Nejlepší 3 obvody MPPT solárního nabíjení pro efektivní nabíjení baterie

MPPT, jak všichni víme, odkazuje na sledování maximálního výkonu, které je obvykle spojeno se solárními panely pro optimalizaci jejich výstupů s maximální účinností. V tomto příspěvku se učíme 3 nejlepší obvody řadiče MPPT pro efektivní využívání solární energie a nabíjení baterie nejúčinnějším způsobem.

Kde se používá MPPT

Optimalizovaný výstup z obvodů MPPT se primárně používá k nabíjení baterií s maximální účinností z dostupného slunečního svitu.

Noví fandové obvykle považují tento koncept za obtížný a nechají se zmást mnoha parametry spojenými s MPPT, jako je bod maximálního výkonu, „koleno“ grafu I / V atd.

Ve skutečnosti není na tomto konceptu nic tak složitého, protože solární panel není nic jiného než jen forma napájení.

Optimalizace tohoto napájecího zdroje je nezbytná, protože solární panely obvykle nemají proud, ale mají nadměrné napětí, tyto neobvyklé parametry solárního panelu mají tendenci být nekompatibilní se standardními zátěžemi, jako jsou 6V, 12V baterie, které mají vyšší AH a nižší jmenovité napětí ve srovnání s specifikace panelu a navíc neustále se měnící sluneční svit činí zařízení extrémně nekonzistentní s jeho parametry V a I.

A proto potřebujeme mezilehlé zařízení, jako je MPPT, které dokáže „pochopit“ tyto variace a vyvinout nejžádanější výstup z připojeného solárního panelu.

Možná jste to už studovali jednoduchý obvod MPPT založený na IC 555 který je výhradně prozkoumán a navržen mnou a poskytuje vynikající příklad fungujícího obvodu MPPT.

Proč MPPT

Základní myšlenkou všech MPPT je pokles nebo snížení nadměrného napětí z panelu podle specifikací zátěže, čímž se zajistí, že odečtené množství napětí se převede na ekvivalentní množství proudu, čímž se vyrovná velikost I x V na vstupu a výstup vždy až po značku ... od tohoto užitečného gadgetu nemůžeme očekávat nic víc, že?

Výše uvedené automatické sledování a odpovídající efektivní převod parametrů je implementován pomocí PWM sledovací fáze a a fáze převaděče buck , nebo někdy a fáze převaděče buck-boost , ačkoli solitární převodník buck poskytuje lepší výsledky a je jednodušší implementovat.

Design # 1: MPPT pomocí PIC16F88 s tříúrovňovým nabíjením

V tomto příspěvku studujeme obvod MPPT, který je docela podobný designu IC 555, jediným rozdílem je použití mikrokontroléru PIC16F88 a vylepšeného 3úrovňového nabíjecího obvodu.

Krok za krokem Pracovní detaily

Základní funkci různých fází lze pochopit pomocí následujícího popisu:

1) Výstup panelu je sledován extrakcí pár informací z něj prostřednictvím přidružených potenciálních dělicích sítí.

2) Jeden operační zesilovač z IC2 je konfigurován jako sledovač napětí a sleduje okamžitý výstup napětí z panelu prostřednictvím děliče potenciálu na jeho kolíku 3 a dodává informace příslušnému snímacímu kolíku PIC.

3) Druhý operační zesilovač z IC2 je odpovědný za sledování a monitorování měnícího se proudu z panelu a napájí jej do jiného snímacího vstupu PIC.

4) Tyto dva vstupy jsou interně zpracovány MCU pro vývoj odpovídajícím způsobem přizpůsobeného PWM pro fázi převaděče buck spojenou s jeho pinem # 9.

5) PWM ven z PIC je vyrovnáván Q2, Q3 pro bezpečné spínání P-mosfetu bezpečně. Přidružená dioda chrání bránu MOSFET před nadmnožstvím.

6) MOSFET přepíná v souladu se spínacími PWM a moduluje stupeň měniče buck tvořený induktorem L1 a D2.

7) Výše ​​uvedené postupy produkují nejvhodnější výstup z převodníku buck, který má nižší napětí podle baterie, ale je bohatý na proud.

