Design av en MPPT

[Karro]

Om du vill kan du plocka ut texten där jag tog upp saken, jag ändrade ämnesraden på den + de efterföljande texterna i en helt ny tråd. Så kanske vi kan gå in lite djupare i problematiken eller icke-problematiken.

[Karro]

Huh! Den där bilden ser ut som ett dyrt haveri , hoppas att det inte var dina paneler Karro!

Jag har tittat lite på konstruktionen och läst dokumentationen i Nolan´s MPPT och kommit fram till att det kan räcka med en liten PIC12F683 till bygget. Den klarar 20kHz PWM med 10-bitars upplösning.

Nej det var inte min panel, tack och lov. Fast backdioder ska in snarast.

Lite knepigt att en snabbare processor inte är bättre på allt. Man tror den ska ha snabbare PWM...

. . .

Jag bestämde mig för lite krydda i livet, så jag laddade ner simulatorn LTspice, och otroligt nog fungerar programmet jättefint på linux, fastän det är ett windowsprogram.
Frånsett det så fungerade inte min krets alls som tänkt i simulatorn. Backspänning från batteriet gör att kretsen fungerar helt konstigt, eller inte alls. Nu sitter jag och plockar i simulatorn för att lista ut vad som händer.

[Karro]

Efter mycket om och men börjar jag få fläng på det där md simulering. Det jag simulerar är en vanlig "buck"-krets utan extrasaker. Extrasakerna behövs inte på det här stadiet. Här är ett foto på modellen jag har, för den nyfikna som har kört simulator:

mppt1.png (25.71 KB) Visad 5244 gånger

Det stora rutorna till vänster 2 x 85W solpaneler i serie,
den lilla grejen till höger är min batteribank på 24V,
småinduktanserna är kablarna till och från.

Allting gick fint, och jag provade olika driftsfall, tills jag kom till
- fullladdade batterier och fullt solsken.
Då fick jag följande (det är ungefär som en färggrann oschilloskopsbild)

kurva1.png (5.98 KB) Visad 5231 gånger

Den lilla ljusvioletta kurvan är laddström till batteriet, ca 0,4A,
den ljusgröna kurvan är spänningen mellan mosfeten och spolen
och den ljusblåa är strömmen genom spolen.

Vad som händer i början är att en period börjar, och spänningen stiger snabbt till solpanelernas Voc (open circuit). Det blir lite drygt 45V (modellen har det), då börjar strömmen genom induktansen stiga, ljusblå kurva.
Ungefär vid 45us stängs mosfeten av, och den ljusblåa kurvan går i nedförsbacke istället, då batteriet laddas från induktansen. Vid ca 55us är energin i spolen slut, och då börjar det roliga - en fasansfull självsvängning börjar med på 1MHz.

Ja här är jag just nu. Vad självsvänger och varför? Det blir lite grävande för att finna det och finna motmedel.
Det här fallet uppkommer alltså när batteriet är fulladdat. Sådant kan ju också hända.

Jag gillar verkligen den här simulatorn. Tänk annars om man bygger upp kretsen, och den fungerar fint tills solen lyser och batterierna är fulladdade..........

[Jonas L]

Aaah. Det där är varken konstigt eller ovanligt. Det är väl dessutom en av anledningarna till att se upp när man går i diskontinuerlig mod (alltså låter strömmen i induktorn gå ner till noll). Det är L1 som svänger mot kapacitanserna i D1 samt M1. Har du matat in någon serieresistans i L1 eller C1? Om du gör det minskar Q-värdet och svängningen dämpas ut mycket fortare. Som den är nu är den egentligen inte besvärande ur ett energiperspektiv (däremot om man försöker få ett EMC-godkännande...). Om du vill köra kontinuerlig mod så kommer du få en minimiström som du inte kan gå under utan att dra ner till noll.

[Martin]

Du kan också prova att bypassa C1 med en mindre kondensator. T ex med en 0,1uF keramisk- eller tantalkondensator.

[Karro]

Hmm, jag fattar nu vad som händer när man kommer över i diskontinuenerlig mod.
Tim Nolan har en snubber över induktansen - och med de värden han har 0,1uF och 200ohm så försvinner effektivt sväningen - men det kör över flera watt effekt till motståndet som bränns bort. Kanske det är feltryck, fr 0,01uF fungerar lika bra, även fast det också bränner lite effekt.

