3 circuitos de controlador de carga para painéis solares para carregamento eficiente da bateria

Um MPPT, como todos sabemos, refere-se ao rastreamento máximo de pontos de energia que normalmente é associado aos painéis solares para otimizar suas saídas com a máxima eficiência. Neste post, aprendemos os 3 melhores circuitos do controlador MPPT para aproveitar eficientemente a energia solar e carregar uma bateria da maneira mais eficiente.

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Onde um MPPT é usado

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

Os novos entusiastas normalmente acham o conceito difícil e confundem-se com os muitos parâmetros associados ao MPPT, como o ponto máximo de potência, o “joelho” do gráfico I / V etc.

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

A otimização dessa fonte de alimentação torna-se necessária porque normalmente os painéis solares não possuem corrente, mas possuem excesso de tensão, essas especificações anormais de um painel solar tendem a se tornar incompatíveis com cargas padrão, como baterias de 6V, 12V, que possuem uma classificação AH mais alta e uma tensão mais baixa em comparação com a especificações do painel e, além disso, a luz constante do sol torna o dispositivo extremamente inconsistente com seus parâmetros V e I.

E é por isso que exigimos um dispositivo intermediário, como um MPPT, que possa “entender” essas variações e produzir a saída mais desejável de um painel solar conectado.

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

Porquê MPPT

A idéia básica por trás de todos os MPPTs é reduzir ou diminuir 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 a magnitude de I x V na entrada e a saída sempre à altura … não podemos esperar nada mais do que isso com esse gadget útil, esperamos?

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

Projeto nº 1: MPPT usando PIC16F88 com carregamento em três níveis

Neste post, estudamos um circuito MPPT que é bastante semelhante ao projeto do IC 555, a única diferença é o uso de um microcontrolador PIC16F88 e um circuito de carregamento de três níveis aprimorado.

POR FAVOR, CONECTE O IC LM358 PIN 2 COM O PIN 1 (NÃO MOSTRADO NO DIAGRAMA)

Detalhes de trabalho passo a passo

A função básica dos vários estágios pode ser entendida com a ajuda da seguinte descrição:

1) A saída do painel é rastreada através da extração de algumas informações através das redes divisórias potenciais associadas.

2) Um opamp do IC2 é configurado como um seguidor de tensão e rastreia a saída instantânea de tensão do painel através de um divisor de potencial em seu pino3, e alimenta as informações ao pino de detecção relevante do PIC.

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

4) Essas duas entradas são processadas internamente pelo MCU para o desenvolvimento de um PWM correspondentemente adaptado para o estágio do conversor buck associado ao seu pino # 9.

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

6) O mosfet comuta de acordo com os PWMs de comutação e modula o estágio do conversor buck formado pelo indutor L1 e D2.

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

8) A saída do buck é constantemente ajustada e adequadamente ajustada pelo IC com referência às informações enviadas pelos dois opamps associados ao painel solar.

9) Além do regulamento MPPT acima, o PIC também é programado para monitorar a carga da bateria em 3 níveis distintos, que são normalmente especificados como modo a granel, modo de absorção e modo de flutuação.

10) O MCU “mantém um olho” na tensão crescente da bateria e ajusta a corrente de inversão, mantendo os níveis corretos de Ampere durante os 3 níveis do procedimento de carregamento. 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 com precisão na 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 projeto, isso pode ser opcional, mas pode ser configurado de maneira eficaz para monitorar a temperatura da bateria e fornecer as informações ao PIC, que processa sem esforço essas terceiras informações para personalizar a saída do buck, garantindo que a temperatura da bateria nunca se eleva acima de níveis inseguros.

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

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

O código de programação pode ser baixado aqui

Projeto # 2: Controlador de bateria MPPT síncrono no modo de comutador

O segundo design é baseado no dispositivo bq24650, que inclui um avançado controlador de carga de bateria com modo síncrono MPPT integrado. Oferece um alto nível de regulação da tensão de entrada, o que impede a corrente de carga da bateria cada vez que a tensão de entrada cai abaixo de uma quantidade especificada. Saber mais:

Sempre que a entrada é conectada a um painel solar, o loop de estabilização da fonte puxa o amplificador de carga para garantir que o painel solar esteja ativado para produzir a máxima potência possível.

