Cách tạo mạch tối ưu hóa bảng điều khiển năng lượng mặt trời

Mạch tối ưu hóa năng lượng mặt trời được đề xuất có thể được sử dụng để đạt được sản lượng tối đa có thể về dòng điện và điện áp từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời, đáp ứng với các điều kiện ánh sáng mặt trời khác nhau.

Một số mạch sạc tối ưu hóa bảng điều khiển năng lượng mặt trời đơn giản nhưng hiệu quả được giải thích trong bài đăng này. Cái đầu tiên có thể được chế tạo bằng cách sử dụng một vài IC 555 và một vài thành phần tuyến tính khác, optin thứ hai thậm chí còn đơn giản hơn và sử dụng các IC rất bình thường như LM338 và op amp IC 741. Hãy cùng tìm hiểu các quy trình.

Mục tiêu mạch

Như chúng ta đã biết, việc đạt được hiệu suất cao nhất từ ​​bất kỳ hình thức cung cấp điện nào sẽ trở nên khả thi nếu quy trình không liên quan đến việc ngắt điện áp cung cấp điện, có nghĩa là chúng ta muốn có được mức điện áp yêu cầu cụ thể và dòng điện tối đa cho tải là được vận hành mà không làm ảnh hưởng đến mức điện áp nguồn và không tạo ra nhiệt.

Tóm lại, một trình tối ưu hóa năng lượng mặt trời có liên quan nên cho phép đầu ra của nó với dòng điện yêu cầu tối đa, bất kỳ mức điện áp yêu cầu nào thấp hơn nhưng đảm bảo mức điện áp trên bảng điều khiển vẫn không bị ảnh hưởng.

Một phương pháp được thảo luận ở đây liên quan đến kỹ thuật PWM có thể được coi là một trong những phương pháp tối ưu cho đến nay.

Chúng ta nên biết ơn thiên tài nhỏ bé này có tên là IC 555, nó làm cho mọi khái niệm khó trở nên dễ dàng.

Sử dụng IC 555 cho Chuyển đổi PWM

Trong khái niệm này, chúng tôi cũng kết hợp và phụ thuộc nhiều vào một vài IC 555 để thực hiện theo yêu cầu.

Nhìn vào sơ đồ mạch đã cho, chúng ta thấy rằng toàn bộ thiết kế về cơ bản được chia thành hai giai đoạn.

Giai đoạn điều chỉnh điện áp trên và giai đoạn máy phát PWM dưới.

Tầng trên bao gồm một mosfet kênh p được định vị như một công tắc và phản hồi thông tin PWM được áp dụng tại cổng của nó.

Giai đoạn dưới là giai đoạn tạo PWM. Một số 555 IC được cấu hình cho các hành động được đề xuất.

Cách hoạt động của mạch

IC1 chịu trách nhiệm tạo ra các sóng vuông cần thiết được xử lý bởi bộ tạo sóng tam giác dòng điện không đổi bao gồm T1 và các thành phần liên quan.

Sóng tam giác này được áp dụng cho IC2 để xử lý thành các PWM cần thiết.

Tuy nhiên, khoảng cách PWM từ IC2 phụ thuộc vào mức điện áp tại chân số 5 của nó, được lấy từ mạng điện trở trên bảng thông qua điện trở 1K và giá trị đặt trước 10K.

Điện áp giữa mạng này tỷ lệ thuận với các vôn bảng khác nhau.

Trong thời gian điện áp cao nhất, PWM trở nên rộng hơn và ngược lại.

Các PWM trên được áp dụng cho cổng mosfet dẫn và cung cấp điện áp cần thiết cho pin được kết nối.

Như đã thảo luận trước đây, trong thời gian nắng cao điểm, bảng điều khiển tạo ra mức điện áp cao hơn, điện áp cao hơn có nghĩa là IC2 tạo ra PWM rộng hơn, do đó giữ cho mosfe ở trạng thái TẮT trong thời gian dài hơn hoặc BẬT trong thời gian tương đối ngắn hơn, tương ứng với giá trị điện áp trung bình có thể chỉ khoảng 14,4V trên các cực pin.

Khi ánh nắng mặt trời xấu đi, các PWM được bố trí khoảng cách hẹp tương ứng cho phép mosfet dẫn nhiều hơn để dòng điện và điện áp trung bình trên pin có xu hướng duy trì ở giá trị tối ưu.

Giá trị đặt trước 10K nên được điều chỉnh để nhận được khoảng 14,4V trên các thiết bị đầu cuối đầu ra dưới ánh nắng chói chang.

