Bedste 3 MPPT Solar Charge Controller-kredsløb til effektiv batteriopladning

Bedste 3 MPPT Solar Charge Controller-kredsløb til effektiv batteriopladning

En MPPT henviser som vi alle ved til maksimal sporing af effektpunkt, som typisk er forbundet med solpaneler til optimering af deres output med maksimal effektivitet. I dette indlæg lærer vi de 3 bedste MPPT-controller kredsløb til effektiv udnyttelse af solenergi og opladning af et batteri på den mest effektive måde.



Hvor en MPPT bruges

Det optimerede output fra MPPT-kredsløb bruges primært til opladning af batterier med maksimal effektivitet fra det tilgængelige solskin.

Nye hobbyfolk finder normalt konceptet vanskeligt og bliver forvirret med de mange parametre, der er forbundet med MPPT, såsom det maksimale effektpunkt, 'knæ' i I / V-grafen etc.





Faktisk er der ikke noget så komplekst ved dette koncept, fordi et solpanel kun er en form for strømforsyning.

Optimering af denne strømforsyning bliver nødvendig, fordi solpaneler typisk mangler strøm, men har overskydende spænding. Disse unormale specifikationer for et solpanel har tendens til at blive inkompatible med standardbelastninger såsom 6V, 12V batterier, der har højere AH-klassifikation og lavere spændingsgrad sammenlignet med panelspecifikationer, og desuden gør det stadigt varierende solskin enheden ekstremt uoverensstemmende med sine V- og I-parametre.



Og det er derfor, vi har brug for en mellemliggende enhed, såsom en MPPT, som kan 'forstå' disse variationer og churn ud det mest ønskelige output fra et tilsluttet solpanel.

Du har måske allerede studeret dette simpelt IC 555-baseret MPPT-kredsløb som udelukkende er undersøgt og designet af mig og giver et glimrende eksempel på et fungerende MPPT-kredsløb.

Hvorfor MPPT

Den grundlæggende idé bag alle MPPT'er er at droppe eller trimme overskydende spænding fra panelet i henhold til belastningsspecifikationerne og sørge for, at den fratrukkede mængde spænding konverteres til en ækvivalent mængde strøm og dermed afbalancere I x V-størrelsen på tværs af indgangen og output altid op til mærket ... vi kan ikke forvente noget mere end dette fra denne nyttige gadget, gør vi?

Ovenstående automatiske sporing og korrekt konvertering af parametrene effektivt implementeres ved hjælp af en PWM tracker-scenen og en buck konverter fase , eller undertiden a buck-boost konverter-trin , selvom en ensom buk-konverter giver bedre resultater og er enklere at implementere.

Design nr. 1: MPPT ved hjælp af PIC16F88 med opladning i 3 niveauer

I dette indlæg studerer vi et MPPT-kredsløb, der ligner IC 555-designet, den eneste forskel er brugen af ​​en mikrocontroller PIC16F88 og et forbedret 3-niveau opladningskredsløb.

MPPT ved hjælp af PIC16F88 med 3-niveau opladning

Trinvise arbejdsoplysninger

Den grundlæggende funktion af de forskellige faser kan forstås ved hjælp af følgende beskrivelse:

1) Paneloutputtet spores ved at udtrække et par oplysninger fra det gennem de tilknyttede potentielle opdelingsnetværk.

2) Én opamp fra IC2 er konfigureret som en spændingsfølger, og den sporer den øjeblikkelige spændingsoutput fra panelet gennem en potentiel skillevæg ved sin pin3 og føder info til den relevante sensing pin på PIC.

3) Den anden opamp fra IC2 bliver ansvarlig for sporing og overvågning af den varierende strøm fra panelet og føder den samme til en anden sensorindgang fra PIC.

4) Disse to indgange behandles internt af MCU'en til at udvikle en tilsvarende skræddersyet PWM til buck-konverteringsfasen, der er knyttet til dens pin # 9.

5) PWM-udgangen fra PIC er buffret af Q2, Q3 for at udløse P-mosfet-skiftet sikkert. Den tilhørende diode beskytter mosfetporten mod overspændinger.

6) Mosfet skifter i overensstemmelse med de koblende PWM'er og modulerer bukkeomformertrinet dannet af induktoren L1 og D2.

7) Ovennævnte procedurer producerer det mest passende output fra buck-konverteren, der er lavere i spænding pr. Batteri, men rig på strøm.

