Исследование влияния освещенности солнечной батареи на выходную мощность при зарядке аккумуляторной батареи

Традиционно, система электропитания МКА состоит из:

• -    ФЭП;

• -    Преобразователь напряжения;

• -    Система управления;

• -    АКБ;

Как правило, задачи выбора этих компонентов связаны, поскольку приходится учитывать сразу несколько параметров – мощность ФЭП, КПД преобразователя, параметры СУ и её эффективность, ёмкость, токовые и мощностные характеристики АКБ. Далее важной является задача характеристик системы при различных параметрах освещенности ФЭП и подстройка характеристик системы.

Существуют методы примерной оценки каждого из этих параметров, однако они не позволяют с достаточной точностью оптимизировать систему, а лишь дают примерные характеристики с высокими коэффициентами запаса. При серьёзной проработке системы данных методов оказывается недостаточно и появляется потребность в ином, более точном, но не значительно более долгом по времени расчёта методе.

Методы расчёта электрических схем

SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) – симулятор электронных схем общего назначения с открытым исходным кодом. Является мощной программой, используемой в разработке как интегральных схем, так и печатных плат для проверки целостности схемы и для анализа её поведения.

На основе данного метода было разработано огромное количество CAE пакетов. Для оценки возможности приложения к решению поставленных задач было выбрано ПО LTSpice.

Моделирование ФЭП

Фотоэлектрические      преобразователи

(ФЭП) или солнечные элементы – это полупроводниковые изделия, которые преобразует солнечное излучение в электрический ток. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Модель солнечной батареи представляет собой ряд идеальных компонентов:

• -    Источник тока;

• -    Диод с настроенным током насыщения;

• -    Шунт-резистор;

• -    Паразитное последовательное сопротивление.

^ I

Рис. 1. Схема модели ФЭП

Дополнительно могут быть введены функции напряжения и тока от температуры. Однако в данной работе с целью упрощения схемы и ускорения расчета влияние температуры на характеристики ФЭП не вводились.

Для построения схемы использовались параметры ФЭП MSX-60 производства компании Solarex. Была выбрана схема из 36 последовательно установленных ФЭП.

MSX 60 l-V Characteristics

e

3.5

3.0-

2.5

2.0-

1.5

1.0-

0.5 ■-

■MiMim

0.0 I-----1—

0    2

T T T T

= 75 C - 50 C = 25 C = ОС

6    8   10 12   14 16   18 20 22 24

Voltage (V)

Рис. 2. ВАХ ФЭП MSX-60

Таблица 1. Характеристики ФЭП MSX-60

Параметр	Значение
Напряжение холостого хода (S0), В	21.1
Ток короткого замыкания (Isc0), А	3.8126
Ток насыщения (Is), А	2.5245e-10
Количество подключенных ФЭП (Nser, Nper), шт.	36, 1
Факторы идеальности (Eg, N)	1.12, 0.9784
Сопротивление шунта (Rper1), Ом	153.5644
Паразитное сопротивление (Rser1), Ом	0.38572

Моделирование преобразователя напряжения

Существует огромное количество различных видов преобразователей напряжения, начиная от простого делителя напряжения, заканчивая сложными DC/DC преобразователями с обратной связью по току и напряжению. В МКА для преобразования напряжения с ФЭП, как правило, используются MPPT (Maximum Power Point Tracking) регуляторы, либо преобразователи напряжения, управляемые ШИМ сигналом.

MPPT регуляторы дают ощутимый выигрыш в мощности только при условии использования большого количества ФЭП суммарной площадью более 1 кв. м.

Базово эти регуляторы отличаются лишь СУ. В плане силовой электроники они являются простейшими buck преобразователями, которые подразделяются на 3 вида: step-down, boost и комбинированный. Step-down на выходе даёт пониженное относительно входного напряжение, boost – повышенное. Комбинированный buck преобразователь сочетает в себе обе эти функции.

Рис. 3. Схема типового step-down buck преобразователя

Принцип step-down buck преобразователя заключается в понижении входного напряжения за счет использования управляемого переключателя, традиционно представленного N-канальным полевым транзистором. Появ- ляющиеся при этом колебания тока сглаживаются при помощи индуктивности и ёмкости, параметры которых высчитываются по следующим формулам:

V out *(V in V out )

Ы L*fs*V in где: Vout - напряжение на выходе, В;

V i_n - напряжение на входе, В;

M_L - допустимые колебания тока, А;

f _s - частота переключения транзистора, Гц.

С = ———

8*f s *^V out

где: ^V _out - допустимое отклонение выходного напряжения, В.

