يشير MPPT كما نعلم جميعًا إلى الحد الأقصى لتتبع نقاط الطاقة والذي يرتبط عادةً بالألواح الشمسية لتحسين مخرجاتها بأقصى قدر من الكفاءة. في هذا المنشور ، نتعلم أفضل 3 دوائر تحكم MPPT لتسخير الطاقة الشمسية بكفاءة وشحن البطارية بأكثر الطرق كفاءة.
حيث يتم استخدام MPPT
يستخدم الإخراج المحسن من دوائر MPPT بشكل أساسي لشحن البطاريات بأقصى قدر من الكفاءة من أشعة الشمس المتاحة.
عادة ما يجد الهواة الجدد أن هذا المفهوم صعب ويتم الخلط بينه وبين العديد من المعلمات المرتبطة بـ MPPT ، مثل أقصى نقطة طاقة ، 'الركبة' في الرسم البياني I / V إلخ
في الواقع لا يوجد شيء معقد حول هذا المفهوم ، لأن الألواح الشمسية ليست سوى شكل من أشكال الإمداد بالطاقة.
يصبح تحسين مصدر الطاقة هذا ضروريًا لأن الألواح الشمسية عادةً ما تفتقر إلى التيار ، ولكنها تمتلك جهدًا زائدًا ، وتميل هذه المواصفات غير الطبيعية للوحة الشمسية إلى التعارض مع الأحمال القياسية مثل بطاريات 6V و 12V التي تحمل تصنيف AH أعلى وتصنيف جهد أقل مقارنةً بـ مواصفات اللوحة ، وعلاوة على ذلك ، فإن أشعة الشمس المتغيرة باستمرار تجعل الجهاز غير متوافق للغاية مع معلمات V و I.
وهذا هو السبب في أننا نحتاج إلى جهاز وسيط مثل MPPT الذي يمكنه `` فهم '' هذه الاختلافات وإخراج الناتج المرغوب فيه من لوحة شمسية متصلة.
ربما تكون قد درست هذا بالفعل دائرة MPPT بسيطة IC 555 الذي تم بحثه وتصميمه حصريًا من قبلي ويقدم مثالًا ممتازًا لدائرة MPPT العاملة.
لماذا MPPT
الفكرة الأساسية وراء جميع MPPTs هي إسقاط أو خفض الجهد الزائد من اللوحة وفقًا لمواصفات الحمل مع التأكد من تحويل الكمية المخصومة من الجهد إلى كمية مكافئة من التيار ، وبالتالي موازنة مقدار I x V عبر المدخلات والإخراج دائمًا يصل إلى العلامة ... لا يمكننا توقع أي شيء أكثر من هذا من هذه الأداة المفيدة ، أليس كذلك؟
يتم تنفيذ التتبع التلقائي أعلاه والتحويل المناسب للمعلمات بكفاءة باستخدام PWM مرحلة تعقب و أ مرحلة تحويل باك ، أو في بعض الأحيان أ مرحلة تحويل باك-دفعة ، على الرغم من أن محول باك الانفرادي يعطي نتائج أفضل وأبسط في التنفيذ.
التصميم رقم 1: MPPT باستخدام PIC16F88 مع شحن ثلاثي المستويات
في هذا المنشور ، ندرس دائرة MPPT التي تشبه تمامًا تصميم IC 555 ، والفرق الوحيد هو استخدام متحكم PIC16F88 ودائرة شحن محسّنة من 3 مستويات.
تفاصيل العمل خطوة حكيمة
يمكن فهم الوظيفة الأساسية للمراحل المختلفة بمساعدة الوصف التالي:
1) يتم تتبع إخراج اللوحة عن طريق استخراج بعض المعلومات منه من خلال شبكات المقسم المحتملة المرتبطة.
2) يتم تكوين opamp واحد من IC2 كمتابع للجهد ويتتبع خرج الجهد الفوري من اللوحة من خلال مقسم محتمل في pin3 الخاص به ، ويغذي المعلومات إلى دبوس الاستشعار ذي الصلة للموافقة المسبقة عن علم.
3) يصبح opamp الثاني من IC2 مسؤولاً عن تتبع ومراقبة التيار المتغير من اللوحة ويغذي نفسه إلى مدخل استشعار آخر للموافقة المسبقة عن علم.
