Çift yönlü dönüştürücü-AET'ye dayalı bir güneş pili enerji depolama güç kaynağı sistemi
Çift yönlü dönüştürücüye dayalı bir güneş pili enerji depolama güç kaynağı sistemi
0 Önsöz
Hızlı ekonomik gelişme ile birlikte, geleneksel enerji kaynakları tükenme eşiğinde ve güneş, rüzgar ve gelgit enerjisi gibi yeni enerji kaynakları insanlar tarafından giderek daha fazla değerleniyor. Bunlar arasında güneş enerjisi, sonsuz, çok yönlülüğü ve kirlilik içermeyen özellikleri nedeniyle daha geniş bir uygulama alanına sahiptir.
Güneş enerjisinin önemli avantajları olmasına rağmen, hava değişiklikleri ve gece-gündüz değişimi gibi faktörler enerji depolamayı belirsizleştiriyor. Güneş enerjisi besleme sistemine bir batarya enerji depolama sistemi eklemek gerekir Günümüzde, geleneksel güneş enerjisi depolama güç kaynağı sistemi genellikle iki set enerji depolama ve tek yönlü dönüştürücülere dayanan güç kaynağı sistemlerinden oluşur. Enerji depolama sisteminde güneş hücresinden yüke DC-DC dönüştürücü, güç kaynağı sisteminde ise güneş pilinden pil takımına bir DC-DC dönüştürücü ve pil paketinden yüke DC-DC dönüştürücü bulunmaktadır. Güneş pili yüke güç sağladığında ve aynı anda pil takımını şarj ettiğinde, iki DC-DC dönüştürücü çalışıyor ve her dönüştürücüde kayıplar var ve iki dönüştürücünün kayıpları üst üste biniyor. Pil takımı yüke güç sağladığında da dönüştürücü kaybı olur. Bu nedenle, iki set tek yönlü dönüştürücüye dayanan bu tür bir enerji depolama güç kaynağı sistemi büyük kayıplara ve düşük güneş enerjisi kullanımına sahiptir. Aynı zamanda, devre yapısı nispeten karmaşıktır, devre büyüktür, maliyeti yüksektir ve kontrol karmaşıktır.
Yukarıdaki sorunları çözmek için, çift yönlü dönüştürücülere dayalı bir güneş pili enerji depolama güç kaynağı sistemi tasarlanmıştır. Sistem, mikro denetleyici üzerinden yolu seçer ve çift yönlü boost-buck işlevini gerçekleştirmek için bir DC-DC dönüştürme birimi kullanır. Ek olarak, mikro denetleyici parametreleri algılar ve ayarlar ve insan-bilgisayar etkileşimi gibi işlevlerle görüntülemek için görüntü ekranını kullanır.
1 Sistem yapısı ve çalışma prensibi
İki yollu dönüştürücüye dayanan batarya enerji depolama güç kaynağı sistemi esas olarak bir mikro denetleyici modülü, bir DC-DC dönüştürücü modülü ve bir anahtar modülünden oluşur Spesifik güç kaynağı sisteminin blok diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir.
DC-DC dönüştürme modülü temel olarak Buck-boost ana devresi, voltaj ve akım geri besleme döngüsü ve akım kontrol döngüsünden oluşur. Bu modül, güneş pilinden yüke, güneş pilinden pil paketine ve pil paketinden yük ve döngü akım kontrolüne voltaj dönüşümünü gerçekleştirir.
Mikrodenetleyici modülü bir mikroişlemci, düğmeler, potansiyometre ve OLED ekrandan oluşur. Potansiyometre çıkış akımı döngüsündedir, düğme mikroişlemciye yüksek ve düşük seviyeler gönderebilir ve mikroişlemci, çıkış akımı değerini ayarlamak için potansiyometrenin direnç değerini değiştirir.
