Najbolji krugovi za upravljanje solarnim punjenjem od 3 MPPT za učinkovito punjenje baterija

MPPT kao što svi znamo odnosi se na praćenje točaka maksimalne snage koje je obično povezano sa solarnim pločama radi optimizacije njihovih rezultata uz maksimalnu učinkovitost. U ovom postu saznajemo 3 najbolja sklopa MPPT kontrolera za učinkovito iskorištavanje sunčeve energije i punjenje baterije na najučinkovitiji način.

Gdje se koristi MPPT

Optimizirani izlaz iz MPPT krugova prvenstveno se koristi za punjenje baterija uz maksimalnu učinkovitost od dostupnog sunčevog svjetla.

Novi hobisti obično smatraju da je koncept težak i zbunjuju se s mnogim parametrima povezanim s MPPT-om, poput točke maksimalne snage, 'koljeno' I / V grafa itd.

Zapravo u ovom konceptu nema ništa tako složeno, jer solarni panel nije ništa drugo doli samo oblik napajanja.

Optimizacija ovog napajanja postaje neophodna jer tipično solarnim pločama nedostaje struje, ali oni imaju višak napona, ove abnormalne specifikacije solarnih panela imaju tendenciju da budu nekompatibilne sa standardnim opterećenjima kao što su 6V, 12V baterije koje nose viši AH i niži napon u odnosu na specifikacije ploča, a osim toga, stalno mijenjanje sunčevog svjetla čini uređaj krajnje neskladnim s V i I parametrima.

I zato nam je potreban međuuređaj kao što je MPPT koji može 'razumjeti' ove varijacije i izbaciti najpoželjniji izlaz s povezane solarne ploče.

Mogli ste ovo već proučiti jednostavan MPPT krug zasnovan na IC 555 koji sam isključivo istraživao i dizajnirao i pruža izvrstan primjer radnog MPPT kruga.

Zašto MPPT

Osnovna ideja koja stoji iza svih MPPT-a je spustiti ili smanjiti višak napona s panela u skladu sa specifikacijama opterećenja, vodeći računa da se oduzeta količina napona pretvori u ekvivalentnu količinu struje, balansirajući tako veličinu I x V na ulazu a izlaz uvijek do oznake ... od ovog korisnog uređaja ne možemo očekivati ​​ništa više od ovoga, zar ne?

Gornje automatsko praćenje i prikladno pretvaranje parametara učinkovito se provodi pomoću PWM-a tracker pozornica i a stupanj pretvarača buck , ili ponekad a stupanj pretvarača buck-boost , iako usamljeni konvertor dolara daje bolje rezultate i jednostavniji je za primjenu.

Dizajn # 1: MPPT pomoću PIC16F88 s punjenjem u tri razine

U ovom postu proučavamo MPPT krug koji je prilično sličan dizajnu IC 555, jedina razlika je u upotrebi mikrokontrolera PIC16F88 i poboljšanog kruga punjenja u 3 razine.

Koračni detalji rada

Osnovna funkcija različitih stupnjeva može se razumjeti uz pomoć sljedećeg opisa:

1) Izlaz panela prati se izvlačenjem nekoliko podataka iz njega kroz pridružene potencijalne razdjelne mreže.

2) Jedan opamp s IC2 konfiguriran je kao sljednik napona i prati trenutni napon napona s ploče kroz potencijalni razdjelnik na svojem pin3 i dostavlja informacije na odgovarajući osjetni pin PIC-a.

3) Drugi opamp s IC2 postaje odgovoran za praćenje i nadgledanje promjenjive struje s panela i dovodi je na drugi osjetnički ulaz PIC-a.

4) Ova dva ulaza interno obrađuje MCU za razvoj odgovarajuće prilagođenog PWM-a za stupanj pretvarača buck koji je povezan s njegovim pinom # 9.

5) PWM koji izlazi iz PIC-a baferira Q2, Q3 za sigurno aktiviranje preklopnog P-MOSFET-a. Pripadajuća dioda štiti mosfet vrata od prekomjernih napona.

6) MOSFET se prebacuje u skladu s preklopnim PWM-ima i modulira stupanj pretvarača donjeg strujanja koji čine induktivori L1 i D2.

7) Gore navedeni postupci daju najprikladniji izlaz iz dovodnog pretvarača koji je nižeg napona prema bateriji, ali bogat strujom.

