Beste 3 MPPT Solar Charge Controller-circuits voor efficiënt opladen van de batterij

Een MPPT, zoals we allemaal weten, verwijst naar het volgen van het maximale stroompunt, wat meestal wordt geassocieerd met zonnepanelen voor het optimaliseren van hun output met maximale efficiëntie. In dit bericht leren we de 3 beste MPPT-controllercircuits om efficiënt zonne-energie te benutten en een batterij op de meest efficiënte manier op te laden.

Waar een MPPT wordt gebruikt

De geoptimaliseerde output van MPPT-circuits wordt voornamelijk gebruikt voor het opladen van batterijen met maximale efficiëntie van het beschikbare zonlicht.

Nieuwe hobbyisten vinden het concept normaal gesproken te moeilijk en raken in de war met de vele parameters die aan MPPT zijn gekoppeld, zoals het maximale stroompunt, 'knie' van de I / V-grafiek enz.

Eigenlijk is er niets zo ingewikkeld aan dit concept, want een zonnepaneel is niets anders dan een vorm van stroomvoorziening.

Het optimaliseren van deze voeding wordt noodzakelijk omdat zonnepanelen meestal geen stroom hebben, maar een te hoog voltage hebben, deze abnormale specificaties van een zonnepaneel worden meestal incompatibel met standaardbelastingen zoals 6V-, 12V-batterijen die een hogere AH-classificatie en een lagere spanning hebben in vergelijking met de paneelspecificaties, en bovendien maakt de steeds wisselende zonneschijn het apparaat extreem inconsistent met zijn V- en I-parameters.

En daarom hebben we een tussenapparaat nodig, zoals een MPPT, dat deze variaties kan 'begrijpen' en de meest gewenste output van een aangesloten zonnepaneel kan produceren.

Misschien heb je dit al bestudeerd eenvoudig op IC 555 gebaseerd MPPT-circuit die exclusief door mij is onderzocht en ontworpen en een uitstekend voorbeeld is van een werkend MPPT-circuit.

Waarom MPPT

Het basisidee achter alle MPPT's is om de overtollige spanning van het paneel te verlagen of in te korten volgens de belastingsspecificaties en ervoor te zorgen dat de afgetrokken hoeveelheid spanning wordt omgezet in een equivalente hoeveelheid stroom, waardoor de I x V-magnitude over de ingang wordt uitgebalanceerd. en de output altijd op peil ... meer dan dit kunnen we niet verwachten van deze handige gadget, nietwaar?

De bovenstaande automatische tracking en het op de juiste wijze converteren van de parameters efficiënt wordt geïmplementeerd met behulp van een PWM tracker-fase en een buck converter-fase , of soms een buck-boost convertertrap , hoewel een solitaire buck-converter betere resultaten geeft en eenvoudiger te implementeren is.

Ontwerp # 1: MPPT met PIC16F88 met opladen op 3 niveaus

In deze post bestuderen we een MPPT-circuit dat vrij veel lijkt op het IC 555-ontwerp, met als enige verschil het gebruik van een microcontroller PIC16F88 en een verbeterd laadcircuit met 3 niveaus.

Stapsgewijze werkdetails

De basisfunctie van de verschillende fasen kan worden begrepen met behulp van de volgende beschrijving:

1) De paneeluitvoer wordt gevolgd door er een aantal informatie uit te extraheren via de bijbehorende potentiële verdeelnetwerken.

2) Een opamp van IC2 is geconfigureerd als een spanningsvolger en volgt de momentane spanningsoutput van het paneel via een potentiaalverdeler op zijn pin3, en stuurt de info naar de relevante detectiepin van de PIC.

3) De tweede opamp van IC2 wordt verantwoordelijk voor het volgen en bewaken van de variërende stroom van het paneel en voert deze door naar een andere detectie-ingang van de PIC.

4) Deze twee ingangen worden intern verwerkt door de MCU voor het ontwikkelen van een overeenkomstig op maat gemaakte PWM voor de buck converter-trap die is gekoppeld aan pin # 9.

5) De PWM uit de PIC wordt gebufferd door Q2, Q3 voor het veilig activeren van de schakelende P-mosfet. De bijbehorende diode beschermt de mosfet-poort tegen overspanningen.

6) De mosfet schakelt in overeenstemming met de schakelende PWM's en moduleert de buck-convertortrap die wordt gevormd door de inductor L1 en D2.

7) De bovenstaande procedures produceren de meest geschikte output van de buck-converter die een lagere spanning heeft dan de batterij, maar rijk aan stroom.

