UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO JAN COKAN UNIVERZALNI POLNILNIK Z VRŠNO MOČJO DIPLOMSKO DELO Maribor, se

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO JAN COKAN UNIVERZALNI POLNILNIK Z VRŠNO MOČJO DIPLOMSKO DELO Maribor, september 2016

2 UNIVERZALNI POLNILNIK Z VRŠNO MOČJO Diplomsko delo Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Lektorica: Jan Cokan Elektrotehnika (VS) Elektronika dr. Mitja Solar doc. dr. Tomaţ Dogša Darinka Bizjak, univ. dipl. bibliotekarka in predmetna učiteljica slovenskega jezika i

3 ii

4 UNIVERZALNI POLNILNIK Z VRŠNO MOČJO Ključne besede: pretvornik navzdol, detektor vršne moči, polnillni regulator, litij-ion UDK: xxxxxx Povzetek V diplomskem delu smo načrtovali regulator, ki bo omogočal polnjenje akumulatorjev s pretvorbo sončne energije. Načrtovan je tako, da deluje po metodi sledenja vršne moči. Na začetku so na kratko predstavljene sončne celice, njihove prednosti in slabosti. V nadaljevanju so opisani algoritmi sledenja točki vršne moči in polnjenja različnih baterij ter načrtovanje polnilnega regulatorja. Vezje polnilnega regulatorja je sestavljeno iz pretvornika navzdol, dveh tokovnih merilnikov, dveh napetostnih merilnikov in krmilnika. Polnilni regulator deluje v dveh načinih; sledenje točki vršne moč ter reguliranje izhoda. Polnilni regulator je namenjen polnjenju svinčevih baterij in nekaterih litij-ionskih baterij. iii

5 UNIVERSAL CHARGER WITH PEAK POWER POINT TRACKING Key words: buck converter, maximum power point tracking, charge regulator, lithium-ion UDK: xxxxxx Abstract In this diploma we have designed a regulator that charges batteries with power from solar cells. It does that by using maximum power point tracking methode. At the beginning of diploma we briefly describe solar cells, their advantages and disadvantages. We also describe maximum power point tracking, charging different kind of batteries and the charger itself. The charger consists of buck converter, two current monitors, two voltage monitors and the microcontroller. Charge regulator works in two modes. These are tracking maximum power point or regulating the output of charge regulator. The charger charges lead acid batteries and some lithium batteries.. iv

6 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju dr. Mitji Solarju, ter so-mentorju doc. dr. Tomažu Dogši za pomoč in vodenje pri diplomskem delu. Hvala tudi družini in prijateljem za podporo, ter članom LEIS laboratorija za pomoč. v

7 Kazalo 1 UVOD LASTNOSTI SONČNIH CELIC ALGORITEM SLEDENJA TOČKI VRŠNE MOČI Metoda povečevanja prevodnosti AKUMULATORSKE BATERIJE Svinčeva baterija Polnjenje svinčevih celic Litij-ionska baterija Polnjenje litij-kobaltovih oksidnih celic Polnjenje litij-manganove oksidne celice Polnjenje litij-ţelezovih fosfatnih celic Prenapolnitev litij-ionske celice Algoritem polnjenja svinčevih in litij-ionskih celic Merjenje stanja napolnjenosti NAČRTOVANJE POLNILNEGA REGULATORJA Stikalni regulatorji Načrtovanje pretvornika navzdol Delovanje pretvornika navzdol Razlika med sinhronim in nesinhronim pretvornikom Frekvenca pretvornika Izračun elementov Načrtovanje merilnikov toka Načrtovanje merilnikov napetosti Načrtovanje merilnika temperature Krmilnik...34

8 5.6.1 Števnik v krmilniku Analogni vhodi krmilnika Preverjanje pravilnosti delovanja s simulacijo Izdelava tiskanin MERITVE IN REZULTATI SKLEP...57 VIRI IN LITERATURA...59 PRILOGE...62 vii

9 Kazalo slik Slika 1.1: Blokovna shema polnilnega regulatorja... 1 Slika 2.1: Atom silicija [3]... 2 Slika 2.2: Princip delovanja silicijeve sončne celice Slika 2.3: Povprečno letno sevanje sonca na površino Zemlje [4]... 3 Slika 2.4: U-I karakteristika sončne celice Slika 3.1: U-I karakteristika sončne celice in potek moči Slika 3.2: Algoritem povečevanja prevodnosti Slika 4.1: Električni simbol idealne baterije a) dvocelične b) enocelične Slika 4.2: Avtomobilska baterija z velikim številom tankih plošč [1] Slika 4.3: Zaprta svinčeva baterija s širokimi ploščami [1] Slika 4.4: Graf polnjenja (osnovno) svinčeve celice [8] Slika 4.5: Smer ionov med praznjenjem in polnjenjem litij-ionske celice Slika 4.6: Graf polnjenja (osnovno) za litij-ionske celice [8]...14 Slika 4.7: Mreţni graf karakteristike LCO celice Slika 4.8: Struktura LMO celice Slika 4.9: Lastnosti litij-manganove oksidne celice Slika 4.10: Lastnosti litij-ţelezove fosfatne celice Slika 4.11: Algoritem polnjenja akumulatorskih baterij Slika 4.12: Krivulja praznjenja litij-ionske celice Slika 5.1: Blokovna shema polnilnega regulatorja Slika 5.2: Stikalo izklopljeno, dioda prevaja Slika 5.3: Stikalo vklopljeno, dioda ne prevaja Slika 5.4: Nesinhron pretvornik navzdol z diodo [18] Slika 5.5: Sinhron pretvornik navzdol z MOSFET stikalom [18] Slika 5.6: Učinkovitost pretvornikov pri vhodni napetosti 12V in izhodni napetosti 1,5V [18]. 25 Slika 5.7: Izkoristek pretvornikov pri vhodni napetosti 12V in izhodni napetosti 2,5V [18] Slika 5.8: Tok skozi tuljavo Slika 5.9: Primerjava izkoristka pri različnih frekvencah [28] Slika 5.10: Zaznavanje toka na vhodu Slika 5.11: Zaznavanje toka med bremenom in maso Slika 5.12: Delilnik napetosti Slika 5.13: Blokovna shema krmilnika Atmega Slika 5.14: Blokovni diagram 16-bitnega števnika Slika 5.15: Primer nastavitve hitre pulzno širinske modulacije v Arduino okolju viii

10 Slika 5.16: Precizna napetostna referenca realizirana s pomočjo komponente LM4040, ki je prikazana s simbolom Zener diode Slika 5.17: Struktura komponente LM Slika 5.18: Pretvornik navzdol z gonilnikom za P kanalni MOSFET Slika 5.19: Potek napetosti in toka pri 100Ω bremenu Slika 5.20: Potek napetosti pri 10Ω bremenu Slika 5.21: Potek toka v tuljavi pri bremenu 100Ω Slika 5.22: Potek toka v tuljavi pri bremenu 10Ω Slika 5.23: 2D pogled na tiskanino pretvornika navzdol Slika 5.24: Merilnik toka na vhodu Slika 5.25: Merilnik toka na izhodu Slika 5.26: Merilnika napetosti Slika 5.27: Vir referenčne napetosti Slika 6.1: Merilna negotovost pri merjenju enosmerne napetosti DMM [27] Slika 6.2: Meritev napetosti z vhodnim in izhodnim merilnikom napetosti v odvisnosti od meritve napetosti z DMM Slika 6.3: Relativni pogrešek merilnikov napetosti (celoten)...47 Slika 6.4: Relativni pogrešek merilnikov napetosti Slika 6.5: Merilne negotovosti pri merjenju enosmernega toka DMM [27] Slika 6.6: Meritev toka z vhodnim merilnikom toka v odvisnosti od meritve toka z DMM Slika 6.7: Relativni pogrešek vhodnega merilnika toka (INA282) (celotna meritev) Slika 6.8: Relativni pogrešek vhodnega merilnika toka Slika 6.9: Meritev tok z izhodnim merilnikom toka v odvisnosti od meritve toka z DMM Slika 6.10: Celoten relativni pogrešek izhodnega merilnika toka (LM358)...52 Slika 6.11: Celoten relativni pogrešek izhodnega merilnika toka Slika 6.12: Izkoristek algoritma MPPT v odvisnosti od toka Slika 6.13: Izkoristek moči pri izvajanju algoritma MPPT v odvisnosti od toka Slika 0.1 Tehnični podatki sončne celice, uporabljene pri meritvah...62 ix

11 Kazalo tabel Tabela 4.1: Razlika o številu ciklov med avtomobilsko in zaprto svinčevo baterijo...10 Tabela 4.2: Polnjenje pri različnih napetostih...15 Tabela 4.3: Razmerje med specifično maso in temperaturo zaprte svinčeve celice...21 Tabela 5.1: Nadzorni register A...37 Tabela 5.2: Nadzorni register B...37 Tabela 5.3: Opis WGM bitov...37 Tabela 5.4: Opis CS bitov...38 Tabela 5.5: Opis COM bitov...38 Tabela 6.1: Meritve napetosti...46 Tabela 6.2: Primerjanje rezultatov meritev vhodnega merilnika toka z DMM...49 Tabela 6.3: Primerjanje rezultatov meritev izhodnega merilnika toka z DMM...51 Tabela 6.4: Rezultati meritev izkoristka pretvornika z iskanjem vršne moči brez diode...54 Tabela 6.5: Rezultati meritev izkoristka pretvornika z iskanjem vršne moči z diodo...54 Tabela 6.6: Izkoristek pretvornika pri 0,6A...54 Tabela 6.7: Izkoristek pretvornika pri 1A...54 Tabela 6.8: Izkoristek pretvornika pri 2A...55 x

12 Uporabljene kratice MOSFET LCO LMO LFP NMC NCA LTO SoC MPPT TCCRn WGM CS COMn OCRn TCNTn ADC CTC PWM DC LCO CC CV CCM ESR Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Lithium Cobalt Oxide Lithium Manganese Oxide Lithium Iron Phospate Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide Lithium Titanate State of Charge Maximum Power Point Tracking Timer Counter Controll Register Waveform Generation Mode Clock Select Compare Output Mode Output Compare Register Timer Counter Analog Digital Converter Clear Timer on Compare Pulse Width Modulation Direct Current Lithium Cobalt Oxide Constant Current Constant Voltage Continuous Conduction Mode Equivalent Series Resistance xi

13 1 UVOD Obnovljivi viri energije so čedalje bolj cenjeni viri energije, saj so fosilna goriva (premog, nafta in naravni plini) na voljo v vedno manjših količinah [1]. Slabost neobnovljivih virov je tudi ta, da se nahajajo le na določenih mestih našega planeta. Poleg tega proizvodnja energije s pomočjo fosilnih goriv masovno onesnaţuje ozračje. Po vsem svetu drţave zato na veliko financirajo v obnovljive vire, gradijo vetrne, sončne ter hidro elektrarne in elektrarne, ki delujejo na biomaso. Prav tako je prednost te industrije v tem, da ustvarja veliko delovnih mest po svetu; med njimi izstopajo sončne elektrarne. Ker je dostopnost obnovljivih virov moţna kjerkoli na svetu (nekje več, drugje manj), lahko oskrbujemo z električno energijo tudi tiste oddaljene, teţko dostopne kraje, ali pa napajamo prenosljive naprave z manjšimi sistemi elektrarn. Na slednje se bomo osredotočili v tem diplomskem delu. Cilj diplomskega dela je izdelati napravo, ki polni vrsto akumulatorjev (svinčeva celica in litij-ionska celica), saj bo tako izdelek bolj vsestranski in primeren za širšo javnost. Namenjen je ljudem, ki več časa preţivijo oddaljeni od vira električne energije (tabori, ribolov ipd.) in si lahko s tem polnilnikom napolnijo prenosne naprave. Delo polnilnika je prenos električne energije iz sončne celice v akumulatorske baterije, saj direktna vezava med sončno celico in baterijo ni mogoča. Na začetku diplomskega dela so na kratko predstavljene sončne celice, delovanje leteh in vrste. Nato je opisan algoritem sledenja točki vršne moči, temu pa sledi kratka primerjava med različnimi metodami algoritma. V nadaljevanju se soočimo z akumulatorskimi baterijami. Tu so opisane svinčeve baterija in litij-ionske baterije. Za vsako je še predstavljen algoritem polnjenja. Na kratko je še opisana metoda zaznavanja stanja napolnjenosti določene baterije. V drugem delu diplomskega dela načrtujemo vezje. Najprej je opisano delovanje stikalnega regulatorja, temu sledi izračun elementov vezja. Na koncu so predstavljene simulacije posameznih delov vezja meritve ter zaključek. Slika 1.1: Blokovna shema polnilnega regulatorja 1