8) Izlaz iz dolara neprestano se prilagođava i prikladno prilagođava od strane IC-a u odnosu na poslane informacije iz dva opampa povezana sa solarnom pločom.

9) Uz gornju MPPT regulaciju, PIC je također programiran za praćenje punjenja baterije kroz 3 diskretne razine, koje su obično određene kao skupni način, apsorpcijski način, ploveći način.

10) MCU 'pazi' na rastući napon akumulatora i prilagođava donju struju u skladu s održavanjem ispravne razine ampera tijekom 3 razine postupka punjenja. To se radi zajedno s MPPT kontrolom, to je poput rješavanja dvije situacije odjednom za postizanje najpovoljnijih rezultata za bateriju.

11) Sam PIC opskrbljuje se precizno reguliranim naponom na svom Vdd pinoutu putem IC TL499, ovdje bi mogao biti zamijenjen bilo koji drugi prikladni regulator napona za prikazivanje istog.

12) U dizajnu se također može vidjeti termistor, koji može biti neobavezan, ali se može učinkovito konfigurirati za nadgledanje temperature baterije i dostavljanje informacija PIC-u, koji bez napora obrađuje ove treće informacije za prilagođavanje izlaza, osiguravajući da temperatura baterije nikada se ne diže iznad nesigurnih razina.

13) LED indikatori povezani s PIC-om ukazuju na različita stanja punjenja baterije, što korisniku omogućuje da dobije ažurne informacije o stanju punjenja baterije tijekom dana.

14) Predloženi MPPT krug koji koristi PIC16F88 s punjenjem u tri razine podržava punjenje od 12V kao i punjenje od 24V bez ikakvih promjena u krugu, osim vrijednosti prikazanih u zagradama i postavke VR3 koju treba prilagoditi kako bi se omogućio izlaz 14,4 V na početku za bateriju od 12 V i 29 V za bateriju od 24 V.

Programski kod se može preuzeti ovdje

Dizajn # 2: Upravljač baterija sinkronog preklopnog načina rada MPPT

Drugi dizajn temelji se na uređaju bq24650 koji uključuje napredni ugrađeni MPPT sinkroni upravljač punjenja baterija u preklopnom načinu. Nudi visoku razinu regulacije ulaznog napona, koja sprječava struju punjenja akumulatora svaki put kada ulazni napon padne ispod određene količine. Saznajte više:

Kad god je ulaz priključen na solarnu ploču, petlja za stabilizaciju napajanja povlači pojačalo za punjenje kako bi osigurala da solarna ploča omogući maksimalnu izlaznu snagu.

Kako funkcionira IC BQ24650

Bq24650 obećava pružanje sinkronog PWIVI regulatora s konstantnom frekvencijom s optimalnom razinom točnosti sa stabilizacijom struje i napona, preduvjetom punjenja, prekidom punjenja i provjerom razine punjenja.

Čip puni bateriju u 3 diskretne razine: predkondicioniranje, konstantna struja i konstantni napon.

Punjenje se prekida čim se razina pojačala približi 1/10 brze brzine punjenja. Tajmer za punjenje postavljen je na 30 minuta.

Bq2465O bez ručne intervencije ponovno pokreće postupak punjenja u slučaju da se napon akumulatora vrati ispod unutarnje postavljene granice ili dosegne minimalno stanje mirovanja u mirovanju pojačala dok ulazni napon padne ispod napona akumulatora.

Uređaj je dizajniran za punjenje baterije od 2,1 V do 26 V s VFB interno fiksiranim na 2,1 V povratnu točku. Specifikacije pojačala za punjenje su unaprijed postavljene fiksiranjem dobro usklađenog senzorskog otpora.

Bq24650 se može nabaviti pomoću 16-polne, 3,5 x 3,5 mm ^ 2 tanke QFN opcije.

Kružni dijagram

Tablica podataka bq24650

REGULACIJA NAPONA BATERIJE

Bq24650 koristi izuzetno precizan regulator napona za odlučivanje o naponu punjenja. Napon punjenja unaprijed se podešava pomoću otporničkog razdjelnika od baterije do zemlje, pri čemu je središnja točka spojena na VFB iglu.

