Capitolo 6
Progetto del battery charger basato sul boost
SPV1020
6.1 Introduzione
In questo capitolo verrà mostrato l’effetto che ha la variazione del duty cycle sulla corrente d’uscita di un qualunque convertitore DC-DC, quando viene pilotato da un pannello fotovoltaico.
Verrà proposto un circuito in grado di controllare il duty cycle del boost SPV1020, collegato ad un pannello fotovoltaico, per realizzare l’algoritmo di carica mostrato nel paragrafo 3.6.
Tale circuito insieme al boost SPV1020 costituiranno il battery charger. Il vincolo progettuale più importante per il battery charger è il costo. Infatti, avendo dimostrato che il boost SPV1020 è risultato più efficiente in impianti fotovoltaici con architettura distribuita, anche il battery charger, che contiene tale convertitore, dovrà sposare questa architettura. Ciò vuol dire che ad un battery charger andrà collegato un solo pannello. Quindi si intuisce facilmente come in un impianto costituito da piu pannelli il costo del singolo battery charger diventa di fondamentale importanza.
Tutto cio, pone da subito un vincolo di costo per la progettazione del battery charger, che è lo stesso di cui si è tenuto conto nella progettazione del boost SPV1020.
6.2 Variazione del duty cycle in uno step-up in CCM e in
DCM
Per un convertitore DC-DC di tipo step-up, funzionante in modalità continua, vale la seguente relazione esposta nel paragrafo 1.5.1:
D T T V V OFF S d O − = = 1 1
La derivata del duty cycle rispetto alla Vd vale:
d O D V V (1− )= VO −VOD=Vd VOD=VO −Vd O d V V D= 1− 0 1 1 =− < − ∂ ∂ = ∂ ∂ O O d d d V V V V V D <0 ∂ ∂ d V D
Per un convertitore DC-DC di tipo step-up, funzionante in modalità discontinua, vale la seguente relazione esposta nel paragrafo 1.5.3:
0 ) ( − ∆1 = + d O S S dDT V V T V
La derivata del duty cycle rispetto alla Vd vale:
1 1 1 ( ) 1 ) ( ∆ − = ∆ − − = ∆ − − = d O d O d S d S O d V V V V V T V T V V D 0 1 2 ∆ < − = ∂ ∂ d O d V V V D (essendo che ∆1 > 0)
Dunque ancora una volta <0 ∂ ∂ d V D .
In entrambe le modalità di funzionamento, continua e discontinua, si ha che <0 ∂ ∂ d V D .
Questo vuol dire che una riduzione del duty cycle comporta una incremento della tensione d’ingresso del convertitore step-up, ossia della tensione in uscita al pannello fotovoltaico.
Figura 6.0: Relazione tra tensione e potenza per una cella fotovoltaica
Trascurando per il momento le perdite, in un convertitore step-up la potenza in uscita (PO,K) risulta uguale a quella in ingresso, quindi la
corrente d’uscita del convertitore step-up (IO,K) vale:
O K in O K O K O V P V P I , , , = = (16)
Considerando la caratteristica potenza-tensione di un pannello fotovoltaico si nota come aumentando la tensione di quest’ultimo, la sua potenza d’uscita, ossia la potenza in ingresso al convertitore step-up, passa da Pin,1 a Pin,2 per poi arrivare a Pin,k, cioè a partire da un certo punto
in poi, diminuisce.
Se la Pin,k diminuisce, la IO,K diminuisce, secondo la (16).
Ricapitolando, in un convertitore step-up che operi in modalità continua o discontinua, diminuendo il duty cycle, aumenta la tensione in uscita del pannello fotovoltaico e diminuisce la corrente in uscita dal convertitore. Questo è il meccanismo che verrà utilizzato in seguito per limitare la corrente in uscita dal convertitore step-up, ossia la corrente utile per
6.3 Controllo del duty cycle nel boost SPV1020 tramite
pz_out
Come esposto nel paragrafo 6.2 il duty cycle del convertitore SPV1020 dipende dall’algoritmo di calcolo MPPT, ma non solo.
