Най-добрите 3 MPPT схеми за слънчево зареждане за ефективно зареждане на батерията

MPPT, както всички знаем, се отнася до проследяване на максимална мощност, което обикновено се свързва със слънчеви панели за оптимизиране на техните изходи с максимална ефективност. В този пост научаваме 3-те най-добри схеми на MPPT контролер за ефективно използване на слънчевата енергия и зареждане на батерия по най-ефективния начин.

Където се използва MPPT

Оптимизираната мощност от MPPT схеми се използва предимно за зареждане на батерии с максимална ефективност от наличното слънце.

Обикновено новите любители смятат, че концепцията е трудна и се бъркат с многото параметри, свързани с MPPT, като точката на максимална мощност, „коляно“ на графиката I / V и т.н.

Всъщност няма нищо толкова сложно в тази концепция, защото слънчевият панел не е нищо друго, освен просто форма на захранване.

Оптимизирането на това захранване става необходимо, тъй като обикновено слънчевите панели нямат ток, но притежават излишно напрежение, тези необичайни характеристики на слънчев панел са склонни да станат несъвместими със стандартни товари като 6V, 12V батерии, които носят по-висок рейтинг на AH и по-ниско напрежение в сравнение с спецификации на панела и освен това непрекъснато променящата се слънчева светлина прави устройството изключително несъвместимо с неговите V и I параметри.

И затова се нуждаем от междинно устройство като MPPT, което може да „разбере“ тези вариации и да изведе най-желания изход от свързан слънчев панел.

Може би вече сте проучили това проста MPPT схема, базирана на IC 555 който е изключително изследван и проектиран от мен и предоставя отличен пример за работеща MPPT схема.

Защо MPPT

Основната идея зад всички MPPT е да се намали или намали излишното напрежение от панела в съответствие със спецификациите на товара, като се увери, че приспаднатото количество напрежение се преобразува в еквивалентно количество ток, като по този начин се балансира величината I x V на входа и изходът винаги е до марката ... не можем да очакваме нищо повече от това от тази полезна притурка, нали?

Горното автоматично проследяване и подходящо преобразуване на параметрите ефективно се реализира с помощта на ШИМ тракер етап и а етап на конвертор на долар или понякога a етап на конвертор за усилване , въпреки че единичен конвертор на долар дава по-добри резултати и е по-лесен за изпълнение.

Дизайн # 1: MPPT с помощта на PIC16F88 с 3-степенно зареждане

В тази публикация изучаваме MPPT верига, която е доста подобна на дизайна IC 555, като единствената разлика е използването на микроконтролер PIC16F88 и подобрена верига за зареждане от 3 нива.

Стъпка Работни подробности

Основната функция на различните етапи може да бъде разбрана с помощта на следното описание:

1) Изходът на панела се проследява чрез извличане на няколко информация от него чрез свързаните потенциални разделителни мрежи.

2) Един операционен усилвател от IC2 е конфигуриран като последовател на напрежението и той проследява моментното изходно напрежение от панела през потенциален разделител на неговия pin3 и подава информацията към съответния чувствителен щифт на PIC.

3) Вторият усилвател от IC2 става отговорен за проследяването и наблюдението на променливия ток от панела и подава същия към друг сензорен вход на PIC.

4) Тези два входа се обработват вътрешно от MCU за разработване на съответно съобразена ШИМ за степента на преобразувател, свързана с неговия пин # 9.

5) ШИМ от PIC се буферира от Q2, Q3 за безопасно задействане на превключващия P-MOSFET. Свързаният диод предпазва портата на MOSFET от пренапрежение.

6) MOSFET превключва в съответствие с превключващите ШИМ и модулира степента на преобразувател, образувана от индуктор L1 и D2.

7) Горните процедури произвеждат най-подходящия изход от преобразувателя, който е с по-ниско напрежение според батерията, но богато на ток.

8) Изходът от долара непрекъснато се променя и коригира по подходящ начин от ИС по отношение на изпратената информация от двата opamps, свързани със слънчевия панел.