Kết quả có thể được theo dõi trong các điều kiện ánh sáng mặt trời khác nhau.

Mạch tối ưu hóa bảng điều khiển năng lượng mặt trời được đề xuất đảm bảo sạc pin ổn định, không ảnh hưởng hoặc làm tắt điện áp bảng điều khiển, điều này cũng dẫn đến sinh nhiệt thấp hơn.

Lưu ý: Bảng điều khiển tăng áp được kết nối có thể tạo ra điện áp nhiều hơn 50% so với pin được kết nối vào lúc nắng cao điểm. Dòng điện phải bằng 1/5 định mức AH của pin.

Cách thiết lập mạch

1. Nó có thể được thực hiện theo cách sau:
2. Ban đầu giữ S1 ở trạng thái TẮT.
3. Phơi bảng điều khiển dưới ánh nắng mặt trời cao điểm và điều chỉnh cài đặt trước để có được điện áp sạc tối ưu cần thiết trên đầu ra diode xả mosfet và mặt đất.
4. Mạch đã được thiết lập xong.
5. Sau khi thực hiện xong, chuyển ON S1, pin sẽ bắt đầu được sạc ở chế độ tối ưu tốt nhất có thể.

Thêm một tính năng kiểm soát hiện tại

Một cuộc điều tra kỹ lưỡng về mạch trên cho thấy rằng khi mosfet cố gắng bù lại mức điện áp bảng điều khiển đang giảm xuống, nó cho phép pin hút nhiều dòng điện hơn từ bảng điều khiển, điều này ảnh hưởng đến điện áp bảng điều khiển giảm xuống gây ra tình trạng chạy trốn, điều này có thể cản trở nghiêm trọng quá trình tối ưu hóa

Tính năng kiểm soát dòng điện như trong sơ đồ sau sẽ giải quyết vấn đề này và cấm pin vẽ dòng điện quá mức vượt quá giới hạn quy định. Điều này sẽ giúp giữ cho điện áp bảng điều khiển không bị ảnh hưởng.

RX là điện trở giới hạn dòng điện có thể được tính toán với sự trợ giúp của công thức sau:

RX = 0,6 / I, trong đó I là dòng sạc tối thiểu được chỉ định cho pin được kết nối

Một phiên bản thô nhưng đơn giản hơn của thiết kế được giải thích ở trên có thể được xây dựng theo đề xuất của ông Dhyaksa bằng cách sử dụng phát hiện ngưỡng pin2 và pin6 của IC555, toàn bộ sơ đồ có thể được chứng kiến ​​dưới đây:

Không có tối ưu hóa nếu không có Công cụ chuyển đổi Buck

Thiết kế được giải thích ở trên hoạt động bằng cách sử dụng khái niệm PWM cơ bản, tự động điều chỉnh PWM của mạch dựa trên 555 để phản ứng với cường độ mặt trời thay đổi.

Mặc dù đầu ra từ mạch này tạo ra phản ứng tự điều chỉnh để duy trì điện áp trung bình không đổi ở đầu ra, điện áp đỉnh không bao giờ được điều chỉnh, gây nguy hiểm đáng kể khi sạc pin loại Li-ion hoặc Lipo.

Hơn nữa, mạch trên không được trang bị để chuyển đổi điện áp dư thừa từ bảng điều khiển thành một lượng dòng điện tỷ lệ cho tải định mức điện áp thấp hơn được kết nối.

Thêm công cụ chuyển đổi Buck

Tôi đã cố gắng khắc phục tình trạng này bằng cách thêm một giai đoạn chuyển đổi buck vào thiết kế ở trên và có thể tạo ra một tối ưu hóa trông rất giống với một mạch MPPT.

Tuy nhiên, ngay cả với mạch cải tiến này, tôi không thể hoàn toàn bị thuyết phục về việc liệu mạch có thực sự có khả năng tạo ra điện áp không đổi với mức đỉnh giảm xuống và dòng điện tăng lên để đáp ứng với các mức cường độ mặt trời khác nhau hay không.

