UNIVERZALNI POLNILNIK Z VRŠNO MOČJO - core.ac.uk · prikazana s simbolom Zener diode. ... Tabela 6.5: Rezultati meritev izkoristka pretvornika z iskanjem vršne moči z diodo.....54

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

JAN COKAN

UNIVERZALNI POLNILNIK Z VRŠNO MOČJO

DIPLOMSKO DELO

Maribor, september 2016

i


Diplomsko delo

Študent: Jan Cokan

Študijski program: Elektrotehnika (VS)

Smer: Elektronika

Mentor: dr. Mitja Solar

Somentor: doc. dr. Tomaţ Dogša

Lektorica: Darinka Bizjak, univ. dipl. bibliotekarka in predmetna učiteljica

slovenskega jezika

ii

iii


Ključne besede: pretvornik navzdol, detektor vršne moči, polnillni regulator, litij-ion

UDK: xxxxxx

Povzetek

V diplomskem delu smo načrtovali regulator, ki bo omogočal polnjenje akumulatorjev

s pretvorbo sončne energije. Načrtovan je tako, da deluje po metodi sledenja vršne moči. Na

začetku so na kratko predstavljene sončne celice, njihove prednosti in slabosti. V

nadaljevanju so opisani algoritmi sledenja točki vršne moči in polnjenja različnih baterij ter

načrtovanje polnilnega regulatorja.

Vezje polnilnega regulatorja je sestavljeno iz pretvornika navzdol, dveh tokovnih

merilnikov, dveh napetostnih merilnikov in krmilnika. Polnilni regulator deluje v dveh načinih;

sledenje točki vršne moč ter reguliranje izhoda. Polnilni regulator je namenjen polnjenju

svinčevih baterij in nekaterih litij-ionskih baterij.

iv

UNIVERSAL CHARGER WITH PEAK POWER POINT TRACKING

Key words: buck converter, maximum power point tracking, charge regulator, lithium-ion

UDK: xxxxxx

Abstract

In this diploma we have designed a regulator that charges batteries with power from solar

cells. It does that by using maximum power point tracking methode. At the beginning of

diploma we briefly describe solar cells, their advantages and disadvantages. We also

describe maximum power point tracking, charging different kind of batteries and the charger

itself.

The charger consists of buck converter, two current monitors, two voltage monitors and the

microcontroller. Charge regulator works in two modes. These are tracking maximum power

point or regulating the output of charge regulator. The charger charges lead acid batteries

and some lithium batteries.

.

v

ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju dr. Mitji Solarju, ter so-mentorju doc. dr. Tomažu Dogši za pomoč in vodenje pri diplomskem delu. Hvala tudi družini in prijateljem za podporo, ter članom LEIS laboratorija za pomoč.

Kazalo

1 UVOD ........................................................................................................................ 1

2 LASTNOSTI SONČNIH CELIC ................................................................................. 2

3 ALGORITEM SLEDENJA TOČKI VRŠNE MOČI ...................................................... 5

3.1 Metoda povečevanja prevodnosti ....................................................................... 6

4 AKUMULATORSKE BATERIJE ............................................................................... 8

4.1 Svinčeva baterija ................................................................................................ 8

4.1.1 Polnjenje svinčevih celic .............................................................................10

4.2 Litij-ionska baterija .............................................................................................12

4.2.1 Polnjenje litij-kobaltovih oksidnih celic.........................................................13

4.2.2 Polnjenje litij-manganove oksidne celice .....................................................16

4.2.3 Polnjenje litij-ţelezovih fosfatnih celic .........................................................17

4.2.4 Prenapolnitev litij-ionske celice ...................................................................18

4.3 Algoritem polnjenja svinčevih in litij-ionskih celic ................................................18

4.4 Merjenje stanja napolnjenosti ............................................................................19

5 NAČRTOVANJE POLNILNEGA REGULATORJA ..................................................22

5.1 Stikalni regulatorji ..............................................................................................22

5.2 Načrtovanje pretvornika navzdol ........................................................................23

5.2.1 Delovanje pretvornika navzdol ....................................................................23

5.2.2 Razlika med sinhronim in nesinhronim pretvornikom ..................................24

5.2.3 Frekvenca pretvornika ................................................................................27

5.2.4 Izračun elementov ......................................................................................27

5.3 Načrtovanje merilnikov toka ...............................................................................30

5.4 Načrtovanje merilnikov napetosti .......................................................................32

5.5 Načrtovanje merilnika temperature ....................................................................33

5.6 Krmilnik ..............................................................................................................34

vii

5.6.1 Števnik v krmilniku ......................................................................................35

5.6.2 Analogni vhodi krmilnika .............................................................................38

5.7 Preverjanje pravilnosti delovanja s simulacijo ....................................................40

5.8 Izdelava tiskanin ................................................................................................42

6 MERITVE IN REZULTATI ........................................................................................45

7 SKLEP .....................................................................................................................57

VIRI IN LITERATURA .....................................................................................................59

PRILOGE ........................................................................................................................62

viii

Kazalo slik

Slika 1.1: Blokovna shema polnilnega regulatorja .................................................................. 1

Slika 2.1: Atom silicija [3]. ...................................................................................................... 2

Slika 2.2: Princip delovanja silicijeve sončne celice. .............................................................. 2

Slika 2.3: Povprečno letno sevanje sonca na površino Zemlje [4]. ......................................... 3

Slika 2.4: U-I karakteristika sončne celice. ............................................................................. 4

Slika 3.1: U-I karakteristika sončne celice in potek moči. ....................................................... 6

Slika 3.2: Algoritem povečevanja prevodnosti. ...................................................................... 7

Slika 4.1: Električni simbol idealne baterije a) dvocelične b) enocelične. ............................... 8

Slika 4.2: Avtomobilska baterija z velikim številom tankih plošč [1]. ....................................... 9

Slika 4.3: Zaprta svinčeva baterija s širokimi ploščami [1]. .................................................... 9

Slika 4.4: Graf polnjenja (osnovno) svinčeve celice [8]. ........................................................10

Slika 4.5: Smer ionov med praznjenjem in polnjenjem litij-ionske celice. ..............................12

Slika 4.6: Graf polnjenja (osnovno) za litij-ionske celice [8]. ..................................................14

Slika 4.7: Mreţni graf karakteristike LCO celice. ...................................................................16

Slika 4.8: Struktura LMO celice. ...........................................................................................17

Slika 4.9: Lastnosti litij-manganove oksidne celice. ..............................................................17

Slika 4.10: Lastnosti litij-ţelezove fosfatne celice. .................................................................18

Slika 4.11: Algoritem polnjenja akumulatorskih baterij. .........................................................19

Slika 4.12: Krivulja praznjenja litij-ionske celice. ...................................................................20

Slika 5.1: Blokovna shema polnilnega regulatorja. ................................................................22

Slika 5.2: Stikalo izklopljeno, dioda prevaja. .........................................................................24

Slika 5.3: Stikalo vklopljeno, dioda ne prevaja. .....................................................................24

Slika 5.4: Nesinhron pretvornik navzdol z diodo [18]. ...........................................................24

Slika 5.5: Sinhron pretvornik navzdol z MOSFET stikalom [18]. ...........................................25

Slika 5.6: Učinkovitost pretvornikov pri vhodni napetosti 12V in izhodni napetosti 1,5V [18]. 25

Slika 5.7: Izkoristek pretvornikov pri vhodni napetosti 12V in izhodni napetosti 2,5V [18]. ....26

Slika 5.8: Tok skozi tuljavo. ..................................................................................................26

Slika 5.9: Primerjava izkoristka pri različnih frekvencah [28]. ................................................27

Slika 5.10: Zaznavanje toka na vhodu. .................................................................................31

Slika 5.11: Zaznavanje toka med bremenom in maso. ..........................................................31

Slika 5.12: Delilnik napetosti. ................................................................................................32

Slika 5.13: Blokovna shema krmilnika Atmega2560. ............................................................34

Slika 5.14: Blokovni diagram 16-bitnega števnika. ................................................................36

Slika 5.15: Primer nastavitve hitre pulzno širinske modulacije v Arduino okolju. ...................38

ix

Slika 5.16: Precizna napetostna referenca realizirana s pomočjo komponente LM4040, ki je

prikazana s simbolom Zener diode. ......................................................................................39

Slika 5.17: Struktura komponente LM4040. ..........................................................................39

Slika 5.18: Pretvornik navzdol z gonilnikom za P kanalni MOSFET. .....................................40

Slika 5.19: Potek napetosti in toka pri 100Ω bremenu. .........................................................41

Slika 5.20: Potek napetosti pri 10Ω bremenu. .......................................................................41

Slika 5.21: Potek toka v tuljavi pri bremenu 100Ω. ................................................................41

Slika 5.22: Potek toka v tuljavi pri bremenu 10Ω. ..................................................................42

Slika 5.23: 2D pogled na tiskanino pretvornika navzdol. .......................................................42

Slika 5.24: Merilnik toka na vhodu. .......................................................................................43

Slika 5.25: Merilnik toka na izhodu. ......................................................................................43

Slika 5.26: Merilnika napetosti. .............................................................................................44

Slika 5.27: Vir referenčne napetosti. .....................................................................................44

Slika 6.1: Merilna negotovost pri merjenju enosmerne napetosti DMM [27]. .........................45

Slika 6.2: Meritev napetosti z vhodnim in izhodnim merilnikom napetosti v odvisnosti od

meritve napetosti z DMM. .....................................................................................................47

Slika 6.3: Relativni pogrešek merilnikov napetosti (celoten)..................................................47

Slika 6.4: Relativni pogrešek merilnikov napetosti. ...............................................................48

Slika 6.5: Merilne negotovosti pri merjenju enosmernega toka DMM [27]. ............................49

Slika 6.6: Meritev toka z vhodnim merilnikom toka v odvisnosti od meritve toka z DMM. ......50

Slika 6.7: Relativni pogrešek vhodnega merilnika toka (INA282) (celotna meritev). ..............50

Slika 6.8: Relativni pogrešek vhodnega merilnika toka. ........................................................51