9) В допълнение към горната регулация на MPPT, PIC също е програмиран да наблюдава зареждането на батерията чрез 3 дискретни нива, които обикновено са посочени като групов режим, абсорбционен режим, плаващ режим.

10) MCU 'държи под око' нарастващото напрежение на батерията и регулира долния ток, като съответно поддържа правилните нива на ампера по време на 3-те нива на зареждане. Това се прави съвместно с MPPT контрола, това е като да се справят едновременно две ситуации, за да се получат най-благоприятните резултати за батерията.

11) Самият PIC се захранва с прецизно регулирано напрежение на неговия Vdd pinout чрез IC TL499, всеки друг подходящ регулатор на напрежение може да бъде заменен тук, за да направи същото.

12) В конструкцията може да се види и термистор, който може да е по избор, но може да бъде ефективно конфигуриран за наблюдение на температурата на батерията и подаване на информацията към PIC, който без усилие обработва тази трета информация за приспособяване на изходната мощност, като се увери, че температурата на батерията никога не се издига над опасни нива.

13) Светодиодните индикатори, свързани с PIC, показват различните състояния на зареждане на батерията, което позволява на потребителя да получи актуална информация относно състоянието на зареждане на батерията през целия ден.

14) Предложената MPPT схема, използваща PIC16F88 с 3-степенно зареждане, поддържа зареждане на батерията 12V, както и зареждане на батерията 24V без промяна във веригата, с изключение на стойностите, показани в скоби и настройката VR3, която трябва да се коригира, за да позволи изходът да бъде 14.4V в началото за 12V батерия и 29V за 24V батерия.

Код за програмиране може да бъде изтеглен тук

Дизайн # 2: Синхронен контролер на батерията MPPT в режим на превключване

Вторият дизайн се основава на устройството bq24650, което включва усъвършенстван вграден MPPT синхронен контролер за зареждане на батерията в режим на превключване. Той предлага високо ниво на регулиране на входното напрежение, което предотвратява зареждащия ток към батерията всеки път, когато входното напрежение падне под определено количество. Научете повече:

Винаги, когато входът е прикрепен със слънчев панел, контурът за стабилизация на захранването издърпва надолу усилвателя за зареждане, за да се гарантира, че слънчевият панел е активиран да произвежда максимална изходна мощност.

Как функционира IC BQ24650

Bq24650 обещава да осигури синхронен PWIVI контролер с постоянна честота с оптимално ниво на точност със стабилизация на тока и напрежението, предварителна подготовка на заряда, прекъсване на зареждането и проверка на нивото на зареждане.

Чипът зарежда батерията на 3 дискретни нива: предварително кондициониране, постоянен ток и постоянно напрежение.

Зареждането се прекъсва веднага щом нивото на усилвателя се доближи до 1/10 от скоростта на бързо зареждане. Таймерът за предварително зареждане е настроен на 30 минути.

Bq2465O без ръчна намеса рестартира процедурата за зареждане, в случай че напрежението на батерията се върне под вътрешно зададена граница или достигне минимален режим на заспиване на усилвател, докато входното напрежение падне под напрежението на батерията.

Устройството е проектирано да зарежда батерия от 2,1 V до 26 V с VFB, вътрешно фиксиран към точка от 2,1 V обратна връзка. Спецификацията на усилвателя за зареждане се задава вътрешно чрез фиксиране на добре съчетан сензорен резистор.

Bq24650 може да бъде доставен с 16-пинов, 3,5 x 3,5 mm ^ 2 тънък QFN вариант.

Електрическа схема

Лист с данни bq24650

РЕГУЛИРАНЕ НА НАПРЕЖЕНИЕТО НА БАТЕРИЯТА

Bq24650 използва изключително точен регулатор на напрежението за вземане на решение за зареждащото напрежение. Зарядното напрежение се задава предварително с помощта на резисторен разделител от батерията към земята, като средната точка е закачена на щифта VFB.

Напрежението на щифта VFB е затегнато на еталон 2,1 V. Тази референтна стойност се използва в следната формула за определяне на желаното ниво на регулирано напрежение:

V (бат) = 2.1V x [1 + R2 / R1]

където R2 е свързан от VFB към батерията, а R1 е свързан от VFB към GND. Li-Ion, LiFePO4, както и SMF оловно-киселинните батерии са идеално поддържани химикали за батерии.

