Verimli Pil Şarjı için En İyi 3 MPPT Solar Şarj Kontrol Devreleri

Hepimizin bildiği gibi bir MPPT, çıktılarını maksimum verimlilikle optimize etmek için tipik olarak güneş panelleriyle ilişkilendirilen maksimum güç noktası takibini ifade eder. Bu yazıda, güneş enerjisini verimli bir şekilde kullanmak ve bir pili en verimli şekilde şarj etmek için en iyi 3 MPPT kontrol devresini öğreniyoruz.

MPPT'nin Kullanıldığı Yer

MPPT devrelerinin optimize edilmiş çıkışı, öncelikle mevcut güneş ışığından maksimum verimlilikle pilleri şarj etmek için kullanılır.

Yeni hobiciler normalde konsepti zor buluyor ve maksimum güç noktası gibi MPPT ile ilişkili birçok parametre ile karıştırılıyor, I / V grafiğinin 'dizisi' vb.

Aslında bu konseptte bu kadar karmaşık bir şey yok, çünkü bir güneş paneli sadece bir güç kaynağı biçiminden başka bir şey değil.

Bu güç kaynağının optimize edilmesi, tipik olarak güneş panellerinde akım bulunmadığından, ancak aşırı voltaj bulunduğundan, bir güneş panelinin bu anormal özellikleri, daha yüksek AH derecesi ve daha düşük voltaj derecesi taşıyan 6V, 12V piller gibi standart yüklerle uyumsuz olma eğilimindedir. panel özellikleri ve ayrıca sürekli değişen güneş ışığı, cihazı V ve I parametreleriyle son derece tutarsız hale getirir.

İşte bu yüzden MPPT gibi bu varyasyonları 'anlayabilen' ve bağlı bir güneş panelinden en çok istenen çıktıyı çıkarabilen bir ara cihaza ihtiyacımız var.

Bunu daha önce çalışmış olabilirsin basit IC 555 tabanlı MPPT devresi Benim tarafımdan özel olarak araştırılmış ve tasarlanmış ve çalışan bir MPPT devresinin mükemmel bir örneğini sağlar.

Neden MPPT

Tüm MPPT'lerin arkasındaki temel fikir, panelden aşırı gerilimi yük özelliklerine göre düşürmek veya kesmek, düşülen gerilim miktarının eşdeğer miktarda akıma dönüştürülmesini sağlamak ve böylece giriş boyunca I x V büyüklüğünü dengelemektir. ve çıktı her zaman hedefe kadar ... bu kullanışlı gadget'tan bundan daha fazlasını bekleyemeyiz, değil mi?

Yukarıdaki otomatik izleme ve uygun şekilde parametrelerin verimli bir şekilde dönüştürülmesi, bir PWM kullanılarak gerçekleştirilir. izci aşaması ve bir buck dönüştürücü aşaması veya bazen a buck-boost dönüştürücü aşaması tek başına bir dönüştürücü daha iyi sonuçlar vermesine ve uygulaması daha basit olmasına rağmen.

Tasarım 1: 3 Seviyeli Şarj ile PIC16F88 kullanan MPPT

Bu yazıda, IC 555 tasarımına oldukça benzeyen bir MPPT devresini inceliyoruz, tek fark, bir mikro denetleyici PIC16F88 ve gelişmiş bir 3 seviyeli şarj devresinin kullanılmasıdır.

Adım Adım Çalışma Ayrıntıları

Çeşitli aşamaların temel işlevi aşağıdaki açıklama yardımıyla anlaşılabilir:

1) Panel çıkışı, ilişkili potansiyel bölücü ağlar aracılığıyla ondan birkaç bilgi alınarak izlenir.

2) IC2'den bir opamp, voltaj takipçisi olarak yapılandırılmıştır ve panelden anlık voltaj çıkışını, pin3'teki potansiyel bir bölücü aracılığıyla izler ve bilgiyi PIC'nin ilgili algılama pinine besler.

3) IC2'den gelen ikinci opamp, panelden değişen akımın izlenmesinden ve izlenmesinden sorumlu hale gelir ve aynısını PIC'nin başka bir algılama girişine besler.

