Parhaat 3 MPPT-aurinkolatausohjauspiiriä tehokkaaseen akun lataamiseen

MPPT, kuten me kaikki tiedämme, viittaa maksimipisteiden seurantaan, joka tyypillisesti liittyy aurinkopaneeleihin niiden lähtöjen optimoimiseksi mahdollisimman tehokkaasti. Tässä viestissä opimme 3 parasta MPPT-ohjainpiiriä aurinkoenergian tehokkaaseen hyödyntämiseen ja akun lataamiseen tehokkaimmalla tavalla.

Missä MPPT: tä käytetään

MPPT-piirien optimoitua lähtöä käytetään ensisijaisesti akkujen lataamiseen mahdollisimman tehokkaasti käytettävissä olevasta auringonpaisteesta.

Uudet harrastajat pitävät konseptia yleensä vaikeaksi ja sekoittuvat MPPT: n moniin parametreihin, kuten maksimitehopiste, I / V-kuvaajan 'polvi' jne.

Itse asiassa tässä käsitteessä ei ole mitään niin monimutkaista, koska aurinkopaneeli ei ole muuta kuin vain virtalähde.

Tämän virtalähteen optimointi on välttämätöntä, koska tyypillisesti aurinkopaneeleilla ei ole virtaa, mutta niillä on ylijännite, joten nämä epänormaalit aurinkopaneelin ominaisuudet ovat yleensä yhteensopimattomia vakiokuormien, kuten 6 V: n, 12 V: n paristojen kanssa, joilla on korkeampi AH-luokitus ja matalampi jännitearvo kuin paneelin tiedot, ja lisäksi jatkuvasti vaihteleva auringonpaiste tekee laitteesta erittäin epäjohdonmukaisen sen V- ja I-parametrien kanssa.

Siksi tarvitsemme välilaitteen, kuten MPPT: n, joka voi 'ymmärtää' nämä muunnelmat ja saada aikaan toivotun lähdön liitetystä aurinkopaneelista.

Olet ehkä jo opiskellut tätä yksinkertainen IC 555 -pohjainen MPPT-piiri joka on yksinomaan tutkimukseni ja suunnitteluni ja tarjoaa erinomaisen esimerkin toimivasta MPPT-piiristä.

Miksi MPPT

Kaikkien MPPT: iden perusajatuksena on pudottaa tai leikata ylimääräinen jännite paneelista kuormitustietojen mukaan varmistaen, että vähennetty jännitteen määrä muunnetaan vastaavaksi virraksi, tasapainottaen siten I x V: n suuruus tulon yli ja tulos aina merkkiin asti ... emme voi odottaa mitään muuta kuin tältä hyödylliseltä vempainohjelmalta, eikö niin?

Edellä mainittu automaattinen seuranta ja parametrien muuntaminen tehokkaasti toteutetaan PWM: n avulla tracker-vaihe ja a buck muunnin vaihe tai joskus a buck-boost-muunninvaihe , vaikka yksinäinen buck-muunnin antaa parempia tuloksia ja on yksinkertaisempi toteuttaa.

Suunnittelu # 1: MPPT käyttäen PIC16F88: tä ja 3-tason latausta

Tässä viestissä tutkimme MPPT-piiriä, joka on melko samanlainen kuin IC 555 -rakenne, ainoa ero on mikrokontrollerin PIC16F88 ja parannetun 3-tason latauspiirin käyttö.

Vaihe viisas työskentelytiedot

Eri vaiheiden perustoiminto voidaan ymmärtää seuraavan kuvauksen avulla:

1) Paneelin lähtöä seurataan purkamalla siitä pari tietoa liittyvien potentiaalijakajaverkkojen kautta.

2) Yksi IC2: n opamppi on konfiguroitu jännitteen seuraajaksi ja se seuraa paneelista tulevaa hetkellistä jännitettä potentiaalijakajan kautta nastassaan 3 ja syöttää tiedot PIC: n asiaankuuluvaan tunnistintappiin.