Sul convertitore SPV1020 è presente, infatti, un piedino di input/output chiamato pz_out , al quale normalmente fa capo una rete RC serie utilizzata come rete di compensazione polo-zero per garantire la stabilità dell’intero sistema.
Se non viene applicata nessuna tensione su pz_out, il duty cycle del SPV1020 viene imposto dall’algoritmo di calcolo del MPPT e la tensione misurata su tale piedino si attesta a circa 1,7 V.
Se invece si applica una tensione a tale piedino inferiore a 1,2 V, si limita il duty cycle, e in particolare, più bassa è la tensione su pz_out e più basso sarà il duty cycle imposto.
Quindi complessivamente il duty cycle del convertitore SPV1020 assume il valore minimo tra quello imposto dall’algoritmo di calcolo dell’ MPPT e da pz_out.
Figura 6.1:Determinazione del duty cycle nel convertitore SPV1020
Da ciò ne segue che, controllando opportunamente la tensione su pz_out è possibile controllare il duty cycle del convertitore SPV1020,
6.4 Descrizione del circuito integrato SEA05
Esso internamente è costituito da un riferimento di tensione e da due amplificatori operazionali con uscite open-drain.
Le uscite dei due op-amp sono internamente cortocircuitate.
Figura 6.2: Schema interno del SEA05
Tale dispositivo permette di capire se la corrente e contemporaneamente la tensione abbiano superato un valore prefissato, ma non permette di valutarne il valore in assoluto.
Infatti nella realizzazione di un battery charger non è necessario conoscere il valore della corrente che sta scorrendo sulla batteria, ma basta sapere se tale valore abbia superato una certa soglia.
Lo stesso identico discorso vale per la tensione della batteria.
Il seguente circuito consente di capire come vengono valutate corrente e tensione grazie all’uso del SEA05:
Figura 6.3: Applicazione di base con SEA05
1. Corrente:
La tensione presente sull’ingresso non invertente dell’op-amp in basso vale 50 mV grazie al paritore resistivo interno.
Se la corrente che scorre sulla Rsense non supera un certo valore
indicato con Iomax dove
sense o R V A I ( ) 0,05( )
max = la tensione sul pin
invertente dell’op-amp in basso è minore di quella presente sul pin non invertente e l’uscita dell’op-amp va in alta impedenza. Viceversa l’uscita OUT va bassa.
2. Tensione:
Se la tensione presente sull’ingresso invertente dell’op-amp superiore (indicato con Vctrl) è inferiore a 2,5V l’uscita OUT va in
alta impedenza.
6.5 Architettura proposta per il pilotaggio del boost
SPV1020
Come dichiarato nel paragrafo 6.3 per regolare il duty cycle del convertitore SPV1020 bisogna controllare la tensione sul piedino pz_out. Per fare ciò è stato scelto il circuito integrato SEA05.
L’architettura proposta per questo scopo è la seguente:
Figura 6.4: Schema elettrico semplificato del battery charger realizzato con il convertitore SPV1020 e con l’integrato SEA05
Come è visibile dalla figura 6.4 il circuito integrato SEA05 rappresenta il cuore del sistema.
1. Limitare la corrente di carica della batteria, al 25% del valore corrispondente alla capacità di quest’ultima, quando è scarica. 2. Limitare la corrente di carica della batteria, a un valore di
mantenimento della carica, quando è quasi carica.
Per spiegare le due funzionalità si ipotizza di dover caricare una batteria completamente scarica.
Per fare ciò si dovrà iniettare una corrente costante che non superi un certo valore massimo.
Aumentando contemporaneamente la tensione della batteria, essa arriva a un certo valore massimo, a questo punto bisognerà limitare la corrente a un valore inferiore di quello iniziale.
