Melhores 3 circuitos solares de controlador de carga MPPT para carregamento eficiente da bateria

Um MPPT, como todos sabemos, refere-se ao monitoramento do ponto máximo de energia geralmente associado aos painéis solares para otimizar suas saídas com a máxima eficiência. Neste post, aprendemos os 3 principais circuitos de driver MPPT para aproveitar eficientemente 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 a máxima eficiência da luz solar disponível.

Os recém-chegados geralmente acham o conceito difícil e ficam confusos com os muitos parâmetros associados ao MPPT, como o ponto de potência máximo, Gráfico I / V “joelho” etc.

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

A otimização dessa fonte de alimentação é necessária porque os painéis solares geralmente estão com pouca potência, mas com tensão excessiva, essas especificações anormais de um painel solar tendem a ser incompatíveis com cargas padrão como baterias de 6V, 12V Eles têm uma classificação AH mais alta e uma tensão mais baixa em comparação com as especificações do painel e, além disso, a luz solar 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 possa “entender” essas variações e produzir a saída mais desejável de um painel solar conectado.

Você já deve ter estudado isso Circuito simples MPPT 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 cortar o excesso de tensão do painel de acordo com as especificações de carga, garantindo que a quantidade deduzida de tensão seja convertida em uma quantidade equivalente de corrente, equilibrando assim a magnitude I x V através de entrada e saída é sempre o padrão … não podemos esperar nada além deste dispositivo útil, certo?

O rastreamento automático anterior e a conversão adequada de parâmetros são implementados com eficiência usando um PWM fase de acompanhamento e um estágio de conversão de dinheiroou às vezes um estágio do conversor buck-boostEmbora um conversor de dinheiro solitário ofereça melhores resultados e seja mais fácil de implementar.

Projeto nº 1: MPPT com PIC16F88 com carga em três níveis

Neste post, estudamos um circuito MPPT que é bastante semelhante ao design do IC 555, a única diferença é o uso de um microcontrolador PIC16F88 e um circuito de carregamento de 3 níveis aprimorado.

MPPT com PIC16F88 com carga de 3 níveis

Detalhes da tarefa passo a passo

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

1) A saída do painel é rastreada através da extração de um par de informações através das redes de divisão de potencial associadas.

2) Um IC2 opamp 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 para o pino de detecção relevante do PIC.

3) O segundo opamp do IC2 é responsável pelo acompanhamento e monitoramento da corrente variável do painel e alimenta-o para outra entrada de detecção PIC.

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

5) O PWM que sai do PIC é protegido por Q2, Q3 para ativar o P-mosfet de comutação com segurança. O diodo associado protege a porta mosfet contra sobrevôos.

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

7) Os procedimentos acima produzem a saída do conversor buck mais apropriada, que é mais baixa em voltagem, dependendo da 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 através de 3 níveis distintos, normalmente especificados como Modo em massa, modo de absorção e modo flutuante.

10) O MCU “monitora” o aumento da tensão da bateria e ajusta a corrente de inversão de acordo, mantendo os níveis corretos do amplificador durante os 3 níveis do procedimento de carga. Isso é feito em conjunto com o controle MPPT, 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 tensão regulada com precisão em sua pinagem Vdd via IC TL499; qualquer outro regulador de tensão adequado pode ser substituído aqui para obter o mesmo.

12) Um termistor também pode ser visto no projeto, isso pode ser opcional, mas pode ser configurado efetivamente para monitorar a temperatura da bateria e alimentar as informações ao PIC, que processa facilmente essas terceiras informações para adaptar a saída do bateria, certificando-se de que a temperatura da bateria nunca ultrapasse níveis inseguros.

