Лучшие 3 схемы контроллера заряда от солнечной батареи MPPT для эффективной зарядки аккумулятора

MPPT, как мы все знаем, относится к отслеживанию точки максимальной мощности, которое обычно связано с солнечными панелями для оптимизации их производительности с максимальной эффективностью. В этом посте мы узнаем о 3 лучших схемах контроллера MPPT для эффективного использования солнечной энергии и зарядки аккумулятора наиболее эффективным способом.

Где используется MPPT

Оптимизированный выход из цепей MPPT в основном используется для зарядки аккумуляторов с максимальной эффективностью от доступного солнечного света.

Новые любители обычно находят эту концепцию сложной и путаются со многими параметрами, связанными с MPPT, такими как точка максимальной мощности, 'колено' графика I / V и Т. Д.

На самом деле в этой концепции нет ничего более сложного, потому что солнечная панель - это не что иное, как форма источника питания.

Оптимизация этого источника питания становится необходимой, потому что обычно солнечные панели не имеют тока, но обладают избыточным напряжением, эти ненормальные характеристики солнечной панели имеют тенденцию становиться несовместимыми со стандартными нагрузками, такими как батареи 6 В, 12 В, которые имеют более высокий рейтинг AH и более низкое напряжение по сравнению с Спецификации панели и, кроме того, постоянно меняющийся солнечный свет делает устройство крайне несовместимым с его параметрами V и I.

И именно поэтому нам требуется промежуточное устройство, такое как MPPT, которое может «понимать» эти вариации и выдавать наиболее желаемый результат от подключенной солнечной панели.

Возможно, вы уже изучили это простая схема MPPT на базе IC 555 который специально разработан и исследован мной и представляет собой отличный пример работающей схемы MPPT.

Почему MPPT

Основная идея, лежащая в основе всех MPPT, состоит в том, чтобы понизить или урезать избыточное напряжение на панели в соответствии со спецификациями нагрузки, убедившись, что вычитаемое количество напряжения преобразуется в эквивалентное количество тока, таким образом уравновешивая величину I x V на входе и результат всегда на высоте ... мы не можем ожидать ничего большего от этого полезного устройства, не так ли?

Вышеупомянутое автоматическое отслеживание и соответствующее преобразование параметров эффективно реализовано с использованием ШИМ этап трекера и понижающий преобразователь ступени , а иногда и ступень понижающего преобразователя , хотя одиночный понижающий преобразователь дает лучшие результаты и его проще реализовать.

Дизайн №1: MPPT с использованием PIC16F88 с 3-уровневой зарядкой

В этом посте мы изучаем схему MPPT, которая очень похожа на конструкцию IC 555, с той лишь разницей, что используется микроконтроллер PIC16F88 и усовершенствованная трехуровневая схема зарядки.

Пошаговые рабочие детали

Основные функции различных этапов можно понять с помощью следующего описания:

1) Вывод панели отслеживается путем извлечения из него некоторой информации через соответствующие сети потенциальных делителей.

2) Один операционный усилитель от IC2 сконфигурирован как повторитель напряжения, он отслеживает мгновенное выходное напряжение с панели через делитель потенциала на своем выводе 3 и передает информацию на соответствующий измерительный вывод PIC.

3) Второй операционный усилитель от IC2 становится ответственным за отслеживание и мониторинг переменного тока с панели и подает его на другой вход считывания PIC.

4) Эти два входа обрабатываются внутри микроконтроллера для разработки соответственно настроенной ШИМ для ступени понижающего преобразователя, связанной с его выводом №9.

5) Вывод PWM из PIC буферизируется Q2, Q3 для безопасного запуска переключающего P-mosfet. Соответствующий диод защищает затвор МОП-транзистора от перенапряжений.

6) МОП-транзистор переключается в соответствии с переключениями ШИМ и модулирует ступень понижающего преобразователя, образованную катушками индуктивности L1 и D2.

7) Вышеупомянутые процедуры обеспечивают наиболее подходящий выходной сигнал понижающего преобразователя, который имеет более низкое напряжение, чем у батареи, но богатый током.