14 2 LASTNOSTI SONČNIH CELIC Namen sončne celice je pretvorba sončnih ţarkov v električno energijo na podlagi fotovoltaičnega efekta z uporabo polprevodniških materialov in pomočjo elektrokemijskega procesa [2]. Najpogostejše sončne celice so sestavljene iz silicija. Na sliki 2.1 vidimo kristaliziran silicij, ki se nahaja med dvema prevodnima ploščama. Vsak atom silicija je povezan s sosednjimi atomi s štirimi mičnimi kovalentnimi vezmi. Silicij je sestavljen iz p-tip plasti in n-tip plasti. N-tip ima proste elektrona, p-tip pa proste vrzeli 1. Tam, kjer se ti dve plasti dotikata (p-n spoj), se lahko elektroni pomikajo iz ene plasti v drugo. Tako nastane v eni plasti pozitiven naboj (p-tip plasti), v drugi pa negativen (n-tip plasti). Kadar zadane sončno celico foton z dovolj energije, zbije elektron silicija iz vezi. Tako dobimo negativno naelektren elektron in pozitivno naelektreno vrzel. Zaradi električnega polja p-n spoja bodo elektroni potovali samo v eno smer, k n-tipu (slika 2.2). Slika 2.1: Atom silicija [3]. Slika 2.2: Princip delovanja silicijeve sončne celice. 1 Prazen prostor. 2

15 Pozitivna lastnost proizvajanja električne energije s tem sistemom je ta, da ne onesnaţuje okolja, z masovno proizvodnjo se niţajo cene modulov in z razvojem tehnologije se izboljšuje izkoristek. Negativna lastnost pa je majhna izkoriščenost sončne energije. Le okoli 22 % sončne energije na kvadratni meter se pretvori v električno. Na enem kvadratnem metru površine zemlje je ob lepem vremenu pri višini morske gladine okoli 1000W sončne energije. Bliţje kot smo severnemu (angl. Tropic of Cancer) ali juţnemu (angl. Tropic of Capricorn) povratniku, več je sončne energije, zato je tam najprimernejši prostor za postavitev fotovoltaičnih elektrarn (slika 2.3). Na sliki desno zgoraj je podana legenda sončnega obsevanja v kwh/m 2. Slika 2.3: Povprečno letno sevanje sonca na površino Zemlje [4]. Sončne celice lahko veţemo zaporedno ali vzporedno. Pri zaporedni povezavi modulu povečamo napetost na odprtih sponkah, medtem ko pri vzporedni vezavi modulu sončnih celic povečamo kratkostični tok. Pri obeh vezavah ostane oblika krivulje enaka. Pri povečanju osvetljenosti sončne celice se I-U krivulja poveča (zgornja rdeča črta na sliki 2.4), medtem ko se pri povečanju temperature I-U krivulja zmanjša (spodnja rdeča črta na sliki 2.4). Črna črta na sliki 2.4 predstavlja začetno krivuljo. 3

16 Slika 2.4: U-I karakteristika sončne celice. Obstaja mnogo različnih sončnih celic, glavna dva tipa pa delimo na sončne celice, grajene iz kristaliziranega silicija (mono-kristalne in poli-kristalne celice) in celice, grajene iz tankega filma [5 in 6]. Večina sončnih celic je iz silicija, vendar je lahko slednji v različnih oblikah. To so monokristalne celice in poli-kristalne celice. Mono-kristalne celice so pravzaprav rezine (angl. wafer) cilindričnega stoţčastega silicijevega stolpa. Ker so celice kvadrataste oblike, rezine pa okrogle oblike, nastane pri obrezovanju veliko odpadnega silicija. Stoţčast stolp nastane tako, da se stopijo kamni silicija pri 1400 C, nato pa se nato stopljen silicij vleče počasi navzgor. Poli-kristalne celice pa so ustvarjene na drugačen način. Kamni silicija se poloţijo v kvadratast kalup in se nato stopijo (tako se ustvari kvadratasta oblika silicija), prav tako pri 1400 C. Ko se silicij ohladi in strdi, se kristalizira. Ko se reţe na rezine, je veliko manj odpadnega materiala, saj je silicij ţe kvadrataste oblike. Mono-kristalne celice se od poli-kristalnih celic razlikujejo po čistosti (poravnanost molekul) samega silicija. Bolj, kot je slednji čist, bolj je učinkovita pretvorba sončne energije v električno energijo. Mono-kristalne celice vsebujejo najčistejši silicij med vsemi izvedbami sončnih celic, kar pomeni, da so najučinkovitejše (okoli 20 %). Čeprav z današnjo tehnologijo poli-kristalne celice ne zaostajajo dosti (okoli 17 %). Učinkovitost celic iz tankega filma se giblje nekje med 7 % in 13 %. Nekatere vrste so grajene iz več plasti tankega filma polprevodnega materiala (v nekaterih primerih tudi silicij). Proizvodnja teh je dosti laţja, od proizvodnje kristalnih celic. Celice iz tankega filma so tudi upogljive, temperatura in slabša svetilnost pa imata manjši vpliv kot pri drugih celicah. Slabost le teh je ta, da potrebujejo večjo površino kot druge vrste celic. 4

17 3 ALGORITEM SLEDENJA TOČKI VRŠNE MOČI Pri uporabi sončnih celic je za prenos električne moči na porabnika potreben regulator, saj bi bil v nasprotnem primeru ta prenos nezadosten ali pa bi uničil breme [7]. Brez vmesnika je breme tisto, ki določa delovno točko celice. Sončne celice generirajo tok na podlagi osvetljenosti same celice. Osvetljenost sončnih celic se neprestano spreminja, kar pomeni, da se tudi točka vršne moči prej omenjenega tokovnega generatorja nenehno spreminja. Regulator oziroma vmesnik pa spreminja izhodno napetost tako, da jo prilagodi bremenu. To je moţno izvesti s pomočjo pulzno širinske modulacije, vendar je pri tej tehniki izhodni tok enak vršnemu toku sončne celice. Za večji izkoristek prenosa moči se uporablja tehnika sledenja točki vršne moči (angl. maximum power point tracking ali MPPT). Pri tej tehniki regulator prav tako zmanjša napetost, da jo prilagodi bremenu, vendar hkrati poveča tok. Tako je izhodna moč malo niţja kot vhodna. Točki vršne moči lahko sledimo s pomočjo več različnih metod algoritmov. V grobem se le ti delijo na direktne in indirektne. Pod indirektne metode spadata metoda fiksne napetosti ter metoda delne napetosti odprtih sponk. Pod direktne metode uvrstimo metodo perturbacije in opazovanja ter metodo povečevanja prevodnosti. Indirektni metodi nista točni pri določanju vršne moči, saj metoda fiksne napetosti temelji na domnevanju količine osvetlitve sonca na določen dan, medtem ko metoda delno napetosti odprtih sponk temelji na konstanti. Slednja je različna pri različnih tipih sončne celice. Druga slabost te metode je ta, da ko pride do spremembe osvetljenosti, mora izmerit napetost celice na odprtih sponkah, torej prekine povezavo med bremenom in sončno celico. Direktni metodi sta bolj napredni od indirektnih metod. Direktno merita tok in napetost sončne celice ter imata bolj točen in hitrejši odziv. Pri metodi perturbacije in opazovanja se delovna točka 2 (grafičen opis: presečišče premice toka in premice napetosti) neprestano giblje okoli točke vršne moči. Prav tako je metoda občutljiva na hitre spremembe svetilnosti. Metoda povečevanja prevodnosti je bolj točna kot prejšnja, saj se delovna točka ne spreminja takrat, ko je na točki vršne moči. Tudi ta metoda ni tako učinkovita pod delnim zasenčenjem sončne celice. Glavna slabost pa je kompleksnost izdelave strojne opreme. Meriti mora tok in napetost sončne celice ter izračunati spremembe. Pretvornik navzdol ima v neprekinjenemu prevajalnemu načinu (angl. Continuous Conduction Mode ali CCM) linearen prenos napetosti. Tako je implementacija algoritma sledenja vršne moči zelo enostavna, saj algoritem direktno vpliva na delovni cikel pretvornika. 2 Delovno stanje vezja 5

18 Metoda polnjenja s pulzno širinsko modulacijo ne izkoristi celotne moči sončne celice, saj napetost le zmanjša na primerni potencial baterije, največji izhodni tok pa je enak vršnemu toku sončne celice. Metoda sledenja točki vršne moči zmanjša napetost in poveča tok, tako je izkoristek izjemno visok. 3.1 Metoda povečevanja prevodnosti Ta metoda uporablja fiksen korak povečanja oziroma pomanjšanja prevodnosti v delovni točki sončne celice [7]. Kadar uporabimo večji korak, doseţemo vršno točko hitreje, vendar lahko algoritem oscilira okoli vršne točke. Bolje je, da uporabimo manjši korak, čeprav bo dlje trajalo, da doseţemo vršno točko moči. Slika 3.1: U-I karakteristika sončne celice in potek moči. Na podlagi odvodov (enačbe 3.1, 3.2 in 3.3) ugotavljamo trenutni poloţaj delovne točke. Enačba (3.2) nakazuje, da je delovna točka levo od vršne točke moči, enačba (3.1) nakazuje, da je delovna točka enaka točki vršne moči (krivulja moči nima naklona) in enačba (3.3) nakazuje, da je delovna točka desno od točke vršne moči. To kar iščemo je napetost pri kateri bo enačba (3.1) enaka nič. Vsi ti opisi so grafično prikazani na Slika 3.1, kjer črna črta predstavlja I-U karakteristiko sončne celice, rdeča črta pa predstavlja potek moči sončne celice. Uvm je napetost pri kateri nastopa največja moč, Ivm je tok pri kateri pri kateri nastopa največja moč. P U P U 0 (3.1) 6

19 P U P U 0 (3.2) P U P U 0 (3.3) Tu je: P sprememba moči (W) ter U sprememba napetosti (V). Slika 3.2 prikazuje algoritem povečevanja prevodnosti. S tem si lahko pomagamo pri pisanju programa. Algoritem temelji na podlagi enačb (3.1, 3.2 in 3.3) in grafa (slika 3.1). Slika 3.2: Algoritem povečevanja prevodnosti. 7

20 4 AKUMULATORSKE BATERIJE Prvo akumulatorsko 3, prvo svinčevo baterijo je leta 1859 izumil francoski fizik Gaston Planté [1 in 8]. Leta 1899 je Šved Waldemar Jungner izumil prvo nikelj-kadmij akumulatorsko baterijo, pri kateri se za elektrode uporabljajo nikljev oksid, hidroksid in kovinski kadmij. Slednji je strupen, zato je od leta 2004 v Evropski uniji prepovedana uporaba nikeljkadmijevih baterij. Skoraj popolnoma so jih izpodrinile nikelj-metal-hidridne baterije, ki so v uporabi ţe od leta Pionirska dela na litij-ionski baterijah so se začela ţe leta 1912, vendar je šele v 70. letih 19. stoletja postala širše dostopna za javnost. Akumulatorske baterije se razlikujejo od navadnih baterij po tem, da imajo moţnost ponovnega polnjenja po izpraznjenju. Sestavljene so iz ene ali več elektrokemijskih 4 celic. Uporabi se lahko izraz akumulator, saj celica akumulira 5 energijo. Terminološko gledano je baterija skupek več celic (slika 4.1). Slika 4.1: Električni simbol idealne baterije a) dvocelične b) enocelične. 4.1 Svinčeva baterija Celica je sestavljena iz dveh plošč, elektrolita in izolatorja oziroma ločilnika. Elektrolit tvorita voda in ţveplova kislina [8 in 9]. Obstaja več metod izdelovanja plošč. Postopek za izdelovanje pozitivne plošče je drugačen kot postopek za izdelovanje negativne plošče, saj plošči nista enaki. Običajno je pozitivna (katoda) plošča prevlečena s tankim slojem svinčevega dioksida, medtem ko je negativna (anoda) plošča iz poroznega gobastega svinca. 3 Drugo poimenovanje je sekundarna baterija. 4 Naprava, ki je zmoţna proizvajat električno energijo s pomočjo kemijskih reakcij. 5 Zbirati, nabirati 8