По-голямата част от литиево-йонните клетки над рафта вече могат да бъдат ефективно заредени до 4.2V / клетка. LiFePO4 батерията поддържа процеса на значително по-високи цикли на зареждане и разреждане, но долната страна е, че енергийната плътност не е твърде добра. Разпознатото напрежение на клетката е 3.6V.

Профилът на заряда на двете клетки Li-Ion и LiFePO4 е предварително кондициониране, постоянен ток и постоянно напрежение. За ефективен живот на зареждане / разреждане границата на напрежението в края на зареждането може да бъде намалена до 4,1 V / клетка, но енергийната плътност може да стане много по-ниска в сравнение с химическата спецификация на основата на Li, оловната киселина продължава да да бъде много предпочитана батерия поради намалените производствени разходи, както и бързите цикли на разреждане.

Общият праг на напрежението е от 2.3V до 2.45V. След като се види, че батерията е напълно заредена, заряда с поплавък или поток става задължителен, за да компенсира саморазреждането. Прагът на зареждащата струя е 100mV-200mV под точката на постоянно напрежение.

РЕГУЛИРАНЕ НА ВХОДНО НАПРЕЖЕНИЕ

Слънчевият панел може да има ексклузивно ниво на кривата V-I или V-P, известен като популярната точка на максималната мощност (MPP), при което пълната фотоволтаична (PV) система разчита с оптимална ефективност и генерира необходимата максимална изходна мощност.

Алгоритъмът с постоянно напрежение е най-лесната налична опция за проследяване на максимална мощност (MPPT). Bq2465O автоматично изключва усилвателя за зареждане, така че точката на максимална мощност е активирана за постигане на максимална ефективност.

Включете състояние

Чипът bq2465O включва компаратор „SLEEP“, за да идентифицира средствата за захранващо напрежение на VCC щифта, поради факта, че VCC може да бъде прекратен както от батерия, така и от външен AC / DC адаптер.

Ако напрежението на VCC е по-значимо от напрежението SRN и допълнителните критерии са изпълнени за процедурите за зареждане, bq2465O впоследствие започва да прави опит за зареждане на свързана батерия (моля, вижте раздела Активиране и деактивиране на зареждането).

Ако напрежението на SRN е по-високо по отношение на VCC, което символизира, че батерията е източникът, откъдето се придобива мощност, bq2465O е активиран за по-нисък ток на покой (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Ако VCC е под границата на UVLO, IC се прекъсва, след което VREF LDO се изключва.

АКТИВИРАНЕ И ИЗКЛЮЧВАНЕ НА ЗАРЕЖДАНЕТО

Следните засегнати аспекти трябва да бъдат осигурени преди да се инициализира процесът на зареждане на предложената схема за синхронизиран контрол на зареждането на батерията MPPT в режим на превключване:

• Процесът на зареждане е активиран (MPPSET> 175mV)

• Устройството не е във функцията за блокиране под напрежение (UVLO) и VCC е над границата VCCLOWV

• IC не е във функцията SLEEP (т.е. VCC> SRN)

• VCC напрежението е под границата за пренапрежение на променлив ток (VCC

• Изтичането на интервала от 30 ms се изпълнява след първото включване

• Напреженията REGN LDO и VREF LDO са фиксирани на посочените кръстовища

• Термично изключване (TSHUT) не е инициализирано - TS лошо не е идентифицирано Всеки един от следните технически проблеми може да попречи на продължаващото зареждане на батерията:

• Зареждането е деактивирано (MPPSET<75mV)

• Входът на адаптера е изключен, което провокира интегралната схема да влезе във функционалност VCCLOWV или SLEEP

• Входното напрежение на адаптера е под 100mV над маркировката на батерията

• Адаптерът е оценен при по-високо напрежение

• Напрежението REGN или VREF LDO не е според спецификациите

• Идентифицирана е граница на топлина на TSHUT IC • Напрежението на TS се измества извън определения диапазон, което може да означава, че температурата на батерията е изключително висока или алтернативно много по-ниска

Включен самозадействащ се СОФТ-СТАРГОВ ТОК

Самозарядното устройство стартира плавно тока на регулиране на мощността на зарядното устройство всеки път, когато зарядното устройство се премести в бързо зареждане, за да установи, че няма абсолютно превишаване или стресиращи условия на външно свързани кондензатори или преобразувателя на мощност.