Để hoàn toàn tự tin về khái niệm và loại bỏ tất cả những nhầm lẫn, tôi đã phải trải qua một nghiên cứu toàn diện về bộ chuyển đổi buck và mối quan hệ liên quan giữa điện áp đầu vào / đầu ra, dòng điện và tỷ lệ PWM (chu kỳ nhiệm vụ), điều này đã truyền cảm hứng tôi để tạo các bài viết liên quan sau:

Cách hoạt động của trình chuyển đổi Buck

Tính toán điện áp, dòng điện trong cuộn cảm Buck

Các công thức kết luận thu được từ hai bài báo trên đã giúp làm sáng tỏ tất cả các nghi ngờ và cuối cùng tôi có thể hoàn toàn tự tin với mạch tối ưu hóa năng lượng mặt trời được đề xuất trước đây của mình bằng cách sử dụng mạch chuyển đổi buck.

Phân tích điều kiện chu kỳ nhiệm vụ PWM cho thiết kế

Công thức cơ bản làm cho mọi thứ trở nên rõ ràng có thể được nhìn thấy dưới đây:

Vout = DVin

Ở đây V (in) là điện áp đầu vào đến từ bảng điều khiển, Vout là điện áp đầu ra mong muốn từ bộ chuyển đổi buck và D là chu kỳ làm việc.

Từ phương trình, hiển nhiên là Vout có thể được điều chỉnh đơn giản bằng cách 'hoặc' điều khiển chu kỳ làm việc của bộ chuyển đổi buck hoặc Vin .... hay nói cách khác là Vin và các thông số chu kỳ nhiệm vụ tương ứng trực tiếp và ảnh hưởng lẫn nhau giá trị tuyến tính.

Trên thực tế, các thuật ngữ này cực kỳ tuyến tính giúp việc xác định kích thước của mạch tối ưu hóa năng lượng mặt trời dễ dàng hơn nhiều bằng cách sử dụng mạch chuyển đổi buck.

Nó ngụ ý rằng khi Vin cao hơn nhiều (@ đỉnh nắng) so với thông số kỹ thuật tải, bộ xử lý IC 555 có thể làm cho PWM hẹp hơn một cách tương ứng (hoặc rộng hơn đối với thiết bị P) và ảnh hưởng đến Vout để duy trì ở mức mong muốn và ngược lại mặt trời giảm đi, bộ xử lý có thể mở rộng (hoặc thu hẹp đối với thiết bị P) các PWM một lần nữa để đảm bảo rằng điện áp đầu ra được duy trì ở mức không đổi đã chỉ định.

Đánh giá việc thực hiện PWM thông qua một ví dụ thực tế

Chúng ta có thể chứng minh điều trên bằng cách giải công thức đã cho:

Giả sử điện áp đỉnh của bảng điều khiển V (in) là 24V

và PWM sẽ bao gồm thời gian BẬT 0,5 giây và thời gian TẮT 0,5 giây

Chu kỳ hoạt động = Thời gian bóng bán dẫn / Thời gian BẬT + TẮT xung = T (bật) / 0,5 + 0,5 giây

Chu kỳ làm việc = T (bật) / 1

Do đó, thay thế ở trên trong công thức đã cho dưới đây, chúng ta nhận được,

V (ra) = V (vào) x T (vào)

14 = 24 x T (bật)

trong đó 14 là điện áp đầu ra yêu cầu giả định,

vì thế,

T (bật) = 14/24 = 0,58 giây

Điều này cung cấp cho chúng tôi thời gian BẬT bóng bán dẫn cần được đặt cho mạch trong thời gian nắng cao điểm để tạo ra 14v yêu cầu ở đầu ra.

Làm thế nào nó hoạt động

Sau khi thiết lập ở trên, phần còn lại có thể được để lại cho IC 555 xử lý trong khoảng thời gian T (bật) tự điều chỉnh dự kiến ​​để phản ứng với ánh nắng mặt trời giảm dần.

Bây giờ khi ánh nắng giảm đi, thời gian BẬT ở trên sẽ được tăng (hoặc giảm đối với thiết bị P) tương ứng bởi mạch theo kiểu tuyến tính để đảm bảo mức 14V không đổi, cho đến khi điện áp bảng thực sự giảm xuống 14V, khi đó mạch có thể vừa tắt các thủ tục.

Thông số hiện tại (amp) cũng có thể được giả định là tự điều chỉnh, luôn cố gắng đạt được sản phẩm (VxI) không đổi trong suốt quá trình tối ưu hóa. Điều này là do một bộ chuyển đổi buck luôn được cho là chuyển đổi đầu vào điện áp cao thành mức dòng điện tăng tương ứng ở đầu ra.

