Régulateur MPPT simple à PIC 18F4550

[mweber]

Bonjour à tous,

J'ai imaginé ce petit montage pour faire un régulateur MPPT (Maximum Power Point Track) pour mon panneau solaire (100Wc, 20..25V à vide, 5,5A crête).
Le but étant de charger une batterie de 60Ah 12V au plomb, GEL.



Voila je voulais savoir si le schéma est bon, ou bien si je suis à coté de la plaque.
Évidemment ce circuit n'est que un buck (abaisseur de tension) et non pas un buck-boost (abaisseur élévateur) mais es-ce vraiment nécessaire sachant que la tension aux bornes d'un panneau solaire ne baisse réellement (U < 12V) que lorsque la luminosité est vraiment basse (et donc qu'il n'y a pratiquement plus rien à en tirer !).

Quel mosfeet puis-je employer pour T1 ? (Un composant courant serait bien !)

Tout le bouleau résidera ensuite dans l’algorithme du PIC, qui en fonction de la tension et courant fournies par le panneau, cherchera le meilleur point de fonctionnement... Ça je m'en occupe !

La commande de T1 est en PWM générée par le PIC, genre 40 Khz...
Les autres indicatifs en rouge sont des valeurs analogiques lues par le PIC..
Voila !

Merci beaucoup de votre aide,

Mattheiu
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[mweber]

Pour info je viens de me rendre compte que les valeurs des résistances des ponts diviseur sont à revoir, ne vous préoccupez donc pas de cette partie ;o)

[Forhorse]

Pour T1 moi j'utiliserais un N-MOS avec un driver demi-pont a pompe de charge intégré, et je mettrais un autre N-MOS en parallèle a D3 histoire d’améliorer le rendement.
D2 ne me semble pas vraiment utile (mais je peux me tromper) par contre j'ajouterais quelques condos de filtrage histoire que ce ne soit pas la batterie ou l'utilisation qui se mange le courant haute fréquence (et surtout les surtensions de commutation)
Mais bon, je suis pas un pro, attendre d'autres avis éclairés

[mweber]

Bonjour Forhorse, et à tous

Pour T1 je pensais utiliser un bestiaux du genre IRF4905. http://www.irf.com/product-info/data...ta/irf4905.pdf

Et donc ajouter sur tes conseils en // à la diode D3 par ex un MOS-N type IRF-Z44n piloté par la sortie du PIC (Vgs min autour de 5V, un peu juste, mais suffisant expérimentalement...=> voire a compléter avec un transistor sur la grille pour avoir un VGS suffisant).

J'imagine que le IRF-Z44n doit être commandé en opposition de phase avec le premier (ha ha sinon cours-circuit !) Mais quel est son rôle pour améliorer le rendement du montage ? C'est le principe classique du push-pull j'imagine ?

(je ne suis pas expert, loin de là, en alim à découpage).

En fait je voudrais éviter les circuits spécialisés, car le PIC peut faire tout le bouleau de découpage, sauf si vous connaissez des circuits simples à mettre en œuvre, facile a trouver et pas cher pour s'occuper de la partie découpage, mais maintenant le débat serait là, est-ce indispensable ou mon montage suffit t'il (même si le rendement n'est pas de 99,997 % ?

Ok pour des condos de filtrage sur la sortie, ce ne sera pas un luxe...

D2 empêche la nuit le courant de retourner dans les panneaux solaires, ils n'ont pas de diode de blocage intégrés, seulement des diodes de clamp en cas d'ombrage partiel du panneau.

D'autres remarques ?

Matt

[A voir en vidéo sur Futura]

[mweber]

Je me demande si une zéner de 18V serait pas la bienvenue entre la grille de T1 et la masse, car vgs est limité sur les mosfeets...

[Forhorse]

Ok pour D2, ça me fait d’ailleurs penser que sur mon régulateur MPPT du commerce, il y a en parallèle à cette diode un relais qui se ferme lorsque le panneau débite.
Mais elle est placé en amont du buck et pas en aval.

[bobflux]

Sur le schéma :
- le MOS ne commutera pas car driver inadapté
- à quoi sert D1 ?
- D3 est inadaptée, mets une Schottky ou deux MOS en synchrone
- D2 ne sert à rien, pour empêcher le retour de courant de la batterie dans le panneau, mets une schottky mais à l'entrée, elle sera traversée par un courant plus faible, ou à la rigueur un MOS, tu auras moins de pertes
- L1 fait 800 µH ? c'est beaucoup trop
- C1 est beaucoup trop petit
- le capteur de courant Hall peut être remplacé par un shunt de quelques milliohms qui est moins cher
- il faut une grosse capa en entrée

Ton MOS (IRF4905) est beaucoup trop gros et préhistorique, donc lent.

