우리 모두가 알고있는 MPPT는 최대 효율로 출력을 최적화하기 위해 일반적으로 태양 전지판과 관련된 최대 전력 점 추적을 의미합니다. 이 게시물에서는 태양 광 발전을 효율적으로 활용하고 배터리를 가장 효율적인 방식으로 충전하기위한 3 가지 최고의 MPPT 컨트롤러 회로에 대해 알아 봅니다.
MPPT가 사용되는 곳
MPPT 회로의 최적화 된 출력은 주로 사용 가능한 햇빛에서 최대 효율로 배터리를 충전하는 데 사용됩니다.
새로운 애호가들은 일반적으로 개념을 어렵게 생각하고 최대 전력 포인트와 같은 MPPT와 관련된 많은 매개 변수와 혼동됩니다. I / V 그래프의 'knee' 기타
실제로이 개념에 대해 그렇게 복잡한 것은 없습니다. 왜냐하면 태양 전지판은 단지 전원 공급 장치의 한 형태이기 때문입니다.
일반적으로 태양 전지판에는 전류가 부족하지만 과전압이 있기 때문에이 전원 공급 장치를 최적화해야합니다. 태양 전지판의이 비정상적인 사양은 AH 등급이 높고 전압 등급이 낮은 6V, 12V 배터리와 같은 표준 부하와 호환되지 않는 경향이 있습니다. 패널 사양, 더욱이 끊임없이 변하는 햇빛으로 인해 장치가 V 및 I 매개 변수와 매우 일치하지 않습니다.
그렇기 때문에 이러한 변화를 '이해'하고 연결된 태양 전지판에서 가장 바람직한 출력을 추출 할 수있는 MPPT와 같은 중간 장치가 필요합니다.
이미 이것을 공부했을 수도 있습니다. 간단한 IC 555 기반 MPPT 회로 이것은 내가 독점적으로 연구하고 설계했으며 작동하는 MPPT 회로의 훌륭한 예를 제공합니다.
왜 MPPT인가
모든 MPPT의 기본 개념은 부하 사양에 따라 패널에서 초과 전압을 낮추거나 줄여서 공제 된 전압이 등가 전류로 변환되도록하여 입력 전체에서 I x V 크기의 균형을 맞추는 것입니다. 그리고 출력은 항상 마크까지 ... 우리는이 유용한 장치에서 이보다 더 많은 것을 기대할 수 없습니다.
위의 자동 추적 및 매개 변수를 적절하게 효율적으로 변환하는 것은 PWM을 사용하여 구현됩니다. 추적기 단계 그리고 벅 컨버터 단계 , 또는 때때로 벅-부스트 컨버터 스테이지 , 단독 벅 컨버터가 더 나은 결과를 제공하고 구현하기 더 간단하지만.
디자인 # 1 : 3 레벨 충전과 함께 PIC16F88을 사용하는 MPPT
이 게시물에서는 IC 555 설계와 매우 유사한 MPPT 회로를 연구합니다. 유일한 차이점은 마이크로 컨트롤러 PIC16F88과 향상된 3 레벨 충전 회로를 사용한다는 것입니다.
단계별 작업 세부 정보
다음 설명을 통해 다양한 단계의 기본 기능을 이해할 수 있습니다.
1) 패널 출력은 연관된 잠재적 분배기 네트워크를 통해 몇 가지 정보를 추출하여 추적됩니다.
2) IC2의 opamp 하나는 전압 팔로워로 구성되며 핀 3의 전위 분배기를 통해 패널에서 출력되는 순간 전압을 추적하고 정보를 PIC의 관련 감지 핀에 공급합니다.
3) IC2의 두 번째 opamp는 패널의 다양한 전류를 추적하고 모니터링하는 역할을하며 PIC의 다른 감지 입력에이를 공급합니다.
4)이 두 입력은 핀 # 9와 관련된 벅 컨버터 단계에 맞게 조정 된 PWM을 개발하기 위해 MCU에 의해 내부적으로 처리됩니다.
5) PIC에서 출력되는 PWM은 스위칭 P-mosfet을 안전하게 트리거하기 위해 Q2, Q3에 의해 버퍼링됩니다. 관련 다이오드는 MOSFET 게이트를 과전압으로부터 보호합니다.
6) MOSFET은 스위칭 PWM에 따라 스위칭하고 인덕터 L1 및 D2에 의해 형성된 벅 컨버터 단을 변조합니다.
7) 위의 절차는 배터리 당 전압은 낮지 만 전류가 풍부한 벅 컨버터에서 가장 적절한 출력을 생성합니다.
