Os 3 melhores circuitos de controlador de carga solar MPPT para carregamento eficiente da bateria

Os 3 melhores circuitos de controlador de carga solar MPPT para carregamento eficiente da bateria

Um MPPT, como todos sabemos, refere-se ao rastreamento do ponto de potência máxima, normalmente associado a painéis solares para otimizar seus resultados com a máxima eficiência. Nesta postagem, aprendemos os 3 melhores circuitos de controlador MPPT para aproveitar com eficiência a energia solar e carregar uma bateria da maneira mais eficiente.



Onde um MPPT é usado

A saída otimizada dos circuitos MPPT é usada principalmente para carregar baterias com eficiência máxima da luz do sol disponível.

Os novatos normalmente acham o conceito difícil e se confundem com os muitos parâmetros associados ao MPPT, como o ponto de potência máxima, 'joelho' do gráfico I / V etc.





Na verdade, não há nada tão complexo nesse conceito, porque um painel solar nada mais é que uma forma de fonte de alimentação.

Otimizar esta fonte de alimentação torna-se necessário porque normalmente os painéis solares não têm corrente, mas possuem tensão em excesso. Essas especificações anormais de um painel solar tendem a se tornar incompatíveis com cargas padrão, como baterias de 6V, 12V que carregam classificação AH superior e classificação de tensão inferior em comparação com o as especificações do painel e, além disso, a luz do sol sempre variável torna o dispositivo extremamente inconsistente com seus parâmetros V e I.



E é por isso que exigimos um dispositivo intermediário, como um MPPT, que pode 'entender' essas variações e produzir a saída mais desejada de um painel solar conectado.

Você já deve ter estudado isso circuito MPPT baseado em IC 555 simples que é exclusivamente pesquisado e projetado por mim e fornece um excelente exemplo de um circuito MPPT funcional.

Por que MPPT

A ideia básica por trás de todos os MPPTs é diminuir ou reduzir o excesso de tensão do painel de acordo com as especificações de carga, certificando-se de que a quantidade deduzida de tensão seja convertida em uma quantidade equivalente de corrente, equilibrando assim a magnitude I x V na entrada e a saída sempre à altura ... não podemos esperar nada mais do que este útil gadget, não é?

O rastreamento automático acima e a conversão adequada dos parâmetros de forma eficiente são implementados usando um PWM estágio rastreador e um estágio conversor de buck , ou às vezes um estágio conversor buck-boost , embora um conversor de dólar solitário dê melhores resultados e seja mais simples de implementar.

Design # 1: MPPT usando PIC16F88 com carregamento de 3 níveis

Nesta postagem, estudamos um circuito MPPT bastante semelhante ao design do IC 555, com a única diferença sendo o uso de um microcontrolador PIC16F88 e um circuito de carregamento de 3 níveis aprimorado.

MPPT usando PIC16F88 com carregamento de 3 níveis

Detalhes de trabalho passo a passo

A função básica das várias etapas pode ser compreendida com a ajuda da seguinte descrição:

1) A saída do painel é rastreada pela extração de algumas informações dele por meio das redes divisórias potenciais associadas.

2) Um amplificador operacional do IC2 é configurado como um seguidor de tensão e rastreia a saída de tensão instantânea do painel por meio de um divisor de potencial em seu pino 3 e alimenta a informação para o pino de detecção relevante do PIC.

3) O segundo opamp do IC2 torna-se responsável por rastrear e monitorar a variação da corrente do painel e alimenta a mesma para outra entrada de detecção do PIC.

4) Essas duas entradas são processadas internamente pelo MCU para desenvolver um PWM adaptado de forma correspondente para o estágio do conversor Buck associado ao seu pino # 9.

5) O PWM de saída do PIC é armazenado em buffer por Q2, Q3 para acionar o P-mosfet de comutação com segurança. O diodo associado protege a porta mosfet de sobretensões.

6) O mosfet muda de acordo com os PWMs de comutação e modula o estágio do conversor Buck formado pelos indutores L1 e D2.

7) Os procedimentos acima produzem a saída mais apropriada do conversor Buck, que é mais baixa em tensão conforme a bateria, mas rica em corrente.

