Najlepšie 3 obvody radiča solárneho nabíjania MPPT pre efektívne nabíjanie batérie

MPPT, ako všetci vieme, sa týka sledovania bodu maximálneho výkonu, ktoré je zvyčajne spojené so solárnymi panelmi na optimalizáciu ich výstupov s maximálnou účinnosťou. V tomto príspevku sa dozvieme 3 najlepšie obvody radiča MPPT na efektívne využitie solárnej energie a nabíjanie batérie najefektívnejším spôsobom.

Kde sa používa MPPT

Optimalizovaný výstup z obvodov MPPT sa primárne používa na nabíjanie batérií s maximálnou účinnosťou z dostupného slnečného svitu.

Noví fandovia zvyčajne považujú tento koncept za ťažký a mýlia sa s mnohými parametrami spojenými s MPPT, ako je napríklad bod maximálneho výkonu, „koleno“ grafu I / V atď.

V skutočnosti nie je na tomto koncepte nič také zložité, pretože solárny panel nie je nič iné ako iba forma napájania.

Optimalizácia tohto napájacieho zdroja je nevyhnutná, pretože solárnym panelom zvyčajne chýba prúd, ale majú nadmerné napätie. Tieto neobvyklé parametre solárneho panelu majú tendenciu byť nekompatibilné so štandardnými záťažami, ako sú batérie 6V, 12V, ktoré majú vyššie hodnotenie AH a nižšie hodnotenie napätia v porovnaní s špecifikácie panelov a navyše neustále sa meniace slnečné lúče spôsobujú, že zariadenie je extrémne nekonzistentné s parametrami V a I.

A preto potrebujeme prechodné zariadenie, ako je MPPT, ktoré dokáže „porozumieť“ týmto variáciám a vyvrátiť najžiadanejší výkon z pripojeného solárneho panelu.

Možno ste to už študovali jednoduchý obvod MPPT založený na IC 555 ktorý je výhradne preskúmaný a navrhnutý mnou a poskytuje vynikajúci príklad funkčného obvodu MPPT.

Prečo MPPT

Základnou myšlienkou všetkých MPPT je zníženie alebo zníženie nadbytočného napätia z panelu podľa špecifikácií záťaže, aby sa zabezpečilo, že odpočítané množstvo napätia sa prevedie na ekvivalentné množstvo prúdu, čím sa vyrovná veľkosť I x V na vstupe. a výstup vždy až po značku ... od tohto užitočného modulu gadget nemôžeme čakať nič viac, však?

Vyššie uvedené automatické sledovanie a príslušná efektívna konverzia parametrov je implementovaná pomocou PWM sledovacie javisko a a fáza prevodníka buckov , alebo niekedy a fáza prevodníka buck-boost , aj keď solitárny prevodník buck poskytuje lepšie výsledky a je jednoduchšie ho implementovať.

Dizajn # 1: MPPT využívajúci PIC16F88 s 3-úrovňovým nabíjaním

V tomto príspevku študujeme obvod MPPT, ktorý je dosť podobný návrhu IC 555, jediným rozdielom je použitie mikrokontroléra PIC16F88 a vylepšeného 3-úrovňového nabíjacieho obvodu.

Krok za krokom pracovné podrobnosti

Základné funkcie jednotlivých stupňov možno pochopiť pomocou nasledujúceho popisu:

1) Výstup panelu je sledovaný extrakciou niekoľkých informácií z neho prostredníctvom združených sietí potenciálnych deličov.

2) Jeden operačný zosilňovač z IC2 je nakonfigurovaný ako sledovač napätia a sleduje okamžitý výstup napätia z panelu cez delič potenciálov na jeho kolíku 3 a dodáva informácie príslušnému snímaciemu kolíku PIC.

3) Druhý operačný zosilňovač z IC2 je zodpovedný za sledovanie a sledovanie meniaceho sa prúdu z panela a napája ho iným vstupom snímania PIC.

