Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Area dedicata ai convertitori lineari e di tipo switching (SMPS). Scambio di schemi, calcoli e progettazione
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Dino
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Iscritto il: dom 14 feb 2021, 14:37

Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Salve,
non sono certo sia questa la sezione corretta per l'argomento, in caso ditemi che sposto il topic nella sezione più adatta.
In baita in montagna abbiamo un inverter in isola alimentato da una batteria al piombo da 12V, non ricorso la capacità ma è molto alta, per mantenere la carica della batteria al momento ci sono due pannelli solari da 80W e 100W, il sistema è oramai datato, a memoria avrà già 15-16anni... Il regolatore di carica non è MPPT ed i pannelli sono collegati in parallelo; dato che la posizione dello stabile non è ottimale i due pannelli non sono orientati ottimamente ma uno prende più sole nelle ore AM ed uno nelle PM.
Vorrei sostituire il controllo di carica con uno MPPT, o meglio due collegati in parallelo a valle in maniera da ottimizzare la carica in base alla produzione di ogni singolo pannello, vorrei chiedere a voi che sicuramente siete molto più preparati di me in elettronica se è fattibile.
Cercando ho trovato questo progetto https://github.com/aplavins/Arduino-MPPT che dovrebbe fare al caso mio, vorrei chiedervi alcune cose però;
in primo luogo se il progetto è valido, realizza realmente un controllo MPPT? pensavo di realizzare due sezioni di potenza (la parte alta del circuito schematizzato in https://github.com/aplavins/Arduino-MPP ... ebones.pdf) controllando la tensione d'uscita di ogni "modulo" singolarmente e regolare il singolo modulo in maniera che la tensione d'uscita sia ottimale in base alla tensione della batteria e successivamente parallelizzare i moduli tramite delle resistenze molto basse in modo da rendere la tensione identica grazie alla caduta di tensione, forse basterà anche solo utilizzare dei cavi abbastanza lunghi...
Se ho capito bene il funzionamento Q1 serve ad evitare che la batteria si scarichi quando il pannello non produce (ad esempio di notte o con poco sole), Q2 e Q4 realizzano mezzo ponte utile a regolare la tensione d'uscita mediante i segnali D3 e D5 provenienti dal micro-controllore e l'IC1 (driver), L1 e C7 assieme al mezzo ponte realizzano un convertitore DC-DC step-down. D4 e R16 limitano la tensione della batteria a 20V (a mio parere questo ramo è inutile dato che a 20V la batteria sarà già in fiamme...) i partitori di tensione formati da R5, R6 e R7, R8 prelevano la tensione per il controllo.
Pareri? I mosfet sono ottimali o ve ne sono di migliori? naturalmente valutando anche un costo non eccessivo, l'induttanza ed il condensatore sono ottimali?
Per quanto riguarda il micro-controllore pensavo ad un ESP32 al posto dell'Arduino ma credo che il tutto funzioni comunque, per la parte software non ho problemi a riscrivere tutto per l'ESP.

Accetto anche critiche :)

Grazie
Guido
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Iscritto il: dom 18 mar 2018, 20:21

Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Guido »

Salve,
io non mi imbarcherei in una simile autocostruzione se volessi il max rendimento da quei pannelli e la max sicurezza: preferirei rivolgermi ai convertitori MPPT in commercio, tanto si trovano per 10-20 euro. Qui una panoramica: https://mondolista.it/regolatori-di-carica-mppt/
Se sei appassonato dell'autocostruzione ed hai l'attrezzatura adatta e la relativa esperienza allora come non detto. Io di quel circuito non ne ho capito nulla , ma non faccio testo :D
Dino
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Iscritto il: dom 14 feb 2021, 14:37

Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Prima di ricorrere ad un regolatore in commercio vorrei capire bene se è fattibile costruirlo da zero con strumenti alla portata degli amatori, non ho fretta di sostituire il regolatore attualmente installato, lavora discretamente da molti anni quindi...

Questa sera mi son studiato l'algoritmo che governa la carica e devo dire che preferisco la versione originale di Tim Nolan (http://web.archive.org/web/201407030407 ... ar/ppt.pde) a quella customizzata da aplavins, che prende come punto di massima efficienza il 76% della tensione a vuoto del pannello, ma a mio avviso questo metodo non è universale...
L'algoritmo di Tim Nolan praticamente oltre a controllare lo stato della carica della batteria regola il PWM in maniera che nella fase di ricarica scorra la massima corrente fornita dal pannello variando il duty cycle e controllando la potenza fornita, semplice ma efficace :-)

Se mi confermate che lo schema elettrico è valido e magari mi indicate le migliorie da apportare credo che realizzerò almeno un prototipo per valutare l'efficienza, la mia idea è di realizzare almeno due moduli di potenza da pilotare indipendentemente ed unire poi le uscite per immettere l'energia nella batteria.
Dino
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Iscritto il: dom 14 feb 2021, 14:37

Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Leggendo vari articoli in rete di progetti simili ho trovato che tutti, giustamente, utilizzano mezzo ponte ad H in maniera da minimizzare le perdite dovute alla caduta di tensione sul diodo, mi sono documentato e l'ESP32 che vorrei utilizzare al posto dell'Arduino da la possibilità di decidere la frequenza del PWM, teoricamente fino a ben 40MHz (https://github.com/loboris/MicroPython_ ... o/wiki/pwm); mi sono documentato anche sulla teoria che governa gli alimentatori switching (principalmente ho studiato i bulk o step-down ma la teoria di base credo sia la stessa per le varie tipologie), non ho avuto grand difficoltà avendo studiato elettronica ed informatica (ormai vent'anni fa...) a capire il funzionamento ed a farmi un'idea della complessità del software, direi che è abbastanza semplice da realizzare il tutto, ovviamente ci saranno dei problemi a livello hardware dati dall'inesperienza ma conto di superarli strada facendo.
La mia idea al momento è di valutare come realizzare la parte hardware (copiando :lol: in toto o quasi il progetto già realizzato) scegliendo i componenti di più facile reperibilità, calcolare (anche con l'aiuto del tool https://www.ti.com/tool/BUCK-CONVCALC) il valore dei componenti, e valutare come implementare la parte software; data l'enorme libertà che lascia l'ESP32 nella scelta dei parametri del PWM e dell'ADC credo che nella versione definitiva implementerò l'algoritmo in maniera che si possa auto-regolare (variando anche la frequenza di switching se necessario o la scala dell'ADC) per garantire sempre la miglior risposta possibile...
Il tempo libero non è molto ma con la pazienza raggiungerò l'obiettivo :-)
Ross
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Ross »

Valuta anche quest'application note della Microchip, spiega molto bene cosa si può fare.

Conosci il datasheet del pannello fotovoltaico? a che tensione lavora nel punto di massima potenza? Se la tensione è molto più alta di 13.8V (la tensione massima per la ricarica delle batterie al Pb) occorre realizzare un buck, se minore un boost ma se è intorno alla tensione nominale della batteria conviene realizzare un sepic (ci sarebbe anche un buck-boost a 4 switch con un unico induttore ma è più complesso da controllare).

Ross
Dino
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Iscritto il: dom 14 feb 2021, 14:37

Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Grazie Ross,
appena trovo il tempo leggerò con molto interesse l'app-note che mi hai linkato.
Al momento non ho nessuna documentazione dei due pannelli fotovoltaici, dovrei provare a guardare se c'è qualche codice e cercare...

Tra i vari schemi che ho trovato in rete vi sono delle cose che non capisco, sicuramente per poca esperienza con i MOSFET, qualcuno riesce a spiegarmi come lavorano Q1 e Q2 in questo schema? credo servano ad evitare che la tensione dalla batteria fluisca verso il pannello, ma non ne sono certo, non riesco a capire come facciano a condurre entrambi nello stesso tempo essendo collegati in modo "simmetrico"
Ross
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Ross »

Nello schema che hai linkato i mosfet conducono quando tra il loro gate e source c'è una tensione superiore alla tensione di soglia Vgs(th).
Se dal lato della batteria ci sono 12V rispetto massa, Q2 va in saturazione quando sul gate c'è una tensione pari a 12V(batteria) + Vgs(th) sempre rispetto alla massa, oppure una tensione Vgs maggiore di Vgs(th) rispetto al source. La stessa cosa avviene per Q1 ma dal lato del pannello fotovoltaico.
Usando un simulatore tipo LTSpice riesci facilmente a simulare il circuito e vedere come si comportano i due mosfet.
I due mosfet così connessi formano un interruttore bypassando il diodo di ricircolo che hanno internamente ogni mosfet, se i due mosfet sono spenti la tensione della batteria non va verso il pannello e la tensione del pannello non va verso la batteria.

Ross
Dino
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Iscritto il: dom 14 feb 2021, 14:37

[EDIT] Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Grazie mille, ora mi è più chiaro!
non consideravo la tensione della batteria... ovviamente è una mia svista anche data l'ora in cui ho "studiato" il circuito... mischiando vari schemi mi era sfuggito che in questo non è presente il diodo che blocca il ritorno della batteria verso l'induttore, eppure avevo ipotizzato che servisse proprio ad evitare il ricircolo della corrente... devo stare più attento :D

Però ora mi viene un altro dubbio :lol: con quello schema a duty-cycle molto basso la batteria potrebbe andare in corto sul Q4...
EDIT ho sparato una cavolata: Per evitare che vi siano corti potrei aggiungere un MOSFET (magari logic-level) dopo l'induttanza e pilotarlo tramite una resistenza e diodo zener prelevando la tensione direttamente al Drain? così il transistor dovrebbe spegnersi evitando il corto, no? NO non si accenderà mai :lol:

Altre soluzioni se non il diodo che dissiperebbe molta energia?
Ross
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Ross »

Perché? Il regolatore di carica dovrebbe lavorare con un feedback, ad anello chiuso. In quel circuito manca la logica di controllo ma ipotizzo che una volta raggiunta la tensione di "batteria carica" il duty cycle si abbassa mantenendo sempre quel livello di tensione, non potrà mai scendere sotto un certo valore.

Ross
Dino
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Re: Regolatore MPPT ricarica batteria al Pb

Messaggio da Dino »

Si esatto, raggiunta la tensione di batteria carica il micro-controllore abbasserà il duty-cycle per mantenere la carica, il mio dubbio è proprio se questo manderà in corto la batteria tramite l'induttore; ipotizziamo un duty del 2%, per il 98% del tempo l'induttore sarà collegato a massa da un lato e a +Vbatt dall'altro, questo non rischia di far circolare la corrente nel senso opposto senza diodo? quindi dal polo positivo della batteria a massa?
Vero è che se la tensione all'ingresso è sufficiente la corrente non dovrebbe mai scendere sotto zero e quando la tensione è insufficiente si deve disabilitare il driver così da spegnere entrambi i MOSFET...
A questo punto direi che non serve né il diodo dopo l'induttore né il doppio transistor sul lato pannello PV

Ho disegnato lo schema e mi pare ok, il diodo D6 si potrebbe sostituire con un corto e le resistenze R8 e R9 eliminarle, ma per sicurezza le lascerò

Che ve ne pare? ho ipotizzato la tensione al pannello fino a 30V, la frequenza di switching 150Khz e la corrente massima 20A e mi risulta una induttanza di
12,5 uH
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