MPPT כפי שכולנו מכירים מתייחס למעקב אחר נקודת הספק מקסימאלית אשר בדרך כלל משויך לפאנלים סולאריים לצורך אופטימיזציה של התפוקות שלהם ביעילות מקסימאלית. בפוסט זה אנו לומדים את שלושת מעגלי הבקר MPPT הטובים ביותר לרתמת כוח סולארי ביעילות וטעינה של סוללה בצורה היעילה ביותר.
איפה משתמשים ב- MPPT
התפוקה המותאמת ממעגלי MPPT משמשת בעיקר לטעינת סוללות ביעילות מרבית מהשמש הזמינה.
חובבים חדשים בדרך כלל מוצאים את הרעיון קשה ומתבלבלים עם הפרמטרים הרבים הקשורים ל- MPPT, כגון נקודת ההספק המרבית, 'ברך' של גרף ה- I / V וכו '
למעשה אין שום דבר מורכב כל כך במושג זה, כי פאנל סולארי אינו אלא סוג של ספק כוח.
אופטימיזציה של ספק כוח זה הופכת להיות הכרחית מכיוון שבדרך כלל פאנלים סולאריים חסרים זרם, אך הם בעלי מתח עודף, מפרט חריג זה של פאנל סולארי נוטה להיות לא תואם לעומסים סטנדרטיים כגון סוללות 6V, 12V אשר נושאות דירוג AH גבוה יותר ודירוג מתח נמוך בהשוואה ל מפרט פאנל, ויתרה מכך השמש המשתנה תדיר הופכת את המכשיר לא בקנה אחד עם פרמטרי ה- V ו- I שלו.
ובגלל זה אנו זקוקים למכשיר ביניים כגון MPPT אשר יכול 'להבין' את הווריאציות הללו ולגרום לפלט הרצוי ביותר מפאנל סולארי מחובר.
אולי כבר למדת את זה מעגל MPPT מבוסס IC 555 פשוט אשר נחקר ועוצב באופן בלעדי על ידי ומספק דוגמה מצוינת למעגל MPPT עובד.
מדוע MPPT
הרעיון הבסיסי מאחורי כל ה- MPPT הוא להפיל או לקצץ את המתח העודף מהלוח על פי מפרט העומס ולוודא שכמות המתח המופחתת מומרת לכמות זרם שווה ערך, ובכך לאזן את גודל I x V על פני הקלט. והפלט תמיד עד לסימן ... אנחנו לא יכולים לצפות ליותר מזה מהגאדג'ט השימושי הזה, נכון?
המעקב האוטומטי שלעיל והמרה מתאימה של הפרמטרים ביעילות מיושמת באמצעות PWM שלב הגשש ו שלב ממיר באק , או לפעמים א שלב ממיר באק-בוסט , אם כי ממיר באק בודד נותן תוצאות טובות יותר ופשוט יותר ליישום.
עיצוב מס '1: MPPT באמצעות PIC16F88 עם טעינה בת 3 רמות
בפוסט זה אנו בוחנים מעגל MPPT הדומה למדי לעיצוב IC 555, ההבדל היחיד הוא השימוש במיקרו-בקר PIC16F88 ובמעגל טעינה משופר בעל 3 רמות.
שלב אחר שלב עבודה עבודה
ניתן להבין את הפונקציה הבסיסית של השלבים השונים בעזרת התיאור הבא:
1) ניתן לעקוב אחר פלט הפאנל על ידי חילוץ של כמה מידע ממנו דרך רשתות המחלקים הפוטנציאליות הקשורות.
2) אופמפ אחד מ- IC2 מוגדר כעוקב מתח והוא עוקב אחר פלט המתח המיידי מהלוח דרך מחלק פוטנציאלי בסיכה 3, ומעביר את המידע לסיכת החישה הרלוונטית של ה- PIC.
3) המבצע השני של IC2 הופך לאחראי על מעקב ומעקב אחר הזרם המשתנה מהלוח ומזין אותו לקלט חישה אחר של ה- PIC.
