私たち全員が知っているMPPTは、最大効率で出力を最適化するためにソーラーパネルに通常関連付けられている最大電力点追従を指します。この投稿では、太陽光発電を効率的に利用し、最も効率的な方法でバッテリーを充電するための3つの最良のMPPTコントローラー回路について学習します。
MPPTが使用される場所
MPPT回路からの最適化された出力は、主に、利用可能な日光から最大効率でバッテリーを充電するために使用されます。
新しい愛好家は通常、概念が難しいと感じ、最大電力点など、MPPTに関連する多くのパラメータと混同されます。 I / Vグラフの「ひざ」 等
ソーラーパネルは単なる電源の一種であるため、実際にはこの概念についてそれほど複雑なことはありません。
通常、ソーラーパネルには電流が不足しているが、過剰な電圧があるため、この電源の最適化が必要になります。ソーラーパネルのこの異常な仕様は、6V、12Vバッテリーなど、AH定格が高く電圧定格が低い標準負荷と互換性がなくなる傾向があります。パネルの仕様、さらには日光が絶えず変化するため、デバイスはVおよびIパラメータと非常に矛盾しています。
そのため、これらの変動を「理解」し、接続されたソーラーパネルから最も望ましい出力を引き出すことができるMPPTなどの中間デバイスが必要です。
あなたはすでにこれを研究しているかもしれません シンプルなIC555ベースのMPPT回路 これは私が独占的に研究および設計したものであり、動作するMPPT回路の優れた例を提供します。
なぜMPPT
すべてのMPPTの背後にある基本的な考え方は、負荷仕様に従ってパネルからの過剰な電圧をドロップまたはトリムダウンして、差し引かれた量の電圧が同等の量の電流に変換されるようにし、入力全体でI xVの大きさのバランスを取ることです。そして、出力は常にマークまでです...この便利なガジェットからこれ以上のものを期待することはできませんか？
上記の自動追跡とパラメータの効率的な適切な変換は、PWMを使用して実装されます トラッカーステージ と 降圧コンバータ段 、または時々 昇降圧コンバーターステージ 、単独の降圧コンバータはより良い結果をもたらし、実装が簡単ですが。
デザイン＃1：3レベル充電でPIC16F88を使用するMPPT
この投稿では、IC 555の設計と非常によく似たMPPT回路を研究しますが、唯一の違いは、マイクロコントローラーPIC16F88と拡張された3レベル充電回路の使用です。
段階的な作業の詳細
さまざまな段階の基本的な機能は、次の説明の助けを借りて理解することができます。
1）パネル出力は、関連する分圧器ネットワークを介してパネル出力からいくつかの情報を抽出することによって追跡されます。
2）IC2からの1つのオペアンプは、電圧フォロワとして構成され、ピン3の分圧器を介してパネルから出力される瞬時電圧を追跡し、PICの関連する検出ピンに情報を供給します。
3）IC2からの2番目のオペアンプは、パネルからの変動電流の追跡と監視を担当し、PICの別の検出入力に同じ電流を供給します。
4）これらの2つの入力は、ピン＃9に関連付けられた降圧コンバータ段に対応して調整されたPWMを開発するために、MCUによって内部的に処理されます。
5）PICからのPWM出力はQ2、Q3によってバッファリングされ、スイッチングP-MOSFETを安全にトリガーします。関連するダイオードは、MOSFETゲートを過電圧から保護します。
6）MOSFETは、スイッチングPWMに従ってスイッチングし、インダクタL1とD2によって形成されるバックコンバータ段を変調します。
7）上記の手順は、バッテリーごとに電圧が低く、電流が豊富な降圧コンバーターからの最適な出力を生成します。
8）バックからの出力は、ソーラーパネルに関連付けられた2つのオペアンプから送信された情報を参照して、ICによって常に調整され、適切に調整されます。
9）上記のMPPT規制に加えて、PICは、通常は次のように指定される3つの個別のレベルでバッテリーの充電を監視するようにプログラムされています。 バルクモード、吸収モード、フロートモード。
10）MCUは、バッテリー電圧の上昇を監視し、それに応じて3レベルの充電手順中に正しいアンペアレベルを維持しながら降圧電流を調整します。これは、MPPT制御と組み合わせて実行されます。これは、バッテリーに最も好ましい結果を提供するために、一度に2つの状況を処理するようなものです。
11）PIC自体には、IC TL499を介してVddピン配列で高精度の安定化電圧が供給されます。これをレンダリングするために、他の適切な電圧レギュレータをここで置き換えることができます。
12）サーミスタも設計に見られますが、これはオプションですが、バッテリー温度を監視し、情報をPICに供給するように効果的に構成できます。PICは、この3番目の情報を簡単に処理して、バッテリー温度を確認しながら降圧出力を調整します。安全でないレベルを超えることはありません。
13）PICに関連付けられたLEDインジケータは、バッテリーのさまざまな充電状態を示します。これにより、ユーザーは1日を通してバッテリーの充電状態に関する最新情報を取得できます。
