Как спроектировать небольшую солнечную панель и соответствующую микросхему зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов?

Я разрабатываю небольшое солнечное зарядное устройство со следующими характеристиками:

Солнечная панель с 19% монокристаллическими элементами

  • Voc = 7,50 В
  • Vмп = 6,00В (Voc -20%)
  • Iск = 1,07А
  • Втп = 6,42Вт

IC

Microchip MCP73871 linear 1A Lipoly/li-on зарядное устройство с возможностями VPPC (контур регулирования входного напряжения)

Батарея

Литий-ионный 3,7В 6600мАч 24,42Втч

-

Эта конфигурация работает нормально, но я решил перейти на элементы SunPower, потому что производство солнечных панелей, когда нужно разрезать элементы, в Китае сделано лучше. В основном из-за того, что в ячейках Sunpower используется технология «обратного контакта». Таким образом, учитывая, что элементы Sunpower более эффективны (23%), солнечная панель будет выдавать больше общей мощности, чем ИС, такая как MCP73871, фактически будет тратиться впустую из-за ее ограничения по току в 1 А.

Солнечная панель SunPower

  • Voc = 7,125 В
  • Vп = 6,10В
  • Vмп = 5,7В
  • Iск = 1,35А ◁◁◁
  • Wп = ~8,25Вт

Итак, я переключил свое внимание на другую микросхему, на этот раз LT3652 (номинальный ток 2А). На первый взгляд он выглядел нормально, но потом я обнаружил, что он не работает с солнечной панелью на 6 В. Он имеет значение VIN_START не менее 7,50 В для запуска ИС, после чего фактическое нормальное номинальное рабочее напряжение может составлять 5,95 В.

Решение этой проблемы может состоять в том, чтобы уменьшить размер ячеек SunPower, чтобы получить более высокое напряжение на той же поверхности, учитывая, что эта ИС на самом деле является понижающим преобразователем. Но кто-то сказал мне, что я действительно могу потерять эффективность из-за большой разницы напряжения с входом и батареей.

Или, возможно, решением может быть использование другого подхода с другой ИС. Например, ST SPV1040 — очень классный чип со встроенным алгоритмом возмущения MPPT и наблюдения, и он выглядит простым в разработке. Он разработан как повышающий преобразователь, поэтому желателен почти любой низковольтный источник солнечного питания. Моя идея может состоять в том, чтобы использовать два неразрезанных элемента Sunpower для достижения 1,22 В. Чтобы построить панель с двумя полными ячейками 125 мм х 125 мм, должно быть намного проще спроектировать и изготовить, потому что у нее нет отходов и нет необходимости резать ячейки. Я подниму это напряжение, чтобы зарядить литий-ионный аккумулятор. Однако я пока не могу понять, какой ток может выдержать эта микросхема и способна ли она только к литий-ионному профилю зарядки.

В техническом описании SPV1040 я нашел ILx, значение ограничения тока.

введите описание изображения здесь

Относится ли ILx к также называемому «ток переключения» катушки индуктивности?

Этот проект имеет ограниченное пространство для поверхности солнечной панели, поэтому вся конструкция может быть более сложной. Я говорю о 257мм х 175мм.

Самой конечной целью этого зарядного устройства является сбор максимально возможного количества ватт/времени, но следует принимать во внимание любую специализированную солнечную технологию, такую ​​как активный MPPT, не впадая в чрезмерную сложность электрической цепи, потому что я не инженер.

Любые усилия с этим вопросом будут очень оценены. Спасибо.

