¿Cómo diseñar un pequeño panel solar y el respectivo cargador de batería de iones de litio IC?

Estoy diseñando un pequeño cargador solar con estas características:

Panel solar con 19% de células monocristalinas

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

CI

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

Batería

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

-

Esta configuración funciona bien, pero decidí pasar a las celdas SunPower porque la fabricación de paneles solares, cuando es necesario cortar las celdas, en China se hace mejor. Principalmente, debido al hecho de que las celdas Sunpower tienen la tecnología de "contacto posterior". Entonces, dado que las celdas Sunpower son más eficientes (23 %), el panel solar producirá más vatios totales, que un IC como MCP73871 en realidad desperdiciará debido a su límite de corriente de 1A.

Panel solar Sun Power

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

Entonces, moví mi atención a otro IC, esta vez LT3652 (clasificado 2A). A primera vista se veía bien pero luego descubrí que no funcionaba con un panel solar de 6V. Tiene un valor VIN_START de al menos 7,50 V para iniciar el IC, después de eso, el voltaje de funcionamiento nominal normal real puede ser de 5,95 V.

Una solución a este problema podría ser reducir las celdas SunPower para obtener un voltaje más alto en la misma superficie, dado que este IC es en realidad un convertidor reductor. Pero alguien me dijo que realmente podría perder eficiencia debido a la gran diferencia de voltaje entre la entrada y la batería.

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

Dentro de la hoja de datos de SPV1040 encontré ILx, un valor para el límite actual.

ingrese la descripción de la imagen aquí

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

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

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

Cualquier esfuerzo con esta pregunta será muy apreciado. Gracias.

