Un MPPT come tutti sappiamo si riferisce al tracciamento del punto di massima potenza che è tipicamente associato ai pannelli solari per ottimizzarne le uscite con la massima efficienza. In questo post impariamo i 3 migliori circuiti del controller MPPT per sfruttare in modo efficiente l'energia solare e caricare una batteria nel modo più efficiente.
Dove viene utilizzato un MPPT
L'uscita ottimizzata dai circuiti MPPT viene utilizzata principalmente per caricare le batterie con la massima efficienza dalla luce solare disponibile.
I nuovi hobbisti normalmente trovano il concetto difficile e si confondono con i molti parametri associati all'MPPT, come il punto di massima potenza, 'ginocchio' del grafico I / V eccetera.
In realtà non c'è niente di così complesso in questo concetto, perché un pannello solare non è altro che una forma di alimentazione.
L'ottimizzazione di questo alimentatore diventa necessaria perché in genere i pannelli solari mancano di corrente, ma possiedono un eccesso di tensione, queste specifiche anomale di un pannello solare tendono a diventare incompatibili con carichi standard come batterie da 6 V, 12 V che trasportano una classificazione AH superiore e una tensione inferiore rispetto al specifiche del pannello, e inoltre la luce del sole sempre variabile rende il dispositivo estremamente incoerente con i suoi parametri V e I.
Ed è per questo che abbiamo bisogno di un dispositivo intermedio come un MPPT in grado di 'comprendere' queste variazioni e produrre l'output più desiderabile da un pannello solare collegato.
Potresti averlo già studiato semplice circuito MPPT basato su IC 555 che è stato studiato e progettato esclusivamente da me e fornisce un eccellente esempio di un circuito MPPT funzionante.
Perché MPPT
L'idea di base alla base di tutti gli MPPT è quella di ridurre o ridurre la tensione in eccesso dal pannello in base alle specifiche di carico assicurandosi che la quantità di tensione detratta sia convertita in una quantità equivalente di corrente, bilanciando così la grandezza I x V attraverso l'ingresso e l'uscita sempre all'altezza ... non possiamo aspettarci altro da questo utile gadget, vero?
Il tracciamento automatico di cui sopra e la conversione appropriata dei parametri in modo efficiente è implementato utilizzando un PWM palco tracker e a stadio convertitore buck , o talvolta un file stadio convertitore buck-boost , sebbene un convertitore buck solitario dia risultati migliori ed è più semplice da implementare.
Design n. 1: MPPT utilizzando PIC16F88 con ricarica a 3 livelli
In questo post studiamo un circuito MPPT che è abbastanza simile al design IC 555, l'unica differenza è l'uso di un microcontrollore PIC16F88 e un circuito di carica a 3 livelli potenziato.
Step wise Working Details
La funzione fondamentale delle varie fasi può essere compresa con l'aiuto della seguente descrizione:
1) L'output del pannello viene tracciato estraendo un paio di informazioni da esso attraverso le potenziali reti divisorie associate.
2) Un amplificatore operazionale da IC2 è configurato come un inseguitore di tensione e tiene traccia dell'uscita di tensione istantanea dal pannello attraverso un divisore di potenziale sul suo pin3 e fornisce le informazioni al pin di rilevamento pertinente del PIC.
3) Il secondo amplificatore operazionale da IC2 diventa responsabile del monitoraggio e del monitoraggio della corrente variabile dal pannello e lo alimenta a un altro ingresso di rilevamento del PIC.
4) Questi due ingressi vengono elaborati internamente dall'MCU per sviluppare un PWM adattato in modo corrispondente per lo stadio del convertitore buck associato al suo pin n. 9.
5) Il PWM in uscita dal PIC è bufferizzato da Q2, Q3 per l'attivazione sicura del P-mosfet di commutazione. Il diodo associato protegge il gate mosfet da sovratensioni.
6) Il mosfet commuta in accordo con i PWM di commutazione e modula lo stadio del convertitore buck formato dall'induttore L1 e D2.
7) Le procedure di cui sopra producono l'uscita più appropriata dal convertitore buck che è di tensione inferiore a quella della batteria, ma ricca di corrente.
8) L'output del buck viene costantemente ottimizzato e opportunamente regolato dall'IC con riferimento alle informazioni inviate dai due opamp associati al pannello solare.