Моделирование системы управления

значение, которое конвертируется в значение скважности ШИМ сигнала для полевого транзистора.

Рис. 4. Схема регулятора напряжения

Определение влияния освещённости      Для упрощения графического обозначения

ФЭП на его мощность                      на схеме, модель ФЭП была скомпилирована в отдельный компонент.

Рис. 6. УГО модели ФЭП

Расчётная модель состоит из источника напряжения, модели ФЭП и нагрузки. Источник напряжения V1 задаёт параметр напряжения холостого хода – таким образом модели- руется освещенность ФЭП. U1 – модель ФЭП, заданная параметрами, описанными выше. V2 – активная нагрузка, необходимая для расчёта мощностной характеристики ФЭП.

Рис. 7. Расчётная модель для определения мощности ФЭП в зависимости от освещённости

Проводился расчёт типа DC Sweep – варьирование параметров источников для определения токовых и мощностных характеристик цепей постоянного тока. Был задан диапазон

(0 … 21.1 В) и шаг (5.275 В) варьирования напряжения источника V1. Диапазон напряжения для снятия мощностных характеристик – 0 … 21.1 В.

Рис. 8. Характеристики мощности ФЭП для разных уровней освещенности

Определение влияния освещенности на мощность в прикладной задаче зарядки АКБ

Расчётная модель состоит из нескольких групп компонентов: ФЭП с задающим параметром, buck преобразователь и СУ. Характе- ристики ФЭП были взяты из документации производителя (табл. 1). Параметры ёмкости и индуктивности были рассчитаны по формулам, описанным выше, и оптимизированы для обеспечения малых колебаний напряжения и тока. Параметры СУ были выбраны стандарт- ные для общего вида MPPT регуляторов и из- АКБ (10.7 В с отклонением не более 0.4 В). менены для обеспечения уровня напряжения

Рис. 9. Расчётная модель для определения влияния выходной мощности

Исследуем влияние освещённости на выдаваемое напряжение, поскольку необходимо обеспечить достаточный уровень напряжения, который не выходит за границы напряжения при 100% и 0% State of Charge параметра ба- тареи. Расчет проводился методом DC Sweep с варьированием значения напряжения на источнике V1, который симулирует уровень освещенности батареи.

Рис. 10. Зависимость выходного напряжения от освещённости

Как можно заметить, значение напряжения не выходит за допустимые границы. Можно сделать вывод о стабильности системы регулирования.

Далее была проведена оценка стабильности работы регулятора. Расчет проведен методом Transient Analysis. Для этого в момент време- ни 150 мс от начала анализа значение светимости было уменьшено со 100% до 50% за промежуток времени в 1 мс. Через 150 мс значение светимости вновь возвращено в точку 100%. На отметке времени в 450 мс значение светимости было вновь опущено до 50%.

Рис. 11. Влияние скачков освещенности на выходное напряжение

На графике видно, что время регулирования составляет порядка 50 мс, а скачки напряжения остаются в границах 9 … 12 В. С учётом допустимых кратковременных скачков напряжения на АКБ, полученное время регулирования принято считать допустимым.

Также оценим выходную мощность в зависимости от освещенности ФЭП. Вновь обратимся к методу DC Sweep, варьируя установочное напряжение в диапазоне от 0% до 100%.

Рис. 12. График зависимости выходной мощности от освещенности

Получена ожидаемая линейная зависимость – мощность падает при уменьшении освещенности.

Дополнительно было проведено сравнение результатов анализа выходной мощности с buck преобразователем в чистом виде и с MPPT регулятором.

Рис. 13. Сравнение результатов расчётов

Как видно из графиков, мощностные характеристики идентичны. Однако есть провести анализ с увеличенным количеством ФЭП, можно заметить, что появляется выигрыш в системе с MPPT регулятором.

Рис. 14. Сравнение мощностей с увеличенной площадью ФЭП

Таким образом, можно сделать вывод, что использование MPPT регуляторов может быть неэффективно с экономической точки зрения – MPPT регуляторы стоят гораздо дороже стандартных buck преобразователей, но не дают выигрыша по мощности.

Заключение

В рамках данной работы было проанализировано влияние освещенности солнечной ба- тареи в приложении к задаче зарядки бортового АКБ. Исследованы подходы к расчётам параметров данной задачи. Построены модели СБ, преобразователя напряжения и его регулятора. Определено влияние освещенности на

В будущих работах целесообразно решить данную задачу с реалистичными моделями компонентов, что позволит точнее ответить на вопрос целесообразности использования MPPT регуляторов в МКА.

выходную мощность.