Нет, это ток на контакте LX.
"обрезать элементы SunPower меньше, чтобы получить более высокое напряжение на той же поверхности" - это не имеет никакого смысла. Напряжение ячеек является свойством ширины запрещенной зоны и связано с тем, сколько ячеек или субячеек соединено последовательно, а не с тем, насколько они велики.
@ pjc50 Очевидно, я имел в виду, что если я нарежу ячейки тоньше, я смогу соединить больше из них последовательно, чтобы получить более высокое напряжение на той же поверхности.
@ Nic1337 Хорошо заданный вопрос. Некоторым может быть непонятен смысл комментариев о Китае. Было бы интересно узнать ваше приложение, если вы можете сказать. (У меня есть значительный опыт в производстве небольших солнечных осветительных приборов в Китае). | Легко добиться того, чтобы «мелочи» съедали прирост эффективности, который вы стремитесь получить, например, от элементов Sunpower. Чтобы получить наилучший общий результат, необходимо смотреть как широко, так и внимательно на все аспекты.
[[Только комментарий: если вы не укажете «Очевидно» в начале вашего ответа выше, вероятно, это прозвучит более вежливо по отношению к PJC50. Это может быть неочевидной проблемой, связанной с разными языками]] || Как мне стать производителем на полную ставку? :-). (Я, наверное, один из них по определению, но...)
@RussellMcMahon Использование «очевидно» просто использовалось в ответ на «это не имеет никакого смысла», это тоже довольно грубо. Но я мог бы, наверное, написать не столь четкую фразу, и такое бывает. Особенно если это не твой родной язык.
@RussellMcMahon Производитель на полную ставку может показаться странным. Я просто работаю над проектом :)
@Nic1337 Nic1337 В вашем профиле указано «Создатель на полную ставку» :-)
@RussellMcMahon У меня не так много опыта в производстве в Китае. Но я спроектировал небольшую монокристаллическую солнечную панель в сотрудничестве с китайским поставщиком (Шэньчжэнь), и мне не очень понравилось, как выглядят соединения ячеек (я ясно вижу, что ячейки припаяны). Кроме того: 2. В конструкции было четыре проходных M3. отверстия на уголках для установки и они были сделаны просверлив их вручную. Ламинирование, напротив, было довольно хорошим.
@RussellMcMahon «Создатель на полную ставку» звучит так странно? Хотелось бы узнать ваше мнение по этому поводу :) Имею диплом промышленно-технического института - специалист по вычислительной технике.
@Nic1337 «Создатель на полную ставку» звучит «интересно :-) — и для разных людей будет звучать по-разному. Некоторые люди, давно занимающиеся электроникой (и некоторые другие тоже), ненавидят термин «производитель» с удвоенной силой. Они с таким же энтузиазмом относятся к таким терминам, как эскиз, щит и подобным новым и несущественным терминам, которые стремятся заменить существующие, имеющие долгую историю. Новое само по себе не плохо, но часто возражают, что новый способ [тм] «продается» как забавный/легкий/тривиальный/свободный от мыслей/нестрогий/бездумный…. Это, конечно, несправедливое чрезмерное обобщение...
... но есть и доля правды и достоинства в перспективе. Я старый дурак, но я стараюсь рассматривать новые подходы и новые термины как вещи, которые могут помочь некоторым молодым людям достичь большего, чем обычно. На самом деле мне не нравится термин «создатель», но он не имеет никакого значения для того, как я общаюсь с людьми, и не имеет большого значения для того, как я отношусь к их вкладу. Это имеет НЕКОТОРОЕ значение, поскольку, когда человек использует термин «создатель», это часто указывает на его относительную неопытность и знания. Это, конечно, не всегда бывает - даже с очень молодыми людьми - а я знаю людей почти таких же древних, как я...
Интересное мнение :) Я тоже так часто думаю. Дело в том, что я не могу представить себя народу ни инженером-электриком, ни конструктором, да и не хочу. Поскольку они инженеры и дизайнеры, у каждого из них есть свой метод и свой «образ мышления». Я другой. Но на Linkedin я не нашел лучшего способа определить, чем я занимаюсь, словами «Создатель/Изобретатель».
... которые с удовольствием называют себя «создателями», несмотря на то, что они очень опытные и компетентные. || Вместо «производителя» я называю себя «профессиональным инженером» и несколькими соответствующими терминами. Чуть подробнее здесь Меня вполне можно было бы назвать «создателем на полную ставку», если бы я использовал эту терминологию :-). Изготовление, например , таких вещей (с «небольшой помощью» китайских фабрик).
fwiw - я "изобретатель" в классическом смысле (наряду с другими вещами), НО это не тот термин, который я бы использовал в деловом контексте с людьми, которые меня не знают - слишком опасно :-).

Ответы (1)

Возможно, вам лучше всего использовать «обычные» монокристаллические кремниевые фотоэлементы, расположив Vout в соответствии с вашими потребностями и максимально увеличив плотность упаковки и площадь, занимаемую на вашем устройстве. Многие производители тратят впустую значительную площадь в межэлементных пространствах (> 10% обычно, 20% не редкость), и это обычно можно уменьшить примерно до 5% площади с осторожностью.

Оптимизация оптических потерь на переднем листе может помочь компенсировать потери в других местах. В худшем случае должно быть 10%, а около 1%-2% возможно, если стоимость не является проблемой.

Техническое описание MCP73871 здесь действует как линейный регулятор для целей зарядки. Макс. Iin = 1,8 А, поэтому при выходном напряжении 4,2 В максимальная мощность = V x I = 4,2 x 1,8 = 7,6 Вт. Однако, если вы не используете предшествующий преобразователь MPPT, предлагаемая фотоэлектрическая панель 8 В Vmp будет иметь максимальный КПД 4,2/65 = 70%. Среднее напряжение литий-ионного элемента в диапазоне заряда ближе к 3V7, поэтому средний КПД ~~ 3,7/6 = 62%.

Спецификация LT3652 здесь - хорошее устройство, если можно разместить 7,5V Vstart. Обратите внимание, что в примечаниях по применению, как правило, основное внимание уделяется химическому составу батареи, который может быть изменен при достижении 100% SOC (степень заряда). Литиево-ионные элементы НИКОГДА НЕ ДОЛЖНЫ «плавать» в конце заряда. Напряжение заряда ДОЛЖНО быть снято в конце заряда, чтобы их дни могли быть долгими на поверхности земли. LT3652 может удовлетворить эту потребность с помощью подходящей конструкции.