Anahtar modülü SC1, SC2, SC3 ve SC4 anahtarlarından oluşur. SC2, SC3, SC4 anahtarları kapalıdır, SC1 açıktır ve güneş pili yüke güç sağlar ve aynı anda pil paketini şarj eder. SC3 anahtarı açıktır, SC1, SC2 ve SC4 anahtarları kapalıdır ve pil takımı, DC-DC dönüştürücü yoluyla yüke güç sağlar.
Sistem çalışırken, iki çalışma durumuna ayrılır: yeterli ışık ve yetersiz ışık.Işık yeterli olduğunda SC2, SC3, SC4 anahtarları kapanır, SC1 bağlantısı kesilir ve güneş pili yüke güç sağlar.Aynı zamanda güneş pili bir DC-DC dönüştürücü ile de beslenebilir. Pil takımının şarj edilmesi. Güneş hücresinin voltajına ve pil takımının voltajına bağlı olarak, mikro denetleyici giriş ucunu çıkış ucuna yükseltme modunda veya azaltma modunda olacak şekilde ayarlayabilir; ışık yetersiz olduğunda, güneş pili voltajı ayarlanan değerden daha düşüktür. SC3 anahtarı açıktır, SC1, SC2 ve SC4 anahtarları kapalıdır ve yük boyunca sabit bir voltaj sağlamak için batarya paketi DC-DC dönüştürücü yoluyla ters yönde boşaltılır.
Anahtar modülü ve DC-DC dönüştürme modülü, çift yönlü dönüştürücünün işlevini birleşik bir çalışma modunda gerçekleştirir. Sistem çalışırken, örnekleme direnci, pil paketinin giriş ve çıkış akımını gerçek zamanlı olarak tespit etmek için işlemsel amplifikatör aracılığıyla voltaj sinyalini mikro denetleyiciye iletir. Mikrodenetleyici dijital potansiyometrenin direncini değiştirebilir ve çıkış akımını mevcut çıkış döngüsüne göre adım adım değiştirebilir.Teorik adım değeri 0,001 A'ya ulaşabilir. Pil paketi çalıştırıldığında akımın güneş piline geri akmasını önlemek için güneş pili ile DC-DC dönüştürücü arasında bir anti-ters diyot D1 vardır.
2 Sistem devresi tasarımı
Sistem bağlantı prensibi Şekil 2'de gösterilmiştir. Mikroişlemci voltajı voltaj bölücüye bölmek istediğinden, dahili ADC işleme yeteneği gerektirir. Aynı zamanda, farklı giriş ve çıkış voltajlarına göre, mikroişlemcinin farklı anahtarların açılıp kapanmasını kontrol etmesi gerekir, bu nedenle dahili bir zamanlayıcı gerekir ve sistem anahtarlama frekansı 500 kHz'i geçmez. Yukarıdaki izleme görevlerini karşılamak için, kontrol ünitesi 32 bitlik bir ARM mikro denetleyici (MCU) STM32F103C8T6 kullanır. Sistemin mod değiştirme, tuş algılama, ekran görüntüsü ve diğer görevleri kontrol etmek için mikro denetleyiciyi kullanın. Aynı zamanda, tek çipli mikrobilgisayar, giriş ve çıkış voltajını gerçek zamanlı olarak izler ve pil takımını aşırı şarj ve aşırı deşarjdan korur.
LT8705 anahtarlamalı regülatör denetleyicisini kullanarak, giriş voltajı çıkış voltajından daha yüksek, daha düşük veya ona eşit olduğunda çalışabilir. Cihazın çevresel devresi, giriş akımı, giriş voltajı, çıkış akımı ve çıkış voltajı için entegre geri besleme döngüleri olan dört adet N kanallı MOSFET kapı sürücüsü ile donatılmıştır ve geniş bir voltaj girişi ve voltaj çıkışı aralığına sahiptir.