9) Oltre alla suddetta regolazione MPPT, il PIC è anche programmato per monitorare la carica della batteria attraverso 3 livelli discreti, normalmente specificati come modalità bulk, modalità di assorbimento e modalità float.
10) L'MCU 'tiene d'occhio' l'aumento della tensione della batteria e regola di conseguenza la corrente buck mantenendo i corretti livelli di Ampere durante i 3 livelli della procedura di carica. Questo viene fatto in combinazione con il controllo MPPT, è come gestire due situazioni alla volta per fornire i risultati più favorevoli per la batteria.
11) Il PIC stesso viene fornito con una tensione regolata con precisione al suo pinout Vdd tramite l'IC TL499, qualsiasi altro regolatore di tensione adatto potrebbe essere sostituito qui per renderlo lo stesso.
12) Un termistore può essere visto anche nel design, questo può essere opzionale ma può essere efficacemente configurato per monitorare la temperatura della batteria e fornire le informazioni al PIC, che elabora senza sforzo questa terza informazione per adattare l'uscita buck assicurandosi che la temperatura della batteria non supera mai livelli pericolosi.
13) Gli indicatori LED associati al PIC indicano i vari stati di carica della batteria consentendo all'utente di avere informazioni aggiornate sullo stato di carica della batteria nell'arco della giornata.
14) Il circuito MPPT proposto che utilizza PIC16F88 con ricarica a 3 livelli supporta la ricarica della batteria da 12 V e da 24 V senza alcuna modifica nel circuito, ad eccezione dei valori mostrati tra parentesi e dell'impostazione VR3 che deve essere regolata per consentire l'uscita 14,4 V all'inizio per una batteria da 12V e 29V per una batteria da 24V.
Il codice di programmazione può essere scaricato Qui
Design n. 2: controller batteria MPPT a commutazione sincrona
Il secondo design si basa sul dispositivo bq24650 che include un avanzato controller di carica della batteria con modalità di commutazione sincrona MPPT integrato. Offre un alto livello di regolazione della tensione di ingresso, che impedisce la corrente di carica alla batteria ogni volta che la tensione di ingresso scende al di sotto di una quantità specificata. Per saperne di più:
Ogni volta che l'ingresso è collegato a un pannello solare, il circuito di stabilizzazione dell'alimentazione abbassa l'amplificatore di carica per garantire che il pannello solare sia abilitato a produrre la massima potenza.
Come funziona l'IC BQ24650
Il bq24650 promette di fornire un controller PWIVI sincrono a frequenza costante con un livello ottimale di precisione con stabilizzazione di corrente e tensione, precondizionamento della carica, interruzione della carica e controllo del livello di carica.
Il chip carica la batteria in 3 livelli discreti: precondizionamento, corrente costante e tensione costante.
La carica viene interrotta non appena il livello dell'amplificatore si avvicina a 1/10 della velocità di ricarica rapida. Il timer di precarica è impostato su 30 minuti.
Il bq2465O senza un intervento manuale riavvia la procedura di ricarica nel caso in cui la tensione della batteria ritorni al di sotto di un limite impostato internamente o raggiunga una modalità sleep dell'amplificatore quiescente minimo mentre la tensione di ingresso scende al di sotto della tensione della batteria.
Il dispositivo è progettato per caricare una batteria da 2,1 V a 26 V con VFB fissato internamente a un punto di feedback da 2,1 V. Le specifiche dell'amplificatore di carica sono preimpostate internamente fissando un resistore di rilevamento ben abbinato.
Il bq24650 può essere acquistato con un'opzione QFN sottile a 16 pin, 3,5 x 3,5 mm ^ 2.
Schema elettrico
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE DELLA BATTERIA
Il bq24650 impiega un regolatore di tensione estremamente preciso per la decisione sulla tensione di carica. La tensione di carica è preimpostata tramite un resistore partitore dalla batteria a massa, con il punto medio agganciato al pin VFB.
La tensione sul pin VFB è fissata a un riferimento di 2,1 V. Questo valore di riferimento viene utilizzato nella seguente formula per determinare il livello desiderato di tensione regolata:
V (batt) = 2,1 V x [1 + R2 / R1]
dove R2 è collegato da VFB alla batteria e R1 è collegato da VFB a GND. Le batterie agli ioni di litio, LiFePO4 e al piombo acido SMF sono le caratteristiche chimiche delle batterie supportate in modo ideale.
