Pengcharger Solar MPPT Berbasis Arduino untuk Penyerapan Daya PV Optimal
Komponen dan Perlengkapan
Arduino Nano R3
×
1
Induktor 100 uH
daya arus harus sesuai dengan daya yang Anda butuhkan.
×
1
Power MOSFET N-Channel
×
1
Adafruit Standard LCD - 16x2 Putih pada Biru
×
1
Alat dan Mesin yang Diperlukan
Pakuled (umum)
Aplikasi dan Layanan Online
Arduino IDE
Tentang Proyek Ini
Ada banyak pengontrol charger yang tersedia di pasaran, tetapi pengontrol charger murah biasa tidak efisien untuk digunakan dengan daya maksimum dari panel surya. Dan yang efisien sangat mahal.
Jadi saya memutuskan untuk membuat pengontrol charger sendiri yang efisien dan cukup cerdas untuk memahami kebutuhan baterai dan kondisi surya. Ini mengambil tindakan yang tepat untuk menarik daya maksimum yang tersedia dari surya dan memasukkannya ke dalam baterai dengan sangat efisien.
Jika Anda suka usaha saya, silakan pilih tutorial ini.
Langkah 1: Apa Itu MPPT dan Mengapa Kita Membutuhkannya?
Panel surya kita bodoh dan tidak cukup cerdas untuk memahami kondisi baterai. Asumsikan kita memiliki panel surya 12v/100 watt dan akan memberikan output antara 18V-21V tergantung pada pabrikan, tetapi baterai ditetapkan untuk tegangan nominal 12v. Pada kondisi terisi penuh mereka akan 13.6v dan akan 11.0v pada penurunan daya penuh. Sekarang asumsikan baterai kita sedang diisi pada 13v, panel memberikan 18v, 5.5A pada efisiensi kerja 100% (tidak mungkin untuk memiliki 100% tetapi asumsikan saja). Pengontrol biasa memiliki regulator tegangan PWM ckt yang menurunkan tegangan ke 13.6 tanpa peningkatan arus. Ini hanya memberikan perlindungan terhadap overcharging dan arus bocor ke panel pada malam hari.
Untuk mengatasi masalah ini, saya telah menggunakan konverter buck smps. Jenis konverter ini memiliki efisiensi di atas 90%. Bahkan 90% dianggap buruk.
Masalah kedua yang kita miliki adalah output non-linear dari panel surya. Mereka perlu dioperasikan pada tegangan tertentu untuk mengebut daya maksimum yang tersedia. Output mereka bervariasi sepanjang hari.
Untuk mengatasi masalah ini, algoritma MPPT digunakan. MPPT (Maximum Power Point Tracking) seperti yang namanya tunjukkan, algoritma ini melacak daya maksimum yang tersedia dari panel dan memvariasi parameter output untuk mempertahankan kondisi tersebut.
Jadi dengan menggunakan MPPT panel kita akan menghasilkan daya maksimum yang tersedia dan konverter buck akan memasukkan charge ini ke dalam baterai secara efisien.
Langkah 2: Bagaimana MPPT Bekerja?
Saya tidak akan membahas ini secara detail, jadi jika Anda ingin memahaminya, lihat tautan ini - Apa Itu MPPT?
Dalam proyek ini saya telah melacak karakteristik V-I input dan output V-I, juga. Dengan mengalikan input V-I dan output V-I kita dapat memiliki daya dalam watt.
Misalkan kita memiliki 17 V 5 A, yaitu 17x5 = 85 watt, kapan pun pada hari itu. Pada saat yang sama output kita adalah 13 V 6A, yaitu 13x6 = 78 Watt.
Sekarang MPPT akan meningkat atau menurunkan tegangan output dengan membandingkan dengan daya input/output sebelumnya.
