Если принять силу тока солнечной батареи на полезном участке за неизменную величину, то напряжение будет определяться сопротивлением нагрузки, если оно равно бесконечности, то мы наблюдаем режим холостого хода (при Rн=∞ ⇒ Uвыхсб=Uр.хх), соответственно при коротком замыкании сопротивление нагрузки будет стремиться к нулю, как и выходное напряжение (при Rн=∞ ⇒ Uвыхсб=Uкз). Максимальная же мощность наступит при определенном соотношении сопротивления нагрузки, напряжения и тока.

Что всё это значит? Переходим от батарей к контроллерам!

Контроллер — это промежуточное звено между солнечной батареей и аккумулятором, он регулирует ток заряда посредством ШИМ, например, или любого другого, который выбрал конструктор. Но просто подать напрямую напряжение с батареи – это не значит обеспечить максимальную передачу мощности от панелей к АКБ.

Для эффективного заряда контроллер следит за током, получаемым от батареи и её выходным напряжением, а также током, отдаваемым АКБ и напряжением на ней. Чтобы убедится в этом выберем 2 произвольных точки на ВАХ (приведем её здесь еще раз) и сравним мощность в них с обозначенной на рисунке точкой максимальной мощности (ТММ), в которой вроде бы ток не является максимальным…

Допустим у нас АКБ с номинальным напряжением в 12В, это значит, в заряженном состоянии на выводах мы получим около 14,2-14,5 В, а в разряженном около 11В, пусть в одном случае у нас 13В, а в другом – 12В. Такие напряжения и выберем с ВАХ, для примерного анализа мощности при прямом подключении «солнечная панель — аккумулятор».

Согласно ВАХ в обоих случаях батарея отдаст ток около 3.6А, мы получим следующую мощность, передаваемую в процессе заряда:

А в отмеченной на ВАХ точке максимальной мощности:

Результат очевиден – мощность в ТММ больше примерно на 25-35% в зависимости от заряженности АКБ. Но как заставить батарею отдавать ток при напряжении в 18.5В, вместо того которое присутствует на клеммах аккумуляторной батареи?

Всё просто и сложно одновременно — поиск точки максимальной мощности

Как было отмечено ранее, контроллер устанавливается между солнечными панелями (батареей) и аккумуляторами, получается, что он служит нагрузкой панелей, а АКБ нагрузкой контроллера, он же — это источник вторичного питания. Любой источник питания, да и любой прибор в электротехнике может быть представлен в виде сопротивления. Это называется «эквивалентным» или «приведенным» сопротивлением (в зависимости от конкретного случая), которое определяется по тому же закону ома, то есть можно сказать, что входное сопротивление контроллера равно:

Rконтр= Uвходное/Iвх. потр.

Напряжение точки максимальной мощности у солнечных панелей зависит от ряда факторов:

Температуры (зависимость ВАХ и положения ТММ от температуры приведена на рисунке ниже);

Возраста элементов и пр.

Поэтому задать его фиксированным и универсальным не получится, плюс оно изменяется в соответствии с сопротивлением нагрузки и потребляемым током (выше приведена идеализированная ВАХ, на практике всё же будет некоторый наклон на рабочем участке).

Есть множество методов нахождения этой «волшебной», в одном из вариантов реализации MPPT-контроллер сканирует ВАХ солнечных элементов определяя оптимальные параметры для текущих рабочих условий, например, изменяя входной ток, соответственно изменяется его входное сопротивление. С помощью датчиков тока и напряжения система управления вычисляет значение мощности и сравнивает его с предыдущим, до тех пор, пока она не достигнет максимального значения. Это называется «методом возмущения и наблюдения».

В зависимости от конкретного метода определения ТММ и внутреннего устройства контроллера, в т.ч. его прошивки, поиск ТММ происходит с определенной периодичностью. Однако на практике большинство методов являются схожими и основаны на принципе «отклониться и наблюдать». В некоторых моделях есть возможность настройки этого периода в диапазоне от 1 раза в несколько минут, до 1 раза в несколько часов. В зависимости от периодичности поиска определяется эффективность работы системы в целом.