DC-DC ünitesi, LT8705 anahtarlama regülatörü denetleyicisinden ve çevresel 4 MOSFET anahtar tüplerinden (M1 ~ M4), endüktans L'den, koruma dirençlerinden ve Şekil 2'de kesikli kutu 1 ile işaretlenen giriş ve çıkış filtre kapasitörlerinden oluşur. Bunların arasında, M1 ve M3 ana kontrol anahtarlama tüpleridir ve M2 ve M4 eşzamanlı düzeltme anahtarlama tüpleridir.
Giriş voltajı VIN, çıkış voltajı VOUT'tan önemli ölçüde yüksek olduğunda, devre yavaşlama modundadır Bu sırada M4 tüpü açık durumdadır ve M3 kapalı durumdadır. Anahtar tüpleri M1 ve M2 dönüşümlü olarak açılır ve anahtarlama eylemleri eşzamanlı bir bükme regülatörüne benzer. VIN, VOUT'tan 3 V'den daha düşük olduğunda, devre güçlendirme modundadır.Bu anda, M1 açık durumdadır ve M2 kapalı durumdadır. Anahtarlama tüpleri M3 ve M4 dönüşümlü olarak açılır ve anahtarlama eylemleri senkronize bir hızlandırma regülatörüne benzer. VIN, VOUT'tan 3 V daha yüksek olduğunda, devre güçlendirme modunda çalışır. M1, M2 ve M3, M4 anahtar kombinasyonları sıraya göre açılır veya kapatılır.
LT8705'te, Şekil 3'te gösterildiği gibi, çıkış akımını (EA1), giriş akımını (EA2), giriş voltajını (EA3) ve çıkış voltajını (EA4) sınırlayabilen veya düzenleyebilen 4 hata amplifikatörü vardır. Çıkış akımı ayarlama formülü:
Formülde, RS örnekleme direncidir, IOUT, örnekleme direncinden akan akımdır, gm iletim iletkenliğidir (tipik değer 1 mA / V'dir) ve R4, X9111'in RH ve RW arasındaki direnç değeridir.
Sistem çalışırken, çıkış akımı, denklem (1) 'de gösterildiği gibi bir voltaj düşüşü Usense üretmek için RS'den geçer, Usense ve transkondüktans gm'nin ürünü, R4 üzerinden zemine akan akımdır ve R4'te üretilen voltaj düşüşü, EA1 hata yükselticisi ile ilgilidir. Denklem (2) 'de gösterildiği gibi referans voltajı aynıdır. R4'ün direncini ayarlayarak IOUT değerini ayarlayabilirsiniz. Sistem çalışırken, STM32'nin PD0 portu, AD620 tarafından yükseltilen RS üzerindeki basınç düşüşünü toplar ve bu sırada (1) ve (2) denklemleri aracılığıyla çıkış akımını hesaplar ve ekranda görüntüler. STM32 içinde bir dizi eşik aralığı belirlenir, toplanan çıkış akımı değeri karşılık gelen eşik aralığına düşer ve R4 değeri, çıkış akımını değiştirmek için eşik aralığına göre ayarlanır. STM32'nin PD4 portu her yüksek darbe gönderdiğinde, X9111'in direnci 100 azalır. Başlangıç değeri 100 k olarak ayarlanırsa, bu andaki teorik adım ayar değeri 0,001 A'dır.
Giriş voltajı ve çıkış voltajının tespiti, voltajın Şekil 3'te RFBIN ve RFBOUT voltaj bölücü dirençlerine bölünmesiyle belirlenir. RFBIN ve RFBOUT bölücü direncinin değerinin ayarlanması, çıkış voltajını ayarlayabilir. Bölücü direnci ile giriş ve çıkış voltajı arasındaki ilişki şu şekildedir:
Sistemin iki şarj yöntemi vardır: sabit voltaj (CV) şarjı ve sabit akım (CC) şarjı. Çıkış akımı hata amplifikatörünün (EA1) harici direnci ayarlanarak çıkış akımı adım adım kontrol edilebilir, çıkış voltajı hata amplifikatörünün (EA3) harici direnci ayarlanarak çıkış voltajı ayarlanabilir ve giriş akımı hata amplifikatörünün (EA2) harici direnci ayarlanarak giriş akımı ayarlanabilir. Akım, giriş düşük voltaj koruma değerini ayarlamak için giriş voltaj hatası yükselticisinin (EA4) harici direncini ayarlayın.
