MPPT như chúng ta đều biết đề cập đến việc theo dõi điểm công suất tối đa thường được kết hợp với các tấm pin mặt trời để tối ưu hóa đầu ra của chúng với hiệu suất tối đa. Trong bài đăng này, chúng ta sẽ tìm hiểu 3 mạch điều khiển MPPT tốt nhất để khai thác hiệu quả năng lượng mặt trời và sạc pin theo cách hiệu quả nhất.
Nơi MPPT được sử dụng
Đầu ra tối ưu hóa từ mạch MPPT chủ yếu được sử dụng để sạc pin với hiệu suất tối đa từ ánh nắng mặt trời có sẵn.
Những người mới có sở thích thường thấy khái niệm này khó và nhầm lẫn với nhiều thông số liên quan đến MPPT, chẳng hạn như điểm công suất tối đa, 'đầu gối' của biểu đồ I / V Vân vân.
Trên thực tế, không có gì quá phức tạp về khái niệm này, bởi vì tấm pin mặt trời không là gì mà chỉ là một dạng cung cấp năng lượng.
Việc tối ưu hóa nguồn cung cấp năng lượng này trở nên cần thiết vì các tấm pin mặt trời thường thiếu dòng điện, nhưng có điện áp dư thừa, thông số kỹ thuật bất thường này của tấm pin mặt trời có xu hướng không tương thích với các tải tiêu chuẩn như pin 6V, 12V mang xếp hạng AH cao hơn và xếp hạng điện áp thấp hơn so với thông số kỹ thuật của bảng điều khiển, và hơn nữa, ánh nắng mặt trời luôn thay đổi khiến thiết bị cực kỳ không phù hợp với thông số V và I của nó.
Và đó là lý do tại sao chúng tôi yêu cầu một thiết bị trung gian như MPPT có thể 'hiểu' những biến thể này và tạo ra đầu ra mong muốn nhất từ một bảng năng lượng mặt trời được kết nối.
Bạn có thể đã nghiên cứu điều này mạch MPPT dựa trên IC 555 đơn giản được nghiên cứu và thiết kế độc quyền bởi tôi và cung cấp một ví dụ tuyệt vời về một mạch MPPT đang hoạt động.
Tại sao MPPT
Ý tưởng cơ bản đằng sau tất cả các MPPT là giảm hoặc cắt giảm điện áp dư thừa khỏi bảng điều khiển theo thông số kỹ thuật của tải để đảm bảo rằng lượng điện áp đã trừ được chuyển đổi thành một lượng dòng điện tương đương, do đó cân bằng cường độ I x V trên đầu vào và kết quả đầu ra luôn đạt mức cao ... chúng ta không thể mong đợi gì hơn từ thiết bị hữu ích này, phải không?
Việc theo dõi tự động ở trên và chuyển đổi các thông số một cách thích hợp một cách hiệu quả được thực hiện bằng cách sử dụng PWM giai đoạn theo dõi và một giai đoạn chuyển đổi buck , hoặc đôi khi giai đoạn chuyển đổi buck-boost , mặc dù một bộ chuyển đổi buck đơn lẻ cho kết quả tốt hơn và dễ triển khai hơn.
Thiết kế # 1: MPPT sử dụng PIC16F88 với Sạc 3 mức
Trong bài này, chúng tôi nghiên cứu một mạch MPPT khá giống với thiết kế của IC 555, chỉ khác là sử dụng vi điều khiển PIC16F88 và mạch sạc 3 cấp nâng cao.
Thông tin chi tiết về bước khôn ngoan
Chức năng cơ bản của các giai đoạn khác nhau có thể được hiểu với sự trợ giúp của mô tả sau:
1) Đầu ra của bảng điều khiển được theo dõi bằng cách trích xuất một vài thông tin từ nó thông qua các mạng phân chia tiềm năng liên quan.
2) Một opamp từ IC2 được cấu hình như một bộ theo điện áp và nó theo dõi đầu ra điện áp tức thời từ bảng điều khiển thông qua một bộ chia tiềm năng tại chân 3 của nó và cung cấp thông tin đến chân cảm biến liên quan của PIC.