Так как в результате изменения входных параметров мы получаем максимально возможную мощность от конкретных элементов, следующей задачей становится отдать её нагрузке, то есть использовать для заряда АКБ. В конечном итоге всё сводится к управлению электронным силовым преобразователем, допустим мы получили ток ТММ в 5А при напряжении в 17.5В, это:

Значит есть возможность отдать аккумулятору с напряжением на клеммах в 12В такой ток:

В большинстве случаев преобразование осуществляется с помощью понижающего (buck) или понижающе-повышающего преобразователя (buck-boost). Типовые структуры преобразователей мы рассматривали в статье ранее.

Тогда как при использовании ON/OFF или ШИМ-контроллеров входной и выходной ток были бы равны. Что приводит к менее эффективному распоряжению доступной мощностью, например, так как входной ток был 5А, то при таком выходном токе мощность, затрачиваемая на заряд аккумуляторов, была бы равна:

Это еще раз иллюстрирует приведенные при обсуждении вольт-амперной характеристики выше расчеты.

Однако, не стоит считать MPPT-технологию панацеей для солнечной энергетике. Разница в эффективности заряда АКБ с помощью MPPT и PWM-контроллера тем меньше, чем больше заряжен аккумулятор. Когда напряжение на его клеммах (Uакб) повышается, а разница между Uтмм понижается, то используется большая мощность солнечной панели.

Аналогично приведенному выше примеру предположим, что напряжение на АКБ не 12, а 13.5В, при условии, что солнечная панель работает с теми же параметрами, это будет выглядеть следующим образом:

Если при 12В использовалось 68% от максимальной мощности, то при 13.5В используется уже 77%. Также учтите и то, что ваши аккумуляторы не будут постоянно заряжаться, и на них не будет поступать ток одной и той же силы постоянно. Поэтому в МРРТ-контроллерах обычно реализуется несколько стадий заряда, например: MPPT (с максимальной мощностью) — выравнивающий — быстрый (форсированный) — поддерживающий. Кроме всего прочего стоит помнить, что ток солнечной батареи не должен превышать номинальный ток контроллера, иначе не реализуется максимальное использование мощности.

Но это всё не говорит нам о том, что MPPT-контроллеры не нужно использовать, а только о том, что не стоит переоценивать их пользу.

Фактом остаётся лишь то, что в нижнем ценовом сегменте устройства с технологией MPPT дороже чем PWM, но не всегда. Например, есть MPPT-контроллер «EPSolar MPPT TRACER-2210A», стоимость которого находится в пределах 180 долларов, и аналогичный по стоимости (180-200 долларов) PWM-контроллер с выходным током 20А «STECA PR2020».

При этом же есть другой PWM-прибор с тем же выходным током — «SRNE SR-HP2420» стоимостью немногим больше 20 долларов, в то время, как MPPT от этого же производителя «SRNE SR-ML2420» с таким же выходным током стоит уже 85 долларов.

Цены на некоторые модели контроллеров мы рассмотрим ниже.

Обзор современного рынка MPPT-контроллеров

В таблице не приводился полный перечень функций и защит, так как он занимает большой объём. Для сведения типовой набор функций выглядит примерно так:

от неправильной полярности подключения СП и АКБ;

от КЗ на входе солнечной панели;

отключение солнечной панели после достижения окончания заряда АКБ;

отключение нагрузки при слишком низком напряжении на АКБ;

от обрыва в цепи АКБ;

предотвращение разряда АКБ через солнечную панель в ночное время;

контроль потребление тока нагрузкой.

Таблица отражает то, что стоимость MPPT-контроллера зависит не только от его максимальной силы тока (мощности), но и от диапазона выходных напряжений, списка поддерживаемых аккумуляторов, возможности подключения средств отображения, индикации и мониторинга, и ряда других факторов. Выбор контроллера сложен и очень индивидуален, поэтому приводить какие-то сравнения и рейтинги по меньшей мере бессмысленно.

Источник

sibsat

sibsat

Рассмотрим теорию и практику эксплуатации MPPT контроллеров «Максимальная силовая точка отслеживания», используемую в улучшенных солнечных контроллерах заряда.