8) A saída do buck é constantemente ajustada e adequadamente ajustada pelo IC com referência à informação enviada pelos dois opamps associados ao painel solar.

9) Além do regulamento MPPT acima, o PIC também está programado para monitorar o carregamento da bateria por meio de 3 níveis discretos, que normalmente são especificados como modo em massa, modo de absorção e modo de flutuação.

10) O MCU 'fica de olho' no aumento da tensão da bateria e ajusta a corrente de buck de acordo, mantendo os níveis corretos de amperes durante os 3 níveis de procedimento de carga. Isso é feito em conjunto com o controle MPPT, que é como lidar com duas situações ao mesmo tempo para fornecer os resultados mais favoráveis ​​para a bateria.

11) O próprio PIC é fornecido com uma tensão regulada de precisão em sua pinagem Vdd através do IC TL499, qualquer outro regulador de tensão adequado pode ser substituído aqui para renderizar o mesmo.

12) Um termistor também pode ser visto no design, isso pode ser opcional, mas pode ser configurado de forma eficaz para monitorar a temperatura da bateria e alimentar as informações para o PIC, que processa sem esforço esta terceira informação para ajustar a saída do buck, certificando-se de que a temperatura da bateria nunca sobe acima de níveis inseguros.

13) Os indicadores LED associados ao PIC indicam os vários estados de carga da bateria, o que permite ao usuário obter informações atualizadas sobre a condição de carga da bateria ao longo do dia.

14) O circuito MPPT proposto usando PIC16F88 com carregamento de 3 níveis suporta carregamento de bateria de 12V, bem como carregamento de bateria de 24V sem qualquer alteração no circuito, exceto os valores mostrados entre parênteses e configuração VR3 que precisa ser ajustado para permitir que a saída seja 14,4 V no início para uma bateria de 12 V e 29 V para uma bateria de 24 V.

O código de programação pode ser baixado aqui

Projeto 2: Controlador de bateria MPPT de modo de comutação síncrono

O segundo design é baseado no dispositivo bq24650 que inclui um avançado controlador de carga de bateria em modo de comutação síncrono MPPT integrado. Ele oferece um alto nível de regulação da tensão de entrada, que impede a corrente de carga da bateria cada vez que a tensão de entrada cai abaixo de um valor especificado. Saber mais:

Sempre que a entrada é conectada a um painel solar, o loop de estabilização de alimentação puxa para baixo o amplificador de carga para garantir que o painel solar esteja habilitado para produzir potência máxima.

Como funciona o IC BQ24650

O bq24650 promete fornecer um controlador PWIVI síncrono de frequência constante com nível ideal de precisão com estabilização de corrente e tensão, pré-condicionamento de carga, corte de carga e verificação do nível de carga.

O chip carrega a bateria em 3 níveis discretos: pré-condicionamento, corrente constante e tensão constante.

O carregamento é interrompido assim que o nível do amplificador se aproxima de 1/10 da taxa de carregamento rápido. O temporizador de pré-carga está definido para 30 minutos.

O bq2465O sem uma intervenção manual reinicia o procedimento de carregamento no caso de a tensão da bateria reverter abaixo de um limite definido internamente ou atingir um modo de suspensão de ampere quiescente mínimo enquanto a tensão de entrada cai abaixo da tensão da bateria.

O dispositivo foi projetado para carregar uma bateria de 2,1 V a 26 V com VFB fixado internamente em um ponto de feedback de 2,1 V. A especificação do amplificador de carga é predefinida internamente ao fixar um resistor de detecção bem compatível.

O bq24650 pode ser adquirido com uma opção QFN de 16 pinos, 3,5 x 3,5 mm ^ 2 fino.

Diagrama de circuito

Folha de dados bq24650

REGULAÇÃO DA TENSÃO DA BATERIA

O bq24650 emprega um regulador de tensão extremamente preciso para decidir sobre a tensão de carga. A tensão de carga é predefinida por meio de um divisor de resistor da bateria para o aterramento, com o ponto médio conectado ao pino VFB.