3) OpAmp thứ hai từ IC2 trở nên chịu trách nhiệm theo dõi và giám sát dòng điện thay đổi từ bảng điều khiển và cấp nguồn giống nhau cho một đầu vào cảm biến khác của PIC.
4) Hai đầu vào này được MCU xử lý nội bộ để phát triển PWM được điều chỉnh tương ứng cho giai đoạn bộ chuyển đổi buck được liên kết với chân số 9 của nó.
5) PWM ra khỏi PIC được đệm bởi Q2, Q3 để kích hoạt P-mosfet chuyển mạch một cách an toàn. Diode liên kết bảo vệ cổng mosfet khỏi quá áp.
6) MOSFET chuyển mạch phù hợp với các PWM chuyển mạch và điều chế giai đoạn chuyển đổi buck được tạo thành bởi cuộn cảm L1 và D2.
7) Các quy trình trên tạo ra đầu ra thích hợp nhất từ bộ chuyển đổi buck có điện áp thấp hơn so với pin, nhưng giàu dòng điện.
8) Đầu ra từ buck liên tục được tinh chỉnh và điều chỉnh thích hợp bởi vi mạch có tham chiếu đến thông tin được gửi từ hai opamps liên quan đến bảng điều khiển năng lượng mặt trời.
9) Ngoài quy định MPPT ở trên, PIC cũng được lập trình để giám sát việc sạc pin qua 3 mức riêng biệt, thường được chỉ định là chế độ số lượng lớn, chế độ hấp thụ, chế độ nổi.
10) MCU 'theo dõi' điện áp tăng của pin và điều chỉnh dòng buck cho phù hợp để duy trì mức Ampe chính xác trong quá trình sạc 3 mức. Điều này được thực hiện cùng với điều khiển MPPT, giống như xử lý hai tình huống cùng một lúc để mang lại kết quả thuận lợi nhất cho pin.
11) Bản thân PIC được cung cấp điện áp điều chỉnh chính xác tại sơ đồ chân Vdd của nó thông qua IC TL499, bất kỳ bộ điều chỉnh điện áp thích hợp nào khác có thể được thay thế ở đây để hiển thị giống nhau.
12) Một điện trở nhiệt cũng có thể được nhìn thấy trong thiết kế, đây có thể là tùy chọn nhưng có thể được cấu hình hiệu quả để theo dõi nhiệt độ pin và cung cấp thông tin cho PIC, giúp xử lý dễ dàng thông tin thứ ba này để điều chỉnh đầu ra buck đảm bảo nhiệt độ pin không bao giờ vượt quá mức không an toàn.
13) Các chỉ báo LED liên quan đến PIC cho biết các trạng thái sạc khác nhau của pin cho phép người dùng nhận được thông tin cập nhật về tình trạng sạc của pin trong suốt cả ngày.
14) Mạch MPPT được đề xuất sử dụng PIC16F88 với Sạc 3 mức hỗ trợ sạc pin 12V cũng như sạc pin 24V mà không có bất kỳ thay đổi nào trong mạch, ngoại trừ các giá trị được hiển thị trong ngoặc đơn và cài đặt VR3 cần được điều chỉnh để cho phép đầu ra 14,4V khi bắt đầu cho pin 12V và 29V cho pin 24V.
Mã lập trình có thể được tải xuống đây
Thiết kế # 2: Bộ điều khiển pin MPPT chế độ chuyển đổi đồng bộ
Thiết kế thứ hai dựa trên thiết bị bq24650 bao gồm Bộ điều khiển sạc pin chế độ chuyển đổi đồng bộ MPPT tích hợp tiên tiến. Nó cung cấp mức điều chỉnh điện áp đầu vào cao, ngăn dòng điện sạc vào pin mỗi khi điện áp đầu vào giảm xuống dưới mức quy định. Tìm hiểu thêm:
Bất cứ khi nào đầu vào được gắn với một tấm pin mặt trời, vòng ổn định nguồn sẽ kéo amp sạc xuống để đảm bảo rằng tấm pin mặt trời được kích hoạt để tạo ra công suất tối đa.
Cách thức hoạt động của IC BQ24650
Bq24650 hứa hẹn cung cấp bộ điều khiển PWIVI đồng bộ tần số không đổi với mức độ chính xác tối ưu với tính năng ổn định dòng điện và điện áp, điều hòa trước khi sạc, cắt sạc và kiểm tra mức sạc.