Slika 6.9: Meritev tok z izhodnim merilnikom toka v odvisnosti od meritve toka z DMM. .......52

Slika 6.10: Celoten relativni pogrešek izhodnega merilnika toka (LM358).............................52

Slika 6.11: Celoten relativni pogrešek izhodnega merilnika toka. ..........................................53

Slika 6.12: Izkoristek algoritma MPPT v odvisnosti od toka. .................................................55

Slika 6.13: Izkoristek moči pri izvajanju algoritma MPPT v odvisnosti od toka. .....................56

Slika 0.1 Tehnični podatki sončne celice, uporabljene pri meritvah.......................................62

x

Kazalo tabel

Tabela 4.1: Razlika o številu ciklov med avtomobilsko in zaprto svinčevo baterijo ................10

Tabela 4.2: Polnjenje pri različnih napetostih ........................................................................15

Tabela 4.3: Razmerje med specifično maso in temperaturo zaprte svinčeve celice ..............21

Tabela 5.1: Nadzorni register A ............................................................................................37

Tabela 5.2: Nadzorni register B ............................................................................................37

Tabela 5.3: Opis WGM bitov.................................................................................................37

Tabela 5.4: Opis CS bitov .....................................................................................................38

Tabela 5.5: Opis COM bitov .................................................................................................38

Tabela 6.1: Meritve napetosti ...............................................................................................46

Tabela 6.2: Primerjanje rezultatov meritev vhodnega merilnika toka z DMM ........................49

Tabela 6.3: Primerjanje rezultatov meritev izhodnega merilnika toka z DMM .......................51

Tabela 6.4: Rezultati meritev izkoristka pretvornika z iskanjem vršne moči brez diode .........54

Tabela 6.5: Rezultati meritev izkoristka pretvornika z iskanjem vršne moči z diodo ..............54

Tabela 6.6: Izkoristek pretvornika pri 0,6A ............................................................................54

Tabela 6.7: Izkoristek pretvornika pri 1A ...............................................................................54

Tabela 6.8: Izkoristek pretvornika pri 2A ...............................................................................55

xi

Uporabljene kratice

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

LCO Lithium Cobalt Oxide

LMO Lithium Manganese Oxide

LFP Lithium Iron Phospate

NMC Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide

NCA Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide

LTO Lithium Titanate

SoC State of Charge

MPPT Maximum Power Point Tracking

TCCRn Timer Counter Controll Register

WGM Waveform Generation Mode

CS Clock Select

COMn Compare Output Mode

OCRn Output Compare Register

TCNTn Timer Counter

ADC Analog Digital Converter

CTC Clear Timer on Compare

PWM Pulse Width Modulation

DC Direct Current

LCO Lithium Cobalt Oxide

CC Constant Current

CV Constant Voltage

CCM Continuous Conduction Mode

ESR Equivalent Series Resistance

Jan Cokan, Univerzalni polnilnik z vršno močjo 2016

1

1 UVOD

Obnovljivi viri energije so čedalje bolj cenjeni viri energije, saj so fosilna goriva (premog,

nafta in naravni plini) na voljo v vedno manjših količinah [1]. Slabost neobnovljivih virov je

tudi ta, da se nahajajo le na določenih mestih našega planeta. Poleg tega proizvodnja

energije s pomočjo fosilnih goriv masovno onesnaţuje ozračje. Po vsem svetu drţave zato

na veliko financirajo v obnovljive vire, gradijo vetrne, sončne ter hidro elektrarne in

elektrarne, ki delujejo na biomaso. Prav tako je prednost te industrije v tem, da ustvarja

veliko delovnih mest po svetu; med njimi izstopajo sončne elektrarne.

Ker je dostopnost obnovljivih virov moţna kjerkoli na svetu (nekje več, drugje manj), lahko

oskrbujemo z električno energijo tudi tiste oddaljene, teţko dostopne kraje, ali pa napajamo

prenosljive naprave z manjšimi sistemi elektrarn. Na slednje se bomo osredotočili v tem

diplomskem delu.

Cilj diplomskega dela je izdelati napravo, ki polni vrsto akumulatorjev (svinčeva celica

in litij-ionska celica), saj bo tako izdelek bolj vsestranski in primeren za širšo javnost.

Namenjen je ljudem, ki več časa preţivijo oddaljeni od vira električne energije (tabori, ribolov

ipd.) in si lahko s tem polnilnikom napolnijo prenosne naprave. Delo polnilnika je prenos

električne energije iz sončne celice v akumulatorske baterije, saj direktna vezava med

sončno celico in baterijo ni mogoča.

Na začetku diplomskega dela so na kratko predstavljene sončne celice, delovanje le-

teh in vrste. Nato je opisan algoritem sledenja točki vršne moči, temu pa sledi kratka

primerjava med različnimi metodami algoritma. V nadaljevanju se soočimo z akumulatorskimi

baterijami. Tu so opisane svinčeve baterija in litij-ionske baterije. Za vsako je še predstavljen

algoritem polnjenja. Na kratko je še opisana metoda zaznavanja stanja napolnjenosti

določene baterije. V drugem delu diplomskega dela načrtujemo vezje. Najprej je opisano

delovanje stikalnega regulatorja, temu sledi izračun elementov vezja. Na koncu so

predstavljene simulacije posameznih delov vezja meritve ter zaključek.

Slika 1.1: Blokovna shema polnilnega regulatorja


2

2 LASTNOSTI SONČNIH CELIC

Namen sončne celice je pretvorba sončnih ţarkov v električno energijo na podlagi

fotovoltaičnega efekta z uporabo polprevodniških materialov in pomočjo elektrokemijskega

procesa [2]. Najpogostejše sončne celice so sestavljene iz silicija. Na sliki 2.1 vidimo

kristaliziran silicij, ki se nahaja med dvema prevodnima ploščama. Vsak atom silicija je

povezan s sosednjimi atomi s štirimi mičnimi kovalentnimi vezmi. Silicij je sestavljen iz p-tip

plasti in n-tip plasti. N-tip ima proste elektrona, p-tip pa proste vrzeli1. Tam, kjer se ti dve

plasti dotikata (p-n spoj), se lahko elektroni pomikajo iz ene plasti v drugo. Tako nastane v

eni plasti pozitiven naboj (p-tip plasti), v drugi pa negativen (n-tip plasti). Kadar zadane

sončno celico foton z dovolj energije, zbije elektron silicija iz vezi. Tako dobimo negativno

naelektren elektron in pozitivno naelektreno vrzel. Zaradi električnega polja p-n spoja bodo

elektroni potovali samo v eno smer, k n-tipu (slika 2.2).

Slika 2.1: Atom silicija [3].

Slika 2.2: Princip delovanja silicijeve sončne celice.

1 Prazen prostor.


3

Pozitivna lastnost proizvajanja električne energije s tem sistemom je ta, da ne onesnaţuje

okolja, z masovno proizvodnjo se niţajo cene modulov in z razvojem tehnologije se izboljšuje

izkoristek. Negativna lastnost pa je majhna izkoriščenost sončne energije. Le okoli 22 %

sončne energije na kvadratni meter se pretvori v električno. Na enem kvadratnem metru

površine zemlje je ob lepem vremenu pri višini morske gladine okoli 1000W sončne energije.

Bliţje kot smo severnemu (angl. Tropic of Cancer) ali juţnemu (angl. Tropic of Capricorn)

povratniku, več je sončne energije, zato je tam najprimernejši prostor za postavitev

fotovoltaičnih elektrarn (slika 2.3). Na sliki desno zgoraj je podana legenda sončnega

obsevanja v kWh/m2.

Slika 2.3: Povprečno letno sevanje sonca na površino Zemlje [4].

Sončne celice lahko veţemo zaporedno ali vzporedno. Pri zaporedni povezavi modulu

povečamo napetost na odprtih sponkah, medtem ko pri vzporedni vezavi modulu sončnih

celic povečamo kratkostični tok. Pri obeh vezavah ostane oblika krivulje enaka. Pri

povečanju osvetljenosti sončne celice se I-U krivulja poveča (zgornja rdeča črta na sliki 2.4),

medtem ko se pri povečanju temperature I-U krivulja zmanjša (spodnja rdeča črta na sliki

2.4). Črna črta na sliki 2.4 predstavlja začetno krivuljo.


4

Slika 2.4: U-I karakteristika sončne celice.

Obstaja mnogo različnih sončnih celic, glavna dva tipa pa delimo na sončne celice, grajene

iz kristaliziranega silicija (mono-kristalne in poli-kristalne celice) in celice, grajene iz tankega

filma [5 in 6].

Večina sončnih celic je iz silicija, vendar je lahko slednji v različnih oblikah. To so mono-

kristalne celice in poli-kristalne celice. Mono-kristalne celice so pravzaprav rezine (angl.

wafer) cilindričnega stoţčastega silicijevega stolpa. Ker so celice kvadrataste oblike, rezine

pa okrogle oblike, nastane pri obrezovanju veliko odpadnega silicija. Stoţčast stolp nastane

tako, da se stopijo kamni silicija pri 1400°C, nato pa se nato stopljen silicij vleče počasi

navzgor. Poli-kristalne celice pa so ustvarjene na drugačen način. Kamni silicija se poloţijo v

kvadratast kalup in se nato stopijo (tako se ustvari kvadratasta oblika silicija), prav tako pri

1400°C. Ko se silicij ohladi in strdi, se kristalizira. Ko se reţe na rezine, je veliko manj

odpadnega materiala, saj je silicij ţe kvadrataste oblike.

Mono-kristalne celice se od poli-kristalnih celic razlikujejo po čistosti (poravnanost molekul)

samega silicija. Bolj, kot je slednji čist, bolj je učinkovita pretvorba sončne energije v

električno energijo. Mono-kristalne celice vsebujejo najčistejši silicij med vsemi izvedbami

sončnih celic, kar pomeni, da so najučinkovitejše (okoli 20 %). Čeprav z današnjo tehnologijo

poli-kristalne celice ne zaostajajo dosti (okoli 17 %). Učinkovitost celic iz tankega filma se

giblje nekje med 7 % in 13 %. Nekatere vrste so grajene iz več plasti tankega filma

polprevodnega materiala (v nekaterih primerih tudi silicij). Proizvodnja teh je dosti laţja, od

proizvodnje kristalnih celic. Celice iz tankega filma so tudi upogljive, temperatura in slabša

svetilnost pa imata manjši vpliv kot pri drugih celicah. Slabost le teh je ta, da potrebujejo

večjo površino kot druge vrste celic.