8) Výstup z dolaru je neustále vylepšován a vhodně upravován IC s ohledem na odeslané informace od dvou opamps přidružených k solárnímu panelu.

9) Kromě výše uvedené regulace MPPT je PIC také naprogramován tak, aby sledoval nabíjení baterie prostřednictvím 3 diskrétních úrovní, které jsou obvykle specifikovány jako hromadný režim, absorpční režim, plovoucí režim.

10) MCU „sleduje“ rostoucí napětí baterie a podle toho upravuje buckový proud tak, aby udržoval správné úrovně ampérů během 3 úrovní nabíjení. Děje se to ve spojení s ovládáním MPPT, to je jako zvládat dvě situace najednou, aby se dosáhlo nejpříznivějších výsledků pro baterii.

11) Samotný PIC je dodáván s přesně regulovaným napětím na svém Vdd pinout přes IC TL499, může být zde nahrazen jakýkoli jiný vhodný regulátor napětí pro jeho vykreslení.

12) Termistor lze také vidět v konstrukci, která může být volitelná, ale může být účinně konfigurována pro monitorování teploty baterie a podávání informací do PIC, který bez námahy zpracovává tuto třetí informaci pro přizpůsobení výstupu buck a zajišťuje, že teplota baterie nikdy nevystoupí nad nebezpečné úrovně.

13) LED indikátory spojené s PIC indikují různé stavy nabíjení baterie, což umožňuje uživateli získat aktuální informace o stavu nabíjení baterie po celý den.

14) Navrhovaný obvod MPPT využívající PIC16F88 s 3úrovňovým nabíjením podporuje nabíjení baterií 12V i 24V bez jakékoli změny obvodu, kromě hodnot uvedených v závorkách a nastavení VR3, které je třeba upravit, aby bylo možné výstup 14,4 V na začátku pro 12V baterii a 29V pro 24V baterii.

Programovací kód lze stáhnout tady

Design # 2: Synchronní spínací režim MPPT řadič baterie

Druhý design je založen na zařízení bq24650, které obsahuje pokročilý integrovaný řadič MPPT Synchronous Switch-Mode Battery Charge Controller. Nabízí vysokou úroveň regulace vstupního napětí, která zabraňuje nabíjecímu proudu do baterie pokaždé, když vstupní napětí poklesne pod stanovenou hodnotu. Více informací:

Kdykoli je vstup připojen k solárnímu panelu, smyčka stabilizace napájení stáhne nabíjecí zesilovač, aby bylo zajištěno, že solární panel je schopen produkovat maximální výkon.

Jak IC BQ24650 funguje

Model bq24650 slibuje, že poskytne synchronní PWIVI ovladač s konstantní frekvencí s optimální úrovní přesnosti se stabilizací proudu a napětí, předkondicionováním nabíjení, odpojením nabíjení a kontrolou úrovně nabíjení.

Čip nabíjí baterii ve 3 samostatných úrovních: předkondicionování, konstantní proud a konstantní napětí.

Nabíjení se přeruší, jakmile se úroveň zesilovače přiblíží 1/10 rychlosti rychlého nabíjení. Časovač předběžného nabíjení je nastaven na 30 minut.

Model bq2465O bez ručního zásahu restartuje proces nabíjení v případě, že se napětí baterie vrátí pod interně nastavenou mez nebo dosáhne režimu klidového režimu minimálního klidového zesilovače, zatímco vstupní napětí poklesne pod napětí baterie.

Zařízení je navrženo k nabíjení baterie od 2,1 V do 26 V s VFB interně připevněným k bodu zpětné vazby 2,1 V. Specifikace nabíjecího zesilovače je interně přednastavena upevněním dobře sladěného snímacího rezistoru.

Model bq24650 lze pořídit s 16kolíkovou, QFN tenkou 3,5 x 3,5 mm ^ 2.

Kruhový diagram

Datový list bq24650

REGULACE NAPĚTÍ BATERIE

Model bq24650 využívá extrémně přesný regulátor napětí pro rozhodování o nabíjecím napětí. Nabíjecí napětí je přednastaveno pomocí odporového děliče z baterie na zem, přičemž střed je spojen s kolíkem VFB.

