Розроблено підсистема енергопостачання на базі сонячної електростанції для систем супутникової передачі даних. Для підсистеми був розроблений контролер заряду акумулятора і сонячної батареї з функцією наближення до точки максимальної потужності. Описана схема контролера заряду. Наведено алгоритм роботи даного контролера.
Д. т. н. Ахмедов Д. Ш., Єрьомін Д. І., Коваль Про. В., Мурпазіева А. Г.
ДТОГ «Інститут космічної техніки і технологій», Казахстан
Контролер заряду і сонячної батареї з функцією наближення до точки максимальної потужності
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 DS, Eryomin DI, Koval OV, Murpazieva AG
Institute of space technique and technology, Kazakhstan
The controller of battery charge and of solar battery with function of maximum power point tracking
З кожним роком актуальність систем альтернативного енергопостачання зростає, що ставить перед вченими всього світу завдання розробки найбільш ефективних методів перетворення енергії, одержуваної з альтернативних джерел. Незважаючи на зусилля вчених в розробці нових систем генерування енергії, найбільш перспективними і опрацьованими в технологічному аспекті на сьогоднішній день залишаються сонячна і вітрова енергетика.
Основними компонентами сонячної енергосистеми є сонячна батарея (СБ), акумуляторна батарея (АКБ) і контролер заряду. В якості найбільш функціонально значущого компонента можна виділити контролер заряду. Контролер забезпечує безпеку і оптимізує роботу всієї фотоелектричної системи (ФЕС), оберігаючи батареї акумулятора від надмірної зарядки і розрядки.
Контролери для ФЕС можна розділити на найпростіші і мікропроцесорні контролери. Найпростіші контролери в разі зарядки акумуляторів здійснюють відключення сонячної батареї і знову підключають її при зниженні напруги на акумуляторі нижче порогового рівня. Найпростіші контролери дозволяють зарядити акумуляторні батареї до 60-70% заряду. Використання такого методу призводить до систематичного недозаряду акумуляторної батареї, що скорочує термін її служби [ 1 ]. У більш складних моделях - мікропроцесорних контролерах - здійснюється стеження за точкою максимальної потужності сонячної батареї і широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) струму заряду. Контролери з ШІМ струму заряду дозволяють заряджати акумуляторні батареї до 100%. Крім того, такі моделі контролерів оснащені запобіжниками і іншими захисними пристроями, що сигналізують про неполадки в роботі системи і дозволяють запобігти пошкодженням самого контролера та інших компонентів.
Наведені аргументи свідчать, що жодна сонячна система енергопостачання не може функціонувати надійно і тривалий період часу без контролера заряду. При цьому вибір контролера заряду залежить від потужності використовуваних фотоелектричних модулів і потужності підключається навантаження.
Інститутом космічної техніки і технологій була розроблена підсистема автономного енергопостачання на базі сонячної електростанції для систем супутникової передачі даних на базі мобільної космічного зв'язку і супутникової навігації. Підсистема енергопостачання призначена для забезпечення автономної роботи супутникових терміналів збору і передачі даних. Розроблена підсистема включає в себе контролер заряду-розряду, який реалізує алгоритм стеження за точкою максимальної потужності (Maximum Power Point Tracking, MPPT).
Контролери, що реалізують алгоритм MPPT (Maximal Power Point Tracking) забезпечують пошук оптимальної точки заряду, що дозволяє значно зменшити втрати і підвищити ефективність заряду акумуляторів від сонячних батарей до 30%. MPPT-алгоритм дозволяє постійно використовувати максимум можливої віддачі від сонячного модуля для заряду акумулятора.
АКБ і СБ, що входять до складу фотоелектричної підсистеми, для якої розроблявся контролер заряду мають наступні характеристики.
Сонячна батарея:
- пікова потужність - 50 Вт;
- напруга холостого ходу - 21,4 В;
- струм короткого замикання - 3 А;
- номінальна напруга - 17,6 В;
- номінальний струм - 2,6 А.
Акумуляторна батарея:
- тип - свинцево-кислотна з герметизованими клапанами;
- номінальна напруга - 12В;
- енергетична ємність - 8 А ∙ год.
Правила експлуатації, особливості заряду і розряду свинцево-кислотних АКБ детально розглянуті в [2].
Розрізняють три режими роботи АКБ, що враховують особливості зарядно-розрядних процесів акумуляторів:
- буферний;
- циклічний;
Змішати.
Кожен з наведених режимів роботи має переваги і недоліки, докладно розглянутими в [3-5]. Відповідно, для кожного режиму роботи існують відповідні методи заряду батареї.
Після проведення аналізу існуючих методів заряду АКБ, а також, виходячи із завдань, які вирішує АКБ в складі підсистеми електроживлення, було вирішено використовувати метод заряду АКБ імпульсним струмом [6-7].
Перейдемо до опису алгоритму роботи розробленого контролера заряду. На малюнку 1 представлена електрична схема контролера.
Схему контролера заряду можна розділити на три функціональних блоки:
- мікроконтролер (система управління);
- ланцюги вимірювань і формування напруг;
- блок ланцюга заряду.
Керуючими сигналами в схемі є:
ON _ CB - почати / припинити процес заряду;
T_PWM - ШІМ-сигнал, який регулює величину струму заряду.
