Bästa 3 MPPT Solar Charge Controller-kretsar för effektiv batteriladdning

En MPPT avser som vi alla vet maximal spårning av effektpunkt som vanligtvis är associerad med solpaneler för att optimera deras utgångar med maximal effektivitet. I det här inlägget lär vi oss de 3 bästa MPPT-styrkretsarna för att effektivt utnyttja solenergi och ladda ett batteri på det mest effektiva sättet.

Där en MPPT används

Den optimerade effekten från MPPT-kretsar används främst för att ladda batterier med maximal effektivitet från det tillgängliga solskenet.

Nya hobbyister tycker vanligtvis att konceptet är svårt och blir förvirrat med de många parametrar som är associerade med MPPT, till exempel den maximala effektpunkten, 'knä' i I / V-grafen etc.

Egentligen finns det inget så komplicerat med detta koncept, för en solpanel är bara en form av strömförsörjning.

Optimering av denna strömförsörjning blir nödvändig eftersom solpaneler vanligtvis saknar ström, men har överspänning, dessa onormala specifikationer för en solpanel tenderar att bli oförenliga med standardbelastningar som 6V, 12V batterier som har högre AH-betyg och lägre spänning jämfört med panel specifikationer, och dessutom det ständigt varierande solskenet gör enheten extremt oförenlig med dess V och I parametrar.

Och det är därför vi behöver en mellananordning som en MPPT som kan 'förstå' dessa variationer och slita ut den mest önskvärda utgången från en ansluten solpanel.

Du kanske redan har studerat detta enkel IC 555-baserad MPPT-krets som uteslutande har undersökts och designats av mig och ger ett utmärkt exempel på en fungerande MPPT-krets.

Varför MPPT

Grundidén bakom alla MPPT är att tappa eller trimma överskottet från panelen enligt lastspecifikationerna och se till att den avdragna mängden spänning omvandlas till en ekvivalent mängd ström, vilket balanserar I x V-storleken över ingången och produktionen alltid upp till märket ... vi kan inte förvänta oss något mer än detta från den här användbara gadgeten, eller hur?

Ovanstående automatiska spårning och korrekt konvertering av parametrarna implementeras med hjälp av en PWM tracker-scenen och a buck omvandlare scen , eller ibland a buck-boost omvandlarsteg , även om en ensam buck-omvandlare ger bättre resultat och är enklare att implementera.

Design nr 1: MPPT med PIC16F88 med 3-nivå laddning

I det här inlägget studerar vi en MPPT-krets som liknar IC 555-designen, den enda skillnaden är användningen av en mikrokontroller PIC16F88 och en förbättrad 3-nivå laddningskrets.

Stegvisa arbetsuppgifter

Grundfunktionen för de olika stadierna kan förstås med hjälp av följande beskrivning:

1) Panelutgången spåras genom att extrahera ett par information från den genom tillhörande potentiella delningsnätverk.

2) En opamp från IC2 är konfigurerad som en spänningsföljare och den spårar den momentana spänningsutmatningen från panelen genom en potentialdelare vid dess pin3 och matar informationen till relevant avkänningsstift på PIC.

3) Den andra opampen från IC2 blir ansvarig för att spåra och övervaka den varierande strömmen från panelen och matar densamma till en annan avkänningsingång från PIC.

4) Dessa två ingångar behandlas internt av MCU för att utveckla en motsvarande skräddarsydd PWM för buckomvandlarsteget associerat med dess stift nr 9.

5) PWM-utgången från PIC är buffrad av Q2, Q3 för att utlösa P-mosfet-växlingen på ett säkert sätt. Den tillhörande dioden skyddar mosfetgrinden från överspänningar.

6) Mosfet växlar i enlighet med de omkopplande PWM: erna och modulerar buck-omvandlarsteget som bildas av induktorn L1 och D2.

7) Ovanstående procedurer ger den mest lämpliga utgången från buck-omvandlaren som är lägre i spänning enligt batteriet, men rik på ström.

8) Utgången från bocken justeras ständigt och justeras på lämpligt sätt av IC med hänvisning till den skickade informationen från de två opamperna som är associerade med solpanelen.