8) Выходной сигнал понижающего преобразователя постоянно настраивается и соответствующим образом регулируется IC в соответствии с отправленной информацией от двух операционных усилителей, связанных с солнечной панелью.

9) В дополнение к вышеупомянутому правилу MPPT, PIC также запрограммирован на мониторинг зарядки аккумулятора с помощью 3 дискретных уровней, которые обычно определяются как объемный режим, режим абсорбции, режим поплавка.

10) MCU «следит» за возрастающим напряжением батареи и регулирует понижающий ток, соответственно, поддерживая правильные уровни в амперах во время 3-х уровней процедуры зарядки. Это выполняется в сочетании с элементом управления MPPT, что похоже на обработку двух ситуаций одновременно для получения наиболее благоприятных результатов для батареи.

11) Сама PIC снабжается прецизионно регулируемым напряжением на его выводе Vdd через IC TL499, здесь можно заменить любой другой подходящий стабилизатор напряжения для его воспроизведения.

12) Термистор также можно увидеть в конструкции, он может быть необязательным, но может быть эффективно настроен для мониторинга температуры батареи и передачи информации в PIC, который без особых усилий обрабатывает эту третью информацию для настройки выходного сигнала понижающего преобразователя, гарантируя, что температура батареи никогда не поднимается выше опасного уровня.

13) Светодиодные индикаторы, связанные с PIC, показывают различные состояния зарядки аккумулятора, что позволяет пользователю получать актуальную информацию о состоянии зарядки аккумулятора в течение дня.

14) Предлагаемая схема MPPT с использованием PIC16F88 с 3-уровневой зарядкой поддерживает зарядку аккумулятора 12 В, а также зарядку аккумулятора 24 В без каких-либо изменений в схеме, за исключением значений, показанных в скобках, и настройки VR3, которую необходимо отрегулировать, чтобы выход был 14,4 В в начале для батареи 12 В и 29 В для батареи 24 В.

Программный код можно скачать здесь

Конструкция № 2: Контроллер батареи MPPT с синхронным переключением режимов

Вторая конструкция основана на устройстве bq24650, которое включает усовершенствованный встроенный контроллер заряда аккумулятора с синхронным переключением MPPT. Он предлагает высокий уровень регулирования входного напряжения, что предотвращает зарядный ток аккумулятора каждый раз, когда входное напряжение падает ниже указанного значения. Узнать больше:

Всякий раз, когда к входу подключена солнечная панель, контур стабилизации питания опускает усилитель зарядки, чтобы солнечная панель могла производить максимальную выходную мощность.

Как работает IC BQ24650

Bq24650 обещает обеспечить синхронный контроллер PWIVI с постоянной частотой с оптимальным уровнем точности со стабилизацией тока и напряжения, предварительной подготовкой заряда, отключением заряда и проверкой уровня заряда.

Микросхема заряжает аккумулятор на трех дискретных уровнях: предварительное кондиционирование, постоянный ток и постоянное напряжение.

Зарядка отключается, как только уровень тока приближается к 1/10 скорости быстрой зарядки. Таймер предварительной зарядки установлен на 30 минут.

Bq2465O без ручного вмешательства перезапускает процедуру зарядки в случае, если напряжение батареи возвращается ниже установленного внутри предела или достигает минимального режима ожидания в режиме ожидания, в то время как входное напряжение падает ниже напряжения батареи.

Устройство предназначено для зарядки аккумулятора от 2,1 В до 26 В с внутренним VFB, привязанным к точке обратной связи 2,1 В. Технические характеристики зарядного усилителя задаются внутри путем установки хорошо подобранного чувствительного резистора.

BQ24650 может поставляться с опцией QFN с 16 выводами, 3,5 x 3,5 мм ^ 2.

Принципиальная электрическая схема

Лист данных bq24650

РЕГУЛИРОВКА НАПРЯЖЕНИЯ АККУМУЛЯТОРА

Bq24650 использует чрезвычайно точный регулятор напряжения для определения зарядного напряжения. Напряжение зарядки предварительно устанавливается с помощью резистивного делителя между батареей и землей, при этом средняя точка подключается к выводу VFB.