MPPT контроллер представляет собой электронное устройство с встроенным конвертором постоянного тока DC/DC, который оптимизирует параметры энергии между солнечными батареями (PV панелями), и аккумуляторными батареями. Проще говоря, они превращают высокое выходное напряжение постоянного тока от солнечных батарей до низкого напряжения, необходимого для зарядки аккумуляторных батарей.
Итак, что значит «оптимизировать параметры энергии»?

Допустим, мы приобрели солнечную панель 130 ватт.

На практике солнечная панель выдает 130 ватт только при определенном напряжении и токе. Экспериментально эта солнечная батарея рассчитана на 7,52 ампер при 17,3 вольт. (7,52Ах17,3В= 130 Вт).
Теперь рассмотрим, почему панель 130 Ватт не выдает 130 Вт зарядки или куда уходят наши Ватты? Так что же происходит, когда вы подключаете панель 130 ватт к аккумулятору через обычный контроллер заряда?

Какая выгода от использования контроллеров MPPT?

Она прямо пропорциональна сезонным условиям. MPPT контроллеры как правило основаны на цифровой технологии управления. Такой контроллер заряда постоянно прощупывает на выходе из панелей напряжение, и сравнивает его с напряжением батареи. Затем контроллер вычисляет оптимальное значение тока и напряжения в конкретный момент времени. Выполняет необходимую оптимизацию (преобразования) чтобы получить максимальную мощность зарядки.

Большинство современных MPPT контроллеров имеют КПД 93-97% эффективности в преобразовании. Вы обычно получаете от 20% до 45% увеличения мощности зимой и 10%-15% летом. Фактический коэффициент усиления может широко варьировать в зависимости от погоды, температуры, уровня заряда аккумулятора, и других факторов.

Как работает MPPT технология?

MPPT контроллеры являются наиболее эффективным при следующих условиях:

Вывод: Использование МРРТ контроллеров даёт возможность более полно использовать потенциал солнечных батарей и как следствие снимать на 15-45 % больше электроэнергии по сравнению с другими контроллерами.

Настоящий МРРТ контроллер стоит довольно дорого и начинается от 3500 грн и более, в зависимости от пропускаемого тока и технических характеристик.

Что такое МРРТ все узнали. А вот как он начинает работать, особенно в условиях каравана я сейчас расскажу. Данный материал составлялся из наблюдений и тестов нескольких контроллеров МРРТ. Что такое максимальная точка, для тех кто видит графики, не понимая о чем они, я скажу так — это когда напряжение и ток, выбранные для заряда АКБ, оптимальны на данный момент времени. Если напряжение АКБ изменяется в большую или меньшую степень, контроллер должен пересчитать ее для новых условий. Соответственно мощность при таких условиях будет сниматься максимальная.
Но не всё так просто. Сравниваю контроллеры МРРТ и PWM.
Берём две панели по 100Вт и ставим их на крышу каравана. Подключаем параллельно. Рабочее напряжение панелей 17,6Вольт. Рабочий ток 5,73А. Максимальный ток от двух панелей 11,46А. Напряжение АКБ 12Вольт
Подключаем МРРТ. Утром и вечером, при пасмурной погоде контроллер не видит, что солнечные панели выдают ток, так как напряжение на солнечных панелях в холостом режиме всего чуть менее 18Вольт. То есть ноль, контроллер не работает! Вопрос – почему? Потому что обычно у МРРТ контроллера идет постоянный замер напряжения ХХ и тока и именно в прошивке зашивается активация AC/DC преобразователя на определенное напряжение, как правило 18-18,3Вольт. В то время, когда у PWM такой привязки нет и он начинает работать при напряжении на солнечной панели выше напряжения аккумулятора, хоть от 10Вольт. В такой ситуации МРРТ просто проигрывает обычным контроллерам PWM.
Но вот появилось солнце, но оно в тучах, не больших и рассеянных, вроде бы должен работать МРРТ нормально, но тут наступает вторая проблема. Из-за изменения света, МРРТ контроллер начинает искать точку максимальной мощности. Он постоянно обнуляется, просматривает все данные 1-2 сек и заново ищет максимальную точку мощности. Заряд АКБ идет импульсно, с периодом в 1-2 сек, чего очень не любят АКБ GEL. В случае изменений, через определенное время он опять отключает солнечные панели, перепроверяет данные и перегружается. Контроллер PWM в таких случаях даёт заряд на АКБ без проблем, тем током, который получает от СБ.
Выводы:
— для караванов и маломощных солнечных систем применение МРРТ контроллера не приемлемо.
— как вариант, необходимо соединять СБ последовательно, для увеличения напряжения системы. Но даже в этом случае выигрыш применения МРРТ контроллера очень мал, проще добавить немного мощности СБ.