21 Svinčeva baterija (angl. lead acid) se odraţa po tem, da je zmoţna prenesti visok vklopni tok, kar pomeni, da ima celica visoko moč glede na maso. Poleg tega je cena na celico nizka. Slabost te celice pa je ta, da ima malo energije glede na maso. Čeprav je tehnologija stara, je še danes uporabljena ravno zaradi svojih odlik, ki prekašajo druge vrste celic. Najbolj je uporabljena v avtomobilski industriji, saj potrebuje avtomobilski zaganjalnik visoke zagonske tokove. Avtomobilska baterija ima nizko notranjo upornost, ki je doseţena z večjim številom tanjših plošč, kakor prikazuje slika 4.2. Debelina plošč določa, kako zelo se lahko izprazni baterija, vendar to za avtomobilsko ni pomembno, saj se ob vsaki voţnji le-ta ponovno napolni. Slika 4.2: Avtomobilska baterija z velikim številom tankih plošč [1]. Uporabljajo se tudi tam, kjer se pogosto shranjuje energija, kjer sistem ni priklopljen na omreţje, ali pa je potreba po rezervnemu napajanju. Tukaj pride v poštev zaprta svinčeva baterija (angl. sealed lead acid), ki nima takšne potrebe po vzdrţevanju kot avtomobilska baterija, prav tako je čas zadrţevanja energije daljši. Ti tipi baterij imajo vgrajene debelejše plošče, kakor nakazuje slika 4.3. S tem doseţemo večjo kapaciteto ter večje število ciklov polnjenja in praznjenja. Slika 4.3: Zaprta svinčeva baterija s širokimi ploščami [1]. 9

22 Tabela 4.1 primerja ţivljenjsko dobo med avtomobilsko svinčevo baterijo in zaprto svinčevo baterijo pri globokem praznjenju. Tabela 4.1: Razlika o številu ciklov med avtomobilsko in zaprto svinčevo baterijo Izpraznjenost Avtomobilska baterija Zaprta svinčeva baterija 100% ciklov ciklov 50% ciklov ciklov 30% ciklov 1000 in več ciklov Polnjenje svinčevih celic V tem poglavju opisujemo samo osnovno polnjenje brez hitrega polnjenja. Za osnovno polnjenje svinčevih baterij se uporablja metoda konstantnega toka in konstantne napetosti (angl. constant current / constant voltage, okrajšano CC/CV) [1, 8 in 10]. Reguliran tok dvigne napetost celice do zgornje meje, pri kateri začne nato tok upadati zaradi nasičenosti. Čas polnjenja je nekje med dvanajst in šestnajst ur ter med šestintrideset in oseminštirideset ur za večje baterije. Z večjimi tokovi (hitro polnjenje) in več stopnjami polnjenja lahko zmanjšamo čas polnjenja na pribliţno tri ure. Vendar s povečanim tokom (2C ali 4C) polnimo samo na začetku, zato ker se začne baterija segrevat. Tok naj bo pulzirajoč, saj tako lahko doseţemo večji tok in pustimo čas akumulatorju, da se regenerira. Slika 4.4: Graf polnjenja (osnovno) svinčeve celice [8]. 10

23 Pri osnovnem polnjenju se svinčeva baterija polni počasi (s tokom ene tretjine nazivne kapacitete oziroma C/3). Polnjenje svinčevih celic naj poteka v treh stopnjah, kot je razvidno tudi na sliki 4.4. Polnjenje pod konstantnim tokom v stopnji 1 traja pribliţno polovico časa celotnega polnjenja. Pri polnjenju v drugi stopnji pod konstantno napetostjo začne tok upadat, saj pride celica v nasičenje. V tretji stopnji pa je dodatno polnjenje, ki nadomesti izgube, nastale pri samo izpraznjevanju baterije med polnjenjem. V prvi stopnji se baterija napolni do pribliţno 70 %, v času od pet do osem ur. V drugi stopnji, ki je počasnejša od prve, pa se napolni preostalih 30 %. Ta del traja od 7 do 10 ur in je bistven, da celica ostane v dobrem stanju. V nasprotnem primeru, če končamo polnjenje po prvi stopnji, bo baterija s časoma izgubila zmoţnost ponovnega polnjenja in lastnosti celice. Razlog za to je nabiranje sulfata 6 na ploščah. Polnjenje v zadnjem, tretjem stanju, ohranja celico na polni napolnjenosti. Polnjenje se konča takrat, ko tok pade na 3 oziroma 5 % nazivne vrednosti kapacitete. Napetost, do katere se polni svinčeva celica, je od 2,30 do 2,45V. Če končamo s polnjenjem pred začetkom tretje stopnje, se izognemo tvorjenju sulfata na negativni plošči, saj bo celica na maksimalni napolnjenosti, vendar se bo zaradi pomanjkanja vzdrţevalne faze polnjenja pojavila korozija na pozitivni plošči, kar privede do proizvodnje plina vodika in izgube vode v celici. Plin vodik je visoko vnetljiv, zato je priporočeno polnjenje v prezračevanem prostoru. Pri polnjenju je pomembno tudi nadzorovanje temperature celice. Temperaturni koeficient je -3mV/ C pri sobni temperaturi (25 C), kar pomeni, da se mora polnilna napetost zmanjšati za 3mV pri vsakem dvigu 1 C nad sobno temperaturo oziroma zmanjšati za 3mV pri vsakem spustu 1 C pod sobno temperaturo. Priporočeno je, da se tretja stopnja izvaja pri napetosti od 2,25 do 2,27V. V primeru, da tretje stopnje polnjenja pri polnilniku ni, pa se naj baterija polni največ oseminštirideset ur. Kar se tiče vzdrţevanja svinčevih baterij je zelo pomembno, da vsebujejo dovolj vode. Kako hitro se voda porabi, je odvisno od metode polnjenja, delovne temperature in pogostosti uporabe. Kadar je premalo vode v celici, so plošče izpostavljene zraku in oksidirajo, tako nastane nepopravljiva škoda na bateriji. Z merjenjem napetosti na odprtih sponkah lahko kar dobro ocenimo stanje napolnjenosti, druge metode so pa podrobneje opisane v poglavju 4.4. Tvorjenje sulfata je pogost pojav pri avtomobilskih baterijah, saj tam pogosto ni moţno popolnoma napolnit baterijo v primeru, da se avtomobil večino časa vozi počasi. Ker sončne 6 Sol ţveplove kisline, kristali rumenkaste barve. 11

24 celice (in vetrne turbine) pri neposredni vezavi na baterijo niso zmoţne zadostiti primernega polnjenja, lahko pride do tvorjenja sulfata. Sulfat se začne tvorit ţe med samim praznjenjem baterije, kar je običajen proces. Bolj, kot se baterija prazni, več je sulfata na ploščah. Če takoj ne napolnimo baterije po izpraznitvi, se amorfni 7 sulfat pretvori v stabilno kristalno obliko. Poznamo dve obliki tvorjenja sulfata. Pri eni obliki je moţno tvorjen sulfat odstranit, pri drugi obliki pa je tvorjen sulfat na ploščah trajen in ga ni moţno odstranit. Pri rednem vzdrţevanju baterije se lahko nabran sulfat odstrani tako, da prenapolnimo ţe polno baterijo s konstantnim tokom okoli 200mA. Dovoljeno je, da se napetost na celici dvigne na 2,5 oziroma 2,6V v času štiriindvajsetih ur. Pomaga tudi, da dvignemo temperaturo celice na 50 do 60 C. Kadar pa prazna baterija stoji dalj časa (tedni, meseci), potem sulfata ni več moţno odstranit, vsaj, kar se tiče starih sistemov svinčevih baterij. Pri novih se ga pogosto da odstranit. 4.2 Litij-ionska baterija Litij-ionska baterija, tako kot svinčeva baterija, spada v druţino sekundarnih baterij. Pri tej bateriji se litijevi ioni premikajo iz negativne elektrode proti pozitivni med praznjenjem in obratno med polnjenjem, kakor prikazuje slika 4.5 [1 in 8]. Slika 4.5: Smer ionov med praznjenjem in polnjenjem litij-ionske celice. 7 Brez točno določene oblike 12

25 Negativna elektroda (anoda) prvih litij-ionskih baterij je bila sestavljena iz litijeve kovine, vendar se na tej med cikli polnjenja ustvarijo nezaţeleni dendritni kristali 8, ki prodrejo ločilnik in povzročijo kratek stik. Litij je sicer najlaţja kovina z najmanjšo gostoto med elementi v trdem agregatnem stanju. Ima tudi najboljši elektrokemični potencial in proizvede največ specifične energije na maso. Zaradi visoke nestabilnosti litijeve kovine se dandanes za anodo uporablja nekovinski material, najpogosteje grafit. Za pozitivno elektrodo (katodo) se uporabljajo vsaj trije različni materiali; kovinski oksid (litij-kobaltova-oksidna celica), vrsta poli elektrolita poli anion (litij-ţelezova-fosfat celica) in spinel 9 (litij mangan oksid celice), za elektrolit kot prevodnik pa litijevo sol v organskem topilu, ki vsebuje litijeve ione. Litij-ionske baterije imajo nizko samo-praznjenje, nizko notranjo upornost ter nimajo spominskega efekta. Glede na sestavo delimo litij-ionske celice na tri večje skupine, ki so najpogosteje uporabljene: litij-kobaltova oksidna (LiCoO 2 ali krajše LCO), litij-manganova oksidna (LiMn 2 O 4 ali krajše LMO) ter litij-ţelezova fosfatna (LiFePo 4 ali krajše LFP) celica. Druge celice, ki so manj uporabljene: litij-nikelj-mangan-kobaltova oksidna (LiNiMnCoO 2 ali krajše NMC), litij-nikelj-kobalt-aluminijeva oksidna (LiNiCoAlO 2 ali krajše NCA) ter litijeva-titanatna (Li 4 Ti 5 O 12 ali krajše LTO) celica. Ključ v prevladovanju glede specifične energije je v višji nominalni napetosti. Zaradi slednjega lahko direktno napajamo mobilne telefone, tablice, digitalne kamere, kar ponuja poenostavljenost in zmanjšanje stroškov v primerjavi z drugimi vrstami akumulatorskih baterij. Za litij-ionsko celico je potrebno manj vzdrţevanja kot za druge akumulatorske celice, prav tako ne potrebuje namerne izpraznitve, da ostane v dobrem stanju. Slabosti litij-ionskih celic sta potreba po zaščitnih vezjih in cena Polnjenje litij-kobaltovih oksidnih celic Litij-kobalt oksid celica (okrajšava LKO ali po angleško LCO), v nadaljnje kar litij-ionska celica ali okrajšava LCO [1, 8 in 11]. 8 Vejasta oblika; razvejen, razvejan 9 Magnezijev aluminijev oksid MgAl 2O 4. Eden od mineralov obseţne spinelne skupine. (lat. spina pomeni trn in kaţe na obliko kristalov) [1]. 13

26 Algoritem (slika 4.6) polnjenja litij-ionskih celic je podoben polnjenju svinčevih celic. Razlika je v tem, da ima litij-ionska celica višjo nominalno napetost in manjše tolerance. Celice, pri katerih je katoda iz elementov, kot so kobalt, nikelj, magnezij in aluminij, se po navadi polnijo do nominalne napetosti 4,2V/celico. Toleranca je ±50mV/celico. Celice z visoko kapaciteto se polnijo tudi do 4,3V/celico. Če polnimo z višjo napetostjo, kot jo je podal proizvajalec, povečamo kapaciteto baterije, vendar ogroţamo varnost. Slika 4.6: Graf polnjenja (osnovno) za litij-ionske celice [8]. Priporočena stopnja polnjenja je med 0,5C 10 in 1C (celica s nazivno kapaciteto 2Ah se naj polni z 2A). Najpogosteje se polni z 0,8C ali manj, da ne zmanjšujemo ţivljenjske dobe baterije. Polnjenje litij-ionskih celic traja pribliţno tri ure. Ţivljenjska doba te celice je od 500 do 1000 ciklov. Učinkovitost polnjenja je okoli 99 %, celica pa med polnjenjem ostane hladna. Če se temperatura poveča za več kot 10ºC, potem je prišlo do napake. Do 5ºC se segreje zaradi varnostnega vezja. 10 Naboj (enota poimenovana po Charles Augustin de Coulomb ); 1C = A * s 14