Tuy nhiên, nếu bạn muốn được xác nhận hoàn toàn về kết quả, bạn có thể tham khảo bài viết sau để biết các công thức liên quan:

Tính toán điện áp, dòng điện trong cuộn cảm Buck

Bây giờ chúng ta hãy xem mạch cuối cùng do tôi thiết kế trông như thế nào, từ thông tin sau:

Như bạn có thể thấy trong sơ đồ trên, sơ đồ cơ bản giống với mạch sạc năng lượng mặt trời tự tối ưu hóa trước đó, ngoại trừ việc bao gồm IC4 được cấu hình như một bộ theo điện áp và được thay thế cho giai đoạn theo dõi bộ phát BC547. Điều này được thực hiện để cung cấp phản hồi tốt hơn cho sơ đồ chân điều khiển IC2 pin # 5 từ bảng điều khiển.

Tóm tắt chức năng cơ bản của Trình tối ưu hóa năng lượng mặt trời

Chức năng có thể được sửa đổi như đã cho dưới đây: IC1 tạo ra một tần số sóng vuông ở khoảng 10kHz có thể tăng lên 20kHz bằng cách thay đổi giá trị của C1.

Tần số này được cấp cho chân2 của IC2 để tạo ra sóng tam giác chuyển mạch nhanh tại chân số 7 với sự trợ giúp của T1 / C3.

Điện áp bảng điều khiển được điều chỉnh thích hợp bằng P2 và được cấp cho tầng tiếp theo điện áp IC4 để cấp cho chân số 5 của IC2.

Điện thế này tại chân số 5 của IC2 từ bảng điều khiển được so sánh bằng sóng tam giác nhanh ở chân số 7 để tạo dữ liệu PWM có kích thước tương ứng tại chân số 3 của IC2.

Tại thời điểm ánh nắng cao điểm, P2 được điều chỉnh một cách thích hợp để IC2 tạo ra các PWM rộng nhất có thể và khi ánh nắng bắt đầu giảm đi, các PWM tương ứng sẽ hẹp hơn.

Hiệu ứng trên được đưa vào cơ sở của PNP BJT để đảo ngược phản hồi qua giai đoạn chuyển đổi buck được đính kèm.

Ngụ ý rằng, vào thời điểm nắng cao điểm, PWM rộng hơn buộc thiết bị PNP dẫn điện ít ỏi {giảm khoảng thời gian T (bật)}, khiến cho các dạng sóng hẹp hơn đến được cuộn cảm buck ... nhưng vì điện áp bảng điều khiển cao nên mức điện áp đầu vào {V (in)} đạt đến cuộn cảm buck bằng mức điện áp của bảng điều khiển.

Vì vậy, trong tình huống này, bộ chuyển đổi buck với sự trợ giúp của T (bật) và V (in) được tính toán chính xác có thể tạo ra điện áp đầu ra yêu cầu chính xác cho tải, có thể thấp hơn nhiều so với điện áp bảng điều khiển, nhưng ở mức dòng điện (amp) tăng tương ứng.

Bây giờ khi ánh nắng mặt trời giảm xuống, các PWM cũng trở nên hẹp hơn, cho phép PNP T (bật) tăng lên tương ứng, do đó giúp cuộn cảm buck bù cho ánh nắng mặt trời đang giảm dần bằng cách tăng điện áp đầu ra tương ứng ... dòng điện (amp ) bây giờ yếu tố được giảm tương ứng trong quá trình hành động, đảm bảo rằng tính nhất quán của đầu ra được duy trì hoàn hảo bằng bộ chuyển đổi buck.

T2 cùng với các thành phần liên kết tạo thành tầng giới hạn dòng điện hoặc tầng khuếch đại lỗi. Nó đảm bảo rằng tải đầu ra không bao giờ được phép tiêu thụ bất kỳ thứ gì vượt quá thông số kỹ thuật định mức của thiết kế, để hệ thống không bao giờ bị rung và hiệu suất của bảng điều khiển năng lượng mặt trời không bao giờ được phép chuyển hướng khỏi vùng hiệu quả cao của nó.

C5 được hiển thị dưới dạng tụ điện 100uF, tuy nhiên để cải thiện kết quả, điều này có thể được tăng lên giá trị 2200uF, vì giá trị cao hơn sẽ đảm bảo kiểm soát dòng điện gợn sóng tốt hơn và điện áp mượt mà hơn cho tải.

P1 dùng để điều chỉnh / hiệu chỉnh điện áp bù của đầu ra opamp, sao cho chân số 5 có thể nhận được mức 0 volt hoàn hảo trong trường hợp không có điện áp bảng điều khiển năng lượng mặt trời hoặc khi điện áp bảng điều khiển năng lượng mặt trời thấp hơn thông số điện áp tải.