Источник

Заметки о разработке МРРТ контроллера

Приветствую! Ранее я уже рассказывал в статье о своем проекте контроллера заряда для небольшой СЭС с алгоритмом поиска ТММ. Сей проект вялотекущий из-за нехватки времени и порой отcутствия настроения, но все же он развивается. С момента последней статьи я сделал еще 2 ревизии железа, проверил разные схемотехнические решения, например, способы измерения тока и как итог — пришел к финальной версии аппаратной части, о которой сегодня и пойдет рассказ.

Все исходники на железную часть проекта открыты и доступны на github — тут.

Концепция

Если вы решили просмотреть предыдущую статью о старой версии железа, то заметили, что концепция устройства изменилась радикально. Изначально хотелось сделать довольно универсальный отладочный комплекс, но в процессе работы с ним понял, что на практике он не такой удобный, довольно дорогой и использовать как готовое устройство тоже проблематично. Наверное к этому приходят все попытки сделать что-то «универсальное» и «хорошее» разом. Как итог решено было пересмотреть реализацию в пользу полноценного завершенного устройства, которое не будет валяться на полке, как 146% отладочных плат, а займет свое место в небольшой СЭС в доме, на даче или где-то еще.

На момент старта проекта у меня не было цели сделать дешевое устройство, хотя мне некоторые люди писали в качестве претензии, использование «редких» компонентов. Сейчас у меня цели делать дешево так же нет, но в результате ухода от универсального модуля MotorControlBoard цена компонентов в цифровой части резко уменьшилась и решено было «перекачать» деньги в силовую часть, поставив более интересные силовые ключи, токовые шунты от Bourns, твердотельные кондеры от Panasonic и Wi-Fi модуль. В итоге при той же себестоимости немного улучшились ТТХ преобразователя и снизилась температура устройства в целом.

Интерфейсы

В первой версии контроллера у меня был реализован RS-485 и USB через преобразователь CP2102, так же был предусмотрен разъем с UART-ом и питанием для подключения Nextion или самодельной HMI панели. Все это было интересно, но как в итоге оказалось, слишком избыточно и не логично. Сейчас объясню почему.

Во-первых, RS-485 это очень хорошо, пока еще популярно, но на фоне CAN как-то и не очень. Сейчас во многих современных железках начинают применять CAN, там конечно же идет и RS-485 (а иногда и RS-232) для совместимости, но прогресс не остановить. Мне совмещаться особо не с чем, поэтому решил заменить RS-485 на CAN и сделать его единственным проводным интерфейсом.

Во-вторых, решил отказаться от использования дисплея как такового и «гирлянды» из светодиодов. Вешать дисплей на тот же контроллер, что управляет преобразователем не хотелось, а делать отдельную плату с еще одним МК, дисплеем, кнопками и светодиодами оказалось довольно дорого. К тому же стоит задаться вопросом — «а как часто вы будете ходить в условный сарай смотреть на этот дисплей?» За 4 месяца эксплуатации контроллера первой ревизии я этого не сделал ни разу, что как бы намекает на его бесполезность. Однако, хочется знать что происходит с системой, сколько энергии выработано и всякое такое. Для реализации удаленного мониторинга есть CAN и.

