Едем на солнечной энергии. Превращаем повышающий DC-DC преобразователь в солнечный контроллер. Часть 2
1. Введение
И снова здравствуйте, уважаемые читатели!
Первая часть статьи касалась общей информации по главным аспектам путешествия на солнечной тяге, вторая — будет более узкоспециализированной, рассчитанной на пользователей, имеющих некоторый инженерный опыт в сфере электроники.
2. «А в чем, собственно, проблема? Покупаем готовый солнечный MPPT-контроллер, подключаем и заряжаем»
По состоянию на июнь 2022 мне известна только одна модель ПОВЫШАЮЩЕГО солнечного контроллера: MPT-7210А. В русскоязычном YouTube известны хвалебные видеовыпуски, рассказывающего о его достоинствах.
Данный контроллер однажды мною был приобретен:
В ходе работы с ним было выявлено, что он довольно «сырой» с точки зрения инженерной продуманности:
во-первых, у него имеется недокументированное ограничение входного тока значением около 4А (что дает возможность пропустить только 70Вт при 18В входного напряжения).
Путем разборки и изменения сопротивления одного из шунтов на плате — удалось поднять лимит до 7–8А, но все равно это означало, что контроллер не сможет работать с панелями более 140Вт номинального напряжения 18В;
во-вторых, контроллер заявлен как «MPPT», то есть отслеживающий точку максимальной мощности солнечных панелей. На практике, реализация алгоритма мне показалась странной: после указания напряжения вручную, с какого должен стартовать поиск — контроллер начинал «шарить» по всему диапазону напряжений, уходя в «те места», где солнечные панели вырабатывают явно мало мощности. Как заставить контроллер сузить поле поиска — я так и не понял. А без этого — часть времени MPT-7210А работал со сниженным КПД панелей;
в-третьих, непонятно для чего разработчики контроллера запрограммировали режим очень медленного выхода преобразователя на полную мощность. Условно говоря, имеем яркое Солнце, панели готовы выдавать 140Вт, подключаем MPT-7210А и у него «начинается в час по чайной ложке». Сначала 10Вт, потом подумает, потом 20Вт и т.д.;
в-четвертых, вентилятор гудит как советский пылесос. Несмотря на присутствие в настройках регулировки его частоты вращения — угомонить его ни на йоту нет никакого шанса. Мало того, вентилятор наращивает обороты независимо от нагрузки на выходе. То есть, на 1Вт и на 100Вт — он «пылесосит» одинаково;
в-пятых, плохонький КПД 87–88%, усугубляемый невнятно реализованным алгоритмом «MPPT».
Из плюсов могу отметить его отличный дизайн, эргономичное размещение органов управления, красивый дисплей с большим количеством отображаемых данных, однако у меня были другие приоритеты.
3. Приоритеты для походного солнечного контроллера
Он должен быть:
а). Легкий, компактный и надежный.
б). Дешевый, изготовленный из легкодоступных запчастей (в условном Арзамасе должна продаваться любая радиодеталь, чтобы его отремонтировать).
в). Без всяких «умных мозгов», которые «умнее тебя». МРРТ — приятная опция, но без нее можно спокойно обойтись, если солнечные панели у тебя не первый месяц и ты знаешь, в каких условиях где у них напряжение максимальной мощности. Для примера: у моего комплекта панелей в холодную погоду точка макс.мощности находится при напряжении 19.0–20.0В, в жаркую — 17.6…18.2В. Никакого труда нет ее выставить вручную и 1–2 раза в день подстроить.
г). Иметь высокий КПД.
Анализ рынка выявил отсутствие модели, подходящей под эти требования.
Поэтому пришлось импровизировать.
4. Первый способ решения проблемы: STEP-UP DC-DC и буферная АКБ 18В
Здесь в качестве блока повышения напряжения был использован популярный китайский повышающий DC-DC преобразователь »400W» совместно с буферной Li-ion АКБ 18В 7.8Ач 5S2P 21700 (собственной сборки):
В процессе экспериментов было обнаружено, что при мощностях более 100Вт его желательно оснастить принудительным охлаждением, что легко реализуется за счет установки кулера 40×40 или 50×50 непосредственно на радиаторы сверху.
Ссылка на магазин.
Выяснилось, что преобразователь довольно «дуракоустойчив»: есть защита от КЗ (предохранитель), при перегреве сгорает только силовой ключ MOSFET (не цепляя других SMD-компонентов), силовой ключ может быть заменен на любую модель удовлетворяющий следующим характеристикам:
напряжение сток-исток: более 75В;
макс.ток стока: более 50А;
макс.сопротивление открытого канала: 23 мОм;
макс. входная емкость: 5000 пФ.