Giriş ve çıkış akımları amper seviyesinde olduğundan genel elektronik anahtarlar güç gereksinimlerini karşılayamaz, bu nedenle Şekil 2'deki SC1, SC2, SC3 ve SC4 anahtarları güç anahtarlarını kullanır ve yapı Şekil 4'te gösterilmiştir. Güç anahtarı, PMOS'un iletimini kontrol etmek için iki NPN transistörü kullanır ve Q1, transistörü sürmek için düşük güçlü bir PNP transistörü kullanır. Anahtar tüpü Q3, yüksek güçlü ve düşük dirençli bir P-kanal alan etkili tüp kullanır. Giriş yüksek olduğunda, Q1 açılır, doygunluk bölgesinde çalışır, UC1 yaklaşık 0,3 V'ta tutulur, Q2 kapatılır, Q3'ün kapı voltajı R3 tarafından yükseltilir ve Q3 kapatılır, yani anahtar kapatılır; giriş düşük güç olduğunda Genellikle, Q1 kapatılır, UC1 yüksek bir seviyede tutulur, Q2 açılır ve UC2 yaklaşık 0,3 V'ye eşittir, bu nedenle Q3 açılır, yani anahtar kapalıdır.
Işık yeterli olduğunda, STM32'nin PD0 portu, AD620, PA7, PA8, PA10 çıkışı yüksek seviyesi, PA9 çıkışı düşük seviyesi ile güçlendirilmiş RS üzerindeki basınç düşüşünü toplar, SC2, SC3, SC4 yumuşak anahtarları açılır. SC1 kapandığında, güneş pili yalnızca yüke güç sağlamakla kalmaz, aynı zamanda pozitif bir çalışma modu olan pil takımını da şarj eder. Işık yetersiz olduğunda, RS'deki voltaj düşüşü azalır, mikrodenetleyici PA8 portu düşük seviye çıkışı verir, PA7 portu, PA9 portu, PA10 portu çıkışı yüksek seviyeli, SC3 anahtarı kapatılır ve SC1, SC2, SC4 anahtarları açılır, Güneş pili artık yüke güç sağlamaz ve pil takımını şarj etmeyi durdurur ve pil takımı, ters çalışma modunda yüke güç sağlamaya başlar.
3 Deneysel sonuçların analizi
Varsayılan olarak, sistem güneş pili güç kaynağından başlar.S1 anahtarına basıldığında, sistem açılmaya başlar. Akış şeması Şekil 5'te gösterilmiştir. İlk olarak, SC1 anahtarı açılır, SC2 ve SC3 anahtarları kapanır ve güneş pili, yüke güç sağlamaya başlar. Pil takımını şarj ederken, STM32 mikrodenetleyici şarj akımını toplar Şarj akımı I ayarlanan değerden saparsa, şarj akımı değerini ayarlanan aralık dahilinde yapmak için dijital potansiyometre X9111'i ayarlayın. Şarj akımı sapması büyük değilse, giriş voltajının 10 V'tan düşük olup olmadığına karar verin. Giriş voltajı 10 V'tan az olduğunda ışığın yetersiz olduğuna karar verilir.Bu sırada enerji depolama bataryası tarafından çalıştırılır, SC3 anahtarı açık ve SC1 ve SC2 anahtarları kapalıdır. S1 anahtarının kapalı olduğu tespit edildiğinde, sistem çalışmayı durdurur. Şekil 6, X9111'in farklı direnç değerleri ile giriş akımı arasındaki ilişkiyi, ayar aralığı 1 ile 2 A arasında ve doğrusal ayarlama oranı Şekil 7'de gösterilmektedir.
