Los mejores 3 circuitos de controlador de carga solar MPPT para una carga de batería eficiente

Los mejores 3 circuitos de controlador de carga solar MPPT para una carga de batería eficiente

Un MPPT como todos sabemos se refiere al seguimiento del punto de máxima potencia que generalmente se asocia con paneles solares para optimizar sus salidas con la máxima eficiencia. En esta publicación, aprendemos los 3 mejores circuitos de controlador MPPT para aprovechar eficientemente la energía solar y cargar una batería de la manera más eficiente.

Dónde se utiliza un MPPT

La salida optimizada de los circuitos MPPT se utiliza principalmente para cargar baterías con la máxima eficiencia de la luz solar disponible.

Los nuevos aficionados normalmente encuentran el concepto difícil y se confunden con los muchos parámetros asociados con MPPT, como el punto de máxima potencia, 'rodilla' del gráfico I / V etc.



En realidad, este concepto no tiene nada de complejo, porque un panel solar no es más que una forma de fuente de alimentación.

La optimización de esta fuente de alimentación se vuelve necesaria porque normalmente los paneles solares carecen de corriente, pero poseen un exceso de voltaje, estas especificaciones anormales de un panel solar tienden a ser incompatibles con cargas estándar como las baterías de 6V, 12V que tienen una clasificación AH más alta y una clasificación de voltaje más baja en comparación con las especificaciones del panel y, además, la luz del sol siempre variable hace que el dispositivo sea extremadamente inconsistente con sus parámetros V e I.

Y es por eso que necesitamos un dispositivo intermedio, como un MPPT, que pueda 'entender' estas variaciones y producir la salida más deseable de un panel solar conectado.

Puede que ya hayas estudiado esto Circuito MPPT basado en IC 555 simple que es exclusivamente investigado y diseñado por mí y proporciona un excelente ejemplo de un circuito MPPT en funcionamiento.

Por qué MPPT

La idea básica detrás de todos los MPPT es reducir o reducir el exceso de voltaje del panel de acuerdo con las especificaciones de carga, asegurándose de que la cantidad de voltaje deducida se convierta en una cantidad equivalente de corriente, equilibrando así la magnitud I x V a través de la entrada y la salida siempre a la altura ... no podemos esperar nada más que esto de este útil gadget, ¿verdad?

El seguimiento automático anterior y la conversión adecuada de los parámetros de manera eficiente se implementa utilizando un PWM etapa del rastreador y un etapa convertidor buck , oa veces un etapa del convertidor reductor-elevador , aunque un convertidor buck solitario da mejores resultados y es más sencillo de implementar.

Diseño # 1: MPPT usando PIC16F88 con carga de 3 niveles

En esta publicación estudiamos un circuito MPPT que es bastante similar al diseño del IC 555, la única diferencia es el uso de un microcontrolador PIC16F88 y un circuito de carga mejorado de 3 niveles.

MPPT usando PIC16F88 con carga de 3 niveles

Detalles de trabajo paso a paso

La función básica de las distintas etapas se puede comprender con la ayuda de la siguiente descripción:

1) La salida del panel se rastrea extrayendo un par de información a través de las redes de divisores potenciales asociadas.

2) Un amplificador operacional de IC2 está configurado como seguidor de voltaje y rastrea la salida de voltaje instantánea del panel a través de un divisor de potencial en su pin3, y envía la información al pin de detección relevante del PIC.

3) El segundo amplificador operacional de IC2 se hace responsable de rastrear y monitorear la corriente variable desde el panel y alimenta la misma a otra entrada de detección del PIC.

4) Estas dos entradas son procesadas internamente por la MCU para desarrollar un PWM adaptado correspondientemente para la etapa del convertidor reductor asociada con su pin # 9.

5) El PWM fuera del PIC está protegido por Q2, Q3 para activar el P-mosfet de conmutación de forma segura. El diodo asociado protege la puerta mosfet de sobrevolatges.

6) El mosfet conmuta de acuerdo con los PWM de conmutación y modula la etapa del convertidor reductor formada por el inductor L1 y D2.

7) Los procedimientos anteriores producen la salida más apropiada del convertidor reductor, que tiene un voltaje más bajo que la batería, pero es rico en corriente.