4) Bu iki giriş, pim # 9 ile ilişkili kovan dönüştürücü kademesi için uygun şekilde uyarlanmış bir PWM geliştirmek için MCU tarafından dahili olarak işlenir.

5) PIC'den çıkan PWM, anahtarlama P-mosfet'i güvenli bir şekilde tetiklemek için Q2, Q3 tarafından ara belleğe alınır. İlişkili diyot, mosfet kapısını aşırı voltajlardan korur.

6) mosfet anahtarlama PWM'lerine göre anahtarlar ve indüktör L1 ve D2 tarafından oluşturulan kova dönüştürücü aşamasını modüle eder.

7) Yukarıdaki prosedürler, aküye göre voltajı daha düşük, ancak akım açısından zengin olan buck konvertöründen en uygun çıkışı üretir.

8) Paranın çıktısı sürekli olarak değiştirilir ve güneş paneli ile ilişkili iki opamptan gönderilen bilgiye referansla IC tarafından uygun şekilde ayarlanır.

9) Yukarıdaki MPPT düzenlemesine ek olarak, PIC ayrıca normalde pil şarjını 3 ayrı seviye üzerinden izlemek üzere programlanmıştır. toplu mod, soğurma modu, bir kayan mod.

10) MCU, yükselen akü voltajına 'göz kulak olur' ve 3 seviyeli şarj prosedürü sırasında doğru Amper seviyelerini koruyarak buna göre kova akımını ayarlar. Bu, MPPT kontrolü ile birlikte yapılır; bu, pil için en uygun sonuçları elde etmek için aynı anda iki durumu ele almak gibidir.

11) PIC'in kendisi, Vdd pin çıkışında IC TL499 aracılığıyla hassas bir şekilde düzenlenmiş voltajla beslenir, başka herhangi bir uygun voltaj regülatörü burada aynısını oluşturmak için değiştirilebilir.

12) Tasarımda bir termistör de görülebilir, bu isteğe bağlı olabilir, ancak pil sıcaklığını izlemek ve bilgiyi PIC'ye beslemek için etkili bir şekilde yapılandırılabilir; bu, bu üçüncü bilgiyi, buck çıkışını uyarlamak için zahmetsizce işleyerek pil sıcaklığından emin olun asla güvensiz seviyelerin üzerine çıkmaz.

13) PIC ile ilişkili LED göstergeler, kullanıcının gün boyunca pilin şarj durumu ile ilgili güncel bilgiler almasını sağlayan pil için çeşitli şarj durumlarını gösterir.

14) 3 Seviyeli Şarj ile PIC16F88 kullanan önerilen MPPT Devresi, çıktının olmasına izin vermek için ayarlanması gereken parantez ve VR3 ayarı dışında devrede herhangi bir değişiklik olmadan 12V akü şarjını ve 24V akü şarjını destekler. 12V akü için başlangıçta 14.4V ve 24V akü için 29V.

Programlama kodu İndirilebilir İşte

Tasarım # 2: Senkron Anahtar Modu MPPT Akü Kontrol Cihazı

İkinci tasarım, gelişmiş bir dahili MPPT Senkron Anahtar Modu Pil Şarj Kontrol Cihazı içeren bq24650 cihazına dayanmaktadır. Giriş voltajı belirli bir miktarın altına düştüğünde aküye şarj akımını önleyen yüksek düzeyde bir giriş voltajı regülasyonu sunar. Daha fazla bilgi edin:

Giriş bir güneş paneli ile bağlandığında, besleme dengeleme döngüsü, güneş panelinin maksimum güç çıkışı üretmesini sağlamak için şarj amplifikatörünü aşağı çeker.

IC BQ24650 Nasıl Çalışır?

Bq24650, akım ve voltaj stabilizasyonu, şarj ön koşullandırma, şarj kesme ve şarj seviyesi kontrolü ile optimum doğruluk seviyesine sahip sabit frekanslı bir senkron PWIVI kontrol cihazı sağlamayı vaat ediyor.