4) تتم معالجة هذين المدخلين داخليًا بواسطة وحدة MCU لتطوير PWM المصممة وفقًا لمرحلة محول باك المرتبط بالدبوس رقم 9.
5) يتم تخزين PWM الخارج من الموافقة المسبقة عن علم بواسطة Q2 ، Q3 لتشغيل التبديل P-mosfet بأمان. يحمي الصمام الثنائي المرتبط بوابة mosfet من الجهد الزائد.
6) مفاتيح mosfet وفقًا لمفاتيح التبديل PWM وتعديل مرحلة محول باك التي شكلها المحث L1 و D2.
7) تنتج الإجراءات المذكورة أعلاه أنسب إخراج من محول باك الذي يكون جهده أقل حسب البطارية ، ولكنه غني بالتيار.
8) يتم تعديل الناتج من باك باستمرار وتعديله بشكل مناسب بواسطة IC مع الإشارة إلى المعلومات المرسلة من opamps المرتبطين باللوحة الشمسية.
9) بالإضافة إلى لائحة MPPT المذكورة أعلاه ، فإن الموافقة المسبقة عن علم مبرمجة أيضًا لمراقبة شحن البطارية من خلال 3 مستويات منفصلة ، والتي يتم تحديدها عادةً على أنها وضع الحجم ، وضع الامتصاص ، وضع التعويم.
10) تراقب وحدة MCU ارتفاع جهد البطارية وتقوم بضبط تيار باك وفقًا لذلك الحفاظ على مستويات الأمبير الصحيحة خلال المستويات الثلاثة لإجراءات الشحن. يتم ذلك بالتزامن مع التحكم في MPPT ، مثل التعامل مع حالتين في وقت واحد لتقديم أفضل النتائج للبطارية.
11) يتم تزويد PIC نفسها بجهد منظم بدقة عند طرف Vdd الخاص به من خلال IC TL499 ، يمكن استبدال أي منظم جهد آخر مناسب هنا لتقديم نفسه.
12) يمكن أيضًا رؤية الثرمستور في التصميم ، وقد يكون هذا اختياريًا ولكن يمكن تهيئته بشكل فعال لمراقبة درجة حرارة البطارية وتغذية المعلومات إلى PIC ، والتي تعالج هذه المعلومات الثالثة دون عناء لتخصيص إخراج باك مع التأكد من أن درجة حرارة البطارية لا ترتفع فوق المستويات غير الآمنة.
13) تشير مؤشرات LED المرتبطة بـ PIC إلى حالات الشحن المختلفة للبطارية والتي تسمح للمستخدم بالحصول على معلومات محدثة بشأن حالة شحن البطارية طوال اليوم.
14) دائرة MPPT المقترحة التي تستخدم PIC16F88 مع 3-Level Charging تدعم شحن بطارية 12 فولت بالإضافة إلى شحن بطارية 24 فولت دون أي تغيير في الدائرة ، باستثناء القيم الموضحة بين قوسين وإعداد VR3 الذي يحتاج إلى تعديل للسماح بالإخراج. 14.4 فولت في البداية لبطارية 12 فولت و 29 فولت لبطارية 24 فولت.
يمكن تنزيل كود البرمجة هنا
تصميم رقم 2: وحدة تحكم بطارية MPPT ذات التبديل المتزامن
يعتمد التصميم الثاني على الجهاز bq24650 الذي يشتمل على وحدة تحكم شحن البطارية المتقدمة المضمنة MPPT Synchronous Switch-Mode Battery Charge Controller. إنه يوفر مستوى عالٍ من تنظيم جهد الدخل ، والذي يمنع تيار الشحن للبطارية في كل مرة ينخفض فيها جهد الدخل عن الكمية المحددة. يتعلم أكثر:
عندما يتم إرفاق الإدخال بلوحة شمسية ، تسحب حلقة تثبيت الإمداد مضخم الشحن لأسفل لضمان تمكين اللوحة الشمسية لإنتاج أقصى خرج للطاقة.
كيف وظائف IC BQ24650
يعد bq24650 بتوفير وحدة تحكم PWIVI متزامنة ذات تردد ثابت بمستوى مثالي من الدقة مع تثبيت التيار والجهد ، وتكييف الشحن المسبق ، وقطع الشحن ، وفحص مستوى الشحن.