27 Baterija je napolnjena, ko doseţe zadan nivo napetosti (4,2V za eno celico), in ko tok pade pod 3 % nazivne Ah (amper ur) vrednosti, ali če se ne zmanjšuje več. Vzrok za slednjo je lahko povišana samo-izpraznitev baterije. S povečanjem polnilnega toka ne doseţemo polne napolnjenosti baterije dosti hitreje. Čeprav bo baterija hitreje dosegla vršno napetost, bo zato nasičeno polnjenje trajalo dlje. V nasprotju s svinčevimi baterijami litij-ionsko baterijo ni potrebno popolnoma napolnit. Pravzaprav to niti ni zaţeleno, saj so visoke napetosti stresne za baterijo. Če izberemo niţjo polnilno napetost, podaljšamo bateriji ţivljenjsko dobo, vendar zmanjšamo kapaciteto (tabela 4.2); posledično bodo naprave, ki jih napaja takšna baterija, delovale manj časa. Prav tako je ne moremo prenapolnit. Večina polnilcev na trgu polni baterije do polne kapacitete, saj je proizvajalcem bolj pomembna kapaciteta kot ţivljenjska doba; nasprotje so industrijske polnilne naprave. Tabela 4.2: Polnjenje pri različnih napetostih Če je med polnjenjem na baterijo priključeno breme, bo skozi to breme tekel tok in lahko zmede polnilni cikel; nastanejo mini cikli. Takemu bremenu pravimo parazitno breme. Nivo stresa je visok, saj se cikli zgodijo pri visokih napetostih, pogosto tudi pri povišanih temperaturah. Zaradi tega je dobro, da na baterijo med polnjenjem ni priključeno nobeno breme. Na ta način bo celica brez problema tudi dosegla točko napetostnega praga in tokovno nasičenost. Po koncu polnjenja začne napetost celice padati, s tem pa se zmanjša stres. Čez nekaj časa se napetost na odprtih sponkah ustavi nekje med 3,7V in 3,9V na celico. Tista celica, ki je polnjena v stanju nasičenja, bo dlje drţala višjo napetost. Če pustimo celico v polnilniku, mora ta vsake toliko časa ponovno dopolnit celico (do 4,05V na celico, da zmanjšamo stres), saj se baterija s časoma sama izprazni (do 3,9V na celico), nekaj energije pa porabi tudi zaščitno vezje, če ga celica ima. 15

28 Posebnost LCO celice je ta, da ima zelo visoko specifično energijo, vendar ima relativno kratko ţivljenjsko dobo, nizko temperaturno stabilnost in omejene bremenske sposobnosti. Vse to je razvidno na sliki 4.7. Specifična energija celice je od 150 do 200Wh/kg. Slika 4.7: Mrežni graf karakteristike LCO celice. Polnilniki za druge vrste baterij niso zdruţljivi z baterijami, ki so mešane s kobaltom, saj bi jih nezadostno polnili, v obratnem primeru pa bi se druge vrste baterij v polnilniku za baterije mešane s kobaltom, prenapolnile Polnjenje litij-manganove oksidne celice Litij-ionska celica z manganovim oksidom je bila prvič objavljena leta Posebna oblika strukture (slika 4.8) (ang. spinel) litij-manganove oksidne celice omogoča boljši pretok ionov, ker ima niţjo upornost [8]. Zaradi tega je varnost celice boljša, temperaturna stabilnost večja in notranja upornost niţja. To pomeni, da se hitreje napolni in ima moţnost praznjenja pod večjimi tokovi (od 20 do 30A, pri katerih se bo temperatura dvignila samo do dovoljene meje ali eno sekundni 50A impulz). Litij-manganova oksidna celica ima za četrtino niţjo kapaciteto kot litij-kobaltova oksidna celica. Slika 4.9 prikazuje lastnosti čiste litij-manganove celice. 16

29 Slika 4.8: Struktura LMO celice. Slika 4.9: Lastnosti litij-manganove oksidne celice. Dandanes niso pogoste čiste litij-manganove celice. Mešajo se z litij-nikljevo-manganovokobaltovo oksidno celico, da se izboljša specifična energija baterije ali pa podaljša ţivljenjska doba. To kombinacijo pogostokrat uporabljajo v električnih vozilih. Nominalna napetost te celice je 3,7V, polni se do napetosti 4,2V, stopnja polnjenja pa je med 0,7C in 1C. Največja dovoljena stopnja polnjenja je 3C. Celica se lahko prazni s stopnjo od 1C do 10C in 30C pulzno. Pulzi lahko trajajo največ pet sekund. Najmanjša dovoljena napetost celice je 2,5V. Celica ima od tristo do sedemsto ciklov polnjenja in praznjenja, odvisno od globine praznjenja. Specifična energija celice znaša med 100 in 150Wh/kg Polnjenje litij-ţelezovih fosfatnih celic Leta 1996 so na Univerzi v Teksasu odkrili, da lahko uporabljajo fosfat kot material za katodo [8]. V tej izvedbi ima celica dobre elektrokemične lastnosti, z majhno upornostjo. S tem ima celica daljšo ţivljenjsko dobo, moţni pa so tudi višji tokovi pri praznjenju. Za LiFePo 4 17

30 celico je pri višjih napetostih manj stresa kot za druge vrste litij-ionskih celic. Čeprav ima celica boljše toplotne lastnosti, se še vedno zmanjša učinkovitost pri niţjih temperaturah kot pri drugih celicah, vendar ne tako zelo. Slabost LiFePo 4 celice je ta, da se zelo hitro sama izprazni, je pa v primerjavi z drugimi celicami bistveno varnejša (slika 4.10). Ima pa tudi dolgo ţivljenjsko dobo. Slika 4.10: Lastnosti litij-železove fosfatne celice. LiFePo 4 celica ima nominalno napetost 3,2V in se polni z 3,65V, stopnja polnjenja pa je 1C. Čas polnjenja traja tri ure. Celica se lahko prazni s stopnjo od 1C do 25C in 40C pulzno. Pulzi lahko trajajo največ dve sekundi. Najmanjša dovoljena napetost celice je 2,5V. Celica ima od tisoč do dva tisoč ciklov polnjenja in praznjenja, odvisno od globine praznjenja. Specifična energija celice znaša med 90 in 120Wh/kg Prenapolnitev litij-ionske celice Poseben problem predstavlja prenapolnitev litij-ionske celice (angl. overcharge), saj postane nestabilna, kadar jo polnimo z napetostjo, ki je višja od dovoljene (na primer več, kot 4,2V za LCO celico) [8]. Material, ki sestavlja katodo, začne proizvajat ogljikov dioksid in izgubi stabilnost. Tlak v celici začne naraščati in ob primeru nadaljnjega polnjenja se celica odpre (eksplodira) s silo 3450kPa. Moţno je, da se vname tudi ogenj. Torej je nujno, da je v sami bateriji neke vrste varovalo, ki prepreči zgoraj omenjene dogodke. 4.3 Algoritem polnjenja svinčevih in litij-ionskih celic Polnilni algoritem za baterije [12] je prikazan na sliki Najprej izberemo vrsto baterije ter na ta način določimo algoritem polnjenja. Nato izberemo število celic, s čimer 18

31 določimo napetost polnjenja v drugi stopnji. Nazadnje izberemo še kapaciteto baterije, da določimo polnilni tok. Slika 4.11: Algoritem polnjenja akumulatorskih baterij. 4.4 Merjenje stanja napolnjenosti Enota stanja napolnjenosti se izraţa v procentih, kjer 100 % pomeni da je baterija polna, 0 % pa pomeni, da je baterija prazna [1, 8, 13 in 14]. Stanje napolnjenosti govori o trenutnemu stanju določene celice oziroma baterije. Merjenje stanja napolnjenosti (angl. State of Charge) z merjenjem baterije je enostavno, vendar zelo netočno, to pa zaradi tega, ker na meritev vplivajo sestavni materiali baterije in temperatura. Največja napaka se pojavi, kadar merimo napetost na celici, ki ne miruje. To pomeni, da ta metoda ne pride v poštev pri izvajanju meritev na bateriji, ki je v uporabi. Ta metoda deluje precej dobro na svinčevih baterijah, je pa neuporabna za litij-ionske in nikelj-metal hidridne baterije, saj ima na primer litij-ionska celica okoli 80 % poteka praznjenja ravno napetostno krivuljo (slika 4.12). Vsak tip baterije ima namreč unikatno napetostno krivuljo praznjenja. Tudi ista litij-ionska celica nima enake krivulje pod drugačnimi pogoji praznjenja (na primer temperatura, tok ipd.). 19

32 Slika 4.12: Krivulja praznjenja litij-ionske celice. Takrat ko merimo stanje napolnjenosti svinčevih celic, moramo upoštevati dejstvo, da niso vse plošče enake sestave. Nekateri dodatki povišajo nazivno napetost do 8 %. Prav tako so različni nivoji napetosti med zaprto in odprto svinčevo baterijo. Ta metoda, merjenje stanja napolnjenosti z merjenjem napetosti na odprtih sponkah, je popularna zaradi njene enostavnosti. Stanje napolnjenosti svinčevih baterij lahko izmerimo tudi s pomočjo aerometra 11. Med praznjenjem baterije se ţveplova kislina loči od elektrolita in se veţe s ploščo ter tako ustvari sulfat. Gostota elektrolita se tako zmanjša in postane bolj podobna vodi, zmanjša se tudi specifična masa. Povezavo med stanjem napolnjenosti in specifično maso prikazuje (tabela 4.2). Tabela 4.2: BCI 12 standard za oceno stanja napolnjenosti avtomobilske baterije z dodatkom antimona Povprečno stanje napolnjenosti Povprečna gostota [kg/m 3 ] Napetost odprtih sponk [V] 2V 6V 8V 12V 100% ,10 6,32 8,43 12,65 75% ,08 6,23 8,30 12,45 50% ,04 6,12 8,16 12,24 25% ,01 6,03 8,04 12,06 0% ,98 5,95 7,72 11,89 11 Merilec gostote tekočin. 12 Battery Council International, Chicago trgovsko zdruţenje proizvajalcev svinčevih baterij. 20

33 Zaradi izparevanja vode se spreminja koncentracija elektrolita, s tem pa ne moremo točno odmerit stanja napolnjenosti. Prav tako je specifična masa različna pri različni bateriji (tabela 4.3). Zaprte baterije uporabljajo gostejši elektrolit. Tudi temperatura baterije spreminja specifično maso elektrolita. Hladnejša, kot je baterija, gostejši je elektrolit. Tabela 4.3: Razmerje med specifično maso in temperaturo zaprte svinčeve celice Temperatura elektrolita [ C] Gostota polne baterije [kg/m 3 ] Dandanes številne sodobne naprave za ocenjevanje stanja napetosti uporabljajo metodo merjenja naboja (angl. coulomb counting) z merjenjem vhodnega in izhodnega toka v časovni enoti. Ta metoda deluje zelo dobro pri litij-ionskih sistemih. Točnost se lahko izboljša tako, da se periodično kalibrira meritve, saj se lastnost baterije s časom spreminja. Tudi upoštevanje samo-izpraznitve baterije pripomore k točnosti meritev. Dobro je, če polnilnik meri čas polnjenja, saj se slabše baterije napolnijo hitreje. 21