5

3 ALGORITEM SLEDENJA TOČKI VRŠNE MOČI

Pri uporabi sončnih celic je za prenos električne moči na porabnika potreben regulator,

saj bi bil v nasprotnem primeru ta prenos nezadosten ali pa bi uničil breme [7]. Brez

vmesnika je breme tisto, ki določa delovno točko celice. Sončne celice generirajo tok na

podlagi osvetljenosti same celice. Osvetljenost sončnih celic se neprestano spreminja, kar

pomeni, da se tudi točka vršne moči prej omenjenega tokovnega generatorja nenehno

spreminja. Regulator oziroma vmesnik pa spreminja izhodno napetost tako, da jo prilagodi

bremenu. To je moţno izvesti s pomočjo pulzno širinske modulacije, vendar je pri tej tehniki

izhodni tok enak vršnemu toku sončne celice. Za večji izkoristek prenosa moči se uporablja

tehnika sledenja točki vršne moči (angl. maximum power point tracking ali MPPT). Pri tej

tehniki regulator prav tako zmanjša napetost, da jo prilagodi bremenu, vendar hkrati poveča

tok. Tako je izhodna moč malo niţja kot vhodna.

Točki vršne moči lahko sledimo s pomočjo več različnih metod algoritmov. V grobem se le ti

delijo na direktne in indirektne. Pod indirektne metode spadata metoda fiksne napetosti ter

metoda delne napetosti odprtih sponk. Pod direktne metode uvrstimo metodo perturbacije in

opazovanja ter metodo povečevanja prevodnosti.

Indirektni metodi nista točni pri določanju vršne moči, saj metoda fiksne napetosti temelji na

domnevanju količine osvetlitve sonca na določen dan, medtem ko metoda delno napetosti

odprtih sponk temelji na konstanti. Slednja je različna pri različnih tipih sončne celice. Druga

slabost te metode je ta, da ko pride do spremembe osvetljenosti, mora izmerit napetost

celice na odprtih sponkah, torej prekine povezavo med bremenom in sončno celico.

Direktni metodi sta bolj napredni od indirektnih metod. Direktno merita tok in napetost sončne

celice ter imata bolj točen in hitrejši odziv. Pri metodi perturbacije in opazovanja se delovna

točka2 (grafičen opis: presečišče premice toka in premice napetosti) neprestano giblje okoli

točke vršne moči. Prav tako je metoda občutljiva na hitre spremembe svetilnosti. Metoda

povečevanja prevodnosti je bolj točna kot prejšnja, saj se delovna točka ne spreminja takrat,

ko je na točki vršne moči. Tudi ta metoda ni tako učinkovita pod delnim zasenčenjem sončne

celice. Glavna slabost pa je kompleksnost izdelave strojne opreme. Meriti mora tok in

napetost sončne celice ter izračunati spremembe.

Pretvornik navzdol ima v neprekinjenemu prevajalnemu načinu (angl. Continuous

Conduction Mode ali CCM) linearen prenos napetosti. Tako je implementacija algoritma

sledenja vršne moči zelo enostavna, saj algoritem direktno vpliva na delovni cikel

pretvornika.

2 Delovno stanje vezja


6

Metoda polnjenja s pulzno širinsko modulacijo ne izkoristi celotne moči sončne celice, saj

napetost le zmanjša na primerni potencial baterije, največji izhodni tok pa je enak vršnemu

toku sončne celice. Metoda sledenja točki vršne moči zmanjša napetost in poveča tok, tako

je izkoristek izjemno visok.

3.1 Metoda povečevanja prevodnosti

Ta metoda uporablja fiksen korak povečanja oziroma pomanjšanja prevodnosti v

delovni točki sončne celice [7]. Kadar uporabimo večji korak, doseţemo vršno točko hitreje,

vendar lahko algoritem oscilira okoli vršne točke. Bolje je, da uporabimo manjši korak, čeprav

bo dlje trajalo, da doseţemo vršno točko moči.

Slika 3.1: U-I karakteristika sončne celice in potek moči.

Na podlagi odvodov (enačbe 3.1, 3.2 in 3.3) ugotavljamo trenutni poloţaj delovne točke.

Enačba (3.2) nakazuje, da je delovna točka levo od vršne točke moči, enačba (3.1) nakazuje,

da je delovna točka enaka točki vršne moči (krivulja moči nima naklona) in enačba (3.3)

nakazuje, da je delovna točka desno od točke vršne moči. To kar iščemo je napetost pri

kateri bo enačba (3.1) enaka nič.

Vsi ti opisi so grafično prikazani na Slika 3.1, kjer črna črta predstavlja I-U karakteristiko

sončne celice, rdeča črta pa predstavlja potek moči sončne celice. Uvm je napetost pri kateri

nastopa največja moč, Ivm je tok pri kateri pri kateri nastopa največja moč.

0

U

P

U

P (3.1)


7

0

U

P

U

P (3.2)

0

U

P

U

P (3.3)

Tu je:

∆P – sprememba moči (W) ter

∆U – sprememba napetosti (V).

Slika 3.2 prikazuje algoritem povečevanja prevodnosti. S tem si lahko pomagamo pri pisanju

programa. Algoritem temelji na podlagi enačb (3.1, 3.2 in 3.3) in grafa (slika 3.1).

Slika 3.2: Algoritem povečevanja prevodnosti.


8

4 AKUMULATORSKE BATERIJE

Prvo akumulatorsko3, prvo svinčevo baterijo je leta 1859 izumil francoski fizik Gaston

Planté [1 in 8]. Leta 1899 je Šved Waldemar Jungner izumil prvo nikelj-kadmij akumulatorsko

baterijo, pri kateri se za elektrode uporabljajo nikljev oksid, hidroksid in kovinski kadmij.

Slednji je strupen, zato je od leta 2004 v Evropski uniji prepovedana uporaba nikelj-

kadmijevih baterij. Skoraj popolnoma so jih izpodrinile nikelj-metal-hidridne baterije, ki so v

uporabi ţe od leta 1989. Pionirska dela na litij-ionski baterijah so se začela ţe leta 1912,

vendar je šele v 70. letih 19. stoletja postala širše dostopna za javnost.

Akumulatorske baterije se razlikujejo od navadnih baterij po tem, da imajo moţnost

ponovnega polnjenja po izpraznjenju. Sestavljene so iz ene ali več elektrokemijskih4 celic.

Uporabi se lahko izraz akumulator, saj celica akumulira5 energijo. Terminološko gledano je

baterija skupek več celic (slika 4.1).

Slika 4.1: Električni simbol idealne baterije a) dvocelične b) enocelične.

4.1 Svinčeva baterija

Celica je sestavljena iz dveh plošč, elektrolita in izolatorja oziroma ločilnika. Elektrolit

tvorita voda in ţveplova kislina [8 in 9]. Obstaja več metod izdelovanja plošč. Postopek za

izdelovanje pozitivne plošče je drugačen kot postopek za izdelovanje negativne plošče, saj

plošči nista enaki. Običajno je pozitivna (katoda) plošča prevlečena s tankim slojem

svinčevega dioksida, medtem ko je negativna (anoda) plošča iz poroznega gobastega

svinca.

3 Drugo poimenovanje je sekundarna baterija.

4 Naprava, ki je zmoţna proizvajat električno energijo s pomočjo kemijskih reakcij.

5 Zbirati, nabirati


9

Svinčeva baterija (angl. lead acid) se odraţa po tem, da je zmoţna prenesti visok vklopni tok,

kar pomeni, da ima celica visoko moč glede na maso. Poleg tega je cena na celico nizka.

Slabost te celice pa je ta, da ima malo energije glede na maso. Čeprav je tehnologija stara,

je še danes uporabljena ravno zaradi svojih odlik, ki prekašajo druge vrste celic. Najbolj je

uporabljena v avtomobilski industriji, saj potrebuje avtomobilski zaganjalnik visoke zagonske

tokove.

Avtomobilska baterija ima nizko notranjo upornost, ki je doseţena z večjim številom tanjših

plošč, kakor prikazuje slika 4.2. Debelina plošč določa, kako zelo se lahko izprazni baterija,

vendar to za avtomobilsko ni pomembno, saj se ob vsaki voţnji le-ta ponovno napolni.

Slika 4.2: Avtomobilska baterija z velikim številom tankih plošč [1].

Uporabljajo se tudi tam, kjer se pogosto shranjuje energija, kjer sistem ni priklopljen na

omreţje, ali pa je potreba po rezervnemu napajanju. Tukaj pride v poštev zaprta svinčeva

baterija (angl. sealed lead acid), ki nima takšne potrebe po vzdrţevanju kot avtomobilska

baterija, prav tako je čas zadrţevanja energije daljši. Ti tipi baterij imajo vgrajene debelejše

plošče, kakor nakazuje slika 4.3. S tem doseţemo večjo kapaciteto ter večje število ciklov

polnjenja in praznjenja.

Slika 4.3: Zaprta svinčeva baterija s širokimi ploščami [1].


10

Tabela 4.1 primerja ţivljenjsko dobo med avtomobilsko svinčevo baterijo in zaprto svinčevo

baterijo pri globokem praznjenju.

Tabela 4.1: Razlika o številu ciklov med avtomobilsko in zaprto svinčevo baterijo

Izpraznjenost Avtomobilska baterija Zaprta svinčeva baterija

100% 12 - 15 ciklov 150 - 200 ciklov

50% 100 - 200 ciklov 400 - 500 ciklov

30% 130 - 150 ciklov 1000 in več ciklov

4.1.1 Polnjenje svinčevih celic

V tem poglavju opisujemo samo osnovno polnjenje brez hitrega polnjenja.