Şekil 6'dan, R9111 devresi tarafından ayarlanan akım temelde teorik değer ile aynıdır ve sapma% 0.1 içindedir. Şekil 7'den voltaj çıkış voltajı 24 V'tan 36 V'a değiştiğinde, çıkış akımı değişim oranı% 2 içindedir.
Şekil 8, azaltma modunda şarjın dönüşüm verimliliği test eğrisini göstermektedir Giriş voltajı 3 V ve şarj akımı 1,5 A olduğunda dönüşüm verimliliği% 95,12'ye ve şarj akımı 2 A olduğunda dönüşüm verimliliği% 97,75'e ulaşır.
Şekil 9, güçlendirme modunda deşarjın dönüşüm verimliliği test eğrisini göstermektedir Akü voltajı 24 V ve yük akımı 1,5 A olduğunda dönüşüm verimliliği% 94,7'ye ulaşır. Deneysel sonuçlar, enerji depolama sisteminin yalnızca çift yönlü şarj etme ve boşaltma işlevini gerçekleştirmediğini, aynı zamanda yüksek şarj ve boşaltma verimliliğine ve iyi stabiliteye sahip olduğunu göstermektedir.
4. Sonuç
Bu makalede, çift yönlü dönüştürücüye dayalı bir pil enerji depolama güç kaynağı sistemi tasarlanmıştır.Sistem, boost-buck işlevi sağlamak için LT8705 kullanır, mikrodenetleyici STM32 ve çoklanmış güç anahtarları akım akış yönünü kontrol eder ve X9111, adım değerini tam olarak ayarlar, böylece Çift yönlü bir konvertör akü şarj etme ve boşaltma devresi sistemi gerçekleştirilmiştir. Testten sonra, şarj akımı 0,8 A'dan 2 A'ya değiştiğinde, sistem% 95'in üzerinde bir dönüşüm verimliliğine sahiptir. Çıkış voltajı 24 V'tan 36 V'a değiştiğinde, çıkış akımı değişim oranı% 2 içindedir.
Referanslar
Gong Maofa, Jia Bin, Gongzheng, vb. TL431'e dayalı solar LED sokak lambası kontrolörünün tasarımı Elektronik Teknolojisi Uygulaması, 2011, 37 (6): 65-67.
MARTINEZ-ANIDO C B, BOTOR B, FLORITA A R, ve diğerleri Gün öncesi güneş enerjisi tahmin iyileştirmesinin değeri. Güneş Enerjisi, 2016, 129: 192-203.
Xu Jin, Shuai Liguo.Yumuşak anahtarlamalı DC-DCPWM artırıcı dönüştürücünün yeni bir türü Elektronik Cihazlar, 2016, 39 (2): 312-319.
Liu Qingxin, Cheng Shuying Double Buck güneş LED sokak lambası aydınlatma kontrol sistemi Elektronik teknoloji uygulaması, 2011, 37 (5): 142-145.
ALI U S.A, Çift Yönlü Z-Source DC-DC dönüştürücü tabanlı güneş enerjili elektrikli araç için maksimum güç noktası izleme kontrolünü değiştirdi.Applied Mechanics and Materials, 2015, 4123 (787): 828-832.
Chen Xiandong, Cao Taiqiang, Li Fansen.Yeni bir serpiştirilmiş paralel kovalı dönüştürücü türü. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (7): 153-156.
Zhang Bin, Li Hong. Lityum pil oluşumu için çift yönlü DC-DC dönüştürücü tasarımı. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2015, 34 (9): 40-42, 53.
MAZUREK G.Kablosuz sistemler için güneş enerjisi kaynağı performans çalışması.Uluslararası Elektronik ve Telekomünikasyon Dergisi, 2013, 59 (3): 271-276.
yazar bilgileri:
Li Yanming, Zheng Huaicang, Wen Changbao, Yang Guanbin, Ru Feng, Meng Yun
(Elektronik ve Kontrol Mühendisliği Okulu, Chang'an Üniversitesi, Xi'an, Shaanxi 710064)