(Хорошо проявили себя IRF4115, IRF3710).
Также, у него неплохая стабилизация выходного тока и напряжения, удовлетворительное, измеренное в ходе тестов, значение КПД 91–93% (в зависимости от мощности). К тому же он достойно проявил себя в походных условиях со скачками температуры и влажности, что и обусловило желание сохранить его в проекте для дальнейшей работы.
С буферной АКБ я проездил более года.
5. «Почему нельзя панели напрямую подключить к DC-DC преобразователю?»
Очевидное и простое решение подключить обычную китайскую «повышайку» напрямую к выходу солнечных панелей наталкивается на следующую трудность:
Дело в том, что имеющиеся регулировки на DC-DC преобразователе (два подстроечных резистора CC и СV) — устанавливают стабилизацию ВЫХОДНОГО тока и напряжения.
Нестабильная генерация тока у солнечных панелей и сильная крутизна их вольт-амперной характеристики приводят к тому, что настроить стоковый DC-DC преобразователь таким образом, чтобы он забирал всю мощность солнечных панелей и не отключался при малейшем падении освещенности — становится невозможно.
Предположим, что на выходе подстроечниками установлены параметры: CV = 50В, CC = 2A. Это соответствует 100Вт мощности, поступающих в АКБ электровелосипеда. С учётом КПД 92% DC-DC, на вход должно приходить не менее 108Вт от солнечных батарей.
Теперь рассмотрим ситуацию:
1. Яркое солнце. Потенциально панели могут выдать 180Вт. DC-DC работает. Но как? Преобразуя только 108Вт из 180Вт. Остальные 72Вт просто не используются. Почему? Потому что «родные» подстроечники стабилизируют значение ВЫХОДНОЙ мощности. Установлено 100Вт — значит от источника DC-DC будет брать 108Вт и ни ваттом больше.
2. Хорошо. Мы настроили параметры таким образом, чтобы DC-DC вырабатывал 165Вт, потребляя все 180Вт от панелей. Вроде все прекрасно.
3. До тех пор, пока не подходит маленькая тучка. Генерация панелей падает в три раза и становится 60Вт вместо 180Вт. Но преобразователь по-прежнему пытается вырабатывать 165Вт. Откуда он их возьмёт? Ниоткуда. Поэтому напряжение на входе DC-DC падает ниже порога работоспособности и нормальная генерация ШИМ для силового ключа MOSFET прекращается. Вместо 60Вт х 92% = 55Вт мы получаем НОЛЬ, а также риск скорого выхода из строя MOSFET который «висит» в полуоткрытом состоянии и переводит эти 60Вт в тепло.
Для решения этой проблемы принципиально важной необходимостью становится стабилизация параметров не на выходе DC-DC, а на его ВХОДЕ. Причем, важна стабилизация именно входного напряжения, так как при разной освещенности, панели сильно изменяют вырабатываемый ток, а напряжение макс. мощности меняется очень незначительно, как видно из графика ВАХ одной из моделей СБ:
Фото взято с сайта www.solarhome.ru
Аккумулятор служил буфером, запасающим излишки заряда, когда ток, поступающий от панелей превышал ток, потребляемый преобразователем, и отдающим ток, когда Солнце заходило за тучку, и временно выработка панелями падала в 4–6 раз. Если не было затяжной облачности, то небольшие колебания мощности буферная батарея отрабатывала отлично, удерживая рабочее напряжение 18–19В.
В процессе эксплуатации были выявлены следующие достоинства данной схемы:
Невероятная простота и возможность работы с любым, самым «неумным» DC-DC конвертором из 18В в 48В.
Увеличение общего энергозапаса «на борту» на величину емкости буферной АКБ.
Возможность ненадолго отъехать от лагеря (например, в ближайшую деревню за водой) оставив все снаряжение на месте, при этом ватт-часы продолжают накапливаться.
Можно перемещать солнечные панели с маленькой АКБ, не таская за собой электровелосипед в поиске места наилучшей освещенности (на первых порах, когда тема солнечных панелей находилась на начальном этапе изучения — это было очень важно с научно-экспериментальной точки зрения).
И недостатки:
Увеличение веса возимого снаряжения на 0.8 кг
Присутствовала невозможность «угадать» точное положение мощности «повышайки», чтобы заряд втекающий в буферную АКБ был в точности равен заряду, вытекающему из нее. Из-за этого напряжение «плыло»: либо вверх, либо вниз, что не позволяло надолго (более 1–2 часа) отойти от зарядного устройства. Необходимо было раз в определенный период времени подходить, смотреть и подкручивать.