A tensão no pino VFB é fixada na referência de 2,1 V. Este valor de referência é usado na seguinte fórmula para determinar o nível desejado de tensão regulada:

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

onde R2 está conectado do VFB à bateria e R1 é conectado do VFB ao GND. As baterias de íon-lítio, LiFePO4, bem como as baterias de chumbo-ácido SMF são compostas de química de bateria com suporte ideal.

A maioria das células de íon de lítio ao longo da prateleira agora podem ser carregadas com eficácia até 4,2 V / célula. Uma bateria LiFePO4 suporta o processo de ciclos de carga e descarga substancialmente mais altos, mas o lado negativo é que a densidade de energia não é muito boa. A voltagem da célula reconhecida é 3,6V.

O perfil de carga das duas células Li-Ion e LiFePO4 é pré-condicionamento, corrente constante e tensão constante. Para uma vida de carga / descarga efetiva, o limite de tensão de fim de carga pode ser reduzido para 4,1 V / célula, no entanto, sua densidade de energia pode se tornar muito mais baixa em comparação com a especificação química à base de Li, o ácido de chumbo continua a ser uma bateria muito preferida por causa de suas despesas de produção reduzidas, bem como ciclos de descarga rápidos.

O limite de tensão comum é de 2,3 V a 2,45 V. Depois que a bateria está completamente carregada, uma carga flutuante ou lenta torna-se obrigatória para compensar a autodescarga. O limite de carga residual é 100mV-200mV abaixo do ponto de tensão constante.

REGULAÇÃO DE TENSÃO DE ENTRADA

Um painel solar pode ter um nível exclusivo na curva V-I ou V-P, popularmente conhecido como Ponto de Potência Máximo (MPP), em que o sistema fotovoltaico (PV) completo depende com eficiência ideal e gera a potência de saída máxima necessária.

O algoritmo de tensão constante é a opção mais fácil de Rastreamento de Ponto de Potência Máxima (MPPT) disponível. O bq2465O desliga automaticamente o amplificador de carga de forma que o ponto de potência máxima seja habilitado para produzir eficiência máxima.

Condição de ligar

O chip bq2465O incorpora um comparador 'SLEEP' para identificar os meios de tensão de alimentação no pino VCC, devido ao fato de que o VCC pode ser terminado em uma bateria ou em uma unidade adaptadora CA / CC externa.

Se a tensão VCC for mais significativa que a tensão SRN, e os critérios adicionais forem atendidos para os procedimentos de carga, o bq2465O subsequentemente começa a tentar carregar uma bateria conectada (consulte a seção Habilitando e desabilitando o carregamento).

Se a tensão SRN for maior em relação ao VCC, simbolizando que a bateria é a fonte de onde a energia está sendo adquirida, o bq2465O é habilitado para uma corrente quiescente mais baixa (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Se o VCC estiver abaixo do limite de UVLO, o IC é cortado, após o qual o VREF LDO é desligado.

ATIVAR E DESATIVAR O CARREGAMENTO

Os seguintes aspectos em questão precisam ser assegurados antes que o processo de carregamento do circuito controlador de carga de bateria em modo de comutação síncrono MPPT seja inicializado:

• O processo de carregamento está habilitado (MPPSET> 175mV)

• A unidade não está na funcionalidade Under-Voltage-Lock-Out (UVLO) e VCC está acima do limite VCCLOWV

• O IC não está na funcionalidade SLEEP (ou seja, VCC> SRN)

• A tensão VCC está abaixo do limite de sobretensão CA (VCC

• O lapso de tempo de 30 ms é cumprido após a primeira inicialização

• As tensões REGN LDO e VREF LDO são fixadas nas junções especificadas

• O fechamento térmico (TSHUT) não foi inicializado - TS defeituoso não foi identificado. Qualquer um dos seguintes problemas técnicos pode inibir o processo de carregamento da bateria:

• O carregamento está desativado (MPPSET<75mV)

• A entrada do adaptador está desconectada, fazendo com que o IC entre em uma funcionalidade VCCLOWV ou SLEEP

• A tensão de entrada do adaptador está abaixo de 100mV acima da marca da bateria

• O adaptador é classificado com voltagem mais alta

• Voltagem REGN ou VREF LDO não está de acordo com as especificações

• O limite de calor de TSHUT IC é identificado • A tensão de TS sai da faixa especificada, o que pode indicar que a temperatura da bateria está extremamente quente ou, alternativamente, muito mais fria

CORRENTE DE CARREGADOR DE SOFT-START embutido com acionamento automático

O carregador, por si só, inicia a corrente de regulação de energia do carregador cada vez que o carregador passa para a carga rápida para estabelecer que não há absolutamente nenhum excesso ou condições estressantes nos capacitores conectados externamente ou no conversor de energia.