8) La salida del dólar es constantemente ajustada y ajustada apropiadamente por el IC con referencia a la información enviada desde los dos opamps asociados con el panel solar.

9) Además de la regulación MPPT anterior, el PIC también está programado para monitorear la carga de la batería a través de 3 niveles discretos, que normalmente se especifican como modo a granel, modo de absorción, y modo de flotación.

10) La MCU 'vigila' el aumento de voltaje de la batería y ajusta la corriente reductora en consecuencia, manteniendo los niveles correctos de amperios durante los 3 niveles del procedimiento de carga. Esto se hace junto con el control MPPT, es como manejar dos situaciones a la vez para obtener los resultados más favorables para la batería.

11) El PIC en sí se suministra con un voltaje regulado con precisión en su pinout Vdd a través del IC TL499, cualquier otro regulador de voltaje adecuado podría reemplazarse aquí para reproducir el mismo.

12) También se puede ver un termistor en el diseño, esto puede ser opcional, pero se puede configurar de manera efectiva para monitorear la temperatura de la batería y alimentar la información al PIC, que procesa sin esfuerzo esta tercera información para adaptar la salida del buck asegurándose de que la temperatura de la batería nunca supera los niveles inseguros.

13) Los indicadores LED asociados con el PIC indican los distintos estados de carga de la batería, lo que permite al usuario obtener información actualizada sobre el estado de carga de la batería a lo largo del día.

14) El circuito MPPT propuesto que usa PIC16F88 con carga de 3 niveles admite la carga de la batería de 12 V y la carga de la batería de 24 V sin ningún cambio en el circuito, excepto los valores que se muestran entre paréntesis y la configuración de VR3 que debe ajustarse para permitir que la salida sea 14,4 V al inicio para una batería de 12 V y 29 V para una batería de 24 V.

El código de programación se puede descargar aquí

Diseño # 2: Controlador de batería MPPT de modo de conmutación síncrono

El segundo diseño se basa en el dispositivo bq24650 que incluye un avanzado controlador de carga de batería en modo de conmutación síncrono MPPT incorporado. Ofrece un alto nivel de regulación del voltaje de entrada, lo que evita la corriente de carga a la batería cada vez que el voltaje de entrada cae por debajo de una cantidad especificada. Aprende más:

Siempre que la entrada esté conectada con un panel solar, el circuito de estabilización de suministro baja el amplificador de carga para garantizar que el panel solar esté habilitado para producir la máxima potencia de salida.

Cómo funciona el IC BQ24650

El bq24650 promete proporcionar un controlador PWIVI síncrono de frecuencia constante con un nivel óptimo de precisión con estabilización de corriente y voltaje, preacondicionamiento de carga, corte de carga y verificación del nivel de carga.

El chip carga la batería en 3 niveles discretos: preacondicionamiento, corriente constante y voltaje constante.

La carga se interrumpe tan pronto como el nivel de amplificador se acerca a 1/10 de la velocidad de carga rápida. El temporizador de precarga se establece en 30 minutos.

El bq2465O sin una intervención manual reinicia el procedimiento de carga en caso de que el voltaje de la batería vuelva por debajo de un límite establecido internamente o alcance un modo de suspensión de amperios inactivos mínimo mientras el voltaje de entrada desciende por debajo del voltaje de la batería.

El dispositivo está diseñado para cargar una batería de 2.1V a 26V con VFB fijado internamente a un punto de retroalimentación de 2.1V. La especificación del amperaje de carga se preajusta internamente mediante la fijación de una resistencia de detección bien adaptada.

El bq24650 se puede adquirir con una opción QFN delgada de 16 pines, 3,5 x 3,5 mm ^ 2.

Diagrama de circuito

Hoja de datos bq24650

REGULACIÓN DE VOLTAJE DE BATERÍA

El bq24650 emplea un regulador de voltaje extremadamente preciso para decidir el voltaje de carga. El voltaje de carga está preestablecido por medio de un divisor de resistencia de la batería a tierra, con el punto medio conectado al pin VFB.