34 5 NAČRTOVANJE POLNILNEGA REGULATORJA Pri uporabi sončnih celic in napajanja bremena bomo zelo teţko prišli do izkoristka nazivne moči sončne celice, če bomo breme direktno vezali na njo [15, 16 in 17]. Za ta namen se uporabljajo napetostni regulatorji, kateri pretvarjajo napetost sončne celice na različne nivoje, da čim bolj izkoristimo moč slednje. Najbolj primeren tip napetostnega DC DC regulatorja za naš namen je stikalni regulator, saj ima dosti večji izkoristek kot linearni regulatorji. Teţava linearnih regulatorjev je ta, da ko pretvarjamo v manjše napetosti, ostane večina napetosti na regulatorju. Zaradi tega imajo slednji manjši izkoristek. Slika 5.1 prikazuje podrobno blokovno shemo polnilnega regulatorja. Prikazani so samo bistveni deli, brez vizualnega vmesnika. Vrsta napajanja polnilnega regulatorja je odvisna od velikosti sončne celice ter polnilnega toka. V primeru da imamo manjše sončne celice ter polnimo večje akumulatorje, potem ne moremo krmilnika napajati s pretvornikom navzdol, saj bi prišlo do pomanjkanje električne energije. Slika 5.1: Blokovna shema polnilnega regulatorja. 5.1 Stikalni regulatorji Stikalni regulator je regulator, ki pretvarja napetost s pomočjo stikala (tranzistorja) in reaktivnih elementov (tuljava in kondenzator) [1]. Poznamo več topologij stikalnih regulatorjev, med osnovnimi pa so: pretvornik navzgor (angl. boost), pretvornik navzdol (angl. buck) ter pretvornik iz pozitivne v negativno napetost ali obratno (angl. buck boost). 22

35 Najbolj primeren za nas je pretvornik navzdol, saj bomo polnili baterije, ki imajo manjšo polnilno napetost, kot je vršna napetost sončne celice. 5.2 Načrtovanje pretvornika navzdol Pri načrtovanju pretvornika upoštevamo velikost vezja, učinkovitost, ceno izdelave, temperaturo, točnost in prehodni odziv (angl. transient response) [1 in 16]. Pretvornik navzdol deluje najbolje, če imamo na vhodu in izhodu samo eno napetost ter konstantni izhodni tok. Vendar pa to v našem primeru ni mogoče, saj se vhodna parametra nenehno spreminjata, ker sta odvisna od svetilnosti sonca. Prav tako se spreminjata izhodna parametra, saj je namen polnilnika polniti več različnih celic, ki imajo različne nazivne napetosti ter različno kapaciteto. Kot načrtovalci lahko vplivamo samo na izhodne parametre, vseeno pa moramo izbrati vrednosti elementov tako, da bodo zadostili maksimalnim danim pogojem Delovanje pretvornika navzdol Pretvornik navzdol ima dva glavna stanja delovanja na en cikel [16]. Eno stanje je takrat, ko je stikalo vklopljeno in skozi diodo ne teče tok, drugo pa takrat, ko je stikalo izklopljeno in skozi diodo teče tok. Takrat, ko je stikalo vklopljeno, je na njem manjši padec napetosti, odvisno od upornosti stikala, prav tako je manjši padec napetosti na tuljavi zaradi njene DC upornosti. Skozi diodo ne teče tok, saj je obratno polarizirana (angl. reversed biased). Izhodna napetost je napetost na kondenzatorju. Tok teče skozi stikalo, tuljavo in breme, kakor nakazuje slika 5.2. Iz tuljave se prenese energija na kondenzatorju, ki tudi gladi izhodno napetost. V tem stanju je energija shranjena v tuljavi v obliki magnetnega polja. Takrat, ko je stikalo izklopljeno, ni povezave med napetostnim virom in vezjem, kar pomeni, da bo izhodni tok upadal. Tuljava je magnetna komponenta in tok, ki teče skozi njo, se ne more v hipu spremenit. Sedaj je tuljava napetostni vir, vendar z obratno napetostjo. S tem ohranja tuljava tok (v isti smeri, kot v stanju, kjer je stikalo vklopljeno), ki teče skozi breme. Tok bo tekel skozi diodo in nazaj v tuljavo, kakor je prikazano na sliki

36 Slika 5.2: Stikalo izklopljeno, dioda prevaja. Slika 5.3: Stikalo vklopljeno, dioda ne prevaja Razlika med sinhronim in nesinhronim pretvornikom Pri nesinhroni topologiji pretvornika navzdol se uporablja dioda, kakor je prikazano na sliki 5.4 [18]. Padec napetosti na tej diodi znatno prispeva k porabi vezja in s tem k manjšemu izkoristku. Še posebej se pozna zmanjšanje izkoristka takrat, ko imamo na izhodu večje tokove in manjše napetosti. Slika 5.4: Nesinhron pretvornik navzdol z diodo [18]. 24

37 Pri sinhronem pretvorniku navzdol je namesto diode integriran MOSFET (slika 5.5). S tem se poveča zapletenost kontrolnega vezja, saj mora ta poskrbet, da oba tranzistorja ne prevajata istočasno. Če se za to ne poskrbi, nastane kratek stik. Slika 5.5: Sinhron pretvornik navzdol z MOSFET stikalom [18]. Spodnja slika 5.6 prikazuje učinkovitost pretvornikov navzdol pri vhodni napetosti 12V in pri 1,5V izhodne napetosti (razlika med vhodno in izhodno napetostjo je 10,5V). Kot vidimo, ima sinhroni pretvornik bistveno višji izkoristek pri večjih bremenih ter manjšega pri manjših bremenih. Slika 5.6: Učinkovitost pretvornikov pri vhodni napetosti 12V in izhodni napetosti 1,5V [18]. Slika 5.7 prikazuje izkoristek pretvornikov navzdol pri vhodni napetosti 12V in izhodni napetosti 2,5V (razlika med vhodno in izhodno napetostjo je 9,5V). Izkoristek nesinhronega pretvornika se je povečal, tako v spodnjem delu, kjer so manjši tokovi, kot v zgornjem delu, kjer so večji tokovi. 25

38 Slika 5.7: Izkoristek pretvornikov pri vhodni napetosti 12V in izhodni napetosti 2,5V [18]. Na slikah 5.6 in 5.7 je razvidno, da ima nesinhroni pretvornik višji izkoristek takrat, ko je razlika med vhodno in izhodno napetostjo manjša. Ker smo si izbrali polnjenje baterij z manjšo kapaciteto, to pomeni, da bo izhodni tok pretvornika niţji, torej je za nas bolj primeren nesinhroni pretvornik, ne glede na razliko med vhodno in izhodno napetostjo. Pri laţjih bremenih začne nesinhron pretvornik navzdol delovat v prekinjenem prevajalnem načinu, kar pomeni, da tok skozi tuljavo teče samo v eno smer. Pri sinhronem pretvorniku pa teče v obe smeri in tako se porablja energija na stikalu takrat, ko tok teče v nasprotno smer. Smeri toka so ponazorjene na sliki 5.8. Slika 5.8: Tok skozi tuljavo. 26

39 5.2.3 Frekvenca pretvornika Pri določanju frekvence moramo upoštevati, da vplivamo na izkoristek pretvornika in na fizično velikost elementov v vezju [19]. Z višanjem frekvence zmanjšujemo izkoristek pretvornika in večamo toplotne izgube (slika 5.9). Z ţeljo, da bo pretvornik čim višji izkoristek, smo izbrali frekvenco 175kHz. Slika 5.9: Primerjava izkoristka pri različnih frekvencah [28] Izračun elementov Pred računanjem vrednosti elementov smo si določili meje, znotraj katerih naj deluje pretvornik. Izbrali smo si naslednje vrednosti: vhodna napetost U 30V, izhodna napetost U 14,4V, vh izh izhodni tok I 3A, izh frekvenca pretvornika f 175kHz, padec napetosti na stikalu U 1,2V, pade napetosti na diodi U 1,2V, upornost kondenzatorja ESR 0, 08 13, D S 13 angl. equivalent series resistance 27

40 ţeleno valovanje izhodne napetosti U 0,07V izh Delovni cikel lahko izračunamo po enačbi (5.1) [16, 15 in 17]. Pomnimo, da je izhodna napetost vedno manjša kot vhodna. Ker pa se bosta, tako vhodna kot izhodna napetost, spreminjali v času delovanja, se bo spreminjal tudi delovni cikel; torej bo vrednost slednjega določil sam krmilnik na podlagi algoritma in izmerjenih vrednosti napetosti. Uizh 14,4V D 0,48, (5.1) U 30V vh kjer je: D delovni cikel. Območje valovitosti r izberemo med spodaj podanima vrednostnima (5.2). Tako omejimo valovni tok v tuljavi na določeno območje, saj le-ta na začetku načrtovanja ni znana. 0,3 r 0,5 (5.2) Sedaj lahko po enačbi (5.3) izračunamo valovitost toka v tuljavi I r I 0,3 3 0,9A, (5.3) L izh kjer je: I L valovitost toka v tuljavi (A). Največji tok, ki bo tekel skozi stikalo in tuljavo, izrazimo z (5.4) I L 0,9 I pk Iizh 3 3,45A, (5.4) 2 2 kjer je: I pk največji tok skozi tuljavo (A). Povprečni tok skozi tuljavo je enak izhodnemu toku. To izrazimo z enačbo (5.5): I I 3A (5.5) L izh kjer je: I L povprečni tok skozi tuljavo (A). 28

41 Napetost na tuljavi pri zaprtem stikalu opišemo z enačbo (5.6): U U U U 30 1,2 14,4 13,8V, (5.6) ON vh kjer je: U ON napetost na tuljavi (V), U S padec napetosti na stikalu (V) S izh Kako dolgo je stikalo vklopljeno, izračunamo z enačbo (5.7). D 0,48 t ON 2,742 s, (5.7) f 175kHz kjer je: t ON čas v vklopljenem stanju (s). Induktivnost lahko dobro ocenimo na podlagi enačbe (5.8). Izberemo takšno kombinacijo parametrov, da bomo dobili največjo moţno induktivnost. Torej vhodna napetost naj bo 30V, izhodna napetost pa 14,4V (polnjenje svinčevih baterij). U 13,8V 2,742 s ON ton 0,3 L r 42,044 H (5.8) I 3A L kjer je: L induktivnost tuljave (H). Najbliţja vrednost ţe sestavljene dušilke je 47µH. Z večanjem induktivnosti manjšamo valovitost toka, vendar bo fizična velikost tuljave večja. Pri izbiri diode moramo upoštevati zaporno prebojno napetost, prevodni padec napetosti na diodi in največji tok skozi diodo. Zaporna prebojna napetost diode mora biti vsaj za 2V višja od napetosti na stikalu takrat, ko stikalo prevaja. To izrazimo z enačbo (5.11). Padec napetosti med prevajanjem diode naj bo čim manjši, s tem bo izkoristek vezja večji. Torej izberemo Schottky diodo. Vršni tok skozi diodo izračunamo iz izraza (5.9): I D I ( 1 D), (5.9) izh kjer je: I D največji tok skozi diodo (A). 29

42 Porabo na diodi med prevajanjem določimo iz izraza (5.10) P D I U, (5.10) D D kjer je: P D moč, porabljena na diodi (W). Zaporna prebojna napetost diode naj bo najmanj (5.11) U 30V 2V 32V. (5.11) RV Za izračun kapacitivnosti izhodnega kondenzatorja uporabimo enačbo (5.12) D I 1 L 0,9A f C 175kHz izh 285,714 F, (5.12) U I ESR 0,09V - 0,9A 0,08 L kjer je: C izh kapacitivnost izhodnega kondenzatorja (F). Na vhodu je valovitost toka za polovico manjša kot na izhodu. To izrazimo z (5.13) Iizh I vh 0,3 0,45A, (5.13) 2 kjer je: I vh valovitost toka na vhodu pretvornika (A). Kapacitivnost vhodnega kondenzatorja izrazimo z (5.14) D I 1 vh 0,45A f C 175kHz vh 75,630 F, (5.14) U I ESR 0,07V - 0,45A 0,08 vh kjer je: C vh kapacitivnost vhodnega kondenzatorja (F). 5.3 Načrtovanje merilnikov toka Najpogostejši način merjenja toka v elektronskih vezjih je, da zaporedno z bremenom veţemo upor z zelo majhno upornostjo, nato pa na njem izmerimo padec napetosti [20]. Ker merimo napetost na zelo majhnem uporu, bo temu primeren tudi majhen padec na njem. Ravno zaradi tega potrebujemo ojačevalnik, ki poveča signal na primerno velikost, primerno za analogno-digitalni (ADC) pretvornik. Najbolj primerni ojačevalniki za to delo so precizni diferenčni ojačevalniki s čim višjo vhodno impedanco. Dobro je, če imajo le-ti linearno prenosno karakteristiko, saj tako ni potrebe po programski kalibraciji. 30

43 Zaznavanje toka med sončno celico in polnilnim regulatorjem s pomočjo komponente INA282 je predstavljeno na sliki 5.10 [21]. Slika 5.10: Zaznavanje toka na vhodu. Ojačenje pri komponenti INA282 je 50. Torej bo napetost na izhodu (5.15) U 50 OUT U Rm, kjer je: U out izhodna napetost komponente INA282. (5.15) Pri merjenju toka med maso in bremenom ne moremo zaslediti, kdaj je merilni upor v kratkem stiku. LM358 je splošno namenski operacijski ojačevalnik in ni precizen, zato so meritve bistveno slabše kot z INA282. Zaznavanje toka med bremenom (akumulatorsko baterijo) in maso (slika 5.11) [22]. Slika 5.11: Zaznavanje toka med bremenom in maso. 31

44 Ojačenje vezja na sliki 5.11 smo izračunali s pomočjo enačbe (5.16) R A 160, (5.16) R kjer je: A napetostno ojačenje. Izhodno napetost ojačevalnika LM358 izrazimo z enačbo (5.17) U izh _ tok ( U 2 U1) A, (5.17) kjer je: U izh_tok napetost na izhodu ojačevalnika (V), U 1 napetost enaka potencialu mase (V) ter U 2 napetost med bremenom in merilnim uporom (V). Tok skozi merilni upor smo izrazili z enačbo (5.18) I izh U A R izh _ tok shunt kjer je: I izh tok skozi merilni upor (A) ter R shunt vrednost merilnega upora (Ω)., (5.18) 5.4 Načrtovanje merilnikov napetosti V vezju uporabljamo dva merilnika napetosti (slika 5.12) [15 in 16]. Eden je na vhodu vezja in meri napetost sončne celice, drugi pa na izhodu vezja in meri napetost baterije. Oba sta bistvena, saj prvega uporablja algoritem za sledenje vršne moči, drugega pa uporablja algoritem za polnjenje baterij. Tako na vhodu, kot na izhodu pričakujemo največ 30V napetosti. S pomočjo enačb (5.19) in (5.20) smo izračunali vrednost uporov. Slika 5.12: Delilnik napetosti. 32

45 Upornost analognih vhodov krmilnika znaša 100MΩ. Izhodna napetost naj bo niţja od referenčne napetosti (4,096V) analognih vhodov. Za izhodno napetost smo si izbrali 4V. Torej je največji pričakovani tok v krmilnik 40nA (slika 5.12). Ta naj bo vsaj stokrat niţji, kot tok skozi delilnik napetosti (5.18): Idn 100 Idn _ Idn 4mA, (5.18) kjer je: Idn celoten tok delilnika napetosti (A) ter Idn_ tok v krmilnik (A). S slike 5.12 lahko zapišemo enačbi (5.19 in 5.20): Udn_ 4V R 2 1kΩ, (5.19) Idn 4mA kjer je: R 2 upornost spodnjega upora v delilniku napetosti (Ω) ter Udn_ napetost na analognem vhodu krmilnika (V). Udn 30V R 1 R2 ( 1) 1k ( 1) 6,5kΩ, (5.20) Udn_ 4V kjer je: R 1 upornost zgornjega upora v delilniku napetosti (Ω) ter Udn merjena napetost (V). 5.5 Načrtovanje merilnika temperature Merilnik temperature je pomemben pri polnjenju baterij, saj sluţi kot varovalo pri nepravilnem polnjenju. Za merjenje smo si izbrali nizko-napetostni temperaturni senzor TMP36 [23]. Iz podatkov proizvajalca je razvidno, da ima senzor ±0,5 C pogreška pri merjenju. Podana je statična občutljivost senzorja, ki je 10mV/ C. Ker vemo, da ima led 0 C pri tlaku 100kPa, lahko izmerimo točnost merilnika temperature tako, da pomerimo temperaturo leda. Merilnik temperature kaţe 2 C na površini leda in 98 C v vreli vodi. 33

46 5.6 Krmilnik Za krmiljenje našega vezja smo si izbrali 8-bitni krmilnik ATmega2560 podjetja Atmel (slika [24]. Krmilnik se ponaša s štirimi 16-bitnimi števniki in dvema 8-bitnima. Ima štiri PWM 8-bitne kanale in 6 programirljivih PWM kanalov z moţno nastavitvijo resolucije med dvema in šestnajstimi biti. Krmilnik vsebuje 16 ADC vhodov, ki premorejo resolucijo desetih bitov. Krmilnik je zmoţen delovati v temperaturnem območju med -40 C in 85 C, porabi pa le okoli 500µA za delovanje. Ţivljenjska doba je 20 let pri temperaturi 85 C in 100 let pri temperaturi 25 C. Krmilnik napajamo s podobnim pretvornikom navzdol, kot ga uporabljamo za polnjenje baterij, vendar ima le-ta izhodno napetost 5V, tok pa vsaj 0,5A. Kadar polnimo manjše polnilne celice, ali pa vezje napajamo z večjo sončno celico, lahko priključimo prej omenjen pretvornik navzdol direktno na sončno celico, v obratnem primeru pa ga priključimo na baterije. Slika 5.13: Blokovna shema krmilnika Atmega

47 5.6.1 Števnik v krmilniku Kot smo ţe omenili, ima izbrani krmilnik 8- in 16-bitne števnike [24]. Števec omogoča točno izvajanje časovnih dogodkov, ustvarjanje valovnih signalov in merjenje časa. Ti števniki delujejo v več različnih načinih, frekvenca števnika pa je enaka. Izbrali smo 16-bitni števnik Timer/Counter1 (slika 5.14), saj s tem doseţemo manjši korak delovnega cikla. To nam koristi pri algoritmu iskanja vršne moči, saj ob spremembi le-te ne bo visokih oscilacij izhodne napetosti. Sledimo obrazcu proizvajalca krmilnika in nastavimo registre. Najprej se odločimo za vrsto impulzno širinske modulacije, ki jo ţelimo izvajat, nato pa še njeno frekvenco. Med osnovnimi načini, ki jih krmilnik omogoča, so hitra impulzno širinska modulacija (v nadaljevanju PWM), fazno pravilni PWM, normalni način in počisti števec ob primerjanju (CTC). Med temi je za nas najbolj primeren hitri PWM. Kot ţe samo ime pove, lahko v tem načinu dosegamo visoke frekvence. Pri tem načinu deluje PWM tako, da začne šteti spodaj (angl. bottom), in ko števec prešteje do največje vrednosti (angl. top), nadaljuje štetje od najniţje vrednosti naprej. V tem načinu imamo moţnost nastavljanje resolucije. Lahko jo nastavimo na tri različne vrednosti dolţine besed (8-, 9- ali 10- bitov), ali pa na poljubno vrednost med dvema in šestnajstimi biti s pomočjo katerih od registrov (ICRn ali OCRnA). 35

48 Slika 5.14: Blokovni diagram 16-bitnega števnika. Števnik Timer/Counter1 ima dva kontrolna registra, TCCRnA in TCCRnB (tabela 5.1 in 5.2), ki vsebujeta glavne bite za nadzor števnika. Ti biti se razdelijo v skupine: WGM (Waveform generation mode) biti določajo način števnika, CS (Clock Select) biti določajo števnikov delilnik, COMnA (Compare Output Mode for Channel A) biti omogočajo, onemogočajo, ali invertirajo izhod A ter COMnB (Compare Output Mode for Channel B) biti omogočajo, onemogočajo, ali invertirajo izhod B. Nato sta še pa registra OCRnA in OCRnB (Output Compare Register A in B), ki določita nivo, pri katerem se bosta izhoda A in B nastavila tako, kot določajo zgoraj našteti registri. 36

49 Tabela 5.1: Nadzorni register A Tabela 5.2: Nadzorni register B Izbrali smo si register OCRnA za določanje vrha števca, torej bo števec štel od 0 do vrednosti v registru OCRnA, nato se bo ponastavil nazaj na 0. Vrednost števca je zapisana v registru TCNTn. S tem lahko uporabimo samo še en izhodni kanal za generiranje PWM signala, ker registra ne moremo hkrati uporabit za dva različna namena. Z določanjem velikosti OCRnB registra določamo delovni cikel. Največja moţna vrednost tega registra je enaka vrednosti OCRnA registra. Iz tabele 5.3 je razvidno, da moramo za ta način postavit vse WGM bite na 1, način 15. Tabela 5.3: Opis WGM bitov Odločili smo se, da ure krmilnika ne bomo delili, saj s tem povečamo resolucijo nastavljanja delovnega cikla. Torej je vrednost krmilnika enaka 1. Pred izračunom vrednosti primerjalnega registra OCR1A izberemo naslednje parametre: frekvenca ure f ure = 16MHz, delilnik N=1 ter ţeljena frekvenca f željena =175kHz. Vrednost registra OCR1A izračunamo z enačbo (5.22) fure 16MHz OCR 1A ,43 (5.22) N f 1 175kHz željena Bite CSn2:0 pa nastavimo na podlagi tabele iz obrazca krmilnika (tabela 5.4). 37

50 Tabela 5.4: Opis CS bitov Sedaj omogočimo še izhod OCnB (angl. Output Compare pin). To naredimo tako, da nastavimo bite COM na podlagi tabele iz obrazca krmilnika (tabela 5.5). Tabela 5.5: Opis COM bitov V program sedaj napišemo vse zgoraj nastavljene registre (slika 5.14). Slika 5.15: Primer nastavitve hitre pulzno širinske modulacije v Arduino okolju Analogni vhodi krmilnika Na analognih vhodih tipamo napetost, ki jo dajeta merilnika napetosti na vhodu vezja in na izhodu vezja, ter napetost, ki jo dajeta merilnika toka na vhodu in izhodu vezja. To napetost nato ADC del krmilnika primerja z referenčno napetostjo [20]. Čeprav ima krmilnik lastne referenčne napetosti, imajo le-te kar velik pogrešek. Notranja napetostna referenca V INIT1 ima 0,2V tolerance, notranja napetostna referenca V INIT2 pa ima 0,4V tolerance. Če hočemo meriti točno, potem si izberemo zunanjo referenco napetosti. S pomočjo komponente LM4040 (slika 5.17), ki ima toleranco ±0,1 % bomo dosegli bistveno točnejše rezultate [25]. Največji tok, ki ga vezje porabi, je 15mA. Edini potrebni zunanji element za delovanje je upor (slika 5.16) za določitev toka, ki ga porabi vezje, kondenzatorja 38

51 nista potrebna. Naprava deluje na principu Zenerjeve diode in porabi manjšo količino toka za regulacijo. Regulacija poteka tako, da na podlagi vhodne napetosti in toka odpira tranzistor. Tako določa, koliko toka bo teklo k masi. Slika 5.16: Precizna napetostna referenca realizirana s pomočjo komponente LM4040, ki je prikazana s simbolom Zener diode. Slika 5.17: Struktura komponente LM4040. Upor določimo s pomočjo enačbe (5.23), dane v specifikacijah elementa. Izberemo tok diode I Raref, ki naj bo manjši od 15mA in vhodno napetost, ki znaša 5V. Tok diode bo kjer je: I Raref 1mA, (5.23) I Raref tok skozi diodo (A). Med uporom in Zener diodo bo napetost 4,096V. Vrednost upora izračunamo iz izraza (5.23) 39

52 Vdd Aref 5V 4,096 R aref 904, (5.23) I 1mA Raref kjer je: R are upornost zaščitnega upora (Ω), V dd vhodna napetost (V) ter A ref izhodna napetost (V). Izračunali smo vrednost upora, katerega upornost je 904Ω, vendar je 909Ω najbliţja standardna vrednost s toleranco 1 %. 5.7 Preverjanje pravilnosti delovanja s simulacijo Preverili smo še pravilnost delovanja pretvornika navzdol (slika 5.18), tako da smo simulirali pretvornik navzdol pri dveh (10 in 100Ω) različnih omskih vrednostih bremena. Simulacije smo opravili v programu LTSpice. Na sliki 5.18 je prav tako razvidna vrsta analize, s katero smo izvedli simulacijo. V prilogi se nahaja tekstovni opis simulacije. Slika 5.18: Pretvornik navzdol z gonilnikom za P kanalni MOSFET. Slika 5.19 prikazuje: a) z modro krivuljo napetost na izhodu pretvornika v odvisnosti od časa, b) z rdečo krivuljo tok tuljave v odvisnosti od časa in c) z zeleno krivuljo tok bremena na izhodu v odvisnosti od časa. Upornost bremena znaša 100Ω. 40