Napětí na kolíku VFB je upnuto na referenční hodnotu 2,1 V. Tato referenční hodnota se používá v následujícím vzorci pro stanovení požadované úrovně regulovaného napětí:

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

kde R2 je připojen z VFB na baterii a R1 je připojen z VFB na GND. Li-Ion, LiFePO4, stejně jako olověné kyselinové baterie SMF jsou ideálně podporované chemie baterií.

Většinu Li-ionových článků lze nyní účinně nabíjet až do 4,2 V / článek. Baterie LiFePO4 podporuje proces podstatně vyšších cyklů nabíjení a vybíjení, ale spodní strana je, že hustota energie není příliš dobrá. Rozpoznané napětí článku je 3,6 V.

Profil nabíjení dvou článků Li-Ion a LiFePO4 je předběžná stabilizace, konstantní proud a konstantní napětí. Pro efektivní životnost nabíjení / vybíjení může být mezní hodnota napětí na konci nabíjení pravděpodobně snížena na 4,1 V / článek, avšak její hustota energie by se mohla v porovnání s chemickou specifikací na bázi Li výrazně snížit, kyselina olovnatá pokračuje být mnohem upřednostňovanou baterií kvůli sníženým výrobním nákladům a rychlým cyklům vybití.

Společný prah napětí je od 2,3 V do 2,45 V. Poté, co je baterie zcela nabitá, je nutné provést plovoucí nebo udržovací nabíjení, aby došlo k samovybíjení. Prahová hodnota udržovacího nabíjení je 100 mV - 200 mV pod bodem konstantního napětí.

REGULACE VSTUPNÍHO NAPĚTÍ

Solární panel může mít exkluzivní úroveň na křivce V-I nebo V-P, známá jako bod maximálního výkonu (MPP), přičemž celý fotovoltaický (FV) systém spoléhá na optimální účinnost a generuje požadovaný maximální výstupní výkon.

Algoritmus konstantního napětí je nejjednodušší možností sledování maximálního výkonového bodu (MPPT). Bq2465O automaticky vypne nabíjecí zesilovač tak, aby byl aktivován bod maximálního výkonu pro dosažení maximální účinnosti.

Zapněte podmínku

Čip bq2465O obsahuje komparátor 'SLEEP' k identifikaci prostředků napájecího napětí na kolíku VCC, protože VCC může být ukončen jak z baterie, tak z externí jednotky adaptéru AC / DC.

Pokud je napětí VCC významnější než napětí SRN a jsou splněna další kritéria pro postupy nabíjení, začne bq2465O následně provádět pokus o nabití připojené baterie (viz část Povolení a zakázání nabíjení).

Pokud je napětí SRN vyšší vzhledem k VCC, což symbolizuje, že baterie je zdrojem, ze kterého se získává energie, je bq2465O aktivován pro nižší klidový proud (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Pokud je VCC pod limitem UVLO, IC se vypne, poté se VREF LDO vypne.

POVOLIT A ZAKÁZAT NABÍJENÍ

Před inicializací procesu nabíjení navrhovaného obvodu synchronního spínaného regulátoru nabíjení baterie MPPT je třeba zajistit následující související aspekty:

• Proces nabíjení je povolen (MPPSET> 175mV)

• Jednotka není ve funkci Under-Voltage-Lock-Out (UVLO) a VCC je nad limitem VCCLOWV

• IC není ve funkci SLEEP (tj. VCC> SRN)

• Napětí VCC je pod mezí přepětí střídavého proudu (VCC

• 30ms časová prodleva je splněna po prvním zapnutí

• Napětí REGN LDO a VREF LDO jsou stanovena na zadaných spojích

• Termální vypnutí (TSHUT) není inicializováno - TS špatný není identifikován. Kterýkoli z následujících technických problémů může bránit dalšímu nabíjení baterie:

• Nabíjení je deaktivováno (MPPSET<75mV)

• Vstup adaptéru je odpojen, což provokuje IC, aby se dostal do funkce VCCLOWV nebo SLEEP

• Vstupní napětí adaptéru je pod 100mV nad značkou baterie

• Adaptér je dimenzován na vyšší napětí

• REGN nebo VREF LDO napětí neodpovídá specifikacím

• Je identifikován limit teploty TSHUT IC • Napětí TS se pohybuje mimo stanovený rozsah, což může naznačovat, že teplota baterie je extrémně vysoká nebo alternativně mnohem chladnější

Vlastní spouštěcí vestavěný AKTUÁLNÍ NABÍJEČKA SOFT-START

Nabíječka sama o sobě softstartuje regulační proud nabíjecího proudu pokaždé, když nabíječka přejde do rychlého nabíjení, aby bylo zajištěno, že na externě připojených kondenzátorech nebo výkonovém měniči nedojde k absolutně žádnému překročení nebo namáhání.