Jika daya input sebelumnya tinggi dan tegangan output lebih rendah dari sekarang, maka tegangan output akan diturunkan lagi untuk kembali ke daya tinggi. Dan jika tegangan output tinggi, maka tegangan sekarang akan ditingkatkan ke level sebelumnya. Dengan demikian itu terus berosilasi di sekitar titik daya maksimum. Osilasi ini diminimalkan oleh algoritma MPPT yang efisien.
Langkah 3: Menerapkan MPPT pada Arduino
Ini adalah otak dari charger ini. Berikut adalah kode Arduino untuk mengatur output dan menerapkan MPPT dalam satu blok kode.
Saya telah menggunakan MOSFET N-channel untuk membuat konverter buck. Biasanya orang memilih MOSFET P-channel untuk switching sisi tinggi dan jika mereka memilih MOSFET N-channel untuk tujuan yang sama maka driver IC akan diperlukan atau boot strapping ckt.
Tetapi saya memodifikasi rangkaian konverter buck untuk memiliki switching sisi rendah menggunakan MOSFET N-channel. Saya menggunakan N-channel karena ini biaya rendah, daya rating tinggi dan disipasi daya lebih rendah. Proyek ini menggunakan MOSFET logic level IRFz44n, jadi dapat dioperasikan langsung oleh pin PWM Arduino.
Untuk arus beban lebih tinggi, seseorang harus menggunakan transistor untuk memberikan 10V pada gate untuk mendapatkan MOSFET ke dalam saturasi sepenuhnya dan meminimalkan disipasi daya. Saya telah melakukan hal yang sama.
Seperti yang dapat Anda lihat pada ckt di atas, saya menempatkan MOSFET pada tegangan -ve, sehingga menggunakan +12v dari panel sebagai ground. Konfigurasi ini memungkinkan saya untuk menggunakan MOSFET N-channel untuk konverter buck dengan komponen minimum.
Tetapi itu juga memiliki beberapa kekurangan. Karena Anda memiliki kedua sisi tegangan -ve terpisah, Anda tidak lagi memiliki ground referensi umum. Jadi pengukuran tegangan sangat rumit.
Saya telah menghubungkan Arduino di terminal input surya, menggunakan garis -venya sebagai ground untuk Arduino. Kita dapat dengan mudah mengukur tegangan input pada titik ini dengan menggunakan rangkaian pembagi tegangan sesuai kebutuhan kita. Tetapi kita tidak dapat mengukur tegangan output dengan mudah karena kita tidak memiliki ground umum.
Sekarang untuk melakukan ini ada trik. Alih-alih mengukur tegangan di seluruh kapasitor output, saya telah mengukur tegangan antara dua garis -ve. Menggunakan solar -ve sebagai ground untuk Arduino dan output -ve sebagai sinyal/tegangan yang akan diukur. Nilai yang Anda dapatkan dengan pengukuran ini harus dikurangi dari tegangan input yang diukur dan Anda akan mendapatkan tegangan output sebenarnya di seluruh kapasitor output.
Vout_sense_temp=Vout_sense_temp*0.92+float(raw_vout)*volt_factor*0.08; //measure volatge across input gnd and output gnd.<br> Vout_sense=Vin_sense-Vout_sense_temp-diode_volt; //change voltage difference between two grounds to output voltage..
Untuk pengukuran arus saya telah menggunakan modul sensing arus ACS-712. Mereka telah diberi daya oleh Arduino dan terhubung ke input GND.
Timer internal dimodifikasi untuk mendapatkan 62.5 Khz PWM pada pin D6, yang digunakan untuk menggerakkan MOSFET. Diod blokir output akan diperlukan untuk memberikan perlindungan kebocoran kebalik dan polaritas kebalik gunakan dioda Schottky dengan rating arus yang diinginkan untuk tujuan ini. Nilai induktor tergantung pada frekuensi dan persyaratan arus output. Anda dapat menggunakan kalkulator konverter buck yang tersedia online atau gunakan 100uH 5A-10A beban. Jangan pernah melebihi arus output maksimum induktor sebesar 80%-90%.