3) IC2: n toinen opamp tulee vastaamaan vaihtelevan virran seuraamisesta ja valvomisesta paneelista ja syöttää saman PIC: n toiseen anturituloon.

4) MCU käsittelee nämä kaksi tuloa sisäisesti kehittääkseen vastaavasti räätälöidyn PWM: n sen tapiin # 9 liittyvään buck-muunnosvaiheeseen.

5) Q2, Q3 puskuroi PIC: stä PICM: n ulos PICM: stä kytkentäisen P-mosfetin laukaisemiseksi turvallisesti. Liittyvä diodi suojaa mosfet-porttia ylijännitteiltä.

6) MOSFET kytkeytyy kytkentä PWM: n mukaisesti ja moduloi induktorin L1 ja D2 muodostaman buck-muuntimen vaiheen.

7) Edellä mainitut menettelyt tuottavat sopivimman lähdön muunninyksiköstä, joka on pienempi jännitteellä kuin akku, mutta rikas virralla.

8) IC: n lähtöä säätelee jatkuvasti ja säätää se asianmukaisesti viittaamalla kahteen aurinkopaneeliin liittyvään opampiin lähetettyihin tietoihin.

9) Edellä mainitun MPPT-säännön lisäksi PIC on ohjelmoitu myös seuraamaan akun latausta 3 erillisellä tasolla, jotka normaalisti määritetään irtotila, absorptiotila, kelluva tila.

10) MCU 'pitää silmällä' akun nousevaa jännitettä ja säätää virtavirtaa vastaavasti ylläpitämällä oikeat ampeeritasot 3 lataustason aikana. Tämä tehdään yhdessä MPPT-ohjauksen kanssa, se on kuin kahden tilanteen käsittely yhdellä kertaa parhaan mahdollisen tuloksen saamiseksi akulle.

11) Itse PIC: lle toimitetaan tarkasti säädetty jännite Vdd-nastassaan IC TL499: n kautta, mikä tahansa muu sopiva jännitesäädin voidaan korvata tässä saman tekemiseksi.

12) Termistori näkyy myös suunnittelussa, tämä voi olla valinnainen, mutta se voidaan tehokkaasti konfiguroida seuraamaan akun lämpötilaa ja syöttämään tietoja PIC: lle, joka käsittelee tämän kolmannen tiedon vaivattomasti räätälöimällä buck-lähtöä varmistaen, että akun lämpötila ei koskaan nouse yli vaarallisen tason.

13) PIC: ään liittyvät LED-ilmaisimet ilmaisevat akun lataustilat, joiden avulla käyttäjä voi saada ajantasaista tietoa akun lataustilasta koko päivän ajan.

14) Ehdotettu MPPT-piiri, joka käyttää PIC16F88: ta ja 3-tasoista latausta, tukee 12 V: n ja 24 V: n akun latausta ilman muutoksia piirissä lukuun ottamatta suluissa ja VR3-asetuksessa esitettyjä arvoja, jotka on säädettävä, jotta ulostulo voidaan 14,4 V alussa 12 V: n akulle ja 29 V: n 24 V: n akulle.

Ohjelmointikoodi voidaan ladata tässä

Rakenne # 2: Synkroninen Switch-Mode MPPT -akkuohjain

Toinen malli perustuu laitteeseen bq24650, joka sisältää edistyneen sisäänrakennetun MPPT-synkronisen kytkintilan akun latausohjaimen. Se tarjoaa korkean tulojännitesäädön, joka estää akun latausvirran aina, kun tulojännite putoaa alle määritetyn määrän. Lisätietoja:

Aina kun tulo liitetään aurinkopaneelilla, virranvakautussilmukka vetää latausvahvistimen alas varmistaakseen, että aurinkopaneeli pystyy tuottamaan maksimaalisen tehon.

Kuinka IC BQ24650 toimii

Bq24650 lupaa tarjota vakiotaajuisen synkronisen PWIVI-ohjaimen optimaalisella tarkkuudella virran ja jännitteen vakauttamisen, varauksen esikäsittelyn, latauksen katkaisun ja lataustason tarkistuksen avulla.