4) שתי הכניסות הללו מעובדות באופן פנימי על ידי ה- MCU לפיתוח PWM המותאם בהתאמה לשלב הממיר באק המשויך לסיכה מס '9.
5) ה- PWM שיוצא מה- PIC נאגר על ידי Q2, Q3 להפעלת מיתוג ה- P-mosfet בבטחה. הדיודה הנלווית מגנה על שער המוספט מפני מתח יתר.
6) המוספט עובר בהתאם ל- PWM המיתוג ומווסת את שלב ממיר הכסף שנוצר על ידי המשרן L1 ו- D2.
7) ההליכים הנ'ל מייצרים את הפלט המתאים ביותר מממיר הדולר הנמוך במתח בהתאם לסוללה, אך עשיר בזרם.
8) התפוקה מהכסף משופצת כל הזמן ומותאמת כראוי על ידי ה- IC בהתייחס למידע שנשלח משתי האורות המשויכים לפאנל הסולארי.
9) בנוסף לתקנת MPPT הנ'ל, ה- PIC מתוכנת גם לפקח על טעינת הסוללה דרך 3 רמות נפרדות, המוגדרות בדרך כלל כ- מצב בתפזורת, מצב קליטה, ומצב הצפה.
10) ה- MCU 'שומר עין' על מתח הסוללה העולה ומתאים את זרם הכסף בהתאם לשמירה על רמות האמפר הנכונות במהלך שלוש רמות הטעינה. זה נעשה בשילוב עם בקרת MPPT, זה כמו טיפול בשני מצבים בכל פעם כדי לספק את התוצאות הנוחות ביותר עבור הסוללה.
11) ה- PIC עצמו מסופק עם מתח מוסדר מדויק בתאריך ה- Vdd שלו דרך ה- IC TL499, כל ויסות מתח מתאים אחר יכול להיות מוחלף כאן לצורך ביצוע אותו.
12) ניתן לראות תרמיסטור גם בתכנון. זה עשוי להיות אופציונלי, אך ניתן להגדיר אותו בצורה יעילה לניטור טמפרטורת הסוללה ולהזנת המידע ל- PIC, אשר מעבד ללא מאמץ את המידע השלישי הזה לצורך התאמת תפוקת הכסף ומוודא שטמפרטורת הסוללה אף פעם לא עולה מעל רמות לא בטוחות.
13) מחווני ה- LED המשויכים ל- PIC מציינים את מצבי הטעינה השונים של הסוללה המאפשרים למשתמש לקבל מידע עדכני בנוגע למצב הטעינה של הסוללה לאורך כל היום.
14) מעגל MPPT המוצע באמצעות PIC16F88 עם טעינת 3 רמות תומך בטעינה של סוללה 12V וכן טעינת סוללות 24V ללא כל שינוי במעגל, למעט הערכים המוצגים בסוגריים ובהגדרת VR3 שיש להתאים כדי לאפשר את הפלט 14.4 וולט בהתחלה לסוללת 12 וולט ו -29 וולט לסוללה 24 וולט.
ניתן להוריד קוד תכנות כאן
עיצוב מס '2: בקר סוללות MPPT במצב מתג סינכרוני
העיצוב השני מבוסס על המכשיר bq24650 הכולל בקר טעינת סוללות במצב מתג MPPT מובנה מתקדם. הוא מציע רמה גבוהה של ויסות מתח כניסה, המונע את זרם הטעינה לסוללה בכל פעם שמתח הכניסה יורד מתחת לכמות מוגדרת. למד עוד:
בכל פעם שהכניסה מחוברת עם פאנל סולארי, לולאת ייצוב האספקה מושכת את מגבר הטעינה כלפי מטה כדי להבטיח שהפאנל הסולארי מופעל לייצר תפוקת כוח מרבית.
כיצד מתפקד ה- IC BQ24650
ה- bq24650 מבטיח לספק בקר PWIVI סינכרוני בתדר קבוע עם רמת דיוק אופטימלית עם ייצוב זרם ומתח, מיזוג מטען מראש, ניתוק טעינה ובדיקת רמת טעינה.
