Včasih je zelo težko doseči celo en sam odstotek boljši izkoristek v delovanju neke naprave, saj je od daleč vse videti popolno. Najbrž bi že na začetku takšnega razmišljanja izgubili tudi najmanjše zrno upanja na neko veliko odkritje, ki bi nam kar tako prineslo nekaj odstotkov večji izkoristek. Vendar ne kaže obupati! Morda lahko veliko več pridobimo tako, da še malce izboljšamo delovanje sicer odličnih in preizkušenih vezij na podlagi novih raziskav, spoznanj in izkušenj strokovnjakov, ki delovanje teh vezij poznajo do potankosti.
Pomembna značilnost vseh sončnih celic je, da dosežejo največjo moč pri skoraj enaki delovni napetosti (VMP Voltage at Maximal Power) glede na trenutno osvetlitev (slika 1). To je pomemben podatek, če želimo iz nekega panela v določenem trenutku in pri določeni osvetlitvi dobiti največjo moč. Moč je še vedno produkt toka in napetosti in če se nam poskuša pri neki obremenitvi napetost »sesedati«, moramo tok zmanjšati vsaj toliko, da ostane napetost na istem nivoju, če jo želimo na tem nivoju ohraniti. Za takšno krmiljenje bi lahko poskrbelo vezje z diskretnimi elementi, operacijskimi ojačevalniki, primerjalniki, tranzistorji in cele vrste ostalih polprevodniških elementov, ki bi utegnili za svoje delovanje porabiti več energije, kot bi je s svojim delovanje prihranili. Ravno zato so se proizvajalci različnih namenskih integriranih vezij lotili tega problema na svoj način, s sodobnimi tehnologijami, minimalno porabo in z največjim možnim učinkom.
Podjetja Linear Technologies najbrž ni potrebno predstavljati, saj je eno izmed vodilnih svetovnih proizvajalcev namenskih integriranih vezij, ki so pravzaprav že kar rešitve določenih izzivov. Uporabniku (načrtovalcu) je na razpolago določeno število priključkov, s katerimi lahko določi, kako bo vezje delovalo. Običajno pri teh čipih je, da so lahko tudi kombinacija analognih in digitalnih signalov, tako vhodnih, kot tudi izhodnih.
Odličen primer takšnega krmilnega integriranega vezja je LT3652, ki je po svoji funkciji 2A polnilnik s to lastnostjo, da je sposoben ohranjati najvišjo možno učinkovitost delovanja sončne celice s krmiljenjem nivoja vhodne napetosti. V obdobjih, ko na voljo ni dovolj sončne energije, s katero bi zadovoljili potrebe LT3652 polnilnika baterij izpolnitev zahtev glede porabe, krmilnik vzdrževanja nivoja vhodne napetosti zmanjša polnilni tok baterije. Tako se z ohranitvijo vhodne napetost na VMP zmanjša obremenitev sončnih celic in doseže najvišja izhodna moč panela. Ta metoda za doseganje največje učinkovitosti panelov s sončnimi celicami je sicer patentirana (Linear Technologies) in se imenuje krmiljenje v točki največje moči (MPPC, maximum power point control).
MPPC torej optimizira izkoristek sončnih celic med obdobji s slabšo osvetljenostjo, je izkoristek pretvorbe močnostnega polnilnika pri manjših močeh veliko slabša, kar zmanjša učinkovitost prenosa energije od plošče do baterije in izniči naš prejšnji trud. Vendar bomo v nadaljevanju članka lahko videli, da lahko učinkovitost polnilca baterij z uporabo preproste PWM polnilne tehnike znatno izboljšamo, saj z njo prisilimo polnilnik, da pri nizkih močeh baterijo polni z impulzi.
UPORABA statusnega priključka /CHRG za javljanje delovanja z nizko močjo
/CHRG statusni priključek LT3652 prikazuje stanje polnilnega toka baterije in je v tem primeru uporabljen za krmiljenje PWM funkcije. Priključek je na nizkem logičnem nivoju, kadar je izhodni polnilni tok večji od C/10, ali 1/10 programiranega najvišjega izhodnega toka in na visokem logičnem nivoju, ko je izhodni tok pod C/10.