Sedan provade jag att sätta en mosfet parallellt med dioden - jag tänkte att den kortsluter självsvängningen. Och visst gör den det, men istället överför den effekt från batteriet till induktansen, så att kurvorna blir väldigt fina, men effekt ska ju gå från solpanel till batteri och inte tvärtom.

Sedan tänkte jag till. Om PWM-förhållandet styr utspänningen, så borde frekvensen styra utströmmen, så genom att frångå fix frekvens borde jag kunna styra både spänning och ström, vilket är precis vad som behövs i en batteriladdare.
Då kan jag köra kontinuerlig mod alltid.
Då mäter mikroprocessorn in- och utspänning och vet omedelbart vilket pulsförhållande det ska vara och bestämmer då frekvensen ifrån vilken laddström det ska vara. Sedan används "hill climbing algorithm" för att behålla MPPT-punkten.

[Martin]

Om fenomenet bara uppstår när batteriet är fullt, så kanske det inte har så stor betydelse om man bränner bort lite effekt. Solcellerna bör ju kunna ger mer effekt än vad batteriet behöver för underhållsladdning.

[Jonas L]

Om PWM-förhållandet styr utspänningen, så borde frekvensen styra utströmmen, så genom att frångå fix frekvens borde jag kunna styra både spänning och ström, vilket är precis vad som behövs i en batteriladdare.

Tyvärr stämmer detta inte alls. Strömmen till batteriet styrs enbart av spänningsskillnaden mellan C1 och batteriet, samt resistansen däremellan.

För övrigt var det ju snygga solpaneler du hittade. Kom de med LTspice eller laddade du ner dem separat?

Och jag skulle inte sätta någon snubber där. Fast jag skulle kanske göra plats på kortet. Sen får man nog testa under verkliga förhållanden om det verkligen svänger och om det är ett problem (vilket det antagligen inte kommer vara). Ska du sätta en snubber med en liten konding så se upp med strömtålighet, maximal spänningsderivata samt tillåten AC-spänning.

[Karro]

SPICE-simuleringar har sina begränsningar, så för att få svar på några frågor, så har jag skapat en spreadsheet-simulering av solpanelen. Resultatet är kanske lite överraskande på några punkter. Kurvorna är för en simulering av (Görans) 85W 12V solpanel. Det är alltså en simulering av solpanelen vid olika temperaturer från -40°C till +50°C.

panel1.png (31.27 KB) Visad 4975 gånger

panel2.png (40.94 KB) Visad 4977 gånger

Funktionen för modellering av en solpanel är gjord som tillsatsfunktion i python för spreadsheetet gnumeric. Om det är någon som vill ha, är det bara att hojta till.

[Karro]

Tyvärr stämmer detta inte alls. Strömmen till batteriet styrs enbart av spänningsskillnaden mellan C1 och batteriet, samt resistansen däremellan.

För övrigt var det ju snygga solpaneler du hittade. Kom de med LTspice eller laddade du ner dem separat?

Nähä, då får jag tänka om lite. Jag gör en spreadsheet-simulering för att utröna extrempunkterna, dels för solpanelen och dels för batteriet.

Solpanelen följer med ltspice. Modellen verkar inte vara 100%, men den fungerar för enkla saker.

[Karro]

Så här en MPPT-simulering. En oerhört teknisk text följer, av nytta endast för den som vill mixtra med effektelektronik i solpanelssammanhang.

2x85W solpanel, 24V batteri, fullt solsken.
PWM-frekvens 30kHz, så den syns inte på bilden.

sim1.png (11.28 KB) Visad 4963 gånger

Mörkblå = PWM pulsbredd
Ljublå = utspänning från solpanel
Violett = uteffekt från solpanelerna
Röd = spänningen på utgången (utkondensatorn).
Grå = ström från solpaneler
Ljusgrön = laddningsström till batteri

Den blåa kurvan visar PWM pulsbredd. Den slås på vid 0ms och så ökas pulsbredden sakta till max vid 10ms. Där sveper pulsbredden ned till noll under 10ms, för att sedan stiga till MPP.
Den violetta solpaneleffektkurvan stiger, till en topp vid MPPT, för att sedan sjunka igen när MPP har passerats. Samma sak baklänges när pulsförhållandet minskar igen.

