWM etapa de seguiment i a etapa de conversió de dòlars , o de vegades a etapa de conversió buck-boost , tot i que un convertidor solitari de dòlars dóna millors resultats i és més senzill d'implementar.

Disseny núm. 1: MPPT mitjançant PIC16F88 amb càrrega de 3 nivells

En aquest post estudiem un circuit MPPT que és bastant similar al disseny de l'IC 555, l'única diferència és l'ús d'un microcontrolador PIC16F88 i un circuit de càrrega de 3 nivells millorat.

MPPT mitjançant PIC16F88 amb càrrega de 3 nivells

Detalls de treball prudents

La funció bàsica de les diverses etapes es pot entendre amb l'ajut de la següent descripció:

1) Es realitza un seguiment de la sortida del tauler extraient-ne un parell d’informació a través de les xarxes divisores potencials associades.

2) Un opamp d'IC2 està configurat com a seguidor de tensió i rastreja la sortida de tensió instantània del panell a través d'un divisor de potencial al seu pin3 i alimenta la informació al pin de detecció rellevant del PIC.

3) El segon opamp d'IC2 es fa responsable del seguiment i supervisió del corrent variable del panell i alimenta el mateix a una altra entrada de detecció del PIC.

4) Aquestes dues entrades són processades internament per la MCU per desenvolupar un PWM a mida corresponent per a l'etapa de conversió de buck associada al seu pin # 9.

5) La sortida PWM del PIC està emmagatzemada en memòria intermèdia per Q2, Q3 per activar el commutador P-mosfet amb seguretat. El díode associat protegeix la porta del mosfet de sobretensions.

6) El mosfet canvia d’acord amb els PWM de commutació i modula l’etapa del convertidor buck format per l’inductor L1 i D2.

7) Els procediments anteriors produeixen la sortida més adequada del convertidor Buck, que té una tensió més baixa segons la bateria, però rica en corrent.

8) La sortida del dòlar és constantment ajustada i ajustada adequadament per l’IC amb referència a la informació enviada des de les dues opamps associades al panell solar.

9) A més de la regulació MPPT anterior, el PIC també està programat per controlar la càrrega de la bateria a través de 3 nivells discrets, que normalment s’especifiquen com a el mode massiu, el mode d’absorció, el mode flotant.

10) La MCU 'vigila' la tensió de la bateria que augmenta i ajusta el corrent de dòlar en conseqüència mantenint els nivells d'ampere correctes durant els 3 nivells de procediment de càrrega. Això es fa conjuntament amb el control MPPT, és com gestionar dues situacions alhora per obtenir els resultats més favorables per a la bateria.

11) El PIC en si es subministra amb una tensió regulada de precisió en el pinout Vdd a través de l'IC TL499, qualsevol altre regulador de voltatge adequat es podria substituir aquí per renderitzar el mateix.

12) També es pot veure un termistor al disseny, pot ser opcional, però es pot configurar eficaçment per controlar la temperatura de la bateria i alimentar la informació al PIC, que processa sense esforç aquesta tercera informació per adaptar la sortida del dòlar assegurant-se que la temperatura de la bateria mai puja per sobre dels nivells no segurs.

13) Els indicadors LED associats amb el PIC indiquen els diferents estats de càrrega de la bateria que permeten a l’usuari obtenir informació actualitzada sobre l’estat de càrrega de la bateria durant tot el dia.

14) El circuit MPPT proposat que utilitza PIC16F88 amb càrrega de 3 nivells admet la càrrega de la bateria de 12V, així com la càrrega de la bateria de 24V sense cap canvi al circuit, excepte els valors que es mostren entre parèntesi i la configuració de VR3 que cal ajustar per permetre la 14,4V a l'inici per a una bateria de 12V i 29V per a una bateria de 24V.

Es pot descarregar el codi de programació aquí

Disseny núm. 2: controlador de bateria MPPT de mode de commutació síncrona

El segon disseny es basa en el dispositiu bq24650 que inclou un controlador de càrrega de bateria síncron MPPT integrat en mode de commutador avançat. Ofereix un alt nivell de regulació del voltatge d’entrada, que evita el corrent de càrrega a la bateria cada vegada que el voltatge d’entrada baixa per sota d’una quantitat especificada. Aprèn més:

Sempre que l’entrada s’uneix amb un panell solar, el bucle d’estabilització del subministrament fa baixar l’ampli de càrrega per garantir que el panell solar estigui habilitat per produir la màxima potència de sortida.

Com funciona l'IC BQ24650

El bq24650 promet proporcionar un controlador PWIVI síncron de freqüència constant amb un nivell òptim de precisió amb estabilització de corrent i tensió, precondicionament de càrrega, tall de càrrega i comprovació del nivell de càrrega.