Měkký start je vybaven zesílením stabilizačního zesilovače na osm rovnoměrně provedených provozních kroků vedle předem dané úrovně nabíjecího proudu. Všechny přiřazené kroky pokračují přibližně 1,6 ms po stanovenou dobu Up 13 ms. Pro povolení diskutované provozní funkce není požadována žádná externí část.

OBSLUHA MĚNIČE

Synchronní měnič PWM využívá předem určený režim kmitočtového napětí se strategií řízení feed-forvvard.

Konfigurace kompenzace verze III umožňuje systému začlenit keramické kondenzátory do koncového stupně převodníku. Kompenzační vstupní stupeň je interně spojen mezi výstupem zpětné vazby (FBO) spolu se vstupem chybového zesilovače (EAI).

Stupeň kompenzace zpětné vazby je zmanipulován mezi vstupem chybového zesilovače (EAI) a výstupem chybového zesilovače (EAO). Stupeň výstupního filtru LC je třeba určit, aby bylo možné pro zařízení, pro které je rezonanční frekvence fo, formulovat rezonanční frekvenci kolem 12 kHz - 17 kHz, jako:

fo = 1/2 √ oLoCo

Integrovaná nájezdová rampa umožňuje porovnat interní vstup řízení chyb EAO se změnou pracovního cyklu převodníku.

Amplituda rampy je 7% napětí vstupního adaptéru, což umožňuje, aby byla trvale a zcela úměrná vstupnímu napětí adaptéru.

Tím se zruší jakékoli změny zesílení smyčky v důsledku kolísání vstupního napětí a zjednoduší se postupy kompenzace smyčky. Rampa je vyvážena o 300 mV, takže je dosaženo nulového provozního cyklu, když je signál EAO pod rampou.

Signál EAO je rovněž způsobilý převyšovat signál rampy pilového zubu za účelem dosažení 100% požadavku na cyklický PWM.

Vestavěný logika pohonu brány umožňuje dosáhnout 99,98% pracovního cyklu a současně potvrdit, že horní zařízení N-kanálu trvale nese tolik napětí, kolik je třeba, aby bylo vždy 100% zapnuto.

V případě, že napětí BTST pin na PH pin poklesne pod 4,2 V po dobu delší než tři intervaly, v takovém případě je MOSFET na vysoké straně n-channeI vypnut, zatímco n-kanál na nízké straně | je spuštěn výkonový MOSFET, který stáhne uzel PH dolů a nabije kondenzátor BTST.

Poté se ovladač na vysoké straně normalizuje na 100% pracovní cyklus, dokud není pozorováno, že napětí (BTST-PH) opět poklesne na nízkou hodnotu, a to z důvodu odtokového proudu, který vyčerpává kondenzátor BTST pod 4,2 V, a resetovacího pulzu. znovu vydán.

Předem určený kmitočtový oscilátor udržuje přísný povel nad spínací frekvencí za většiny okolností vstupního napětí, napětí baterie, nabíjecího proudu a teploty, což zjednodušuje rozložení výstupního filtru a udržuje jej mimo stav slyšitelných poruch.

Design # 3: Fast MPPT Charger Circuit

Třetí nejlepší design MPPT v našem seznamu vysvětluje jednoduchý nabíjecí obvod MPPT pomocí IC bq2031 od společnosti TEXAS INSTRUMENTS, což je nejvhodnější pro rychlé a relativně rychlé nabíjení olověných baterií s vysokým Ah

Abstraktní

Tento článek o praktické aplikaci je určen jednotlivcům, kteří mohou pomocí nabíječky baterií bq2031 vyvíjet nabíječku olověných baterií na bázi MPPT.

Tento článek obsahuje strukturální formát pro nabíjení olověné baterie o délce 12 A využívající MPPT (sledování maximálního výkonu) pro zlepšení efektivity nabíjení fotovoltaických aplikací.