La maggior parte delle celle agli ioni di litio da scaffale può ora essere caricata efficacemente fino a 4,2 V / cella. Una batteria LiFePO4 supporta il processo di cicli di carica e scarica sostanzialmente più elevati, ma il lato negativo è che la densità di energia non è troppo buona. La tensione della cella riconosciuta è di 3,6 V.
Il profilo di carica delle due celle Li-Ion e LiFePO4 è precondizionato, corrente costante e tensione costante. Per un'efficace durata di carica / scarica, il limite di tensione di fine carica può essere ridotto a 4,1 V / cella, tuttavia la sua densità di energia potrebbe diventare molto inferiore rispetto alle specifiche chimiche a base di litio, l'acido al piombo continua a essere la batteria molto preferita a causa delle sue ridotte spese di produzione e dei rapidi cicli di scarica.
La soglia di tensione comune va da 2,3 V a 2,45 V. Dopo che la batteria è completamente carica, diventa obbligatoria una carica di mantenimento o di mantenimento per compensare l'autoscarica. La soglia di carica di mantenimento è 100 mV-200 mV al di sotto del punto di tensione costante.
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE DI INGRESSO
Un pannello solare può avere un livello esclusivo sulla curva V-I o V-P, popolarmente noto come Maximum Power Point (MPP), in cui l'intero sistema fotovoltaico (PV) si basa sull'efficienza ottimale e genera la massima potenza di uscita richiesta.
L'algoritmo di tensione costante è la più semplice opzione disponibile per il rilevamento del punto di massima potenza (MPPT). Il bq2465O spegne automaticamente l'amplificatore di carica in modo tale che il punto di massima potenza sia abilitato per produrre la massima efficienza.
Condizione di accensione
Il chip bq2465O incorpora un comparatore 'SLEEP' per identificare i mezzi di alimentazione della tensione sul pin VCC, poiché VCC può essere terminato sia da una batteria che da un'unità adattatore CA / CC esterna.
Se la tensione VCC è più significativa della tensione SRN e i criteri aggiuntivi sono soddisfatti per le procedure di ricarica, il bq2465O inizia successivamente a tentare di caricare una batteria collegata (vedere la sezione Abilitazione e disabilitazione della ricarica).
Se la tensione SRN è maggiore rispetto al VCC, a simboleggiare che una batteria è la sorgente da cui viene acquisita l'alimentazione, bq2465O è abilitato per una corrente di riposo inferiore (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.
Se VCC è inferiore al limite UVLO, l'IC viene interrotto, dopodiché VREF LDO viene disattivato.
ABILITAZIONE E DISATTIVAZIONE DELLA RICARICA
I seguenti aspetti interessati devono essere assicurati prima che il processo di carica del circuito di controllo della carica della batteria a commutazione sincrona MPPT proposto sia inizializzato:
• Il processo di ricarica è abilitato (MPPSET> 175 mV)
• L'unità non è in funzionalità UVLO (Under-Voltage-Lock-Out) e VCC è al di sopra del limite VCCLOWV
• L'IC non è in funzionalità SLEEP (cioè VCC> SRN)
• La tensione VCC è inferiore al limite di sovratensione CA (VCC • Il lasso di tempo di 30 ms viene rispettato dopo la prima accensione • Le tensioni REGN LDO e VREF LDO sono fissate alle giunzioni specificate • Thermal Shut (TSHUT) non è inizializzato - TS bad non è identificato Uno qualsiasi dei seguenti problemi tecnici può inibire il processo di carica della batteria: • La carica è disattivata (MPPSET<75mV) • L'ingresso dell'adattatore è scollegato, provocando l'IC a entrare in una funzionalità VCCLOWV o SLEEP • La tensione di ingresso dell'adattatore è inferiore a 100 mV sopra il segno della batteria • L'adattatore è classificato per una tensione più elevata • La tensione REGN o VREF LDO non è conforme alle specifiche • Viene identificato il limite di calore dell'IC TSHUT • La tensione TS si sposta al di fuori dell'intervallo specificato, il che potrebbe indicare che la temperatura della batteria è estremamente alta o in alternativa molto più fredda CORRENTE DEL CARICABATTERIE SOFT-START con attivazione automatica Il caricabatterie da solo avvia gradualmente la corrente di regolazione della potenza del caricatore ogni volta che il caricatore passa alla carica rapida per