El xip carrega la bateria en 3 nivells discrets: pre-condicionament, corrent constant i tensió constant.

La càrrega es tallarà tan aviat com el nivell de l'amplificador s'aproximi a 1/10 de la velocitat de càrrega ràpida. El temporitzador de precàrrega està definit a 30 minuts.

El bq2465O sense una intervenció manual reinicia el procediment de càrrega en cas que la tensió de la bateria reverteixi per sota d’un límit intern establert o arribi a un mode de repòs mínim en repòs mentre el voltatge d’entrada baixa per sota del voltatge de la bateria.

El dispositiu està dissenyat per carregar una bateria de 2,1 V a 26 V amb VFB fixat internament a un punt de retroalimentació de 2,1 V. L'especificació de l'ampli de càrrega es preestableix internament mitjançant la fixació d'una resistència de detecció adequada.

El bq24650 es pot adquirir amb una opció QFN fina de 16 pins, 3,5 x 3,5 mm ^ 2.

Esquema de connexions

Full de dades bq24650

REGULACIÓ DE TENSIÓ DE LA BATERIA

El bq24650 utilitza un regulador de voltatge extremadament precís per decidir la tensió de càrrega. La tensió de càrrega es preestableix mitjançant un divisor de resistències de la bateria a terra, amb el punt mig connectat al pin VFB.

La tensió al pin VFB està fixada a la referència de 2,1 V. Aquest valor de referència s’utilitza a la fórmula següent per determinar el nivell desitjat de voltatge regulat:

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

on R2 està enllaçat de VFB a la bateria i R1 està connectat de VFB a GND. Les bateries Li-Ion, LiFePO4 i SMF de plom àcid són ideals per a les bateries químiques.

La majoria de les cèl·lules de ions de Li que es poden carregar ara es poden carregar eficaçment fins a 4,2 V / cèl·lula. Una bateria LiFePO4 admet el procés de cicles de càrrega i descàrrega substancialment més elevats, però el costat negatiu és que la densitat d’energia no és massa bona. La tensió de la cèl·lula reconeguda és de 3,6 V.

El perfil de càrrega de les dues cel·les Li-Ion i LiFePO4 és un condicionament previ, corrent constant i tensió constant. Per a una vida efectiva de càrrega / descàrrega, el límit de tensió al final de la càrrega es pot reduir fins a 4,1 V / cèl·lula, tot i que la seva densitat d’energia pot ser molt inferior en comparació amb l’especificació química basada en Li, l’àcid de plom continua és la bateria molt preferida a causa de les seves despeses de producció reduïdes, així com els cicles de descàrrega ràpida.

El llindar de tensió comú és de 2,3 V a 2,45 V. Després que es vegi que la bateria està completament carregada, es fa obligatòria una càrrega flotant o de degoteig per compensar l’autodescàrrega. El llindar de càrrega de degoteig és de 100 a 200 mV per sota del punt de tensió constant.

REGULACIÓ DE TENSIÓ D'ENTRADA

Un panell solar pot tenir un nivell exclusiu a la corba V-I o V-P, conegut popularment com a Punt de Potència Màxima (MPP), en el qual el sistema fotovoltaic complet (PV) es basa amb una eficiència òptima i genera la potència de sortida màxima requerida.

L’algorisme de voltatge constant és l’opció més fàcil disponible de seguiment de punts de màxima potència (MPPT). El bq2465O apaga automàticament l'amplificador de càrrega de manera que s'activi el punt de potència màxim per obtenir la màxima eficiència.

Activa la condició

El xip bq2465O incorpora un comparador 'SLEEP' per identificar el mitjà de tensió d'alimentació al pin VCC, ja que es pot acabar VCC des d'una bateria o una unitat adaptadora externa AC / DC.

Si el voltatge VCC és més important que el voltatge SRN i es compleixen els criteris addicionals per als procediments de càrrega, el bq2465O posteriorment comença a intentar carregar una bateria connectada (consulteu la secció Activació i desactivació de la càrrega).

Si el voltatge SRN és més gran respecte al VCC, simbolitzant que la bateria és la font d’on s’adquireix l’alimentació, el bq2465O està habilitat per a un corrent de repòs inferior (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Si VCC està per sota del límit UVLO, es tallarà l'IC, després del qual s'apagarà VREF LDO.