14）3レベル充電を備えたPIC16F88を使用する提案されたMPPT回路は、回路を変更せずに12Vバッテリー充電と24Vバッテリー充電をサポートします。ただし、括弧内に示されている値と、出力を調整する必要があるVR3設定を除きます。 12Vバッテリーの場合は開始時に14.4V、24Vバッテリーの場合は29V。
“有限状態マシンの状態図 ”
プログラミングコードをダウンロードできます ここに
デザイン＃2：同期スイッチモードMPPTバッテリーコントローラー
2番目の設計は、高度な内蔵MPPT同期スイッチモードバッテリー充電コントローラーを含むデバイスbq24650に基づいています。高レベルの入力電圧レギュレーションを提供し、入力電圧が指定された量を下回るたびにバッテリーへの充電電流を防ぎます。もっと詳しく知る：
入力がソーラーパネルに接続されている場合は常に、電源安定化ループが充電アンプをプルダウンして、ソーラーパネルが最大の電力出力を生成できるようにします。
ICBQ24650の機能
bq24650は、定周波数同期PWIVIコントローラーに、電流と電圧の安定化、充電の事前調整、充電のカットオフ、および充電レベルのチェックを備えた最適なレベルの精度を提供することを約束します。
チップは、前処理、定電流、定電圧の3つの個別のレベルでバッテリーを充電します。
アンペアレベルが急速充電率の1/10に近づくとすぐに充電が遮断されます。プリチャージタイマーは30分に設定されています。
手動介入なしのbq2465Oは、入力電圧がバッテリー電圧を下回っている間にバッテリー電圧が内部で設定された制限を下回るか、最小静止アンプスリープモードに達した場合に、充電手順を再開します。
このデバイスは、VFBが内部で2.1Vフィードバックポイントに固定された状態で、2.1Vから26Vまでバッテリーを充電するように設計されています。充電アンプの仕様は、適切に整合された検出抵抗を固定することによって内部で事前設定されています。
bq24650は、16ピン、3.5 x 3.5 mm ^ 2の薄いQFNオプションで調達できます。
回路図
バッテリー電圧調整
bq24650は、充電電圧を決定するために非常に正確な電圧レギュレーターを採用しています。充電電圧は、バッテリーからグランドへの抵抗分割器によってプリセットされ、中間点はVFBピンに接続されています。
VFBピンの電圧は2.1Vリファレンスにクランプされます。この基準値は、安定化電圧の望ましいレベルを決定するために次の式で使用されます。
V（バット）= 2.1V x [1 + R2 / R1]
ここで、R2はVFBからバッテリーに接続され、R1はVFBからGNDに接続されています。 Li-Ion、LiFePO4、およびSMF鉛蓄電池は、理想的にサポートされている電池の化学的性質です。
市販のリチウムイオン電池の大部分は、4.2V /セルまで効果的に充電できるようになりました。 LiFePO4バッテリーは、大幅に高い充電および放電サイクルのプロセスをサポートしますが、欠点は、エネルギー密度があまり良くないことです。認識されるセル電圧は3.6Vです。
2つのセルLi-IonとLiFePO4の電荷プロファイルは、前処理、定電流、および定電圧です。有効な充電/放電寿命のために、充電終了電圧制限はおそらく4.1V /セルに削減される可能性がありますが、そのエネルギー密度はLiベースの化学仕様と比較してはるかに低くなる可能性があり、鉛酸は製造コストが削減され、放電サイクルが速いため、非常に好ましいバッテリーです。
一般的な電圧しきい値は2.3Vから2.45Vです。バッテリーが完全に充電されたことが確認された後、自己放電を補うためにフロート充電またはトリクル充電が必須になります。トリクル充電のしきい値は、定電圧ポイントより100mV〜200mV低くなっています。
入力電圧調整
ソーラーパネルは、V-IまたはV-P曲線上に排他的なレベルを持ち、一般に最大電力点（MPP）として知られています。この場合、完全な太陽光発電（PV）システムは最適な効率に依存し、必要な最大出力電力を生成します。
定電圧アルゴリズムは、利用可能な最も簡単な最大電力点追従（MPPT）オプションです。 bq2465Oは、最大電力点が有効になって最大効率が得られるように、充電アンプを自動的にシャットダウンします。
スイッチオン状態
チップbq2465Oには、VCCがバッテリまたは外部AC / DCアダプタユニットの両方から終端される可能性があるため、VCCピンの供給電圧の手段を識別するための「SLEEP」コンパレータが組み込まれています。
VCC電圧がSRN電圧よりも重要であり、充電手順の追加基準が満たされている場合、bq2465Oはその後、接続されたバッテリーの充電を試み始めます（充電の有効化と無効化のセクションを参照してください）。
SRN電圧がVCCに対して高い場合、バッテリーが電力を取得するソースであることを示し、bq2465Oはより低い静止電流に対して有効になります（<15uA) SLEEP mode to prevent amperage leakage from the battery.