8) De output van de buck wordt constant getweaked en op de juiste manier aangepast door de IC met verwijzing naar de verzonden informatie van de twee opamps die zijn gekoppeld aan het zonnepaneel.

9) Naast de bovenstaande MPPT-regeling, is de PIC ook geprogrammeerd om het opladen van de batterij te bewaken via 3 discrete niveaus, die normaal worden gespecificeerd als de bulk-modus, absorptiemodus, en de float-modus.

10) De MCU 'houdt de stijgende accuspanning in de gaten' en past de buck-stroom dienovereenkomstig aan, waarbij de juiste Ampere-niveaus worden gehandhaafd tijdens de 3 laadniveaus. Dit wordt gedaan in combinatie met de MPPT-besturing, dat is alsof je twee situaties tegelijk aanpakt om de meest gunstige resultaten voor de batterij te leveren.

11) De PIC zelf wordt geleverd met een nauwkeurig geregelde spanning op zijn Vdd-pinout via de IC TL499, elke andere geschikte spanningsregelaar zou hier kunnen worden vervangen om hetzelfde weer te geven.

12) Een thermistor is ook te zien in het ontwerp, dit kan optioneel zijn, maar kan effectief worden geconfigureerd om de batterijtemperatuur te bewaken en de informatie naar de PIC te sturen, die deze derde informatie moeiteloos verwerkt om de buck-output aan te passen en ervoor te zorgen dat de batterijtemperatuur stijgt nooit boven onveilige niveaus.

13) De LED-indicatoren die bij de PIC horen, geven de verschillende laadtoestanden van de batterij aan, zodat de gebruiker gedurende de dag up-to-date informatie kan krijgen over de laadtoestand van de batterij.

14) Het voorgestelde MPPT-circuit dat gebruikmaakt van PIC16F88 met opladen op 3 niveaus ondersteunt zowel het opladen van 12V-batterijen als het opladen van 24V-batterijen zonder enige verandering in het circuit, behalve de waarden die tussen haakjes worden weergegeven en de VR3-instelling die moet worden aangepast om de output te kunnen 14,4V bij het begin voor een 12V-accu en 29V voor een 24V-accu.

Programmeercode kan worden gedownload hier

Ontwerp # 2: synchrone MPPT-batterijcontroller met schakelaarmodus

Het tweede ontwerp is gebaseerd op het apparaat bq24650 dat een geavanceerde ingebouwde MPPT Synchrone Switch-Mode Battery Charge Controller bevat. Het biedt een hoog niveau van ingangsspanningsregeling, waardoor wordt voorkomen dat de laadstroom naar de batterij elke keer dat de ingangsspanning onder een bepaald niveau daalt. Kom meer te weten:

Telkens wanneer de ingang is bevestigd met een zonnepaneel, trekt de toevoerstabilisatielus de laadversterker naar beneden om ervoor te zorgen dat het zonnepaneel maximaal vermogen kan produceren.

Hoe de IC BQ24650 werkt

De bq24650 belooft een synchrone PWIVI-controller met constante frequentie te bieden met een optimale nauwkeurigheid met stroom- en spanningsstabilisatie, voorconditionering van de lading, ladingonderbreking en controle van het laadniveau.

De chip laadt de batterij op in 3 discrete niveaus: voorconditionering, constante stroom en constante spanning.

Het opladen wordt afgebroken zodra het versterkerniveau de 1/10 van de snelle oplaadsnelheid nadert. De voorlaadtimer is ingesteld op 30 minuten.

De bq2465O herstart zonder handmatige tussenkomst de laadprocedure als de accuspanning onder een intern ingestelde limiet komt of een minimale ruststand bereikt in amp-slaapstand terwijl de ingangsspanning onder de accuspanning daalt.

Het apparaat is ontworpen om een ​​batterij op te laden van 2,1 V tot 26 V met VFB intern bevestigd aan een 2,1 V feedbackpunt. De specificatie van de laadversterker is intern vooraf ingesteld door een goed passende detectieweerstand te bevestigen.

De bq24650 kan worden aangeschaft met een 16-pins, 3,5 x 3,5 mm ^ 2 dunne QFN-optie.

Schakelschema

Gegevensblad BQ24650

REGELING VAN DE BATTERIJSPANNING

De bq24650 maakt gebruik van een uiterst nauwkeurige spanningsregelaar voor het bepalen van de laadspanning. De laadspanning wordt vooraf ingesteld door middel van een weerstandsdeler van de batterij naar aarde, waarbij het middelpunt is aangesloten op de VFB-pin.