4) Tieto dva vstupy interne spracováva MCU na vývoj zodpovedajúco prispôsobeného PWM pre fázový prevodník buck spojený s jeho pinom # 9.

5) PWM z PIC je vyrovnaný Q2, Q3 pre bezpečné spustenie spínaného P-mosfetu. Pridružená dióda chráni bránu mosfetu pred nadmernými nárazmi.

6) MOSFET prepína v súlade so spínacími PWM a moduluje fázový prevodník tvorený induktorom L1 a D2.

7) Vyššie uvedené postupy vytvárajú najvhodnejší výstup z prevodníka buck, ktorý má nižšie napätie podľa batérie, ale je bohatý na prúd.

8) Výstup z dolára je neustále vylepšovaný a vhodne upravovaný IC s ohľadom na odoslané informácie od dvoch operátorov spojených so solárnym panelom.

9) Okrem vyššie uvedenej regulácie MPPT je PIC tiež naprogramovaný na sledovanie nabíjania batérie prostredníctvom 3 samostatných úrovní, ktoré sa zvyčajne označujú ako hromadný režim, absorpčný režim, plavákový režim.

10) MCU „sleduje“ zvyšujúce sa napätie batérie a podľa toho upravuje buckový prúd tak, aby udržiaval správne úrovne ampérov počas 3 úrovní nabíjania. Robí sa to v spojení s ovládacím prvkom MPPT, čo je ako zvládnuť dve situácie naraz a dosiahnuť tak pre batériu najpriaznivejšie výsledky.

11) Samotný PIC je napájaný presne regulovaným napätím na svojom vývode Vdd cez IC TL499, na zaistenie rovnakého výsledku je možné tu vymeniť akýkoľvek iný vhodný regulátor napätia.

12) Termistor je možné vidieť aj v prevedení, ktoré môže byť voliteľné, ale je možné ho efektívne nakonfigurovať na sledovanie teploty batérie a prenos informácií do PIC, ktorý bez námahy spracuje tieto tretie informácie na prispôsobenie výstupného napätia a zaistí, že teplota batérie nikdy nestúpa nad nebezpečnú úroveň.

13) LED indikátory spojené s PIC indikujú rôzne stavy nabíjania batérie, čo umožňuje užívateľovi získať aktuálne informácie o stave nabíjania batérie počas celého dňa.

14) Navrhovaný obvod MPPT využívajúci PIC16F88 s 3-úrovňovým nabíjaním podporuje nabíjanie batérií 12 V a 24 V bez akejkoľvek zmeny obvodu, s výnimkou hodnôt uvedených v zátvorkách a nastavenia VR3, ktoré je potrebné upraviť tak, aby umožňovali výstup 14,4 V na začiatku pre 12V batériu a 29V pre 24V batériu.

Programovací kód je možné stiahnuť tu

Dizajn # 2: Synchrónny spínaný radič batérie MPPT

Druhý dizajn je založený na zariadení bq24650, ktoré obsahuje pokročilý vstavaný radič nabíjania batérie synchrónneho spínaného režimu MPPT. Ponúka vysokú úroveň regulácie vstupného napätia, ktorá zabraňuje nabíjaciemu prúdu do batérie vždy, keď vstupné napätie klesne pod stanovenú hodnotu. Uč sa viac:

Kedykoľvek je vstup pripojený k solárnemu panelu, slučka stabilizácie napájania stiahne nabíjací zosilňovač, aby sa zabezpečilo, že solárny panel dokáže produkovať maximálny výkon.

Ako funguje IC BQ24650

Model bq24650 sľubuje poskytnutie synchrónneho PWIVI regulátora s konštantnou frekvenciou s optimálnou úrovňou presnosti so stabilizáciou prúdu a napätia, predbežným kondicionovaním nabíjania, prerušením nabíjania a kontrolou úrovne nabíjania.