Den här simuleringen gjorde jag egentligen för att prova om man kan göra ett snabbt svep över solpanelen, för att lista ut max-effekt-punkten, och visst, på 10ms kan man svepa igenom alla spänning/ström-varianter på solpanelen fär att hitta effektmaximum.

Det finns en ca 500Hz sinuskruva överlagrad på solpanelens spänning. Det verkar vara rätt frekvens för resonans mellan induktorn och in- och/eller utkondensatorn. En överraskning. Det verkar bara ske vid snabba förändringar, så när man väl hittat MPP, så kan man integrera under längre tid.

Batteriströmmen ser konstig ut. Jag tror det är simuleringsmissar, men tar det som ett tips att inte förlita sig på den. Utom för att lägga en "säkring" på, så att om strömmen stiger för högt, så stänger allt av och det hela återstartar från 0. Återstarten går på 10ms, så det stör inte, om det t.ex. beror på att solen går i moln, eller liknande.

[Karro]

Så, nu har jag gott runt i cirkel lite grand, läst på lite grand och funnit att det jag ritade först faktiskt är ganska ok, med vissa små förändringar.

Nu har jag gått igenom batteriladdning och funnit att det antingen är rakt på, eller fixt spänning ut. Dvs. laddströmmen behöver inte regleras. Den reglerar man genom antalet solpaneler man har totalt! Synkrona likriktaren tar bort självsvängningen. Den gör att omvandlaren går baklänges istället, det oroade mig, men nu har jag läst att det inte gör något.

Nu är det bara det mest skrämmande kvar - att bygga en prototyp och få den att fungera. Det som jag är sämst på, dvs nästan aldrig egentligen gjort. Men med ett gediget underarbete så borde det fungera tycker jag.

Ett spreadsheet har jag gjort, för att lista ut var man behöver optimera för att trissa upp verkningsgraden. Så här ser det ut.... Så får man jobba på att minska ner storleken på tårtbitarna, den ena efter den andra. Man ser vad det lönar sig bäst att förbättra. Här har jag optimerat upp det till 96% verkningsgrad, och det får duga och bli mitt sikte. Att komma längre blir svårare och svårare.

losses.png (29.46 KB) Visad 4903 gånger

[Karro]

Teoretiska experiment är avklarade, konstruktionen är färdig för prototyp, komponenter är inhandlade och solpaneler står i farstun. Det är bara att sätta igång med lab-uppkoppling.
Jag tänkte bygga på lab-platta, men när jag tänker efter att strömmarna kan ligga konstant kring 5A eller över och pulsera upp till 10A, är det nog inte en så bra idé ändå.
Det får nog bli en upplödd krets för effektdelen och så enbart mikroprocessordelen på labplatta.
Risken för rök är nog ganska stor.
Det räcker med ett litet programmeringsfel och så PANG i mosfeten, då det finns tillräckligt med effekt från båda hållen.

[Emil]

Karro, jag gjorde lite tester själv med en "manuell MPPT", har en "pot" man kan ändra pulsbredden mellan 0-100%,
och därigenom "manuellt" maximera laddningsströmmen till batterierna, bygget är bra om man vill testa lite.
Räcker med en amperemeter som mäter laddningsströmmen, den ska visa max.

Du behöver egentligen bara mäta laddningsströmmen som går till batterierna, strömmen ska maximeras.

Lägger ut schemat så alla kan se. Modifierade själva omvandlaren genom att byta plats på lite delar.
Källkoden fungerar bra till PIC12F683, där använder jag endast 8-bitar från A/D-omvandlaren till att
styra PWM:n med också 8-bit upplösning, frekvensen tror jag vart ca 15,6kHz.

Källkoden ska fungera till större PIC16FXXX med små ändringar bl.a. med hur man konfigurerar in/utgångar.
"GPIO" finns bara i de mindre PIC12F, de större har "PORTx" och "TRISx" (x = A, B ...osv )

Vet inte om du/någon har någon nytta av koden

Manuell PWM MPPT.pdf

Källkod och schema.

(55.71 KB) Nerladdad 298 gånger

Lite ringningar.......

Manuell MPPT igång.

Ringning.jpg (91.43 KB) Visad 4920 gånger