Аналоговый MPPT контроллер на LM2596

[Obergan Alexey]

Доброго времени суток

Хотел поделиться прототипом устройства для зарядки аккумуляторов и павер банков от солнечных панелей. Основная проблема, с которой я столкнулся при зарядке батарей, когда подключал классический DC-DC преобразователь, это то, что при хорошем освещении всё работало как надо, т.е. на входе 18-20 вольт, на выходе 5(ну или 8.6 при зарядке павербанка) с хорошим током, но стоит только появиться небольшой тучке, сразу же напряжение на солнечной панели падало и зарядка существенно замедлялась.

Не знаю, было ли уже подобное изобретено или нет, но при беглом поиске ничего подобного не находил. В любом случае, полноценные MPPT контроллеры стоят не дёшево и для зарядки гаджетов их покупать смысла нет. Этот же девайс вполне себе прост в сборке.

Фактически, данное устройство не является MPPT контроллером, т.к. оно не отслеживает потребляемую мощность как таковую, а всего лишь следит за тем, чтоб входное напряжение не падало ниже определённого значения, т.к. специфика панелей такова, что выходное напряжение зависит от освещения незначительно, а вот сила тока меняется весьма существенно. Идея заключалась в том, чтоб подать входное напряжение на инвертирующий усилитель, и его выход уже  подавать на обратную связь ШИМ контроллера. Как только входное напряжение становится ниже определённого порога, ШИМ контроллер начинает уменьшать скважность, ограничивая потребление тока таким образом, чтоб не допустить просадки. В данном случае, отдаваемая в нагрузку мощность будет равна Vвх * Iвх * КПД(в моём случае вышло при различных условиях 75-85%).

На картинке ниже показана схема самой системы отслеживания входного напряжения

А вот схема готового устройства

 

Теперь немного по схеме. С помощью подстроечника R1 регулируется порог входного напряжения, ниже которого оно не должно опускаться. R7 задаёт максимальное выходное напряжение. По поводу резистора R6 не уверен в его необходимости, но ИМХО, это не есть очень хоршо, когда пин обратной связи висит в воздухе. Также по поводу диодов D2, D4. У меня были только амперные, но токи в цепи обратной такие, что ради экономии места, можно поставить самые мелкие(не обязательно даже шоттки). Можно было инвертирующий усилитель сделать на ОУ, но я посчитал кощунством втыкать ОУ там, где можно обойтись одним транзистором. В дальнейшем, когда буду проектировать устройство с возможностью регулирования тока, где без ОУ не обойтись, вставлю какой-нибудь сдвоенный операционник.

Собственно сам собранный девайс

Устройство работает, но выявились некоторые недостакти, поэтому собственно и позиционирую его как прототип, а не как законченный девайс

1. Радиатор ШИМ контроллера находится слишком близко к входному конденсатору, нагревая его. А греется он при токе в 1.7 ампер очень не слабо. LM2596 заказывал у китайцев по цене 1 евро за 10 штук. Так что особо не удивляюсь. В дальнейшем планирую использовать XL4015.

2. Если сначала подключить мощную нагрузку на выход, а потом только солнечную панель, то устройство не запустится. Напряжение по входу сразу же просядет и не будет подниматься. Должно вылечиться с помощью схемы защиты ШИМ микросхемы от пониженного напряжения. Схема такой защиты есть в даташите.

3. Если напряжение на солнечной панели опустится ниже порогового, то устройство выключится и не будет ничего отдавать от слова совсем. Напряжение на пине обратной связи поднимется выше 1.25 вольта и контроллер уменьшит скважность до нуля. Но я это особой проблемой не считаю. При хорошем освещении панель выдаёт 20 вольт без нагрузки. Я настроил пороговое напряжение на 17 вольт. Если на ХХ напряжение опустится ниже 17 вольт, то брать с этой панели будет уже нечего.  У меня 17 вольт выходит даже когда панель направлена не на солнце, а просто на небо.