Čip nabíja batériu v 3 samostatných úrovniach: predkondicionovanie, konštantný prúd a konštantné napätie.

Nabíjanie sa preruší, akonáhle sa úroveň zosilňovača priblíži k 1/10 rýchlosti rýchleho nabíjania. Časovač predbežného nabitia je nastavený na 30 minút.

Model bq2465O bez manuálneho zásahu reštartuje postup nabíjania v prípade, že sa napätie batérie vráti pod interne nastavený limit alebo dosiahne minimálny kľudový režim zosilňovača, zatiaľ čo vstupné napätie klesne pod napätie batérie.

Zariadenie je určené na nabíjanie batérie od 2,1 V do 26 V s VFB interne pripevneným na spätnoväzbový bod 2,1 V. Špecifikácia nabíjacieho zosilňovača je prednastavená interne stanovením dobre spárovaného snímacieho odporu.

Model bq24650 je možné zaobstarať pomocou 16-pinového, 3,5 x 3,5 mm ^ 2 tenkého QFN príslušenstva.

Schéma zapojenia

Datasheet bq24650

REGULÁCIA NAPÄTIA BATÉRIE

Model bq24650 využíva na rozhodovanie o nabíjacom napätí mimoriadne presný regulátor napätia. Nabíjacie napätie je prednastavené pomocou odporového deliča od batérie k zemi, pričom stredný bod je pripojený k kolíku VFB.

Napätie na kolíku VFB je upnuté na referenčnú hodnotu 2,1 V. Táto referenčná hodnota sa používa v nasledujúcom vzorci na určenie požadovanej úrovne regulovaného napätia:

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

kde R2 je pripojený z VFB na batériu a R1 je pripojený z VFB na GND. Li-Ion, LiFePO4, ako aj SMF olovené batérie sú ideálne podporované chemikálie pre batérie.

Väčšinu z nadstavených lítium-iónových článkov je možné teraz účinne nabíjať až do 4,2 V / článok. Batéria LiFePO4 podporuje proces podstatne vyšších cyklov nabíjania a vybíjania, ale nevýhodou je, že hustota energie nie je príliš dobrá. Rozpoznané napätie článku je 3,6V.

Profil nabíjania dvoch článkov Li-Ion a LiFePO4 je predkondicionovanie, konštantný prúd a konštantné napätie. Pre efektívnu životnosť nabíjania / vybíjania môže byť limit napätia na konci nabíjania pravdepodobne znížený na 4,1 V / článok, avšak jeho energetická hustota by sa mohla stať oveľa nižšia v porovnaní s chemickou špecifikáciou na báze Li, byť oveľa výhodnejšou batériou kvôli zníženým výrobným nákladom a rýchlym vybíjacím cyklom.

Spoločný prah napätia je od 2,3 V do 2,45 V. Po úplnom dobití batérie sa stáva povinným float alebo udržiavacie nabitie, aby sa dosiahlo samovybíjanie. Prahová hodnota udržovacieho nabíjania je 100 mV - 200 mV pod bodom konštantného napätia.

REGULÁCIA VSTUPNÉHO NAPÄTIA

Solárny panel môže mať exkluzívnu úroveň na krivke V-I alebo V-P, ľudovo nazývanú bod maximálneho výkonu (MPP), pričom celý fotovoltaický (FV) systém sa spolieha na optimálnu účinnosť a generuje požadovaný maximálny výstupný výkon.

Algoritmus konštantného napätia je najjednoduchšou voľbou sledovania maximálneho bodu výkonu (MPPT). Model bq2465O automaticky vypne nabíjací zosilňovač tak, aby bol aktivovaný bod maximálneho výkonu, ktorý zaisťuje maximálnu účinnosť.

Stav ON

Čip bq2465O obsahuje komparátor „SLEEP“ na identifikáciu prostriedkov napájacieho napätia na kolíku VCC, pretože VCC môže byť ukončený z batérie alebo externej jednotky adaptéra AC / DC.