El voltaje en el pin VFB se fija a una referencia de 2,1 V. Este valor de referencia se utiliza en la siguiente fórmula para determinar el nivel deseado de voltaje regulado:

V (batería) = 2,1 V x [1 + R2 / R1]

donde R2 está conectado desde VFB a la batería y R1 está conectado desde VFB a GND. Li-Ion, LiFePO4, así como las baterías de plomo ácido SMF son químicas de batería con soporte ideal.

La mayoría de las celdas de iones de litio disponibles en el mercado ahora se pueden cargar con eficacia hasta 4.2V / celda. Una batería LiFePO4 admite el proceso de ciclos de carga y descarga sustancialmente más altos, pero la desventaja es que la densidad de energía no es demasiado buena. El voltaje de celda reconocido es 3.6V.

El perfil de carga de las dos celdas Li-Ion y LiFePO4 es preacondicionamiento, corriente constante y voltaje constante. Para una vida útil de carga / descarga efectiva, el límite de voltaje de fin de carga posiblemente se puede reducir a 4.1V / celda, sin embargo, su densidad de energía podría ser mucho menor en comparación con la especificación química basada en Li, el ácido de plomo continúa Sería una batería muy preferida debido a sus reducidos gastos de producción y a sus rápidos ciclos de descarga.

El umbral de voltaje común es de 2,3 V a 2,45 V. Una vez que se ve que la batería está completamente cargada, se vuelve obligatoria una carga flotante o lenta para compensar la autodescarga. El umbral de carga lenta es 100 mV-200 mV por debajo del punto de voltaje constante.

REGULACIÓN DE VOLTAJE DE ENTRADA

Un panel solar puede tener un nivel exclusivo en la curva V-I o V-P, conocida popularmente como el punto de máxima potencia (MPP), donde el sistema fotovoltaico (PV) completo se basa con una eficiencia óptima y genera la potencia de salida máxima requerida.

El algoritmo de voltaje constante es la opción de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) más fácil disponible. El bq2465O apaga automáticamente el amplificador de carga de modo que se habilita el punto de máxima potencia para producir la máxima eficiencia.

Condición de encendido

El chip bq2465O incorpora un comparador 'SLEEP' para identificar los medios de suministro de voltaje en el pin VCC, debido al hecho de que VCC puede terminarse tanto desde una batería como desde una unidad adaptadora AC / DC externa.

Si el voltaje VCC es más significativo que el voltaje SRN, y se cumplen los criterios adicionales para los procedimientos de carga, el bq2465O posteriormente comienza a intentar cargar una batería conectada (consulte la sección Habilitación y deshabilitación de la carga).

Si el voltaje SRN es más alto con respecto al VCC, lo que simboliza que una batería es la fuente de donde se adquiere la energía, el bq2465O está habilitado para una corriente de reposo más baja (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.

Si VCC está por debajo del límite de UVLO, el IC se corta, después de lo cual VREF LDO se desconecta.

ACTIVAR Y DESACTIVAR LA CARGA

Los siguientes aspectos en cuestión deben asegurarse antes de que se inicialice el proceso de carga del circuito controlador de carga de batería en modo de conmutación síncrono MPPT propuesto:

• El proceso de carga está habilitado (MPPSET> 175mV)

• La unidad no está en la funcionalidad de bloqueo por bajo voltaje (UVLO) y VCC está por encima del límite de VCCLOWV

• El IC no está en la funcionalidad SLEEP (es decir, VCC> SRN)

• El voltaje de VCC está por debajo del límite de sobretensión de CA (VCC

• Se cumple un lapso de tiempo de 30 ms después del primer encendido

• Los voltajes REGN LDO y VREF LDO se fijan en las uniones especificadas

• El cierre térmico (TSHUT) no está inicializado: el TS defectuoso no está identificado Cualquiera de los siguientes problemas técnicos puede inhibir la carga de la batería:

• La carga está desactivada (MPPSET<75mV)

• La entrada del adaptador está desconectada, provocando que el IC entre en una funcionalidad VCCLOWV o SLEEP

• El voltaje de entrada del adaptador está por debajo de los 100 mV por encima de la marca de la batería

• El adaptador está clasificado para un voltaje más alto

• El voltaje REGN o VREF LDO no se ajusta a las especificaciones

• Se identifica el límite de calor del TSHUT IC • El voltaje del TS se sale del rango especificado, lo que puede indicar que la temperatura de la batería es extremadamente alta o, alternativamente, mucho más fría

CORRIENTE DEL CARGADOR DE ARRANQUE SUAVE incorporado auto-disparado

El cargador por sí mismo inicia suavemente la corriente de regulación de potencia del cargador cada vez que el cargador pasa a la carga rápida para establecer que no hay absolutamente ningún sobreimpulso o condiciones estresantes en los condensadores conectados externamente o en el convertidor de potencia.