تقوم الشريحة بشحن البطارية في 3 مستويات منفصلة: التكييف المسبق والتيار الثابت والجهد الثابت.
يتم قطع الشحن بمجرد أن يقترب مستوى الأمبير من 1/10 من معدل الشحن السريع. تم ضبط مؤقت الشحن المسبق على 30 دقيقة.
يعمل bq2465O بدون تدخل يدوي على إعادة تشغيل إجراء الشحن في حالة تراجع جهد البطارية عن الحد المعين داخليًا أو الوصول إلى الحد الأدنى من وضع السكون المضخم بينما ينخفض جهد الدخل عن جهد البطارية.
تم تصميم الجهاز لشحن بطارية من 2.1 فولت إلى 26 فولت مع VFB مثبت داخليًا إلى نقطة استجابة 2.1 فولت. يتم ضبط مواصفات أمبير الشحن داخليًا عن طريق تثبيت مقاوم استشعار متطابق جيدًا.
يمكن شراء bq24650 بخيار QFN رقيق ذو 16 سنًا ، 3.5 × 3.5 مم ^ 2.
مخطط الرسم البياني
تنظيم جهد البطارية
يستخدم bq24650 منظم جهد دقيق للغاية لتقرير جهد الشحن. يتم ضبط جهد الشحن مسبقًا عن طريق مقسم مقاوم من البطارية إلى الأرض ، مع توصيل نقطة المنتصف بدبوس VFB.
يتم تثبيت الجهد عند دبوس VFB على مرجع 2.1 فولت. تُستخدم هذه القيمة المرجعية في الصيغة التالية لتحديد المستوى المطلوب للجهد المنظم:
الخامس (بات) = 2.1 فولت × [1 + R2 / R1]
حيث يتم توصيل R2 من VFB بالبطارية ويتم توصيل R1 من VFB إلى GND. Li-Ion ، LiFePO4 ، وكذلك بطاريات SMF الحمضية هي كيميائية مدعومة بشكل مثالي.
يمكن الآن شحن غالبية خلايا Li-ion الموجودة على الرف بشكل فعال حتى 4.2 فولت / خلية. تدعم بطارية LiFePO4 عملية دورات شحن وتفريغ أعلى بشكل كبير ، ولكن الجانب السلبي هو أن كثافة الطاقة ليست جيدة جدًا. جهد الخلية المعترف به هو 3.6 فولت.
ملف تعريف شحن خليتي Li-Ion و LiFePO4 هو التكييف المسبق والتيار الثابت والجهد الثابت. للحصول على عمر شحن / تفريغ فعال ، قد يتم خفض حد جهد نهاية الشحن إلى 4.1 فولت / خلية ، ولكن كثافة الطاقة قد تصبح أقل بكثير مقارنة بالمواصفات الكيميائية القائمة على Li ، يستمر حمض الرصاص في يفضل استخدام البطارية نظرًا لانخفاض نفقات الإنتاج بالإضافة إلى دورات التفريغ السريع.
عتبة الجهد المشترك هي من 2.3V إلى 2.45V. بعد أن يُنظر إلى البطارية على أنها مملوءة بالكامل ، يصبح الشحن العائم أو النقطي إلزاميًا لتعويض التفريغ الذاتي. عتبة الشحن الهزيلة هي 100mV-200mV أقل من نقطة الجهد الثابت.
إدخال تنظيم الجهد
قد يكون للوحة الشمسية مستوى خاص على منحنى V-I أو V-P ، والمعروف شعبياً باسم Maximum Power Point (MPP) ، حيث يعتمد النظام الكهروضوئي الكامل (PV) على الكفاءة المثلى ويولد أقصى طاقة الإخراج المطلوبة.
تعد خوارزمية الجهد الثابت هي أسهل خيار متاح لتتبع أقصى نقطة للطاقة (MPPT). يقوم bq2465O بإيقاف تشغيل مضخم الشحن تلقائيًا بحيث يتم تمكين نقطة الطاقة القصوى لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة.
حالة التبديل
تشتمل الشريحة bq2465O على مقارنة 'SLEEP' لتحديد وسائل جهد الإمداد على دبوس VCC ، نظرًا لحقيقة أنه يمكن إنهاء VCC من بطارية أو وحدة محول تيار متردد / تيار مستمر خارجي.