8) 벅의 출력은 태양 전지판과 관련된 두 개의 opamp에서 전송 된 정보를 참조하여 IC에 의해 지속적으로 조정되고 적절하게 조정됩니다.
9) 위의 MPPT 규정 외에도 PIC는 일반적으로 다음과 같이 지정되는 3 개의 개별 레벨을 통해 배터리 충전을 모니터링하도록 프로그래밍되어 있습니다. 벌크 모드, 흡수 모드, 플로트 모드.
10) MCU는 상승하는 배터리 전압을 '주시'하고 3 단계 충전 절차 동안 올바른 암페어 수준을 유지하면서 벅 전류를 조정합니다. 이는 MPPT 제어와 함께 수행되며, 이는 배터리에 가장 유리한 결과를 제공하기 위해 한 번에 두 가지 상황을 처리하는 것과 같습니다.
11) PIC 자체에는 IC TL499를 통해 Vdd 핀아웃에서 정밀 조정 된 전압이 공급되며, 다른 적절한 전압 조정기는 여기에서 동일하게 렌더링하기 위해 교체 할 수 있습니다.
12) 설계에서도 서미스터를 볼 수 있습니다. 이것은 선택 사항 일 수 있지만 배터리 온도를 모니터링하고 PIC에 정보를 제공하도록 효과적으로 구성 할 수 있습니다.이 세 번째 정보를 손쉽게 처리하여 벅 출력을 조정하여 배터리 온도를 확인할 수 있습니다. 안전하지 않은 수준 이상으로 올라가지 않습니다.
13) PIC와 관련된 LED 표시기는 배터리의 다양한 충전 상태를 표시하여 사용자가 하루 종일 배터리의 충전 상태에 대한 최신 정보를 얻을 수 있도록합니다.
14) PIC16F88을 3 단계 충전으로 사용하는 제안 된 MPPT 회로는 12V 배터리 충전은 물론 회로 변경없이 24V 배터리 충전을 지원합니다. 단, 괄호 안에 표시된 값과 VR3 설정은 출력이 가능하도록 조정해야합니다. 12V 배터리의 경우 시작시 14.4V, 24V 배터리의 경우 29V.
프로그래밍 코드 다운로드 가능 여기
디자인 # 2 : 동기식 스위치 모드 MPPT 배터리 컨트롤러
두 번째 설계는 고급 내장 MPPT 동기식 스위치 모드 배터리 충전 컨트롤러가 포함 된 장치 bq24650을 기반으로합니다. 높은 수준의 입력 전압 레귤레이션을 제공하여 입력 전압이 지정된 양 아래로 떨어질 때마다 배터리에 대한 충전 전류를 방지합니다. 더 알아보기:
입력이 태양 전지판에 연결될 때마다 공급 안정화 루프가 충전 증폭기를 아래로 내려 태양 전지판이 최대 전력 출력을 생성 할 수 있도록합니다.
IC BQ24650의 기능
bq24650은 전류 및 전압 안정화, 충전 사전 조정, 충전 차단 및 충전 수준 확인을 통해 최적의 정확도를 가진 정 주파수 동기식 PWIVI 컨트롤러를 제공 할 것을 약속합니다.
이 칩은 사전 조정, 정전류 및 정전압의 세 가지 개별 레벨로 배터리를 충전합니다.
앰프 레벨이 급속 충전 속도의 1/10에 가까워지면 충전이 중단됩니다. 사전 충전 타이머는 30 분으로 설정되어 있습니다.
수동 개입이없는 bq2465O는 입력 전압이 배터리 전압 아래로 내려가는 동안 배터리 전압이 내부적으로 설정된 제한 아래로 돌아가거나 최소 대기 암페어 절전 모드에 도달하는 경우 충전 절차를 다시 시작합니다.
이 장치는 2.1V 피드백 포인트에 내부적으로 고정 된 VFB를 사용하여 2.1V ~ 26V의 배터리를 충전하도록 설계되었습니다. 충전 앰프 사양은 잘 일치하는 감지 저항을 고정하여 내부적으로 사전 설정됩니다.
bq24650은 16 핀, 3.5 x 3.5mm ^ 2 Thin QFN 옵션으로 구매할 수 있습니다.
회로도
배터리 전압 규정
bq24650은 충전 전압을 결정하기 위해 매우 정확한 전압 조정기를 사용합니다. 충전 전압은 중간 지점이 VFB 핀에 연결된 상태에서 배터리에서 접지까지 저항 분배기를 통해 미리 설정됩니다.