No, es la corriente en el pin LX.
"reduzca las celdas SunPower para obtener un voltaje más alto en la misma superficie": esto no tiene ningún sentido. El voltaje de las celdas es una propiedad de banda prohibida y tiene que ver con cuántas celdas o subceldas hay en serie, no con su tamaño.
@ pjc50 Obviamente, tenía la intención de que si cortaba las celdas más delgadas, podría conectar más en serie para obtener un voltaje más alto en la misma superficie.
@ Nic1337 Buena pregunta en gran medida. El significado de los comentarios sobre China puede no ser claro para algunos. Sería interesante conocer tu aplicación si eres capaz de decir. (Tengo una gran experiencia en la fabricación en China de pequeños productos de iluminación solar). | Es fácil que las "pequeñas cosas" consuman las ganancias de eficiencia que pretende obtener de, por ejemplo, las células Sunpower. Para obtener el mejor resultado general, es necesario observar tanto de cerca como de cerca todos los aspectos.
[[Solo comentario: Omitir "Obviamente" al comienzo de su respuesta anterior probablemente sonaría más cortés para PJC50. Eso puede ser un problema de varios idiomas que no es obvio]] || ¿Cómo llego a ser un fabricante de tiempo completo? :-). (Yo 'probablemente soy uno' por definición, pero...)
@RussellMcMahon El uso de "obviamente" simplemente se usó en respuesta a "eso no tiene ningún sentido", eso también es bastante rudo. Pero probablemente podría haber escrito una oración no tan clara, y sucede. Especialmente cuando no es tu lengua materna.
@RussellMcMahon El fabricante de tiempo completo puede sonar extraño. Estoy trabajando en un proyecto :)
@ Nic1337 Tu perfil dice "Creador a tiempo completo" :-)
@RussellMcMahon No tengo tanta experiencia en la fabricación en China. Pero diseñé un pequeño panel solar monocristalino en colaboración con un proveedor chino (Shenzhen) y no me gustó mucho cómo aparecen las conexiones de las celdas (puedo ver claramente las celdas soldadas) Además: 2. El diseño tenía cuatro M3 que pasaban agujeros en las esquinas para la instalación y se hicieron taladrándolos a mano. La laminación, en cambio, fue bastante buena.
@RussellMcMahon ¿"Creador de tiempo completo" suena tan raro? Me gustaría conocer su opinión al respecto :) Tengo un Diploma del Instituto Técnico Industrial - Especialista en Computación.
@ Nic1337 "Creador de tiempo completo" suena 'interesante :-) - y sonará diferente para varias personas. Algunas personas que han estado involucradas con la electrónica durante mucho tiempo (y otras también) odian el término "fabricante" con ganas. Están igualmente entusiasmados con términos como boceto, escudo y términos similares nuevos y no esenciales que buscan reemplazar los existentes que tienen una larga historia. Lo nuevo no es malo per se, pero la objeción es a menudo que la nueva forma [tm] se 'vende' como divertida/fácil/trivial/libre de pensamientos/no rigurosa/irreflexiva... . Eso es, por supuesto, una sobregeneralización injusta...
... pero también hay algo de verdad y mérito en la perspectiva. Soy un viejo anticuado, pero trato de ver los nuevos enfoques y los nuevos términos como cosas que pueden ayudar a algunos jóvenes a lograr más cosas que de otra manera. De hecho, no me gusta el término "creador", pero no hace ninguna diferencia en la forma en que trato con las personas y no hay mucha diferencia en la forma en que veo sus aportes. Hace ALGUNA diferencia, ya que cuando una persona usa el término 'fabricante', a menudo da una indicación de su relativa inexperiencia y conocimiento. Por supuesto, este no es siempre el caso, incluso con personas muy jóvenes, y conozco personas casi tan antiguas como yo ...
Esa es una opinión interesante :) A menudo pienso eso también. El caso es que no puedo presentarme ante la gente como ingeniero eléctrico ni como diseñador, y no lo quiero. Como son ingenieros y diseñadores, cada uno tiene su método y su "manera de pensar". Soy diferente. Pero en Linkedin no encontré una mejor manera de definir lo que hago a partir de las palabras "Maker / Inventor".
... que felizmente se llaman a sí mismos 'creadores' a pesar de tener mucha experiencia y competencia. || En lugar de "fabricante", me describo como "ingeniero profesional" y algunos términos relacionados. Un poco más de detalle aquí. Bien podría ser descrito como un "fabricante de tiempo completo" si usara esa terminología :-). Hacer, por ejemplo, **cosas como esta (con una 'pequeña ayuda' de las fábricas chinas).
fwiw: soy un 'inventor' en el sentido clásico (junto con varias otras cosas), PERO no es un término que pueda usar en un contexto comercial con personas que no me conocen, demasiado peligroso :-).

Respuestas (1)

Es mejor que utilice células fotovoltaicas de silicio monocristalino "convencionales", organizando Vout para que se adapte mejor a sus necesidades y maximizando la densidad de empaque y el área ocupada en su dispositivo. Muchos fabricantes desperdician un área sustancial en los espacios entre celdas (> 10 % común, 20 % común) y, por lo general, esto puede reducirse a quizás un 5 % del área con cuidado.

La optimización de la pérdida óptica de la hoja frontal puede ayudar a compensar las pérdidas en otros lugares. El peor de los casos debería ser del 10% y alrededor del 1%-2% es posible si el costo no es un problema.

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

La hoja de datos LT3652 aquí es un buen dispositivo si se puede acomodar el Vstart de 7,5V. Tenga en cuenta que la nota de aplicación tiende a centrarse en la química de la batería que puede flotar cuando se alcanza el 100 % de SOC (estado de carga). Las celdas de iones de litio NUNCA DEBEN dejarse "flotar" al final de la carga. El voltaje de carga DEBE retirarse al final de la carga, para que sus días sean largos sobre la faz de la tierra. El LT3652 puede adaptarse a esta necesidad con un diseño adecuado.

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

LTC4001 es un cargador de iones de litio con regulador reductor de 2 A PERO Vin max de 5.5V es una limitación molesta.

Su celda LiIon necesitará al menos 4,2 V para cargarse por completo, digamos 4,5 V mínimo disponible.

