Солнечная панель питает двухкаскадное зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов

Зарядное устройство на солнечных батареях для свинцово-кислотных аккумуляторов может гарантировать, что аккумулятор будет оставаться полностью заряженным в широком диапазоне температур. Идеальная схема зарядки компенсирует колебания температуры и количества солнечного света, включая восстановление после затенения.

Солнечные или фотоэлектрические панели состоят из нескольких солнечных элементов, соединенных последовательно. Идеальный солнечный элемент представляет собой источник тока, подключенный параллельно выпрямительному диоду. Фотоэлектрический ток IPH зависит от количества солнечного света, падающего на солнечный элемент. В темноте солнечный элемент – это просто диод. Солнечный элемент, находящийся в тени, имеет ограниченную способность генерировать и переносить ток, что ограничивает способность переноса тока всей солнечной панели. Выходной ток солнечного элемента падает с уменьшением количества солнечного света (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Выходной ток солнечного элемента падает с уменьшением количества солнечного света.

На Рисунке 2 показано влияние температуры на выходное напряжение солнечного элемента; видно, что выходное напряжение уменьшается с ростом температуры. В этой конструкции для зарядки свинцово-кислотной аккумуляторной батареи используется солнечная панель, состоящая из последовательности солнечных элементов, работающая в точке максимальной мощности. Для обеспечения непрерывной работы элемента в «точке перегиба» вольтамперной характеристики, обеспечивающей передачу максимальной мощности в нагрузку, необходимо выполнить ряд этапов проектирования (Рисунки 1 и 2).

Рисунок 2.	Выходное напряжение солнечного элемента уменьшается с повышением температуры.

В качестве входного источника в схеме на Рисунке 3 используется 18-элементная 3-ваттная панель SC3-6V компании SunWize Technologies. Конструкция содержит каскад преобразователя SEPIC на основе микросхемы LM5001, который контролирует напряжения солнечной панели. LM5001 обеспечивает слежение за выходным напряжением солнечной панели в диапазоне температур. В простой и экономичной схеме монитора температуры используется цепочка диодов BAT54, отслеживающая напряжение солнечной панели в диапазоне температур от 25 до 100 °C.

Рисунок 3.	В зарядном устройстве в качестве входного источника используется 18-элементная 3-ваттная солнечная панель. Система состоит из двух каскадов, первый из которых контролирует напряжение солнечной панели и вырабатывает напряжение, которое отслеживает изменение выходного напряжения солнечной панели в диапазоне температур.

Второй каскад схемы повышает выходное напряжение первого каскада до номинальных 13.3 В при 25 °C и 14.4 В при 100 °C. Второй каскад сконфигурирован как контроллер стабилизатора тока для зарядки 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи, что соответствует оптимальной технологии зарядки.

Зарядный ток аккумулятора также изменяется, чтобы гарантировать, что максимальная мощность солнечной панели не будет превышена при высоких температурах. Эта задача решается путем снижения входного тока аккумулятора при более высоких температурах. Опять же, недорогая схема контроля температуры с использованием диодов BAT54 обеспечивает обратную связь для регулировки выходного напряжения и тока в диапазоне температур.

В схеме предусмотрены восстановление после затенения, защита от перенапряжения, двухступенчатая регулировка тока и работа в широком диапазоне температур. Затенение снижает выходной ток солнечной панели и может привести панель, выходная мощность которой всегда ограничена, в состояние перегрузки – справа от излома, показанного на Рисунке 1. Микросхема LM4041 контролирует входное напряжение, и, если оно снижается из-за затенения солнечной панели, устройство перейдет в режим перезапуска, как только будет устранено ненормальное состояние, вызванное затенением.

При полном солнечном свете нагруженная панель отдает ток 198 мА при температуре 25 °C (Таблица 1). Ток затененной панели, в зависимости от степени затенения, снижается до 30 мА. Это снижение вызывает перегрузку солнечной панели, поскольку аккумуляторной батарее требуется больше тока, чем может отдать солнечная панель, и выходное напряжение панели снижается приблизительно с 11 В до менее чем 4 В.

Таблица 1.

Данные испытаний в диапазоне рабочих температур

Температура (°C) Входное напряжение (В) Входной ток (А) Напряжение SEPIC (В) Входное напряжение второго каскада (В) Напряжение батареи с преобразователем (В) Ток аккумулятора (А) КПД (%) 25 9.2 0.198 9.2 13.14 12.84 0.098 69.08 30 9 0.193 8.9 13.2 12.64 0.095 69.13 40 8.6 0.187 8.3 13.35 12.6 0.088 68.95 50 8.2 0.178 7.7 13.51 12.56 0.08 68.84 60 7.8 0.216 7 13.66 12.58 0.095 70.93 65 7.6 0.208 6.7 13.75 12.56 0.09 71.51 70 7.4 0.204 6.4 13.84 12.56 0.084 69.89 80 7 0.192 5.8 14.01 12.51 0.075 69.81 90 6.6 0.177 5.2 14.19 12.48 0.067 71.58 100 6.2 0.165 4.5 14.32 12.45 0.055 66.94