Como o IC BQ24650 funciona

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 distintos: 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, caso a tensão da bateria reverta abaixo de um limite definido internamente ou atinja um modo de suspensão mínima de amplificador inativo enquanto a tensão de entrada fica abaixo da tensão da bateria.

O dispositivo foi projetado para carregar uma bateria de 2.1V a 26V com VFB fixo internamente em um ponto de feedback de 2.1V. A especificação do amplificador de carregamento é predefinida internamente, fixando-se um resistor sensor bem compatível.

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

Diagrama de circuito

Folha de dados bq24650

REGULAMENTO DE TENSÃO DA BATERIA

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

A tensão no pino do VFB é fixada em 2,1V, para produzir a seguinte fórmula para o nível de tensão de regulação:

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

onde R2 está vinculado do VFB à bateria e R1 está conectado do VFB ao GND. As baterias de íon de lítio, LiFePO4 e SMF de chumbo-ácido são substâncias químicas idealmente suportadas.

A maioria das células de íon de lítio na prateleira agora pode ser efetivamente carregada até 4,2V / 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-condicionante, corrente constante e tensão constante. Para uma vida útil efetiva de carga / descarga, o limite de tensão no final da carga pode ser reduzido para 4,1V / célula, no entanto, sua densidade de energia pode se tornar muito menor em comparação com a especificação química baseada em Li, o chumbo-ácido continua a ser muito bateria preferida por causa de suas despesas reduzidas de produção, bem como ciclos rápidos de descarga.

O limite de tensão comum é de 2.3V a 2.45V. Depois que a bateria é completamente recarregada, uma carga flutuante ou lenta se torna obrigatória para compensar a descarga automática. O limite de carga lenta é 100mV-200mV abaixo do ponto de tensão constante.

REGULAMENTO DE TENSÃO DE ENTRADA

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

O algoritmo de tensão constante é a opção mais fácil de rastreamento de ponto máximo de potência (MPPT) disponível. O bq2465O desliga automaticamente o amplificador de carregamento, de modo que o ponto de energia máximo seja ativado para produzir a máxima eficiência.

Condição LIGADA

O chip bq2465O incorpora um comparador “SLEEP” para identificar os meios de tensão de alimentação no pino do VCC, devido ao fato de que o VCC pode ser terminado a partir de uma bateria ou de uma unidade adaptadora AC / DC externa.

Se a tensão VCC for mais significativa, a tensão SRN e os critérios adicionais forem cumpridos para os procedimentos de carregamento, o bq2465O subseqüentemente começará a tentar carregar uma bateria conectada (consulte a seção Ativando e desativando o carregamento).

Se a tensão SRN for mais alta em relação ao VCC, simbolizando que a bateria é a fonte de onde a energia está sendo adquirida, o bq2465O é ativado para um modo SLEEP de corrente quiescente mais baixa (<15uA) para evitar vazamento de amperagem da bateria.

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

Habilitar e desabilitar o carregamento

Os seguintes aspectos em questão precisam ser garantidos antes da inicialização do processo de carregamento do circuito do controlador de carga de bateria do modo de comutação síncrona MPPT proposto:

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

• A unidade não possui a funcionalidade de bloqueio de subtensão (UVLO) e o VCC está acima do limite de VCCLOWV

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

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

• 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 com defeito não foi identificado. Qualquer um dos seguintes problemas técnicos pode inibir o carregamento contínuo da bateria:

• O carregamento está desativado (MPPSET <75mV)

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

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

• O adaptador é classificado com tensão mais alta

• A tensão REGN ou VREF LDO não é conforme as especificações

• O limite de calor do TSHUT IC é identificado. • A tensão 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 INÍCIO SOFT DE INÍCIO AUTOMÁTICO

O carregador inicia automaticamente a corrente de regulação de energia do carregador cada vez que o carregador entra na carga rápida para estabelecer que não há condições de superação ou tensão nos capacitores conectados externamente ou no conversor de energia.

O arranque suave é caracterizado pela intensificação do amplificador de estabilização de chaging em oito etapas operacionais executadas de maneira uniforme, próximo ao nível da corrente de carga prefixada. Todas as etapas atribuídas continuam por cerca de 1,6 ms, por um período especificado de 13 ms. Nenhuma parte externa é necessária para ativar a função operacional discutida.