8) Outputtet fra sorteperen justeres konstant og justeres passende af IC'en med henvisning til den sendte info fra de to opamper, der er knyttet til solpanelet.

9) Ud over ovenstående MPPT-regulering er PIC også programmeret til at overvåge batteriopladningen gennem 3 diskrete niveauer, som normalt er specificeret som bulk-tilstand, absorptionstilstand, og en float-tilstand.

10) MCU'en 'holder øje' med den stigende batterispænding og justerer bockstrømmen i overensstemmelse hermed og opretholder de korrekte ampere-niveauer under de 3 niveauer af opladningsproceduren. Dette gøres i forbindelse med MPPT-kontrollen, det er som at håndtere to situationer ad gangen for at levere de mest gunstige resultater for batteriet.

11) Selve PIC'en leveres med en præcisionsreguleret spænding ved sin Vdd-pinout gennem IC TL499, enhver anden egnet spændingsregulator kan udskiftes her for at gengive det samme.

12) En termistor kan også ses i designet, dette kan være valgfrit, men kan effektivt konfigureres til overvågning af batteritemperaturen og tilførsel af informationen til PIC, som ubesværet behandler denne tredje information for at skræddersy bukkeoutputtet og sikre, at batteritemperaturen stiger aldrig over usikre niveauer.

13) LED-indikatorerne, der er knyttet til PIC, indikerer de forskellige opladningstilstande for batteriet, som gør det muligt for brugeren at få opdaterede oplysninger om batteriets opladningstilstand hele dagen.

14) Det foreslåede MPPT-kredsløb ved hjælp af PIC16F88 med 3-niveau-opladning understøtter 12V batteriopladning samt 24V batteriopladning uden nogen ændring i kredsløbet, bortset fra værdierne vist i parentes og VR3-indstilling, som skal justeres for at udgangen kan blive 14,4V ved starten af ​​et 12V batteri og 29V til et 24V batteri.

Programmeringskode kan downloades her

Design nr. 2: Synkron switch-mode MPPT batterikontrol

Det andet design er baseret på enheden bq24650, som inkluderer en avanceret indbygget MPPT synkron switch-mode batteriopladningscontroller. Det tilbyder et højt niveau af indgangsspændingsregulering, som forhindrer opladningsstrømmen til batteriet, hver gang indgangsspændingen falder til under en bestemt mængde. Lær mere:

Hver gang input er tilsluttet med et solpanel, trækker forsyningsstabiliseringssløjfen opladningsforstærkeren ned for at sikre, at solpanelet er aktiveret til at producere maksimal effekt.

Sådan fungerer IC BQ24650

Bq24650 lover at give en synkron PWIVI-controller med konstant frekvens med optimalt nøjagtighedsniveau med strøm- og spændingsstabilisering, opladningskonditionering, afbrydelse af ladning og kontrol af opladningsniveau.

Chippen oplader batteriet i 3 diskrete niveauer: forkonditionering, konstant strøm og konstant spænding.

Opladningen afbrydes, så snart forstærkerniveauet nærmer sig 1/10 af den hurtige opladningshastighed. Foropladningstimeren er indstillet til at være på 30 minutter.

Bq2465O genstarter opladningsproceduren uden manuel indgriben, hvis batterispændingen vender tilbage under en internt indstillet grænse eller når en minimal hvilemodus, mens indgangsspændingen går under batterispændingen.

Enheden er designet til at oplade et batteri fra 2.1V til 26V med VFB internt fastgjort til et 2.1V feedbackpunkt. Opladningsforstærkerens specifikation er forudindstillet internt ved at fastgøre en velafstemt sensormodstand.

Bq24650 kan købes med en 16 ben, 3,5 x 3,5 mm ^ 2 tynd QFN-mulighed.

Kredsløbsdiagram

Dataark bq24650

REGULERING OM BATTERISPÆNDING

Bq24650 anvender en ekstremt nøjagtig spændingsregulator til beslutning om opladningsspændingen. Opladningsspændingen er forudindstillet ved hjælp af en modstandsdeler fra batteriet til jorden, med midtpunktet tilsluttet VFB-stiften.