9) Utöver ovanstående MPPT-reglering är PIC också programmerad att övervaka batteriladdningen genom tre diskreta nivåer, som normalt anges som bulkläge, absorptionsläge, och flytläget.

10) MCU: n 'håller ett öga' på den stigande batterispänningen och justerar bockströmmen i enlighet därmed och bibehåller de rätta amperenivåerna under de 3 laddningsnivåerna. Detta görs i kombination med MPPT-kontrollen, det är som att hantera två situationer åt gången för att leverera de mest gynnsamma resultaten för batteriet.

11) Själva PIC-enheten levereras med en precisionsreglerad spänning vid sin Vdd-pinout genom IC TL499, vilken annan lämplig spänningsregulator som helst kan bytas ut här för att göra densamma.

12) En termistor kan också ses i konstruktionen, detta kan vara valfritt men kan effektivt konfigureras för att övervaka batteritemperaturen och mata informationen till PIC, som enkelt bearbetar denna tredje information för att skräddarsy utmatningen och se till att batteritemperaturen stiger aldrig över osäkra nivåer.

13) LED-indikatorerna associerade med PIC indikerar de olika laddningstillstånden för batteriet som gör det möjligt för användaren att få en uppdaterad information om batteriets laddningstillstånd under hela dagen.

14) Den föreslagna MPPT-kretsen som använder PIC16F88 med 3-nivå laddning stöder 12V batteriladdning samt 24V batteriladdning utan någon förändring i kretsen, förutom de värden som visas inom parentes och VR3-inställning som måste justeras för att utgången ska kunna 14,4V vid starten för ett 12V batteri och 29V för ett 24V batteri.

Programmeringskod kan laddas ner här

Design nr 2: Synkron omkopplare MPPT batterikontroll

Den andra designen är baserad på enheten bq24650 som inkluderar en avancerad inbyggd MPPT Synchronous Switch-Mode Battery Charge Controller. Den erbjuder en hög nivå av ingångsspänningsreglering, vilket förhindrar laddningsströmmen till batteriet varje gång ingångsspänningen sjunker under en viss mängd. Läs mer:

När ingången är ansluten med en solpanel drar laddningsstabiliseringsslingan ned laddningsförstärkaren för att säkerställa att solpanelen är aktiverad för att producera maximal effekt.

Hur IC BQ24650 fungerar

Bq24650 lovar att ge en synkron PWIVI-styrenhet med konstant frekvens med optimal noggrannhet med ström- och spänningsstabilisering, laddningskonditionering, laddningsavbrott och laddningsnivåkontroll.

Chipet laddar batteriet i tre diskreta nivåer: förkonditionering, konstant ström och konstant spänning.

Laddningen är avstängd så snart förstärkarnivån närmar sig 1/10 av den snabba laddningshastigheten. Timern för laddning är inställd på 30 minuter.

Bq2465O utan manuellt ingrepp startar om laddningsproceduren om batterispänningen återgår under en internt inställd gräns eller når ett lägst viloläge för viloläge medan ingångsspänningen går under batterispänningen.

Enheten är konstruerad för att ladda ett batteri från 2,1V till 26V med VFB internt fäst till en 2,1V återkopplingspunkt. Laddförstärkarens spec är förinställt internt genom att fixera ett väl matchat avkänningsmotstånd.

Bq24650 kan anskaffas med ett 16 stift, 3,5 x 3,5 mm ^ 2 tunn QFN-alternativ.

Kretsschema

Datablad bq24650

REGLERING OM BATTERISPÄNNING

Bq24650 använder en extremt exakt spänningsregulator för att bestämma laddningsspänningen. Laddningsspänningen är förinställd med hjälp av en motståndsdelare från batteriet till jord, med mittpunkten ansluten till VFB-stiftet.

Spänningen vid VFB-stiftet är fastspänd till 2,1 V-referens. Detta referensvärde används i följande formel för att bestämma önskad nivå av reglerad spänning:

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

där R2 är kopplad från VFB till batteriet och R1 är ansluten från VFB till GND. Li-Ion, LiFePO4 samt SMF-blybatterier är idealiskt stödda batterikemikalier.