Chip sạc pin ở 3 mức riêng biệt: điều hòa trước, dòng điện không đổi và điện áp không đổi.
Quá trình sạc bị ngắt ngay khi mức amp gần bằng 1/10 tốc độ sạc nhanh. Bộ hẹn giờ sạc trước được đặt là 30 phút.
Bq2465O mà không có sự can thiệp thủ công sẽ khởi động lại quy trình sạc trong trường hợp điện áp pin trở lại dưới mức giới hạn đã đặt bên trong hoặc đạt đến chế độ ngủ amp tĩnh tối thiểu trong khi điện áp đầu vào thấp hơn điện áp pin.
Thiết bị được thiết kế để sạc pin từ 2.1V đến 26V với VFB bên trong được cố định vào điểm phản hồi 2.1V. Thông số kỹ thuật của amp sạc được cài đặt sẵn bên trong bằng cách cố định một điện trở cảm biến phù hợp.
Bạn có thể mua bq24650 với tùy chọn QFN mỏng 16 chân, 3,5 x 3,5 mm ^ 2.
Sơ đồ mạch
QUY ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA PIN
Bq24650 sử dụng bộ điều chỉnh điện áp cực kỳ chính xác để quyết định điện áp sạc. Điện áp sạc được đặt trước bằng một bộ chia điện trở từ pin xuống đất, với điểm giữa được nối với chân VFB.
Điện áp tại chân VFB được kẹp vào tham chiếu 2.1 V. Giá trị tham chiếu này được sử dụng trong công thức sau để xác định mức điện áp quy định mong muốn:
V (batt) = 2.1V x [1 + R2 / R1]
trong đó R2 được liên kết từ VFB đến pin và R1 được kết nối từ VFB đến GND. Pin Li-Ion, LiFePO4, cũng như pin axit chì SMF là những hóa chất pin được hỗ trợ lý tưởng.
Phần lớn các tế bào Li-ion trên kệ hiện có thể được sạc hiệu quả lên đến 4,2V / tế bào. Pin LiFePO4 hỗ trợ quá trình chu kỳ sạc và xả cao hơn đáng kể, nhưng mặt trái của nó là mật độ năng lượng không quá tốt. Điện áp tế bào được công nhận là 3,6V.
Cấu hình điện tích của hai tế bào Li-Ion và LiFePO4 là điều hòa trước, dòng điện không đổi và điện áp không đổi. Để có tuổi thọ sạc / xả hiệu quả, giới hạn điện áp cuối sạc có thể giảm xuống còn 4,1V / cell tuy nhiên mật độ năng lượng của nó có thể trở nên thấp hơn nhiều so với đặc điểm kỹ thuật hóa học dựa trên Li, axit chì tiếp tục là loại pin được ưa chuộng hơn nhiều vì giảm chi phí sản xuất cũng như chu kỳ xả nhanh.
Ngưỡng điện áp phổ biến là từ 2.3V đến 2.45V. Sau khi pin được cho là đã cạn hoàn toàn, việc sạc phao hoặc nhỏ giọt trở nên bắt buộc để bù cho quá trình tự phóng điện. Ngưỡng sạc nhỏ giọt là 100mV-200mV dưới điểm điện áp không đổi.
QUY ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU VÀO
Bảng điều khiển năng lượng mặt trời có thể có mức độc quyền trên đường cong V-I hoặc V-P, thường được gọi là Điểm công suất cực đại (MPP), trong đó hệ thống quang điện (PV) hoàn chỉnh hoạt động với hiệu suất tối ưu và tạo ra công suất đầu ra tối đa cần thiết.
Thuật toán điện áp không đổi là tùy chọn Theo dõi điểm điện tối đa (MPPT) dễ dàng nhất hiện có. Bq2465O tự động tắt amp sạc sao cho điểm nguồn tối đa được bật để tạo ra hiệu suất tối đa.
BẬT tình trạng
Chip bq2465O kết hợp bộ so sánh 'SLEEP' để xác định phương tiện cung cấp điện áp trên chân VCC, vì thực tế là VCC có thể được kết nối cả từ pin hoặc bộ chuyển đổi AC / DC bên ngoài.