Spændingen ved VFB-stiften er fastspændt til 2,1 V-reference. Denne referenceværdi bruges i følgende formel til bestemmelse af det ønskede niveau af reguleret spænding:

V (batt) = 2.1V x [1 + R2 / R1]

hvor R2 er forbundet fra VFB til batteriet og R1 er forbundet fra VFB til GND. Li-Ion, LiFePO4 samt SMF blybatterier er ideelt understøttede batterikemikalier.

Et flertal af Li-ion-celler over hylden kan nu oplades effektivt op til 4,2 V / celle. Et LiFePO4-batteri understøtter processen med en væsentligt højere opladnings- og afladningscyklus, men den nedre side er, at energitætheden ikke er for god. Den anerkendte cellespænding er 3,6V.

Opladningsprofilen for de to celler Li-Ion og LiFePO4 er forkonditionering, konstant strøm og konstant spænding. For en effektiv opladning / udladningstid kan spændingsgrænsen for slutningen af ​​opladningen muligvis reduceres til 4,1 V / celle, men dens energitæthed kan blive meget lavere sammenlignet med den Li-baserede kemiske specifikation, blysyre fortsætter med at være meget foretrukket batteri på grund af dets reducerede produktionsomkostninger samt hurtige afladningscyklusser.

Den fælles spændingstærskel er fra 2,3V til 2,45V. Når batteriet ses fuldstændigt påfyldt, bliver en flydende eller vedligeholdelsesladning obligatorisk for at kompensere for selvafladningen. Renseladningstærsklen er 100mV-200mV under det konstante spændingspunkt.

REGULERING OM INPUTSPÆNDING

Et solpanel kan have et eksklusivt niveau på V- eller V-P-kurven, populært kendt som Maximum Power Point (MPP), hvor det komplette solcelleanlæg (PV) er afhængig af optimal effektivitet og genererer den krævede maksimale udgangseffekt.

Konstant spændingsalgoritmen er den mest tilgængelige mulighed for MPPT (Maximum Power Point Tracking). Bq2465O lukker automatisk opladningsforstærkeren ned, så det maksimale effektpunkt er aktiveret for at producere maksimal effektivitet.

Tænd tilstand

Chippen bq2465O indeholder en 'SLEEP' -komparator til at identificere midlerne til forsyningsspænding på VCC-stiften på grund af det faktum, at VCC kan afsluttes både fra et batteri eller en ekstern AC / DC-adapterenhed.

Hvis VCC-spændingen er mere signifikant, er SRN-spændingen, og de yderligere kriterier er opfyldt for opladningsprocedurerne, begynder bq2465O derefter at forsøge at oplade et tilsluttet batteri (se afsnittet Aktivering og deaktivering af opladning).

Hvis SRN-spændingen er højere i forhold til VCC, hvilket symboliserer, at et batteri er kilden, hvorfra strømmen erhverves, er bq2465O aktiveret til en lavere hvilestrøm (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Hvis VCC er under UVLO-grænsen, afbrydes IC, hvorefter VREF LDO slukkes.

AKTIVER OG DEAKTIVERER LADNING

Følgende berørte aspekter skal sikres, før opladningsprocessen for den foreslåede MPPT Synchronous Switch-Mode Battery Charge Controller Circuit initialiseres:

• Opladningsproces er aktiveret (MPPSET> 175mV)

• Enheden har ikke UVLO-funktion (Under-Voltage-Lock-Out), og VCC er over VCCLOWV-grænsen

• IC'en er ikke i SLEEP-funktionalitet (dvs. VCC> SRN)

• VCC-spænding er under AC-overspændingsgrænsen (VCC

• 30 ms tidsforløb er opfyldt efter den første opstart

• REGN LDO- og VREF LDO-spændinger er fastgjort på de specificerede kryds

• Thermal Shut (TSHUT) initialiseres ikke - TS bad identificeres ikke. Et af følgende tekniske problemer kan forhindre den fortsatte opladning af batteriet:

• Opladning er deaktiveret (MPPSET<75mV)

• Adapterindgangen er afbrudt, hvilket provokerer IC'en til at komme ind i en VCCLOWV- eller SLEEP-funktionalitet

• Adapterens indgangsspænding er under 100 mV over batterimærket

• Adapteren har en højere spænding

• REGN- eller VREF LDO-spænding er ikke i overensstemmelse med specifikationerne

• TSHUT IC-varmegrænse identificeres. • TS-spænding bevæger sig uden for det specificerede område, hvilket kan indikere, at batteritemperaturen er ekstremt varm eller alternativt meget køligere

Selvudløst indbygget SOFT-START LADESTRØM

Opladeren selv starter soft-off opladerenes strømreguleringsstrøm, hver gang opladeren bevæger sig ind i hurtigopladningen for at fastslå, at der absolut ikke er nogen overskridelse eller stressende forhold på de eksternt tilsluttede kondensatorer eller strømomformeren.