V obdobjih nizke osvetlitve lahko vhodna regulacijska zanka zmanjša izhodni tok polnilnika pod C/10, kar povzroči, da /CHRG preide v stanje visoke impedance. Ta preklop statusnega priključka se uporablja za onemogočanje čipa s proženjem zaščite ob prenizki napetosti (UVLO) s pragom za padajočo napetost panela s sončnimi celicami, ki je višji od nivoja vhodne napetosti VIN (REG), ki jo krmilimo. Napetost na panelu lahko narašča znotraj histereze v območju obeh pragov UVLO, vendar je polnilnik onemogočen, dokler ne dosežemo praga preklopa ob naraščajoči napetosti UVLO, ko je polnilnik ponovno omogočen in deluje s polno močjo. Polnilnik nato krmili polnilni tok, dokler krmilnik nivoja vhodne napetosti znova ne onemogoči polnilnika. Takšni cikli se ponavljajo in pri tem na izhodu polnilnika ustvarjajo serijo tokovnih impulzov, ki do največje možne mere povečajo učinkovitost polnilnika, s tem pa tudi učinkovitost celotnega polnilnega sistema s sončnimi celicami, pri katerikoli ravni osvetlitve.
Li-Ion polnilnik z visokim izkoristkom
Slika 2 prikazuje polnilnik s sončnimi celicami za največ tri Li-Ion celice, ki ima tudi funkcijo delovanja v PWM načinu z nižjo močjo. Ta polnilnik uporablja 17 V vhodno napetost (ki je običajna VMP za panele “12 V sistema”), ki jo programiramo s pomočjo uporovnega delilnika R4 in R5 na priključku VIN_REG. Kot je prikazano na sliki 3, je mogoče z vzdrževanjem obratovalne napetosti tipičnega 12V sistema solarnih modulov blizu njihove nazivne VMP napetosti 17 V doseči takšno učinkovitost panela, ki je zelo blizu 100%. Funkcija PWM delovanja pri nizkih močeh je izvedena s pomočjo elementov M1, R6, R7 in R8. Slika 4 prikazuje, kako dodajanje PWM vezja bistveno poveča učinkovitost pri tokovih polnjenja baterije pod 200mA.
/CHRG priključek vezja LT3652 preklopi na nizek nivo, ko potrebni tok polnjenja preseže 1/10 od programiranega maksimalnega toka polnjenja 2A, torej 200mA. Ko regulacijska zanka vhodne napetosti zmanjša polnilni tok baterije na 200mA, se priključek /CHRG preklopi v stanje visoke impedance, kar omogoča, da pride na vrata M1 VBAT visok nivo, ki odpre FET M1. Ta FET poveže upor R7 na maso, s čimer vključimo še UVLO funkcijo vhodne napetosti z uporabo priključka SHDN in uporovnega delilnika, ki ga sestavljata upora R6 in R7. Funkcija UVLO je s tem delilnikom programirana tako, da ima prag padajoče napetosti pri 18 V in prag naraščajoče napetosti pri 20 V. Določanje praga za padajočo napetost je pri tem vezju kritično in ga je treba programirati na takšen nivo, ki je višji od napetosti regulacijske zanke na vhodu in za 10% nižja od nivoja praga za naraščajočo napetost LT3652.
Ob slabi osvetljenosti, ko je izhodna moč panela premajhna, da bi integriranemu vezju LT3652 lahko zagotovil potrebni polnilni tok, pa krmiljenje nivoja vhodne napetosti zmanjšuje tok polnjenja toliko časa, da postane izhodna moč, s katero polnilnik polni baterije, enaka največji moči, ki jo v istem trenutku lahko daje panel s sončnimi celicami. S krmiljenjem VIN napetosti na vhodu na nastavljen nivo 17 V (ki je napetost pri maksimalni moči panela), dosežemo največjo moč, ki jo lahko v istem trenutku proizvede panel. Če pa postane osvetlitev panela tako majhna, da celoten panel ustvari izhodno moč, ki je manjša, kot bi jo potrebovali za polnilni tok 200mA, preide priključek /CHRG v stanje visoke impedance in vklopi se funkcija UVLO, ki je realizirana z elementi, na sliki 2 označenimi z M1, R6 in R7.
