Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Area dedicata ai convertitori lineari e di tipo switching (SMPS). Scambio di schemi, calcoli e progettazione
Ross
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Ross »

Sinceramente vedo quello schema un pò contorto e ciò che ho imparato in tanti anni in questo settore è la semplicità, più uno schema/funzionamento è semplice e meglio funziona.

Al posto tuo, per collegare più fonti di energia a tensioni sopra e sotto la tensione di lavoro valuterei bene il convertitore sepic, uno per ogni sorgente e connettere le uscite in parallelo, altrimenti farei un convertitore booster per ogni sorgente e connettere tutte le uscite in parallelo quindi abbassare la tensione con un convetitore buck per ottenere la tensione desiderata.

Ross
Dino
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Grazie delle informazioni, ero già orientato su singoli boost da accoppiare successivamente ad un buck, ora che me lo hai confermato sono più sereno :-)
Di convertitori DC-DC ho visto ne esistono veramente una marea e piano piano sto cercando di capire quale possa essere il migliore per il mio scopo (ieri stavo studiando un po' meglio il buck-boost) mi studierò anche il SEPIC appena riesco.
Dino
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Salve!
In queste ultime sere ho studiato e sperimentato un pochino; credo che una soluzione circuitale potrebbe essere quella che allego, via software si dovranno regolare i duty-cycle in maniera da avere un soft-start per caricare i condensatori e successivamente per regolare la potenza massima estraibile da ogni singola sorgente e massimizzare la potenza all'uscita.
Ho inserito tre resistori (R1, R2 e R3) così da poter adattare la tensione di ogni boost all'uscita comune, questo serve per poter regolare la corrente in uscita dalla sorgente (che entra nel boost e di conseguenza esce verso il buck), variando la tensione varia la corrente e quindi la potenza.

Pensavo che probabilmente i pannelli fotovoltaici avranno rendimento buono a tensione superiore dei 12V delle batterie quindi forse per massimizzare il rendimento potrei optare per collegare dei buck in parallelo evitando di innalzare prima la tensione per poi riabbassarla (doppia conversione quindi doppia perdita...)

Accetto consigli ed anche "bastonate" se ho sparato troppe cavolate :-)
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Ross
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Ross »

Dovresti vedere il datasheet del pannello fotovoltaico che intendi utilizzare e oltre a questo dovresti implementare via software l'algoritmo MPPT per ottenere la massima potenza disponibile, per ogni convertitore dal lato fotovoltaico il suo MPPT.
Se già sai che la tensione in uscita è superiore alla tensione target allora conviene sostituire i booster con i buck altrimenti se lavora nel range poco sopra e poco sotto conviene i booster e un buck oppure solo sepic.
In genere, i pannelli fotovoltaici maggiormente venduti danno una tensione in uscita tra i 30V e i 40V, però ci sono in commercio pannelli a tensione molto più bassa spesso usati nei camper.

Ross
Dino
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Grazie, è proprio ciò che intendo fare, appena riesco vado a vedere il modello dei pannelli e cerco la documentazione.
Dino
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Salve!!
Dopo tanto tempo finalmente sono riuscito a terminare (almeno mi pare d'esserci riuscito :lol: ) il PCB con doppio buck, sono certo che per voi non sarà nulla di eclatante né un lavoro eccellente, per questo posto qui le immagini così potete dirmi cosa ne pensate :)

Probabilmente D3, D4, D5 e D6 si possono anche omettere, D1 e D2 servono come protezione per l'inversione di polarità, D3 e D4 a protezione dell'ADC contro le sovratensioni mentre D5 e D6 a scaricare rapidamente il GATE dei MOSFET Q2 e Q3; Q1 per evitare la scarica della batteria verso il pannello fotovoltaico, si potrebbe anche cortocircuitare o sostituire con un diodo (ma in questo caso però si avrebbe una maggiore dissipazione di calore dovuta alla maggiore caduta di tensione).
Ho predisposto dei testpad per poter selezionare l'indirizzo I2C dell'ADS1115, basterà ponticellare ADDR con il segnale corretto.

Pensavo di far lasciare le piste "grosse" senza copertura così da poterle ripassare a stagno per garantire il passaggio di maggior corrente, secondo voi c'è qualcosa che si può migliorare?

:D
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Ross
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Ross »

I miglioramenti vanno valutati in base alla frequenza di switching, tensione in ingresso, corrente massima in uscita e ovviamente dopo il primo test di funzionamento a banco.

Se utilizzi un pannello che ti fornisce 300W 34V nel punto di massima potenza e carichi una batteria a 12V, la corrente in uscita sarà circa 25A e ti occorrono dei mosfet veloci con una Vds max di almeno 50V. Devi considerare anche quando la batteria è carica e dal pannello non tiri corrente, la tensione da parte del pannello sarà più alta di quella mpp e nei datasheet puoi prendere in considerazione la tensione a vuoto.
In questo caso una buona scelta potrebbe essere il mosfet IRFB4510, anche se la Rdson massima è circa 13mOhm. Io preferisco i mosfet veloci in queste applicazioni, con i valori di tempi di spegnimento molto bassi per evitare che uno dei due rimane ancora acceso quando l'altro inizia ad accendersi.

Nel cs prevedi anche gli snubber in parallelo al drain e source dei mosfet, durante le commutazioni si possono creare degli spike e vanno ridotti al limite accettabile (si ottimizzano con l'oscilloscopio).

Se le correnti in gioco sono alte è bene filtrare la tensione in ingresso (prova a guardare un inverter fotovoltaico com'è fatto, nei manuali spesso viene indicato schematicamente il filtro che è stato inserito) per evitare di irradiare disturbi.