Pour ton buck utilise un vrai driver de MOS, si possible un synchrone avec deux MOS récents rapides.
Pour un buck de 25V -> 12V 5A, tu utilises deux MOS de 40V en boîtier SO-8, j'insiste : pas des fossiles.
Avec des MOS récents et donc rapides ta fréquence passe à 150-250 kHz sans avoir trop de pertes de commutation, donc tu remplaces ton énnnnnorme inductance par une de genre 33 µH qui aura 10x moins de pertes, donc tu gagnes en rendement sur tous les tabelaux (synchrone, pertes commutation, pertes résistives, etc).
Ajoute un MOS pour débrancher la batterie quand le panneau est à l'ombre (un gros PMOS bien lent et à très faible rdson convient).
Et des grosses capas en entrée et en sortie.

[bobflux]

Hop suggestion rapide

Un comparateur pour faire une régulation hystérétique du courant, ou sinon on le fait avec le uC...

[mweber]

Bonjour bobfuck,

Merci pour ces tuyaux, et ton schéma...

J'ai modifié mon schéma selon tes conseils,
Pour répondre à ta question D1, (qui s’appelle maintenant D2 sur le nouveau schéma) est une transil parafoudre...

Je sèche un peu concernant le driveur de Feets, j'ai mis au hasard un IRS2004, mais il y en a évidement tout une flopée sur le site de Radiospares... as tu des conseils ?

Pour les transi j'ai mis des FQB...x10 plus modernes. (d'après la datasheet du IRS, il faudrait d'ailleurs que je prenne que des canal N avec ce driver)...

J'aurais tendance à rester sur la diode anti-retour =>panneau solaire car un PMOS serait à commander avec un driveur supplémentaire et tout ce qui va avec.., à moins que je me trompe ?

Je garde les capteurs hall dans la mesure où j'en ai eu pas cher et ce qui limite les pertes par rapport à utiliser des shunts 0,1 ohms (ou des shunts encore moins gros, mais nécessitant un AOP).

La régul de courant / tension sera faite par le PIC, j'économise les composants externes...

Par contre dans ton schéma, tu régules I en sortie du PWM, or pour un MPPT il faut plutôt surveiller le courant débité par le panneau solaire lui même (pour évaluer sa puissance fournie instantanée max), non ?

La surveillance du I et U batterie sert dans 2 cas:
- Limiter le courant à C/20 si V batt < 11V.. (phase 1 de charge)
- Calculer la capacité restante dans la batterie (fonction capacimètre)

MPPT.GIF

Voila !

Merci

Matthieu

[Forhorse]

C'est FQP
Et oui, avec l'IRS2004 ou un driver demi-pont de ce genre il faut utiliser 2 N-MOS

[Forhorse]

Par contre dans ton schéma, tu régules I en sortie du PWM, or pour un MPPT il faut plutôt surveiller le courant débité par le panneau solaire lui même (pour évaluer sa puissance fournie instantanée max), non ?

Là où tu mesure I n'a pas d'importance, tu as juste besoin de connaitre la puissance que fournit le panneau

[bobflux]

Le buck a un courant d'entrée de forme rectangulaire, le but de C12 est de lisser ce courant pour que le courant dans le panneau soit à peu près constant. C12 doit être un (ou plusieurs) modèles "très faible impédance" avec une spécification de courant d'ondulation (ripple current) à la fréquence de découpage supérieure au courant d'ondulation utilisé (ici 10A je pense).
Il calculer C12 pour que l'ondulation de tension sur le panneau soit acceptable. Il y a un compromis : plus il est gros, mieux il lisse, mais plus le MPPT sera lent, puisque C12 ralentit les réactions du panneau aux demandes de courant.

C15 lisse le courant de sortie (qui est une dent de scie) pour donner un courant de charge constant à la batterie. Même remarque pour le ripple current.

La raison pour laquelle j'ai mis dans le schéma précédent une régulation de courant hystérétique est que cela fonctionne parfaitement sans intervention du uC. Le uC donne simplement une consigne de courant, et le comparateur s'occupe du reste. C'est un schéma un peu plus compliqué, mais qui permet de ne pas griller de MOS quand on développe le code du uC et qu'il se met à planter...

Si tu choisis de générer le PWM directement à partir du uC, alors celui-ci doit pouvoir réguler le PWM précisément et rapidement en fonction du courant moyen qui circule dans l'inductance, pour maintenir le courant à la valeur voulue et éviter le dépassement des maxima (et la destruction des MOS).

Or, tu n'as pas de mesure directe du courant dans l'inductance :
- la mesure du courant dans le panneau par R9 est déphasée par C12 ce qui rendra la régulation quasi impossible
- la mesure du courant dans la batterie comporte aussi le courant consommé par la sortie

Donc je te conseille de ne pas mesurer le courant dans le panneau mais le courant dans l'inductance (avec un capteur Hall ou un MAX4376) et d'utiliser un filtrage très léger dessus. Pour le MPPT cela revient au même puisque tu calcules la puissance de sortie, qui est IL * Vbatt, au lieu de la puissance d'entrée qui est Ipanneau*Vpanneau. Mais cela permettra au PWM d'être réactif et de bien contrôler le courant.