Вхідні і вихідні аналогові сигнали (контрольні):
+12 SBV - напруга сонячної батареї;
+12 V - позитивний електрод АКБ, він же вихід стабілізованого струму у блоку ланцюга заряду.
Функції управління в контролері здійснює мікроконтролер Atmega 128 A (DD 1).
Опишемо поведінку сигналів в ланцюгах виміру і формування потенціалів схеми. Напруга сонячної батареї +12 SBV через дільник опорів R 10, R 16 подається на вхід аналогово-цифрового перетворювача (АЦП) мікроконтролера. Аналогічно напруга акумуляторної батареї +12 V подається через дільник R 17, R 19 на вхід АЦП мікроконтролера. Для здійснення перетворення напруги в цифровий код, необхідно задати опорну напругу. Схема формування опорного напруги побудована на мікросхемі еталона напруги і струму TLV431A (DA 5). У нашому випадку опорна напруга одно +2,48 В.
Малюнок 1 - Схема електрична принципова контролера заряду АКБ
Блок ланцюга заряду в цілому працює як стабілізатор струму заряду АКБ. Основними компонентами ланцюга заряду АКБ є мікросхема імпульсного стабілізатора напруги LM 2676-12 (DA 3) і операційні підсилювачі DA 2.1, DA 2.2. Величина струму на виході ланцюга (+12 В) пропорційна ширині імпульсу в керуючому ШІМ-сигнал, що подається на вхід T_PWM. Струм заряду для наведеної вище схеми визначається за формулою:
,
де k - коефіцієнт, ціле число від 1 до 34, пропорційне коефіцієнту заповнення керуючого імпульсного сигналу.
Мікроконтролер шляхом вимірювання отримує значення напруг на АКБ і СБ України. Далі, якщо напруга на АКБ дорівнює чи перевищує значення 13,6 В (напруга повністю зарядженої свинцевим батареї), контролер припиняє заряд батареї. У разі, якщо напруга на АКБ ще не досягло напруги закінчення заряду, контролер встановлює значення струму заряду. Величина струму заряду залежить, з одного боку, від напруги сонячної батареї, з іншого боку, її максимальне значення складає 1,1 А, що є вимогою до режиму заряду для обраної моделі акумуляторної батареї. При напрузі СБ більш-рівному 15 В струм заряду встановлюється рівним 1,1 А, і підвищується з кроком в 100 мА при контролі напруги СБ в тому випадку, якщо він менше 1,1 А. Коли напруга сонячної батареї менше 15 В струм заряду зменшується з кроком 100 мА, контролюючи при цьому напруга СБ, до мінімального значення струму заряду - 100 мА. Зауважимо, що зменшення струму при напрузі сонячної батареї більш низьких, ніж номінальна (15-18 В) наближає робочу точку на ват-амперної характеристики (рисунок 2) до точки максимальної потужності, в якій струм і напруги є оптимальними. Таким чином, заряд АКБ відбувається імпульсним струмом при ємності АКБ від 70% і вище до 100%.
Малюнок 2 - Вольт-амперна і вольт-ватна характеристики СБ
Також в контролері передбачена індикація процесу виконання керуючого коду мікро контролером.
Блок-схема алгоритму процесу заряду акумуляторної батареї приведена на малюнку 3.
Розроблений контроллер заряду для сонячної підсистеми електроживлення виконує наступні функції:
- захищає АКБ від перезарядження;
- захищає АКБ від неприпустимо глибокого розряду;
- управляє процесами заряду і розряду АКБ;
- проводить відбір максимальної потужності від сонячної батареї.
Відповідно до алгоритму керуючої програми, розроблений контролер при мінімальній сонячної освітленості (ранній ранок, вечірні сутінки або неясна погода) буде міняти параметри ланцюга (яка є навантаженням для СБ) таким чином, щоб напруга на виході контролера було близько до номінальної напруги - 15-17 В . Це досягається ітераційним зміною струму заряду з кроком в 100 мА.
Малюнок 3 - Блок-схема алгоритму заряду АКБ
Описаний контролер заряду і сонячної батареї підлягає подальшому вдосконаленню: планується додати функцію температурної компенсації напруги заряду.
На даному етапі контролер заряду реалізований в автономній підсистемі енергопостачання для систем супутникової передачі даних і функціонує відповідно до наведеного описом.
література:
1. NwComp Сонячні системи - Контролери заряду акумуляторних батарей [В Інтернеті] // NwComp Solar. - 01 2013 r .. - http://nwcomp-solar.ru/products/battery-controllers.
2. Хрустальов Д.А. Акумулятори [Книга]. - Москва: Смарагд, 2003. - стор. 224.
3. Свинцеві акумулятори: правда і вигадки [В Інтернеті] // Елестротранспорт.ру. - 09 06 2009 r .. - http://electrotransport.ru/ussr/index.php/topic,2103.0.html.
4. Частина 2. Свинцево-кислотні акумулятори. Режими розряду свинцево-кислотних акумуляторів [В Інтернеті] // Геліос. Магазин енергії. - 12 05 2010 r .. - http://geliosenergy.com/article_info.php?articles_id=4.
5. Lam, LT, 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
Php?