Soft-start er udstyret med at intensivere chaging-stabiliseringsforstærkeren i otte ensartet udførte operationelle trin ved siden af ​​det præfikserede opladningsstrømniveau. Alle de tildelte trin fortsætter i omkring 1,6 ms i en specificeret op-periode på 13 ms. Der kræves ikke en eneste ekstern del for at muliggøre den diskuterede operationelle funktion.

KONVERTERBETJENING

Den synkroniserede PWM-konverter anvender en forudbestemt frekvensspændingstilstand med feed-forvvard kontrolstrategi.

En version III-kompensationskonfiguration lader systemet integrere keramiske kondensatorer i konverterens udgangstrin. Kompensationsindgangstrinnet er forbundet internt mellem feedbackudgangen (FBO) sammen med en fejlforstærkerindgang (EAI).

Feedbackkompensationstrinet er rigget mellem fejlforstærkerindgangen (EAI) og fejlforstærkerudgangen (EAO). LC-udgangsfiltretrinnet skal bestemmes for at muliggøre en resonansfrekvens på omkring 12 kHz - 17 kHz for enheden, for hvilken resonansfrekvensen, fo, er formuleret som:

fo = 1/2 √ oLoCo

En integreret savtandrampe tillader at sammenligne den interne EAO-fejlkontrolindgang for at ændre omformerens driftscyklus.

Rampeamplituden er 7% af inputadapterens spænding, hvilket gør det muligt at være permanent og fuldstændigt proportional med inputforsyningen til adapterens spænding.

Dette fjerner enhver form for sløjfeforstærkningsændringer på grund af en variation i indgangsspændingen og forenkler sløjfekompensationsprocedurerne. Rampen afbalanceres med 300mV, så der opnås en nul-procents driftscyklus, når EAO-signalet er under rampen.

EAO-signalet er ligeledes kvalificeret til at overgå savtandrampesignalet med det formål at opnå et 100% driftscyklus PWM-behov.

Indbygget gate drive logik gør det muligt at udføre 99,98% arbejdscyklus på samme tid, hvilket bekræfter, at N-kanalens øvre enhed konsekvent bærer så meget som nødvendigt spænding for altid at være 100% på.

I tilfælde af at BTST-pin til PH-pin spænding reduceres til under 4,2 V i længere tid end tre intervaller, i så fald er n-channeI-strømforsyningen MOSFET slukket, mens n-channe med lav side | strøm MOSFET udløses for at trække PH-noden ned og oplade BTST-kondensatoren.

Derefter normaliseres driveren på højsiden til 100% driftscyklusprocedure, indtil (BTST-PH) spændingen observeres at falde lavt igen, på grund af udstrømningsstrøm, der udtømmer BTST-kondensatoren under 4,2 V, samt nulstillingspuls er genudstedt.

Den forudbestemte frekvensoscillator opretholder en stiv kommando over skiftefrekvensen under de fleste omstændigheder af indgangsspænding, batterispænding, ladestrøm og temperatur, hvilket forenkler outputfilterlayoutet og holder det væk fra den hørbare forstyrrelsestilstand.

Design nr. 3: Hurtigt MPPT-opladerkredsløb

Det tredje bedste MPPT-design på vores liste forklarer et simpelt MPPT-opladerkredsløb ved hjælp af IC bq2031 fra TEXAS INSTRUMENTER, hvilket er bedst egnet til opladning af høje Ah blysyrebatterier hurtigt og med en relativt hurtig hastighed

Abstrakt

Denne praktiske anvendelsesartikel er til personer, der muligvis udvikler en MPPT-baseret blysyrebatterilader ved hjælp af bq2031 batterioplader.

Denne artikel inkluderer et strukturelt format til opladning af et 12-timers blybatteri, der anvender MPPT (maksimal power point tracking) til forbedring af opladningseffektivitet til solcelleanvendelser.