VFB 핀의 전압은 2.1V 기준으로 클램핑됩니다. 이 기준 값은 원하는 조정 전압 수준을 결정하기 위해 다음 공식에서 사용됩니다.
V (배트) = 2.1V x [1 + R2 / R1]
여기서 R2는 VFB에서 배터리로 연결되고 R1은 VFB에서 GND로 연결됩니다. Li-Ion, LiFePO4 및 SMF 납축 배터리는 이상적으로 지원되는 배터리 화학 물질입니다.
이제 대부분의 선반 리튬 이온 셀을 최대 4.2V / 셀까지 효과적으로 충전 할 수 있습니다. LiFePO4 배터리는 훨씬 더 높은 충전 및 방전주기 프로세스를 지원하지만 단점은 에너지 밀도가 너무 좋지 않다는 것입니다. 인식 된 셀 전압은 3.6V입니다.
두 셀 Li-Ion 및 LiFePO4의 전하 프로파일은 사전 조정, 정전류 및 정전압입니다. 효과적인 충전 / 방전 수명을 위해 충전 종료 전압 제한은 4.1V / 셀로 줄일 수 있지만 에너지 밀도는 Li 기반 화학 사양에 비해 훨씬 낮아질 수 있습니다. 감소 된 생산 비용과 빠른 방전주기 때문에 훨씬 선호되는 배터리입니다.
공통 전압 임계 값은 2.3V ~ 2.45V입니다. 배터리가 완전히 충전 된 것으로 확인되면 자체 방전을 보충하기 위해 플로트 또는 세류 충전이 필수가됩니다. 세류 충전 임계 값은 정전압 지점보다 100mV-200mV 낮습니다.
입력 전압 규정
태양 전지판은 V-I 또는 V-P 곡선에서 배타적 수준을 가질 수 있으며, 이는 일반적으로 최대 전력 점 (MPP)으로 알려져 있으며, 여기서 완전한 PV (광전지) 시스템은 최적의 효율성에 의존하고 필요한 최대 출력 전력을 생성합니다.
정전압 알고리즘은 사용 가능한 가장 쉬운 MPPT (Maximum Power Point Tracking) 옵션입니다. bq2465O는 최대 효율을 내기 위해 최대 전력 포인트가 활성화되도록 충전 증폭기를 자동으로 차단합니다.
스위치 ON 조건
칩 bq2465O는 VCC가 배터리 또는 외부 AC / DC 어댑터 장치 모두에서 종료 될 수 있기 때문에 VCC 핀의 공급 전압 수단을 식별하기 위해 'SLEEP'비교기를 통합합니다.
VCC 전압이 SRN 전압보다 더 중요하고 충전 절차에 대한 추가 기준이 충족되면 bq2465O는 연결된 배터리를 충전하기 시작합니다 (충전 활성화 및 비활성화 섹션 참조).
SRN 전압이 VCC에 비해 더 높으면 배터리가 전력을 획득하는 소스임을 상징하며, bq2465O는 더 낮은 대기 전류 (<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.
VCC가 UVLO 제한보다 낮 으면 IC가 차단되고 그 후에 VREF LDO가 꺼집니다.
충전 활성화 및 비활성화
제안 된 MPPT 동기식 스위치 모드 배터리 충전 컨트롤러 회로의 충전 프로세스가 초기화되기 전에 다음과 같은 관련 측면이 보장되어야합니다.
• 충전 프로세스가 활성화 됨 (MPPSET> 175mV)
• 장치가 UVLO (Under-Voltage-Lock-Out) 기능이 아니며 VCC가 VCCLOWV 한계를 초과합니다.
• IC가 SLEEP 기능이 아닙니다 (예 : VCC> SRN).