Çip, pili 3 farklı seviyede şarj eder: ön koşullandırma, sabit akım ve sabit voltaj.

Amplifikatör seviyesi hızlı şarj hızının 1 / 10'una yaklaşır yaklaşmaz şarj kesilir. Ön şarj zamanlayıcısı 30 dakikaya ayarlanmıştır.

Manuel müdahale olmaksızın bq2465O, giriş voltajı pil voltajının altına düşerken akü voltajının dahili olarak ayarlanan sınırın altına düşmesi veya minimum sessiz amper uyku moduna ulaşması durumunda şarj prosedürünü yeniden başlatır.

Cihaz, dahili olarak 2.1V geri besleme noktasına sabitlenmiş VFB ile 2.1V ile 26V arasındaki bir pili şarj etmek için tasarlanmıştır. Şarj amplifikatörü özellikleri, iyi eşleştirilmiş bir algılama direnci sabitlenerek dahili olarak önceden ayarlanır.

Bq24650, 16 pimli, 3,5 x 3,5 mm ^ 2 ince QFN seçeneği ile tedarik edilebilir.

Devre şeması

Veri sayfası bq24650

AKÜ GERİLİM DÜZENLEME

Bq24650, şarj voltajına karar vermek için son derece hassas bir voltaj regülatörü kullanır. Şarj voltajı, orta nokta VFB pinine bağlanmış olarak, bataryadan toprağa bir direnç bölücü vasıtasıyla önceden ayarlanır.

VFB pimindeki voltaj 2,1 V referansına sabitlenmiştir. Bu referans değeri, istenen regüle voltaj seviyesini belirlemek için aşağıdaki formülde kullanılır:

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

R2, VFB'den bataryaya ve R1, VFB'den GND'ye bağlıdır. Li-Ion, LiFePO4 ve SMF kurşun asitli aküler ideal olarak desteklenen akü kimyalarıdır.

Raf üstü Li-ion hücrelerin çoğu artık 4.2V / hücre'ye kadar etkili bir şekilde şarj edilebilir. Bir LiFePO4 pil, önemli ölçüde daha yüksek şarj ve deşarj döngüleri sürecini destekler, ancak olumsuz tarafı, enerji yoğunluğunun çok iyi olmamasıdır. Tanınan hücre voltajı 3,6V'tur.

İki hücreli Li-Ion ve LiFePO4'ün şarj profili ön koşullandırma, sabit akım ve sabit voltajdır. Etkili bir şarj / deşarj ömrü için, şarj sonu voltaj limiti muhtemelen 4,1 V / hücreye düşürülebilir, ancak enerji yoğunluğu Li bazlı kimyasal spesifikasyona kıyasla çok daha düşük olabilir, kurşun asit Azalan üretim maliyetleri ve hızlı deşarj döngüleri nedeniyle çok tercih edilen bir aküdür.

Ortak voltaj eşiği 2,3V ile 2,45V arasındadır. Akünün tamamen doldurulduğu görüldükten sonra, kendi kendine deşarjı telafi etmek için bir şamandıra veya damlama şarjı zorunlu hale gelir. Yavaşlama şarj eşiği, sabit voltaj noktasının altında 100mV-200mV'dir.

GİRİŞ VOLTAJI REGÜLASYONU

Bir güneş paneli, V-I veya V-P eğrisinde, popüler olarak Maksimum Güç Noktası (MPP) olarak bilinen özel bir seviyeye sahip olabilir; burada, tam fotovoltaik (PV) sistem, optimum verimlilikle dayanır ve gerekli maksimum çıkış gücünü üretir.

Sabit voltaj algoritması, mevcut olan en kolay Maksimum Güç Noktası İzleme (MPPT) seçeneğidir. Bq2465O, maksimum verimlilik sağlamak için maksimum güç noktası etkinleştirilecek şekilde şarj amplifikatörünü otomatik olarak kapatır.

Açma Durumu

Bq2465O çipi, VCC'nin hem bir bataryadan hem de harici bir AC / DC adaptör ünitesinden sonlandırılabilmesi nedeniyle, VCC pini üzerindeki besleme voltajı araçlarını tanımlamak için bir 'SLEEP' karşılaştırıcısı içerir.