53 Slika 5.19: Potek napetosti in toka pri 100Ω bremenu. Slika 5.20 prikazuje: a) z modro krivuljo napetost na izhodu pretvornika v odvisnosti od časa, b) z rdečo krivuljo tok tuljave v odvisnosti od časa in c) z zeleno krivuljo tok bremena na izhodu v odvisnosti od časa. Upornost bremena znaša 10Ω. Slika 5.20: Potek napetosti pri 10Ω bremenu. Slika 5.21 podrobneje prikaţe: a) z rdečo krivuljo tok skozi tuljavo v odvisnosti od časa in b) z zeleno krivuljo tok bremena na izhodu v odvisnosti od časa. Upornost bremena znaša 100Ω. Slika 5.21: Potek toka v tuljavi pri bremenu 100Ω. Slika 5.22 podrobneje prikaţe: a) z rdečo krivuljo tok skozi tuljavo in b) z zeleno krivuljo tok bremena na izhodu v odvisnosti od časa. Upornost bremena znaša 10Ω. 41

54 Slika 5.22: Potek toka v tuljavi pri bremenu 10Ω. Iz zgornjih grafov opazimo, da pretvornik navzdol pri večjih bremenih (10Ω) prevaja med periodami neprestano (angl. Continuous conduction mode ali CCM); tok tuljave ne pade na 0A. V tem primeru neprestano napajata breme tako kondenzator kot tuljava. Pri niţjih bremenih pa med periodami ne prevaja neprestano (Discontinuous conduction mode ali DCM); tok tuljave pade na 0A. Breme napaja kondenzator ter delno tuljava. Torej je pomembno, da je na izhodu pretvornika navzdol zadostno breme. 5.8 Izdelava tiskanin Tiskanino smo v celoti izdelali s pomočjo programa Altium designer. Najprej smo narisali vezje posameznega modula, nato smo še izdelali tiskanino. Zaradi laţjega testiranja smo vezje razdelili na več modulov, ki jih lahko uporabimo kot podlago za nadaljnji razvoj. Osnovno vezje, na katerem je pretvornik navzdol, je prikazano na sliki Slika 5.23: 2D pogled na tiskanino pretvornika navzdol. 42

55 Slika 5.24 prikazuje tiskano vezje merilnika toka z integriranim vezjem INA282, s katerim merimo vhodni tok. Slika 5.24: Merilnik toka na vhodu. Slika 5.25 prikazuje merilnik toka z integriranim vezjem LM358, ki vsebuje 2 operacijska ojačevalnika. To integrirano vezje uporabimo za merjenje izhodnega toka, tako lahko primerjamo razlike odstopanj pri meritvi toka na vhodu ter na izhodu. Slika 5.25: Merilnik toka na izhodu. 43

56 Slika 5.26 prikazuje tiskano vezje obeh merilnikov napetosti. Pri uporu, vezanemu na maso, smo še vzporedno dodali kondenzator vrednosti 10nF. Tako filtriramo visoko frekvenčne motnje. Slika 5.26: Merilnika napetosti. Slika 5.27 prikazuje vezje za diodo precizne referenčne napetosti in upora, kateri omejuje tok. Poleg teh dveh sta še na vhodu in izhodu po dva vzporedna kondenzatorja za stabilizacijo napetosti ter filtriranje motenj. Slika 5.27: Vir referenčne napetosti. 44

57 6 MERITVE IN REZULTATI S pomočjo meritev izdelanega vezja smo ugotovili pogreške merilnikov ter izkoristek iskanja vršne moči (v nadaljevanju MPPT). Najprej smo preverili, kako točno merijo merilniki toka in napetosti. To smo opravili tako, da smo meritve naših merilnikov primerjali z instrumentom, za katerega poznamo tolerančno območje. Izbrali smo si digitalni multimeter HAMEG HM (v nadaljevanju s krajšavo DMM). Iz obrazca, ki ga je podal proizvajalec, lahko vidimo meje merilne negotovosti enosmernih napetosti (slika 6.1). Slika 6.1: Merilna negotovost pri merjenju enosmerne napetosti DMM [27]. Absolutni pogrešek smo izračunali s pomočjo izraza (6.1) p x, (6.1) a x t kjer je: p a absolutni pogrešek, x dejanska prikazana vrednost ter x t točna vrednost. Relativni pogrešek izrazimo z enačbo (6.2) pa p r 100, (6.2) x t kjer je: p r relativni pogrešek (%). 45

58 V tabeli 6.1 so prikazani rezultati meritev merjenja napetosti na vhodu in izhodu. Meritvam merilnika vhodne napetosti smo prišteli 0,11V vrednosti, saj je tolikšno odstopanje (angl. offset) merilnika skozi celoten obseg meritev. Meritvam merilnika vhodne napetosti smo prišteli 0,12V. n DMM [V] Uvh [V] Tabela 6.1: Meritve napetosti Uizh [V] Absolutni pogrešek Uvh [V] Absolutni pogrešek Uizh [V] Relativni pogrešek Uvh [%] Relativni pogrešek Uizh [%] 1 0,206 0,170 0,180-0,036-0,026-17,476-12, ,301 0,300 0,310-0,001 0,009-0,332 2, ,400 0,390 0,400-0,010 0,000-2,500 0, ,500 0,490 0,500-0,010 0,000-2,000 0, ,600 0,580 0,590-0,020-0,010-3,333-1, ,700 0,680 0,680-0,020-0,020-2,857-2, ,800 0,770 0,780-0,030-0,020-3,750-2, ,900 0,890 0,900-0,010 0,000-1,111 0, ,000 0,990 1,000-0,010 0,000-1,000 0, ,102 1,080 1,090-0,022-0,012-1,996-1, ,500 1,490 1,500-0,010 0,000-0,667 0, ,999 1,990 2,000-0,009 0,001-0,450 0, ,000 4,000 4,010 0,000 0,010 0,000 0, ,000 6,010 6,020 0,010 0,020 0,167 0, ,000 7,990 7,991-0,010-0,009-0,125-0, ,000 10,000 10,000 0,000 0,000 0,000 0, ,000 12,010 12,010 0,010 0,010 0,083 0, ,000 13,990 14,000-0,010 0,000-0,071 0, ,000 15,990 15,990-0,010-0,010-0,062-0, ,000 18,000 18,000 0,000 0,000 0,000 0, ,996 20,010 20,010 0,014 0,014 0,070 0, ,000 22,020 22,010 0,020 0,010 0,091 0, ,000 24,030 24,020 0,030 0,020 0,125 0, ,000 26,040 26,030 0,040 0,030 0,154 0, ,000 28,040 28,040 0,040 0,040 0,143 0, ,000 30,030 30,010 0,030 0,010 0,100 0,033 46

59 Relativni pogrešek [%] Napetost merjena z vhodnim merilnikom napetosti [V] Slika 6.2 prikazuje napetost, merjeno z merilnikoma napetosti, v odvisnosti merjene napetosti z DMM, slika 6.3 pa vse relativne pogreške meritev. 35 Uvh v odvisnosti od DMM Uizh v odvisnosti od DMM Napetost merjena z DMM [V] Slika 6.2: Meritev napetosti z vhodnim in izhodnim merilnikom napetosti v odvisnosti od meritve napetosti z DMM. Relativni pogrešek merilnikov napetosti (celoten) Pogrešek Uvh pogrešek Uizh Napetost merjena z DMM [V] Slika 6.3: Relativni pogrešek merilnikov napetosti (celoten). Ugotovimo, da imata oba merilnika zelo majhen relativen pogrešek v delu, ki je za nas pomemben. Tisti del na začetku ima sicer velik relativen pogrešek, vendar za nas ni pomemben, ker so pričakovane vrednosti, tako na vhodu kot izhodu, višje. Slika 6.4 prikazuje podrobnejši pogled relativnih pogreškov tistega dela, ki je za nas pomemben. Vidimo, da so pogreški v področju, ki je za nas pomemben, manjši od 1 %. 47

60 Relativni pogrešek [%] -3,0-2,0-1,0 0,0 1,0 Relativni pogrešek merilnikov napetosti Pogrešek Uvh pogrešek Uizh Napetost merjena z DMM [V] Slika 6.4: Relativni pogrešek merilnikov napetosti. Izračunali smo še srednji pogrešek posamezne meritve oziroma standardno deviacijo. Ker ne poznamo prave vrednosti merjene količino, smo jo podali z izrazom (6.3) [22] s 1 n 1 n 2 v i i 1, (6.3) kjer je: s standardna variacija, v i navidezni pogrešek, podan z izrazom (6.4) ter n število meritev. kjer je: v x, (6.4) i x i x aritmetična srednja vrednost meritve (V), x i merjena veličina (V). Aritmetično srednjo vrednost meritve podamo z izrazom (6.5) 1 x n n x i i 1 (6.5) 48

61 Standardna deviacija vhodnega merilnika napetosti znaša 10,218, standardna deviacija izhodnega merilnika napetosti pa znaša 10,211. Izmerili smo še točnost merilnikov toka. Kot lahko vidimo pri obeh merilnikih, krmilnik ni zaznal zelo nizkih tokov (tabela 6.2). Pri vhodnem merilniku zazna šele pri 17mA, pri izhodnem pa šele pri tokovih, večjih od 51mA. Meritve smo primerjali z DMM. Iz obrazca, ki ga je podal proizvajalec, lahko vidimo meje merilne negotovosti enosmernih tokov (slika 6.5). Slika 6.5: Merilne negotovosti pri merjenju enosmernega toka DMM [27]. V tabeli 6.2 prikaţemo rezultate meritev. V zadnjima dvema stolpcema so prikazani pogreški meritev tokovnega merilnika. Tabela 6.2: Primerjanje rezultatov meritev vhodnega merilnika toka z DMM n DMM [A] Ivh [A] Absolutni pogrešek DMM - Ivh [A] Relativni pogrešek [%] 1 0,017 0,018 0,001 5, ,050 0,05 0,000-0, ,100 0,098-0,002-2, ,300 0,298-0,002-0, ,509 0,506-0,003-0, ,705 0,703-0,002-0, ,902 0,899-0,003-0, ,100 1,098-0,002-0, ,300 1,295-0,005-0, ,600 1,596-0,004-0, ,996 1,992-0,004-0, ,510 2,508-0,002-0, ,822 2,829 0,007 0,248 Absolutni pogrešek smo izračunali s pomočjo enačbe (6.1), relativni pogrešek pa s pomočjo enačbe (6.2). 49

62 Relativni pogrešek *%+ Tok merjen z vhodnim Slika 6.6 prikazuje vhodni tok, merjen z merilnikom vhodnega toka v odvisnosti merjenega vhodnega toka z DMM, slika 6.7 pa relativne pogreške celotne meritve vhodnega toka. Meritvam merilnika izhodnega toka smo prišteli 0,014A vrednosti, saj je tolikšno odstopanje merilnika skozi celoten obseg meritev. 3 merilnikom toka [A] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 Ivh v odvisnosti od DMM Tok merjen z DMM [A] Slika 6.6: Meritev toka z vhodnim merilnikom toka v odvisnosti od meritve toka z DMM ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3, Relativni pogrešek merilnika vhodnega toka (celotna meritev) Tok merjen z DMM [A] Relativni pogrešek Slika 6.7: Relativni pogrešek vhodnega merilnika toka (INA282) (celotna meritev). Slika 6.8 prikazuje relativne pogreške meritve vhodnega toka, in sicer samo tisti del, ki je za nas pomemben (vrednosti, ki jih pričakujemo). Večina pogreškov je znotraj 1 %. 50

63 Relativni pogrešek *%+ 0,5 Relativni pogrešek merilnika vhodnega toka 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0-0,5-1,0-1,5-2,0-2,5 Tok merjen z DMM [A] Relativni pogrešek Slika 6.8: Relativni pogrešek vhodnega merilnika toka. V tabeli 6.3 prikaţemo rezultate meritev. V zadnjima dvema stolpcema so prikazani pogreški meritev tokovnega merilnika. Meritvam merilnika izhodnega toka smo prišteli 0,04A vrednosti, saj je tolikšno odstopanje merilnika skozi celoten obseg meritev. Tabela 6.3: Primerjanje rezultatov meritev izhodnega merilnika toka z DMM n DMM [A] Iizh [A] Absolutni pogrešek Iizh [A] Relativni pogrešek [%] 1 0,051 0,051 0,000 0, ,075 0,076 0,001 1, ,100 0,100 0,000 0, ,300 0,304 0,004 1, ,500 0,504 0,004 0, ,700 0,707 0,007 1, ,900 0,908 0,008 0, ,100 1,111 0,011 1, ,300 1,321 0,021 1, ,600 1,615 0,015 0, ,994 2,013 0,019 0, ,490 2,520 0,030 1, ,829 2,626-0,203-7,176 Absolutni pogrešek smo izračunali s pomočjo enačbe (6.1), relativni pogrešek pa s pomočjo enačbe (6.2). 51