Nếu điện áp VCC lớn hơn điện áp SRN và các tiêu chí bổ sung được đáp ứng cho quy trình sạc, bq2465O sau đó sẽ bắt đầu cố gắng sạc pin đã kết nối (vui lòng xem phần Bật và Tắt sạc).
Nếu điện áp SRN cao hơn đối với VCC, tượng trưng rằng pin là nguồn từ nơi thu được năng lượng, bq2465O được bật cho dòng điện tĩnh thấp hơn (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.
Nếu VCC dưới giới hạn UVLO, IC sẽ bị cắt, sau đó VREF LDO sẽ được tắt.
BẬT VÀ TẮT SẠC
Cần đảm bảo các khía cạnh liên quan sau đây trước khi khởi chạy quá trình sạc của Mạch điều khiển sạc pin chế độ chuyển đổi đồng bộ MPPT được đề xuất:
• Quá trình sạc được bật (MPPSET> 175mV)
• Thiết bị không ở chức năng Ngõ ra dưới điện áp (UVLO) và VCC vượt quá giới hạn VCCLOWV
• IC không ở chức năng SLEEP (tức là VCC> SRN)
• Điện áp VCC thấp hơn giới hạn quá điện áp AC (VCC • Thời gian trôi đi 30ms được thực hiện sau lần bật nguồn đầu tiên • Điện áp REGN LDO và VREF LDO được cố định ở các điểm cắt được chỉ định • Thermal Shut (TSHUT) không được khởi tạo - Không xác định được TS bad Bất kỳ một trong các vấn đề kỹ thuật sau đây có thể cản trở quá trình sạc tiếp tục của pin: • Quá trình sạc không được kích hoạt (MPPSET<75mV) • Ngõ vào bộ điều hợp bị ngắt kết nối, kích hoạt IC hoạt động với chức năng VCCLOWV hoặc SLEEP • Điện áp đầu vào bộ điều hợp thấp hơn mốc pin 100mV • Bộ chuyển đổi được đánh giá ở điện áp cao hơn • Điện áp LDO REGN hoặc VREF không đúng như thông số kỹ thuật • Giới hạn độ ấm của IC TSHUT được xác định • Điện áp TS xảy ra di chuyển ra khỏi phạm vi được chỉ định có thể cho thấy nhiệt độ pin cực kỳ nóng hoặc cách khác là mát hơn nhiều BỘ SẠC KHỞI ĐỘNG MỀM cài sẵn tự kích hoạt HIỆN TẠI Bộ sạc tự khởi động mềm dòng điện điều chỉnh bộ sạc mỗi khi bộ sạc di chuyển vào bộ sạc nhanh để thiết lập rằng hoàn toàn không có tình trạng quá tải hoặc căng thẳng trên các tụ điện được kết nối bên ngoài hoặc bộ chuyển đổi nguồn. Khởi động mềm được đặc trưng với việc tăng cường bộ khuếch đại ổn định chaging thành tám bước hoạt động được thực thi thống nhất bên cạnh mức dòng sạc đã định trước. Tất cả các bước được chỉ định tiếp tục trong khoảng 1,6ms, trong khoảng thời gian Lên đến 13ms. Không một bộ phận bên ngoài nào được gọi để kích hoạt chức năng hoạt động đã thảo luận. Bộ chuyển đổi PWM buck đồng bộ sử dụng chế độ điện áp tần số xác định trước với chiến lược điều khiển nguồn cấp chovvard. Cấu hình bù phiên bản III cho phép hệ thống kết hợp các tụ điện gốm ở giai đoạn đầu ra của bộ chuyển đổi. Giai đoạn đầu vào bù được liên kết nội bộ giữa đầu ra phản hồi (FBO) cùng với đầu vào bộ khuếch đại lỗi (EAI). Tầng bù phản hồi được lắp đặt giữa đầu vào bộ khuếch đại lỗi (EAI) và đầu ra bộ khuếch đại lỗi (EAO). Giai đoạn bộ lọc đầu ra LC cần được xác định để tạo ra tần số cộng hưởng khoảng 12 kHz - 17 kHz cho thiết bị, tần số cộng hưởng, fo, được xây dựng như sau: fo = 1/2 √ oLoCo Một đường dốc răng cưa tích hợp được phép so sánh đầu vào kiểm soát lỗi EAO bên trong để thay đổi chu kỳ làm việc của bộ chuyển