Разработана подсистема энергоснабжения на базе солнечной электростанции для систем спутниковой передачи данных. Для подсистемы был разработан контроллер заряда аккумулятора и солнечной батареи с функцией приближения к точке максимальной мощности. Описана схема контроллера заряда. Приведен алгоритм работы данного контроллера.
Д.т.н. Ахмедов Д.Ш., Ерёмин Д.И., Коваль О.В., Мурпазиева А.Г.
ДТОО «Институт космической техники и
технологий», Казахстан
Контроллер заряда и солнечной
батареи с функцией приближения к точке максимальной мощности
The subsystem power
supply on the basis of solar power systems for satellite data transmission. For
a subsystem controller was designed battery and solar battery with the function
approximation to the maximum power point. The circuit of the charge controller.
An algorithm of the controller.
Dr. Akhmedov D.S.,
Eryomin D.I., Koval O.V., Murpazieva A.G.
Institute of space
technique and technology, Kazakhstan
The
controller of battery charge and of solar battery with function of maximum
power point tracking
С каждым годом
актуальность систем альтернативного энергоснабжения возрастает, что ставит
перед учеными всего мира задачу разработки наиболее эффективных методов
преобразования энергии, получаемой из альтернативных источников. Несмотря на
усилия ученых в разработке новых систем генерирования энергии, наиболее
перспективными и проработанными в технологическом аспекте на сегодняшний день
остаются солнечная и ветровая энергетика.
Основными
компонентами солнечной энергосистемы являются солнечная батарея (СБ), аккумуляторная
батарея (АКБ) и контроллер заряда. В качестве наиболее функционально значимого
компонента можно выделить контроллер заряда. Контроллер обеспечивает
безопасность и оптимизирует работу всей фотоэлектрической системы (ФЭС),
предохраняя батареи аккумулятора от чрезмерной зарядки и разрядки.
Контроллеры для ФЭС
можно разделить на простейшие и микропроцессорные контроллеры. Простейшие
контроллеры в случае зарядки аккумуляторов осуществляют отключение солнечной
батареи и снова подключают ее при понижении напряжения на аккумуляторе ниже
порогового уровня. Простейшие контроллеры позволяют зарядить аккумуляторные
батареи до 60-70% заряда. Использование такого метода приводит к систематическому
недозаряду аккумуляторной батареи, что сокращает срок ее службы [1].
В более сложных моделях – микропроцессорных контроллерах – осуществляется
слежение за точкой максимальной мощности солнечной батареи и широтно-импульсной
модуляцией (ШИМ) тока заряда. Контроллеры с ШИМ тока заряда позволяют зарядить
аккумуляторные батареи до 100%. Кроме того, такие модели контроллеров оснащены
предохранителями и другими защитными устройствами, сигнализирующими о неполадках
в работе системы и позволяющими предотвратить повреждения самого контроллера и других
компонентов.
Приведенные
аргументы показывают, что ни одна солнечная система энергоснабжения не может
функционировать надежно и продолжительный период времени без контроллера
заряда. При этом выбор контроллера заряда зависит от мощности используемых
фотоэлектрических модулей и мощности подключаемой нагрузки.
Институтом
космической техники и технологий была разработана подсистема автономного
энергоснабжения на базе солнечной электростанции для систем спутниковой передачи
данных на базе мобильной космической связи и спутниковой навигации. Подсистема
энергоснабжения предназначена для обеспечения автономной работы спутниковых
терминалов сбора и передачи данных. Разработанная подсистема включает в себя
контроллер заряда-разряда, реализующий алгоритм слежения за точкой максимальной
мощности (Maximum Power Point Tracking, MPPT).
Контроллеры,
реализующие алгоритм MPPT (Maximal Power Point Tracking) обеспечивают поиск
оптимальной точки заряда, что позволяет значительно уменьшить потери и повысить
эффективность заряда аккумуляторов от солнечных батарей до 30%. MPPT-алгоритм
позволяет постоянно использовать максимум возможной отдачи от солнечного модуля
для заряда аккумулятора.
АКБ и СБ, входящие в
состав фотоэлектрической подсистемы, для которой разрабатывался контроллер
заряда имеют следующие характеристики.
Солнечная батарея:
-
пиковая
мощность – 50 Вт;
-
напряжение
холостого хода – 21,4 В;
-
ток короткого
замыкания – 3 А;
-
номинальное
напряжение – 17,6 В;
-
номинальный ток
– 2,6 А.
Аккумуляторная
батарея:
-
тип –
свинцово-кислотная с герметизированными клапанами;
-
номинальное
напряжение – 12В;
-
энергетическая
ёмкость – 8 А∙ч.
Правила
эксплуатации, особенности заряда и разряда свинцово-кислотных АКБ подробно
рассмотрены в [2].
Различают три режима работы АКБ, учитывающих особенности
зарядно-разрядных процессов аккумуляторов:
- буферный;
- циклический;
-смешанный.
Каждый из
приведенных режимов работы обладает преимуществами и недостатками, подробно
рассмотренными в [3-5]. Соответственно, для каждого режима работы существуют
подходящие методы заряда батареи.
После проведения
анализа существующих методов заряда АКБ, а также, исходя из задач, которые
решает АКБ в составе подсистемы электропитания, было решено использовать метод
заряда АКБ импульсным током [6-7].
Перейдем к описанию
алгоритма работы разработанного контроллера заряда. На рисунке 1 представлена
электрическая схема контроллера.
Схему контроллера
заряда можно разделить на три функциональных блока:
- микроконтроллер
(система управления);
- цепи измерений и
формирования напряжений;
- блок цепи заряда.
Управляющими
сигналами в схеме являются:
ON_CB – начать/прекратить процесс заряда;
T_PWM – ШИМ-сигнал,
регулирующий величину тока заряда.