Простой понижающий преобразователь/зарядное устройство, такой как LTC4002 , может лучше удовлетворить ваши потребности. Это позволяет использовать вход от 5 В до 22 В и использовать внешний переключатель MOSFET, внешний диод маховика и внешний резистор измерения тока. КПД около 85% может быть получен при Vin = 6 В, а добавление синхронного выпрямителя на полевых транзисторах вместо маховикового диода может немного повысить эффективность.

LTC4001 — это зарядное устройство LiIon с понижающим стабилизатором на 2 А, НО максимальное напряжение Vin 5,5 В является раздражающим ограничением.

Для полной зарядки вашему литий-ионному аккумулятору потребуется не менее 4,2 В — скажем, минимум 4,5 В.

Ячейки солнечной энергии трудно соединить, если их разрезать на части. Большинство производителей фотоэлектрических панелей не могут этого сделать. Использование целых клеток не должно вызывать затруднений.

Повышение от низкого напряжения обычно менее эффективно от начала до конца, чем повышение от напряжения, близкого к FVout, или понижающее преобразование от выше Vout.

SPV1040 имеет максимальную выходную мощность 3 Вт (см. таблицу технических данных на стр. 6).
Максимальный максимальный ток индуктора (на самом деле максимальный ток переключателя) показан как 1,8 А, как вы говорите , НО вы должны использовать наихудший случай = минимальный-максимальный ток для целей проектирования.

Графики в техпаспорте SPV1040 на страницах 8 и 9 показывают эффективность при различных сочетаниях Vin/количество ячеек.
При полной мощности с 3 ячейками они показывают 80% при 4,5 В на выходе при 2 Вт без MPPT и 89% с MPPT.
Обратите внимание, что с 3 ячейками они показывают макс. 2 Вт.
Проверка работоспособности:
3 ячейки ~= 1,5 В полного солнца.
Рабочий цикл при 1,5 В на входе и 4,5 В на выходе при 100% эффективности
= 4,5/(1,5+4,5) = 75%.
Максимальная мощность при 100 % = 1,5 В x 1,8 А x 75 % = 2,0 Вт IN.
= то, что они сказали. Pout = ~ 2 Вт x 90% = 1,8 Вт MAX = далеко от желаемого уровня мощности.

Для SPV1040 ILX представляет собой ток катушки индуктивности, ток переключателя и ток вывода LX.

Уважаемый Рассел, небольшое исправление: MCP73871 имеет ограничение в 1,8 А для контактов IN и OUT, но его максимальный зарядный ток для VBAT остается на уровне 1,0 А. Этот избыток в 0,8 А можно использовать только для питания системной цепи. В итоге: IN(max) = 1,8A VBAT(max) = 1,0A OUT(max) = 1,8A, когда OUT запрашивает 1,8A, VBAT = 0A
@ Nic1337 Да, вы правы в отношении максимального тока заряда от MCP73871. Я упустил этот момент. Я не считаю его подходящим в целом, учитывая вашу спецификацию, поскольку его действие в качестве линейного регулятора делает его крайне неэффективным в вашем приложении. Я включил его для полноты картины. В других обстоятельствах, если бы это было приемлемо, вы могли бы увеличить Ichgmax с очень небольшой внешней схемой *, но в этом случае это не помогло бы его основной неэффективности. (* например, если зарядка и напряжение переключения Vbat < CC/CV 4,2 В, включите транзистор с «OUT» на «VBAT». (например, TL431, мармеладный транзистор, несколько резисторов.
@ Nic1337 Вышеупомянутый метод увеличения емкости заряда - это всего лишь «мысленный эксперимент» в отношении того, что возможно. Существует достаточно литий-ионных ИС для зарядных устройств, поэтому гораздо лучшей альтернативой является выбор ИС, которая непосредственно соответствует потребностям.
Да, на этой неделе у меня будет консультация с электронной компанией :)
@Nic1337 Nic1337 У вас есть такая же хорошая «компания по производству электроники», которую вы можете найти где угодно на земле. Действительно. Здесь, вероятно, есть десятки людей, которые находятся в авангарде большинства аспектов всего того, что вам нужно делать и знать. Ваша задача здесь или на других встречах — полностью и ясно донести свои актуальные потребности.
Хорошо, Рассел. Я приму во внимание ваши комментарии по поводу терминов "профессия". Я уверен, что здесь много очень компетентных людей, но все равно все должно быть проработано до мелочей. И я пока не могу разрабатывать более сложные ИС, если они недостаточно документированы. Я не думаю, что какой-нибудь инженер здесь возьмет и доделает мой дизайн :)
Как спроектировать небольшую солнечную панель и соответствующую микросхему зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v