En majoritet av överhyllan Li-ion-celler kan nu laddas effektivt upp till 4,2 V / cell. Ett LiFePO4-batteri stöder processen med väsentligt högre laddnings- och urladdningscykler, men nackdelen är att energitätheten inte är för bra. Den igenkända cellspänningen är 3,6V.

Laddningsprofilen för de två cellerna Li-Ion och LiFePO4 är förkonditionering, konstant ström och konstant spänning. För en effektiv laddnings- / urladdningslängd kan spänningsgränsen för laddningsspänningen eventuellt sänkas till 4,1 V / cell men dess energitäthet kan bli mycket lägre jämfört med den Li-baserade kemiska specifikationen, blysyra fortsätter att vara mycket föredraget batteri på grund av dess reducerade produktionskostnader samt snabba urladdningscykler.

Den gemensamma spänningströskeln är från 2,3V till 2,45V. Efter att batteriet är helt fyllt på blir en flyt- eller sippelladdning obligatorisk för att kompensera för självurladdningen. Trickladdningströskeln är 100mV-200mV under konstant spänningspunkt.

INGÅNGSSPÄNNINGSFÖRORDNING

En solpanel kan ha en exklusiv nivå på V-I eller V-P-kurvan, populärt känd som Maximum Power Point (MPP), där det kompletta solcellssystemet (PV) bygger på optimal effektivitet och genererar den erforderliga maximala uteffekten.

Konstant spänningsalgoritmen är det enklaste alternativet Maximum Power Point Tracking (MPPT) tillgängligt. Bq2465O stänger automatiskt av laddningsförstärkaren så att den maximala effektpunkten är aktiverad för att producera maximal effektivitet.

Slå på tillståndet

Chipet bq2465O innehåller en 'SLEEP'-komparator för att identifiera medel för matningsspänning på VCC-stiftet, på grund av det faktum att VCC kan avslutas både från ett batteri eller en extern AC / DC-adapterenhet.

Om VCC-spänningen är mer signifikant än SRN-spänningen och de ytterligare kriterierna är uppfyllda för laddningsprocedurerna börjar bq2465O därefter att försöka ladda ett anslutet batteri (se avsnittet Aktivera och inaktivera laddning).

Om SRN-spänningen är högre i förhållande till VCC, vilket symboliserar att ett batteri är källan från vilken strömmen hämtas, är bq2465O aktiverad för en lägre viloström (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Om VCC ligger under UVLO-gränsen är IC avstängd, varefter VREF LDO stängs av.

AKTIVERA OCH INAKTIVERA LADDNING

Följande berörda aspekter måste säkerställas innan laddningsprocessen för den föreslagna MPPT Synchronous Switch-Mode Battery Charge Controller Circuit initialiseras:

• Laddningsprocessen är aktiverad (MPPSET> 175mV)

• Enheten har inte UVLO-funktion (Under-Voltage-Lock-Out) och VCC ligger över VCCLOWV-gränsen

• IC är inte i SLEEP-funktionalitet (dvs. VCC> SRN)

• VCC-spänningen ligger under gränsen för växelströmsöverspänning (VCC

• 30 ms tidsfördröjning uppfylls efter första uppstart

• REGN LDO- och VREF LDO-spänningar är fixerade vid de angivna korsningarna

• Thermal Shut (TSHUT) har inte initierats - TS bad identifieras inte Något av följande tekniska problem kan hindra batteriets fortsatta laddning:

• Laddningen är avaktiverad (MPPSET<75mV)

• Adapteringången är frånkopplad, vilket orsakar IC för att komma in i en VCCLOWV- eller SLEEP-funktion

• Adapterens ingångsspänning är under 100 mV över batterimärket

• Adapter är märkt med högre spänning

• REGN- eller VREF LDO-spänning är inte enligt specifikationerna

• TSHUT IC-värmegräns identifieras • TS-spänningen råkar röra sig utanför det angivna området, vilket kan indikera att batteritemperaturen är extremt varm eller alternativt mycket svalare

Självutlösad inbyggd MJUKSTART-LADDARSTRÖM

Laddaren startar av sig själv mjukstart av laddarens strömstyrka varje gång laddaren går in i snabbladdningen för att fastställa att det absolut inte finns några överskridande eller stressiga förhållanden på de externt anslutna kondensatorerna eller strömomvandlaren.