Напряжение на выводе VFB ограничено опорным значением 2,1 В. Это опорное значение используется в следующей формуле для определения желательного уровня регулируемого напряжения:

V (batt) = 2,1 В x [1 + R2 / R1]

где R2 подключен от VFB к батарее, а R1 подключен от VFB к GND. Литий-ионные, LiFePO4, а также свинцово-кислотные аккумуляторы SMF идеально подходят для аккумуляторов.

Большинство имеющихся литий-ионных аккумуляторов теперь можно эффективно заряжать до 4,2 В на элемент. Аккумулятор LiFePO4 поддерживает процесс значительно более высоких циклов зарядки и разрядки, но недостатком является то, что плотность энергии не слишком хороша. Распознанное напряжение ячейки составляет 3,6 В.

Профиль заряда двух ячеек Li-Ion и LiFePO4 - это предварительная подготовка, постоянный ток и постоянное напряжение. Для эффективного срока службы заряда / разряда предел напряжения в конце заряда может быть снижен до 4,1 В / элемент, однако его плотность энергии может стать намного ниже по сравнению с химической спецификацией на основе лития, свинцово-кислотная быть предпочтительным аккумулятором из-за его низких производственных затрат, а также быстрых циклов разряда.

Обычный порог напряжения составляет от 2,3 В до 2,45 В. После того, как батарея полностью заряжена, требуется постоянный или непрерывный заряд для компенсации саморазряда. Порог капельного заряда составляет 100-200 мВ ниже точки постоянного напряжения.

РЕГУЛИРОВКА ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Солнечная панель может иметь исключительный уровень на кривой V-I или V-P, широко известный как точка максимальной мощности (MPP), в которой полная фотоэлектрическая (PV) система работает с оптимальной эффективностью и генерирует требуемую максимальную выходную мощность.

Алгоритм постоянного напряжения - это самый простой из доступных вариантов отслеживания точки максимальной мощности (MPPT). Bq2465O автоматически отключает зарядный усилитель, чтобы включить точку максимальной мощности для достижения максимальной эффективности.

Состояние включения

Микросхема bq2465O включает в себя компаратор «SLEEP» для определения средств подачи напряжения на выводе VCC, поскольку VCC может быть отключен как от батареи, так и от внешнего адаптера переменного / постоянного тока.

Если напряжение VCC превышает напряжение SRN и выполняются дополнительные критерии для процедур зарядки, bq2465O впоследствии начинает попытки зарядить подключенную батарею (см. Раздел «Включение и отключение зарядки»).

Если напряжение SRN выше по сравнению с VCC, что означает, что аккумулятор является источником питания, bq2465O включен для более низкого тока покоя (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Если VCC ниже предела UVLO, IC отключается, после чего VREF LDO отключается.

ВКЛЮЧЕНИЕ И ОТКЛЮЧЕНИЕ ЗАРЯДКИ

Перед инициализацией процесса зарядки предлагаемой схемы контроллера заряда батареи с синхронным переключателем MPPT необходимо обеспечить следующие аспекты:

• Процесс зарядки включен (MPPSET> 175 мВ)

• Устройство не находится в режиме блокировки при пониженном напряжении (UVLO), а VCC превышает предел VCCLOWV.

• IC не находится в режиме SLEEP (т.е. VCC> SRN)

• Напряжение VCC ниже предела перенапряжения переменного тока (VCC

• Промежуток времени 30 мс выполняется после первого включения

• Напряжения REGN LDO и VREF LDO фиксированы в указанных точках

• Термическое отключение (TSHUT) не инициализировано - неисправность TS не определяется. Любая из следующих технических проблем может помешать продолжающейся зарядке аккумулятора:

• Зарядка отключена (MPPSET<75mV)

• Вход адаптера отключен, что провоцирует переход ИС в режим VCCLOWV или SLEEP.

• Входное напряжение адаптера ниже 100 мВ выше отметки батареи.