 

Собственно вот и всё. Буду рад, если кому-то идея покажется интересной. В конце концов, прототип рабочий и человеку, имеющему опыт в электронике, не составит труда довести его до ума.

P.S.

Печатную плату в формате спринт лэйаут выложу чуть попозже. Она находится на другом компьютере и сейчас доступа к нему нет.

Изменено 27 марта, 2019 пользователем Obergan Alexey

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[Obergan Alexey]

Как и обещал, выкладываю печатную плату. Как уже говорил выше, конденсатор С1 слишком близко находится к радиатору, но при желании плату можно подредактировать. Проще чем с нуля рисовать

mymppt.lay6

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[Obergan Alexey]

Попробую объяснить на примере, какое преимущество имеет это устройство перед обыкновенным DC-DC преобразователем. Итак, если прикинуть очень грубо, то солнечную панель можно представить как источник напряжения с ограничением по току. В данном случае ограничение по току пропорционально степени освещённости. Напряжение тоже меняется но не так значительно, поэтому я решил этим пренебречь. Итак, представим, что наша панель подключена  к DC-DC преобразователю, который выдаёт 5 вольт и от него заряжается телефон. Допустим при текущих условиях панель выдаёт 20 вольт и ток ограничен половиной ампера. Для простоты рассчётов предположим, что КПД преобразователя 100%. Итак, имеем на входе 20 вольт и 0.5 ампер, а на выходе 5 вольт и два ампера. Телефон более 2х ампер не берёт, поэтому при увеличении освещённости панели режим работы не меняется. еА теперь представим обратную ситуацию. Небо заволокло дымкой, или солнце немного ушло и изменился угол освещения. В общем не может больше панель дать пол ампера. Пусть будет теперь 0.4. Напряжение на панели начинает просаживаться, преобразователь превращается в перемычку и теперь на телефон вместо 2х ампер идёт уже 0.4. Т.е. скорость зарядки резко снижается. И теперь даже если солнце выйдет из-за туч, то преобразователь снова заработает только когда ток с панели превысит 2 ампера. Что невозможно. 

Как будут обстоять дела с моим преобразователем ? Как только начинается просадка по напряжению, он начинает занижать выходное напряжение(а соответственно и ток) до той поры, пока входное напряжение снова не поднимется до 20-ти вольт. И теперь на входе будет 20 вольт и 0.4 ампера, а на выходе чуть меньше 5-ти вольт и 1.6 ампер. И даже при КПД в 75%, ток будет 1.2 ампера, что в 3 раза выше чем 0.4. Т.е. с панели будет сниматься почти максимальная мощность. Почти, потому что напряжение тоже немного падает с уменьшением освещённости, поэтому настраивать преобразователь надо не на 20 вольт, а на 18. 

Как-то так в общем. Надеюсь не сильно сумбурно объяснил

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[solar_panel]

Было бы хорошо на большую мощность/ток. 10-20-30Ампер. Да и на цепочку панелей 24-28В. Если интересны панели - пишите.

[Obergan Alexey]

 @solar_panel, на бОльшую мощность  такой вариант не очень годится. Надо на микроконтроллере, который отслеживает именно саму точку максимальной мощности. Сейчас спроектировал второй вариант на XL4015. Уже на 5 ампер. Платы в пути из Китая. Если на этой неделе соберу, то выложу...

[solar_panel]

выкладывай, обкатаю на панелях)

 

[solar_panel]

25.07.2019 в 11:23, Obergan Alexey сказал:

 @solar_panel, на бОльшую мощность  такой вариант не очень годится. Надо на микроконтроллере, который отслеживает именно саму точку максимальной мощности. Сейчас спроектировал второй вариант на XL4015. Уже на 5 ампер. Платы в пути из Китая. Если на этой неделе соберу, то выложу...

ну как успехи?)