• VCC 전압이 AC 과전압 한계 (VCC • 첫 번째 전원을 켠 후 30ms 시간 경과가 충족됩니다. • REGN LDO 및 VREF LDO 전압은 지정된 접점에서 고정됩니다. • 열 차단 (TSHUT)이 초기화되지 않음-TS 불량이 식별되지 않음 다음 기술 문제 중 하나가 배터리의 진행중인 충전을 방해 할 수 있습니다. • 충전이 비활성화되었습니다 (MPPSET<75mV) • 어댑터 입력 연결이 끊어져 IC가 VCCLOWV 또는 SLEEP 기능을 시작하도록합니다. • 어댑터 입력 전압이 배터리 표시 위 100mV 미만입니다. • 어댑터는 더 높은 전압에서 정격입니다. • REGN 또는 VREF LDO 전압이 사양에 맞지 않습니다. • TSHUT IC 온도 제한이 확인되었습니다. • TS 전압이 지정된 범위를 벗어나는 경우 배터리 온도가 매우 뜨겁거나 훨씬 더 차갑다는 것을 나타낼 수 있습니다. 자체 트리거 내장형 SOFT-START CHARGER CURRENT 충전기는 자체적으로 충전기가 고속 충전 상태로 이동할 때마다 충전기 전원 조정 전류를 소프트 스타트하여 외부 연결된 커패시터 또는 전력 변환기에 오버 슈트 또는 스트레스 조건이 전혀 없음을 확인합니다. 소프트 스타트는 체 이징 안정화 앰프를 접두사 충전 전류 레벨 옆에있는 8 개의 균일하게 실행되는 작동 단계로 강화하는 기능이 있습니다. 지정된 모든 단계는 13ms의 지정된 Up 기간 동안 약 1.6ms 동안 계속됩니다. 논의 된 작동 기능을 활성화하기 위해 단일 외부 부품이 필요하지 않습니다. 동기식 벅 PWM 컨버터는 피드 포 버드 제어 전략과 함께 미리 결정된 주파수 전압 모드를 사용합니다. 버전 III 보상 구성을 통해 시스템이 컨버터의 출력 단계에 세라믹 커패시터를 통합 할 수 있습니다. 보상 입력 단계는 오류 증폭기 입력 (EAI)과 함께 피드백 출력 (FBO) 사이에 내부적으로 연결됩니다. 피드백 보상 단계는 오류 증폭기 입력 (EAI)과 오류 증폭기 출력 (EAO) 사이에서 조정됩니다. LC 출력 필터 단계는 공진 주파수 fo가 다음과 같이 공식화되는 장치에 대해 약 12kHz-17kHz의 공진 주파수를 활성화하도록 결정해야합니다. fo = 1/2 √ oLoCo 통합 톱니 램프는 내부 EAO 오류 제어 입력을 비교하여 컨버터의 듀티 사이클을 변경할 수 있습니다. 램프 진폭은 입력 어댑터 전압의 7 %이므로 어댑터 전압의 입력 공급에 영구적이고 완전하게 비례 할 수 있습니다. 이것은 입력 전압의 변동으로 인한 모든 종류의 루프 이득 변경을 제거하고 루프 보상 절차를 단순화합니다. 램프는 300mV로 균형을 이루므로 EAO 신호가 램프 아래에있을 때 듀티 사이클이 0 %가됩니다. EAO 신호는 마찬가지로 100 % 듀티 사이클 PWM 요구를 달성하기위한 목적으로 톱니 램프 신호를 능가 할 수 있습니다. 내장 게이트 드라이브 로직 이를 통해 99.98 % 듀티 사이클을 동시에 달성 할 수있어 N 채널 상위 장치가 항상 100 % 켜져있는 데 필요한만큼의 전압을 일관되게 전달하는지 확인할 수 있습니다. BTST 핀 대 PH 핀 전압이 3 간격 이상 4.2V 미만으로 감소하는 경우,이 경우 하이 사이드 n-channeI 전력 MOSFET이 꺼지고 로우 사이드 n-channe | 전력 MOSFET은 PH 노드를 끌어 내리고 BTST 커패시터를 충전하도록 트리거됩니다. 그 후 하이 사이드 드라이버는 (BTST-PH) 전압이 다시 낮아지는 것이 관찰 될 때까지 100 % 듀티 사이클 절차로 정규화됩니다. 이는 BTST 커패시터를 4.2V 미만으로 고갈시키는 유출 전류와 리셋 펄스로 인해 재발행. 미리 결정된 주파수 발진기는 대부분의 입력 전압, 배터리 전압, 충전 전류 및 온도 환경에서 스위칭 주파수에 대해 엄격한 명령을 유지하여 출력 필터 레이아웃을 단순화하고 가청 장애 상태에서 멀리 유지합니다. 목록에서 세 번째로 좋은 MPPT 설계는 IC bq2031을 사용하는 간단한 MPPT 충전기 회로를 설명합니다. 텍사스 인스트루먼트, 높은 Ah 납축 배터리를 비교적 빠른 속도로 빠르게 충전하는 데 가장 적합합니다. 이 실용적인 애플리케이션 문서는 bq2031 배터리 충전기를 사용하여 MPPT 기반 납축 배터리 충전기를 개발할 수있는 개인을위한 것입니다. 