Первый каскад построен на основе топологии SEPIC, позволяющей работать с выходным напряжением солнечной панели, изменяющимся от 9 В при 25 °C до 6 В при 100 °C. В схеме преобразователя SEPIC используется микросхема LM5001, работающая на частоте 780 кГц. Солнечная панель имеет отрицательный температурный коэффициент –2.2 мВ/°C на элемент. Для ненагруженной панели, состоящей из 18 элементов, этот коэффициент составляет –39.6 мВ/°C. Такой коэффициент означает, что напряжение солнечной панели изменяется на –40 мВ/°C. Отсюда следует, что если при 25 °C выходное напряжение панели равно 9 В, то при 100 °C, то есть, при увеличении температуры на 75 °C, оно уменьшится на 3 В.

SEPIC – это топология DC/DC преобразователя, которая позволяет выходному напряжению быть больше, меньше или равным входному напряжению и обеспечивает выходное напряжение той же полярности, что и входное, регулируя коэффициент заполнения управляющего транзистора (Рисунок 4).

Рисунок 4.	SEPIC – это топология DC/DC преобразователя, которая позволяет выходному напряжению быть больше, меньше или равным входному напряжению.

В режиме непрерывной проводимости, когда ток входного дросселя I_L1 никогда не падает до нуля, среднее напряжение V_C1 равно входному напряжению, при условии, что емкость C₁ достаточно велика. Можно легко представить, как это происходит, глядя на контур, образованный элементами V_IN, L₁, C₁ и L₂, и учитывая, что среднее напряжение на дросселях L₁ и L₂ равно 0 В. Поскольку через конденсатор C₁ постоянный ток не проходит, средний ток через C₁ и микросхему IC₁ равен 0 A. Таким образом, средний ток через дроссель L₂ является средним током нагрузки и не зависит от входного тока.

Замена дросселя L₂ трансформатором дает изолированную версию SEPIC. Использование сдвоенного дросселя – то есть, трансформатора с коэффициентом трансформации 1:1 – вместо L₁ и L₂ делает конструкцию более дешевой и позволяет заменить два дросселя одним магнитным элементом. Тогда схему можно перерисовать (Рисунок 5). Включение транзистора Q₁ удерживает потенциал положительного вывода конденсатора C₁, подключенного к стоку Q₁, на уровне земли, а выходное напряжение трансформатора T₁ с коэффициентом трансформации 1:1 в точке соединения D₁ и C₁ равно входному напряжению. Таким образом, напряжение на конденсаторе C₁ равно входному напряжению. SEPIC может обеспечить выходное напряжение, которое больше или меньше входного напряжения, в соответствии со следующей формулой:

где

V_OUT – выходное напряжение,
V_IN – входное напряжение,
D – коэффициент заполнения импульсов, управляющих основным MOSFET Q₁.

Рисунок 5.	Замена дросселя L2 на Рисунке 4 дает изолированную топологию SEPIC.

Ограниченность выходного тока солнечной панели необходимо учитывать с точки зрения ее реакции на пусковой ток. Импульсный регулятор LM5001 работает на частоте 780 кГц, определяющей внутреннее время мягкого запуска. Для увеличения времени запуска до значения, гарантирующего, что солнечная панель не перегрузится во время включения, в конструкцию включена внешняя схема мягкого запуска, состоящая из диодов D₁/D_1A, резистора R и конденсатора C_SS (Рисунок 6).

Рисунок 6.	Для увеличения времени запуска, гарантирующего, что солнечная панель не перегрузится во время включения, в конструкцию включена внешняя схема мягкого запуска.

Изменяя сопротивление резистора R_B в схеме на Рисунке 7 для регулировки выходного напряжения делителя в первом каскаде SEPIC, можно регулировать уставку напряжения для первого каскада в соответствии с различными напряжениями солнечных панелей. Можно настроить параметры резистивного делителя, состоящего из резисторов R_T и R_B, в соответствии с опорным напряжением первого каскада, обычно равным 1.34 В при 25 °C, которое вырабатывает плата датчика температуры. Цепочка диодов вырабатывает опорное напряжение V_REF, которое изменяется в зависимости от температуры, обеспечивая таким образом температурную компенсацию конструкции. Выходное напряжение первого каскада отслеживает напряжение солнечной батареи и корректирует его в соответствии с изменением температуры. Очень важно, чтобы схема источника опорного напряжения на диодах находилась близко к горячей точке для отслеживания изменений температуры.

Рисунок 7.	Изменение сопротивления RB регулирует уставку напряжения преобразователя SEPIC для соответствия различным напряжениям солнечных панелей. Параметры резистивного делителя RT/RB можно подобрать так, чтобы они соответствовали вырабатываемому платой датчика температуры опорному напряжению преобразователя SEPIC, которое при 25 °C обычно составляет 1.34 В.