VCC voltajı SRN voltajından daha önemliyse ve şarj prosedürleri için ek kriterler yerine getirilirse, bq2465O daha sonra bağlı bir pili şarj etme girişiminde bulunmaya başlar (lütfen Şarj Etmeyi Etkinleştirme ve Devre Dışı Bırakma bölümüne bakın).

SRN voltajı VCC'ye göre daha yüksekse, gücün alındığı yerin bir pil olduğunu sembolize ederek, bq2465O daha düşük bir hareketsiz akım için etkinleştirilir (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

VCC, UVLO sınırının altındaysa, IC kesilir, ardından VREF LDO kapatılır.

ŞARJ ETMEYİ ETKİNLEŞTİRİN VE DEVRE DIŞI BIRAKIN

Önerilen MPPT Senkron Anahtar Modu Pil Şarj Kontrol Devresinin şarj işlemi başlatılmadan önce aşağıdaki ilgili hususların sağlanması gerekir:

• Şarj işlemi etkinleştirildi (MPPSET> 175mV)

• Ünite, Düşük Voltaj Kilitleme (UVLO) işlevselliğinde değildir ve VCC, VCCLOWV sınırının üzerindedir

• IC, SLEEP işlevselliğinde değil (yani VCC> SRN)

• VCC voltajı, AC aşırı voltaj sınırının (VCC

• İlk çalıştırmadan sonra 30 ms zaman aşımı tamamlanır

• REGN LDO ve VREF LDO voltajları, belirtilen bağlantı noktalarında sabitlenir

• Termal Kapatma (TSHUT) başlatılmadı - TS bozuk tanımlanmadı Aşağıdaki teknik sorunlardan herhangi biri, pilin devam eden şarjını engelleyebilir:

• Şarj işlemi devre dışı bırakılır (MPPSET<75mV)

• Adaptör girişinin bağlantısı kesildi ve IC'nin bir VCCLOWV veya SLEEP işlevine girmesine neden oldu

• Adaptör giriş voltajı pil işaretinin 100mV'nin altında

• Adaptör daha yüksek voltajda derecelendirilmiştir

• REGN veya VREF LDO voltajı spesifikasyonlara göre değil

• TSHUT IC sıcaklık sınırı tanımlandı • TS voltajı, pil sıcaklığının aşırı derecede sıcak veya alternatif olarak çok daha soğuk olduğunu gösterebilen belirtilen aralığın dışına çıkıyor

Kendinden Tetiklemeli Dahili YUMUŞAK BAŞLATMA ŞARJ CİHAZI AKIMI

Şarj cihazı, harici olarak bağlanan kapasitörler veya güç dönüştürücü üzerinde kesinlikle hiçbir aşma veya stresli koşul olmadığını tespit etmek için, şarj cihazının hızlı şarja her girişinde şarj cihazı güç düzenleme akımını yumuşak bir şekilde başlatır.

Yumuşak başlatma, chaging stabilizasyon amplifikatörünü, önceden belirlenmiş şarj akımı seviyesinin yanında sekiz tek tip olarak yürütülen operasyonel adımlara yükseltmekle birlikte öne çıkar. Atanan tüm adımlar, 13 ms'lik belirli bir Yukarı periyodu boyunca yaklaşık 1,6 ms boyunca devam eder. Tartışılan operasyonel işlevi etkinleştirmek için tek bir harici parça gerekli değildir.

KONVERTÖR İŞLEMİ

Senkronize buck PWM dönüştürücü, ileri besleme kontrol stratejisi ile önceden belirlenmiş bir frekans voltajı modunu kullanır.

Versiyon III kompanzasyon konfigürasyonu, sistemin dönüştürücünün çıkış aşamasında seramik kapasitörleri dahil etmesine izin verir. Kompanzasyon giriş aşaması, bir hata amplifikatör girişi (EAI) ile birlikte geri besleme çıkışı (FBO) arasında dahili olarak ilişkilendirilir.