Sinon je te conseille aussi de mettre un gros PMOS pour débrancher la sortie en cas de problème.

[mweber]

Bonjour et merci pour vos réponses très pertinentes !

Ok la mesure de courant dans la self me parait maintenant évident,

=> je cherche à avoir le max de courant pour une tension max aux bornes de la batterie. Si je tire trop de courant du panneau, alors qu'il y avec peu de soleil, la tension Ubatt va "s'écrouler" et atteindre cette de la batterie, donc dépassement du MPPT... donc je reviens "en arrière", etc...

Mais en fait, à y réfléchir, dans cette configuration, pour réaliser un MPPT, il n'y a besoin que de mesurer le courant dans l'inductance, et se débrouiller qu'il soit maximum... ( Bien entendu il me faut surveiller (Vmin < U_batt < Vmax) pour voir dans quel état de charge je suis, et agir selon !!)

La tension du panneau, on s'en fiche, puisque si elle descends sous celle de la batterie, le courant s'annule. => Je pourrais donc même me passer de U_Panneau ?

Si sur mon écran LCD, si je désire afficher la puissance instantanée fournie par le panneau solaire, ais-je le droit de prendre P = IL * Vbatt ?, car après tout c'est ce qui est réellement envoyé dans la batterie et / ou la charge ?

La coupure de la charge est réalisée en aval par chaque modules (domotique) branchés sur le circuit, qui monitorent individuellement :
- La tension de batterie (V > 10V8) mesurée par chaque module.
- La capacité batterie restante qui doit être supérieure à par ex 40 % pour éviter les décharges profondes... Elle est comuniquée via du RS485 depuis le PIC de ce montage, aux différents modules...

L'une ou l'autre de ces 2 conditions entrainera une coupure des équipement (mais avant, une alim 230->12v est censée prendre le relais en attendant le soleil !!).

J'aurai sinon, simple curiosité, une question très naïve au sujet des alims à découpage buck: La self stocke l'énergie prélevée par le P-MOS, ok, mais ne pas en mettre et simplement découper V_In via le P-MOS, et balancer ça sur un condo de filtrage, quel est le problème ? (Je sais que ça marche pour fabriquer des CNA à partir de la PWM d'un microcontrôleur, avec une capacité de filtrage en sortie)...
Le rendement serait t'il meilleur qu'avec une alim linéaire style LM317 ?

[bobflux]

> La tension du panneau, on s'en fiche

Si la puissance baisse :
- et que la tension du panneau baisse : tu tires trop de courant
- et que la tension du panneau monte : tu ne tires pas assez de courant

> ne pas en mettre et simplement découper V_In via le P-MOS, et balancer ça sur un condo de filtrage, quel est le problème ?

Quel serait le courant dans le MOS du haut ? (qui est un NMOS en passant).

[mweber]

>Quel serait le courant dans le MOS du haut ? (qui est un NMOS en passant).

Courant maximal car pas de croissance linéaire de I réalisée par la self, donc destruction du NMOS, ok j'ai pigé !

Merci !

Bon je n'ai plus qu' a router un circuit et programmer mon PIC !

Merci pour tout, je publierai sur mon site (http://matthieu.weber.free.fr) la réalisation, il n'y a pas assez de régulateur MPPT en "open source" sur la toile !

Matt

[mweber]

Ah oui juste pour finir : si je désire afficher la puissance instantanée fournie par le panneau solaire, ais-je le droit de prendre P = IL * Vbatt ?,

Matt

[bobflux]

Ouais.
Prends le IL moyen (vu qu'il est en dents de scie, filtre le un peu, mais pas trop, sinon plus de régulation de courant).

[mweber]

Milles merci !

A bientôt !

Matthieu

[mweber]

Bonjour,

Voici la version finale du schéma, j'ai ajouté 2 mosfeets canal P permettant pour l'un (T6) de couper l'utilisation si la batterie est trop faible, et pour l'autre (T4) de court-circuiter la diode D5 lors des fortes intensités afin de limiter les pertes dans celle-ci...

T4 est polarisé (grille bloqué via une R de pull up) sur du 12V fourni par le régulateur (nuit et jour) afin d'empêcher sa conduction si il fait nuit (ce qui supprimerait l’intérêt de la diode D5!)

MPPT_FINAL.jpg

Le circuit imprimé avance.. il sera divisé en 2 : une partie puissance (section en gris) et une partie commande. La partie puissance pourra être réalisée en plusieurs exemplaires afin de gérer plusieurs batteries et ou sources d'alims (dans mon cas : 2 batteries alimentées chacune par 1 éolienne et un panneau solaire). La diode D8 de chaque carte permet de "rassembler" les batteries pour alimenter un seul circuit, à savoir l'éclairage, la box ADSL, téléphone, radio et autre trucs en 12V et la VMC (12V) de la maison.

A bientot !

Matthieu

[mweber]

Petite MAJ du schéma...


Matt