64 Relativni pogrešek *%+ Tok merjen z izhhodnim merilnikom toka [A] Slika 6.9 prikazuje izhodni tok, merjen z merilnikom izhodnega toka v odvisnosti merjenega izhodnega toka z DMM, slika 6.10 pa relativne pogreške meritev izhodnega toka. 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0,000 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 Tok merjen z DMM [A] Iizh v odvisnosti od DMM Slika 6.9: Meritev tok z izhodnim merilnikom toka v odvisnosti od meritve toka z DMM ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3, Tok merjen z DMM [A] Relativni pogrešek Iizh Slika 6.10: Celoten relativni pogrešek izhodnega merilnika toka (LM358). Ugotovili smo, da slednji merilnik toka ni zmoţen meriti tokov, večjih od 2,5A (slika 6.6), saj pri tej vrednosti preide v nasičenje. Slika 6.11 podrobneje prikazuje območje (v katerem pričakujemo vrednosti toka) relativnih pogreškov za izhodni merilnik toka. 52

65 Relativni pogrešek *% ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3, Tok merjen z DMM [A] Relativni pogrešek Iizh Slika 6.11: Celoten relativni pogrešek izhodnega merilnika toka. Po enačbah (6.3,6.4 in 6.5) smo še izračunali standardno deviacijo. Za vhodni merilnik toka znaša 0,936,. za izhodni merilnik toka pa je standardna deviacija 0,904. Na koncu smo še pomerili delovanje algoritma za sledenje vršne moči. Meritve smo opravili s poli-kristalno celico. Merili smo prenos moči na svinčevo baterijo (6 celično). S krmilnikom smo pomerili vhodni tok in vhodno napetost ter izhodni tok in izhodno napetost. Iz teh rezultatov smo nato izračunali izkoristek. Prve meritve smo opravili brez diode, vezane zaporedno med sončno celico in pretvornikom navzdol (tabela 6.4), ter nato še z diodo (tabela 6.5). Dioda preprečuje, da tok teče v sončno celico. Vrstica rumene barve ponazarja meritve pri sončnem vremenu, vrstica modre barve pa ponazarja meritve pri oblačnem vremenu. Izkoristek smo izračunali s pomočjo izraza (6.6) Pizh 100, (6.6) P vh kjer je: izkoristek moči (%), P izh izhodna moč pretvornika (W) ter P vh vhodna moč pretvornika (W). 53

66 Tabela 6.4: Rezultati meritev izkoristka pretvornika z iskanjem vršne moči brez diode n Uvh [V] Ivh [A] Uizh [V] Iizh [A] Pvh [W] Pizh [W] Izkoristek [%] 1 12,93 0,482 12,89 0,46 6,232 5,929 95, ,56 0,211 12,55 0,18 2,650 2,259 85,240 Tabela 6.5: Rezultati meritev izkoristka pretvornika z iskanjem vršne moči z diodo n Uvh [V] Ivh [A] Uizh [V] Iizh [A] Pvh [W] Pizh [W] Izkoristek [%] 1 12,97 0,49 12,89 0,47 6,3553 6, , ,56 0,136 12,55 0,12 1, ,506 88,165 Kot opazimo iz tabele, je izkoristek malce večji takrat, ko vezava vsebuje diodo. Ker sončna celica ne premore toka, večjega kot 560mA, smo nato še pomerili izkoristek prenosa moči iz laboratorijskega napajalnika na drsni upor. Meritve smo opravili pri 0,6A, 1A in 2A (tabela 6.6, 6.7 in 6.8). Tabela 6.6 prikazuje izkoristek pretvornika pri uporabi MPPT algoritma, pri toku 0,6A. Tabela 6.6: Izkoristek pretvornika pri 0,6A Uvh [V] Ivh [A] Pvh [W] Uizh [V] Iizh [A] Pizh [W] Izkoristek [%] 13,64 0,607 8, ,387 0,581 7, ,94125 Tabela 6.7 prikazuje izkoristek pretvornika pri uporabi MPPT algoritma, pri toku okoli 1A. Tabela 6.7: Izkoristek pretvornika pri 1A Uvh [V] Ivh [A] Pvh [W] Uizh [V] Iizh [A] Pizh [W] Izkoristek [%] 15,6 0,995 15,522 7,6 1,794 13, ,839 Tabela 6.8 prikazuje izkoristek pretvornika pri uporabi MPPT algoritma, pri toku 2A. 54

67 Izkoristek [%] Tabela 6.8: Izkoristek pretvornika pri 2A Uvh [V] Ivh [A] Pvh [W] Uizh [V] Iizh [A] Pizh [W] Izkoristek [%] 15, ,1 6,958 3,664 25, ,975 Kot vidimo iz rezultatov meritev (slika 6.13), se izkoristek manjša pri večjemu toku. Merjenje pri tokovih, večjih kot 2A, ni bilo izvedljivo (tabela 6.6, 6.7 in 6.8) ,5 1 1,5 2 2,5 Tok [A] Izkoristek MPPT algoritma Slika 6.12: Izkoristek algoritma MPPT v odvisnosti od toka. 55

68 Izkoristek [%] ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Tok [A] Izkoristek MPPT algoritma Slika 6.13: Izkoristek moči pri izvajanju algoritma MPPT v odvisnosti od toka. Kot lahko opazimo na grafu (slika 6.14), dobimo največji izkoristek pri toku 0,5A. Vpisani so izkoristki iz tabel (6.4, 6.5, 6.6, 6.7 in 6.8). 56

69 7 SKLEP Cilj diplomskega dela je izdelava polnilnika baterij, ki lahko polni nekatere litij-ionske baterije in svinčeve baterije na osnovni način. Polnilnik bi naj poleg polnjenja še sledil vršni moči sončne celice. Za delovanje v zgoraj naštetih načinih potrebuje krmilnik merilnike napetosti in toka. Ker smo postopoma gradili vezje, je namesto ene celote nastalo več modulov. Poleg vezja smo še napisali programsko kodo za algoritme (sledenje točki vršne moči ter polnjenje s konstantnim tokom in konstantno napetostjo). Na podlagi virov in literature smo uspešno izdelali celotno vezje (pretvornik navzdol, merilniki tokov in napetosti, temperaturni senzor ter vizualni vmesnik). Vezje je skozi meritve opravljalo svojo vlogo. Pri merjenju izkoristka MPPT (sledenje vršne moči) algoritma smo pri niţjih tokovih na izhodu izmerili 94 % izkoristek pretvornika navzdol. Pri enaki meritvi, vendar z višjimi tokovi, smo izmerili malo manjši izkoristek. Prav tako smo opazili, da se kondenzatorja pri višjih tokovih rahlo segrevata. To bi lahko izboljšali tako, da bi vzeli več vzporedno vezanih kondenzatorjev. Valovitost izhodne napetosti pretvornika navzdol je bila malenkost večja od ţelene. Merilnika toka sta imela manjša odstopanja v primerjavi z meritvami DMM. Merilnika napetosti pa sta imela malenkost večja odstopanja, v primerjavi z meritvami DMM. Vezje bi lahko izboljšali tako, da bi namesto enega pretvornika navzdol uporabili več pretvornikov. Vsak bi bil nastavljen na zelo majhno napetostno območje. Poleg tega bi morali uporabit več kondenzatorjev na vhodu in izhodu, saj imata ta dva preveliko upornost in se grejeta pri večjih tokovih, kar povzroča izgube. Pri vsakem, vhodnem in izhodnem kondenzatorju, bi vzporedno vezali še tantalov in keramični kondenzator, tantalov kondenzator kapacitivnosti 100µF, keramični kondenzator pa kapacitivnosti 100nF. Pri sončnih celicah manjše moči ni moţno polnit baterij z večjo kapaciteto v primeru, da je krmilnik prav tako napajan preko te iste sončne celice. To pa zato, ker se napetost preveč zniţa. Glede uporabniškega vmesnika bi namesto LCD zaslona, ki prikazuje informacije o polnjenju, uporabili samo svetilne indikatorje, ki bi nakazovali na osnovna stanja (polnjenje, končano polnjenje, sledenje vršni točki moči). V zvezi s problemom pri programiranju, bi namesto pisanja kode v Arduino programskem okolju, pisali v Atmel programskem okolju, saj ima Arduino v svojih knjiţnicah za ukaze mnogo drugih nastavitev. Cikli izvajanja ukazov pri programu, pisanem v Arduino okolju, so 57

70 bistveno daljši, kar pomeni, da se zanka lahko izvaja počasneje. To vpliva na izkoristek tako pri sledenju vršne točke moči kot pri polnjenju, še posebej pri nihanju moči sončne celice. 58

71 VIRI IN LITERATURA [1] Wikipedia. Dostopno na: [ ]. [2] Komp, R. TedEd. Dostopno na: [ / video]. [3] Nova. Dostopno na: [ ]. [4] Solar Energy. Inforse. Dostopno na: [ ]. [5] Beaudet, A. MPPT vs PWM Solar Charge Controllers. Altestore. Dostopno na: [ ]. [6] Alternative energy. Common Types of Solar Cells. Dostopno na: [ ]. [7] M. Rosu-Hamzescu in S. Oprea. Practical Guide to Implementing Solar Panel MPPT Algorithms. Microchip Technol. Inc., How to implement MPPT using Most Pop. Switch. power supply Topol., (2013), str [8] Battery University. Dostopno na: [ ]. [9] Battery Basics. Progressive dynamics. Dostopno na: [ ]. [10] York, B. Lead-Acid Batteries. UCSB. Dostopno na: [ ] [11] Morrison D. Li-Ion Cells Build Better Batteries for Power Tools. Analog Feedback, št. Februar, Dostopno na: [ ] 59

72 [12] Rosu-Hamzescu, M., Oprea, S. High-Power CC/CV Battery Charger using an Inverse SEPIC (Zeta) Topology. Microchip Technology, (2012), str [13] C. Simpson. Characteristics of Rechargeable Batteries. Natl. Semicond., (2011), str [14] R. Perez. Lead-Acid Battery State of Charge vs. Voltage, Home Power, št. September, (1993), str [15] Hauke, B. Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage. Texas Instruments, (2015), št. August, str Dostopno na: [ ] [16] Atmel AT Design a Buck Converter with XMEGA, Dostopno na: [ ]. [17] D. Schelle in J. Castorena, Buck-Converter Design Demystified, Power Electron. Technol., št. June, str , [18] R. Nowakowski in N. Tang, Efficiency of synchronous versus nonsynchronous buck converters, Analog Appl., [19] Nowakowski, R., King, B. Choosing the optimum switching frequency of your DC/DC converter. Texas Instruments, EETimes. Dostopno na: [ ]. [20] Tuite, D. What's the Difference Between High- Side And Low-Side Current Sensing. Electronic design, Dostopno na: [ ]. [21] Current Shunt Monitors. Texas Instruments, Dostopno na: [ ]. [22] Solar, M. (2001). Meritve v elektroniki. Maribor: Zaloţništvo FERI. 60

73 [23] Analog Device, Low Voltage Temperature Sensors TMP35/TMP36/TMP37, Analog Device, Dostopno na: [ ]. [25] LM4040-N / -Q1 Precision Micropower Shunt Voltage Reference. Texas Instruments, Dostopno na: [ ] [26] Ece, University of Idaho. Dostopno na: rd_values.pdf [ / pdf]. [27] HAMEG. Modular system Test Equipment Depot. Dostopno na: [ ]. [24] I. Sram in W. E. Cycles, Atmel ATmega640 / V-1280 / V-1281 / V-2560 / V-2561 / V Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits, Dostopno na: [ ]. [28] Bindra, A. Trade offs In Switching High Input Voltage Step Down Converters at High Frequencies. Electronic Products, Dostopno na: [ ]. 61

74 PRILOGE Priloga A Slika 0.1 Tehnični podatki sončne celice, uporabljene pri meritvah 62