[Obergan Alexey]

03.08.2019 в 17:59, solar_panel сказал:

ну как успехи?)

Да пока собрал, но что-то не совсем так работает, как хотелось бы. Видимо индуктивность маленькая. Попробую поставить побольше. Да и времени не было больше, только с фестиваля вернулся. Схему нарисую, и выложу вместе с печаткой. Но попозже. Сейчас совсем ничего не успеваю

[solar_panel]

На 5 ампер тоже будет актуально, для 50Вт-ной панели самый раз!

[solar_panel]

Эх, жаль никому эта тема не интересна...

 

[Obergan Alexey]

@solar_panel, у меня просто мало времени на это дело. Первый модуль не получился из-за корявой разводки земли, сейчас заказал платы для второй версии, причём как для XL4015, так и для XL4016. Второй вроде как расчитан на 8 ампер. Работа в этом направлении ведётся, просто очень медленно. А не интересует эта тема никого, потому что реальную электроэнергию с солнечных панелей(хотя бы пару киловатт) могут получить те, у кого есть частный дом. Но стоимость панелей и батарей такова, что врядли вся эта кухня когда-нибудь окупится.

[Covid-19]

Если тема еще актуальна по какому алгоритму поиск максимальной мощности ведётся? Реализованный метод согласования (получения максимум мощности когда недостаточно) было сделано изменением  порога отсечки напряжения дёргая вверх-вниз в поисках максимальной отдачи, когда получается уйти в отсечку уже по выходу значение отсечки фиксируется. Да данный метод работает но может есть какой то другой? Просто мне данная тема очень актуальна как в большом масштабе так и в портативном БП но там всё сложнее как источник там может быть любой и как программе его определить автоматом.

[Obergan Alexey]

8 hours ago, Covid-19 said:

по какому алгоритму поиск максимальной мощности ведётся?

По сути данный контроллер не содержит мозгов, поэтому рабочая точка выставляется вручную.

Буквально вчера спаял новую версию. В планах вместо переменного резистора, задающего рабочую точку, подключить выход ЦАПа микроконтроллера. Тогда можно будет находить эту самую рабочую точку каким-нибудь алгоритмом.

Кстати, буду очень признателен, если выложите какие-нибудь ссылки по алгоритмам нахождения рабочей точки. А то гугл досточно скудную инфу выдат.

[Obergan Alexey]

Дабы не скакать по ссылкам, приведу здесь схему последней версии

Собственно, идея создания прототипа с мозгами, заключается в следующем. Подстроечник RV1 выпаивается, между пинами 1 и 2 колхозятся резистор с конденсатором и на вход 2 подаётся ШИМ сигнал с микроконтроллера. Пройдя через RC фильтр, этот шим сигнал и будет выставлять опорное напряжение для установки рабочей точки. Также микроконтроллер будет замерять напряжение и ток с панели и на основании этих данных будет выставлять опорное напряжение. Вместо ШИМа можно использовать какой-нибудь ЦАП, но это уже детали. 

Всё-таки я немного погуглил на тему алгоритмов и нашёл вот что

Алгоритм называется Perturbation & Observation(P&O)

Также имеется вот такой алгоритм

Но как я понял из описания, он выставляет рабочую точку один раз и потом не меняет её в зависимости от изменения освещения. Алгоритмы взяты отсюда.

Наверняка многие зададут вопрос, почему бы сразу не подавать ШИМ сигнал с контроллера на вход IR2111. Да, так намного проще и может даже правильнее. Но моё решение мне нравится тем, что оно может работать без мозгов. Т.е. получается своего рода модульное решение. Без мозгов работает, а с ними работает лучше.

[Covid-19]

3 часа назад, Obergan Alexey сказал:

Кстати, буду очень признателен, если выложите какие-нибудь ссылки по алгоритмам нахождения рабочей точки. А то гугл досточно скудную инфу выдат.