Siru lataa akkua kolmella erillisellä tasolla: esikäsittely, vakiovirta ja vakiojännite.

Lataus on katkaistu heti, kun vahvistintaso on lähellä 1/10 nopean latauksen nopeudesta. Esilatausajastin on asetettu 30 minuutiksi.

Bq2465O ilman manuaalista toimenpidettä käynnistää latausmenettelyn uudelleen, jos akun jännite palaa sisäisesti asetetun rajan alapuolelle tai saavuttaa vähimmäisvirta-ampujan lepotilan, kun syöttöjännite menee akun jännitteen alapuolelle.

Laite on suunniteltu lataamaan akku 2,1 V - 26 V, kun VFB on sisäisesti kiinnitetty 2,1 V: n takaisinkytkentäpisteeseen. Latausvahvistimen tekniset tiedot on esiasetettu sisäisesti kiinnittämällä hyvin sovitettu anturivastus.

Bq24650 voidaan hankkia 16-napaisella, 3,5 x 3,5 mm ^ 2 ohuella QFN-vaihtoehdolla.

Piirikaavio

Datalehti bq24650

AKUN JÄNNITTEEN SÄÄTÖ

Bq24650 käyttää erittäin tarkkaa jännitteen säätäjää latausjännitteen valitsemiseksi. Latausjännite on esiasennettu vastuksenjakajan avulla akusta maahan, keskipisteen ollessa kytkettynä VFB-tappi.

Jännite VFB-nastassa on kiinnitetty 2,1 V: n referenssiin. Tätä viitearvoa käytetään seuraavassa kaavassa halutun säädetyn jännitteen tason määrittämiseksi:

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

jossa R2 on kytketty VFB: stä akkuun ja R1 on kytketty VFB: stä GND: hen. Li-Ion-, LiFePO4- ja SMF-lyijyakut ovat ihanteellisesti tuettuja paristokemikaaleja.

Suurin osa hyllyn yli olevista litiumionikennoista voidaan nyt ladata tehokkaasti jopa 4,2 V / kenno. LiFePO4-akku tukee huomattavasti korkeampien lataus- ja purkausjaksojen prosessia, mutta alaspäin on, että energian tiheys ei ole liian hyvä. Tunnistettu kennojännite on 3,6 V.

Kahden kennon Li-Ion ja LiFePO4 varausprofiili on esikäsittely, vakiovirta ja vakiojännite. Tehokkaan lataus- / purkautumisajan saavuttamiseksi latauksen loppujännitteen raja voidaan mahdollisesti vähentää arvoon 4,1 V / kenno, mutta sen tiheys energiasta saattaa muuttua paljon pienemmäksi kuin Li-pohjaisiin kemikaaleihin, lyijyhappo jatkaa olla edullinen akku pienentyneiden tuotantokustannustensa ja nopean purkautumisjaksonsa vuoksi.

Yhteinen jännitekynnys on välillä 2,3 V - 2,45 V. Kun akun havaitaan olevan täynnä, kelluva tai valuva lataus on pakollista itsepurkautumisen kompensoimiseksi. Virtauksen latauskynnys on 100 - 200 mV vakiojännitepisteen alapuolella.

Syöttöjännitteen säätö

Aurinkopaneelilla voi olla yksinomainen taso V-I- tai V-P-käyrällä, joka tunnetaan yleisesti nimellä Suurin tehopiste (MPP), jolloin täydellinen aurinkosähköjärjestelmä (PV) perustuu optimaaliseen hyötysuhteeseen ja tuottaa vaaditun maksimilähtötehon.

Vakiojännitealgoritmi on helpoin käytettävissä oleva MPPT (Maximum Power Point Tracking) -vaihtoehto. Bq2465O sammuttaa latausvahvistimen automaattisesti siten, että suurin tehopiste otetaan käyttöön maksimaalisen tehokkuuden tuottamiseksi.

Kytke ON-tila päälle

Siru bq2465O sisältää 'SLEEP' -vertailijan, joka tunnistaa syöttöjännitteen välineet VCC-nastassa, koska VCC voidaan lopettaa sekä akusta että ulkoisesta AC / DC-sovitinyksiköstä.