Mjukstarten presenteras med att öka chagingstabiliseringsförstärkaren i åtta enhetligt utförda driftssteg bredvid den prefixade laddningsströmnivån. Alla tilldelade steg fortsätter i cirka 1,6 ms under en specificerad upp-period på 13 ms. Inte en enda extern del krävs för att möjliggöra den diskuterade operativa funktionen.

KONVERTERARFUNKTION

Den synkrona PWM-omvandlaren använder ett förutbestämt frekvensspänningsmode med matnings-forvvard-styrstrategi.

En kompensationskonfiguration av version III låter systemet integrera keramiska kondensatorer i omvandlarens utgångssteg. Kompensationsingångsteget är associerat internt mellan återkopplingsutgången (FBO) tillsammans med en felförstärkareingång (EAI).

Återkopplingskompensationssteget är riggat mellan felförstärkaringången (EAI) och felförstärkareutgång (EAO). LC-utgångsfiltersteget måste bestämmas för att möjliggöra en resonansfrekvens på cirka 12 kHz - 17 kHz för enheten, för vilken resonansfrekvensen, fo, är formulerad som:

fo = 1/2 √ oLoCo

En integrerad sågtandramp tillåts jämföra den interna EAO-felkontrollingången för att ändra omvandlarens arbetscykel.

Rampamplituden är 7% av ingångsadapterns spänning, vilket gör att den kan vara permanent och helt proportionell mot ingångsförsörjningen till adapterspänningen.

Detta eliminerar alla slags ändringar av slingförstärkningar på grund av en variation i ingångsspänningen och förenklar loopkompensationsprocedurerna. Rampen balanseras ut med 300mV så att en nollprocent arbetscykel uppnås när EAO-signalen är under rampen.

EAO-signalen är också kvalificerad att överträffa sågtandens rampsignal i syfte att uppnå ett 100% PWM-behov.

Inbyggd gate drive logik gör det möjligt att åstadkomma 99,98% arbetscykel samtidigt som bekräftar att N-kanalens övre enhet konsekvent bär så mycket som nödvändig spänning för att alltid vara 100% på.

I händelse av att BTST-stiftet till PH-stiftets spänning minskar under 4,2 V under längre intervaller, i så fall är n-channeI-effekt MOSFET avstängd medan n-channe på låg sida | ström MOSFET utlöses för att dra ner PH-noden och ladda upp BTST-kondensatorn.

Därefter normaliseras högsidadrivrutinen till 100% arbetscykelprocedur tills (BTST-PH) -spänningen observeras minska ännu en gång, på grund av att utflödesströmmen tappar BTST-kondensatorn under 4,2 V, liksom återställningspulsen är återutgiven.

Den förutbestämda frekvensoscillatorn upprätthåller styvt kommando över omkopplingsfrekvensen under de flesta omständigheter med ingångsspänning, batterispänning, laddström och temperatur, vilket förenklar utgångsfilterlayouten och håller den borta från hörbart störningstillstånd.

Design # 3: snabb MPPT-laddarkrets

Den tredje bästa MPPT-designen i vår lista förklarar en enkel MPPT-laddarkrets med hjälp av IC bq2031 från TEXAS INSTRUMENT, som är bäst lämpad för att ladda höga Ah-blybatterier snabbt och relativt snabbt

Abstrakt

Denna praktiska tillämpningsartikel är avsedd för personer som kan utveckla en MPPT-baserad blybatteriladdare med hjälp av bq2031 batteriladdare.

Den här artikeln innehåller ett strukturellt format för laddning av ett 12-timmars blybatteri som använder MPPT (maximal power point tracking) för att förbättra laddningseffektiviteten för solcellstillämpningar.