Napon na VFB pinu stegnut je na referentnu vrijednost 2,1 V. Ova referentna vrijednost koristi se u sljedećoj formuli za određivanje željene razine reguliranog napona:

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

gdje je R2 povezan s VFB-a na bateriju, a R1 je povezan s VFB-a na GND. Li-Ion, LiFePO4, kao i SMF olovne kiseline, idealno su podržane kemijske baterije.

Većina Li-ionskih stanica iznad police sada se može učinkovito napuniti do 4,2 V / ćeliji. LiFePO4 baterija podržava proces znatno većih ciklusa punjenja i pražnjenja, ali donja strana je što gustoća energije nije previše dobra. Prepoznati napon ćelije je 3,6V.

Profil naboja dviju ćelija Li-Ion i LiFePO4 je preduvjet, konstantna struja i konstantan napon. Za učinkovit životni vijek punjenja / pražnjenja, granica napona na kraju punjenja može se možda smanjiti na 4,1 V / ćeliji, no njegova gustoća energije mogla bi postati puno niža u usporedbi s kemijskim specifikacijama na bazi Li, olovna kiselina nastavlja biti mnogo poželjnija baterija zbog svojih smanjenih proizvodnih troškova kao i brzih ciklusa pražnjenja.

Uobičajeni prag napona je od 2,3V do 2,45V. Nakon što se vidi da je baterija potpuno dopunjena, punjenje plovkom ili kapljicom postaje obavezno kako bi se nadoknadilo samopražnjenje. Prag punjenja je 100mV-200mV ispod točke stalnog napona.

REGULACIJA ULAZNOG NAPONA

Solarni panel može imati ekskluzivnu razinu na krivulji V-I ili V-P, u narodu poznatu kao točka maksimalne snage (MPP), pri čemu se cjeloviti fotonaponski sustav (PV) oslanja s optimalnom učinkovitošću i generira potrebnu maksimalnu izlaznu snagu.

Algoritam konstantnog napona najlakša je dostupna opcija praćenja maksimalne snage (MPPT). Bq2465O automatski isključuje pojačalo za punjenje tako da je omogućena maksimalna točka napajanja za postizanje maksimalne učinkovitosti.

Uključite stanje

Čip bq2465O uključuje komparator 'SLEEP' za prepoznavanje sredstava napajanja na VCC pinu, zbog činjenice da se VCC može završiti i iz baterije ili iz vanjske AC / DC adapterske jedinice.

Ako je VCC napon značajniji od napona SRN, a dodatni kriteriji su ispunjeni za postupke punjenja, bq2465O nakon toga pokušava pokušati napuniti povezanu bateriju (pogledajte odjeljak Omogućavanje i onemogućavanje punjenja).

Ako je napon SRN veći u odnosu na VCC, što simbolizira da je baterija izvor odakle se napaja, bq2465O je omogućen za nižu struju mirovanja (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Ako je VCC ispod UVLO granice, IC se prekida, nakon čega se VREF LDO isključuje.

Omogućiti i onemogućiti punjenje

Prije pokretanja postupka punjenja predloženog kruga kontrolera punjenja baterija MPPT sinkronog preklopnog stanja potrebno je osigurati sljedeće aspekte:

• Omogućen je postupak punjenja (MPPSET> 175mV)

• Uređaj nije u funkciji podnaponskog zaključavanja (UVLO) i VCC je iznad ograničenja VCCLOWV

• IC nije u funkciji SLEEP (tj. VCC> SRN)

• VCC napon je ispod granice prenapona izmjeničnog napona (VCC

• Isteklo je vremensko razdoblje od 30 ms nakon prvog uključivanja

• REGN LDO i VREF LDO naponi su fiksni na navedenim spojevima

• Termičko zatvaranje (TSHUT) nije inicijalizirano - TS loš nije identificiran Bilo koji od sljedećih tehničkih problema može spriječiti daljnje punjenje baterije:

• Punjenje je deaktivirano (MPPSET<75mV)

• Ulaz adaptera je isključen, što izaziva IC da uđe u VCCLOWV ili SLEEP funkcionalnost

• Ulazni napon adaptera je ispod 100mV iznad oznake baterije

• Adapter je predviđen za viši napon

• REGN ili VREF LDO napon nije prema specifikacijama

• Utvrđena je granica topline TSHUT IC • Slučajno se TS napon pomiče iz navedenog raspona što može ukazivati ​​na to da je temperatura akumulatora izuzetno vruća ili je znatno hladnija

Samoinicirano ugrađeno struja punjenja SOFT-START

Sam punjač meko pokreće regulacijsku struju punjača svaki put kad se punjač pomakne u brzo punjenje kako bi utvrdio da na vanjski povezanim kondenzatorima ili pretvaraču napajanja nema apsolutno nikakvih pretjeranih ili stresnih uvjeta.