Jos VCC-jännite on merkittävämpi kuin SRN-jännite ja lisävaatimukset täyttyvät latausmenettelyille, bq2465O alkaa myöhemmin yrittää ladata kytkettyä akkua (katso Latauksen ottaminen käyttöön ja poistaminen käytöstä).

Jos SRN-jännite on korkeampi suhteessa VCC: hen, mikä symboloi, että akku on lähde, josta virtaa hankitaan, bq2465O on käytössä matalammalla lepovirralla (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Jos VCC on alle UVLO-rajan, IC katkaistaan, minkä jälkeen VREF LDO kytketään pois päältä.

PÄÄLLÄ JA POIS LATAA

Seuraavat asiaan liittyvät näkökohdat on varmistettava ennen ehdotetun MPPT-synkronisen kytkinmoodin akun latausohjauspiirin latausprosessin aloittamista:

• Latausprosessi on käytössä (MPPSET> 175mV)

• Yksikkö ei ole alijännitelukituksella (UVLO) ja VCC on VCCLOWV-rajan yläpuolella

• IC ei ole SLEEP-toiminnassa (ts. VCC> SRN)

• VCC-jännite on alle vaihtojännitteen ylijänniterajan (VCC

• 30 ms: n aikaväli täyttyy ensimmäisen käynnistyksen jälkeen

• REGN LDO- ja VREF LDO -jännitteet on kiinnitetty määritettyihin risteyksiin

• Lämpösammutusta (TSHUT) ei ole alustettu - TS-vikaa ei tunnisteta Jompikumpi seuraavista teknisistä ongelmista voi estää akun latauksen jatkamisen:

• Lataus on deaktivoitu (MPPSET<75mV)

• Sovittimen tulo on irrotettu, mikä saa IC: n pääsemään VCCLOWV- tai SLEEP-toimintoihin

• Sovittimen tulojännite on alle 100 mV akkumerkin yläpuolella

• Sovitin on luokiteltu suuremmalle jännitteelle

• REGN- tai VREF LDO -jännite ei ole teknisten tietojen mukainen

• TSHUT IC: n lämpöraja on tunnistettu • TS-jännite sattuu siirtymään määritetyn alueen ulkopuolelle, mikä saattaa osoittaa, että akun lämpötila on erittäin kuuma tai vaihtoehtoisesti paljon viileämpi

Itsestään käynnistetty Sisäänrakennettu PIKAKÄYNNISTYSLATURIN VIRTA

Laturi käynnistää itsestään laturin tehonsäätövirran joka kerta, kun laturi siirtyy pikalataukseen sen varmistamiseksi, että ulkoisesti kytketyissä kondensaattoreissa tai virtamuuntajassa ei ole mitään ylitys- tai stressiolosuhteita.

Pehmeä käynnistys on varustettu nopeuttamalla chaging-stabilointivahvistinta kahdeksaan tasaisesti suoritettuun toimintavaiheeseen etuliitetyn latausvirran tason vieressä. Kaikki määritetyt vaiheet jatkuvat noin 1,6 ms: n ajan määritetyn 13 ms: n ajanjakson ajan. Yhtäkään ulkoista osaa ei vaadita aktivoidun toimintotoiminnon käyttöönottamiseksi.

MUUTTIMEN KÄYTTÖ

Synkroninen buck PWM -muunnin käyttää ennalta määrättyä taajuusjännitemoodia syöttö-forvvard-ohjausstrategialla.

Version III kompensointikokoonpano antaa järjestelmän sisällyttää keraamiset kondensaattorit muuntimen lähtövaiheeseen. Kompensoinnin tulovaihe liitetään sisäisesti takaisinkytkentälähdön (FBO) ja virhevahvistintulon (EAI) väliin.