stabilire che non vi siano assolutamente condizioni di superamento o stress sui condensatori collegati esternamente o sul convertitore di potenza. L'avvio graduale è caratterizzato dall'aumento dell'amplificatore di stabilizzazione del cambio in otto fasi operative eseguite in modo uniforme accanto al livello di corrente di carica prefissato. Tutti i passi assegnati continuano per circa 1,6 ms, per un periodo di Up specificato di 13 ms. Non è necessaria una singola parte esterna per abilitare la funzione operativa discussa. Il convertitore buck PWM sincrono impiega una modalità di tensione di frequenza predeterminata con strategia di controllo feed-forvvard. Una configurazione di compensazione della versione III consente al sistema di incorporare condensatori ceramici nello stadio di uscita del convertitore. Lo stadio di ingresso della compensazione è associato internamente tra l'uscita di feedback (FBO) e un ingresso dell'amplificatore di errore (EAI). Lo stadio di compensazione del feedback è posizionato tra l'ingresso dell'amplificatore di errore (EAI) e l'uscita dell'amplificatore di errore (EAO). Lo stadio del filtro di uscita LC deve essere determinato per abilitare una frequenza di risonanza di circa 12 kHz - 17 kHz per il dispositivo, per la quale la frequenza di risonanza, fo, è formulata come: fo = 1/2 √ oLoCo Una rampa a dente di sega integrata consente di confrontare l'ingresso di controllo degli errori EAO interno per alterare il ciclo di lavoro del convertitore. L'ampiezza della rampa è il 7% della tensione dell'adattatore di ingresso, il che consente di essere permanentemente e completamente proporzionale all'alimentazione in ingresso della tensione dell'adattatore. Ciò annulla qualsiasi tipo di alterazione del guadagno del loop a causa di una variazione della tensione di ingresso e semplifica le procedure di compensazione del loop. La rampa è bilanciata di 300 mV in modo da ottenere un duty-cycle pari allo zero percento quando il segnale EAO è al di sotto della rampa. Il segnale EAO è anche qualificato per superare in numero il segnale della rampa a dente di sega con lo scopo di ottenere una richiesta PWM del ciclo di lavoro del 100%. Costruito nel logica gate drive consente di realizzare un duty-cycle del 99,98% allo stesso tempo, confermando che il dispositivo superiore del canale N trasporta costantemente la tensione necessaria per essere sempre al 100%. Nel caso in cui la tensione da pin BTST a pin PH si riduca al di sotto di 4,2 V per più di tre intervalli, in tal caso il MOSFET di potenza n-channel high-side viene disattivato mentre l'n-channel | low-side | Il MOSFET di potenza viene attivato per abbassare il nodo PH e caricare il condensatore BTST. Dopodiché, il driver high-side si normalizza alla procedura del ciclo di lavoro del 100% fino a quando si osserva che la tensione (BTST-PH) diminuisce ancora una volta, a causa della corrente di uscita che esaurisce il condensatore BTST sotto i 4,2 V, così come l'impulso di reset è ristampato. L'oscillatore di frequenza predeterminato mantiene un controllo rigido sulla frequenza di commutazione nella maggior parte delle circostanze di tensione di ingresso, tensione della batteria, corrente di carica e temperatura, semplificando il layout del filtro di uscita e mantenendolo lontano dallo stato di disturbi udibili. Il terzo miglior design MPPT nella nostra lista spiega un semplice circuito caricatore MPPT utilizzando l'IC bq2031 da STRUMENTI TEXAS, che è più adatto per caricare batterie al piombo acido ad alta Ah rapidamente e con una velocità relativamente elevata Questo articolo di applicazione pratica è per le persone che potrebbero sviluppare un caricabatterie per batterie al piombo basato su MPPT con l'ausilio del caricabatterie bq2031. Questo articolo include un formato strutturale per la ricarica di una batteria al piombo acido da 12 A che impiega MPPT (rilevamento del punto di massima potenza) per migliorare l'efficienza di carica per applicazioni fotovoltaiche. La procedura più semplice per caricare una batteria da un sistema di pannelli solari potrebbe essere quella di collegare la batteria direttamente al pannello solare, tuttavia questa potrebbe non essere la