De spanning op de VFB-pin wordt geklemd op een referentie van 2,1 V. Deze referentiewaarde wordt in de volgende formule gebruikt om het gewenste niveau van geregelde spanning te bepalen:

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

waarbij R2 is verbonden van VFB naar de batterij en R1 is verbonden van VFB naar GND. Li-Ion-, LiFePO4- en SMF-loodzuurbatterijen zijn ideaal ondersteunde batterijchemie.

Het merendeel van de standaard Li-ion-cellen kan nu effectief worden opgeladen tot 4,2 V / cel. Een LiFePO4-batterij ondersteunt het proces van aanzienlijk hogere laad- en ontlaadcycli, maar de keerzijde is dat de energiedichtheid niet al te goed is. De herkende celspanning is 3,6 V.

Het laadprofiel van de twee cellen Li-Ion en LiFePO4 is voorconditionering, constante stroom en constante spanning. Voor een effectieve levensduur van laden / ontladen, kan de limiet voor de spanning aan het einde van de lading mogelijk worden verlaagd tot 4,1 V / cel, maar de energiedichtheid kan een stuk lager worden vergeleken met de op Li gebaseerde chemische specificatie. veel de voorkeur genieten vanwege de lagere productiekosten en snelle ontlaadcycli.

De gemeenschappelijke spanningsdrempel is van 2,3 V tot 2,45 V. Nadat blijkt dat de batterij volledig is bijgevuld, wordt een float- of druppelladen verplicht om de zelfontlading te compenseren. De druppellaaddrempel is 100mV-200mV onder het constante spanningspunt.

INGANGSPANNINGSREGELING

Een zonnepaneel kan een exclusief niveau hebben op de V-I- of V-P-curve, in de volksmond bekend als het Maximum Power Point (MPP), waarbij het complete fotovoltaïsche (PV) systeem met optimale efficiëntie vertrouwt en het vereiste maximale uitgangsvermogen genereert.

Het algoritme voor constante spanning is de eenvoudigste optie voor Maximum Power Point Tracking (MPPT) die beschikbaar is. De bq2465O schakelt de laadversterker automatisch uit, zodat het maximale stroompunt wordt ingeschakeld voor maximale efficiëntie.

Schakel de toestand in

De chip bq2465O bevat een 'SLEEP'-comparator om de voedingsspanning op de VCC-pin te identificeren, vanwege het feit dat de VCC kan worden afgesloten van zowel een batterij als een externe AC / DC-adaptereenheid.

Als de VCC-spanning groter is dan de SRN-spanning en er is voldaan aan de aanvullende criteria voor de oplaadprocedures, begint de bq2465O vervolgens met een poging om een ​​aangesloten batterij op te laden (zie het hoofdstuk Opladen in- en uitschakelen).

Als de SRN-spanning hoger is dan de VCC, wat symboliseert dat een batterij de bron is van waaruit de stroom wordt verkregen, wordt de bq2465O ingeschakeld voor een lagere ruststroom (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Als VCC onder de UVLO-limiet ligt, wordt de IC afgesneden, waarna VREF LDO wordt uitgeschakeld.

HET LADEN IN- EN UITSCHAKELEN

De volgende betrokken aspecten moeten worden gegarandeerd voordat het laadproces van het voorgestelde MPPT-circuit voor synchrone schakeling van de batterijlaadregelaar wordt geïnitialiseerd:

• Oplaadproces is ingeschakeld (MPPSET> 175mV)

• De unit heeft geen UVLO-functionaliteit (Under-Voltage-Lock-Out) en VCC is hoger dan de VCCLOWV-limiet

• De IC is niet in SLEEP-functionaliteit (d.w.z. VCC> SRN)

• VCC-spanning is lager dan de AC-overspanningslimiet (VCC

• 30ms time-lapse wordt vervuld na de eerste keer opstarten

• REGN LDO- en VREF LDO-spanningen zijn vastgesteld op de gespecificeerde knooppunten

• Thermal Shut (TSHUT) is niet geïnitialiseerd - TS bad is niet geïdentificeerd. Elk van de volgende technische problemen kan het opladen van de batterij verhinderen:

• Het opladen is gedeactiveerd (MPPSET<75mV)

• Adapteringang is losgekoppeld, waardoor de IC in een VCCLOWV- of SLEEP-functionaliteit komt

• De ingangsspanning van de adapter is lager dan 100 mV boven de batterijmarkering

• Adapter is geschikt voor hogere spanning

• REGN- of VREF LDO-spanning is niet volgens de specificaties

• TSHUT IC-warmtegrens is geïdentificeerd • TS-spanning komt buiten het gespecificeerde bereik, wat erop kan wijzen dat de accutemperatuur extreem hoog of veel koeler is

Zelfgestuurde ingebouwde SOFT-START LADER STROOM

De lader start automatisch de stroomregelingsstroom van de lader elke keer dat de lader in de snellader gaat om vast te stellen dat er absoluut geen overshoot of stressvolle omstandigheden zijn op de extern aangesloten condensatoren of de stroomomvormer.