В-третьих, для реализации удаленного монтиронга решил поставить ESP32. Данный чип я как-то обходил стороной всегда, но наткнулся на статью, которая рассказывала про ESP32-PICO-D4. Это SiP в корпусе QFN-48 7х7 мм, в который разработчики уместили и саму ESP32, флеш память, кварц и дискретные элементы — остается накинуть питание и антенну. Это очень компактное решение, сильно меньше любого модуля (из тех, что видел), что важно, т.к. модули у меня на плату уже просто не влезали.

В конечном счете я пришел к варианту, когда дисплей и индикация на самом устройстве отсутствуют почти полностью, а вывод информации осуществляется в web-морду или в приложение. Вернее будет осуществляться, т.к. с ESP я ни разу не работал и еще не реализовал эту часть. Одно радует — в сети много информации и примеров работы, а значит в скором времени реализую мониторинг по воздуху.

Измерение тока

Во всех ревизиях у меня были разные способы измерения тока, т.к. это пет-проект и можно было городить что захочется, решил попробовать все. Сейчас поделюсь своими соображениями об этом. В первой ревизии (она в предыдущей статье) я использовал датчики на эффекте Холла — ACS713ELCTR-30A. В принципе они справились со своей задачей, но есть ряд минусов:

Чувствительны к металлическим элементам рядом с ними. В процессе экспериментов я попробовал сделать корпус из стали (резка, гибка, сварка, порошковая покраска), получилось дешево и вполне симпатично, но вот эти ACS начинали сходить с ума как только плата оказывалась внутри корпуса, напряжение на выходе датчика начинало плавать на 200-300 мВ в обе стороны и никакими цифровыми фильтрами «полечить» это не получилось. Если на него поставить болт типа М10, то тоже весело становится;

Датчики ACS не продаются на Mouser! Все закупаю там, т.к. удобно получить все желаемые компоненты в одной посылке, но вот почему-то данный производитель (и некоторые другие) отсутствует.

Следующими в бой пошли шунты и датчики INA196. Работать с ними одно удовольствие, они позволяют измерять ток в «плюсе» питания, а это удобно, т.к. потенциал земли (GND) остается равным на всей плате. Ведь если мы включим шунты в разрыв земли, то получится, что на земле у нас будет 3 разных потенциала, которые будут зависеть от падения напряжения на шунтах, то есть от тока.

Случай №1 — у нас шунты в «плюсе» нам надо измерять ток на одном шунте, ток на втором и напряжение на входе и выходе:

Это эквивалентная схема МРРТ контроллера, сильно упрощена, но суть понятна. Для удобства ток задан 25А, шунты как в контроллере на 4 мОм. Если вспомнить закон Ома, то на шунте будет падать I * R = 25А * 0.004 Ом = 0.1В, что мы и наблюдаем. В данном случае очень удобно измерять напряжение и на входе (на солнечной панели) и на выходе (на АКБ), т.к. земля «сплошная», АЦП сидит на ней и без всяких трудностей можно измерить напряжение в любой точки схемы через обычный делитель. Теперь перенесем шунты в «землю», земля цифровой части окажется между двумя шунтами, посмотрим что покажут вольтметры:

Так как земля АЦП расположена между шунтами, то есть все измерения идут относительно этой точки, получается ситуация, что мы не знаем реального напряжения на входе и реального напряжения на выходе, т.к. шунты вносят свой вклад в 0.1В. Много это или мало? Для свинца в принципе терпимо, а вот Li-ion или LiFePo4 аккумуляторы эта «десятка» очень быстро убьет, если на самих банка не установлена плата защиты или полноценный bms. Да и на определение ТММ это тоже скажется. В этом случае можно выкрутиться, например, измерение тока сводится к обычному измерению падения напряжения, а значит мы можем посчитать входное напряжение как U_{измерено} + U_{падение1}. Соответственно для получения выходного напряжения: U_{измерено} + U_{падение2}. Итог такой:

Процесс измерения напряжения даст нам значение U_{измерено}, а процесс измерения тока даст значения U_{падение1} и U_{падение2}, после этого можно считать. Сложно? Я бы сказал излишне и точность теряется дополнительно. Еще одним решением могло быть измерение напряжение на входе и выходе с помощью операционного усилителя (ОУ), включенного в дифференциальном режиме, но это потребует 2 лишний ОУ. Поэтому очень удобно было использовать INA и Холлы, включенные в «плюсе». Однако и у INA196 есть минусы — цена, 10$ за пару датчиков меня не очень радовали.