Мекият старт се отличава със засилване на усилващия усилващ усилвател в осем равномерно изпълнени оперативни стъпки до предварително фиксираното ниво на зарядния ток. Всички зададени стъпки продължават около 1,6 ms, за определен период на нагоре от 13 ms. Нито една външна част не се изисква за активиране на обсъжданата оперативна функция.

ОПЕРАЦИЯ НА КОНВЕРТОРА

Синхронният преобразувател PWM с преобразувател използва предварително определен режим на честотно напрежение със стратегия за управление feed-forvvard.

Конфигурация за компенсация на версия III, нека системата да включва керамични кондензатори на изходния етап на преобразувателя. Входният етап на компенсацията е свързан вътрешно между изхода за обратна връзка (FBO) заедно с входа за усилвател на грешки (EAI).

Етапът на компенсация на обратната връзка е монтиран между входа на усилвателя на грешки (EAI) и изхода на усилвателя на грешки (EAO). Трябва да се определи степента на LC изходен филтър, за да се даде възможност за резонансна честота от около 12 kHz - 17 kHz за устройството, за което резонансната честота fo е формулирана като:

fo = 1/2 √ oLoCo

Интегрирана рампа на зъб на трион е разрешена за сравняване на вътрешния EAO вход за контрол на грешките, за да промени работния цикъл на преобразувателя.

Амплитудата на рампата е 7% от напрежението на входния адаптер, което му позволява да бъде постоянно и напълно пропорционално на входното захранване на напрежението на адаптера.

Това отменя всякакви промени в усилването на контура поради промяна във входното напрежение и опростява процедурите за компенсиране на контура. Рампата се балансира с 300mV, така че да се постигне нулев процент на мито, когато EAO сигналът е под рампата.

EAO сигналът е също така квалифициран да превъзхожда броя на сигнала на рампата на зъбния трион с цел да се постигне 100% изискване за PWM цикъл на мито.

Вграден логика на задвижването на портата прави възможно постигането на 99,98% работен цикъл едновременно, като потвърждава, че горното устройство на N-канала постоянно носи колкото е необходимо напрежение, за да бъде винаги включено 100%.

В случай, че напрежението на BTST пина към PH на пина намалява под 4.2V за по-дълги от три интервала, в този случай MOSFET захранването от високата страна се изключва, докато n-каналът от ниската страна | мощност MOSFET се задейства за изтегляне на PH възела надолу и зареждане на BTST кондензатора.

След това драйверът от високата страна се нормализира до 100% работен цикъл, докато се наблюдава, че напрежението (BTST-PH) отново намалява, поради изходящия ток, изчерпващ кондензатора BTST под 4.2 V, както и нулиращият импулс е преиздаден.

Предварително зададеният честотен генератор поддържа твърда команда над честотата на превключване при повечето обстоятелства на входно напрежение, напрежение на батерията, ток на зареждане и температура, опростявайки оформлението на изходния филтър и го задържа далеч от състоянието на звукови смущения.

Дизайн # 3: Бърза MPPT зарядна схема

Третият най-добър MPPT дизайн в нашия списък обяснява проста MPPT зарядна схема, използваща IC bq2031 от ТЕКСАС ИНСТРУМЕНТИ, което е най-подходящо за бързо и сравнително бързо зареждане на оловно-киселинни батерии с висок Ah

Резюме

Тази практическа статия за приложение е за лицата, които могат да разработват MPPT-базирано зарядно устройство за оловно-киселинни батерии с помощта на зарядно устройство за батерии bq2031.

Тази статия включва структурен формат за зареждане на 12-A-hr оловно-киселинна батерия, използваща MPPT (максимално проследяване на точката на мощност) за подобряване на ефективността на зареждане за фотоволтаични приложения.