De soft-start wordt gekenmerkt door het opvoeren van de chaging-stabilisatieversterker in acht uniform uitgevoerde operationele stappen naast het vooraf ingestelde laadstroomniveau. Alle toegewezen stappen duren ongeveer 1,6 ms, gedurende een gespecificeerde Up-periode van 13 ms. Er zijn geen enkele externe onderdelen nodig om de besproken operationele functie mogelijk te maken.

WERKING VAN DE OMVORMER

De synchrone buck PWM-omzetter maakt gebruik van een vooraf bepaalde frequentie-spanningsmodus met een feed-forvard-regelstrategie.

Een versie III compensatieconfiguratie laat het systeem keramische condensatoren opnemen in de eindtrap van de omzetter. De compensatie-ingangstrap is intern gekoppeld tussen de feedbackuitgang (FBO) samen met een foutversterker-ingang (EAI).

De feedbackcompensatietrap is gemonteerd tussen de foutversterker-ingang (EAI) en de foutversterker-uitgang (EAO). De LC-uitgangsfiltertrap moet worden bepaald om een ​​resonantiefrequentie van ongeveer 12 kHz - 17 kHz mogelijk te maken voor het apparaat, waarvoor de resonantiefrequentie, fo, is geformuleerd als:

fo = 1/2 √ oLoCo

Een geïntegreerde zaagtandhelling is toegestaan ​​om de interne EAO-foutcontrole-ingang te vergelijken om de duty-cycle van de converter te wijzigen.

De hellingsamplitude is 7% van de ingangsadapterspanning, waardoor deze permanent en volledig evenredig is met de ingangsvoeding van de adapterspanning.

Dit heft elke vorm van wijziging van de lusversterking op als gevolg van een variatie in de ingangsspanning en vereenvoudigt de procedures voor luscompensatie. De helling wordt gecompenseerd door 300mV zodat een nul procent inschakelduur wordt bereikt wanneer het EAO-signaal zich onder de helling bevindt.

Het EAO-signaal is eveneens gekwalificeerd om het zaagtandhellingssignaal te overtreffen met als doel een 100% duty cycle PWM-vraag te bereiken.

Ingebouwd gate drive logica maakt het mogelijk om tegelijkertijd een duty-cycle van 99,98% te bereiken, wat bevestigt dat het N-kanaal bovenste apparaat consequent zoveel spanning voert als nodig is om altijd 100% aan te zijn.

In het geval dat de BTST pin-to-PH pin-spanning langer dan drie intervallen onder de 4,2V daalt, wordt in dat geval de high-side n-channeI power MOSFET uitgeschakeld terwijl de low-side n-channel | power MOSFET wordt geactiveerd om het PH-knooppunt naar beneden te trekken en de BTST-condensator op te laden.

Daarna normaliseert de high-side driver naar 100% duty-cycle-procedure totdat wordt waargenomen dat de (BTST-PH) -spanning weer laag wordt, als gevolg van de uitstroomstroom die de BTST-condensator onder de 4,2 V uitput, evenals de resetpuls is heruitgegeven.

De vooraf bepaalde frequentie-oscillator handhaaft een rigide commando over de schakelfrequentie onder de meeste omstandigheden van ingangsspanning, accuspanning, laadstroom en temperatuur, waardoor de lay-out van het uitgangsfilter wordt vereenvoudigd en deze uit de toestand van hoorbare storingen wordt gehouden.

Ontwerp # 3: snel MPPT-laadcircuit

Het op twee na beste MPPT-ontwerp in onze lijst legt een eenvoudig MPPT-laadcircuit uit met behulp van de IC bq2031 van TEXAS INSTRUMENTEN, die het meest geschikt is om loodzuuraccu's met een hoge Ah snel en relatief snel op te laden

Abstract

Dit praktische toepassingsartikel is bedoeld voor de personen die met behulp van de bq2031 acculader een op MPPT gebaseerde loodzuuracculader kunnen ontwikkelen.

Dit artikel bevat een structureel formaat voor het opladen van een 12-A-uur loodzuuraccu met MPPT (maximum power point tracking) om de laadefficiëntie voor fotovoltaïsche toepassingen te verbeteren.