Za osnovno polnjenje svinčevih baterij se uporablja metoda konstantnega toka in konstantne

napetosti (angl. constant current / constant voltage, okrajšano CC/CV) [1, 8 in 10]. Reguliran

tok dvigne napetost celice do zgornje meje, pri kateri začne nato tok upadati zaradi

nasičenosti. Čas polnjenja je nekje med dvanajst in šestnajst ur ter med šestintrideset in

oseminštirideset ur za večje baterije. Z večjimi tokovi (hitro polnjenje) in več stopnjami

polnjenja lahko zmanjšamo čas polnjenja na pribliţno tri ure. Vendar s povečanim tokom (2C

ali 4C) polnimo samo na začetku, zato ker se začne baterija segrevat. Tok naj bo pulzirajoč,

saj tako lahko doseţemo večji tok in pustimo čas akumulatorju, da se regenerira.

Slika 4.4: Graf polnjenja (osnovno) svinčeve celice [8].


11

Pri osnovnem polnjenju se svinčeva baterija polni počasi (s tokom ene tretjine nazivne

kapacitete oziroma C/3). Polnjenje svinčevih celic naj poteka v treh stopnjah, kot je razvidno

tudi na sliki 4.4. Polnjenje pod konstantnim tokom v stopnji 1 traja pribliţno polovico časa

celotnega polnjenja. Pri polnjenju v drugi stopnji pod konstantno napetostjo začne tok

upadat, saj pride celica v nasičenje. V tretji stopnji pa je dodatno polnjenje, ki nadomesti

izgube, nastale pri samo izpraznjevanju baterije med polnjenjem.

V prvi stopnji se baterija napolni do pribliţno 70 %, v času od pet do osem ur. V drugi stopnji,

ki je počasnejša od prve, pa se napolni preostalih 30 %. Ta del traja od 7 do 10 ur in je

bistven, da celica ostane v dobrem stanju. V nasprotnem primeru, če končamo polnjenje po

prvi stopnji, bo baterija s časoma izgubila zmoţnost ponovnega polnjenja in lastnosti celice.

Razlog za to je nabiranje sulfata6 na ploščah. Polnjenje v zadnjem, tretjem stanju, ohranja

celico na polni napolnjenosti. Polnjenje se konča takrat, ko tok pade na 3 oziroma 5 %

nazivne vrednosti kapacitete.

Napetost, do katere se polni svinčeva celica, je od 2,30 do 2,45V. Če končamo s polnjenjem

pred začetkom tretje stopnje, se izognemo tvorjenju sulfata na negativni plošči, saj bo celica

na maksimalni napolnjenosti, vendar se bo zaradi pomanjkanja vzdrţevalne faze polnjenja

pojavila korozija na pozitivni plošči, kar privede do proizvodnje plina vodika in izgube vode v

celici. Plin vodik je visoko vnetljiv, zato je priporočeno polnjenje v prezračevanem prostoru.

Pri polnjenju je pomembno tudi nadzorovanje temperature celice. Temperaturni koeficient je

-3mV/°C pri sobni temperaturi (25°C), kar pomeni, da se mora polnilna napetost zmanjšati za

3mV pri vsakem dvigu 1°C nad sobno temperaturo oziroma zmanjšati za 3mV pri vsakem

spustu 1°C pod sobno temperaturo.

Priporočeno je, da se tretja stopnja izvaja pri napetosti od 2,25 do 2,27V. V primeru, da tretje

stopnje polnjenja pri polnilniku ni, pa se naj baterija polni največ oseminštirideset ur.

Kar se tiče vzdrţevanja svinčevih baterij je zelo pomembno, da vsebujejo dovolj vode. Kako

hitro se voda porabi, je odvisno od metode polnjenja, delovne temperature in pogostosti

uporabe. Kadar je premalo vode v celici, so plošče izpostavljene zraku in oksidirajo, tako

nastane nepopravljiva škoda na bateriji.

Z merjenjem napetosti na odprtih sponkah lahko kar dobro ocenimo stanje napolnjenosti,

druge metode so pa podrobneje opisane v poglavju 4.4.

Tvorjenje sulfata je pogost pojav pri avtomobilskih baterijah, saj tam pogosto ni moţno

popolnoma napolnit baterijo v primeru, da se avtomobil večino časa vozi počasi. Ker sončne

6 Sol ţveplove kisline, kristali rumenkaste barve.


12

celice (in vetrne turbine) pri neposredni vezavi na baterijo niso zmoţne zadostiti primernega

polnjenja, lahko pride do tvorjenja sulfata.

Sulfat se začne tvorit ţe med samim praznjenjem baterije, kar je običajen proces. Bolj, kot se

baterija prazni, več je sulfata na ploščah. Če takoj ne napolnimo baterije po izpraznitvi, se

amorfni7 sulfat pretvori v stabilno kristalno obliko. Poznamo dve obliki tvorjenja sulfata. Pri

eni obliki je moţno tvorjen sulfat odstranit, pri drugi obliki pa je tvorjen sulfat na ploščah

trajen in ga ni moţno odstranit. Pri rednem vzdrţevanju baterije se lahko nabran sulfat

odstrani tako, da prenapolnimo ţe polno baterijo s konstantnim tokom okoli 200mA.

Dovoljeno je, da se napetost na celici dvigne na 2,5 oziroma 2,6V v času štiriindvajsetih ur.

Pomaga tudi, da dvignemo temperaturo celice na 50 do 60°C. Kadar pa prazna baterija stoji

dalj časa (tedni, meseci), potem sulfata ni več moţno odstranit, vsaj, kar se tiče starih

sistemov svinčevih baterij. Pri novih se ga pogosto da odstranit.

4.2 Litij-ionska baterija

Litij-ionska baterija, tako kot svinčeva baterija, spada v druţino sekundarnih baterij. Pri

tej bateriji se litijevi ioni premikajo iz negativne elektrode proti pozitivni med praznjenjem in

obratno med polnjenjem, kakor prikazuje slika 4.5 [1 in 8].

Slika 4.5: Smer ionov med praznjenjem in polnjenjem litij-ionske celice.

7 Brez točno določene oblike


13

Negativna elektroda (anoda) prvih litij-ionskih baterij je bila sestavljena iz litijeve kovine,

vendar se na tej med cikli polnjenja ustvarijo nezaţeleni dendritni kristali8, ki prodrejo ločilnik

in povzročijo kratek stik. Litij je sicer najlaţja kovina z najmanjšo gostoto med elementi v

trdem agregatnem stanju. Ima tudi najboljši elektrokemični potencial in proizvede največ

specifične energije na maso. Zaradi visoke nestabilnosti litijeve kovine se dandanes za

anodo uporablja nekovinski material, najpogosteje grafit. Za pozitivno elektrodo (katodo) se

uporabljajo vsaj trije različni materiali; kovinski oksid (litij-kobaltova-oksidna celica), vrsta poli

elektrolita – poli anion (litij-ţelezova-fosfat celica) in spinel9 (litij mangan oksid celice), za

elektrolit kot prevodnik pa litijevo sol v organskem topilu, ki vsebuje litijeve ione.

Litij-ionske baterije imajo nizko samo-praznjenje, nizko notranjo upornost ter nimajo

spominskega efekta. Glede na sestavo delimo litij-ionske celice na tri večje skupine, ki so

najpogosteje uporabljene:

litij-kobaltova oksidna (LiCoO2 ali krajše LCO),

litij-manganova oksidna (LiMn2O4 ali krajše LMO) ter

litij-ţelezova fosfatna (LiFePo4 ali krajše LFP) celica.

Druge celice, ki so manj uporabljene:

litij-nikelj-mangan-kobaltova oksidna (LiNiMnCoO2 ali krajše NMC),

litij-nikelj-kobalt-aluminijeva oksidna (LiNiCoAlO2 ali krajše NCA) ter

litijeva-titanatna (Li4Ti5O12 ali krajše LTO) celica.

Ključ v prevladovanju glede specifične energije je v višji nominalni napetosti. Zaradi

slednjega lahko direktno napajamo mobilne telefone, tablice, digitalne kamere, kar ponuja

poenostavljenost in zmanjšanje stroškov v primerjavi z drugimi vrstami akumulatorskih

baterij.

Za litij-ionsko celico je potrebno manj vzdrţevanja kot za druge akumulatorske celice, prav

tako ne potrebuje namerne izpraznitve, da ostane v dobrem stanju. Slabosti litij-ionskih celic

sta potreba po zaščitnih vezjih in cena.

4.2.1 Polnjenje litij-kobaltovih oksidnih celic

Litij-kobalt oksid celica (okrajšava LKO ali po angleško LCO), v nadaljnje kar

litij-ionska celica ali okrajšava LCO [1, 8 in 11].

8 Vejasta oblika; razvejen, razvejan

9 Magnezijev aluminijev oksid MgAl2O4. Eden od mineralov obseţne spinelne skupine. (lat. spina

pomeni trn in kaţe na obliko kristalov) [1].


14

Algoritem (slika 4.6) polnjenja litij-ionskih celic je podoben polnjenju svinčevih celic. Razlika

je v tem, da ima litij-ionska celica višjo nominalno napetost in manjše tolerance.

Celice, pri katerih je katoda iz elementov, kot so kobalt, nikelj, magnezij in aluminij, se po

navadi polnijo do nominalne napetosti 4,2V/celico. Toleranca je ±50mV/celico. Celice z

visoko kapaciteto se polnijo tudi do 4,3V/celico. Če polnimo z višjo napetostjo, kot jo je podal

proizvajalec, povečamo kapaciteto baterije, vendar ogroţamo varnost.

Slika 4.6: Graf polnjenja (osnovno) za litij-ionske celice [8].

Priporočena stopnja polnjenja je med 0,5C10 in 1C (celica s nazivno kapaciteto 2Ah se naj

polni z 2A). Najpogosteje se polni z 0,8C ali manj, da ne zmanjšujemo ţivljenjske dobe

baterije. Polnjenje litij-ionskih celic traja pribliţno tri ure. Ţivljenjska doba te celice je od 500

do 1000 ciklov. Učinkovitost polnjenja je okoli 99 %, celica pa med polnjenjem ostane

hladna. Če se temperatura poveča za več kot 10ºC, potem je prišlo do napake. Do 5ºC se

segreje zaradi varnostnega vezja.