13) Os indicadores LED associados ao PIC indicam os vários estados de carga da bateria, permitindo ao usuário obter informações atualizadas sobre o status da carga 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 qualquer alteração no circuito, exceto os valores mostrados entre parênteses e As configurações do VR3 devem ser ajustadas para permitir uma saída de 14,4V na inicialização 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 comutado

O segundo design é baseado no dispositivo bq24650, que inclui um controlador de carga de bateria MPPT Synchronous Switch-Mode integrado avançado. Ele oferece um alto nível de regulação da tensão de entrada, o que impede o carregamento da corrente para a 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 diminui o amplificador de carga para garantir que o painel solar esteja ativado para produzir a potência máxima de saída.

Como o IC BQ24650 funciona

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

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

A carga é cortada assim que o nível do amplificador se aproxima de 1/10 da velocidade de carga rápida. O temporizador de pré-carga está definido para 30 minutos.

O bq2465O sem intervenção manual reinicia o procedimento de carregamento, caso a tensão da bateria inverta abaixo de um limite definido internamente ou atinja um modo de espera de amplificador de espera mínimo enquanto a tensão de entrada cai abaixo do voltagem da bateria.

O dispositivo foi projetado para carregar uma bateria de 2,1V a 26V com o VFB conectado internamente a um ponto de feedback de 2,1V. A especificação do amplificador de carregamento é predefinida internamente, fixando-se um resistor sensor bem ajustado.

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

Diagrama de circuito

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Folha de dados bq24650

REGULAMENTO DE TENSÃO DA BATERIA

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

A tensão no pino do VFB está sujeita a uma referência de 2,1 V. Este valor de referência é usado na fórmula a seguir para determinar o nível desejado de tensão regulada:

V (bateria) = 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 as baterias de chumbo-ácido SMF são produtos químicos compatíveis.

A maioria das células de íons de lítio disponíveis 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 a desvantagem 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 de carga / descarga, o limite de tensão de final de carga pode ser reduzido para 4,1V / célula, no entanto, sua densidade de energia pode ser muito menor em comparação com a especificação química baseada em Li, ácido de chumbo continuação A bateria é altamente preferida devido aos baixos custos de produção e aos rápidos ciclos de descarga.

O limite de tensão comum é de 2.3V a 2.45V. Quando a bateria estiver totalmente carregada, é necessária uma carga flutuante ou lenta para compensar a descarga automática. O limite de carga lenta é de 100mV-200mV abaixo do ponto de tensão constante.

REGULAMENTO DE TENSÃO DE ENTRADA

Um painel solar pode ter um nível único na curva VI ou VP, conhecido popularmente como ponto de potência máxima (MPP), no qual o sistema fotovoltaico completo (PV) é baseado com eficiência ideal e gera a potência máxima de saída requeridos.

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 para que o ponto de potência máximo seja ativado para produzir a máxima eficiência.

Condição de ignição

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 externa de adaptador CA / CC.

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

Se a tensão SRN for maior que o VCC, simbolizando que a bateria é a fonte da qual a energia está sendo fornecida, o bq2465O é ativado para um modo SLEEP de corrente quiescente mais baixa (<15uA) para evitar vazamentos classificação 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.

ATIVAR E DESATIVAR A CARGA

Os seguintes aspectos relacionados devem ser garantidos antes do início do processo de carregamento do circuito controlador de carga da 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 baixa tensão (UVLO) e o VCC está acima do limite do VCCLOWV

• O IC não possui a funcionalidade SLEEP (ou seja, VCC> SRN)

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

O conversor síncrono PWM emprega um modo de tensão de frequência predeterminado com uma estratégia de controle de potência vvard.

Uma configuração de deslocamento 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 emparelhado entre a entrada do amplificador de erro (EAI) e a saída do amplificador de erro (EAO). O estágio do filtro de saída LC deve 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 π √LoCo

É permitida uma rampa integrada dente de serra para comparar a entrada interna de controle de erros do EAO para alterar o ciclo de trabalho do inversor.

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

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

O sinal EAO também é classificado para exceder o número da rampa do dente de serra, a fim de atingir 100% da demanda de PWM do ciclo de trabalho.

