Ottimizzazione dell’energia solare con caricabatterie buck/boost

Poiché i dispositivi ad energia solare diventano sempre più portatili e interconnessi, le batterie ricaricabili eliminano la necessità di alimentazione in ingresso con un adattatore in AC e sfruttano l’abbondante energia proveniente dal sole.

Ad esempio, dispositivi come le e-bike e le telecamere di rete basate su Internet Protocol rimangono per la maggior parte del tempo all’esterno e lontano dalle prese di corrente, rendendo la ricarica solare fondamentale per il funzionamento del sistema. Allo stesso modo, la tecnologia di ricarica solare consente la raccolta e lo stoccaggio di energia in power bank nel corso di attività in località remote come durante l’escursionismo, dove la rete elettrica non è accessibile.

Tipicamente una singola cella solare produce circa 0,7 V. Costituito da più celle impilate, un pannello è in grado di fornire un’ampia gamma di tensioni ed eroga l’alimentazione in ingresso per il sistema in ricarica. A causa delle incongruenze nella quantità di luce solare che illumina un pannello, delle variazioni di temperatura e dell’elevata impedenza della pila di celle, i pannelli solari richiedono il funzionamento a un punto massimo per produrre la massima potenza con la massima efficienza.

Quando un sistema deve gestire elevate impedenze di sorgente e variazioni di illuminazione, l’utilizzo di un caricabatterie che riduce (buck) o aumenta (boost) in modo graduale le tensioni costituisce la migliore soluzione per le applicazioni solari. Il caricabatterie multicella buck-boost bq25703A di TI passa tra la modalità buck e la modalità boost in base ai requisiti di carica della batteria, gestendo quindi con successo qualsiasi input di tensione solare. In alcune applicazioni più semplici a bassa potenza, il caricabatterie bq25895 buck a cella singola è una scelta appropriata per la ricarica solare delle batterie. Sia il bq25703A sia il bq25895 utilizzano la funzionalità I²C per determinare il punto di massima potenza (MPP) del sistema e caricare la batteria in modo efficiente.

Ricarica per applicazioni ad energia solare a media/alta potenza

Mentre molti caricabatterie sul mercato forniscono solo la modalità buck, il bq25703A è in grado di ridurre o aumentare la tensione di ingresso alla batteria. Funzionando con un intervallo di tensioni in ingresso compreso fra 3,5 V e 24 V, questo caricabatterie è compatibile con pannelli solari che hanno in genere una tensione a circuito aperto fino a 24 V. Al fine di utilizzare in modo efficiente la luce solare come fonte di energia per le applicazioni a ricarica solare, il caricabatterie implementa il monitoraggio MPP (MPPT) utilizzando la regolazione della tensione di ingresso per ottenere la massima potenza di uscita.

Un pannello solare ha un MPP sulla sua curva IV, alla quale l’impianto fotovoltaico funziona con la massima efficienza. Ogni curva IV varia in base alla quantità di luce solare catturata dai pannelli; pertanto, l’MPP cambia sempre, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1: curva IV di una cella solare

Usando il circuito dinamico di gestione dell’alimentazione a tensione regolabile, il caricabatterie riduce la corrente di carica quando la tensione scende al di sotto dell’impostazione della tensione di ingresso. Con questa funzione dinamica di gestione dell’energia, il bq25703A può quindi implementare l’MPPT per applicazioni solari.

Quando il pannello solare alimenta l’ingresso, un algoritmo MPPT regola la tensione di ingresso alla tensione MPP e blocca la corrente di ingresso per estrarre la massima potenza di uscita dal pannello. La Figura 2 mostra un’implementazione di ricarica solare della batteria utilizzando il bq25703A.

Figura 2: Ricarica ad energia solare con il bq25703A

Con le funzionalità buck, boost e buck-boost, questo caricabatterie può ricevere una tensione di ingresso dell’energia solare inferiore o superiore a quella richiesta dalla batteria e aumentarla o ridurla per caricare una batteria composta da uno a quattro celle. Tuttavia, se il progetto richiede la ricarica solare della batteria a bassa potenza, il caricabatterie a commutazione in modalità buck a cella singola bq25895 implementa un algoritmo per estrarre un MPP.

Ricarica per applicazioni solari a bassa potenza

Il bq25895 fornisce una soluzione semplice e integrata per la ricarica solare della batteria per applicazioni a bassa potenza. Con un intervallo di ingresso operativo fra 3,9 V e 14 V, il bq25895 è compatibile con i pannelli solari che hanno una tensione a circuito aperto fino a 12 V per caricare una batteria a ioni di litio (Li-ion) o una batteria ai polimeri di litio. Questo caricabatterie a cella singola implementa l’MPPT utilizzando il convertitore analogico-digitale integrato (ADC) del caricabatterie.

Ipotizzando una tensione fissa della batteria, l’ADC integrato rileva continuamente la tensione di ingresso e la corrente di carica della batteria mentre la manipola a intervalli di 100 mV. Inizialmente, la corrente di carica e il limite di corrente di ingresso sono impostati ai loro limiti massimi. Nella maggior parte dei casi, l’MPP di un pannello solare si trova tra il 65% e il 90% della tensione a circuito aperto. Pertanto, al fine di ridurre al minimo il numero di passaggi richiesti per trovare l’MPP, l’algoritmo limita la tensione in ingresso a tale intervallo percentuale.

Dopo l’inizializzazione dei parametri, l’algoritmo aumenta dal limite inferiore del 65% della tensione a circuito aperto e l’ADC misura la corrente di carica. Monitorando costantemente la corrente massima di carica, l’algoritmo può determinare l’MPP al suo mutare con le quantità variabili di luce solare.

La Figura 3 mostra il processo di ricarica solare usando il bq25895. Sebbene il dispositivo offra solo funzionalità buck, il caricabatterie è dotato dell’algoritmo MPPT necessario per l’utilizzo dell’alimentazione in ingresso ad energia solare e risulta utile nelle situazioni a bassa potenza quando l’aumento (boost) dell’ingresso è atipico.

Figura 3: Ricarica ad energia solare con il bq25895

Conclusione

Con la sempre maggiore portabilità dei dispositivi tecnologici, le apparecchiature sul mercato stanno rapidamente adottando le batterie ricaricabili per soddisfare le loro esigenze di alimentazione. Per le applicazioni esterne in cui le prese di corrente non sono a portata di mano, l’energia proveniente dal sole può fornire la potenza in ingresso necessaria per il sistema. Tuttavia, poiché l’intensità della luce solare è variabile, il caricabatterie deve ottimizzare l’ingresso di energia solare per produrre in modo efficiente la massima potenza.

I caricabatterie bq25703A e bq25895 di TI implementano l’MPPT per selezionare la potenza di picco del pannello solare. L’uso di pannelli solari come fonte di energia migliora non solo l’esperienza dell’utente, eliminando la necessità di cercare una presa di corrente esterna, ma riesce a sfruttare anche l’energia illimitata fornita dal sole.

 

Risorse supplementari:

Progetto di riferimento con algoritmo di tracciamento del punto di massima potenza per la ricarica solare della batteria a bassa potenza

Linee guida di layout per il caricabatterie switching bq2570x

A cura di Allison Walker, Texas Instruments