Въведение

Най-лесната процедура за зареждане на батерия от системи от слънчеви панели може да бъде свързването на батерията направо към слънчевия панел, но това може да не е най-ефективната техника.

Да предположим, че соларният панел носи номинал от 75 W и генерира ток от 4,65 A с напрежение 16 V при нормална тестова среда от 25 ° C температура и 1000 W / m2 слънчева изолация.

Оловно-киселинната батерия е с напрежение 12 V, като директно свързването на соларния панел към тази батерия би намалило напрежението на панела до 12 V и от панела за зареждане може да се получат само 55,8 W (12 V и 4,65 A).

За икономично зареждане тук може да е най-подходящ DC / DC преобразувател.

Този практически документ за приложение обяснява модел, използващ bq2031 за ефективно зареждане.

I-V характеристики на слънчевия панел

Фигура 1 показва стандартните аспекти на слънчевите панели. Isc е ток на късо съединение, който преминава през панела в случай, че слънчевият панел е късо съединение.

Случва се оптималният ток, който може да бъде извлечен от слънчевия панел.

Voc е напрежението в отворената верига на клемите на слънчевия панел.

Vmp и Imp са нивата на напрежение и ток, при които максималната мощност може да бъде закупена от слънчевия панел.

Докато слънчевата светлина намалява оптималния ток (Isc), който може да бъде постигнат, най-високият ток от слънчевия панел също потиска. Фигура 2 показва вариация на I-V характеристиките със слънчева светлина.

Синята крива свързва подробностите за максималната мощност при различни стойности на слънчева изолация

Причината за MPPT веригата е да се опита да поддържа работното ниво на слънчевия панел при максимална точка на мощност при няколко слънчеви условия.

Както се вижда от фигура 2, напрежението, при което се доставя максимална мощност, не се променя значително при слънчевата светлина.

Схемата, конструирана с bq2031, използва този знак, за да приложи на практика MPPT.

Включен е допълнителен контур за управление на тока с намаляване на тока на заряда, когато дневната светлина намалява, както и за поддържане на напрежението на слънчевия панел около максималното напрежение на точката на мощност.

Зарядно устройство MPPT на базата на bq2031

Информационен лист BQ2031

Фигура 3 показва схемата на платка DV2031S2 с добавен контур за управление на тока, добавен за осъществяване на MPPT, използвайки операционния усилвател TLC27L2.

Bq2031 поддържа зарядния ток, като запазва напрежение от 250 mV при чувствително съпротивление R 20. Референтно напрежение от 1,565 V се създава чрез използване на 5 V от U2.

Входното напрежение се сравнява с референтното напрежение, за да се получи напрежение с грешка, което може да бъде приложено на щифта на SNS на bq2031, за да се намали зарядният ток.

Напрежението (V mp), при което максималната мощност може да бъде получена от слънчевия панел, се обуславя с помощта на резистори R26 и R27. V тр = 1.565 (R 26 + R 27) / R 27.

При R 27 = 1 k Ω и R 26 = 9,2 k Ω се постига V mp = 16 V. TLC27L2 се регулира вътрешно с честотна лента 6 kHz при V dd = 5 V. Главно поради това, че честотната лента на TLC27L2 е значително под честотата на превключване на bq2031, добавеният контур за управление на тока продължава да бъде постоянен.

Bq2031 в по-ранната схема (фигура 3) предлага оптимален ток от 1 А.

В случай че слънчевият панел за захранване може да осигури достатъчна мощност за зареждане на батерията при 1 A, външният контур за управление не влиза в действие.

Ако обаче изолацията намалее и слънчевият панел се бори да достави достатъчно енергия за зареждане на батерията при 1 A, външният контур за управление намалява зарядния ток, за да запази входното напрежение при V mp.

Резултатите, показани в таблица 1, потвърждават функционирането на веригата. Показанията на напрежението с получер шрифт означават проблема, когато вторичният контур за управление минимизира зарядния ток, за да запази входа при V mp

Препратки:

Texas Instruments

MPPT Синхронна схема на контролер за зареждане на батерията в режим на превключване