VCCがUVLO制限を下回ると、ICがカットオフされ、その後VREFLDOがオフになります。
充電の有効化と無効化
提案されたMPPT同期スイッチモードバッテリ充電コントローラ回路の充電プロセスを初期化する前に、以下の関連する側面を確認する必要があります。
•充電プロセスが有効になっている（MPPSET> 175mV）
•ユニットがUnder-Voltage-Lock-Out（UVLO）機能になっておらず、VCCがVCCLOWV制限を超えている
•ICはSLEEP機能ではありません（つまり、VCC> SRN）
•VCC電圧がAC過電圧制限（VCC •最初の電源投入後、30ミリ秒のタイムラプスが実行されます •REGNLDOおよびVREFLDO電圧は、指定された接合部に固定されています •サーマルシャット（TSHUT）が初期化されていません-TS不良が識別されていません次の技術的な問題のいずれかにより、バッテリーの充電が妨げられる可能性があります。 •充電が無効になっている（MPPSET<75mV) •アダプタ入力が切断され、ICがVCCLOWVまたはSLEEP機能を開始するように促します •アダプターの入力電圧がバッテリーマークより100mV高い •アダプタの定格はより高い電圧です •REGNまたはVREFLDO電圧が仕様どおりではありません •TSHUTICの暖かさの制限が特定されている•TS電圧が指定された範囲外に移動した場合、バッテリーの温度が極端に高いか、またははるかに低いことを示している可能性があります 自己トリガー型内蔵ソフトスタート充電器電流 充電器は、充電器が急速充電に移行するたびに、充電器の電力調整電流をソフトスタートして、外部接続されたコンデンサまたは電力変換器にオーバーシュートやストレス状態がまったくないことを確認します。 ソフトスタートは、チャギング安定化アンプを、接頭辞付きの充電電流レベルの隣にある8つの均一に実行される操作ステップにステップアップすることを特徴としています。割り当てられたすべてのステップは、指定された13ミリ秒のアップ期間、約1.6ミリ秒続きます。説明した操作機能を有効にするために、単一の外部部品が呼び出されることはありません。 同期降圧PWMコンバータは、フィードフォーバード制御戦略を備えた所定の周波数電圧モードを採用しています。 バージョンIIIの補償構成では、コンバータの出力段にセラミックコンデンサを組み込むシステムを作成します。補償入力段は、フィードバック出力（FBO）とエラーアンプ入力（EAI）の間に内部的に関連付けられています。 フィードバック補償ステージは、エラーアンプ入力（EAI）とエラーアンプ出力（EAO）の間に装備されています。 LC出力フィルタ段は、デバイスの共振周波数が約12 kHz〜17 kHzになるように決定する必要があります。この場合、共振周波数foは次のように定式化されます。 fo = 1 /2√oLoCo 統合された鋸歯状ランプにより、内部EAOエラー制御入力を比較して、コンバータのデューティサイクルを変更できます。 ランプ振幅は入力アダプタ電圧の7％であり、アダプタ電圧の入力電源に永続的かつ完全に比例することができます。 これにより、入力電圧の変動によるあらゆる種類のループゲインの変化がキャンセルされ、ループ補償手順が簡素化されます。ランプは300mVだけバランスが取れているため、EAO信号がランプを下回っているときにゼロパーセントのデューティサイクルが達成されます。 EAO信号も同様に、100％デューティサイクルのPWM要求を達成する目的で、のこぎり波ランプ信号を上回るように認定されています。 ビルトイン ゲートドライブロジック これにより、99.98％のデューティサイクルを同時に達成でき、Nチャネルの上部デバイスが常に100％オンになるために必要な電圧を一貫して伝送することを確認できます。 BTSTピンからPHピンへの電圧が3間隔より長く4.2Vを下回った場合、ハイサイドnチャンネルパワーMOSFETはオフになり、ローサイドnチャンネル|パワーMOSFETがトリガーされ、PHノードが引き下げられてBTSTコンデンサが充電されます。 その後、ハイサイドドライバーは、（BTST-PH）電圧が4.2 V未満でBTSTコンデンサーを使い果たす流出電流とリセットパルスのために、（BTST-PH）電圧が再び低く低下することが観察されるまで、100％デューティサイクル手順に正常化します。再発行。 所定の周波数発振器は、入力電圧、バッテリー電圧、充電電流、および温度のほとんどの状況下でスイッチング周波数に対して厳密なコマンドを維持し、出力フィルターのレイアウトを簡素化し、可聴妨害状態から遠ざけます。 