Habilita i desactiva la càrrega

Cal garantir els següents aspectes relacionats abans d’iniciar el procés de càrrega del circuit de controlador de càrrega de la bateria en mode de commutador síncron MPPT proposat:

• El procés de càrrega està habilitat (MPPSET> 175mV)

• La unitat no té la funcionalitat de bloqueig de baix voltatge (UVLO) i VCC supera el límit VCCLOWV

• L'IC no té la funcionalitat SLEEP (és a dir, VCC> SRN)

• La tensió VCC està per sota del límit de sobretensió de CA (VCC

• El lapse de temps de 30 ms es compleix després de la primera engegada

• Els voltatges LDN REGN i VREF LDO es fixen a les unions especificades

• No s’inicialitza l’apagada tèrmica (TSHUT): no s’identifica TS bad. Qualsevol dels problemes tècnics següents pot inhibir la càrrega de la bateria:

• La càrrega està desactivada (MPPSET<75mV)

• L'entrada de l'adaptador està desconnectada, provocant que l'IC accedeixi a una funcionalitat VCCLOWV o SLEEP

• El voltatge d'entrada de l'adaptador és inferior als 100 mV per sobre de la marca de la bateria

• L’adaptador té una tensió superior

• La tensió LDO REGN o VREF no és segons les especificacions

• S’identifica el límit de calor TSHUT IC • El voltatge TS es mou fora del rang especificat, cosa que pot indicar que la temperatura de la bateria és extremadament calenta o, alternativament, molt més freda

ACTUAL CARREGADOR DE CARREGADOR SOFT-START integrat

El carregador per si mateix inicia el corrent de regulació de potència del carregador cada vegada que el carregador es mou a la càrrega ràpida per establir que no hi ha cap condició excessiva ni estressant als condensadors connectats externament ni al convertidor de potència.

L’arrencada suau es presenta amb l’augment de l’amplificador d’estabilització de càrrega en vuit passos operatius executats uniformement al costat del nivell de corrent de càrrega prefixat. Tots els passos assignats continuen al voltant d'1,6 ms, durant un període de pujada especificat de 13 ms. No es requereix cap part externa per habilitar la funció operativa discutida.

FUNCIONAMENT DEL CONVERTIDOR

El convertidor PWM síncron utilitza un mode de tensió de freqüència predeterminat amb una estratègia de control d’alimentació-forvvard.

Una configuració de compensació de la versió III permet al sistema incorporar condensadors ceràmics a la fase de sortida del convertidor. L'etapa d'entrada de compensació s'associa internament entre la sortida de retroalimentació (FBO) juntament amb una entrada d'amplificador d'error (EAI).

L’etapa de compensació de la retroalimentació es troba entre l’entrada de l’amplificador d’error (EAI) i la sortida de l’amplificador d’error (EAO). Cal determinar l’etapa de filtre de sortida LC per permetre una freqüència de ressonància d’entre 12 kHz i 17 kHz per al dispositiu, per a la qual la freqüència de ressonància, fo, es formula com:

fo = 1/2 √ oLoCo

Es permet una rampa integrada de dents de serra per comparar l’entrada de control d’errors EAO interna per alterar el cicle de treball del convertidor.

L’amplitud de la rampa és del 7% de la tensió de l’adaptador d’entrada, cosa que li permet ser permanent i completament proporcional a la font d’entrada de la tensió de l’adaptador.

Això anul·la qualsevol tipus d’alteració del guany del bucle a causa d’una variació de la tensió d’entrada i simplifica els procediments de compensació del bucle. La rampa s’equilibra en 300 mV de manera que s’aconsegueix un cicle de servei zero per cent quan el senyal EAO es troba per sota de la rampa.

El senyal EAO està igualment qualificat per superar el senyal de rampa de dents de serra amb l'objectiu d'aconseguir una demanda PWM de ciclicitat del 100%.

Incorporat lògica de la unitat de porta permet realitzar un cicle de treball del 99,98% al mateix temps que confirma que el dispositiu superior del canal N comporta sempre la tensió necessària per estar sempre encès al 100%.

En el cas que el voltatge del pin BTST al pin PH es redueixi per sota de 4,2 V durant més de tres intervals, en aquest cas el MOSFET de potència n-channeI de la banda alta està apagat mentre que el n-channe de la banda baixa | MOSFET d'alimentació s'activa per treure el node PH cap avall i carregar el condensador BTST.

Després, el controlador de la banda alta es normalitza al 100% del procés de cicle de treball fins que s’observa que el voltatge (BTST-PH) disminueix de nou, a causa del corrent de sortida que esgota el condensador BTST per sota de 4,2 V, així com el pols de reinici reeditat.

L'oscil·lador de freqüència predeterminat manté un control rígid sobre la freqüència de commutació en la majoria de les circumstàncies de tensió d'entrada, tensió de la bateria, corrent de càrrega i temperatura, simplificant el disseny del filtre de sortida i mantenint-lo lluny de l'estat de pertorbacions audibles.