A lógica de atuação do portão integrado permite alcançar um ciclo de trabalho de 99,98% ao mesmo tempo, confirmando que o dispositivo de canal N superior transporta constantemente a tensão necessária para sempre ser 100%.

No caso de a tensão do pino BTST ao pino PH cair abaixo de 4.2V por mais de três intervalos, o MOSFET de alta potência do canal n é desligado enquanto o canal lateral baixo n | O Power MOSFET é ativado para abaixar o nó PH e carregar o capacitor BTST.

Depois disso, o controlador do lado alto normaliza para o procedimento de ciclo de operação de 100% até que a tensão (BTST-PH) diminua novamente, porque a corrente de saída esgota o capacitor BTST abaixo de 4.2V, bem como pulso de reposição reemitido

O oscilador de frequência padrão mantém um comando rígido sobre a frequência de comutação na maioria das circunstâncias de tensão de entrada, tensão da bateria, corrente de carregamento e temperatura, o que simplifica o arranjo do filtro de saída e o mantém longe do estado de distúrbios audíveis.

Projeto # 3: circuito de carregador rápido MPPT

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

Sumário

Este artigo prático de aplicação é para pessoas que podem estar desenvolvendo um carregador de bateria de chumbo-ácido baseado em MPPT com a ajuda do carregador de bateria bq2031.

Este artigo inclui um formato estrutural para carregar uma bateria de chumbo-ácido de 12A que usa MPPT (Maximum Power Point Tracking) 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 capacidade de 75 W e gere uma corrente de 4,65 A com uma voltagem de 16 V em um ambiente de teste normal de 25 ° C e insolação de 1000 W / m2.

A bateria de chumbo-ácido tem uma tensão de 12 V; A conexão direta do painel solar a esta bateria reduziria a tensão do painel para 12V e apenas 55,8W (12V e 4,65A) poderiam ser produzidos a partir do painel para carregamento.

Um conversor DC / DC pode ser mais adequado para carregamento econômico aqui.

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

Características I-V do painel solar

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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 do 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 no painel solar.

Enquanto a luz solar diminui a corrente ideal (Isc) que pode ser alcançada, a corrente mais alta do painel solar também é suprimida. A Figura 2 indica a variação das características I-V com a luz solar.

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

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

Como visto na Figura 2, a tensão em que a potência máxima é fornecida não é muito alterada pela luz solar.

O circuito construído com o bq2031 utiliza esse caractere para implementar o MPPT.

Um circuito de controle de corrente adicional é incluído com a corrente de carregamento diminuindo à medida que a luz do dia diminui, além de manter a tensão do painel solar em torno da tensão máxima do ponto de energia.

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Carregador MPPT baseado em Bq2031

Folha de dados BQ2031

A Figura 3 mostra o esquema de uma placa DV2031S2 com um circuito de controle de corrente adicional adicionado para executar o MPPT usando o amplificador operacional TLC27L2.

O bq2031 mantém a corrente de carga mantendo uma tensão de 250 mV no resistor sensor 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 bq2031 SNS para diminuir a corrente de carga.

A tensão (V mp) em que a potência máxima pode ser obtida no painel solar é condicionada usando os resistores R26 e R27. Pf = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

Com R 27 = 1 k Ω e R 26 = 9,2 k Ω, é alcançado V mp = 16 V. O TLC27L2 se ajusta internamente com uma largura de banda de 6 kHz em V dd = 5 V. Principalmente porque a largura de banda do TLC27L2 estiver significativamente abaixo da frequência de comutação do bq2031, o circuito de controle de corrente adicional permanece constante.

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

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

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

Os resultados mostrados na Tabela 1 confirmam a operação do circuito. Leituras de tensão em negrito significam problemas toda vez que o circuito de controle secundário minimiza a corrente de carga para preservar a entrada em V mp

Referências

Instrumentos Texas

Circuito controlador de carga da bateria com modo de comutação síncrono MPPT



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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