Geri besleme kompanzasyon aşaması, hata amplifikatör girişi (EAI) ile hata amplifikatörü çıkışı (EAO) arasında kurulur. Rezonans frekansı fo, aşağıdaki gibi formüle edilen cihaz için yaklaşık 12 kHz - 17 kHz'lik bir rezonans frekansı sağlamak için LC çıkış filtresi aşamasının belirlenmesi gerekir:

fo = 1/2 √ oLoCo

Dönüştürücünün görev döngüsünü değiştirmek için dahili bir testere dişi rampasının dahili EAO hata kontrol girişini karşılaştırmasına izin verilir.

Rampa genliği, giriş adaptör voltajının% 7'sidir ve adaptör voltajının giriş beslemesiyle kalıcı ve tamamen orantılı olmasını sağlar.

Bu, giriş voltajındaki bir değişiklik nedeniyle her türlü döngü kazancı değişikliğini ortadan kaldırır ve döngü telafi prosedürlerini basitleştirir. Rampa 300mV ile dengelenir, böylece EAO sinyali rampanın altında olduğunda yüzde sıfır görev döngüsü elde edilir.

EAO sinyali de aynı şekilde% 100 görev döngüsü PWM talebini elde etmek amacıyla testere dişi rampa sinyalini geçme yetkisine sahiptir.

Dahili kapı sürücü mantığı N-kanallı üst cihazın tutarlı bir şekilde her zaman% 100 açık olacak şekilde gerekli voltajı taşıdığını doğrulayarak% 99.98 görev döngüsünü gerçekleştirmeyi mümkün kılar.

BTST pininden PH pinine voltajın üç aralıktan daha uzun süre 4.2V'nin altına düşmesi durumunda, bu durumda yüksek taraf n-kanal gücü MOSFET, alçak taraf n-kanal | güç MOSFET, PH düğümünü aşağı çekmek ve BTST kapasitörünü şarj etmek için tetiklenir.

Bundan sonra, çıkış akımı BTST kapasitörünü 4,2 V'un altına düşürdüğü için (BTST-PH) voltajının tekrar düşük düştüğü gözlemlenene kadar yüksek taraf sürücüsü% 100 görev döngüsü prosedürüne normalleşir ve sıfırlama darbesi yeniden yayınlandı.

Önceden belirlenmiş frekans osilatörü, giriş voltajı, pil voltajı, şarj akımı ve sıcaklık gibi çoğu durumda anahtarlama frekansı üzerinde katı bir komut sağlar, çıkış filtresi düzenini basitleştirir ve onu işitilebilir parazit durumundan uzakta tutar.

Tasarım # 3: Hızlı MPPT Şarj Devresi

Listemizdeki en iyi üçüncü MPPT tasarımı, IC bq2031'i kullanan basit bir MPPT şarj devresini açıklar. TEXAS ENSTRÜMANLARI, yüksek Ah kurşun asitli aküleri hızlı ve nispeten hızlı bir şekilde şarj etmek için en uygun olan

Öz

Bu pratik uygulama makalesi, bq2031 pil şarj cihazının yardımıyla MPPT bazlı kurşun asit akü şarj cihazı geliştirebilecek kişiler içindir.

Bu makale, fotovoltaik uygulamalar için şarj verimliliğini artırmak için MPPT (maksimum güç noktası izleme) kullanan 12 A saatlik kurşun asit bataryayı şarj etmek için yapısal bir format içerir.

Giriş

Bir güneş paneli sisteminden bir pili şarj etmenin en kolay prosedürü, pili doğrudan güneş paneline bağlamak olabilir, ancak bu en etkili teknik olmayabilir.

Bir güneş panelinin 75 W değerine sahip olduğunu ve 25 ° C sıcaklık ve 1000 W / m2 güneşlenme normal test ortamında 16 V voltajla 4,65 A akım ürettiğini varsayalım.

Kurşun asitli akü, 12 V'luk bir voltajla derecelendirilmiştir, güneş panelini bu aküye doğrudan bağlar, panel voltajını 12 V'a düşürür ve panelden şarj için yalnızca 55,8 W (12 V ve 4,65 A) üretilebilir.