إذا كان جهد VCC أكثر أهمية لجهد SRN ، وتم استيفاء المعايير الإضافية لإجراءات الشحن ، يبدأ bq2465O لاحقًا في محاولة شحن بطارية متصلة (يرجى الاطلاع على قسم تمكين الشحن وتعطيله).
إذا كان جهد SRN أعلى بالنسبة إلى VCC ، مما يدل على أن البطارية هي المصدر الذي يتم الحصول على الطاقة منه ، يتم تمكين bq2465O لتيار هادئ أقل (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.
إذا كان VCC أقل من حد UVLO ، يتم قطع IC ، وبعد ذلك يتم إيقاف تشغيل VREF LDO.
تمكين وتعطيل الشحن
يجب ضمان الجوانب المعنية التالية قبل تهيئة عملية الشحن لدائرة التحكم في شحن البطارية بوضع التبديل المتزامن MPPT المقترحة:
• تم تمكين عملية الشحن (MPPSET> 175mV)
• الوحدة ليست في وظيفة Under-Voltage-Lock-Out (UVLO) و VCC أعلى من حد VCCLOWV
• IC ليس في وظيفة SLEEP (مثل VCC> SRN)
• جهد VCC أقل من حد الجهد الزائد للتيار المتردد (VCC • يتم تحقيق فاصل زمني يبلغ 30 مللي ثانية بعد أول تشغيل للطاقة • تم إصلاح الفولتية REGN LDO و VREF LDO عند نقاط التوصيل المحددة • لم تتم تهيئة ميزة الإغلاق الحراري (TSHUT) - لم يتم التعرف على TS bad - أي من المشكلات الفنية التالية قد تمنع استمرار شحن البطارية: • تم إلغاء تنشيط الشحن (MPPSET<75mV) • تم فصل إدخال المحول ، مما يؤدي إلى دخول IC إلى وظيفة VCCLOWV أو SLEEP • جهد دخل المحول أقل من 100mV فوق علامة البطارية • تم تصنيف المحول بجهد أعلى • الجهد REGN أو VREF LDO غير مطابق للمواصفات • تم تحديد حد تدفئة TSHUT IC • يحدث أن يتحرك جهد TS خارج النطاق المحدد مما قد يشير إلى أن درجة حرارة البطارية ساخنة للغاية أو أكثر برودة بدلاً من ذلك شاحن بدء التشغيل الذاتي المدمج الذي يتم تشغيله ذاتيًا يقوم الشاحن من تلقاء نفسه ببدء تشغيل تيار تنظيم طاقة الشاحن في كل مرة ينتقل فيها الشاحن إلى الشحن السريع لإثبات عدم وجود أي تجاوز أو ظروف مرهقة على المكثفات المتصلة خارجيًا أو محول الطاقة. تتميز البداية الناعمة بتكثيف أمبير تثبيت التثبيت إلى ثماني خطوات تشغيلية منفذة بشكل موحد بجوار مستوى تيار الشحن المسبق. تستمر جميع الخطوات المخصصة لحوالي 1.6 مللي ثانية ، لفترة تصل محددة تبلغ 13 مللي ثانية. لم يتم استدعاء أي أجزاء خارجية لتمكين الوظيفة التشغيلية التي تمت مناقشتها. يستخدم محول PWM باك المتزامن وضع جهد تردد محدد مسبقًا مع إستراتيجية التحكم في التغذية فورفارد. يتيح تكوين تعويض الإصدار الثالث للنظام دمج المكثفات الخزفية في مرحلة إخراج المحول. ترتبط مرحلة إدخال التعويض داخليًا بين إخراج التغذية الراجعة (FBO) جنبًا إلى جنب مع إدخال مضخم الخطأ (EAI). يتم تجهيز مرحلة تعويض التغذية المرتدة بين مدخلات مضخم الخطأ (EAI) ومخرج مكبر الخطأ (EAO). يجب تحديد مرحلة مرشح خرج LC لتمكين تردد طنين من حوالي 12 كيلوهرتز إلى 17 كيلوهرتز للجهاز ، حيث تتم صياغة تردد الرنين ، fo ، على النحو التالي: fo = 1/2 √ oLoCo