То же самого ждал! Но реализовалось именно так. Но если взять портативный БП там может быть подключен любой источник, даже ФЭМ с мощным источником можно "застрять" на ФЭМ не опустив напряжение и не проверив входы (в этой версии еще оба входа микшируются не измеряются дополнительно по отдельности).  Там где тип источника известен уже проще. Да и много нюансов в портативном БП на решение есть 128кб памяти хватит конечно с захлёстом.

Но а по схеме это бред какой то. Есть куча ШИМ контроллеров тот же TPS40052. В портативном БП и других БП используются асинхронные понижалки как там АКБ подключается к выходу стаба без изоляции, к синхроннику АКБ не подключишь. Чем изолировать АКБ по выходу с лучше применить асинхронник было решено, да и программа в критический момент не успеет синхронник выключить. Без мозгов это не решение.

Изменено 10 января, 2021 пользователем Covid-19

[Obergan Alexey]

1 hour ago, Covid-19 said:

Но а по схеме это бред какой то.

Вот здесь вы совершенно не правы. Во-первых, схема отлично показала себя в работе. Да, есть пара недоработок, которые уже выявлены и будут исправлены. Главное достоинство тл-ки в том, что это народная микросхема и купить её можно на каждом углу. Второе, не менее важное достоинство - это наличие двух усилителей ошибки, один из которых можно приспособить для регулировки выходного напряжения, другой - рабочей точки, что было и сделано в моём случае.

Можно сделать и асинхронник, но в ночное и пасмурное время батарея будет разряжаться через тот же делитель напряжения в обратной связи. Плюс может понадобиться светодиод на выходе преобразователя, чтоб знать, что по выходу что-то имеется. И это особо важно, когда система ватт на не более чем на 100, с небольшой батареей. Поэтому лучше всё-таки изолировать АКБ даже в случае с асинхронником.

[Covid-19]

Но ладно это вам решать из чего собирать.

1 час назад, Obergan Alexey сказал:

. Главное достоинство тл-ки в том, что это народная микросхема и купить её можно на каждом углу.

Я бы сказал это недостаток крутые детальки на каждом углу не продаются. О данной микре даже нельзя сказать что она не отвечает современным требованием для подобный устройств.

Купить детальки на каждом углу это даже не сказка это фантастичекое фентези. Но разряд АКБ через делитель напряжения при нормальных ёмкостях я не рассматривал никогда ибо там еще есть чему потреблять в разы больше. В портативном БП при уходе в экономичный режим АКБ изолируется диодом (хотя там около 70мкА потребление в любом случае), после выхода в рабочей режим диод блокируется (с предварительным выравниваем напряжения). Тепла мало не бывает, даже диод DC-DC доставляет немало нагрева если бы тепла было мало не было там термоконтроля, в портативном БП 2 точки контроля вход и выход. Но у меня 8 АЦП каналов на МК в портативном БП хватает для измерений всего. По факту там входной и выходной преобразователь программный, но есть прямой выход для повышения КПД. А так вход до 5А при 8В это маленькая мощность, хотя 5А это гарантированное снижение тока через считанные минуты так что выше 4А поднимать смысла оказалось нет.

Без мозгов тут не очём, как и в других решениях.

 

 

[Obergan Alexey]

1 hour ago, Covid-19 said:

Без мозгов тут не очём, как и в других решениях.

Повторюсь. Данная схема позволяет добавить мозги, особо не заморачиваясь. И работает она без мозгов довольно-таки неплохо, хоть и не в самом оптимальном режиме. Может быть в ближайшее время заморочусь на мозги, хотя бы с тем алгоритмом, который привёл ранее. А далее уже можно эксперементировать в плане улучшений алгоритмов.