Burada ekonomik şarj için en uygun şekilde bir DC / DC dönüştürücü gerekli olabilir.

Bu pratik uygulama belgesi, etkili şarj için bq2031'in kullanıldığı bir modeli açıklamaktadır.

Güneş Panelinin I-V Özellikleri

Şekil 1, bir güneş paneli sistemlerinin standart özelliklerini göstermektedir. Isc, güneş panelinin kısa devre olması durumunda panelden geçen kısa devre akımıdır.

Güneş panelinden çıkarılabilen optimum akımdır.

Voc, güneş paneli terminallerindeki açık devre voltajıdır.

Vmp ve Imp, güneş panelinden maksimum gücün satın alınabildiği voltaj ve akım seviyeleridir.

Güneş ışığı elde edilebilecek optimum akımı (Isc) azaltırken, güneş panelinden gelen en yüksek akım da bastırır. Şekil 2, I-V özelliklerinin güneş ışığı ile değişimini göstermektedir.

Mavi eğri, çeşitli güneşlenme değerlerinde maksimum gücün ayrıntılarını birbirine bağlar.

MPPT devresinin nedeni, çeşitli güneş ışığı koşullarında maksimum güç noktasında güneş panelinin çalışma seviyesini sürdürmeye çalışmaktır.

Şekil 2'de görüldüğü gibi, maksimum gücün verildiği voltaj, güneş ışığıyla büyük ölçüde değişmez.

Bq2031 ile oluşturulan devre, MPPT'yi uygulamaya koymak için bu karakteri kullanır.

Gün ışığı azaldıkça şarj akımını azaltmanın yanı sıra maksimum güç noktası voltajı civarında güneş paneli voltajını sürdürmek için ek bir akım kontrol döngüsü dahildir.

bq2031 Tabanlı MPPT Şarj Cihazı

Veri sayfası BQ2031

Şekil 3, işlemsel yükseltici TLC27L2'yi kullanarak MPPT'yi gerçekleştirmek için eklenen ilave bir akım kontrol döngüsüne sahip bir DV2031S2 kartının şemasını gösterir.

Bq2031, R 20 algılama direncinde 250 mV voltajı koruyarak şarj akımını tutar. U2'den 5 V kullanılarak 1.565 V'luk bir referans voltajı oluşturulur.

Giriş voltajı, şarj akımını azaltmak için bq2031'in SNS pininde uygulanabilecek bir hata voltajı üretmek için referans voltajı ile karşılaştırılır.

Güneş panelinden maksimum gücün elde edilebildiği voltaj (V mp), R26 ve R27 dirençleri kullanılarak koşullandırılır. V mp = 1.565 (R 26 + R 27) / R 27.

R 27 = 1 k Ω ve R 26 = 9,2 k Ω ile V mp = 16 V elde edilir. TLC27L2, V dd = 5 V'ta 6 kHz'lik bir bant genişliğiyle dahili olarak ayarlanır. Esas olarak, TLC27L2'nin bant genişliği bq2031'in anahtarlama frekansının önemli ölçüde altında olduğundan, eklenen akım kontrol döngüsü sabit kalmaya devam eder.

Önceki devrede (Şekil 3) bq2031, 1 A'lik optimum bir akım sunar.

Güneş enerjisi panelinin bataryayı 1 A'da şarj etmek için yeterli gücü sağlayabilmesi durumunda, dış kontrol döngüsü harekete geçmez.

Bununla birlikte, yalıtım azalırsa ve güneş enerjisi paneli, pili 1 A'da şarj etmek için yeterli enerji sağlamaya çalışırsa, dış kontrol döngüsü, giriş voltajını V mp'de korumak için şarj akımını azaltır.

Tablo 1'de gösterilen sonuçlar, devrenin işleyişini doğrulamaktadır. Kalın yazı tipindeki voltaj okumaları, ikincil kontrol döngüsü girişi V mp'de korumak için şarj akımını en aza indirdiğinde sorunu belirtir.

Referanslar:

Texas Instruments

MPPT Senkron Anahtar Modu Akü Şarj Kontrol Devresi