10

Naboj (enota poimenovana po Charles Augustin de Coulomb – 1736-1806); 1C = A * s


15

Baterija je napolnjena, ko doseţe zadan nivo napetosti (4,2V za eno celico), in ko tok pade

pod 3 % nazivne Ah (amper – ur) vrednosti, ali če se ne zmanjšuje več. Vzrok za slednjo je

lahko povišana samo-izpraznitev baterije.

S povečanjem polnilnega toka ne doseţemo polne napolnjenosti baterije dosti hitreje.

Čeprav bo baterija hitreje dosegla vršno napetost, bo zato nasičeno polnjenje trajalo dlje.

V nasprotju s svinčevimi baterijami litij-ionsko baterijo ni potrebno popolnoma napolnit.

Pravzaprav to niti ni zaţeleno, saj so visoke napetosti stresne za baterijo. Če izberemo niţjo

polnilno napetost, podaljšamo bateriji ţivljenjsko dobo, vendar zmanjšamo kapaciteto (tabela

4.2); posledično bodo naprave, ki jih napaja takšna baterija, delovale manj časa. Prav tako je

ne moremo prenapolnit. Večina polnilcev na trgu polni baterije do polne kapacitete, saj je

proizvajalcem bolj pomembna kapaciteta kot ţivljenjska doba; nasprotje so industrijske

polnilne naprave.

Tabela 4.2: Polnjenje pri različnih napetostih

Če je med polnjenjem na baterijo priključeno breme, bo skozi to breme tekel tok in lahko

zmede polnilni cikel; nastanejo mini cikli. Takemu bremenu pravimo parazitno breme. Nivo

stresa je visok, saj se cikli zgodijo pri visokih napetostih, pogosto tudi pri povišanih

temperaturah. Zaradi tega je dobro, da na baterijo med polnjenjem ni priključeno nobeno

breme. Na ta način bo celica brez problema tudi dosegla točko napetostnega praga in

tokovno nasičenost.

Po koncu polnjenja začne napetost celice padati, s tem pa se zmanjša stres. Čez nekaj časa

se napetost na odprtih sponkah ustavi nekje med 3,7V in 3,9V na celico. Tista celica, ki je

polnjena v stanju nasičenja, bo dlje drţala višjo napetost. Če pustimo celico v polnilniku,

mora ta vsake toliko časa ponovno dopolnit celico (do 4,05V na celico, da zmanjšamo stres),

saj se baterija s časoma sama izprazni (do 3,9V na celico), nekaj energije pa porabi tudi

zaščitno vezje, če ga celica ima.


16

Posebnost LCO celice je ta, da ima zelo visoko specifično energijo, vendar ima relativno

kratko ţivljenjsko dobo, nizko temperaturno stabilnost in omejene bremenske sposobnosti.

Vse to je razvidno na sliki 4.7. Specifična energija celice je od 150 do 200Wh/kg.

Slika 4.7: Mrežni graf karakteristike LCO celice.

Polnilniki za druge vrste baterij niso zdruţljivi z baterijami, ki so mešane s kobaltom, saj bi jih

nezadostno polnili, v obratnem primeru pa bi se druge vrste baterij v polnilniku za baterije

mešane s kobaltom, prenapolnile.

4.2.2 Polnjenje litij-manganove oksidne celice

Litij-ionska celica z manganovim oksidom je bila prvič objavljena leta 1983. Posebna

oblika strukture (slika 4.8) (ang. spinel) litij-manganove oksidne celice omogoča boljši pretok

ionov, ker ima niţjo upornost [8]. Zaradi tega je varnost celice boljša, temperaturna stabilnost

večja in notranja upornost niţja. To pomeni, da se hitreje napolni in ima moţnost praznjenja

pod večjimi tokovi (od 20 do 30A, pri katerih se bo temperatura dvignila samo do dovoljene

meje ali eno sekundni 50A impulz). Litij-manganova oksidna celica ima za četrtino niţjo

kapaciteto kot litij-kobaltova oksidna celica. Slika 4.9 prikazuje lastnosti čiste litij-manganove

celice.


17

Slika 4.8: Struktura LMO celice.

Slika 4.9: Lastnosti litij-manganove oksidne celice.

Dandanes niso pogoste čiste litij-manganove celice. Mešajo se z litij-nikljevo-manganovo-

kobaltovo oksidno celico, da se izboljša specifična energija baterije ali pa podaljša ţivljenjska

doba. To kombinacijo pogostokrat uporabljajo v električnih vozilih.

Nominalna napetost te celice je 3,7V, polni se do napetosti 4,2V, stopnja polnjenja pa je med

0,7C in 1C. Največja dovoljena stopnja polnjenja je 3C. Celica se lahko prazni s stopnjo od

1C do 10C in 30C pulzno. Pulzi lahko trajajo največ pet sekund. Najmanjša dovoljena

napetost celice je 2,5V. Celica ima od tristo do sedemsto ciklov polnjenja in praznjenja,

odvisno od globine praznjenja. Specifična energija celice znaša med 100 in 150Wh/kg.

4.2.3 Polnjenje litij-ţelezovih fosfatnih celic

Leta 1996 so na Univerzi v Teksasu odkrili, da lahko uporabljajo fosfat kot material za

katodo [8]. V tej izvedbi ima celica dobre elektrokemične lastnosti, z majhno upornostjo. S

tem ima celica daljšo ţivljenjsko dobo, moţni pa so tudi višji tokovi pri praznjenju. Za LiFePo4


18

celico je pri višjih napetostih manj stresa kot za druge vrste litij-ionskih celic. Čeprav ima

celica boljše toplotne lastnosti, se še vedno zmanjša učinkovitost pri niţjih temperaturah kot

pri drugih celicah, vendar ne tako zelo. Slabost LiFePo4 celice je ta, da se zelo hitro sama

izprazni, je pa v primerjavi z drugimi celicami bistveno varnejša (slika 4.10). Ima pa tudi

dolgo ţivljenjsko dobo.

Slika 4.10: Lastnosti litij-železove fosfatne celice.

LiFePo4 celica ima nominalno napetost 3,2V in se polni z 3,65V, stopnja polnjenja pa je 1C.

Čas polnjenja traja tri ure. Celica se lahko prazni s stopnjo od 1C do 25C in 40C pulzno.

Pulzi lahko trajajo največ dve sekundi. Najmanjša dovoljena napetost celice je 2,5V. Celica

ima od tisoč do dva tisoč ciklov polnjenja in praznjenja, odvisno od globine praznjenja.

Specifična energija celice znaša med 90 in 120Wh/kg.

4.2.4 Prenapolnitev litij-ionske celice

Poseben problem predstavlja prenapolnitev litij-ionske celice (angl. overcharge), saj

postane nestabilna, kadar jo polnimo z napetostjo, ki je višja od dovoljene (na primer več, kot

4,2V za LCO celico) [8]. Material, ki sestavlja katodo, začne proizvajat ogljikov dioksid in

izgubi stabilnost. Tlak v celici začne naraščati in ob primeru nadaljnjega polnjenja se celica

odpre (eksplodira) s silo 3450kPa. Moţno je, da se vname tudi ogenj. Torej je nujno, da je v

sami bateriji neke vrste varovalo, ki prepreči zgoraj omenjene dogodke.

4.3 Algoritem polnjenja svinčevih in litij-ionskih celic

Polnilni algoritem za baterije [12] je prikazan na sliki 4.11. Najprej izberemo vrsto

baterije ter na ta način določimo algoritem polnjenja. Nato izberemo število celic, s čimer


19

določimo napetost polnjenja v drugi stopnji. Nazadnje izberemo še kapaciteto baterije, da

določimo polnilni tok.

Slika 4.11: Algoritem polnjenja akumulatorskih baterij.

4.4 Merjenje stanja napolnjenosti

Enota stanja napolnjenosti se izraţa v procentih, kjer 100 % pomeni da je baterija

polna, 0 % pa pomeni, da je baterija prazna [1, 8, 13 in 14]. Stanje napolnjenosti govori o

trenutnemu stanju določene celice oziroma baterije.

Merjenje stanja napolnjenosti (angl. State of Charge) z merjenjem baterije je enostavno,

vendar zelo netočno, to pa zaradi tega, ker na meritev vplivajo sestavni materiali baterije in

temperatura. Največja napaka se pojavi, kadar merimo napetost na celici, ki ne miruje. To

pomeni, da ta metoda ne pride v poštev pri izvajanju meritev na bateriji, ki je v uporabi.

Ta metoda deluje precej dobro na svinčevih baterijah, je pa neuporabna za litij-ionske in

nikelj-metal hidridne baterije, saj ima na primer litij-ionska celica okoli 80 % poteka

praznjenja ravno napetostno krivuljo (slika 4.12). Vsak tip baterije ima namreč unikatno

napetostno krivuljo praznjenja. Tudi ista litij-ionska celica nima enake krivulje pod drugačnimi

pogoji praznjenja (na primer temperatura, tok ipd.).


20

Slika 4.12: Krivulja praznjenja litij-ionske celice.

Takrat ko merimo stanje napolnjenosti svinčevih celic, moramo upoštevati dejstvo, da niso

vse plošče enake sestave. Nekateri dodatki povišajo nazivno napetost do 8 %. Prav tako so

različni nivoji napetosti med zaprto in odprto svinčevo baterijo. Ta metoda, merjenje stanja

napolnjenosti z merjenjem napetosti na odprtih sponkah, je popularna zaradi njene

enostavnosti.

Stanje napolnjenosti svinčevih baterij lahko izmerimo tudi s pomočjo aerometra11. Med

praznjenjem baterije se ţveplova kislina loči od elektrolita in se veţe s ploščo ter tako ustvari

sulfat. Gostota elektrolita se tako zmanjša in postane bolj podobna vodi, zmanjša se tudi

specifična masa. Povezavo med stanjem napolnjenosti in specifično maso prikazuje (tabela

4.2).