Thông số kỹ thuật L1 có thể được xác định gần đúng với sự trợ giúp của thông tin được cung cấp trong bài viết sau:

Cách tính toán cuộn cảm trong mạch SMPS

Trình tối ưu hóa năng lượng mặt trời sử dụng Op Amps

Một mạch tối ưu hóa năng lượng mặt trời rất đơn giản nhưng hiệu quả khác có thể được thực hiện bằng cách sử dụng IC LM338 và một vài opamps.

Hãy tìm hiểu mạch đề xuất (bộ tối ưu hóa năng lượng mặt trời) với sự trợ giúp của các điểm sau: Hình vẽ cho thấy một mạch điều chỉnh điện áp LM338 có tính năng điều khiển dòng điện cũng ở dạng bóng bán dẫn BC547 được kết nối qua chân điều chỉnh và chân nối đất của vi mạch.

Opamps được sử dụng làm bộ so sánh

Hai opamps được định cấu hình làm bộ so sánh. Trên thực tế, nhiều giai đoạn như vậy có thể được kết hợp để nâng cao hiệu quả.

Trong thiết kế hiện tại, cài đặt trước chân số 3 của A1 được điều chỉnh sao cho đầu ra của A1 tăng cao khi cường độ chiếu sáng của mặt trời trên bảng điều khiển nhỏ hơn khoảng 20% ​​so với giá trị đỉnh.

Tương tự, giai đoạn A2 được điều chỉnh để sản lượng của nó tăng cao khi ánh nắng mặt trời thấp hơn khoảng 50% so với giá trị đỉnh.

Khi đầu ra A1 tăng cao, RL # 1 kích hoạt kết nối R2 thẳng hàng với mạch, ngắt kết nối R1.

Ban đầu ở thời điểm nắng gắt nhất, R1 có giá trị được chọn thấp hơn rất nhiều, cho phép dòng điện cực đại đạt đến pin.

Sơ đồ mạch

Khi ánh nắng mặt trời giảm xuống, điện áp của bảng điều khiển cũng giảm xuống và bây giờ chúng tôi không có khả năng hút dòng điện nặng từ bảng điều khiển vì điều đó sẽ làm giảm điện áp xuống dưới 12V có thể làm ngừng hoàn toàn quá trình sạc.

Chuyển đổi chuyển tiếp để tối ưu hóa hiện tại

Do đó, như đã giải thích ở trên A1 hoạt động và ngắt kết nối R1 và kết nối R2. R2 được chọn ở giá trị cao hơn và chỉ cho phép dòng điện giới hạn vào pin sao cho điện áp mặt trời không giảm xuống dưới 15 vots, một mức bắt buộc phải có ở đầu vào của LM338.

Khi ánh nắng mặt trời giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt thứ hai, A2 sẽ kích hoạt RL # 2, lần lượt chuyển mạch R3 để làm cho dòng điện đến pin thấp hơn nữa, đảm bảo rằng điện áp ở đầu vào của LM338 không bao giờ giảm xuống dưới 15V, nhưng tốc độ sạc sẽ pin luôn được duy trì ở mức tối ưu gần nhất.

Nếu các giai đoạn opamp được tăng lên với số lượng rơ le nhiều hơn và các hành động điều khiển dòng điện tiếp theo, thiết bị có thể được tối ưu hóa với hiệu suất tốt hơn.

Quy trình trên sạc pin nhanh chóng ở dòng điện cao trong thời gian nắng cao điểm và giảm dòng điện khi cường độ mặt trời trên bảng điều khiển giảm xuống, đồng thời cung cấp cho pin dòng điện định mức chính xác để pin được sạc đầy vào cuối ngày.

Điều gì xảy ra với pin có thể không bị xả?

Giả sử trong trường hợp pin không được xả tối ưu để thực hiện quy trình trên vào sáng hôm sau, tình huống này có thể gây tử vong cho pin, vì dòng điện cao ban đầu có thể ảnh hưởng tiêu cực đến pin vì nó chưa được xả đến mức quy định. xếp hạng.

Để kiểm tra vấn đề trên, một vài opamps khác được giới thiệu, A3, A4, theo dõi mức điện áp của pin và bắt đầu các hành động tương tự như được thực hiện bởi A1, A2, để dòng điện tới pin được tối ưu hóa đối với điện áp hoặc mức sạc có trong pin trong khoảng thời gian đó.