El arranque suave se caracteriza por aumentar el amplificador de estabilización de cambio en ocho pasos operativos ejecutados de manera uniforme junto al nivel de corriente de carga prefijado. Todos los pasos asignados continúan durante aproximadamente 1,6 ms, durante un período de Up especificado de 13 ms. No se requiere una sola pieza externa para habilitar la función operativa discutida.

FUNCIONAMIENTO DEL CONVERTIDOR

El convertidor síncrono reductor PWM emplea un modo de voltaje de frecuencia predeterminado con una estrategia de control de avance continuo.

Una configuración de compensación de la versión III permite que el sistema incorpore condensadores cerámicos en la etapa de salida del convertidor. La etapa de entrada de compensación está asociada internamente entre la salida de retroalimentación (FBO) junto con una entrada de amplificador de error (EAI).

La etapa de compensación de retroalimentación está montada entre la entrada del amplificador de error (EAI) y la salida del amplificador de error (EAO). La etapa del filtro de salida LC debe determinarse para permitir una frecuencia de resonancia de alrededor de 12 kHz - 17 kHz para el dispositivo, para la cual la frecuencia de resonancia, fo, se formula como:

fo = 1/2 √ oLoCo

Se permite una rampa de diente de sierra integrada para comparar la entrada de control de error EAO interno para alterar el ciclo de trabajo del convertidor.

La amplitud de la rampa es el 7% de la tensión del adaptador de entrada, lo que permite que sea permanente y completamente proporcional a la alimentación de entrada de la tensión del adaptador.

Esto anula cualquier tipo de alteración de la ganancia del bucle debido a una variación en el voltaje de entrada y simplifica los procedimientos de compensación del bucle. La rampa se equilibra en 300 mV de modo que se logre un ciclo de trabajo de cero por ciento cuando la señal EAO está por debajo de la rampa.

La señal EAO también está calificada para superar en número a la señal de rampa de dientes de sierra con el propósito de lograr una demanda PWM de ciclo de trabajo del 100%.

Construido en lógica de accionamiento de puerta hace posible lograr un ciclo de trabajo del 99,98% al mismo tiempo, lo que confirma que el dispositivo superior del canal N transporta constantemente tanto como el voltaje necesario para estar siempre 100% encendido.

En el caso de que el voltaje entre el pin BTST y el pin PH se reduzca por debajo de 4,2 V durante más de tres intervalos, en ese caso, el MOSFET de potencia n-canal del lado alto se apaga mientras que el del lado bajo n-canal | El MOSFET de potencia se activa para reducir el nodo PH y cargar el condensador BTST.

Después de eso, el controlador del lado alto se normaliza al procedimiento de ciclo de trabajo del 100% hasta que se observa que el voltaje (BTST-PH) desciende nuevamente, debido a la corriente de salida que agota el capacitor BTST por debajo de 4.2 V, así como el pulso de reinicio es reeditado.

El oscilador de frecuencia predeterminada mantiene un control rígido sobre la frecuencia de conmutación en la mayoría de circunstancias de voltaje de entrada, voltaje de batería, corriente de carga y temperatura, lo que simplifica el diseño del filtro de salida y lo mantiene alejado del estado de perturbaciones audibles.

Diseño n. ° 3: circuito de cargador MPPT rápido

El tercer mejor diseño de MPPT de nuestra lista explica un circuito de cargador MPPT simple utilizando el IC bq2031 de INSTRUMENTOS TEXAS, que es más adecuado para cargar baterías de plomo ácido de alto Ah rápidamente y con una velocidad relativamente rápida

Resumen

Este artículo de aplicación práctica es para las personas que puedan estar desarrollando un cargador de batería de plomo-ácido basado en MPPT con la ayuda del cargador de batería bq2031.