Tabela 4.2: BCI12

standard za oceno stanja napolnjenosti avtomobilske baterije z dodatkom antimona

Povprečno stanje

napolnjenosti

Povprečna gostota [kg/m3]

Napetost odprtih sponk [V]

2V 6V 8V 12V

100% 1265 2,10 6,32 8,43 12,65

75% 1225 2,08 6,23 8,30 12,45

50% 1190 2,04 6,12 8,16 12,24

25% 1155 2,01 6,03 8,04 12,06 0% 1120 1,98 5,95 7,72 11,89

11

Merilec gostote tekočin. 12

Battery Council International, Chicago – trgovsko zdruţenje proizvajalcev svinčevih baterij.


21

Zaradi izparevanja vode se spreminja koncentracija elektrolita, s tem pa ne moremo točno

odmerit stanja napolnjenosti. Prav tako je specifična masa različna pri različni bateriji (tabela

4.3). Zaprte baterije uporabljajo gostejši elektrolit. Tudi temperatura baterije spreminja

specifično maso elektrolita. Hladnejša, kot je baterija, gostejši je elektrolit.

Tabela 4.3: Razmerje med specifično maso in temperaturo zaprte svinčeve celice

Temperatura elektrolita [°C]

Gostota polne baterije [kg/m3]

40 1266

30 1273

20 1280

10 1287

0 1294

Dandanes številne sodobne naprave za ocenjevanje stanja napetosti uporabljajo metodo

merjenja naboja (angl. coulomb counting) z merjenjem vhodnega in izhodnega toka v

časovni enoti. Ta metoda deluje zelo dobro pri litij-ionskih sistemih. Točnost se lahko izboljša

tako, da se periodično kalibrira meritve, saj se lastnost baterije s časom spreminja. Tudi

upoštevanje samo-izpraznitve baterije pripomore k točnosti meritev. Dobro je, če polnilnik

meri čas polnjenja, saj se slabše baterije napolnijo hitreje.


22

5 NAČRTOVANJE POLNILNEGA REGULATORJA

Pri uporabi sončnih celic in napajanja bremena bomo zelo teţko prišli do izkoristka

nazivne moči sončne celice, če bomo breme direktno vezali na njo [15, 16 in 17]. Za ta

namen se uporabljajo napetostni regulatorji, kateri pretvarjajo napetost sončne celice na

različne nivoje, da čim bolj izkoristimo moč slednje. Najbolj primeren tip napetostnega DC –

DC regulatorja za naš namen je stikalni regulator, saj ima dosti večji izkoristek kot linearni

regulatorji. Teţava linearnih regulatorjev je ta, da ko pretvarjamo v manjše napetosti, ostane

večina napetosti na regulatorju. Zaradi tega imajo slednji manjši izkoristek. Slika 5.1

prikazuje podrobno blokovno shemo polnilnega regulatorja. Prikazani so samo bistveni deli,

brez vizualnega vmesnika. Vrsta napajanja polnilnega regulatorja je odvisna od velikosti

sončne celice ter polnilnega toka. V primeru da imamo manjše sončne celice ter polnimo

večje akumulatorje, potem ne moremo krmilnika napajati s pretvornikom navzdol, saj bi prišlo

do pomanjkanje električne energije.

Slika 5.1: Blokovna shema polnilnega regulatorja.

5.1 Stikalni regulatorji

Stikalni regulator je regulator, ki pretvarja napetost s pomočjo stikala (tranzistorja) in

reaktivnih elementov (tuljava in kondenzator) [1]. Poznamo več topologij stikalnih

regulatorjev, med osnovnimi pa so:

pretvornik navzgor (angl. boost),

pretvornik navzdol (angl. buck) ter

pretvornik iz pozitivne v negativno napetost ali obratno (angl. buck – boost).


23

Najbolj primeren za nas je pretvornik navzdol, saj bomo polnili baterije, ki imajo manjšo

polnilno napetost, kot je vršna napetost sončne celice.

5.2 Načrtovanje pretvornika navzdol

Pri načrtovanju pretvornika upoštevamo velikost vezja, učinkovitost, ceno izdelave,

temperaturo, točnost in prehodni odziv (angl. transient response) [1 in 16].

Pretvornik navzdol deluje najbolje, če imamo na vhodu in izhodu samo eno napetost ter

konstantni izhodni tok. Vendar pa to v našem primeru ni mogoče, saj se vhodna parametra

nenehno spreminjata, ker sta odvisna od svetilnosti sonca. Prav tako se spreminjata izhodna

parametra, saj je namen polnilnika polniti več različnih celic, ki imajo različne nazivne

napetosti ter različno kapaciteto. Kot načrtovalci lahko vplivamo samo na izhodne parametre,

vseeno pa moramo izbrati vrednosti elementov tako, da bodo zadostili maksimalnim danim

pogojem.

5.2.1 Delovanje pretvornika navzdol

Pretvornik navzdol ima dva glavna stanja delovanja na en cikel [16]. Eno stanje je

takrat, ko je stikalo vklopljeno in skozi diodo ne teče tok, drugo pa takrat, ko je stikalo

izklopljeno in skozi diodo teče tok.

Takrat, ko je stikalo vklopljeno, je na njem manjši padec napetosti, odvisno od upornosti

stikala, prav tako je manjši padec napetosti na tuljavi zaradi njene DC upornosti. Skozi diodo

ne teče tok, saj je obratno polarizirana (angl. reversed biased). Izhodna napetost je napetost

na kondenzatorju. Tok teče skozi stikalo, tuljavo in breme, kakor nakazuje slika 5.2. Iz tuljave

se prenese energija na kondenzatorju, ki tudi gladi izhodno napetost. V tem stanju je energija

shranjena v tuljavi v obliki magnetnega polja.

Takrat, ko je stikalo izklopljeno, ni povezave med napetostnim virom in vezjem, kar pomeni,

da bo izhodni tok upadal. Tuljava je magnetna komponenta in tok, ki teče skozi njo, se ne

more v hipu spremenit. Sedaj je tuljava napetostni vir, vendar z obratno napetostjo. S tem

ohranja tuljava tok (v isti smeri, kot v stanju, kjer je stikalo vklopljeno), ki teče skozi breme.

Tok bo tekel skozi diodo in nazaj v tuljavo, kakor je prikazano na sliki 5.3.


24

Slika 5.2: Stikalo izklopljeno, dioda prevaja.

Slika 5.3: Stikalo vklopljeno, dioda ne prevaja.

5.2.2 Razlika med sinhronim in nesinhronim pretvornikom

Pri nesinhroni topologiji pretvornika navzdol se uporablja dioda, kakor je prikazano na

sliki 5.4 [18]. Padec napetosti na tej diodi znatno prispeva k porabi vezja in s tem k

manjšemu izkoristku. Še posebej se pozna zmanjšanje izkoristka takrat, ko imamo na izhodu

večje tokove in manjše napetosti.

Slika 5.4: Nesinhron pretvornik navzdol z diodo [18].


25

Pri sinhronem pretvorniku navzdol je namesto diode integriran MOSFET (slika 5.5). S tem se

poveča zapletenost kontrolnega vezja, saj mora ta poskrbet, da oba tranzistorja ne prevajata

istočasno. Če se za to ne poskrbi, nastane kratek stik.

Slika 5.5: Sinhron pretvornik navzdol z MOSFET stikalom [18].

Spodnja slika 5.6 prikazuje učinkovitost pretvornikov navzdol pri vhodni napetosti 12V in pri

1,5V izhodne napetosti (razlika med vhodno in izhodno napetostjo je 10,5V). Kot vidimo, ima

sinhroni pretvornik bistveno višji izkoristek pri večjih bremenih ter manjšega pri manjših

bremenih.

Slika 5.6: Učinkovitost pretvornikov pri vhodni napetosti 12V in izhodni napetosti 1,5V [18].

Slika 5.7 prikazuje izkoristek pretvornikov navzdol pri vhodni napetosti 12V in izhodni

napetosti 2,5V (razlika med vhodno in izhodno napetostjo je 9,5V). Izkoristek nesinhronega

pretvornika se je povečal, tako v spodnjem delu, kjer so manjši tokovi, kot v zgornjem delu,

kjer so večji tokovi.


26

Slika 5.7: Izkoristek pretvornikov pri vhodni napetosti 12V in izhodni napetosti 2,5V [18].

Na slikah 5.6 in 5.7 je razvidno, da ima nesinhroni pretvornik višji izkoristek takrat, ko je

razlika med vhodno in izhodno napetostjo manjša.

Ker smo si izbrali polnjenje baterij z manjšo kapaciteto, to pomeni, da bo izhodni tok

pretvornika niţji, torej je za nas bolj primeren nesinhroni pretvornik, ne glede na razliko med

vhodno in izhodno napetostjo.

Pri laţjih bremenih začne nesinhron pretvornik navzdol delovat v prekinjenem prevajalnem

načinu, kar pomeni, da tok skozi tuljavo teče samo v eno smer. Pri sinhronem pretvorniku pa

teče v obe smeri in tako se porablja energija na stikalu takrat, ko tok teče v nasprotno smer.

Smeri toka so ponazorjene na sliki 5.8.

Slika 5.8: Tok skozi tuljavo.


27

5.2.3 Frekvenca pretvornika

Pri določanju frekvence moramo upoštevati, da vplivamo na izkoristek pretvornika in

na fizično velikost elementov v vezju [19]. Z višanjem frekvence zmanjšujemo izkoristek

pretvornika in večamo toplotne izgube (slika 5.9). Z ţeljo, da bo pretvornik čim višji izkoristek,

smo izbrali frekvenco 175kHz.

Slika 5.9: Primerjava izkoristka pri različnih frekvencah [28].

5.2.4 Izračun elementov

Pred računanjem vrednosti elementov smo si določili meje, znotraj katerih naj deluje

pretvornik. Izbrali smo si naslednje vrednosti:

vhodna napetost – V30vhU ,

izhodna napetost – V4,14izhU ,

izhodni tok – A3izhI ,

frekvenca pretvornika – kHz175f ,

padec napetosti na stikalu – V2,1SU ,

pade napetosti na diodi – V2,1DU ,

upornost kondenzatorja – 08,0ESR 13,

13

angl. equivalent series resistance


28

ţeleno valovanje izhodne napetosti – V07,0 izhU

Delovni cikel lahko izračunamo po enačbi (5.1) [16, 15 in 17]. Pomnimo, da je izhodna

napetost vedno manjša kot vhodna. Ker pa se bosta, tako vhodna kot izhodna napetost,

spreminjali v času delovanja, se bo spreminjal tudi delovni cikel; torej bo vrednost slednjega

določil sam krmilnik na podlagi algoritma in izmerjenih vrednosti napetosti.