Так же еще стоит отнести к минусам подобных датчиков — ограниченность масштабирования. Дело в том, что у них есть ограничение по напряжению в измеряемой цепи, обычно это значение в пределах 80В. В дальнейшем у меня есть планы сделать МРРТ на 150В 40А, то есть измерять подобным методом уже не получится, а мне хочется получить железку, которая довольно легко масштабируется по напряжению и току без глобальных переделок.

Исходя из этого решил поискать альтернативу, чтобы не хуже и дешевле. Решил обратиться к опыту других open source проектов и различных промышленных контроллеров. В некоторых стояли датчики ACS, в основном у китайцев, но в остальных случаях все было сделано примитивно — шунт в «минусе» и усиление на ОУ, а дальше АЦП. Почитав форумы и различные статьи о данном варианте наткнулся на очередной холивар. Если кратко, то есть проблема с разными потенциалами и их надо измерять, но как плюс — цена, простота, надежность. К тому же я все равно измеряю ток и мне известно падение на шунте, поэтому решил на макетке собрать данный вариант. Все работало и работало с хорошей точностью, я было обрадовался, но оказалось, что есть и ложка дегтя (хотя и предсказуемая) — земля контроллера довольно «грязная» и при длинной цепи от шунта до ОУ появлялся шум и сказывалось различие потенциалов в разных точках полигона (оно мизерное, но на фоне пары мВ существенное). Чтобы победить это аппаратно решил поступить просто — использовать ОУ в дифференциальном режиме, поставив сам ОУ ближе к МК, а сигнал от шунта до ОУ (примерно 60 мм) тянуть уже «дифференциальной парой». В результате получил очень приличный результат в совокупностью с цифровым фильтром.

Данное решение оказалось самым дешевым, это позволило поставить нормальный шунт от Bourns и ОУ с приличной полосой (TSV991ILT), при этом измерять напряжение решил относительно земли АЦП, не применяя еще 2 ОУ и диф. режим для этого. В принципе для моей задачи получилось измерять довольно точно, т.к. сама система инертна (ток и напряжение на панели или АКБ не изменяется быстро) и можно накапливать большой массив данных с АЦП для последующей фильтрации. Да и панель с АКБ не генерируют какой либо шум, а значит практически все помехи идут от самого buck преобразователя. Чтобы с ними побороться я синхронизировал старт АЦП с HRPWM так, чтобы измерение никогда не попадало в переходный процесс (момент закрытия и открытия транзисторов). Все это дало свои результаты и позволило применить наиболее простое и дешевое решение.

Корпус

Кто бы что не говорил, а корпус устройства это один из ключевых элементов, особенно если вы планируете это продавать. В моем случае продавать не надо, но люблю чтобы железка по мимо того, что работает еще и выглядела так, чтобы не стыдно знакомым показать. Как итог — озадачился с изготовлением корпуса. Пробовал разные варианты… и печатал на 3D принтерах разного качества, и заказывал из листового металла коробку, все или выглядело как говно крайне убого или не переживало стресс-теста в виде падения с метра на бетон, да и при этом цены не сказал бы что низкие на изготовление.

Вспомнил прекрасные статьи от anvos, решил посмотреть как делают нормальные люди, глянул примеры работ, оценил свой бюджет и пришел к выводу, что мне нужна или фрезеровка или экструзия алюминия. Сломать почти нереально, выглядит «дорага-багата» симпатично и при этом механически прочный, в перспективе можно рассеивать на корпус тепло (изготовив плату из алюминия) и вроде как прототип изготовить не очень дорого. Литье пластиков мне тоже понравилось, но ценник не для хобби-проекта, экструзия алюминия тоже. Последний метод, как я понял, дешевый на серии, но изготовить 1-5 штук стоит слишком дорого или я не тем китайцам писал. Осталась фрезеровка! Вооружился SolidWorks-ом и нарисовал вот такое:

Первый корпус решил заказать у обладателя ЧПУ станка, а не у компании, т.к. сроки были самые интересные и цена адекватная — за работу, материал и доставку отдал 55$. В итоге изготовили корпус очень быстро и качество меня устроило. Все собралось идеально, резьбы нарезаны качественно, точность обработки хорошая:

В дальнейшем нужно еще обработать пескоструем, в идеале анодировать, этим займусь в ближайшее время, а пока так. Показал знакомым и первая реакция была в стиле: «Выглядит круто, но он наверное тяжеленный?», да я и сам ожидал получить увесистый кирпич, но на практике оказалось, что вес корпуса примерно как у платы в сборе (по ощущениям как плитка шоколада):

В итоге устройство собралось с минимальными зазорами, я на все размеры вырезов давал запас 0.1 мм и разъемы встали без всяких усилий и пристукивания молотком. Хотя были опасения, что взятые с 3dcontent модели окажутся не достаточно точные или с ошибками, но все обошлось. Вообще, если берете 3D модели с внешнего источника, то настоятельно рекомендую проверять хотя бы внешние габариты для элементов, которые задают габариты и под которые выполняются вырезы, тогда проблем быть не должно.

Реализация аппаратных защит

Данная тема заслуживает полноценного холивара, но я лишь опишу свой опыт, а там думайте. «Классическим» способом реализации защиты по току (OCP) и по напряжению (UVLO, OVP) является прямое использование компаратора, подключенного к шунту или делителю напряжения, сигнал ошибки с которого подается на D-триггер, обрывающий ШИМ-сигналы. Когда каналов защиты много, то логично заменить большое количество дискретной логики на CPLD. Все это работает и работает хорошо, но занимает место на плате и добавляет к себестоимости.

Благо в современных контроллерах, которые заточены под работу в преобразователях (TMS320F28, STM32F334/G474, XMC4200 и другие) все эти компоненты имеются внутри контроллера. Например, в используемом мною STM32F334C есть 3 быстрых компаратора, сигналы с которых заведены на входы аппаратной защиты FAULT от HRTIM (HRPWM). Так же внутри МК имеется ЦАП, которым можно регулировать опорный сигнал компаратора и тем самым задавать порог срабатывания защиты. Все это внутри выглядит примерно так:

Как видите все, что нужно для реализации защиты уже есть в МК и можно значительно упростить внешнюю обвязку, сократив количество примененных компонентов. Изначально я «не верил» в надежность данной реализации защиты, но применив в качестве эксперимента его в парочке проектов проблем не выявил. Время срабатывания защиты всегда примерно 3-4 мкс, чего достаточно во многих задачах. Так же стоит отметить гибкость решения и наличие аппаратных фильтров на сигналах ошибки. В итоге я остановился именно на такой реализации защиты в МРРТ контроллере.

Так же стоит отметить, что в F334/G474 уже есть встроенные ОУ и возможность включить входы АЦП в дифференциальном режиме, например, их можно было бы применить для измерения напряжения и избавиться от необходимости вычислять входное и выходное напряжение. Однако в цепь измерения тока их я не стал применять, т.к. усиление достаточно высокое, а полоса у них так себе, на единичном же усиление пожалуйста.

Итоги

На данном этапе я получил финальный вариант аппаратной части контроллера, в будущем возможно и будут какие-то исправления или переделки, но совсем незначительные. Дальше все усилия будут брошены на написание софта и реализации аппаратно заложенного функционала, пока что работает лишь CC/CV режим для AGM и GEL батарей в паре со сканирующим алгоритмом ТММ, теперь необходимо будет поднять CAN open, добавить популярные алгоритмы поиска ТММ и изобрести web-морду для мониторинга. Так же в планах есть перенос проекта из Altium Designer в открытый KiCAD.

Все исходники на железную часть проекта открыты и доступны на github — тут.

Ознакомиться с мои проектом, а так же в один клик заказать печатные платы можно на PCBway.

Источник