Introduktion

Den nemmeste procedure til opladning af et batteri fra et solpanelsystem kan være at tilslutte batteriet direkte til solpanelet, men det er måske ikke den mest effektive teknik.

Antag, at et solpanel har en rating på 75 W og genererer en strøm på 4,65 A med en spænding på 16 V ved normalt testmiljø på 25 ° C temperatur og 1000 W / m2 isolering.

Blybatteriet er klassificeret med en spænding på 12 V, der direkte tilslutter solpanelet til dette batteri, vil nedsætte panelspændingen til 12 V, og kun 55,8 W (12 V og 4,65 A) kunne produceres fra panelet til opladning.

En DC / DC-konverter kan være mest passende til økonomisk opladning her.

Dette praktiske anvendelsesdokument forklarer en model, der bruger bq2031 til effektiv opladning.

IV-egenskaber ved solpanel

Figur 1 viser standardaspekterne for et solpanelsystem. Isc er en kortslutningsstrøm, der strømmer gennem panelet, hvis solpanelet er kortsluttet.

Det er tilfældigvis den optimale strøm, der kan ekstraheres fra solpanelet.

Voc er spændingen med åbent kredsløb ved terminalerne på solpanelet.

Vmp og Imp er spændings- og strømniveauerne, hvor maksimal effekt kan købes fra solpanelet.

Mens solskinnet mindsker den optimale strøm (Isc), der kan opnås, undertrykkes også den højeste strøm fra solpanelet. Figur 2 viser variation af IV-karakteristika med sollys.

Den blå kurve forbinder detaljerne om den maksimale effekt ved forskellige isolationsværdier

Årsagen til MPPT-kredsløbet er at forsøge at opretholde solpanelets arbejdsniveau ved det maksimale effektpunkt under flere solskinsforhold.

Som observeret fra figur 2 ændres spændingen, hvor maksimal effekt leveres, ikke meget med solskin.

Kredsløbet konstrueret med bq2031 bruger denne karakter til at omsætte MPPT i praksis.

En ekstra strømstyringssløjfe er inkluderet med en reduktion af ladestrømmen, når dagslyset falder, samt for at opretholde solpanelspændingen omkring den maksimale spænding på effektpunktet.

bq2031-baseret MPPT-oplader

Datablad BQ2031

Figur 3 viser skematisk et DV2031S2-kort med en ekstra strømstyringssløjfe tilføjet til at udføre MPPT ved hjælp af den operationelle forstærker TLC27L2.

Bq2031 holder opladningsstrømmen ved at holde en spænding på 250 mV ved sensemodstand R 20. Der oprettes en referencespænding på 1,565 V ved at bruge 5 V fra U2.

Indgangsspændingen sammenlignes med referencespændingen for at frembringe en fejlspænding, der kunne implementeres ved SNS-stiften på bq2031 for at reducere ladestrømmen.

Spændingen (V mp), hvor maksimal effekt kan opnås fra solpanelet, er konditioneret ved hjælp af modstande R26 og R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

Med R 27 = 1 k Ω og R 26 = 9,2 k Ω opnås V mp = 16 V. TLC27L2 justeres internt med en båndbredde på 6 kHz ved Vdd = 5 V. Hovedsageligt fordi båndbredden for TLC27L2 er betydeligt under omskifterfrekvensen for bq2031, fortsætter den ekstra strømstyringssløjfe med at være konstant.

Bq2031 i det tidligere kredsløb (figur 3) tilbyder en optimal strøm på 1 A.

Hvis solcellepanelet kan levere tilstrækkelig strøm til at oplade batteriet ved 1 A, går den ydre kontrolsløjfe ikke i gang.

Men hvis isoleringen reduceres, og solcellepanelet kæmper for at levere tilstrækkelig energi til at oplade batteriet ved 1 A, reducerer den ydre kontrolsløjfe ladestrømmen for at bevare indgangsspændingen ved V mp.

Resultaterne vist i tabel 1 bekræfter, at kredsløbet fungerer. Spændingsaflæsningerne med fed skrift angiver problemet, når den sekundære kontrolsløjfe minimerer ladestrømmen for at bevare input ved V mp

Referencer:

Texas Instruments

MPPT synkron switch-mode batteriopladnings-controller kredsløb




Forrige: 3 let kapacitive nærhedssensorkredsløb udforsket Næste: 8 funktion julelys kredsløb