¿Cómo diseñar un pequeño panel solar y el correspondiente circuito integrado cargador de baterías de iones de litio?

Question

Estoy diseñando un pequeño cargador solar con estas características:

Panel solar con un 19% de células monocristalinas

• Voc = 7,50V
• Vmp = 6,00V (Voc -20%)
• Isc = 1,07A
• Wp = 6,42W

IC

Microchip MCP73871 cargador lineal lipoly/li-on de 1A con capacidad VPPC (bucle de regulación de tensión de entrada)

Batería

Li-ion 3,7V 6600mAh 24,42Wh

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Esta configuración funciona bien, pero decidí pasarme a las células SunPower porque la fabricación de los paneles solares, cuando hay que cortar las células, en China se hace mejor. Principalmente, debido al hecho de que las células Sunpower tienen la tecnología "back-contact". Por lo tanto, dado que las células Sunpower son más eficientes (23%), el panel solar producirá más vatios totales, que un IC como el MCP73871 desperdiciará debido a su límite de corriente de 1A.

Panel solar SunPower

• Voc = 7,125V
• Vp = 6,10V
• Vmp = 5,7V
• Isc = 1,35A
• Wp = ~8,25W

Así pues, trasladé mi atención a otro circuito integrado, esta vez el LT3652 (nominal 2A). A primera vista parecía estar bien, pero luego descubrí que no funcionaba con un panel solar de 6V. Tiene un valor VIN_START de al menos 7,50V para arrancar el IC, después de que el voltaje de funcionamiento nominal normal real puede ser 5,95V.

Una solución a este problema podría ser cortar las células SunPower más pequeñas para obtener un voltaje más alto en la misma superficie, dado que este CI es en realidad un convertidor buck. Pero alguien me dijo que realmente podría perder eficiencia debido a la gran diferencia de voltaje con la entrada y la batería.

O tal vez la solución podría ser utilizar un enfoque diferente con otro CI. Por ejemplo, el ST SPV1040 es un chip muy chulo con un algoritmo integrado de perturbación y observación MPPT y parece sencillo de diseñar. Está diseñado como un convertidor boost, por lo que casi cualquier fuente de entrada solar de bajo voltaje es deseable. Mi idea podría ser utilizar dos células Sunpower sin cortar para alcanzar 1,22V. Construir un panel con 2 células completas de 125mm x 125mm debería ser mucho más fácil de diseñar y fabricar, porque no tiene desperdicio y no hay necesidad de cortar las células. Aumentaré este voltaje para cargar la batería de iones de litio. Sin embargo, todavía no puedo entender cuánta corriente puede manejar este circuito integrado y si es capaz por sí solo de un perfil de carga de iones de litio.

En la hoja de datos del SPV1040 encontré ILx, un valor para el límite de corriente.

¿Se refiere ILx a la también llamada "corriente de conmutación" del inductor?

Este proyecto dispone de un espacio limitado para la superficie del panel solar, por lo que el diseño podría ser más complicado. Estoy hablando de 257 mm x 175 mm.

El objetivo último de este cargador es cosechar la mayor cantidad posible de vatios/tiempo, pero cualquier tecnología especializada en energía solar como un MPPT activo debe ser tenida en cuenta sin caer en una excesiva complejidad del circuito eléctrico, porque no soy ingeniero.

Cualquier esfuerzo con esta pregunta será muy apreciado. Gracias.

Answer 1

Usted mayo lo mejor es utilizar células fotovoltaicas de silicio monocristalino "convencionales", adaptando la salida Vout a sus necesidades y maximizando la densidad de empaquetamiento y la superficie ocupada por el dispositivo. Muchos fabricantes desperdician una superficie considerable en los espacios entre células (más del 10% es habitual, 20% no es raro), pero esto puede reducirse al 5% de la superficie con cuidado.

La optimización de la pérdida óptica de la lámina frontal puede ayudar a compensar las pérdidas en otros lugares. En el peor de los casos, la pérdida debería ser del 10%, y si el coste no es un problema, es posible que se sitúe en torno al 1%-2%.

El MCP73871, ficha de datos aquí actúa como regulador lineal para la carga. Iin máxima = 1,8 A, por lo que a 4,2 V de salida la potencia máxima = V x I = 4,2 x 1,8 = 7,6 vatios. Sin embargo, a menos que utilice un convertidor MPPT anterior, el panel fotovoltaico Vmp de 8 V propuesto tendrá una eficiencia máxima de 4,2/65 = 70%. El voltaje medio de la célula LiIon a través del rango de carga está más cerca de 3V7 por lo que la eficiencia media ~~ 3.7/6 = 62%.

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El LT3652 ficha de datos aquí es un buen dispositivo si se puede acomodar el Vstart de 7,5V. Tenga en cuenta que la nota de aplicación tiende a centrarse en los productos químicos de la batería que se puede flotar cuando el 100% SOC (stae de carga) se alcanza. Células de iones de litio NO DEBE ser "flotado al final de la carga. La tensión de carga DEBE retirarse al final de la carga, para que sus días sean largos sobre la faz de la tierra. El LT3652 puede acomodar esta necesidad con un diseño adecuado.

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Un simple convertidor buck / cargador como el LTC4002 puede satisfacer mejor sus necesidades. Permite una entrada de 5V a 22V y utiliza un interruptor MOSFET externo, un diodo de volante externo y una resistencia de detección de corriente externa. Se puede obtener una eficiencia de aproximadamente el 85% a Vin = 6V y añadir un FET rectificador síncrono en lugar del diodo de volante puede aumentar ligeramente la eficiencia.

LTC4001 es un 2 A buck regulador LiIon cargador PERO Vin max de 5.5V es una limitación molesta.

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Tu célula LiIon necesitará al menos 4,2V para cargarse completamente - digamos 4,5V mínimo disponible.

Las células Sunpower son difíciles de unir cuando se cortan en fracciones de célula. La mayoría de los fabricantes de paneles fotovoltaicos parecen incapaces de hacerlo. El uso de células enteras no debería presentar ninguna dificultad.

El refuerzo a partir de tensiones bajas suele ser menos eficiente de extremo a extremo que el refuerzo a partir de una tensión cercana a FVout o la conversión Buck a partir de una tensión superior a Vout.

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El SPV1040 tiene una capacidad máxima de salida de 3 vatios (tabla de la hoja de datos, página 6).
La corriente máxima del inductor (en realidad la corriente máxima del interruptor) se muestra como 1.8A como tu dices PERO debe utilizar el peor caso = corriente mínima-máxima a efectos de diseño.

Los gráficos del Hoja de datos de SPV1040 en las páginas 8 y 9 muestran la eficiencia con distintas combinaciones de Vin/número de células.
A plena potencia con 3 celdas muestran 80% a 4.5V a 2 Watts sin MPPT y 89% con MPPT.
Ten en cuenta que con 3 células muestran 2W máx.
Comprobación de cordura:
3 células ~= 1,5V a pleno sol.
Ciclo de trabajo a 1,5 V de entrada y 4,5 V de salida con un rendimiento del 100
\= 4.5/(1.5+4.5) = 75%.
Potencia máxima al 100% = 1,5 V x 1,8 A x 75% = 2,0 vatios IN.
\= lo que dijeron. Pout =~ 2W x 90% = 1,8W fuera MAX = muy por debajo de su nivel de potencia deseado.

Para el SPV1040 ILX parece ser la corriente del inductor, y la corriente del interruptor y la corriente del pin LX.