השבב טוען את הסוללה ב -3 רמות נפרדות: מיזוג מראש, זרם קבוע ומתח קבוע.
הטעינה מנותקת ברגע שרמת המגבר מתקרבת ל -1 / 10 מקצב הטעינה המהיר. טיימר הטעינה מראש מוגדר להיות 30 דקות.
ה- bq2465O ללא התערבות ידנית מפעיל מחדש את הליך הטעינה במקרה שמתח הסוללה חוזר מתחת לגבול שהוגדר באופן פנימי או יגיע למצב שינה מינימלי של מגבר שקט בזמן שמתח הכניסה יורד מתחת למתח הסוללה.
המכשיר נועד להטעין סוללה מ -2.1 וולט ל -26 וולט עם VFB קבוע פנימית לנקודת משוב של 2.1 וולט. מפרט מגבר הטעינה מוגדר מראש על ידי קיבוע נגד חישה תואם היטב.
ניתן לרכוש את ה- bq24650 עם אפשרות של 16 פינים, 3.5 x 3.5 מ'מ ^ 2 QFN דק.
תרשים מעגלים
תקנת מתח הסוללה
ה- bq24650 מפעיל רגולטור מתח מדויק במיוחד להחלטה על מתח הטעינה. מתח הטעינה מוגדר מראש באמצעות מחלק נגדים מהסוללה לקרקע, כאשר נקודת האמצע מחוברת לסיכת ה- VFB.
המתח בסיכת ה- VFB מהודק להפניה של 2.1 וולט. ערך ייחוס זה משמש בנוסחה הבאה לקביעת רמת המתח המווסתת הרצויה:
V (batt) = 2.1V x [1 + R2 / R1]
כאשר R2 מקושר בין VFB לסוללה ו- R1 מחובר מ- VFB ל- GND. Li-Ion, LiFePO4, כמו גם סוללות עופרת מסוג SMF הם כימיקלים לסוללות הנתמכות באופן אידיאלי.
כעת ניתן לטעון למעשה רוב תאי ליתיום-יון עד 4.2V / תא. סוללת LiFePO4 תומכת בתהליך של מחזורי טעינה ופריקה גבוהים משמעותית, אך הצד למטה הוא שצפיפות האנרגיה אינה טובה מדי. מתח התא המוכר הוא 3.6 וולט.
פרופיל המטען של שני התאים Li-Ion ו- LiFePO4 הוא התניה מוקדמת, זרם קבוע ומתח קבוע. למשך חיי טעינה / פריקה יעילים, יתכן שמגבלת המתח בסוף המטען תצטמצם ל -4.1 V / תא אולם צפיפות האנרגיה יכולה להיות נמוכה בהרבה בהשוואה למפרט הכימי מבוסס Li, חומצת עופרת ממשיכה להיות סוללה מועדפת בהרבה בגלל הוצאות הייצור המופחתות שלה וכן מחזורי פריקה מהירים.
סף המתח המשותף הוא מ -2.3 וולט ל -2.45 וולט. לאחר שנראה כי המילוי מלא בסוללה, טעינה צפה או זרזיף הופכת להיות חובה על מנת לפצות על הפריקה העצמית. סף הטעינה הטפטוף הוא 100mV-200mV מתחת לנקודת המתח הקבועה.
תקנת מתח כניסה
לפאנל סולארי יכול להיות מפלס בלעדי בעקומת V-I או V-P, הידועה בכינויו נקודת ההספק המקסימאלית (MPP), שבה מערכת הפוטו-וולטאית (PV) השלמה נשענת על יעילות אופטימלית ומייצרת את עוצמת המוצא המרבית הנדרשת.
אלגוריתם המתח הקבוע הוא האפשרות הקלה ביותר למעקב אחר נקודת כוח מקסימאלית (MPPT). ה- bq2465O מכבה את מגבר הטעינה באופן אוטומטי כך שמופעלת נקודת ההספק המרבית לייצור יעילות מקסימאלית.