đổi. Biên độ dốc là 7% của điện áp bộ điều hợp đầu vào cho phép nó tỷ lệ cố định và hoàn toàn với nguồn cung cấp điện áp đầu vào của bộ điều hợp. Điều này loại bỏ bất kỳ loại thay đổi độ lợi vòng lặp nào do sự thay đổi của điện áp đầu vào và đơn giản hóa quy trình bù vòng lặp. Đoạn đường nối được cân bằng 300mV để đạt được chu kỳ làm việc 0% khi tín hiệu EAO ở dưới đoạn đường nối. Tín hiệu EAO cũng đủ điều kiện để nhiều hơn tín hiệu dốc răng cưa với mục đích đạt được nhu cầu PWM chu kỳ 100%. Được xây dựng trong cổng logic ổ đĩa giúp nó có thể hoàn thành 99,98% chu kỳ nhiệm vụ đồng thời xác nhận rằng thiết bị kênh N phía trên luôn mang điện áp cần thiết ở mức cần thiết để luôn bật 100%. Trong trường hợp điện áp chân BTST đến chân PH giảm xuống dưới 4,2V lâu hơn ba khoảng thời gian, trong trường hợp đó MOSFET nguồn n-channeI phía cao bị tắt trong khi n-channe phía thấp | nguồn MOSFET được kích hoạt để kéo nút PH xuống và sạc tụ điện BTST. Sau đó, trình điều khiển bên cao chuẩn hóa thành quy trình chu kỳ làm việc 100% cho đến khi điện áp (BTST-PH) được quan sát thấy giảm xuống thấp một lần nữa, do dòng ra làm cạn tụ BTST dưới 4,2 V, cũng như xung đặt lại cấp lại. Bộ dao động tần số xác định trước duy trì lệnh cứng nhắc đối với tần số chuyển đổi trong hầu hết các trường hợp về điện áp đầu vào, điện áp pin, dòng điện sạc và nhiệt độ, đơn giản hóa bố trí bộ lọc đầu ra và giữ nó tránh khỏi trạng thái nhiễu âm thanh. Thiết kế MPPT tốt thứ ba trong danh sách của chúng tôi giải thích một mạch sạc MPPT đơn giản sử dụng IC bq2031 từ CÔNG CỤ TEXAS, phù hợp nhất để sạc pin axit chì Ah cao một cách nhanh chóng và với tốc độ tương đối nhanh Bài viết ứng dụng thực tế này dành cho những cá nhân có thể đang phát triển bộ sạc pin axit chì dựa trên MPPT với sự hỗ trợ của bộ sạc pin bq2031. Bài viết này bao gồm định dạng cấu trúc để sạc pin axit chì 12 A-giờ sử dụng MPPT (theo dõi điểm năng lượng tối đa) để cải thiện hiệu quả sạc cho các ứng dụng quang điện. Quy trình đơn giản nhất để sạc pin từ hệ thống bảng điều khiển năng lượng mặt trời có thể là nối thẳng pin với bảng năng lượng mặt trời, tuy nhiên đây có thể không phải là kỹ thuật hiệu quả nhất. Giả sử một bảng điều khiển năng lượng mặt trời có công suất 75 W và tạo ra dòng điện 4,65 A với điện áp 16 V ở môi trường thử nghiệm bình thường ở nhiệt độ 25 ° C và cách điện 1000 W / m2. Pin axít chì được đánh giá với điện áp 12 V nếu nối trực tiếp bảng điều khiển năng lượng mặt trời với pin này sẽ làm giảm điện áp bảng điều khiển xuống 12 V và chỉ có thể tạo ra 55,8 W (12 V và 4,65 A) từ bảng điều khiển để sạc. Bộ chuyển đổi DC / DC có thể cần thiết nhất để sạc tiết kiệm ở đây. Tài liệu ứng dụng thực tế này giải thích một mô hình, cách sử dụng bq2031 để sạc hiệu quả. Hình 1 hiển thị các khía cạnh tiêu chuẩn của hệ thống bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Isc là dòng điện ngắn mạch chạy qua bảng điều khiển trong trường hợp bảng điều khiển năng lượng mặt trời bị đoản mạch. Đó là dòng điện tối ưu có thể được lấy