Входные и выходные
аналоговые сигналы (контрольные):
+12SBV – напряжение солнечной батареи;
+12V – положительный электрод АКБ, он же выход
стабилизированного тока у блока цепи заряда.
Функции управления в
контроллере осуществляет микроконтроллер Atmega 128A
(DD1).
Опишем поведение
сигналов в цепях измерения и формирования потенциалов схемы. Напряжение
солнечной батареи +12SBV
через делитель сопротивлений R10,
R16 подается на вход
аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера. Аналогично
напряжение аккумуляторной батареи +12V
подается через делитель R17,R19 на вход АЦП микроконтроллера. Для
осуществления преобразования напряжения в цифровой код, необходимо задать
опорное напряжение. Схема формирования опорного напряжения построена на
микросхеме эталона напряжения и тока TLV431A (DA5). В нашем случае опорное напряжение равно
+2,48 В.
Рисунок 1 – Схема электрическая
принципиальная контроллера заряда АКБ
Блок цепи заряда в
целом работает как стабилизатор тока заряда АКБ. Основными компонентами цепи
заряда АКБ являются микросхема импульсного стабилизатора напряжения LM2676-12 (DA3) и операционные усилители DA2.1, DA2.2. Величина тока на выходе цепи (+12 В) пропорциональна
ширине импульса в управляющем ШИМ-сигнале, подаваемом на вход T_PWM. Ток заряда
для приведенной выше схемы определяется по формуле:
,
где k – коэффициент, целое число от 1 до 34, пропорциональное коэффициенту заполнения
управляющего импульсного сигнала.
Микроконтроллер
путем измерения получает значения напряжений на АКБ и СБ. Далее, если
напряжение на АКБ равно или превышает значение 13,6 В (напряжение
полностью заряженной свинцовой батареи), контроллер прекращает заряд батареи. В
случае, если напряжение на АКБ еще не достигло напряжения окончания заряда,
контролер устанавливает значение тока заряда. Величина тока заряда зависит, с
одной стороны, от напряжения солнечной батареи, с другой стороны, ее
максимальное значение составляет 1,1 А, что является требованием к режиму
заряда для выбранной модели аккумуляторной батареи. При напряжении СБ более или
равном 15 В ток заряда устанавливается равным 1,1 А, и повышается с
шагом в 100 мА при контроле напряжения СБ в том случае, если он менее 1,1 А.
Когда напряжение солнечной батареи менее 15 В ток заряда уменьшается с
шагом 100 мА, контролируя при этом напряжение СБ, до минимального значения
тока заряда – 100 мА. Заметим, что уменьшение тока при напряжениях
солнечной батареи более низких, чем номинальное (15-18 В) приближает
рабочую точку на ватт-амперной характеристике (рисунок 2) к точке
максимальной мощности, в которой ток и напряжения являются оптимальными. Таким
образом, заряд АКБ происходит импульсным током при ёмкости АКБ от 70% и выше до
100%.
Рисунок 2
– Вольт-амперная и вольт-ваттная характеристики СБ
Также в контроллере
предусмотрена индикация процесса выполнения управляющего кода микроконтроллером.
Блок-схема алгоритма
процесса заряда аккумуляторной батареи приведена на рисунке 3.
Разработанный
контроллер заряда для солнечной подсистемы электропитания выполняет следующие
функции:
- защищает АКБ от
перезаряда;
- защищает АКБ от
недопустимо глубокого разряда;
- управляет
процессами заряда и разряда АКБ;
- производит отбор
максимальной мощности от солнечной батареи.
Согласно алгоритму
управляющей программы, разработанный контролер при минимальной солнечной
освещенности (раннее утро, вечерние сумерки или неясная погода) будет менять
параметры цепи (которая является нагрузкой для СБ) таким образом, чтобы
напряжение на выходе контроллера было близко к номинальному напряжению –
15-17 В. Это достигается итерационным изменением тока заряда с шагом в
100 мА.
Рисунок 3 - Блок-схема алгоритма заряда АКБ
Описанный контроллер
заряда и солнечной батареи подлежит дальнейшему усовершенствованию: планируется
добавить функцию температурной компенсации напряжения заряда.
На данном этапе
контроллер заряда реализован в автономной подсистеме энергоснабжения для систем
спутниковой передачи данных и функционирует в соответствии с приведенным
описанием.
Литература:
1.
NwComp
Солнечные системы - Контроллеры заряда аккумуляторных батарей [В Интернете] //
NwComp Solar. - 01 2013 r.. -
http://nwcomp-solar.ru/products/battery-controllers.
2.
Хрусталев Д.А.
Аккумуляторы [Книга]. - Москва : Изумруд, 2003. - стр. 224.
3.
Свинцовые
аккумуляторы: правда и вымыслы [В Интернете] // Элестротранспорт.ру. - 09 06
2009 r.. - http://electrotransport.ru/ussr/index.php/topic,2103.0.html.
4.
Часть 2.
Свинцово-кислотные аккумуляторы. Режимы разряда свинцово-кислотных
аккумуляторов [В Интернете] // Гелиос. Магазин энергии. - 12 05 2010 r.. -
http://geliosenergy.com/article_info.php?articles_id=4.
5.
Lam, L.T., et al, ‘Pulsed-current charging of
lead/acid batteries-a possible means for overcoming premature capacity loss?,’
CSIRO, Australia, Journal of Power Sources 53, 1995.
6.
Hund, Tom, ‘Battery Testing for Photovoltai c
Application s,’ Sandia National Laboratorie s, Albuquerque, NM, presented at
14th NREL Program Review, Nov. 1996.
7.
Morningstar test results, 1999. http://www.morningstarcorp.com/en/support/library/8.%20Why%20PWM1.pdf