Introduktion

Det enklaste förfarandet för att ladda ett batteri från en solpanelsystem kan vara att ansluta batteriet direkt till solpanelen, men detta kanske inte är den mest effektiva tekniken.

Antag att en solpanel har en effekt på 75 W och genererar en ström på 4,65 A med en spänning på 16 V vid normal testmiljö på 25 ° C temperatur och 1000 W / m2 isolering.

Blybatteriet är märkt med en spänning på 12 V som direkt ansluter solpanelen till detta batteri skulle minska panelspänningen till 12 V och endast 55,8 W (12 V och 4,65 A) kan produceras från panelen för laddning.

En DC / DC-omvandlare kan vara mest lämplig för ekonomisk laddning här.

Detta praktiska applikationsdokument förklarar en modell som använder bq2031 för effektiv laddning.

IV-egenskaper hos solpaneler

Figur 1 visar standardaspekterna för solpanelsystem. Isc är en kortslutningsström som strömmar genom panelen om solpanelen är kortsluten.

Det råkar vara den optimala strömmen som kan extraheras från solpanelen.

Voc är den öppna kretsspänningen vid terminalerna på solpanelen.

Vmp och Imp är spännings- och strömnivåerna där maximal effekt kan köpas från solpanelen.

Medan solskenet minskar den optimala strömmen (Isc) som kan uppnås, undertrycks också den högsta strömmen från solpanelen. Figur 2 visar variation av IV-egenskaper med solljus.

Den blå kurvan länkar detaljerna om maximal effekt vid olika värden för isolering

Anledningen till MPPT-kretsen är att försöka upprätthålla solpanelens arbetsnivå vid maximal effektpunkt under flera solskenförhållanden.

Som observerats i figur 2 ändras inte spänningen där maximal effekt levereras i hög grad med solsken.

Kretsen konstruerad med bq2031 använder denna karaktär för att tillämpa MPPT.

En ytterligare strömstyrningsslinga ingår med minskad laddningsström när dagsljuset minskar samt för att upprätthålla solpanelspänningen runt den maximala effektpunktsspänningen.

bq2031-baserad MPPT-laddare

Datablad BQ2031

Figur 3 visar schemat för ett DV2031S2-kort med en extra strömstyrningsslinga adderad för att utföra MPPT med användning av operationsförstärkaren TLC27L2.

Bq2031 håller laddningsströmmen genom att behålla en spänning på 250 mV vid avkänningsmotstånd R 20. En referensspänning på 1,565 V skapas genom att använda 5 V från U2.

Ingångsspänningen jämförs med referensspänningen för att producera en felspänning som kan implementeras vid SNS-stiftet på bq2031 för att minska laddningsströmmen.

Spänningen (V mp) där maximal effekt kan erhållas från solpanelen är konditionerad med motstånd R26 och R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

Med R 27 = 1 k Ω och R 26 = 9,2 k Ω uppnås V mp = 16 V. TLC27L2 justeras internt med en bandbredd på 6 kHz vid Vdd = 5 V. Huvudsakligen på grund av att bandbredden för TLC27L2 är betydligt lägre än omkopplingsfrekvensen för bq2031 fortsätter den tillsatta strömkontrollslingan att vara konstant.

Bq2031 i den tidigare kretsen (Figur 3) erbjuder en optimal ström på 1 A.

Om solcellspanelen kan tillhandahålla tillräcklig effekt för att ladda batteriet vid 1 A, går inte den yttre kontrollslingan i funktion.

Men om isoleringen minskar och solenergipanelen kämpar för att leverera tillräckligt med energi för att ladda batteriet vid 1 A, minskar den yttre styrslingan laddningsströmmen för att bevara ingångsspänningen vid V mp.

Resultaten som visas i tabell 1 bekräftar kretsens funktion. Spänningsavläsningarna med fet stil betyder problemet när den sekundära styrslingan minimerar laddningsströmmen för att bevara ingången vid V mp

Referenser:

Texas instrument

MPPT Synchronous Switch-Mode Battery Charge Controller Circuit