Ak je napätie VCC významnejšie ako napätie SRN a sú splnené ďalšie kritériá postupu nabíjania, zariadenie bq2465O sa následne začne pokúšať nabiť pripojenú batériu (ďalšie informácie nájdete v časti Povolenie a zakázanie nabíjania).

Ak je napätie SRN vyššie oproti VCC, čo symbolizuje, že batéria je zdrojom, z ktorého sa získava energia, je bq2465O aktivovaný pre nižší kľudový prúd (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Ak je VCC pod limitom UVLO, IC sa preruší a potom sa VREF LDO vypne.

POVOLIŤ A ZAKÁZAŤ NABÍJANIE

Pred inicializáciou procesu nabíjania navrhovaného obvodu regulátora nabíjania synchrónneho spínaného režimu nabíjania batérie MPPT je potrebné zabezpečiť nasledujúce príslušné aspekty:

• Proces nabíjania je povolený (MPPSET> 175mV)

• Jednotka nie je vo funkcii blokovania podpätia (UVLO) a VCC je nad limitom VCCLOWV

• IC nie je vo funkcii SLEEP (tj. VCC> SRN)

• Napätie VCC je pod medznou hodnotou prepätia AC (VCC

• Časový odstup 30 ms je splnený po prvom zapnutí

• Napätia REGN LDO a VREF LDO sú zafixované v určených bodoch spojenia

• Funkcia Thermal Shut (TSHUT) nie je inicializovaná - chyba TS nie je identifikovaná. Ktorýkoľvek z nasledujúcich technických problémov môže brániť ďalšiemu nabíjaniu batérie:

• Nabíjanie je deaktivované (MPPSET<75mV)

• Vstup adaptéra je odpojený, čo vyprovokuje IC k vstupu do funkcie VCCLOWV alebo SLEEP

• Vstupné napätie adaptéra je pod 100mV nad značkou batérie

• Adaptér je dimenzovaný na vyššie napätie

• Napätie REGN alebo VREF LDO nie je podľa špecifikácie

• Je identifikovaný limit tepla TSHUT IC • Napätie TS sa pohybuje mimo stanoveného rozsahu, čo môže naznačovať, že teplota batérie je extrémne vysoká alebo alternatívne oveľa chladnejšia

Vstavaný SOFT-START NABÍJAČKOVÝ AKTUÁL s vlastným spustením

Nabíjačka sama o sebe mäkko spustí prúd regulácie výkonu nabíjačky zakaždým, keď sa nabíjačka presunie do rýchleho nabíjania, aby sa zistilo, že na externe pripojených kondenzátoroch alebo výkonovom meniči nedochádza k absolútne žiadnemu prekročeniu alebo namáhaniu.

Mäkký štart je vybavený stupňovaním zosilňovača stabilizácie signálu na osem rovnomerne vykonaných operačných krokov vedľa vopred nastavenej úrovne nabíjacieho prúdu. Všetky priradené kroky pokračujú približne 1,6 ms, po stanovenú dobu Up 13ms. Na umožnenie diskutovanej prevádzkovej funkcie sa nevyžaduje ani jedna externá časť.

PREVÁDZKA PREVÁDZAČA

Synchrónny dolárový PWM prevodník využíva vopred určený režim frekvenčného napätia so stratégiou riadenia feed-forvvard.

Konfigurácia kompenzácie verzie III umožňuje systému zabudovať keramické kondenzátory do koncového stupňa prevodníka. Stupeň kompenzácie je interne združený medzi spätnoväzbovým výstupom (FBO) a vstupom chybového zosilňovača (EAI).

Stupeň kompenzácie spätnej väzby je upravený medzi vstupom chybového zosilňovača (EAI) a výstupom chybového zosilňovača (EAO). Je potrebné určiť stupeň LC výstupného filtra, aby bolo možné rezonančnú frekvenciu okolo 12 kHz - 17 kHz pre zariadenie, pre ktoré je rezonančná frekvencia fo formulovaná ako:

fo = 1/2 √ oLoCo

Integrovaná rampa píliaceho zuba môže porovnávať interný vstup riadenia chýb EAO s cieľom zmeniť pracovný cyklus prevodníka.