O soft-start é caracterizado por intensificar o amplificador de estabilização de chaging em oito etapas operacionais executadas uniformemente ao lado do nível de corrente de carga prefixado. Todas as etapas atribuídas continuam por cerca de 1,6 ms, por um período de atividade especificado de 13 ms. Nem uma única peça externa é chamada para habilitar a função operacional discutida.

OPERAÇÃO DO CONVERSOR

O conversor Síncrono Buck PWM emprega um modo de tensão de frequência predeterminada com estratégia de controle feed-forvvard.

Uma configuração de compensação da versão III permite que o sistema incorpore capacitores de cerâmica no estágio de saída do conversor. O estágio de entrada de compensação é associado internamente entre a saída de feedback (FBO) junto com uma entrada do amplificador de erro (EAI).

O estágio de compensação de feedback é montado entre a entrada do amplificador de erro (EAI) e a saída do amplificador de erro (EAO). O estágio do filtro de saída LC precisa ser determinado para permitir uma frequência ressonante de cerca de 12 kHz - 17 kHz para o dispositivo, para o qual a frequência ressonante, fo, é formulada como:

fo = 1/2 √ oLoCo

Uma rampa de dente de serra integrada é permitida para comparar a entrada de controle de erro EAO interno para alterar o ciclo de trabalho do conversor.

A amplitude da rampa é de 7% da tensão do adaptador de entrada, permitindo que seja permanente e totalmente proporcional à alimentação de entrada da tensão do adaptador.

Isso cancela qualquer tipo de alteração de ganho do loop devido a uma variação na tensão de entrada e simplifica os procedimentos de compensação do loop. A rampa é equilibrada em 300mV, de modo que um ciclo de trabalho de zero por cento seja alcançado quando o sinal EAO estiver abaixo da rampa.

O sinal EAO é igualmente qualificado para superar o sinal de rampa dente de serra com o propósito de atingir uma demanda de PWM de ciclo de trabalho de 100%.

Construídas em lógica do portão torna possível realizar o ciclo de trabalho de 99,98% ao mesmo tempo, confirmando que o dispositivo superior do canal N carrega de forma consistente a tensão necessária para estar sempre 100% ligado.

No caso de a tensão do pino BTST para o pino PH reduzir abaixo de 4,2 V por mais de três intervalos, nesse caso, o MOSFET de energia do canal n do lado alto é desligado enquanto o canal n do lado baixo | O power MOSFET é acionado para puxar o nó PH para baixo e carregar o capacitor BTST.

Depois disso, o driver do lado alto normaliza para o procedimento de ciclo de trabalho de 100% até que a tensão (BTST-PH) seja observada para diminuir novamente, por conta da corrente de saída esgotando o capacitor BTST abaixo de 4,2 V, bem como o pulso de reset é reemitido.

O oscilador de frequência predeterminado mantém um comando rígido sobre a frequência de comutação na maioria das circunstâncias de tensão de entrada, tensão da bateria, corrente de carga e temperatura, simplificando o layout do filtro de saída e mantendo-o longe do estado de perturbações audíveis.

Projeto # 3: Circuito Carregador MPPT Rápido

O terceiro melhor projeto MPPT em nossa lista explica um circuito carregador MPPT simples usando o IC bq2031 da INSTRUMENTOS TEXAS, que é mais adequado para carregar baterias de chumbo-ácido de alto Ah rapidamente e com uma taxa relativamente rápida

Resumo

Este artigo de aplicação prática é para os indivíduos que podem estar desenvolvendo um carregador de bateria de chumbo-ácido baseado em MPPT com o auxílio do carregador de bateria bq2031.

Este artigo inclui um formato estrutural para carregar uma bateria de chumbo-ácido de 12 A-h que emprega MPPT (rastreamento de ponto de potência máxima) para melhorar a eficiência de carregamento para aplicações fotovoltaicas.