הפעל מצב
השבב bq2465O משלב משווה 'SLEEP' לזיהוי אמצעי מתח האספקה על סיכת VCC, בגלל העובדה ש- VCC עשוי להסתיים הן מסוללה והן מיחידת מתאם AC / DC חיצונית.
אם מתח ה- VCC משמעותי יותר במתח ה- SRN והקריטריונים הנוספים מתקיימים לנהלי הטעינה, לאחר מכן מתחיל bq2465O לנסות לטעון סוללה מחוברת (עיין בסעיף הפעלה והשבתה של טעינה).
אם מתח SRN גבוה יותר ביחס ל- VCC, המסמל כי סוללה היא המקור שממנו נרכש הכוח, ה- bq2465O מופעל לזרם שקט נמוך יותר (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.
אם VCC נמצא מתחת למגבלת ה- UVLO, ה- IC מנותק, ולאחר מכן VREF LDO מכובה.
טעינה פעילה ומושבתת
יש לוודא את ההיבטים הנוגעים בדבר הבא לפני אתחול תהליך הטעינה של מעגל בקר טעינת הסוללה במצב מתג סינכרוני MPPT:
• תהליך הטעינה מופעל (MPPSET> 175mV)
• היחידה אינה פונקציונאלית תחת נעילת מתח (UVLO) ו- VCC נמצא מעל מגבלת VCCLOWV
• IC אינו פונקציונלי SLEEP (כלומר VCC> SRN)
• מתח ה- VCC נמצא מתחת למגבלת מתח-יתר AC (VCC) • חלוף הזמן של 30ms הושלם לאחר ההפעלה הראשונה • מתח LDO ו- VREF LDO קבוע בצמתים שצוינו • הכיבוי התרמי (TSHUT) אינו מאותחל - TS TS אינו מזוהה. אחת מהבעיות הטכניות הבאות עשויה לעכב את המשך טעינת הסוללה: • הטעינה מושבתת (MPPSET<75mV) • כניסת המתאם מנותקת, מה שמעורר את ה- IC להיכנס לפונקציונליות VCCLOWV או SLEEP • מתח הכניסה של המתאם נמוך מ- 100mV מעל לסימן הסוללה • המתאם מדורג במתח גבוה יותר • מתח REGN או VREF LDO אינו בהתאם למפרט • מזוהה מגבלת החום של TSHUT • מתח ה- TS קורה מחוץ לטווח שצוין, מה שעשוי להצביע על כך שטמפרטורת הסוללה חמה במיוחד או לחילופין קרירה בהרבה מפעיל מטען מובנה SOFT-START מטען זרם המטען בעצמו מפעיל את זרם ויסות הכוח של המטען בכל פעם שהמטען עובר למטען המהיר כדי לקבוע כי אין לחלוטין יתר על המידה או תנאי לחץ על הקבלים המחוברים חיצונית או ממיר הכוח. ההתחלה הרכה מוצגת עם הגדלת מגבר ייצוב הצ'אגינג לשמונה שלבים מבצעיים המבוצעים באופן אחיד לצד רמת זרם הטעינה המקודמת. כל השלבים שהוקצו נמשכים כ- 1.6ms, לתקופת Up מוגדרת של 13ms. לא נקראים חלקים חיצוניים בודדים המאפשרים את הפונקציה המבצעית הנדונה. ממיר ה- PWM ה- BW סינכרוני משתמש במצב מתח תדרים קבוע מראש עם אסטרטגיית בקרת הזנה. תצורה של פיצוי גרסה III מאפשרת למערכת לשלב קבלים קרמיים בשלב הפלט של הממיר. שלב קלט הפיצוי משויך פנימית בין פלט המשוב (FBO) יחד עם קלט מגבר שגיאה (EAI). שלב פיצוי המשוב מתואם בין קלט מגבר השגיאה (EAI) לבין פלט מגבר השגיאה (EAO). יש לקבוע את שלב מסנן הפלט LC כדי לאפשר תדר תהודה של כ- 12 קילוהרץ - 17 קילוהרץ עבור המכשיר, שעבורו תדר התהודה, fo, מנוסח כ: fo = 1/2 √ oLoCo רמפה משולבת של מסור מותרת להשוות את הקלט הפנימי לבקרת שגיאות EAO כדי לשנות את מחזור החובה של הממיר. משרעת הרמפה היא 7% ממתאם מתאם הקלט ומאפשרת לה להיות פרופורציונאלית באופן קבוע לחלוטין לאספקת הקלט של מתח המתאם. זה מבטל כל סוג של שינויי רווח לולאה בגלל שינוי במתח הקלט ומפשט את הליכי פיצוי הלולאה. הרמפה מאוזנת ב- 300mV כך שמשיגים מחזור אפס של אפס כאשר האות EAO נמצא מתחת לרמפה. אות ה- EAO כשיר גם למספר האות של הרמפה של שן המסור במטרה להשיג דרישת PWM מחזורית של 100%. נִבנָה בְּ לוגיקה של כונן השער מאפשר לבצע מחזור חובה של 99.98% במקביל לאישור שהמכשיר העליון של התעלה N נושא באופן עקבי את המתח הדרוש כדי להיות תמיד במצב של 100%. במקרה שמתח הסיכה BTST לסיכה PH יורד מתחת ל -4.2 וולט במשך יותר משלושה מרווחים, במקרה זה ה- MOSFET כוח ה- n-channeI בצד הגבוה מכובה ואילו ה- n-channe בצד הנמוך | כוח MOSFET מופעל כדי למשוך את צומת ה- PH ולהטעין את הקבל BTST. לאחר מכן הנהג בצד הגבוה מנרמל להליך של 100% מחזור חובה עד שמתח (BTST-PH) נצפה כשהוא יורד שוב, בגלל זרם היציאה שמדלדל את הקבל BTST מתחת ל -4.2 וולט, כמו גם דופק האיפוס הונפק מחדש. מתנד התדרים שנקבע מראש מקיים פיקוד נוקשה על תדר המיתוג ברוב הנסיבות של מתח כניסה, מתח סוללה, זרם טעינה וטמפרטורה, מפשט את פריסת מסנן הפלט ושומר אותו הרחק ממצב ההפרעות הנשמע. העיצוב השלישי הטוב ביותר MPPT ברשימה שלנו מסביר מעגל מטען פשוט MPPT באמצעות IC bq2031 מ מכשירי טקסס, המתאימה ביותר לטעינת סוללות חומצה עופרת גבוהה Ah במהירות ובקצב מהיר יחסית מאמר יישום מעשי זה מיועד לאנשים שעשויים לפתח מטען סוללות עופרת מבוסס MPPT בעזרת מטען סוללות bq2031. מאמר זה כולל פורמט מבני לטעינת סוללת חומצה עופרת בת 12 שעתיים המשתמשת ב- MPPT (מעקב אחר נקודת הספק מרבית) לשיפור יעילות הטעינה ליישומים פוטו-וולטאיים. ההליך הקל ביותר לטעינת סוללה ממערכות פאנל סולארי יכול להיות חיבור הסוללה היישר לפאנל הסולארי, אולם יתכן שזו לא הטכניקה היעילה ביותר. נניח כי פאנל סולארי נושא דירוג של 75 וואט ומייצר זרם של 4.65 A עם מתח של 16 וולט בסביבת בדיקה רגילה של טמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס ו- 1000 וואט / מ'ר של בידוד. הסוללה של חומצת עופרת מדורגת עם מתח של 12 וולט המחבר ישירות את הפאנל הסולארי לסוללה זו, יקטין את מתח הפאנל ל -12 וולט ורק 55.8 וואט (12 וולט ו -4.65 א ') ניתן לייצר מהלוח לטעינה. ממיר DC / DC עשוי להיות נחוץ ביותר לטעינה חסכונית כאן. מסמך יישום מעשי זה מסביר מודל תוך שימוש ב- bq2031 