ra từ tấm pin mặt trời. Voc là điện áp hở mạch tại các đầu cuối của bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Vmp và Imp là mức điện áp và dòng điện mà công suất tối đa có thể được mua từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Trong khi ánh nắng mặt trời làm giảm dòng điện tối ưu (Isc) có thể đạt được, thì dòng điện cao nhất từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời cũng triệt tiêu. Hình 2 chỉ ra sự biến đổi của các đặc tính I-V với ánh sáng mặt trời. Đường cong màu xanh lam liên kết các chi tiết của công suất cực đại ở các giá trị cách điện khác nhau Lý do cho mạch MPPT là cố gắng duy trì mức độ làm việc của bảng điều khiển năng lượng mặt trời ở điểm công suất tối đa trong một số điều kiện nắng. Như quan sát từ Hình 2, điện áp nơi công suất cực đại được phân phối không thay đổi nhiều theo ánh nắng mặt trời. Mạch được xây dựng bằng bq2031 sử dụng ký tự này để đưa vào thực tế MPPT. Một vòng điều khiển dòng điện bổ sung được bao gồm để giảm dòng điện sạc khi ánh sáng ban ngày giảm cũng như để duy trì điện áp bảng điều khiển năng lượng mặt trời xung quanh điện áp điểm công suất tối đa. Hình 3 hiển thị sơ đồ của bo mạch DV2031S2 với vòng điều khiển dòng điện được thêm vào để thực hiện việc sử dụng MPPT của bộ khuếch đại hoạt động TLC27L2. Bq2031 giữ dòng sạc bằng cách giữ lại điện áp 250 mV ở điện trở cảm giác R 20. Một điện áp tham chiếu 1,565 V được tạo ra bằng cách sử dụng 5 V từ U2. Điện áp đầu vào được so sánh với điện áp tham chiếu để tạo ra điện áp lỗi có thể được thực hiện tại chân SNS của bq2031 để giảm dòng điện sạc. Điện áp (V mp) nơi có thể thu được công suất tối đa từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời sử dụng điện trở R26 và R27. V mp = 1,565 (R 26 + R 27) / R 27. Với R 27 = 1 k Ω và R 26 = 9,2 k Ω thì đạt được V mp = 16 V. TLC27L2 được điều chỉnh nội bộ với băng thông 6 kHz tại V dd = 5 V. Chủ yếu là do băng thông của TLC27L2 thấp hơn đáng kể tần số chuyển mạch của bq2031, vòng điều khiển dòng thêm vào tiếp tục không đổi. Bq2031 trong mạch trước đó (Hình 3) cung cấp dòng điện tối ưu là 1 A. Trong trường hợp bảng điều khiển năng lượng mặt trời có thể cung cấp đủ năng lượng để sạc pin ở mức 1 A, vòng điều khiển bên ngoài sẽ không hoạt động. Tuy nhiên, nếu cách điện giảm và bảng điều khiển năng lượng mặt trời phải vật lộn để cung cấp đủ năng lượng để sạc pin ở 1 A, thì vòng điều khiển bên ngoài sẽ giảm dòng điện sạc để bảo toàn điện áp đầu vào ở V mp. Các kết quả được chứng minh trong Bảng 1 xác nhận hoạt động của mạch. Các số đọc điện áp ở dạng in đậm biểu thị sự cố bất cứ khi nào vòng điều khiển thứ cấp giảm thiểu dòng điện tích để duy trì đầu vào ở V mp Người giới thiệu: Mạch điều khiển sạc pin chế độ chuyển đổi đồng bộ MPPT VẬN HÀNH CHUYỂN ĐỔI
Thiết kế # 3: Mạch sạc nhanh MPPT
trừu tượng
Giới thiệu
Đặc điểm I-V của Bảng điều khiển năng lượng mặt trời
Bộ sạc MPPT dựa trên bq2031
Một cặp: 3 mạch cảm biến tiệm cận điện dung dễ dàng được khám phá Tiếp theo: Mạch đèn Giáng sinh 8 chức năng