يُسمح بمنحدر سن منشار متكامل لمقارنة إدخال التحكم في خطأ EAO الداخلي لتغيير دورة عمل المحول. تبلغ سعة المنحدر 7٪ من جهد محول الإدخال مما يجعلها متناسبة بشكل دائم وكامل مع مصدر الدخل لجهد المحول. يؤدي هذا إلى إلغاء أي نوع من تعديلات كسب الحلقة بسبب التباين في جهد الدخل ويبسط إجراءات تعويض الحلقة. يتم موازنة المنحدر بمقدار 300 ميللي فولت بحيث يتم تحقيق نسبة صفر بالمائة من العمل عندما تكون إشارة EAO أسفل المنحدر. إشارة EAO مؤهلة بالمثل لتتفوق على إشارة منحدر سن المنشار بغرض تحقيق طلب 100٪ من CycIe PWM. مدمج منطق محرك البوابة يجعل من الممكن إنجاز 99.98٪ من دورة العمل في نفس الوقت ، مما يؤكد أن الجهاز العلوي للقناة N يحمل باستمرار قدرًا من الجهد اللازم ليكون دائمًا 100٪. في حالة انخفاض الجهد من طرف BTST إلى طرف PH إلى أقل من 4.2 فولت لمدة تزيد عن ثلاث فترات زمنية ، في هذه الحالة يتم إيقاف تشغيل MOSFET ذي الطاقة العالية n-channeI بينما يتم إيقاف تشغيل n-chan ذات الجانب المنخفض | يتم تشغيل power MOSFET لسحب عقدة PH لأسفل وشحن مكثف BTST. بعد ذلك ، يتم تطبيع المحرك عالي الجانب إلى إجراء دورة العمل بنسبة 100 ٪ حتى يتم ملاحظة انخفاض الجهد (BTST-PH) مرة أخرى ، بسبب تيار التدفق الخارج الذي يستنفد مكثف BTST أقل من 4.2 فولت ، وكذلك إعادة ضبط النبض أعيد إصدارها. يحافظ مذبذب التردد المحدد مسبقًا على تحكم صارم في تردد التبديل في معظم ظروف جهد الدخل ، جهد البطارية ، تيار الشحن ، ودرجة الحرارة ، مما يبسط تخطيط مرشح الخرج ويبقيه بعيدًا عن حالة الاضطرابات الصوتية. يشرح ثالث أفضل تصميم MPPT في قائمتنا دائرة شاحن MPPT بسيطة باستخدام IC bq2031 من شركة TEXAS INSTRUMENTS، وهو الأنسب لشحن بطاريات الرصاص الحمضية العالية بسرعة وبنسبة سريعة نسبيًا مقالة التطبيق العملي هذه مخصصة للأفراد الذين قد يطورون شاحن بطارية حمض الرصاص قائم على MPPT بمساعدة شاحن بطارية bq2031. تتضمن هذه المقالة تنسيقًا هيكليًا لشحن بطارية حمض الرصاص 12 ساعة باستخدام MPPT (أقصى تتبع لنقطة الطاقة) لتحسين كفاءة الشحن للتطبيقات الكهروضوئية. قد يكون أسهل إجراء لشحن البطارية من أنظمة الألواح الشمسية هو توصيل البطارية مباشرة باللوحة الشمسية ، ولكن قد لا تكون هذه الطريقة الأكثر فعالية. افترض أن الألواح الشمسية تحمل تصنيف 75 واط وتولد تيارًا قدره 4.65 أمبير بجهد 16 فولت في بيئة الاختبار العادية بدرجة حرارة 25 درجة مئوية و 1000 واط / م 2 من التشمس. يتم تصنيف بطارية الرصاص الحمضية بجهد 12 فولت ، حيث يؤدي ربط اللوحة الشمسية بهذه البطارية مباشرة إلى تقليل جهد اللوحة إلى 12 فولت ويمكن إنتاج 55.8 واط فقط (12 فولت و 4.65 أمبير) من اللوحة للشحن. قد تكون هناك حاجة إلى محول DC / DC بشكل أكثر ملاءمة للشحن الاقتصادي هنا. تشرح وثيقة التطبيق العملية هذه نموذجًا ، باستخدام bq2031 للشحن الفعال. يعرض الشكل 1 الجوانب القياسية لأنظمة