48,030V

V4,14

vh

izh

U

UD , (5.1)

kjer je: D – delovni cikel.

Območje valovitosti r izberemo med spodaj podanima vrednostnima (5.2). Tako omejimo

valovni tok v tuljavi na določeno območje, saj le-ta na začetku načrtovanja ni znana.

5,03,0 r (5.2)

Sedaj lahko po enačbi (5.3) izračunamo valovitost toka v tuljavi

A9,033,0 izhL IrI , (5.3)

kjer je: ∆IL – valovitost toka v tuljavi (A).

Največji tok, ki bo tekel skozi stikalo in tuljavo, izrazimo z (5.4)

A45,32

9,03

2

L

izhpk

III , (5.4)

kjer je: Ipk – največji tok skozi tuljavo (A).

Povprečni tok skozi tuljavo je enak izhodnemu toku. To izrazimo z enačbo (5.5):

A3 izhL II (5.5)

kjer je: IL – povprečni tok skozi tuljavo (A).


29

Napetost na tuljavi pri zaprtem stikalu opišemo z enačbo (5.6):

V8,134,142,130 izhSvhON UUUU , (5.6)

kjer je:

UON – napetost na tuljavi (V),

US – padec napetosti na stikalu (V)

Kako dolgo je stikalo vklopljeno, izračunamo z enačbo (5.7).

s742,2kHz175

48,0

f

DtON , (5.7)

kjer je: tON – čas v vklopljenem stanju (s).

Induktivnost lahko dobro ocenimo na podlagi enačbe (5.8). Izberemo takšno kombinacijo

parametrov, da bomo dobili največjo moţno induktivnost. Torej vhodna napetost naj bo 30V,

izhodna napetost pa 14,4V (polnjenje svinčevih baterij).

H044,42A3

3,0

s2,742V8,13

L

ONON

I

r

tU

L (5.8)

kjer je: L – induktivnost tuljave (H).

Najbliţja vrednost ţe sestavljene dušilke je 47µH. Z večanjem induktivnosti manjšamo

valovitost toka, vendar bo fizična velikost tuljave večja.

Pri izbiri diode moramo upoštevati zaporno prebojno napetost, prevodni padec napetosti na

diodi in največji tok skozi diodo. Zaporna prebojna napetost diode mora biti vsaj za 2V višja

od napetosti na stikalu takrat, ko stikalo prevaja. To izrazimo z enačbo (5.11). Padec

napetosti med prevajanjem diode naj bo čim manjši, s tem bo izkoristek vezja večji. Torej

izberemo Schottky diodo. Vršni tok skozi diodo izračunamo iz izraza (5.9):

)1( DII izhD , (5.9)

kjer je: ID – največji tok skozi diodo (A).


30

Porabo na diodi med prevajanjem določimo iz izraza (5.10)

DDD UIP , (5.10)

kjer je: PD – moč, porabljena na diodi (W).

Zaporna prebojna napetost diode naj bo najmanj (5.11)

32V2VV30 RVU . (5.11)

Za izračun kapacitivnosti izhodnega kondenzatorja uporabimo enačbo (5.12)

F714,2850,080,9A-0,09V

175kHz

1A9,0

ESRIU

f

DI

CL

L

izh , (5.12)

kjer je: Cizh – kapacitivnost izhodnega kondenzatorja (F).

Na vhodu je valovitost toka za polovico manjša kot na izhodu. To izrazimo z (5.13)

A45,03,02

izhvh

II , (5.13)

kjer je: Ivh – valovitost toka na vhodu pretvornika (A).

Kapacitivnost vhodnega kondenzatorja izrazimo z (5.14)

F630,750,080,45A-0,07V

175kHz

1A45,0

ESRIU

f

DI

Cvh

vh

vh , (5.14)

kjer je: Cvh – kapacitivnost vhodnega kondenzatorja (F).

5.3 Načrtovanje merilnikov toka

Najpogostejši način merjenja toka v elektronskih vezjih je , da zaporedno z bremenom

veţemo upor z zelo majhno upornostjo, nato pa na njem izmerimo padec napetosti [20]. Ker

merimo napetost na zelo majhnem uporu, bo temu primeren tudi majhen padec na njem.

Ravno zaradi tega potrebujemo ojačevalnik, ki poveča signal na primerno velikost, primerno

za analogno-digitalni (ADC) pretvornik. Najbolj primerni ojačevalniki za to delo so precizni

diferenčni ojačevalniki s čim višjo vhodno impedanco. Dobro je, če imajo le-ti linearno

prenosno karakteristiko, saj tako ni potrebe po programski kalibraciji.


31

Zaznavanje toka med sončno celico in polnilnim regulatorjem s pomočjo komponente

INA282 je predstavljeno na sliki 5.10 [21].

Slika 5.10: Zaznavanje toka na vhodu.

Ojačenje pri komponenti INA282 je 50. Torej bo napetost na izhodu (5.15)

RmOUT UU 50, (5.15)

kjer je: Uout – izhodna napetost komponente INA282.

Pri merjenju toka med maso in bremenom ne moremo zaslediti, kdaj je merilni upor v

kratkem stiku. LM358 je splošno namenski operacijski ojačevalnik in ni precizen, zato so

meritve bistveno slabše kot z INA282.

Zaznavanje toka med bremenom (akumulatorsko baterijo) in maso (slika 5.11) [22].

Slika 5.11: Zaznavanje toka med bremenom in maso.


32

Ojačenje vezja na sliki 5.11 smo izračunali s pomočjo enačbe (5.16)

1601000

160000

1

2

R

RA , (5.16)

kjer je: A – napetostno ojačenje.

Izhodno napetost ojačevalnika LM358 izrazimo z enačbo (5.17)

AUUU tokizh )( 12_ , (5.17)

kjer je:

Uizh_tok – napetost na izhodu ojačevalnika (V),

U1 – napetost enaka potencialu mase (V) ter

U2 – napetost med bremenom in merilnim uporom (V).

Tok skozi merilni upor smo izrazili z enačbo (5.18)

shunt

tokizh

izhRA

UI

_, (5.18)

kjer je:

Iizh – tok skozi merilni upor (A) ter

Rshunt – vrednost merilnega upora (Ω).

5.4 Načrtovanje merilnikov napetosti

V vezju uporabljamo dva merilnika napetosti (slika 5.12) [15 in 16]. Eden je na vhodu

vezja in meri napetost sončne celice, drugi pa na izhodu vezja in meri napetost baterije. Oba

sta bistvena, saj prvega uporablja algoritem za sledenje vršne moči, drugega pa uporablja

algoritem za polnjenje baterij. Tako na vhodu, kot na izhodu pričakujemo največ 30V

napetosti. S pomočjo enačb (5.19) in (5.20) smo izračunali vrednost uporov.

Slika 5.12: Delilnik napetosti.


33

Upornost analognih vhodov krmilnika znaša 100MΩ. Izhodna napetost naj bo niţja od

referenčne napetosti (4,096V) analognih vhodov. Za izhodno napetost smo si izbrali 4V.

Torej je največji pričakovani tok v krmilnik 40nA (slika 5.12). Ta naj bo vsaj stokrat niţji, kot

tok skozi delilnik napetosti (5.18):

mAIdnIdnIdn 4_100 , (5.18)

kjer je:

Idn – celoten tok delilnika napetosti (A) ter

Idn_ – tok v krmilnik (A).

S slike 5.12 lahko zapišemo enačbi (5.19 in 5.20):

kΩ14

4_2

mA

V

Idn

UdnR , (5.19)

kjer je:

R2 – upornost spodnjega upora v delilniku napetosti (Ω) ter

Udn_ – napetost na analognem vhodu krmilnika (V).

kΩ5,6)14

30(1)1

_(21

V

Vk

Udn

UdnRR , (5.20)

kjer je:

R1 – upornost zgornjega upora v delilniku napetosti (Ω) ter

Udn – merjena napetost (V).

5.5 Načrtovanje merilnika temperature

Merilnik temperature je pomemben pri polnjenju baterij, saj sluţi kot varovalo pri

nepravilnem polnjenju. Za merjenje smo si izbrali nizko-napetostni temperaturni senzor

TMP36 [23]. Iz podatkov proizvajalca je razvidno, da ima senzor ±0,5°C pogreška pri

merjenju. Podana je statična občutljivost senzorja, ki je 10mV/°C. Ker vemo, da ima led 0°C

pri tlaku 100kPa, lahko izmerimo točnost merilnika temperature tako, da pomerimo

temperaturo leda. Merilnik temperature kaţe 2°C na površini leda in 98°C v vreli vodi.


34

5.6 Krmilnik

Za krmiljenje našega vezja smo si izbrali 8-bitni krmilnik ATmega2560 podjetja Atmel

(slika [24]. Krmilnik se ponaša s štirimi 16-bitnimi števniki in dvema 8-bitnima. Ima štiri PWM

8-bitne kanale in 6 programirljivih PWM kanalov z moţno nastavitvijo resolucije med dvema

in šestnajstimi biti. Krmilnik vsebuje 16 ADC vhodov, ki premorejo resolucijo desetih bitov.

Krmilnik je zmoţen delovati v temperaturnem območju med -40°C in 85°C, porabi pa le okoli

500µA za delovanje. Ţivljenjska doba je 20 let pri temperaturi 85°C in 100 let pri temperaturi

25°C.

Krmilnik napajamo s podobnim pretvornikom navzdol, kot ga uporabljamo za polnjenje

baterij, vendar ima le-ta izhodno napetost 5V, tok pa vsaj 0,5A. Kadar polnimo manjše

polnilne celice, ali pa vezje napajamo z večjo sončno celico, lahko priključimo prej omenjen

pretvornik navzdol direktno na sončno celico, v obratnem primeru pa ga priključimo na

baterije.