Introdução

O procedimento mais fácil para carregar uma bateria de um sistema de painel solar pode ser conectá-la diretamente ao painel solar; no entanto, essa pode não ser a técnica mais eficaz.

Suponha que um painel solar tenha uma classificação de 75 W e gere uma corrente de 4,65 A com uma tensão de 16 V em ambiente de teste normal de temperatura de 25 ° C e 1000 W / m2 de insolação.

A bateria de chumbo-ácido é classificada com uma tensão de 12 V conectando diretamente o painel solar a esta bateria diminuiria a tensão do painel para 12 V e apenas 55,8 W (12 V e 4,65 A) poderiam ser produzidos a partir do painel para carregamento.

Um conversor DC / DC pode ser mais adequadamente necessário para um carregamento econômico aqui.

Este documento de aplicação prática explica um modelo, fazendo uso do bq2031 para um carregamento eficaz.

Características I-V do painel solar

A Figura 1 mostra os aspectos padrão de um sistema de painel solar. Isc é uma corrente de curto-circuito que flui através do painel caso o painel solar entre em curto-circuito.

Acontece que é a corrente ideal que pode ser extraída do painel solar.

Voc é a tensão de circuito aberto nos terminais do painel solar.

Vmp e Imp são os níveis de tensão e corrente em que a potência máxima pode ser adquirida do painel solar.

Enquanto a luz do sol diminui a corrente ótima (Isc) que pode ser atingida, a corrente mais alta do painel solar também suprime. A Figura 2 indica a variação das características I-V com a luz do sol.

A curva azul liga os detalhes da potência máxima em vários valores de insolação

A razão para o circuito MPPT é tentar sustentar o nível de trabalho do painel solar no ponto de potência máxima em várias condições de luz do sol.

Conforme observado na Figura 2, a tensão onde a potência máxima é fornecida não se altera muito com a luz do sol.

O circuito construído com o bq2031 faz uso desse caractere para colocar em prática o MPPT.

Um loop de controle de corrente adicional é incluído para diminuir a corrente de carga conforme a luz do dia diminui, bem como para manter a tensão do painel solar em torno da tensão máxima do ponto de potência.

Carregador MPPT baseado em bq2031

Folha de Dados BQ2031

A Figura 3 exibe o esquema de uma placa DV2031S2 com um loop de controle de corrente adicionado para realizar o MPPT fazendo uso do amplificador operacional TLC27L2.

O bq2031 mantém a corrente de carga retendo uma tensão de 250 mV na resistência de detecção R 20. Uma tensão de referência de 1,565 V é criada usando 5 V de U2.

A tensão de entrada é comparada com a tensão de referência para produzir uma tensão de erro que poderia ser implementada no pino SNS de bq2031 para diminuir a corrente de carga.

A tensão (V mp) onde a potência máxima pode ser adquirida do painel solar é condicionada empregando os resistores R26 e R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

Com R 27 = 1 k Ω e R 26 = 9,2 k Ω, V mp = 16 V é alcançado. TLC27L2 é ajustado internamente com uma largura de banda de 6 kHz em V dd = 5 V. Principalmente porque a largura de banda de TLC27L2 está significativamente abaixo da frequência de chaveamento de bq2031, a malha de controle de corrente adicionada continua a ser constante.

O bq2031 no circuito anterior (Figura 3) oferece uma corrente ótima de 1 A.

Caso o painel de energia solar possa fornecer energia adequada para carregar a bateria a 1 A, o circuito de controle externo não entra em ação.

No entanto, se o isolamento for reduzido e o painel de energia solar se esforçar para fornecer energia suficiente para carregar a bateria em 1 A, o circuito de controle externo diminui a corrente de carga para preservar a tensão de entrada em V mp.

Os resultados demonstrados na Tabela 1 confirmam o funcionamento do circuito. As leituras de tensão em negrito significam o problema sempre que o circuito de controle secundário está minimizando a corrente de carga para preservar a entrada em V mp

Referências:

Instrumentos Texas

Circuito Controlador de Carga de Bateria em Modo Comutador Síncrono MPPT




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