Ker je nivo napetosti VIN nastavljen na 17 V, kar je nižje od praga UVLO pri padajoči napetosti, polnilno vezje LT3652 izklopi oziroma onemogoči vse funkcije za polnjenje baterij. Z onemogočenim polnilnikom in s skoraj vso izhodno močjo, ki jo v tem trenutku zmore panel, polnimo vhodni kondenzator C1, ob tem pa se istočasno povečuje tudi napetost VIN , dokler ni dosežen prag UVLO pri naraščajoči napetosti (20 V), pri kateri postane vezje LT3652 znova omogočeno. Tudi funkcija polnjenja baterije je spet omogočena, saj je vhodna napetost VIN precej nad 17 V nastavljenim pragom , tako da v baterijo teče največji polnilni tok. Statusni priključek /CHRG kot odziv na visok tok polnjenja baterije preklopi na nizek logični nivo, kar onemogoči delovanje funkcije UVLO. Dokler je moč, ki jo potrebuje polnilec za polnjenje baterije, manjša od tiste, ki jo dajejo sončne celice, bo napetost na vhodu padala toliko časa, dokler se ne bo VIN zmanjšala na 17 V. Ko je ta napetost dosežena, pa regulacijsko vezje za vzdrževanje nivoja vhodne napetosti zmanjša tudi polnilni tok baterije, da bi to vhodno napetost lahko ohranilo. Ko se polnilni tok baterije ponovno zmanjša na 200 mA, se /CHRG priključek postavi v stanje visoke impedance, s čimer se ponovno aktivira funkcija zaščite z UVLO vezjem in tako se cikel omogočanja in onemogočanja polnjenja ponavlja, kar ima za posledico niz posameznih konic polnilnega toka, ki imajo v povprečju takšno vrednost, kot bi baterijo polnili z nekim konstantnim tokom, ki bi ustrezal največji izhodni moči, ki jo v tem trenutku in s takšno osvetlitvijo lahko proizvedejo sončne celice.
Slika 5 prikazuje delovanje PWM vezja na sliki 2. Medtem ko je LT3652 onemogočen, vhodna napetost narašča od točke 17 V do praga zaustavitve pri 20 V. Napetostni nivo na /CHRG priključku LT3652 je nizek, medtem ko je polnilnik vključen in visok takrat, ko je polnilnik onemogočen. Med delovanjem z onemogočenim polnjenjem, se proizvedena energija s panela shranjuje v vhodni kondenzator, pri tem pa ostaja ohranjena tudi največja možna izhodna moč na panelu. Učinkovitost panela s sončnimi celicami ustreza povprečni napetosti na panelu med PWM delovanjem, ki je približno 18,5 V.
Polnilnik za svinčeve akumulatorje z visokim izkoristkom
Slika 6 prikazuje polnilnik za svinčeni akumulator s šestimi celicami in PWM delovanjem pri nižjih polnilnih tokovih. Polnilnik je namenjen napajanju prek panela s sončnimi celicami, ki ima podobne lastnosti, kot pri polnilniku na sliki 2.
Ta polnilnik svinčevih baterij izvaja 3-stopenjski profil polnjenja, najprej polnjenje z največjim tokom, ki ga ta čip zmore – 2A, absorpcijsko fazo polnjenja do doseženih 14,4 V in zadnjo stopnjo vzdrževalnega polnjenja pri 13,5 V. Polnilec baterij zagotavlja do 2A toka pri polnjenju s CC / CV karakteristikama do faze absorpcije, kjer je napetost 14,4 V, pod pogojem, da so sončne celice sposobne dati takšno vhodno moč. Ko se napetost na bateriji bliža 14,4 V se polnilni tok zmanjša, s čimer je zaključena faza absorpcijske faze polnjenja, ko ta tok pade na 200mA, ali 1/10 najvišjega polnilnega toka( C/10 ).
Ko je polnjenje v absorpcijski fazi zaključeno, se priključek /CHRG postavi v stanje visoke impedance, kar je posledica doseženega toka polnjenja C/10 in s tem se začne polnjenje v vzdrževalnem načinu. Napetost polnjenja, ki pomeni napolnjen akumulator, se iz 14,4 V v vzdrževalnem načinu polnjenja zmanjša na 13,5 V, kar dosežemo z učinkovitim odstranjevanjem R9 od VFB vsote z diodnim ALI vezjem (D4 in D5), ko /CHRG preklopi na visok nivo prek R8, prek obratno polarizirane diode D4.
Vzdrževalni način polnjenja se začne izvajati tudi v primerih, če LT3652 polnilnik zaradi premajhne osvetlitve panela s sončnimi celicami na vhodu zazna premajhno moč napajanja za običajno polnjenje. Če se tok zaradi regulacije vhodne napetosti zmanjša na manj kot 200mA in začne delovati PWM način polnjenja, dobi napetost na /CHRG priključku pulzno obliko. D5 in C5 predstavljata filter zaznavanja najvišje napetosti, ki ohranja polarizacijo v obratni smeri na diodi D4, prav tako pa med delovanjem PWM ohranja še polnilnik v vzdrževalnem načinu polnjenja (VCHARGE = 13,5V). Slika 7 prikazuje, kako z dodajanjem PWM vezja bistveno povečamo učinkovitost pri polnilnih tokovih pod 200mA.