לטעינה יעילה. איור 1 מציג את ההיבטים הסטנדרטיים של מערכות פאנלים סולאריים. ISC הוא זרם קצר המזרם דרך הפאנל למקרה שהקולקול מקצר. זה במקרה הזרם האופטימלי שעשוי להיות מופק מהלוח הסולארי. Voc הוא המתח במעגל הפתוח במסופי הלוח הסולארי. Vmp ו- Imp הם המתח והזרם בהם ניתן לרכוש כוח מרבי מהפאנל הסולארי. בעוד שהשמש מקטינה את הזרם האופטימלי (Isc) שניתן להגיע אליו, הזרם הגבוה ביותר מהלוח הסולארי גם מדכא. איור 2 מציין וריאציה של מאפייני IV עם אור השמש. העקומה הכחולה מקשרת בין פרטי ההספק המרבי בערכי בידוד שונים הסיבה למעגל MPPT היא לנסות לקיים את רמת העבודה של הפאנל הסולארי בנקודת ההספק המרבית בכמה תנאי שמש. כפי שנצפה באיור 2, המתח שבו מועבר הספק מרבי אינו משתנה במידה רבה עם אור השמש. המעגל שנבנה עם bq2031 עושה שימוש בתו זה כדי להוציא לפועל MPPT. לולאת בקרת זרם נוספת כלולה עם הפחתת זרם הטעינה עם ירידת אור היום וכן שמירה על מתח פאנל סולארי סביב מתח נקודת ההספק המרבי. איור 3 מציג את התרשים של לוח DV2031S2 עם לולאת בקרת זרם נוספת שנוספה לביצוע ה- MPPT תוך שימוש במגבר התפעולי TLC27L2. ה- bq2031 שומר על זרם הטעינה על ידי שמירה על מתח של 250 mV בהתנגדות החישה R 20. מתח התייחסות של 1.565 V נוצר באמצעות 5 וולט מ- U2. מתח הקלט מושווה למתח הייחוס כדי לייצר מתח שגיאה שיכול להיות מיושם בסיכת SNS של bq2031 כדי להפחית את זרם הטעינה. המתח (Vmp) שבו ניתן לרכוש הספק מרבי מהפאנל הסולארי מותנה באמצעות נגדים R26 ו- R27. V mp = 1.565 (R 26 + R 27) / R 27. עם R 27 = 1 k Ω ו- R 26 = 9.2 k Ω, V mp = 16 V מושגת. TLC27L2 מותאם באופן פנימי עם רוחב פס של 6 קילוהרץ ב- V dd = 5 V. בעיקר מכיוון שרוחב הפס של TLC27L2 נמוך משמעותית מתדר המיתוג של bq2031, לולאת הבקרה הנוספת הנוספת ממשיכה להיות קבועה. ה- bq2031 במעגל הקודם (איור 3) מציע זרם אופטימלי של 1 A. במקרה שלוח החשמל הסולארי יכול לספק כוח מספק להטענת הסוללה על 1 A, לולאת הבקרה החיצונית אינה עוברת לפעולה. עם זאת, אם הבידוד מצטמצם ולוח החשמל הסולארי מתקשה לספק אנרגיה מספקת לטעינת הסוללה ב -1 A, לולאת הבקרה החיצונית מקטינה את זרם הטעינה כדי לשמור על מתח הכניסה ב- V MP התוצאות שהוצגו בטבלה 1 מאשרות את תפקוד המעגל. קריאות המתח באותיות מודגשות מסמלות את הבעיה בכל פעם שלולאת הבקרה המשנית ממזערת את זרם הטעינה כדי לשמור על הקלט ב- V mp הפניות: מעגל בקר טעינת סוללות במצב מתג סינכרוני MPPT הפעלת ממיר
עיצוב מס '3: מעגל מטען מהיר MPPT
תַקצִיר
מבוא
מאפייני ה- IV של פאנל סולארי
מטען MPPT מבוסס bq2031
קודם: נחקרו 3 מעגלי חיישני קירבה קלים הבא: מעגל אור חג המולד עם 8 פונקציות