이 기사에는 태양 광 응용 분야의 충전 효율을 개선하기 위해 MPPT (최대 전력 점 추적)를 사용하는 12A- 시간 납축 배터리를 충전하기위한 구조적 형식이 포함되어 있습니다. 태양 광 패널 시스템에서 배터리를 충전하는 가장 쉬운 절차는 배터리를 태양 광 패널에 직접 연결하는 것이지만 이것이 가장 효과적인 기술은 아닐 수 있습니다. 태양 전지판이 75W 정격을 가지며 25 ° C 온도 및 1000W / m2 일사량의 일반 테스트 환경에서 16V의 전압으로 4.65A의 전류를 생성한다고 가정합니다. 납축 배터리는 12V의 전압으로 태양 광 패널을이 배터리에 직접 연결하면 패널 전압이 12V로 감소하고 충전을 위해 패널에서 55.8W (12V 및 4.65A) 만 생산 될 수 있습니다. 여기에서 경제적 인 충전을 위해서는 DC / DC 컨버터가 가장 적합 할 수 있습니다. 이 실용적인 애플리케이션 문서는 효과적인 충전을 위해 bq2031을 사용하는 모델을 설명합니다. 그림 1은 태양 광 패널 시스템의 표준 측면을 보여줍니다. Isc는 태양 전지판이 단락 된 경우 패널을 통해 흐르는 단락 전류입니다. 그것은 태양 전지판에서 추출 될 수있는 최적의 전류입니다. Voc는 태양 전지판 단자의 개방 회로 전압입니다. Vmp 및 Imp는 태양 광 패널에서 최대 전력을 구입할 수있는 전압 및 전류 레벨입니다. 햇빛이 도달 할 수있는 최적 전류 (Isc)를 감소시키는 반면, 태양 전지판에서 나오는 가장 높은 전류도 억제합니다. 그림 2는 태양 광에 따른 I-V 특성의 변화를 나타냅니다. 파란색 곡선은 다양한 일사량 값에서 최대 전력의 세부 사항을 연결합니다. MPPT 회로의 이유는 여러 햇빛 조건에서 최대 전력 지점에서 태양 전지판의 작동 수준을 유지하려고하기 때문입니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 최대 전력이 전달되는 전압은 햇빛에 따라 크게 변하지 않습니다. bq2031로 구성된 회로는이 문자를 사용하여 MPPT를 실행합니다. 추가 전류 제어 루프가 포함되어 일광이 감소함에 따라 충전 전류를 감소시키고 최대 전력 점 전압 주변에서 태양 광 패널 전압을 유지합니다. 그림 3은 연산 증폭기 TLC27L2를 사용하는 MPPT를 수행하기 위해 추가 된 전류 제어 루프가있는 DV2031S2 보드의 개략도를 보여줍니다. bq2031은 감지 저항 R 20에서 250mV의 전압을 유지하여 충전 전류를 유지합니다. 1.565V의 기준 전압은 U2에서 5V를 사용하여 생성됩니다. 입력 전압을 기준 전압과 비교하여 bq2031의 SNS 핀에서 구현할 수있는 오류 전압을 생성하여 충전 전류를 줄입니다. 태양 전지판에서 최대 전력을 얻을 수있는 전압 (V mp)은 저항 R26 및 R27을 사용하여 조절됩니다. V mp = 1.565 (R 26 + R 27) / R 27. R 27 = 1k Ω 및 R 26 = 9.2k Ω에서 V mp = 16V가됩니다. TLC27L2는 V dd = 5V에서 6kHz의 대역폭으로 내부적으로 조정됩니다. 주로 TLC27L2의 대역폭이 bq2031의 스위칭 주파수보다 훨씬 낮기 때문에 추가 된 전류 제어 루프는 계속 일정합니다. 이전 회로 (그림 3)의 bq2031은 1A의 최적 전류를 제공합니다. 태양 광 패널이 1A에서 배터리를 충전하기에 충분한 전력을 공급할 수있는 경우 외부 제어 루프가 작동하지 않습니다. 그러나 절연이 감소하고 태양 광 패널이 1A에서 배터리를 충전하기에 충분한 에너지를 전달하는 데 어려움을 겪는 경우 외부 제어 루프는 Vmp에서 입력 전압을 보존하기 위해 충전 전류를 감소시킵니다. 표 1에 설명 된 결과는 회로의 기능을 확인합니다. 굵은 글씨로 표시된 전압은 2 차 제어 루프가 V mp에서 입력을 보존하기 위해 충전 전류를 최소화 할 때마다 문제를 나타냅니다. 참조 : MPPT 동기식 스위치 모드 배터리 충전 컨트롤러 회로 컨버터 작동
디자인 # 3 : 고속 MPPT 충전기 회로
요약
소개
태양 광 패널의 I-V 특성
bq2031 기반 MPPT 충전기
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