• Адаптер рассчитан на более высокое напряжение

• Напряжение REGN или VREF LDO не соответствует спецификации

• Определен предел теплоты TSHUT IC • Напряжение TS выходит за пределы указанного диапазона, что может указывать на то, что температура батареи очень высокая или, как альтернатива, намного ниже

СИНХРОНИЗАЦИЯ ВСТРОЕННОГО ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА

Зарядное устройство само по себе плавно запускает ток регулирования мощности зарядного устройства каждый раз, когда зарядное устройство переходит в режим быстрой зарядки, чтобы убедиться, что нет абсолютно никаких перерегулирований или стрессовых условий для подключенных извне конденсаторов или преобразователя мощности.

Плавный старт включает в себя повышение изменяющегося стабилизирующего усилителя на восемь равномерно выполняемых рабочих шагов рядом с заранее заданным уровнем тока зарядки. Все назначенные шаги продолжаются около 1,6 мс в течение указанного периода Up в 13 мс. Для включения обсуждаемой операционной функции не требуется никаких внешних частей.

РАБОТА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Синхронный понижающий преобразователь PWM использует режим заданной частоты напряжения со стратегией управления с прямой связью.

Конфигурация компенсации версии III позволяет системе включать керамические конденсаторы в выходной каскад преобразователя. Входной каскад компенсации внутренне связан между выходом обратной связи (FBO) и входом усилителя ошибки (EAI).

Каскад компенсации обратной связи установлен между входом усилителя ошибки (EAI) и выходом усилителя ошибки (EAO). Каскад выходного LC-фильтра должен быть определен так, чтобы обеспечить резонансную частоту около 12 кГц - 17 кГц для устройства, для которого резонансная частота fo формулируется как:

fo = 1/2 √ oLoCo

Интегрированная пилообразная рампа позволяет сравнивать входные данные внутреннего контроля ошибок EAO для изменения рабочего цикла преобразователя.

Амплитуда линейного изменения составляет 7% от входного напряжения адаптера, что позволяет постоянно и полностью пропорционально входному напряжению адаптера.

Это отменяет любые изменения усиления контура из-за изменения входного напряжения и упрощает процедуры компенсации контура. Рампа уравновешивается на 300 мВ, так что рабочий цикл равен нулю процентов, когда сигнал EAO ниже рампы.

Сигнал EAO также имеет квалификацию, превосходящую по численности сигнал пилообразного нарастания, с целью достижения 100% -го требования ШИМ рабочего цикла.

Встроенный логика привода ворот позволяет достичь рабочего цикла 99,98%, в то же время подтверждая, что верхнее устройство N-канала постоянно передает столько, сколько необходимо, чтобы всегда быть на 100% включенным.

В случае, если напряжение между контактами BTST и PH снижается ниже 4,2 В в течение более трех интервалов, в этом случае полевой МОП-транзистор n-канала верхнего плеча отключается, а n-канал нижнего уровня | Power MOSFET запускается, чтобы опустить узел PH и зарядить конденсатор BTST.

После этого драйвер верхнего плеча нормализуется до 100% процедуры рабочего цикла до тех пор, пока напряжение (BTST-PH) не станет снова снижаться до низкого уровня из-за истощающего тока утечки конденсатора BTST ниже 4,2 В, а также импульса сброса. переиздан.

Генератор заданной частоты поддерживает жесткое управление частотой переключения при большинстве обстоятельств входного напряжения, напряжения батареи, тока заряда и температуры, упрощая схему выходного фильтра и удерживая его вдали от состояния звуковых помех.

Конструкция № 3: Схема быстрой зарядки MPPT

Третий лучший дизайн MPPT в нашем списке объясняет простую схему зарядного устройства MPPT с использованием IC bq2031 от ИНСТРУМЕНТЫ ТЕХАСА, который лучше всего подходит для быстрой и относительно быстрой зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов с высоким Ач

Абстрактный

Эта статья по практическому применению предназначена для людей, которые могут разрабатывать зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов на основе MPPT с помощью зарядного устройства bq2031.

Эта статья включает структурный формат для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов емкостью 12 А-ч с использованием MPPT (отслеживание максимальной мощности) для повышения эффективности зарядки для фотоэлектрических приложений.