OPERAÇÃO DO CONVERSOR

O conversor PWM buck síncrono emprega um modo de tensão de frequência predeterminado com a estratégia de controle de alimentação 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 realimentação (FBO) junto com uma entrada de 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 a 17 kHz para o dispositivo, para o qual a frequência ressonante, fo, é formulada como:

fo = 1/2 πLoCo

É permitida uma rampa de dente de serra integrada para comparar a entrada interna de controle de erros do EAO 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 completamente proporcional à fonte de entrada da tensão do adaptador.

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

O sinal EAO também está qualificado para exceder em número o sinal da rampa de dente de serra com o objetivo de alcançar uma demanda de PWM de ciclo de serviço 100%.

A lógica de acionamento de porta integrada possibilita realizar 99,98% do ciclo de trabalho ao mesmo tempo, confirmando que o dispositivo superior do canal N transporta consistentemente a tensão necessária para estar sempre 100% ligado.

No caso de a tensão entre os pinos BTST e PH diminuir abaixo de 4,2V por mais de três intervalos, nesse caso, o MOSFET de potência n-channeI do lado alto é desligado enquanto o n-channe do lado baixo | O MOSFET de energia é acionado para puxar o nó PH para baixo e carregar o capacitor BTST.

Depois disso, o driver do lado alto normaliza para 100% do procedimento do ciclo de trabalho até que a tensão (BTST-PH) diminua mais uma vez, devido à corrente de saída esgotar o capacitor BTST abaixo de 4,2 V, bem como o pulso de reinicialização. reeditado.

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 afastado do estado de distúrbios audíveis.

Projeto # 3: Circuito de Carregador MPPT Rápido

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

Abstrato

Este artigo prático de aplicação é para pessoas 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 ácido-chumbo de 12 A que emprega MPPT (rastreamento de ponto de energia máximo) para melhorar a eficiência do carregamento para aplicações fotovoltaicas.

Introdução

O procedimento mais fácil para carregar uma bateria de um sistema de painel solar pode ser conectar a bateria 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 gera uma corrente de 4,65 A com uma tensão de 16 V no ambiente de teste normal de 25 ° C de temperatura e 1000 W / m2 de insolação.

A bateria de chumbo-ácido é classificada com uma tensão de 12 V; ligar o painel solar diretamente a esta bateria reduziria 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 CC / CC pode ser o mais adequado para o carregamento econômico aqui.

Este documento prático de aplicação explica um modelo, utilizando o bq2031 para um carregamento eficaz.

IV Características do Painel Solar

A Figura 1 mostra os aspectos padrão dos sistemas de painéis solares. Isc é uma corrente de curto-circuito que flui através do painel, caso o painel solar esteja em curto-circuito.

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 nos quais a energia máxima pode ser adquirida no painel solar.

Enquanto a luz do sol diminui a corrente ideal (Isc) que pode ser alcançada, a corrente mais alta do painel solar também suprime. A Figura 2 indica variação das características IV com a luz solar.

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

O motivo do circuito MPPT é tentar manter o nível de trabalho do painel solar no ponto de potência máximo em várias condições de luz solar.

Conforme observado na Figura 2, a tensão na qual a potência máxima é fornecida não muda muito com a luz do sol.

O circuito construído com o bq2031 utiliza esse caractere para colocar em prática o MPPT.

Um loop de controle de corrente adicional é incluído com a diminuição da corrente de carga à medida que a luz do dia diminui, bem como para sustentar a tensão do painel solar em torno da tensão máxima do ponto de energia.

Carregador MPPT baseado em bq2031

Folha de dados BQ2031

A Figura 3 mostra o esquema de uma placa DV2031S2 com um loop de controle de corrente adicionado para realizar o MPPT utilizando o amplificador operacional TLC27L2.

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

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

A tensão (V mp) em que a potência máxima pode ser obtida do painel solar é condicionada utilizando 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. O TLC27L2 é ajustado internamente com uma largura de banda de 6 kHz em V dd = 5 V. Principalmente porque a largura de banda do TLC27L2 está significativamente abaixo da frequência de comutação de bq2031, o circuito de controle de corrente adicionado continua constante.

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

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

No entanto, se o isolamento diminuir e o painel de energia solar se esforçar para fornecer energia suficiente para carregar a bateria em 1 A, o loop 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 minimiza a corrente de carga para preservar a entrada em V mp

Referências:

Instrumentos Texas

Circuito síncrono do controlador de carga da bateria no modo comutador MPPT

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