Meko pokretanje odlikuje se pojačavanjem stabilizacijskog pojačala za punjenje u osam jednoliko izvedenih operativnih koraka pored prefiksirane razine struje punjenja. Svi dodijeljeni koraci izvode se oko 1,6 ms, za određeno razdoblje od 13 ms. Niti jedan vanjski dio nije pozvan da omogući diskutiranu operativnu funkciju.

OPERACIJA PRETVARAČA

Sinkroni buck PWM pretvarač koristi unaprijed određeni način frekvencijskog napona sa strategijom upravljanja feed-forvvard.

Konfiguracija kompenzacije verzije III neka sustav uključi keramičke kondenzatore u izlaznom stupnju pretvarača. Ulazni stupanj kompenzacije interno je povezan između izlaza povratne sprege (FBO) zajedno s ulazom pojačala pogreške (EAI).

Stupanj kompenzacije povratnih informacija postavljen je između ulaza pojačala pogreške (EAI) i izlaza pojačala pogreške (EAO). Potrebno je odrediti stupanj LC izlaznog filtra kako bi se omogućila rezonantna frekvencija od oko 12 kHz - 17 kHz za uređaj, za koji je rezonantna frekvencija, fo, formulirana kao:

fo = 1/2 √ oLoCo

Integrirana rampa zubaca dopuštena je za usporedbu unutarnjeg ulaza za kontrolu pogrešaka EAO kako bi se promijenio radni ciklus pretvarača.

Amplituda rampe je 7% od ulaznog napona adaptera, što omogućava da ona bude trajno i potpuno proporcionalna ulaznom napajanju napona adaptera.

Ovo uklanja sve promjene pojačanja petlje zbog promjene ulaznog napona i pojednostavljuje postupke kompenzacije petlje. Rampa je uravnotežena s 300mV tako da se postigne nula posto radnog ciklusa kada je EAO signal ispod rampe.

EAO signal je također osposobljen za nadmašivanje signala rampe zubaca u svrhu postizanja stopostotne radne snage PWM ciklusa.

Ugrađeno logika pogona vrata omogućuje istodobno ostvarivanje 99,98% radnog ciklusa potvrđujući da gornji uređaj N-kanala dosljedno nosi onoliko potrebnog napona da uvijek bude uključen 100%.

U slučaju da se napon pin-a BTST na PH smanji ispod 4,2 V dulje od tri intervala, u tom slučaju MOSFET snage n-kanala s visoke strane je isključen dok n-kanal n-kanala | napaja se MOSFET za izvlačenje PH čvora prema dolje i punjenje BTST kondenzatora.

Nakon toga se pogonitelj visoke strane normalizira na 100% radnog ciklusa dok se ne primijeti da napon (BTST-PH) opet opada, zbog odvodne struje koja iscrpljuje BTST kondenzator ispod 4,2 V, kao i reset pulsa. ponovno izdano.

Unaprijed određeni frekvencijski oscilator održava krutu naredbu nad frekvencijom uključivanja u većini okolnosti ulaznog napona, napona baterije, struje punjenja i temperature, pojednostavljujući raspored izlaznog filtra i zadržavajući ga dalje od stanja zvučnih smetnji.

Dizajn # 3: Brzi krug MPPT punjača

Treći najbolji MPPT dizajn na našem popisu objašnjava jednostavan krug MPPT punjača pomoću IC bq2031 od TEXAS INSTRUMENTI, što je najprikladnije za brzo i relativno brzo punjenje olovnih baterija s visokim Ah-om

Sažetak

Ovaj članak o praktičnoj primjeni namijenjen je osobama koje možda razvijaju punjač za olovne kiseline na bazi MPPT uz pomoć punjača za baterije bq2031.

Ovaj članak uključuje strukturni format za punjenje olovno-akumulatorske baterije od 12 sati koji koristi MPPT (maksimalno praćenje točke napajanja) za poboljšanje učinkovitosti punjenja za fotonaponske aplikacije.