Med delovanjem v PWM načinu vhodna napetost narašča med regulacijskim nivojem vhodne napetosti od 17V do praga zaustavitve pri 20 V obdobju, ko je vezje LT3652 onemogočeno, kot je opisano že zgoraj za polnilnik na sliki 2. Izhodna moč iz panela s sončnimi celicami ustreza povprečni napetosti panela ali približno 18,5 V. Slika 3 kaže, da je ta napetost pri višjih izhodnih tokovih v območju optimalnega delovanja, vendar je nad tem območjem pri tokovih pod 200mA. Da bi povečali oboje, tako izhodno učinkovitost panela s sončnimi celicami, kot tudi učinkovitost polnilnika v aplikacijah s podaljšanim delovanjem pri šibki svetlobi, bi bilo potrebno zmanjšati VIN (REG) in UVLO napetosti v fazi polnjenja v PWM načinu. Postopek bo opisan v nadaljevanju.
Polnilnik za svinčeve akumulatorje z visokim izkoristkom in sledenjem VMP pri majhnem polnilnem toku
Polnilnik svinčevih baterij z LT3652, ki je prikazan na sliki 8, je podoben polnilniku na sliki 6, vendar ima vgrajeno tudi funkcijo zniževanja nivoja za regulacijo vhodne napetosti (VIN (REG)), kadar je tok polnjenja pod 200 mA. S tem se ob sledenju spremembam in klub okrnjenim izhodnim karakteristikam pri VMP panela izboljša njegova učinkovitost pri nizkih tokovih.
VMP sledenje pri majhnem toku naredimo z dodajanjem R10 k vhodnemu delilniku z uporoma R4 in R5. R10 je povezan na skupno VIN_REG točko vozlišča prek diodnega ALI vezja, ki ga tvorita diodi D6 in D7. Ko je napetost na /CHRG priključku na visokem nivoju, je R10 praktično ločen od vozlišča prek obratno polarizirane diode D7, zaradi česar se napetost VIN (REG) spusti iz 17 V na 15V.
Če polnilnik zazna nezadostno vhodno moč zaradi slabših svetlobnih pogojev, se tok polnjenja zmanjša prek vhodne regulacijske zanke za vzdrževanje VMP napetosti sončne celice na 17 V. Če se tok polnjenja zmanjša pod 200mA, polnilec začne delovati v PWM režimu in prag regulacijske napetosti za vzdrževalno polnjenje se prav tako zniža, kot smo videli že pri prejšnjem vezju polnilnika svinčevih baterij. Poleg tega pa ta polnilec zmanjša tudi napetost VIN (REG) za vhodno regulacijsko zanko na 15V, s čimer sledi zmanjšanju VMP napetosti panela s sončnimi celicami pri nizkih tokovih.
Prek diod D6 in C6 je izveden filter zaznavanja maksimalne vrednosti, podobno kot prej opisanih diodah D5 in C5. Ta filter ohranja neprestano obratno polariziranost diode D7 s čimer vzdržuje regulacijo vhodne napetosti polnilnika med PWM režimom delovanja pri nizki ravni osvetlitve na 15V. Komponente za krmiljenje PWM delovanja (M1 in R6, R8) poskrbijo tudi za nastavitev obeh UVLO pragov, za padajočo napetost na 16V in za naraščajočo na 17,5 V. Med delovanjem v PWM režimu napetost na izhodu panela s sončnimi celicami narašča od 15 V do 17,5 V, kot določa razlika med obema mejama napetosti UVLO, kar v povprečju pomeni, da bo izhodna napetost panela okrog 16,25 V. Ta polnilnik v obdobjih nizke osvetljenosti poveča tako učinkovitost pretvorbe polnilnika, kot tudi izhodno energijsko učinkovitost panela s sončnimi celicami s tem, da nekoliko zmanjša napetost vhodne regulacijske zanke v PWM načinu delovanja.
Zaključek
Polnilnik baterij v integriranem vezju LT3652 ima patentirano vezje za vzdrževanje vhodne napetosti, ki se uporablja za to, da na izhodu panela s sončnimi celicami vzdržuje napetost VMP , ki je napetost pri največji izhodni moči. Medtem, ko je izkoristek izhodne moči panela s sončnimi celicami optimiziran z uporabo te tehnike, pa učinkovitost polnilnika pade pri nizkih tokovih polnjenja. Učinkovitost LT3652 polnilnika baterij s sončnimi celicami pa lahko ob slabi osvetljenosti močno izboljšamo z enostavno PWM tehniko, ki jo dosežemo z dodajanjem nekaj zunanjih komponent, s katerimi povečamo učinkovitost delovanja tako polnilnika baterij, kot tudi sončnih celic.