Il condensatore di uscita (C9 e C2) deve avere una bassa esr, una buona scelta potrebbe essere del tipo polimerico adatto per gli alimentatori switching.

Il driver IR2104 può fornire una corrente di 130mA in carica e 270mA in scarica, prova a simulare con LTSpice la carica e scarica del gate del mosfet mettendo dei componenti di caratteristiche simili o uguali per verificare se è sufficiente la corrente di pilotaggio. Il deadtime del driver è indispensabile nell'evitare la conduzione contemporanea dei mosfet ma se la corrente di pilotaggio è troppo bassa...

Ross
Dino
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Rieccomi :-)
Dopo aver studiato un pochino ho apportato le modifiche suggerite, nel frattempo ho anche acquistato un oscilloscopio per fare le misurazioni :lol:
Allego il nuovo schema, ho qualche domanda da farvi, per il BUCK1 (il 2 è identico) i diodi D5, D6, D15 e D16 in che modo vanno scelti? nello schema vanno bene gli 1N5818/9? in particolare come si stima la corrente che li attraverserà?
In alcuni schemi ho notato che in serie ai diodi sul gate del mosfet (D5 e D6 nello schema) vengono messe delle resistenza, ma facendo così la scarica del gate verrebbe rallentata, sono comunque necessarie per salvaguardare il driver?
Q1 serve solo per evitare la scarica dell'accumulatore verso il pannello solare, ho omesso il diodo per evitare di raddoppiare la corrente che attraverserebbe il driver, ho fatto bene?
Ho scelto questa configurazione degli snubber perché permettono di recuperare circa la metà dell'energia immagazzinata nel condensatore (che non so però stimare :-) ) ora però vorrei chiedervi come va dimensionato il condensatore, ho fatto delle prove un po' "volanti" ed ho notato che con 100nF l'elongazione sul drain, con corrente di 2.5A e tensione d'alimentazione di 30V, passa da circa 32V (62V rispetto massa) a 25V (55V rispetto massa), ho fatto alcune prove ed ho ottenuto:
@0.35A +10V
@0.50A +12V
@0.75A +15V
@1.00A +16.5V
@1.25A +18V
@1.50A +20V
@2.50A +25V
la frequenza dell'elongazione è circa 20MHz mentre la frequenza di switching è 149.8KHz
Le resistenze R25 ed R26 se ho capito bene vanno calcolate in maniera che il condensatore si scarichi prima del successivo ciclo, è corretto?
Nel video che linko viene spiegato molto bene il funzionamento ma non il dimensionamento :-( https://www.youtube.com/watch?v=WZSMBy3 ... ZrkfW7cccs
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Ross
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Ross »

D5 e D6 (in genere è sufficiente un 1N4148 e dipende dalla frequenza di switching) servono per spegnere rapidamente il mosfet, quando si inserisce una resistenza in serie a ogni diodo lo spegnimento del mosfet è meno brusco e serve per migliorare i disturbi irradiati, la resistenza serve anche a limitare la correte massima fornibile dal driver evitando di danneggiarlo. Per dimensionare quelle resistenze io procedo con il simulatore (ci sono anche dei calcoli da fare ma io sono pigro), valuto gli spike e lo snubber quindi agisco di conseguenza, con il circuito montato va tutto verificato con l'oscilloscopio.
D15 e D16 vanno dimensionati in base alle tensioni del bus e alle correnti di picco, con il simulatore si fa subito a vedere quali entità ci sono in gioco e nella realtà ci sono delle induttanze e capacità parassite che portano a valori poco diversi ma dipende sempre da come viene sbrogliato il circuito e dalla frequenza di switching.

A mio avviso occorre fare attenzione al valore della tensione gate-source del mosfet Q1 quando il mosfet Q3 è acceso e il Q2 spento, in quella situazione si ha:
1) tensione sul drain di Q3 vale 0 (saturazione del mosfet)
2) la tensione gate-source di Q2 vale 0 (mosfet spento)
3) la tensione gate Q2 rispetto massa vale 0
4) il gate Q2 è connesso insieme al gate di Q1, quindi stesso potenziale
5) la tensione di gate di Q1 rispetto massa è zero ma il source di Q1 si trova a +Vin (30V?) quindi tra gate-source di Q1 c'è -30V che supera la tensione massima ammissibile (+-20V) per non danneggiare il canale del mosfet -> secondo me il mosfet si rompe, con il simulatore si riesce a vedere che tensione c'è.

Ross
Dino
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Grazie mille Ross (meriti una bella birra ghiacciata!!)
in effetti non avevo minimamente considerato la tensione inversa che si sarebbe manifestata al gate del primo mosfet, ho simulato un nuovo circuito ed in questa configurazione non ho più problemi con la sotto-tensione al gate del mosfet in alto, con questa rete il transistor rimane sempre in saturazione durante il lavoro e si spegne in circa un millisecondo se il driver viene disabilitato impedendo la circolazione della corrente dalla batteria verso il pannello fotovoltaico, in più così sono sicuro di non sovraccaricare il driver.
Purtroppo, probabilmente per la poca esperienza, non riesco a similare bene il circuito dato che ho sempre degli spike di corrente (oltre i 100A) alla commutazione dei mosfet, ho controllato bene ed il dead-time è di circa 500ns quindi in teoria entrambi i mosfet dovrebbero essere spenti prima dell'accensione di uno dei due. Ho simulato con degli IRFB4020PbF perché non ho il modello degli IRFB4510 ma credo non sia quello il problema.
Schermata a 2022-03-30 01-30-57.png
Schermata a 2022-03-30 01-30-57.png (68.15 KiB) Visto 1837 volte
Grazie ancora!!
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Buck2_test.asc.zip
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