Uvod

Najjednostavniji postupak za punjenje baterije iz sustava solarnih panela mogao bi biti priključivanje baterije ravno na solarnu ploču, no to možda nije najučinkovitija tehnika.

Pretpostavimo da solarna ploča nosi snagu od 75 W i stvara struju od 4,65 A s naponom od 16 V u normalnom ispitnom okruženju od 25 ° C temperature i 1000 W / m2 insolacije.

Olovna baterija je nominirana naponom od 12 V izravno spajanjem solarne ploče na ovu bateriju smanjila bi napon ploče na 12 V, a od ploče za punjenje moglo bi se proizvesti samo 55,8 W (12 V i 4,65 A).

Za ekonomično punjenje ovdje je najpogodniji DC / DC pretvarač.

Ovaj praktični dokument o primjeni objašnjava model koji koristi bq2031 za učinkovito punjenje.

I-V karakteristike solarne ploče

Slika 1 prikazuje standardne aspekte sustava solarnih panela. Isc je struja kratkog spoja koja prolazi kroz ploču u slučaju kratkog spoja solarne ploče.

Događa se da je to optimalna struja koja se može izvući iz solarne ploče.

Voc je napon otvorenog kruga na stezaljkama solarne ploče.

Vmp i Imp su razine napona i struje na kojima se od solarne ploče može kupiti maksimalna snaga.

Iako sunčevo svjetlo smanjuje optimalnu struju (Isc) koja se može postići, najveća struja solarne ploče također potiskuje. Slika 2 ukazuje na varijacije I-V karakteristika sa sunčevom svjetlošću.

Plava krivulja povezuje detalje maksimalne snage pri različitim vrijednostima osunčavanja

Razlog za MPPT krug je pokušaj održavanja radne razine solarne ploče na točki maksimalne snage u nekoliko sunčanih uvjeta.

Kao što je uočeno sa slike 2, napon kod kojeg se isporučuje maksimalna snaga ne mijenja se bitno sa sunčevim svjetlom.

Krug konstruiran s bq2031 koristi ovaj znak za primjenu MPPT-a u praksi.

Uključena je dodatna petlja za kontrolu struje s smanjenjem struje naboja kako se smanjuje dnevno svjetlo, kao i za održavanje napona solarne ploče oko maksimalnog napona točke snage.

MPPT punjač na bazi bq2031

Tehnički list BQ2031

Slika 3 prikazuje shemu ploče DV2031S2 s dodanom kontrolnom petljom dodane struje za provođenje MPPT-a koristeći operativno pojačalo TLC27L2.

Bq2031 zadržava struju punjenja zadržavajući napon od 250 mV pri osjetnom otporu R 20. Referentni napon od 1,565 V stvara se pomoću 5 V iz U2.

Ulazni napon uspoređuje se s referentnim naponom kako bi se dobio napon pogreške koji se može primijeniti na SNS pinu bq2031 kako bi se smanjila struja naboja.

Napon (V mp) za postizanje maksimalne snage od solarne ploče uvjetovan je upotrebom otpornika R26 i R27. V talište = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

S R 27 = 1 k Ω i R 26 = 9,2 k Ω, postiže se V mp = 16 V. TLC27L2 se interno podešava s širinom pojasa 6 kHz pri V dd = 5 V. Uglavnom zato što je širina pojasa TLC27L2 znatno ispod frekvencije prebacivanja bq2031, dodana kontrolna petlja struje nastavlja biti konstantna.

Bq2031 u ranijem krugu (slika 3) nudi optimalnu struju od 1 A.

U slučaju da solarna ploča može pružiti dovoljnu snagu za punjenje baterije na 1 A, vanjska upravljačka petlja ne nastavlja s radom.

Međutim, ako se izolacija smanji, a solarna ploča bori da isporuči dovoljno energije za punjenje baterije na 1 A, vanjska upravljačka petlja smanjuje struju naboja kako bi sačuvala ulazni napon na V mp.

Ishodi prikazani u tablici 1. potvrđuju funkcioniranje sklopa. Očitavanja napona podebljanim slovima označavaju problem kad god sekundarna upravljačka petlja minimizira struju naboja radi očuvanja ulaza pri V mp

Reference:

Texas Instruments

MPPT krug upravljačkog sklopa sinkronog preklopnog načina rada