[Covid-19]

А но это личное дело. Просто на фоне общих задач это всё я сказал. Просто проверено это поневоле в самом начале когда только начинал что делать что то из говна золото не сделаешь и просто решение не может быть лучше крутого. Так сказать я просто показал эффект наступления на грабли. По сколько 1 портативный БП был собран уже 10 лет назад, и теперь у меня уже 5-я версия наверное не просто так я обновляю периодически. Могу поделиться проектом.

[Starichok]

можно обойтись без мозгов и алгоритмов.

вот мой проект на Радиокоте:

Замена МРРТ-контроллера для солнечных батарей

там напряжение у меня рабочей точки устанавливается вручную подстроечным резистором.

и тоже применен синхронный преобразователь на TL494.

усилитель ошибки ШИМ контроллера поддерживает рабочую точку.

понятно, что с алгоритмом поиска и с мозгами будет лучше, чем с фиксированным напряжением рабочей точки.

[Obergan Alexey]

15 minutes ago, Starichok said:

вот мой проект на Радиокоте:

Офигеть, я даже не знал ничего про этот проект, да и на радиокот захожу крайне редко, только по ссылкам гугла. А мозги хочу приделать ради спортивного интереса, хотя может и практическое применение есть, т.к. практика показывает, что в пасмурную погоду на 18-вольтовой панели, хоть какая-то отдача есть при рабочей точке 12 вольт. Первая версия контроллера не давала выставить её ниже 15 вольт, и у меня в пасмурную погоду саморазряд повербанка шёл быстрее. А тут выставил 12 и за день(без солнца), аж 20 процентов добавилось

 

[Vslz]

30 минут назад, Starichok сказал:

с мозгами будет лучше, чем с фиксированным напряжением рабочей точки.

Оно может быть и не фиксированным, а температурно-зависимым. Источник опорного напряжения можно сделать с отрицательным ТКН (таким же, как у панелей), обеспечив тепловой контакт с панелью. Это будет еще лучше.

Я собрал 10Вт замену MPPT на 34063 и прочей мелкой рассыпухе. Сам преобразователь по стандартной схме на 34063. ОУ, управляющий ключем-идеальным диодом для защиты от разряда на панель, ключ с гистерезисным компаратором защиты от переразрядки АКБ. 34063 отслеживает жестко установленную точку по напряжению. Плату собрал, маленькая получилась. Но пока валяется. Нету у меня нормальных панелей.

Изменено 10 января, 2021 пользователем Vslz

[Starichok]

твоей теме без малого 2 года.

и я уже давно "дергался" дать ссылку на свой проект, но ленился ...

а сейчас, когда ты показал схему на TL494 с синхронником, я решил, все-таки, поделится ссылкой.

 

там, на Радиокоте, тоже обсуждалось, как сделать термокомпенсацию в моей схеме. нужно читать тему.

[Obergan Alexey]

1 minute ago, Vslz said:

Источник опорного напряжения можно сделать с отрицательным ТКН

Тоже кстати идея. Например, если в приведённой мной схемы взять транзистор Q1, и вынести с платы на панель. Т.к. при нагреве панель теряет свою эффективность, то и опорное напряжение надо с нагревом немного подгонять

1 minute ago, Starichok said:

твоей теме без малого 2 года.

Ну тем не менее, эта идея мне в голову пришла независимо от вашей. Хотя вариант с IR2111 оказался довольно-таки близок. 

@BAFI, касаемо твоего вопроса про солнечную панель. В общем солнечная панель очень напоминает источник тока по своим свойствам. И при изменении освещения, очень сильно меняется максимально отдаваемый ток, но при этом достаточно незначительно меняется напряжение. Поэтому если выставить рабочую точку в 16-17 вольт для 18-ти вольтовой панели - получим некую золотую середину, при которой сможем вытягивать почти максимальную мощность с панели.

[BAFI]

понял - а не маловато витков ? да - работает - но - при малой индуктивности - вы увеличили пики тока - или режим DCM - тем самым убавили кпд - здесь важно , я бы расчет дросселя пересчитал ,имхо.