Amplitúda rampy je 7% napätia vstupného adaptéra, čo umožňuje, aby bola trvale a úplne úmerná vstupnému napájaniu napätia adaptéra.

Toto zruší všetky zmeny v zosilnení slučky z dôvodu zmeny vstupného napätia a zjednoduší postupy kompenzácie slučky. Rampa je vyvážená o 300 mV, takže je dosiahnuté nulové percento prevádzkového cyklu, keď je signál EAO pod rampou.

Signál EAO je rovnako spôsobilý prekonať signál rampy s pílením zuba s cieľom dosiahnuť 100% požiadavku na cyklický PWM.

Vstavaný logika pohonu brány umožňuje dosiahnuť 99,98% pracovný cyklus súčasne a potvrdzuje, že horné zariadenie s kanálom N neustále prenáša toľko napätia, koľko je potrebné, aby bolo vždy 100% zapnuté.

V prípade, že napätie kolíka BTST na kolíku PH klesne pod 4,2 V po dobu dlhšiu ako tri intervaly, v takom prípade je výkonový MOSFET na vysokej strane n-kanála I vypnutý, zatiaľ čo n-kanál na nízkej strane | sa spustí výkonový MOSFET, aby sa PH uzol stiahol a nabil sa kondenzátor BTST.

Potom sa vodič na vysokej strane normalizuje na 100% -nú procedúru pracovného cyklu, kým sa neobjaví, že napätie (BTST-PH) opäť klesne na nízku úroveň z dôvodu odtokového prúdu, ktorý vyčerpáva kondenzátor BTST pod 4,2 V, ako aj resetovacieho impulzu. znovu vydané.

Vopred určený frekvenčný oscilátor udržiava prísny príkaz nad spínacou frekvenciou za väčšiny okolností vstupného napätia, napätia batérie, nabíjacieho prúdu a teploty, čím zjednodušuje usporiadanie výstupného filtra a udržuje ho mimo stavu počuteľných porúch.

Dizajn # 3: Obvod rýchlej nabíjačky MPPT

Tretí najlepší návrh MPPT v našom zozname vysvetľuje jednoduchý obvod nabíjačky MPPT pomocou IC bq2031 z TEXAS INSTRUMENTS, ktorá je najvhodnejšia na rýchle a relatívne rýchle nabíjanie olovených batérií s vysokým Ah

Abstrakt

Tento článok o praktickej aplikácii je určený pre jednotlivcov, ktorí môžu vyvíjať olovené nabíjačky batérií na báze MPPT pomocou nabíjačky batérií bq2031.

Tento článok obsahuje štrukturálny formát pre nabíjanie olovených batérií s rýchlosťou 12 A využívajúcich MPPT (sledovanie maximálneho bodu napájania) na zlepšenie efektívnosti nabíjania pre fotovoltaické aplikácie.

Úvod

Najjednoduchším spôsobom nabíjania batérie zo systémov so solárnymi panelmi by mohlo byť pripojenie batérie priamo k solárnemu panelu, čo však nemusí byť najefektívnejšia technika.

Predpokladajme, že solárny panel má výkon 75 W a generuje prúd 4,65 A s napätím 16 V pri normálnom testovacom prostredí s teplotou 25 ° C a slnečným žiarením 1 000 W / m2.

Olovená batéria je dimenzovaná na napätie 12 V, ktoré by priamym pripojením solárneho panelu k tejto batérii znížilo napätie panelu na 12 V a z panelu by bolo možné na nabíjanie vyrobiť iba 55,8 W (12 V a 4,65 A).

Pre ekonomické nabíjanie tu môže byť najvhodnejší prevodník DC / DC.