Disseny # 3: Circuit de carregador MPPT ràpid

El tercer millor disseny MPPT de la nostra llista explica un senzill circuit de carregador MPPT que utilitza l’IC bq2031 de INSTRUMENTS TEXAS, que és el més adequat per carregar ràpidament i amb una velocitat relativament ràpida bateries de plom àcid altes

Resum

Aquest article d'aplicació pràctica és per a persones que poden desenvolupar un carregador de bateries de plom àcid basat en MPPT amb l'ajut del carregador de bateries bq2031.

Aquest article inclou un format estructural per carregar una bateria de plom àcid de 12 hores que utilitza MPPT (seguiment del punt de potència màxima) per millorar l’eficiència de càrrega per a aplicacions fotovoltaiques.

Introducció

El procediment més senzill per carregar una bateria des d’un sistema de panells solars podria ser connectar la bateria directament al panell solar, però pot ser que aquesta no sigui la tècnica més eficaç.

Suposem que un panell solar té una potència nominal de 75 W i genera un corrent de 4,65 A amb una tensió de 16 V en un entorn normal de prova de 25 ° C de temperatura i 1000 W / m2 d’insolació.

La bateria de plom àcid té una tensió de 12 V que connecta directament el panell solar a aquesta bateria, reduiria la tensió del panell a 12 V i només es podrien produir 55,8 W (12 V i 4,65 A) per carregar-la.

Un convertidor CC / CC pot ser el més adequat per a una càrrega econòmica.

Aquest pràctic document d'aplicació explica un model, fent ús del bq2031 per a una càrrega efectiva.

Característiques I-V del panell solar

La figura 1 mostra els aspectes estàndard dels sistemes de panells solars. Isc és un corrent de curtcircuit que circula pel panell en cas que el panell solar estigui curtcircuitat.

Es tracta del corrent òptim que es pot extreure del panell solar.

Voc és la tensió de circuit obert als terminals del panell solar.

Vmp i Imp són els nivells de tensió i corrent on es pot comprar la màxima potència del panell solar.

Tot i que el sol disminueix el corrent òptim (Isc) que es pot assolir, també suprimeix el corrent més alt del panell solar. La figura 2 indica la variació de les característiques I-V amb la llum solar.

La corba blava enllaça els detalls de la potència màxima a diversos valors d’insolació

La raó del circuit MPPT és intentar mantenir el nivell de treball del panell solar al punt de potència màxim en diverses condicions de sol.

Com s’observa a la figura 2, la tensió on s’ofereix la màxima potència no altera molt amb el sol.

El circuit construït amb el bq2031 fa ús d’aquest caràcter per posar en pràctica el MPPT.

S'inclou un bucle de control de corrent addicional amb la disminució del corrent de càrrega a mesura que disminueix la llum del dia, així com per mantenir la tensió del panell solar al voltant de la tensió màxima del punt de potència.

Carregador MPPT basat en bq2031

Full de dades BQ2031

La figura 3 mostra l'esquema d'una placa DV2031S2 amb un bucle de control de corrent afegit per dur a terme el MPPT fent ús de l'amplificador operatiu TLC27L2.

El bq2031 manté el corrent de càrrega conservant un voltatge de 250 mV a la resistència de sentit R 20. Es crea un voltatge de referència d'1.565 V mitjançant l'ús de 5 V d'U2.

La tensió d'entrada es compara amb la tensió de referència per produir una tensió d'error que es podria implementar al pin SNS de bq2031 per disminuir el corrent de càrrega.

La tensió (V mp) on es pot adquirir la màxima potència del panell solar es condiciona mitjançant les resistències R26 i R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

Amb R 27 = 1 k Ω i R 26 = 9,2 k Ω, s’aconsegueix V mp = 16 V. El TLC27L2 s’ajusta internament amb un ample de banda de 6 kHz a V dd = 5 V. Principalment perquè l’amplada de banda del TLC27L2 és significativament inferior a la freqüència de commutació de bq2031, el bucle de control de corrent afegit continua sent constant.

El bq2031 del circuit anterior (Figura 3) ofereix un corrent òptim d’1 A.

En cas que el panell d'energia solar pugui proporcionar una energia adequada per carregar la bateria a 1 A, el bucle de control exterior no entra en acció.

Tanmateix, si l’aïllament es redueix i el panell d’energia solar lluita per subministrar suficient energia per carregar la bateria a 1 A, el bucle de control exterior disminueix el corrent de càrrega per preservar el voltatge d’entrada a V mp.

Els resultats demostrats a la taula 1 confirmen el funcionament del circuit. Les lectures de tensió en negreta signifiquen el problema sempre que el bucle de control secundari minimitza el corrent de càrrega per preservar l'entrada a V mp

Referències:

Texas Instruments

Circuit del controlador de càrrega de la bateria en mode de commutació síncrona MPPT




Anterior: Es van explorar 3 circuits senzills de sensor de proximitat capacitius Següent: Circuit de llum de Nadal de 8 funcions