Вступление

Самой простой процедурой зарядки аккумулятора от систем солнечных панелей может быть подключение аккумулятора прямо к солнечной панели, однако это не самый эффективный метод.

Предположим, что солнечная панель имеет номинальную мощность 75 Вт и генерирует ток 4,65 А с напряжением 16 В при нормальной температуре окружающей среды 25 ° C и инсоляции 1000 Вт / м2.

Свинцово-кислотная батарея рассчитана на напряжение 12 В, прямое подключение солнечной панели к этой батарее снизит напряжение панели до 12 В, и панель может вырабатывать только 55,8 Вт (12 В и 4,65 А) для зарядки.

Преобразователь постоянного тока в постоянный может быть наиболее подходящим для экономичной зарядки.

В этом практическом документе описывается модель, в которой для эффективной зарядки используется bq2031.

I-V характеристики солнечной панели

На рисунке 1 показаны стандартные аспекты систем солнечных панелей. Isc - это ток короткого замыкания, который протекает через панель в случае короткого замыкания солнечной панели.

Это оптимальный ток, который может быть извлечен из солнечной панели.

Voc - это напряжение холостого хода на выводах солнечной панели.

Vmp и Imp - это уровни напряжения и тока, при которых максимальная мощность может быть приобретена от солнечной панели.

В то время как солнечный свет снижает оптимальный ток (Isc), который может быть достигнут, самый высокий ток от солнечной панели также подавляется. На рисунке 2 показано изменение ВАХ в зависимости от солнечного света.

Синяя кривая связывает детали максимальной мощности при различных значениях инсоляции.

Причина использования схемы MPPT состоит в том, чтобы попытаться поддерживать рабочий уровень солнечной панели на максимальной мощности в нескольких условиях солнечного света.

Как видно из рисунка 2, напряжение, при котором передается максимальная мощность, не сильно меняется в зависимости от солнечного света.

Схема, созданная с помощью bq2031, использует этот символ для реализации MPPT.

Дополнительный контур управления током включен для уменьшения тока заряда по мере уменьшения дневного света, а также для поддержания напряжения солнечной панели около максимального напряжения точки питания.

Зарядное устройство MPPT на базе bq2031

Лист данных BQ2031

На рис. 3 показана схема платы DV2031S2 с добавленным контуром регулирования тока, добавленным для выполнения MPPT с использованием операционного усилителя TLC27L2.

Bq2031 держит зарядный ток, сохраняя напряжение 250 мВ в смысле сопротивления R 20. опорного напряжения 1.565 V создается с использованием 5 V от U2.

Входное напряжение сравнивается с опорным напряжением для получения напряжения ошибки, которое может быть реализовано на выводе SNS bq2031 для уменьшения тока заряда.

Напряжение (V mp), при котором максимальная мощность может быть получена от солнечной панели, регулируется с помощью резисторов R26 и R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

При R 27 = 1 кОм и R 26 = 9,2 кОм достигается V mp = 16 В. TLC27L2 внутренне настроен на полосу пропускания 6 кГц при V dd = 5 В. В основном из-за того, что полоса пропускания TLC27L2 значительно ниже частоты переключения bq2031, добавленный контур регулирования тока продолжает оставаться постоянным.

Bq2031 в более ранней схеме (рисунок 3) обеспечивает оптимальный ток 1 А.

В случае, если панель солнечной энергии может обеспечить достаточную мощность для зарядки аккумулятора на ток 1 А, внешний контур управления не работает.

Однако, если изоляция ухудшается и солнечная панель изо всех сил пытается доставить достаточно энергии для зарядки аккумулятора на 1 А, внешний контур управления снижает ток заряда, чтобы сохранить входное напряжение на уровне V mp.

Результаты, представленные в таблице 1, подтверждают функционирование схемы. Показания напряжения, выделенные жирным шрифтом, означают проблему, когда вторичный контур управления минимизирует ток заряда для сохранения входного напряжения на уровне V mp.

Рекомендации:

Инструменты Техаса

Цепь синхронного переключаемого контроллера заряда аккумулятора MPPT