Tento praktický aplikačný dokument vysvetľuje model, ktorý využíva bq2031 na efektívne nabíjanie.

I-V charakteristiky solárnych panelov

Obrázok 1 zobrazuje štandardné aspekty systémov solárnych panelov. Isc je skratový prúd, ktorý preteká panelom v prípade skratu solárneho panelu.

Stáva sa to optimálny prúd, ktorý je možné extrahovať zo solárneho panelu.

Voc je napätie naprázdno na svorkách solárneho panelu.

Vmp a Imp sú úrovne napätia a prúdu, pri ktorých je možné zo solárneho panelu získať maximálny výkon.

Zatiaľ čo slnečné žiarenie znižuje optimálny prúd, ktorý je možné dosiahnuť, najvyšší prúd zo solárneho panelu tiež potláča. Obrázok 2 ukazuje variáciu I-V charakteristík so slnečným svetlom.

Modrá krivka spája podrobnosti maximálneho výkonu pri rôznych hodnotách slnečného žiarenia

Dôvodom pre obvod MPPT je pokus o udržanie pracovnej úrovne solárneho panelu na bode maximálneho výkonu za niekoľkých slnečných podmienok.

Ako je zrejmé z obrázku 2, napätie, pri ktorom sa dodáva maximálny výkon, sa so slnečným žiarením veľmi nemení.

Obvod skonštruovaný s bq2031 využíva tento znak na zavedenie MPPT do praxe.

Je zahrnutá ďalšia prúdová regulačná slučka so znížením nabíjacieho prúdu so znižovaním denného svetla a s udržaním napätia solárneho panelu okolo maximálneho napätia v napájacom bode.

Nabíjačka MPPT založená na bq2031

Datasheet BQ2031

Obrázok 3 zobrazuje schému dosky DV2031S2 s pridanou pridanou prúdovou riadiacou slučkou na vykonávanie MPPT s využitím operačného zosilňovača TLC27L2.

Bq2031 udržuje nabíjací prúd udržiavaním napätia 250 mV na snímacom odpore R 20. Referenčné napätie 1,565 V sa vytvorí použitím 5 V z U2.

Vstupné napätie sa porovnáva s referenčným napätím, aby sa vytvorilo chybové napätie, ktoré by sa mohlo implementovať do kolíka SNS bq2031 na zníženie nabíjacieho prúdu.

Napätie (V mp), pri ktorom je možné zo solárneho panelu získať maximálny výkon, je upravené pomocou odporov R26 a R27. V mp = 1,565 (R26 + R27) / R27.

Pri R 27 = 1 k Ω a R 26 = 9,2 k Ω sa dosiahne V mp = 16 V. TLC27L2 je vnútorne upravená so šírkou pásma 6 kHz pri V dd = 5 V. Najmä preto, že šírka pásma TLC27L2 je výrazne pod spínacou frekvenciou bq2031, je riadiaca slučka s pridaným prúdom stále konštantná.

Bq2031 v predchádzajúcom obvode (obrázok 3) ponúka optimálny prúd 1 A.

V prípade, že solárny panel dokáže poskytnúť dostatočnú energiu na nabitie batérie pri 1 A, vonkajšia riadiaca slučka nebude pokračovať v činnosti.

Ak sa však izolácia zníži a solárny panel sa bude snažiť dodať dostatok energie na nabitie batérie pri 1 A, vonkajšia riadiaca slučka zníži nabíjací prúd, aby sa zachovalo vstupné napätie pri V mp.

Výsledky uvedené v tabuľke 1 potvrdzujú funkčnosť obvodu. Hodnoty napätia zobrazené tučným písmom znamenajú problém vždy, keď sekundárna riadiaca slučka minimalizuje nabíjací prúd na zachovanie vstupu pri V mp

Referencie:

Texas Instruments

Obvod ovládača nabíjania batérie synchrónneho spínaného režimu MPPT