Este artículo incluye un formato estructural para cargar una batería de plomo-ácido de 12-A-hr que emplea MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) para mejorar la eficiencia de carga para aplicaciones fotovoltaicas.

Introducción

El procedimiento más fácil para cargar una batería desde un sistema de paneles solares podría ser conectar la batería directamente al panel solar, sin embargo, esta puede no ser la técnica más efectiva.

Suponga que un panel solar tiene una potencia nominal de 75 W y genera una corriente de 4,65 A con un voltaje de 16 V en un entorno de prueba normal de 25 ° C de temperatura y 1000 W / m2 de insolación.

La batería de plomo-ácido está clasificada con un voltaje de 12 V, conectar directamente el panel solar a esta batería disminuiría el voltaje del panel a 12 V y solo se podrían producir 55,8 W (12 V y 4,65 A) desde el panel para cargar.

Un convertidor CC / CC puede ser lo más adecuado para una carga económica aquí.

Este documento de aplicación práctica explica un modelo que utiliza el bq2031 para una carga eficaz.

Características I-V del panel solar

La Figura 1 muestra los aspectos estándar de un sistema de paneles solares. Isc es una corriente de cortocircuito que fluye a través del panel en caso de que el panel solar esté en cortocircuito.

Resulta ser la corriente óptima que se puede extraer del panel solar.

Voc es el voltaje de circuito abierto en los terminales del panel solar.

Vmp e Imp son los niveles de voltaje y corriente donde se puede comprar la máxima potencia del panel solar.

Mientras que la luz del sol disminuye la corriente óptima (Isc) que se puede alcanzar, la corriente más alta del panel solar también la suprime. La Figura 2 indica la variación de las características IV con la luz solar.

La curva azul vincula los detalles de la potencia máxima en varios valores de insolación.

La razón del circuito MPPT es tratar de mantener el nivel de trabajo del panel solar en el punto de máxima potencia en varias condiciones de sol.

Como se observa en la Figura 2, el voltaje donde se entrega la potencia máxima no cambia mucho con la luz solar.

El circuito construido con el bq2031 hace uso de este carácter para poner en práctica el MPPT.

Se incluye un bucle de control de corriente adicional para disminuir la corriente de carga a medida que disminuye la luz del día, así como para mantener el voltaje del panel solar alrededor del voltaje máximo del punto de energía.

Cargador MPPT basado en bq2031

Hoja de datos BQ2031

La figura 3 muestra el esquema de una placa DV2031S2 con un lazo de control de corriente agregado para realizar el MPPT haciendo uso del amplificador operacional TLC27L2.

El bq2031 mantiene la corriente de carga reteniendo un voltaje de 250 mV en la resistencia de detección R 20. Se crea un voltaje de referencia de 1.565 V usando 5 V de U2.

El voltaje de entrada se compara con el voltaje de referencia para producir un voltaje de error que podría implementarse en el pin SNS de bq2031 para disminuir la corriente de carga.

El voltaje (V mp) donde se puede adquirir la máxima potencia del panel solar se acondiciona empleando resistencias R26 y R27. V pf = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27.

Con R 27 = 1 k Ω y R 26 = 9.2 k Ω, se logra V mp = 16 V. TLC27L2 se ajusta internamente con un ancho de banda de 6 kHz a V dd = 5 V. Principalmente debido a que el ancho de banda de TLC27L2 está significativamente por debajo de la frecuencia de conmutación de bq2031, el lazo de control de corriente agregado continúa siendo constante.

El bq2031 en el circuito anterior (Figura 3) ofrece una corriente óptima de 1 A.

En caso de que el panel de energía solar pueda proporcionar la energía adecuada para cargar la batería a 1 A, el circuito de control exterior no entra en acción.

Sin embargo, si el aislamiento se reduce y el panel de energía solar se esfuerza por entregar suficiente energía para cargar la batería a 1 A, el circuito de control externo disminuye la corriente de carga para preservar el voltaje de entrada en V mp.

Los resultados mostrados en la Tabla 1 confirman el funcionamiento del circuito. Las lecturas de voltaje en negrita indican el problema siempre que el bucle de control secundario minimice la corriente de carga para preservar la entrada en V mp

Referencias:

Instrumentos Texas

Circuito controlador de carga de batería en modo conmutado síncrono MPPT




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