Invoering

De eenvoudigste procedure voor het opladen van een batterij via een zonnepaneelsysteem zou kunnen zijn om de batterij rechtstreeks op het zonnepaneel aan te sluiten, maar dit is misschien niet de meest effectieve techniek.

Stel dat een zonnepaneel een vermogen van 75 W heeft en een stroom van 4,65 A genereert met een spanning van 16 V bij een normale testomgeving van 25 ° C temperatuur en 1000 W / m2 instraling.

De loodzuurbatterij heeft een spanning van 12 V als het zonnepaneel rechtstreeks op deze batterij wordt aangesloten, zou de paneelspanning dalen tot 12 V en zou er slechts 55,8 W (12 V en 4,65 A) uit het paneel kunnen worden geproduceerd om op te laden.

Een DC / DC-omzetter is hier wellicht het meest geschikt voor economisch opladen.

In dit praktische toepassingsdocument wordt een model uitgelegd, waarbij gebruik wordt gemaakt van de bq2031 voor effectief opladen.

I-V-kenmerken van zonnepaneel

Figuur 1 geeft de standaard aspecten van een zonnepaneelsysteem weer. Isc is een kortsluitstroom die door het paneel stroomt in het geval dat het zonnepaneel wordt kortgesloten.

Het is toevallig de optimale stroom die uit het zonnepaneel kan worden gehaald.

Voc is de nullastspanning op de klemmen van het zonnepaneel.

Vmp en Imp zijn de spannings- en stroomniveaus waarbij maximaal vermogen kan worden gekocht bij het zonnepaneel.

Terwijl de zonneschijn de optimale stroom (Isc) die kan worden bereikt verlaagt, wordt ook de hoogste stroom van het zonnepaneel onderdrukt. Figuur 2 geeft variatie van IV-karakteristieken met zonlicht weer.

De blauwe curve verbindt de details van het maximale vermogen bij verschillende instralingswaarden

De reden voor het MPPT-circuit is om te proberen het werkniveau van het zonnepaneel op het maximale stroompunt te behouden in verschillende zonneschijnomstandigheden.

Zoals blijkt uit figuur 2, verandert de spanning waar het maximale vermogen wordt geleverd niet veel met zonlicht.

Het circuit geconstrueerd met de bq2031 maakt gebruik van dit karakter om MPPT in praktijk te brengen.

Een extra stroomregellus is inbegrepen om de laadstroom te verlagen naarmate het daglicht afneemt en om de spanning van het zonnepaneel rond de maximale voedingspuntspanning te behouden.

Op bq2031 gebaseerde MPPT-oplader

Gegevensblad BQ2031

Figuur 3 toont het schema van een DV2031S2-kaart met een toegevoegde stroomregellus toegevoegd om de MPPT uit te voeren met gebruikmaking van de operationele versterker TLC27L2.

De bq2031 houdt de laadstroom vast door een spanning van 250 mV vast te houden bij meetweerstand R 20. Een referentiespanning van 1,565 V wordt gecreëerd door 5 V van U2 te gebruiken.

De ingangsspanning wordt vergeleken met de referentiespanning om een ​​foutspanning te produceren die kan worden geïmplementeerd op de SNS-pin van bq2031 om de laadstroom te verlagen.

De spanning (V mp) waar het maximale vermogen van het zonnepaneel kan worden verkregen, wordt geconditioneerd met behulp van weerstanden R26 en R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

Met R 27 = 1 k Ω en R 26 = 9,2 k Ω wordt V mp = 16 V bereikt. TLC27L2 is intern aangepast met een bandbreedte van 6 kHz bij V dd = 5 V. Vooral omdat de bandbreedte van TLC27L2 aanzienlijk onder de schakelfrequentie van bq2031 ligt, blijft de toegevoegde stroomregellus constant.

De bq2031 in het eerdere circuit (figuur 3) biedt een optimale stroom van 1 A.

Als het zonnepaneel voldoende vermogen kan leveren om de batterij op 1 A te laden, komt de buitenste regelkring niet in actie.

Als de isolatie echter afneemt en het zonnepaneel moeite heeft om voldoende energie te leveren om de batterij op te laden bij 1 A, verlaagt de buitenste regelkring de laadstroom om de ingangsspanning op V mp te behouden.

De resultaten getoond in Tabel 1 bevestigen de werking van het circuit. De vetgedrukte spanningswaarden duiden het probleem aan wanneer de secundaire regellus de laadstroom minimaliseert om de invoer op V mp te behouden

Referenties:

Texas Instrumenten

MPPT synchroon schakeling batterijlaadcontrollercircuit