Takaisinkytkentäkompensointivaihe kytketään virhevahvistintulon (EAI) ja virhevahvistimen ulostulon (EAO) välillä. LC-ulostulosuodatinvaihe on määritettävä, jotta laitteen resonanssitaajuus on noin 12 kHz - 17 kHz, jolle resonanssitaajuus fo formuloidaan seuraavasti:

fo = 1/2 √ oLoCo

Integroitu sahahampuramppi saa verrata sisäistä EAO-virheenohjaustuloa muuntimen työjakson muuttamiseksi.

Rampin amplitudi on 7% tulosovittimen jännitteestä, mikä mahdollistaa sen olevan pysyvästi ja täysin verrannollinen sovittimen jännitteen syöttöön.

Tämä kumoaa kaikenlaiset silmukavahvistuksen muutokset tulojännitteen vaihtelun vuoksi ja yksinkertaistaa silmukan kompensointimenettelyjä. Ramppi on tasapainotettu 300 mV: lla siten, että nollaprosenttinen käyttöjakso saavutetaan, kun EAO-signaali on rampin alapuolella.

EAO-signaali on myös hyväksytty ylittämään sahanterän ramppisignaalin tavoitteenaan saavuttaa 100%: n käyttöjakson PWM-kysyntä.

Sisäänrakennettu porttiaseman logiikka mahdollistaa 99,98%: n käyttöjakson suorittamisen samalla, kun vahvistetaan, että N-kanavan ylempi laite kuljettaa jatkuvasti niin paljon jännitettä kuin tarvitaan aina ollakseen 100% päällä.

Jos BTST-nastan ja PH-nastan jännite laskee alle 4,2 V: n yli kolmen jakson ajan, tällöin korkean puolen n-kanavaI-teho MOSFET kytketään pois päältä, kun matalan puolen n-kanava | teho MOSFET laukaistaan ​​vetämään PH-solmu alas ja lataamaan BTST-kondensaattoria.

Sen jälkeen yläpuolinen ohjain normalisoituu 100%: n käyttöjaksomenetelmään, kunnes (BTST-PH) -jännitteen havaitaan jälleen laskevan matalaksi, koska BTST-kondensaattori on tyhjentynyt alle 4,2 V: n ulosvirtausvirrasta ja palautuu pulssi. julkaistiin uudelleen.

Ennalta määrätty taajuusoskillaattori ylläpitää jäykkää komentoa kytkentätaajuudelle useimmissa tulojännitteen, akun jännitteen, latausvirran ja lämpötilan olosuhteissa, yksinkertaistamalla lähtösuodattimen asettelua ja pitämällä sen poissa kuultavien häiriöiden tilasta.

Suunnittelu # 3: Nopea MPPT-laturipiiri

Luettelomme kolmanneksi paras MPPT-muotoilu selittää yksinkertaisen MPPT-laturipiirin käyttäen IC bq2031 from -sarjaa TEXAS INSTRUMENTS, mikä soveltuu parhaiten korkean Ah-lyijyakun lataamiseen nopeasti ja suhteellisen nopeasti

Abstrakti

Tämä käytännön sovellusartikkeli on tarkoitettu henkilöille, jotka saattavat kehittää MPPT-pohjaista lyijyhappoakkulaturia bq2031-akkulaturin avulla.

Tämä artikkeli sisältää rakennemuodon 12-A-h lyijyhappoakun lataamiseksi käyttämällä MPPT: tä (maksimitehopisteen seuranta) parantaakseen aurinkosähkösovellusten lataustehokkuutta.

Johdanto

Helpoin tapa ladata akku aurinkopaneelijärjestelmistä voisi olla kytkeä akku suoraan aurinkopaneeliin, mutta tämä ei välttämättä ole tehokkain tekniikka.

Oletetaan, että aurinkopaneelin luokitus on 75 W ja se tuottaa 4,65 A: n virran 16 V: n jännitteellä normaalissa testiympäristössä, jonka lämpötila on 25 ° C ja eristys 1000 W / m2.

Lyijyhappoakun nimellisjännite on 12 V, joka kiinnittää aurinkopaneelin suoraan tähän akkuun, lasisi paneelin jännitteen 12 V: iin ja vain 55,8 W (12 V ja 4,65 A) voitaisiin tuottaa paneelista lataamista varten.