tecnica più efficace. Si supponga che un pannello solare abbia una potenza nominale di 75 W e generi una corrente di 4,65 A con una tensione di 16 V nel normale ambiente di prova di 25 ° C di temperatura e 1000 W / m2 di irraggiamento. La batteria al piombo ha una tensione nominale di 12 V collegando direttamente il pannello solare a questa batteria la tensione del pannello diminuirà a 12 V e dal pannello potrebbero essere prodotti solo 55,8 W (12 V e 4,65 A) per la ricarica. Un convertitore CC / CC può essere più opportunamente necessario per la ricarica economica qui. Questo pratico documento applicativo spiega un modello, facendo uso del bq2031 per una ricarica efficace. La figura 1 mostra gli aspetti standard di un sistema a pannelli solari. Isc è una corrente di cortocircuito che scorre attraverso il pannello nel caso in cui il pannello solare sia cortocircuitato. Capita che sia la corrente ottimale che può essere estratta dal pannello solare. Voc è la tensione a circuito aperto ai terminali del pannello solare. Vmp e Imp sono i livelli di tensione e corrente a cui è possibile acquistare la massima potenza dal pannello solare. Mentre la luce solare riduce la corrente ottimale (Isc) che può essere raggiunta, anche la corrente più alta dal pannello solare la sopprime. La figura 2 indica la variazione delle caratteristiche I-V con la luce solare. La curva blu collega i dettagli della potenza massima a vari valori di insolazione Il motivo per il circuito MPPT è cercare di sostenere il livello di lavoro del pannello solare al punto di massima potenza in diverse condizioni di sole. Come osservato dalla Figura 2, la tensione alla quale viene erogata la massima potenza non cambia molto con la luce solare. Il circuito realizzato con il bq2031 si avvale di questo carattere per mettere in pratica l'MPPT. È incluso un ulteriore circuito di controllo della corrente per diminuire la corrente di carica al diminuire della luce diurna e per sostenere la tensione del pannello solare intorno alla tensione del punto di massima potenza. La Figura 3 mostra lo schema di una scheda DV2031S2 con l'aggiunta di un loop di controllo della corrente aggiunto per eseguire l'MPPT utilizzando l'amplificatore operazionale TLC27L2. Il bq2031 mantiene la corrente di carica mantenendo una tensione di 250 mV alla resistenza di rilevamento R 20. Viene creata una tensione di riferimento di 1.565 V utilizzando 5 V da U2. La tensione di ingresso viene confrontata con la tensione di riferimento per produrre una tensione di errore che potrebbe essere implementata sul pin SNS di bq2031 per diminuire la corrente di carica. La tensione (V mp) alla quale si può acquisire la massima potenza dal pannello solare viene condizionata impiegando le resistenze R26 e R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27. Con R 27 = 1 k Ω e R 26 = 9,2 k Ω, si ottiene V mp = 16 V. TLC27L2 è regolato internamente con una larghezza di banda di 6 kHz a V dd = 5 V. Principalmente perché la larghezza di banda di TLC27L2 è significativamente inferiore alla frequenza di commutazione di bq2031, il loop di controllo della corrente aggiunto continua a essere costante. Il bq2031 nel circuito precedente (Figura 3) offre una corrente ottimale di 1 A. Nel caso in cui il pannello solare possa fornire una potenza adeguata per caricare la batteria a 1 A, il circuito di controllo esterno non entra in azione. Tuttavia, se l'isolamento si riduce e il pannello solare fatica a fornire energia sufficiente per caricare la batteria a 1 A, il circuito di controllo esterno riduce la corrente di carica per preservare la tensione di ingresso a V mp. I risultati mostrati nella tabella 1 confermano il funzionamento del circuito. Le letture della tensione in grassetto indicano il problema ogni volta che il circuito di controllo secondario riduce al minimo la corrente di carica per preservare l'ingresso a V mp Riferimenti: Circuito del controller di carica della batteria a commutazione sincrona MPPT FUNZIONAMENTO DEL CONVERTITORE
Design n. 3: circuito caricatore MPPT veloce
Astratto
introduzione
Caratteristiche I-V del pannello solare
Caricabatterie MPPT basato su bq2031
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