In tale modo infatti, la tensione, si attesta a un valore costante.
La limitazione di corrente funziona come spiegato nel paragrafo 6.4, cioè appena la corrente tenta di superare un certo valore massimo l’uscita OUT diventa bassa.
L’uscita (OUT) dell’op-amp è collegata direttamente al pin pz_out del convertitore SPV1020, che andando bassa limita il duty cycle del convertitore SPV1020, come spiegato nel paragrafo 6.3, e quindi limita la corrente sulla batteria come spiegato invece nel paragrafo 6.2.
In pratica è stata implementato un meccanismo di retroazione negativa sulla corrente della batteria, il quale agisce nel seguente modo:
appena la corrente che scorre sulla batteria cresce, cercando di superare un certo valore massimo, viene automaticamente limitata a tale valore. Se invece la corrente non supera il valore massimo prefissato l’uscita (OUT) dell’op-amp va in alta impedenza.
In tal caso non viene imposta nessuna tensione sul pin pz_out, il quale si troverà ad una tensione pari a circa 1,7 V come discusso nel paragrafo 6.3.
Considerando che in tal caso non vi è necessità alcuna di limitare la corrente, il duty cycle non viene imposto dal SEA05 ma dall’algoritmo di calcolo del MPPT.
Ciò permette di estrarre la massima potenza dal pannello, e di massimizzare la corrente di carica della batteria.
Le resistenze RI1 e RI2 insieme con la capacità CI1 costituiscono una rete
RC la quale attua una compensazione polo-zero per garantire la stabilità dell’op-amp inferiore.
Il sensing della corrente basato sulla caduta ai capi della Rsense provoca
una perdita di potenza pari a Rsense ⋅I2.
Osservando che sulla Rsense scorrono correnti dell’ordine di 1A e
quest’ultima è di qualche decina di mohm, la potenza persa è dell’ordine di qualche decina di mWatt.
Ciò dunque non compromette più di tanto l’efficienza del sistema.
Un sensing della corrente ottenuto tramite integrazione della tensione sull’induttore, sarebbe stato più efficiente, ma non sarebbe stato semplice metterlo in pratica.
Se si avesse avuto un convertitore step-down, essendo l’induttore presente nel ramo d’uscita, la sua tensione avrebbe permesso di calcolare la corrente d’uscita.
Nel caso in esame invece, l’induttore si trova nel ramo d’ingresso, quindi integrando la tensione su di esso si risalirebbe alla corrente d’ingresso e non a quella d’uscita.
La tensione presente sull’ingresso invertente dell’amplificatore operazionale superiore (Vctrl) è una partizione della tensione d’uscita Vout
(che corrisponde alla tensione sulla batteria).
La partizione è necessaria per rendere compatibile la soglia interna del SEA05 di 2,5V con il livello di tensione esterno desiderato.
Il partitore è costituito dalle resistenze R1 e R2.
Fino a quando la tensione presente sul pin Vctrl è inferiore a 2,5V ,
l’uscita (OUT) dell’op-amp va in alta impedenza.
In tal caso non viene imposta nessuna tensione sul pin pz_out, il quale si troverà ad una tensione pari a circa 1,7 V come discusso nel paragrafo 6.3.
In pratica, non essendoci nessuna necessità di limitare la corrente, il duty cycle non viene limitato dal SEA05 ma viene imposto dall’algoritmo di calcolo del MPPT, per permettere di estrarre la massima potenza dal pannello, e cioè per massimizzare la corrente di carica della batteria. Appena la tensione d’uscita (Vout) è superiore ad una certa soglia, la tensione su Vctrl supera i 2,5V, e l’uscita (OUT) dell’op-amp va bassa.
Di conseguenza pz_out va basso e la corrente viene limitata, ma la limitazione in tal caso è superiore a quella del caso precedente, perché stavolta si lavora sulla parte destra della caratteristica I/V del pannello.