Taajuusmuuttajaa voidaan tarvita sopivimmin taloudelliseen lataamiseen tässä.

Tässä käytännön sovellusasiakirjassa selitetään malli, joka käyttää bq2031: tä tehokkaaseen lataamiseen.

I-V-aurinkopaneelin ominaisuudet

Kuvassa 1 on esitetty aurinkopaneelijärjestelmien vakiomallit. Isc on oikosulkuvirta, joka virtaa paneelin läpi, jos aurinkopaneeli on oikosulussa.

Se sattuu olemaan optimaalinen virta, joka voidaan ottaa aurinkopaneelista.

Voc on avoimen piirin jännite aurinkopaneelin liittimissä.

Vmp ja Imp ovat jännite- ja virtatasot, joista maksimitehon voi ostaa aurinkopaneelista.

Vaikka auringonpaiste vähentää optimaalista virtaa (Isc), joka voidaan saavuttaa, myös aurinkopaneelin suurin virta vaimentaa. Kuva 2 esittää I-V-ominaisuuksien vaihtelua auringonvalolla.

Sininen käyrä yhdistää maksimitehon yksityiskohdat erilaisilla insolaation arvoilla

Syy MPPT-piirille on yrittää ylläpitää aurinkopaneelin työskentelytaso suurimmalla tehopisteellä useissa auringonpaisteissa.

Kuten kuviosta 2 havaitaan, jännite, jossa suurin teho syötetään, ei muutu suuresti auringonpaisteessa.

Bq2031: llä muodostettu piiri käyttää tätä merkkiä MPPT: n toteuttamiseen käytännössä.

Lisävirran säätösilmukka sisältää latausvirran pienenemisen päivänvalon vähentyessä sekä aurinkopaneelijännitteen ylläpitämiseksi maksimipistejännitteen ympärillä.

bq2031-pohjainen MPPT-laturi

Datalehti BQ2031

Kuvassa 3 on kaavio DV2031S2-kortista, johon on lisätty lisätty virranohjaussilmukka MPPT: n suorittamiseksi operatiivisen vahvistimen TLC27L2 avulla.

Bq2031 pitää latausvirran säilyttämällä 250 mV: n jännitteen aistivastuksella R 20. 1,565 V: n vertailujännite syntyy käyttämällä 5 V: ta U2: sta.

Tulojännitettä verrataan referenssijännitteeseen tuottamaan virhejännite, joka voitaisiin toteuttaa bq2031: n SNS-nastassa latausvirran pienentämiseksi.

Jännite (V mp), josta suurin teho voidaan saada aurinkopaneelista, vakioidaan käyttämällä vastuksia R26 ja R27. Vp = 1,565 (R26 + R27) / R27.

Kun R 27 = 1 k Ω ja R 26 = 9,2 k Ω, saavutetaan V mp = 16 V. TLC27L2 on sisäisesti säädetty kaistanleveydellä 6 kHz, kun Vdd = 5 V. Pääasiassa koska TLC27L2: n kaistanleveys on merkittävästi bq2031: n kytkentätaajuuden alapuolella, lisätty virtasäätöpiiri on edelleen vakio.

Aikaisemman piirin bq2031 (kuva 3) tarjoaa optimaalisen virran 1 A.

Jos aurinkopaneeli pystyy tarjoamaan riittävästi virtaa akun lataamiseen 1 A: lla, ulompi ohjaussilmukka ei toimi.

Kuitenkin, jos eristys vähenee ja aurinkovoimapaneeli pyrkii toimittamaan riittävästi energiaa akun lataamiseksi 1 A: lla, ulompi ohjaussilmukka pienentää latausvirtaa tulojännitteen säilyttämiseksi V mp: ssä.

Taulukossa 1 esitetyt tulokset vahvistavat piirin toiminnan. Lihavoidut jännitelukemat merkitsevät ongelmaa aina, kun toissijainen ohjaussilmukka minimoi latausvirran tulon säilyttämiseksi V mp: ssä

Viitteet:

Texas Instruments

MPPT-synkroninen kytkentätilan akun latausohjaimen piiri