Ток зарядки аккумулятора

Второй каскад конструкции состоит из преобразователя SEPIC, работающего в режиме повышения со стабилизацией зарядного тока. Преобразователь заряжает аккумулятор напряжением 12 В (Рисунок 8). Регулировка сопротивлений R_CA1 и R_CA2 позволяет настроить ток зарядки аккумулятора в соответствии с требованиями конкретного приложения. Зарядный ток аккумулятора I_BAT рассчитывается путем деления опорного напряжения, задаваемого прямым падением напряжения V_D1 на диоде D₁, типичное значение которого составляет 0.183 В при 25 °C, на R_CA1 + R_CA2. Поскольку прямое падение напряжение диода D₁ зависит от температуры, этот расчет учитывает температурное изменение зарядного тока аккумулятора:

Двухступенчатая регулировка зарядного тока реализуется путем шунтирования резистора R_CA2, когда температура достигает 60 °C. Сопротивления резисторов R_TB и R_BB на Рисунке 8 определяют выходное напряжение повышающего преобразователя второго каскада.

Рисунок 8.	Второй каскад включает преобразователь SEPIC, работающий в режиме повышения напряжения со стабилизацией зарядного тока 12-вольтового аккумулятора.

Когда солнечная панель находится в тени, отдаваемый ею ток уменьшается, что приводит к перегрузке солнечной панели из-за фиксированной нагрузки, поскольку для зарядки аккумулятора она должна быть неизменной. Такая перегрузка снижает выходное напряжение солнечной панели. Делитель R_BR/R_TR, подключенный к микросхеме LM4041 в первом каскаде, воспринимает выходное напряжение солнечной панели и инициирует режим перезапуска, отключая второй каскад схемы путем подтягивания к земле вывода разрешения LM5001 (Рисунок 9).

Рисунок 9.	Делитель RBR/RTR, подключенный к микросхеме LM4041 в первом каскаде, воспринимает выходное напряжение солнечной панели и инициирует режим перезапуска, отключая второй каскад схемы путем подтягивания к земле вывода разрешения LM5001.

Как только нештатный режим, вызванный затенением, будет устранен, напряжение солнечной панели увеличится и позволит схеме работать в нормальном режиме. Делитель R_BR/R_TR определяет, когда это напряжение падает из-за затенения и снова увеличивается.

Защита повышающего преобразователя от перенапряжения

При случайном отсоединении платы датчика температуры, на которой расположены диод D₁, показанный на Рисунке 8, и цепочка диодов V_REF на Рисунке 7, выходное напряжение повышающего преобразователя будет ограничено на фиксированном уровне, что предотвратит любое повреждение аккумулятора.

Следующая формула определяет максимальное выходное напряжение повышающего преобразователя в случае случайного отключения платы датчика температуры:

где внутреннее опорное напряжение V_REFLM5001 микросхемы LM5001 с номинальным значением 1.26 В гарантирует, что напряжение аккумулятора не превысит допустимого значения.

Рисунок 10.	Нормальная рабочая температура зарядного устройства составляет 60 °C.

Рисунок 11.	КПД быстро снижается, когда входное напряжение от солнечной панели падает ниже 6.5 В.

Данные лабораторных испытаний устройства в диапазоне температур с использованием источника постоянного тока показывают эффективность двухкаскадной схемы солнечного зарядного устройства. На Рисунке 10 показана зависимость зарядного тока аккумулятора от температуры, а на Рисунке 11 – зависимость общего КПД зарядного устройства от напряжения солнечной панели. На Рисунке 12 показаны типичные осциллограммы сигналов схемы, позволяющие оценить зарядный ток аккумулятора, выходные пульсации и форму напряжения в коммутационном узле.

Рисунок 12.	Типичные осциллограммы сигналов преобразователя: нагрузка аккумулятора (вверху), пульсации выходного тока (внизу).

При температуре 60 °C схема переходит на вторую ступень регулировки тока, в которой ток аккумулятора увеличивается. Эта точка перехода выделена в Таблице 1 жирным шрифтом. Такое значение точки перехода обеспечивает оптимальный КПД приложения, поскольку 60 °C являются для него нормальной рабочей температурой.

Устройство зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов с питанием от солнечных батарей подключается к аккумулятору с помощью стандартного интерфейса встроенного диагностического разъема или иного эквивалентного механизма подключения. Схему можно приспособить к солнечным панелям с различными номинальными значениями мощности и напряжения. Можно также модифицировать эту недорогую конструкцию, добавив всего три дополнительных компонента для защиты от короткого замыкания.

Материалы по теме

1. Datasheet Microchip LM4041
2. Datasheet Texas Instruments LM5001
3. Datasheet Diodes BAT54