Сохранялся риск повреждения преобразователя, если пропустить момент полного разряда буферной АКБ 18В, отключение BMS АКБ 18В по нижнему порогу и последующий выход Солнца из-за облаков (MOSFET в полуоткрытом состоянии быстро выходит из строя из-за поглощения всей мощности СБ и последующего перегрева).
6. Схема защиты буферной АКБ 18В от разряда
Изучение возможностей автоматизировать процесс контроля состояния заряженности буферной АКБ 18В начался относительно недавно, когда основная страсть поездить на солнечной энергии была удовлетворена и захотелось провести модернизацию оборудования.
Следовало ввести дополнительный, третий контур обратной связи в схему повышающего DC-DC преобразователя.
Схема стокового варианта:
В процессе экспериментов с преобразователем было выявлено, что подведение дополнительного положительного напряжения к выводу 16 микросхемы ШИМ-генератора TL494 приводит к снижению мощности преобразования.
Следует сказать, что входы 1, 2, 15, 16 у микросхемы — аналоговые и управление идет напряжениями в единицы-десятки милливольт.
Для реализации схемы контроля входного напряжения была собрана дополнительная плата на базе управляемого стабилитрона-микросхемы TL431:
Работа схемы заключается в слежении за входным напряжением питания. В момент когда напряжение питания становится ниже установленного делителем порога — микросхема TL431 прекращает пропускать сквозь себя ток, и на вход микросхемы TL494 (вывод 16), через согласующий резистор 220кОм, от катода TL431 начинает приходить повышенный уровень напряжения (12–15В). Высокий уровень сигнала заставляет TL494 снизить преобразуемый DC-DC конвертором ток до нуля, предотвращая разряд буферной АКБ ниже установленного порога.
По мере повышения питающего напряжения на входе — TL431 открывается, «сажает» напряжение на резисторе 2кОм до уровня 1.8В (минимальное напряжение для работы TL431), уровень сигнала на ножке 16 микросхемы TL494 резко уменьшается, и, как следствие, происходит увеличение мощности преобразователя до значения, устанавливаемого штатным подстроечником регулировки выходного тока на плате самого преобразователя. Дополнительный блок практически перестает влиять на работу DC-DC конвертора. Переходный процесс происходит в диапазоне изменения входного напряжения 0.2–0.3В.
Резистор 220 кОм служит для согласования уровней выхода дополнительной платы и входа микросхемы ШИМ-генератора TL494 (вольты → милливольты).
Предохранитель на 0.2А и два последовательно включенных стабилитрона Д814Д служат цепью защиты дополнительной платы от повышенного напряжения на входе. Дело в том, что микросхема TL431 имеет лимит 36В, в то время как DC-DC преобразователь поддерживает входное напряжение до 50В. Если на вход придет напряжение более 25В, то стабилитроны откроются, пойдет большой ток и предохранитель сгорит, отключив доп.плату от питания. Сюда можно поставить любой другой мощный стабилитрон с рабочим напряжением 25…34В (должно быть более, чем напряжение холостого хода у подключаемых солнечных панелей).
Ставить последовательно с предохранителем резистор сопротивлением более 56 Ом — нельзя, так как в ходе тестов было выявлено, что это нарушает четкость переключения микросхемы TL431 при достижении установленного порога. Этот резистор можно исключить из схемы совсем.
7. Бонус — «теперь можно». Второй способ
В процессе экспериментов схема показала стабильную работу и неожиданно выявилось ее дополнительное свойство: появилась возможность отказаться от буферной АКБ 18В полностью и подключить солнечные панели напрямую к преобразователю. Рабочее напряжение устанавливалось на уровне порога, заданного подстроечным резистором на дополнительной плате. При этом вырабатываемый ток солнечными панелями при этом напряжении в точности становился равным току, потребляемым преобразователем.
Тесты повышающего преобразователя со схемой стабилизации входного напряжения продемонстрированы в следующем видеоролике.
При рабочих токах 4–8А схема также показала свою работоспособность (позже были проведены дополнительные тесты, не попавшие в видеоролик).
8. Выводы и заключение
В ходе доработки получился полноценный солнечный контроллер с ручной установкой рабочего напряжения солнечных панелей со следующими параметрами:
диапазон устанавливаемых пороговых напряжений: 12…25В;
диапазон входных токов: 1…10А;
выходное напряжение: 20…63В;
мощность преобразования: 1…250Вт;
масса: 0.2 кг;
измеренный КПД 91…93%.
На этом у меня всё, уважаемые читатели. Впереди у меня предстоят испытания данной доработки в длительных походах, о результатах которых вам будет известно.
Разумеется, есть вероятность, что в процессе эксплуатации могут всплыть баги и прочие непредсказуемые нюансы, поэтому схема для повторения рекомендуется тем, кто потенциально готов поэкспериментировать.
Всем спасибо за внимание!