私たちのリストで3番目に優れたMPPT設計は、次のICbq2031を使用した単純なMPPT充電回路を説明しています。 TEXAS INSTRUMENTS、 これは、高Ah鉛蓄電池を比較的速い速度ですばやく充電するのに最適です。 この実用的なアプリケーションの記事は、bq2031バッテリー充電器を使用してMPPTベースの鉛蓄電池充電器を開発している可能性のある個人を対象としています。 この記事には、太陽光発電アプリケーションの充電効率を向上させるためにMPPT（最大電力点追従）を採用した12時間の鉛蓄電池を充電するための構造形式が含まれています。 ソーラーパネルシステムからバッテリーを充電する最も簡単な手順は、バッテリーをソーラーパネルに直接接続することですが、これは最も効果的な手法ではない場合があります。 ソーラーパネルの定格が75Wで、25°Cの温度と1000 W / m2の日射量の通常のテスト環境で16Vの電圧で4.65Aの電流を生成するとします。 鉛蓄電池の定格電圧は12Vで、ソーラーパネルをこのバッテリーに直接接続すると、パネルの電圧が12 Vに低下し、充電用のパネルから55.8 W（12Vおよび4.65A）しか生成できませんでした。 ここでの経済的な充電には、DC / DCコンバータが最も適切に必要になる場合があります。 この実用的なアプリケーションドキュメントでは、効果的な充電のためにbq2031を使用してモデルを説明します。 図1は、ソーラーパネルシステムの標準的な側面を示しています。 Iscは、ソーラーパネルが短絡した場合にパネルを流れる短絡電流です。 それはたまたまソーラーパネルから抽出される可能性のある最適な電流です。 Vocは、ソーラーパネルの端子の開回路電圧です。 VmpとImpは、ソーラーパネルから最大電力を購入できる電圧と電流のレベルです。 日光は達成される可能性のある最適電流（Isc）を減少させますが、ソーラーパネルからの最大電流も抑制します。図2は、太陽光によるI-V特性の変化を示しています。 青い曲線は、さまざまな日射量での最大電力の詳細を示しています MPPT回路の理由は、いくつかの日光条件で最大電力点でソーラーパネルの動作レベルを維持しようとするためです。 図2からわかるように、最大電力が供給される電圧は、日光によって大きく変化することはありません。 bq2031で構築された回路は、この特性を利用してMPPTを実行します。 追加の電流制御ループが含まれており、日光が減少するにつれて充電電流が減少し、ソーラーパネルの電圧を最大電力点電圧付近に維持します。 図3は、オペアンプTLC27L2を使用してMPPTを実行するために電流制御ループが追加されたDV2031S2ボードの回路図を示しています。 bq2031は、センス抵抗R20で250mVの電圧を保持することにより、充電電流を維持します。U2から5 Vを使用すると、1.565Vの基準電圧が生成されます。 入力電圧を基準電圧と比較してエラー電圧を生成します。このエラー電圧は、bq2031のSNSピンに実装して充電電流を減らすことができます。 ソーラーパネルから最大電力を取得できる電圧（V mp）は、抵抗R26とR27を使用して調整されます。 V mp = 1.565（R 26 + R 27）/ R27。 R 27 =1kΩおよびR26 =9.2kΩの場合、V mp = 16Vが達成されます。 TLC27L2は、V dd = 5Vで6kHzの帯域幅で内部調整されます。主に、TLC27L2の帯域幅がbq2031のスイッチング周波数を大幅に下回るため、追加される電流制御ループは一定のままです。 前の回路（図3）のbq2031は、1Aの最適電流を提供します。 太陽光発電パネルが1Aでバッテリーを充電するのに十分な電力を供給できる場合、外側の制御ループは動作しません。 ただし、絶縁が低下し、太陽光発電パネルが1 Aでバッテリーを充電するのに十分なエネルギーを供給できない場合、外側の制御ループは充電電流を減らしてVmpの入力電圧を維持します。 表1に示されている結果は、回路の機能を確認しています。太字の電圧測定値は、2次制御ループがV mpで入力を維持するために充電電流を最小化している場合は常に、問題を示しています。 参照： コンバーターの操作
デザイン＃3：高速MPPT充電回路
概要
前書き
ソーラーパネルのI-V特性
bq2031ベースのMPPT充電器
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