Úvod

Nejjednodušší postup pro nabíjení baterie ze systémů solárních panelů může být připojení baterie přímo k solárnímu panelu, což však nemusí být nejúčinnější technika.

Předpokládejme, že solární panel má jmenovitý výkon 75 W a generuje proud 4,65 A s napětím 16 V při normálním testovacím prostředí o teplotě 25 ° C a slunečnímu záření 1000 W / m2.

Olověný akumulátor je dimenzován na napětí 12 V, které by přímé připojení solárního panelu k této baterii snížilo napětí panelu na 12 V a z panelu by bylo možné nabíjet pouze 55,8 W (12 V a 4,65 A).

Pro ekonomické nabíjení zde může být nejvhodnější převodník DC / DC.

Tento praktický aplikační dokument vysvětluje model využívající bq2031 pro efektivní nabíjení.

I-V charakteristiky solárních panelů

Obrázek 1 zobrazuje standardní aspekty systémů solárních panelů. Isc je zkratový proud, který protéká panelem v případě zkratu solárního panelu.

Stává se, že jde o optimální proud, který lze odebírat ze solárního panelu.

Voc je napětí naprázdno na svorkách solárního panelu.

Vmp a Imp jsou úrovně napětí a proudu, kde lze ze solárního panelu získat maximální výkon.

Zatímco sluneční svit snižuje optimální proud (Isc), kterého lze dosáhnout, nejvyšší proud ze solárního panelu také potlačuje. Obrázek 2 ukazuje variaci I-V charakteristik se slunečním světlem.

Modrá křivka spojuje podrobnosti maximálního výkonu při různých hodnotách slunečního záření

Důvodem pro obvod MPPT je pokus o udržení pracovní úrovně solárního panelu na bodě maximálního výkonu za několika slunečních podmínek.

Jak je patrné z obrázku 2, napětí, kde je dodáván maximální výkon, se slunečním zářením výrazně nemění.

Obvod konstruovaný s bq2031 využívá tento znak k zavedení MPPT do praxe.

Je zahrnuta další proudová regulační smyčka se snížením nabíjecího proudu při snižování denního světla a udržováním napětí solárního panelu kolem maximálního napětí v napájecím bodu.

Nabíječka MPPT založená na bq2031

Datový list BQ2031

Obrázek 3 zobrazuje schéma desky DV2031S2 s přidanou přidanou proudovou regulační smyčkou k provádění MPPT s využitím operačního zesilovače TLC27L2.

Bq2031 udržuje nabíjecí proud udržováním napětí 250 mV při snímacím odporu R 20. Referenční napětí 1,565 V je vytvořeno použitím 5 V z U2.

Vstupní napětí se porovnává s referenčním napětím, aby se vytvořilo chybové napětí, které by mohlo být implementováno na kolíku SNS bq2031 ke snížení nabíjecího proudu.

Napětí (V mp), kde lze získat maximální výkon ze solárního panelu, je podmíněno pomocí odporů R26 a R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

Při R 27 = 1 k Ω a R 26 = 9,2 k Ω je dosaženo V mp = 16 V. TLC27L2 je interně nastaven na šířku pásma 6 kHz při V dd = 5 V. Hlavně proto, že šířka pásma TLC27L2 je výrazně pod spínací frekvencí bq2031, přidaná proudová regulační smyčka zůstává konstantní.

Bq2031 v dřívějším obvodu (obrázek 3) nabízí optimální proud 1 A.

V případě, že solární panel může poskytnout dostatečnou energii pro nabíjení baterie při 1 A, vnější regulační smyčka nepracuje.

Pokud se však izolace sníží a solární panel se bude snažit dodat dostatečnou energii k nabití baterie při 1 A, vnější řídicí smyčka sníží nabíjecí proud, aby se zachovalo vstupní napětí při V mp.

Výsledky uvedené v tabulce 1 potvrzují fungování obvodu. Hodnoty napětí tučně označují problém, kdykoli sekundární řídicí smyčka minimalizuje nabíjecí proud, aby zachovala vstup při V mp

Reference:

Texas Instruments

Obvod regulátoru nabíjení baterie synchronního spínaného režimu MPPT