Langkah 5: Sentuhan Akhir
Anda juga dapat menambahkan fitur tambahan pada charger Anda. Milik saya memiliki LCD untuk menampilkan parameter dan 2 switch untuk mengambil input dari pengguna.
Saya akan memperbarui kode akhir dan diagram rangkaian lengkap segera.
Langkah 6: Diagram Rangkaian Sebenarnya, BOM & Kode
UPDATE:
Saya telah mengunggah kode, bom, dan rangkaian. Ini sedikit berbeda dari milik saya, karena membuat yang ini lebih mudah.
Solar_charger_tutorial_code.ino
Kode
Solar_charger_tutorial_code.ino
Solar_charger_tutorial_code.inoArduino
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //Terms of use /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR //IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, //FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE //AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER //LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, //OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN //THE SOFTWARE. /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// #include <LiquidCrystal.h> #include <avr/wdt.h> #include <EEPROM.h> #define vin_pin A1 #define vout_pin A0 #define iout_pin A2 #define iin_pin A3 #define lm35 A4 #define fan 5 #define buck_pin 6 #define menu 3 #define button 2 #define led 13 #define charge_led A5 #define light 4 uint8_t auto_mode= 1; float Pin=0,Pout=0,Pin_previous=0; float efficiency=0.0; int raw_vin=0, raw_vout=0, raw_iout=0,raw_iin=0, raw_lm35=0; float Vout_boost=14.5,Vout_max=15.0, Iout_max=5.0, Vout_float=13.5, Iout_min=0.00,Vin_thresold=10.0; float Iout_sense,Iin_sense,Iin; float Vout_sense,Vin_last; float heat_sink_temp; float Vin_sense; uint8_t duty_cycle = 0; float volt_factor = 0.05376; //change this value to calibrate voltage readings... String mode=""; bool startup=true, lcd_stat=true,charge=true,mppt_init = true; unsigned int count=0; LiquidCrystal lcd(7, 8, 9, 10, 11, 12); void lcd_show(String data,int column, int row); void UI(); void set_limits(int cmd,int temp); void mem_read(); void mem_write(); void mppt(); void setup() { wdt_disable(); watchdogSetup(); // put your setup code here, to run once: Serial.begin(115200); mem_read(); pinMode(light,OUTPUT); pinMode(charge_led,OUTPUT); digitalWrite(charge_led,LOW); digitalWrite(light,HIGH); pinMode(led,OUTPUT); pinMode(fan,OUTPUT); pinMode(menu,INPUT); pinMode(button,INPUT); digitalWrite(menu,HIGH); digitalWrite(button,HIGH); TCCR0B = TCCR0B & 0b11111000 | 0x01; / set pwm at Max... 62.5 Khz analogWrite(buck_pin,0); lcd.begin(16,2); lcd_show("Solar Charger",0,0); delay(64000); wdt_reset(); delay(64000); wdt_reset(); lcd_show("Vi Vb Ib ",0,0); ////////////////// for(int i=0;i<10;i++) { raw_iout += analogRead(iout_pin)-513; raw_iin += analogRead(iin_pin)-513; raw_vin += analogRead(vin_pin); raw_vout += analogRead(vout_pin); raw_lm35 += analogRead(lm35); delay(2); } raw_iout=raw_iout/10; raw_iin=raw_iin/10; raw_vout=raw_vout/10; raw_vin=raw_vin/10; Iout_sense=float(raw_iout)*5/1023/0.066; Iin_sense=float(raw_iin)*5/1023/0.066; Vout_sense_temp=float(raw_vout)*volt_factor; Vin_sense=float(raw_vin)*volt_factor; // heat_sink_temp = raw_lm35*0.48; // 0.0049*1000/10 // heat_sink_temp = heat_sink_temp-273.15; //uncomment if using LM235 } ////////// void watchdogSetup(void) { cli(); // disable all interrupts wdt_reset(); // reset the WDT timer // Enter Watchdog Configuration mode: WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE); // Set Watchdog settings: WDTCSR = (1<<WDIE) | (1<<WDE) | (1<<WDP3) | (0<<WDP2) | (0<<WDP1) | (1<<WDP0); sei(); } /////// ISR(WDT_vect) // Watchdog timer interrupt. { Serial.println(""WDT reset."); asm volatile ( " jmp 0" ); // Include your code here - be careful not to use functions they may cause the interrupt to hang and // prevent a reset. } ///// ////This function provides various regulations and MPPT implementation... void regulate(float Iout, float Vin, float Vout) { mode=""; mode="Buck mode"; if((Vout>Vout_max) || (Iout>Iout_max) || ((Pin>Pin_previous && Vin_sense<Vin_last) || (Pin<Pin_previous && Vin_sense>Vin_last))) { if(duty_cycle>0) { duty_cycle-=1; } analogWrite(buck_pin,duty_cycle); } else if((Vout<Vout_max) && (Iout<Iout_max) && ((Pin>Pin_previous && Vin_sense>Vin_last) || (Pin<Pin_previous && Vin_sense<Vin_last))) { if(duty_cycle<250) { duty_cycle+=1; } analogWrite(buck_pin,duty_cycle); } Pin_previous = Pin; Vin_last = Vin; } void auto_cutoff(float Iout,float Vin, float Vout){ //////////// if(Vout<=Vout_float && Iout>Iout_min+1){ charge = true; } ///////////// if((Vout>Vout_max) && (Iout<Iout_min) && (charge==true)) { charge = false; Serial.println("Charging Completed."); digitalWrite(led,HIGH); digitalWrite(charge_led,LOW); } else if(Vin<Vin_thresold) { duty_cycle=0; analogWrite(buck_pin,duty_cycle); Serial.println("LOW Input Voltage."); lcd_show("Input Volt. Low ",0,1); wdt_reset(); for(int i=0;i<10;i++){ digitalWrite(led,HIGH); digitalWrite(charge_led,LOW); delay(6000); digitalWrite(charge_led,HIGH); digitalWrite(led,LOW); delay(6000); } wdt_reset(); } else if(heat_sink_temp>80.0){ duty_cycle=0; analogWrite(buck_pin,duty_cycle); Serial.println("Over Heat Shutdown"); lcd_show("Over Heat Fail ",0,1); wdt_reset(); for(int i=0;i<10;i++){ digitalWrite(led,HIGH); digitalWrite(charge_led,LOW); delay(4000); digitalWrite(charge_led,HIGH); digitalWrite(led,LOW); delay(4000); } wdt_reset(); } else { charge = true; digitalWrite(charge_led,HIGH); regulate(Iout_sense, Vin_sense, Vout_sense); digitalWrite(led,LOW); } } void soft_start() { for(int i=0;i<20;i++) { regulate(Iout_sense, Vin_sense, Vout_sense); Serial.print("Vin= ");Serial.println(Vin_sense); Serial.print("Vout= ");Serial.println(Vout_sense); Serial.print("Iout= ");Serial.println(Iout_sense); Serial.print("Duty cycle= ");Serial.println(duty_cycle); Serial.print("Charger MODE : ");Serial.println(mode); Serial.println("Soft Start Activated"); delay(32000); } startup=false; mppt_init = false; } void lcd_show(String data,int column, int