Las celdas de energía solar son difíciles de unir cuando se cortan en fracciones de una celda. La mayoría de los fabricantes de paneles fotovoltaicos parecen incapaces de hacer esto. El uso de células enteras no debería presentar ninguna dificultad.

El refuerzo desde voltajes bajos suele ser menos eficiente de un extremo a otro que el refuerzo desde un voltaje más cercano a FVout o la conversión reductora desde arriba de Vout.

El SPV1040 tiene una capacidad de salida máxima de 3 vatios (tabla de la hoja de datos, página 6).
La corriente máxima máxima del inductor (realmente la corriente máxima del interruptor) se muestra como 1.8A como usted dice PERO debe usar el peor de los casos = corriente mínima-máxima para fines de diseño.

Los gráficos en la hoja de datos de SPV1040 en las páginas 8 y 9 muestran la eficiencia en varias combinaciones de Vin/número de celdas.
A plena potencia con 3 celdas, muestran un 80 % a 4,5 V a 2 vatios sin MPPT y un 89 % con MPPT.
Tenga en cuenta que con 3 celdas muestran 2W máx.
Control de cordura:
3 celdas ~= 1.5V pleno sol.
Ciclo de trabajo a 1,5 V de entrada y 4,5 V de salida al 100 % de eficiencia
= 4,5/(1,5+4,5) = 75 %.
Potencia máxima al 100 % = 1,5 V x 1,8 A x 75 % = 2,0 W de entrada.
= lo que dijeron. Pout =~ 2W x 90% = 1.8W de salida MAX = muy por debajo del nivel de potencia deseado.

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

Estimado Russel, solo una corrección: MCP73871 tiene un límite de 1,8 A para los pines IN y OUT, pero su corriente de carga máxima para VBAT se mantiene en 1,0 A. Ese excedente de 0,8 A solo se puede utilizar para alimentar el circuito del sistema. En resumen: IN(max) = 1.8A VBAT(max) = 1.0A OUT(max) = 1.8A, cuando OUT pide 1.8A, VBAT = 0A
@ Nic1337 Sí, tiene razón sobre la corriente de carga máxima de MCP73871. Me había perdido ese punto. No lo consideré adecuado en general dadas sus especificaciones, ya que su acción como regulador lineal lo hace extremadamente ineficiente en su aplicación. Lo incluí para completar. En otras circunstancias, si fuera adecuado, podría aumentar Ichgmax con un circuito externo muy pequeño * pero en este caso eso no ayudaría a su ineficiencia básica. (* por ejemplo, si se está cargando y Vbat < voltaje de cambio de CC/CV de 4,2 V, encienda un transistor de 'OUT' a 'VBAT'. (por ejemplo, TL431, transistor Jellbean, pocas resistencias.
@ Nic1337 El método de extensión de la capacidad de carga anterior es solo un "experimento mental" de lo que es posible. Hay suficientes circuitos integrados de carga LiIon disponibles, por lo que la mejor alternativa es seleccionar un circuito integrado que satisfaga directamente la necesidad.
Sí, esta semana voy a tener una consultoría con una empresa de electrónica :)
@ Nic1337 Tiene una "compañía de productos electrónicos" tan buena disponible aquí como la que encontrará en cualquier parte del mundo. En realidad. Probablemente hay decenas de personas aquí que están lo más cerca posible de la vanguardia de la mayoría de los aspectos de todas las cosas que necesita hacer y saber. Su tarea, aquí o en sus otras reuniones, es transmitir completa y claramente sus necesidades reales.
Bien, Russell. Tomaré en consideración sus comentarios sobre los términos de "profesión". Estoy seguro de que aquí hay mucha gente muy competente, pero de todos modos todo debe diseñarse en detalle. Y todavía no puedo diseñar circuitos integrados más complejos, si no están bien documentados. No creo que ningún ingeniero aquí tome y complete mi diseño :)
¿Cómo diseñar un pequeño panel solar y el respectivo cargador de batería de iones de litio IC?
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