الألواح الشمسية. Isc هو تيار دائرة قصر يتدفق عبر اللوحة في حالة قصر الدائرة الشمسية. يحدث أن يكون التيار الأمثل الذي يمكن استخراجه من الألواح الشمسية. Voc هو جهد الدائرة المفتوحة عند أطراف اللوحة الشمسية. Vmp و Imp هما مستويات الجهد والتيار حيث يمكن شراء الطاقة القصوى من الألواح الشمسية. في حين أن أشعة الشمس تقلل من التيار الأمثل (Isc) الذي يمكن تحقيقه ، فإن أعلى تيار من الألواح الشمسية يمنع أيضًا. يوضح الشكل 2 تباين خصائص I-V مع ضوء الشمس. يربط المنحنى الأزرق تفاصيل الطاقة القصوى بقيم مختلفة من التشمس سبب دارة MPPT هو محاولة الحفاظ على مستوى عمل الألواح الشمسية عند أقصى نقطة للطاقة في العديد من ظروف أشعة الشمس. كما لوحظ من الشكل 2 ، فإن الجهد حيث يتم توصيل الطاقة القصوى لا يتغير بشكل كبير مع أشعة الشمس. الدائرة التي تم إنشاؤها باستخدام bq2031 تستخدم هذه الشخصية لوضع MPPT موضع التنفيذ. يتم تضمين حلقة تحكم تيار إضافية مع تقليل تيار الشحن مع انخفاض ضوء النهار وكذلك للحفاظ على جهد اللوحة الشمسية حول أقصى جهد نقطة طاقة. يعرض الشكل 3 التخطيطي للوحة DV2031S2 مع إضافة حلقة تحكم تيار مضافة لتنفيذ MPPT باستخدام مضخم التشغيل TLC27L2. يحافظ bq2031 على تيار الشحن عن طريق الاحتفاظ بجهد قدره 250 مللي فولت عند مقاومة الإحساس R 20. يتم إنشاء جهد مرجعي يبلغ 1.565 فولت باستخدام 5 فولت من U2. تتم مقارنة جهد الدخل مع الجهد المرجعي لإنتاج جهد خطأ يمكن تنفيذه عند طرف SNS من bq2031 لتقليل تيار الشحن. يتم تكييف الجهد (V mp) حيث يمكن الحصول على أقصى قدر من الطاقة من الألواح الشمسية باستخدام مقاومات R26 و R27. V mp = 1.565 (R 26 + R 27) / R 27. مع R 27 = 1 k Ω و R 26 = 9.2 k ، يتحقق V mp = 16 V. يتم ضبط TLC27L2 داخليًا بعرض نطاق يبلغ 6 كيلو هرتز عند V dd = 5 V. ويرجع ذلك أساسًا إلى أن عرض النطاق الترددي لـ TLC27L2 أقل بكثير من تردد التبديل لـ bq2031 ، تستمر حلقة التحكم الحالية المضافة في الثبات. يوفر bq2031 في الدائرة السابقة (الشكل 3) تيارًا مثاليًا قدره 1 أ. في حالة قدرة لوحة الطاقة الشمسية على توفير طاقة كافية لشحن البطارية عند 1 أ ، لا تبدأ حلقة التحكم الخارجية في العمل. ومع ذلك ، إذا انخفض العزل وتكافح لوحة الطاقة الشمسية لتوفير طاقة كافية لشحن البطارية عند 1 أ ، فإن حلقة التحكم الخارجية تقلل من تيار الشحن للحفاظ على جهد الدخل عند V mp. تؤكد النتائج الموضحة في الجدول 1 عمل الدائرة. تشير قراءات الجهد بالخط العريض إلى المشكلة عندما تقوم حلقة التحكم الثانوية بتقليل تيار الشحن إلى الحد الأدنى للحفاظ على الإدخال عند V mp مراجع: دائرة تحكم شحن البطارية بوضع التبديل المتزامن MPPT تشغيل المحول
تصميم رقم 3: حلبة شاحن MPPT السريع
نبذة مختصرة
مقدمة
خصائص I-V للألواح الشمسية
شاحن MPPT القائم bq2031
زوج من: تم استكشاف 3 دارات مستشعرات تقارب سعوية سهلة التالي: 8 دائرة ضوء عيد الميلاد وظيفة