row) { lcd.setCursor(column,row); if(data.length()>0) { for(int i=0;i<data.length();i++) { lcd.print(" "); } lcd.setCursor(column,row); lcd.print(data); } } void lcd_num(float num,int column, int row){ lcd.setCursor(column,row); for(int i=0;i<6;i++) { lcd.print(" "); } lcd.setCursor(column,row); lcd.print(num); } void UI(){ int cmd=0,i=0 ; while(i==0){ wdt_reset(); if(digitalRead(menu)==LOW){ cmd+=1; delay(64000); } switch(cmd){ case 1: lcd_show("Vb Boost=",0,0); lcd_num(Vout_boost,9,0); while(digitalRead(menu)==HIGH){ wdt_reset(); if(digitalRead(button)==LOW){ Vout_boost+=0.02; if(Vout_boost>17.0){ Vout_boost=0; } delay(8000); lcd_num(Vout_boost,9,0); }} break; case 2: lcd_show("Vb Float=",0,0); lcd_num(Vout_float,9,0); while(digitalRead(menu)==HIGH){ wdt_reset(); if(digitalRead(button)==LOW){ Vout_float+=0.02; if(Vout_float>17.0){ Vout_float=0; } delay(8000); lcd_num(Vout_float,9,0); } } break; case 3: lcd_show("Ib max.= ",0,0); lcd_num(Iout_max,9,0); while(digitalRead(menu)==HIGH){ wdt_reset(); if(digitalRead(button)==LOW){ Iout_max+=0.05; if(Iout_max>20.0){ Iout_max=0; } delay(8000); lcd_num(Iout_max,9,0); } } break; case 4: lcd_show("Ib min.= ",0,0); lcd_num(Iout_min,9,0); while(digitalRead(menu)==HIGH){ wdt_reset(); if(digitalRead(button)==LOW){ Iout_min+=0.05; if(Iout_min>20.0){ Iout_min=0.0; } delay(8000); lcd_num(Iout_min,9,0); } } break; case 5: lcd_show("Vin min.= ",0,0); lcd_num(Vin_thresold,9,0); while(digitalRead(menu)==HIGH){ wdt_reset(); if(digitalRead(button)==LOW){ Vin_thresold+=0.02; if(Vin_thresold>18.0){ Vin_thresold=0; } delay(8000); lcd_num(Vin_thresold,9,0); } } break; case 6: lcd_show("Choose Mode ",0,0); lcd_show("Auto Mode ",0,1); while(digitalRead(menu)==HIGH){ wdt_reset(); if(digitalRead(button)==LOW){ auto_mode=~auto_mode; if(auto_mode){ lcd_show("Auto Mode ON ",0,1); } else { lcd_show("Auto Mode OFF ",0,1); } delay(32000); } } break; case 7: lcd_show("Press Men+u to ",0,0); lcd_show("Save & Exit. ",0,1); while(digitalRead(menu)==HIGH){ wdt_reset(); } //Save Setting to EEPROM. mem_save(); setup(); i=1; break; } } } //////// void mem_save(){ uint8_t value=0; for(int i =0;i<7;i++){ EEPROM.write(i,0); } value = Vout_boost*10; EEPROM.write(1,value); value = Vout_float*10; EEPROM.write(2,value); value = Iout_max*10; EEPROM.write(3,value); value = Iout_min*10; EEPROM.write(4,value); // EEPROM.write(5,auto_mode); value = Vin_thresold*10; EEPROM.write(6,value); } ///// void mem_read(){ Vout_boost=float(EEPROM.read(1))/10; Vout_float=float(EEPROM.read(2))/10; Iout_max = float(EEPROM.read(3))/10; Iout_min = float(EEPROM.read(4))/10; // auto_mode = EEPROM.read(5); Vin_thresold = float(EEPROM.read(6))/10; for(int i =0;i<7;i++){ Serial.println(float(EEPROM.read(i))/10); } } void set_limits(int cmd,int temp){ switch(cmd) { case 1: Vout_boost=float(temp)/10; Serial.print("Vout_boost= "); Serial.println(Vout_boost); break; case 2: Vout_float=float(temp)/10; Serial.print("Vout_float= "); Serial.println(Vout_float); break; case 3: Iout_max=float(temp)/10; Serial.print("Iout_max= "); Serial.println(Iout_max); break; case 4: Iout_min=float(temp)/10; Serial.print("Iout_min= "); Serial.println(Iout_min); break; case 5: auto_mode=~auto_mode; if(auto_mode==1){ Serial.println("Auto Mode ON "); } else { Serial.println("Auto Mode OFF "); } break; case 6: Vin_thresold=float(temp)/10; Serial.print("Vin_thresold= "); Serial.println(Vin_thresold); break; } } void loop() { wdt_reset(); if(charge){ Vout_max = Vout_boost; } else { Vout_max = Vout_float; } ///// raw_vin=0; raw_vout=0; raw_iout=0; raw_lm35=0; if(digitalRead(menu)==LOW){ UI(); } //// if(Serial.available()>0) { String data = Serial.readString(); int temp = data.toInt(); int func=temp%10; temp=temp/10; set_limits(func,temp); } //// for(int i=0;i<10;i++) { raw_iout += analogRead(iout_pin)-513; raw_iin += analogRead(iin_pin)-513; raw_vin += analogRead(vin_pin); raw_vout += analogRead(vout_pin); raw_lm35 += analogRead(lm35); delay(1); } ////////// raw_iout=raw_iout/10; raw_iin=raw_iin/10; raw_vout=raw_vout/10; raw_vin=raw_vin/10; raw_lm35=raw_lm35/10; ///// Iout_sense=float(raw_iout)*5/1023/0.066; Iin_sense=float(raw_iin)*5/1023/0.066; Vin_sense=Vin_sense*0.92+float(raw_vin)*volt_factor*0.08; Vout_sense=Vout_sense*0.92+float(raw_vout)*volt_factor*0.08; //measure output voltage. heat_sink_temp = heat_sink_temp*0.92 + float(raw_lm35)*0.48*0.08; // 0.0049*1000/10 //////////// if(Iout_sense<0.0){ Iout_sense= Iout_sense*(-1); } if(Iin_sense<0.0){ Iin_sense = Iin_sense*(-1); } Pin = Vin_sense*Iin_sense; Pout = Vout_sense*Iout_sense; efficiency = Pout*100/Pin; if(efficiency<0.0){ efficiency=0.0; } if(count>100) { Serial.print("heat_sink_temp = "); Serial.println(heat_sink_temp); Serial.print("Raw= ");Serial.println(raw_iout); Serial.print("Vin= ");Serial.println(Vin_sense); Serial.print("Iin= ");Serial.println(Iin_sense); Serial.print("Vout= ");Serial.println(Vout_sense); Serial.print("Iout= ");Serial.println(Iout_sense); Serial.print("Duty cycle= ");Serial.print(duty_cycle/2.55);Serial.println("%"); Serial.print("PV power = ");Serial.println(Pin); Serial.print("Output power = ");Serial.println(Pout); Serial.print("Efficiency = ");Serial.print(efficiency);Serial.println("%"); Serial.print("Converter MODE : ");Serial.println(mode); if(lcd_stat){ lcd_num(Iin_sense,0,1); lcd_show("T-",0,0); lcd_num(heat_sink_temp,2,0); lcd_show("E-",8,0); lcd_num(efficiency,10,0);lcd_show("%",15,0); lcd_stat=false; } else{ lcd_num(Vin_sense,0,1); lcd_show(" ",15,0); if(charge){ lcd_show("Vi Vb-B Ib ",0,0); } else { lcd_show("Vi Vb-F Ib ",0,0); } lcd_stat=true; } lcd_num(Vout_sense,6,1); lcd_num(Iout_sense,12,1); digitalWrite(led,HIGH); delay(16000); count=0; } if(startup==false) { if(auto_mode==1){ auto_cutoff(Iout_sense,Vin_sense, Vout_sense); } else { digitalWrite(charge_led,HIGH); regulate(Iout_sense,Vin_sense, Vout_sense); digitalWrite(led,~digitalRead(led)); } } ///////// if(heat_sink_temp>45.0){ digitalWrite(fan,HIGH); } else if(heat_sink_temp<37.0){ digitalWrite(fan,LOW); } count++; }