Slika 5.13: Blokovna shema krmilnika Atmega2560.


35

5.6.1 Števnik v krmilniku

Kot smo ţe omenili, ima izbrani krmilnik 8- in 16-bitne števnike [24]. Števec omogoča

točno izvajanje časovnih dogodkov, ustvarjanje valovnih signalov in merjenje časa. Ti

števniki delujejo v več različnih načinih, frekvenca števnika pa je enaka. Izbrali smo 16-bitni

števnik Timer/Counter1 (slika 5.14), saj s tem doseţemo manjši korak delovnega cikla. To

nam koristi pri algoritmu iskanja vršne moči, saj ob spremembi le-te ne bo visokih oscilacij

izhodne napetosti. Sledimo obrazcu proizvajalca krmilnika in nastavimo registre. Najprej se

odločimo za vrsto impulzno širinske modulacije, ki jo ţelimo izvajat, nato pa še njeno

frekvenco. Med osnovnimi načini, ki jih krmilnik omogoča, so hitra impulzno širinska

modulacija (v nadaljevanju PWM), fazno pravilni PWM, normalni način in počisti števec ob

primerjanju (CTC).

Med temi je za nas najbolj primeren hitri PWM. Kot ţe samo ime pove, lahko v tem načinu

dosegamo visoke frekvence. Pri tem načinu deluje PWM tako, da začne šteti spodaj (angl.

bottom), in ko števec prešteje do največje vrednosti (angl. top), nadaljuje štetje od najniţje

vrednosti naprej. V tem načinu imamo moţnost nastavljanje resolucije. Lahko jo nastavimo

na tri različne vrednosti dolţine besed (8-, 9- ali 10- bitov), ali pa na poljubno vrednost med

dvema in šestnajstimi biti s pomočjo katerih od registrov (ICRn ali OCRnA).


36

Slika 5.14: Blokovni diagram 16-bitnega števnika.

Števnik Timer/Counter1 ima dva kontrolna registra, TCCRnA in TCCRnB (tabela 5.1 in 5.2),

ki vsebujeta glavne bite za nadzor števnika. Ti biti se razdelijo v skupine:

WGM (Waveform generation mode) biti določajo način števnika,

CS (Clock Select) biti določajo števnikov delilnik,

COMnA (Compare Output Mode for Channel A) biti omogočajo, onemogočajo, ali

invertirajo izhod A ter

COMnB (Compare Output Mode for Channel B) biti omogočajo, onemogočajo, ali

invertirajo izhod B.

Nato sta še pa registra OCRnA in OCRnB (Output Compare Register A in B), ki določita

nivo, pri katerem se bosta izhoda A in B nastavila tako, kot določajo zgoraj našteti registri.


37

Tabela 5.1: Nadzorni register A

Tabela 5.2: Nadzorni register B

Izbrali smo si register OCRnA za določanje vrha števca, torej bo števec štel od 0 do

vrednosti v registru OCRnA, nato se bo ponastavil nazaj na 0. Vrednost števca je zapisana v

registru TCNTn. S tem lahko uporabimo samo še en izhodni kanal za generiranje PWM

signala, ker registra ne moremo hkrati uporabit za dva različna namena. Z določanjem

velikosti OCRnB registra določamo delovni cikel. Največja moţna vrednost tega registra je

enaka vrednosti OCRnA registra. Iz tabele 5.3 je razvidno, da moramo za ta način postavit

vse WGM bite na 1, način 15.

Tabela 5.3: Opis WGM bitov

Odločili smo se, da ure krmilnika ne bomo delili, saj s tem povečamo resolucijo nastavljanja

delovnega cikla. Torej je vrednost krmilnika enaka 1. Pred izračunom vrednosti primerjalnega

registra OCR1A izberemo naslednje parametre:

frekvenca ure – fure = 16MHz,

delilnik – N=1 ter

ţeljena frekvenca – fželjena=175kHz.

Vrednost registra OCR1A izračunamo z enačbo (5.22)

43,901175kHz1

MHz1611

željena

ure

fN

fAOCR (5.22)

Bite CSn2:0 pa nastavimo na podlagi tabele iz obrazca krmilnika (tabela 5.4).


38

Tabela 5.4: Opis CS bitov

Sedaj omogočimo še izhod OCnB (angl. Output Compare pin). To naredimo tako, da

nastavimo bite COM na podlagi tabele iz obrazca krmilnika (tabela 5.5).

Tabela 5.5: Opis COM bitov

V program sedaj napišemo vse zgoraj nastavljene registre (slika 5.14).

Slika 5.15: Primer nastavitve hitre pulzno širinske modulacije v Arduino okolju.

5.6.2 Analogni vhodi krmilnika

Na analognih vhodih tipamo napetost, ki jo dajeta merilnika napetosti na vhodu vezja

in na izhodu vezja, ter napetost, ki jo dajeta merilnika toka na vhodu in izhodu vezja. To

napetost nato ADC del krmilnika primerja z referenčno napetostjo [20]. Čeprav ima krmilnik

lastne referenčne napetosti, imajo le-te kar velik pogrešek. Notranja napetostna referenca

VINIT1 ima 0,2V tolerance, notranja napetostna referenca VINIT2 pa ima 0,4V tolerance. Če

hočemo meriti točno, potem si izberemo zunanjo referenco napetosti.

S pomočjo komponente LM4040 (slika 5.17), ki ima toleranco ±0,1 % bomo dosegli bistveno

točnejše rezultate [25]. Največji tok, ki ga vezje porabi, je 15mA. Edini potrebni zunanji

element za delovanje je upor (slika 5.16) za določitev toka, ki ga porabi vezje, kondenzatorja


39

nista potrebna. Naprava deluje na principu Zenerjeve diode in porabi manjšo količino toka za

regulacijo. Regulacija poteka tako, da na podlagi vhodne napetosti in toka odpira tranzistor.

Tako določa, koliko toka bo teklo k masi.

Slika 5.16: Precizna napetostna referenca realizirana s pomočjo komponente LM4040, ki je prikazana s simbolom Zener diode.

Slika 5.17: Struktura komponente LM4040.

Upor določimo s pomočjo enačbe (5.23), dane v specifikacijah elementa. Izberemo tok

diode IRaref, ki naj bo manjši od 15mA in vhodno napetost, ki znaša 5V. Tok diode bo

A1mI Raref , (5.23)

kjer je:

IRaref – tok skozi diodo (A).

Med uporom in Zener diodo bo napetost 4,096V.

Vrednost upora izračunamo iz izraza (5.23)


40

904mA1

096,4V5

Raref

ddaref

I

ArefVR , (5.23)

kjer je:

Rare – upornost zaščitnega upora (Ω),

Vdd – vhodna napetost (V) ter

Aref – izhodna napetost (V).

Izračunali smo vrednost upora, katerega upornost je 904Ω, vendar je 909Ω najbliţja

standardna vrednost s toleranco 1 %.

5.7 Preverjanje pravilnosti delovanja s simulacijo

Preverili smo še pravilnost delovanja pretvornika navzdol (slika 5.18), tako da smo

simulirali pretvornik navzdol pri dveh (10 in 100Ω) različnih omskih vrednostih bremena.

Simulacije smo opravili v programu LTSpice. Na sliki 5.18 je prav tako razvidna vrsta analize,

s katero smo izvedli simulacijo. V prilogi se nahaja tekstovni opis simulacije.

Slika 5.18: Pretvornik navzdol z gonilnikom za P kanalni MOSFET.

Slika 5.19 prikazuje: a) z modro krivuljo – napetost na izhodu pretvornika v odvisnosti od

časa, b) z rdečo krivuljo – tok tuljave v odvisnosti od časa in c) z zeleno krivuljo – tok

bremena na izhodu v odvisnosti od časa. Upornost bremena znaša 100Ω.


41

Slika 5.19: Potek napetosti in toka pri 100Ω bremenu.

Slika 5.20 prikazuje: a) z modro krivuljo – napetost na izhodu pretvornika v odvisnosti od

časa, b) z rdečo krivuljo – tok tuljave v odvisnosti od časa in c) z zeleno krivuljo – tok

bremena na izhodu v odvisnosti od časa. Upornost bremena znaša 10Ω.

Slika 5.20: Potek napetosti pri 10Ω bremenu.

Slika 5.21 podrobneje prikaţe: a) z rdečo krivuljo – tok skozi tuljavo v odvisnosti od časa in

b) z zeleno krivuljo – tok bremena na izhodu v odvisnosti od časa. Upornost bremena znaša

100Ω.

Slika 5.21: Potek toka v tuljavi pri bremenu 100Ω.

Slika 5.22 podrobneje prikaţe: a) z rdečo krivuljo – tok skozi tuljavo in b) z zeleno krivuljo –

tok bremena na izhodu v odvisnosti od časa. Upornost bremena znaša 10Ω.


42

Slika 5.22: Potek toka v tuljavi pri bremenu 10Ω.

Iz zgornjih grafov opazimo, da pretvornik navzdol pri večjih bremenih (10Ω) prevaja med

periodami neprestano (angl. Continuous conduction mode ali CCM); tok tuljave ne pade na

0A. V tem primeru neprestano napajata breme tako kondenzator kot tuljava. Pri niţjih

bremenih pa med periodami ne prevaja neprestano (Discontinuous conduction mode ali

DCM); tok tuljave pade na 0A. Breme napaja kondenzator ter delno tuljava. Torej je

pomembno, da je na izhodu pretvornika navzdol zadostno breme.

5.8 Izdelava tiskanin

Tiskanino smo v celoti izdelali s pomočjo programa Altium designer. Najprej smo narisali

vezje posameznega modula, nato smo še izdelali tiskanino. Zaradi laţjega testiranja smo

vezje razdelili na več modulov, ki jih lahko uporabimo kot podlago za nadaljnji razvoj.

Osnovno vezje, na katerem je pretvornik navzdol, je prikazano na sliki 5.23.

Slika 5.23: 2D pogled na tiskanino pretvornika navzdol.


43

Slika 5.24 prikazuje tiskano vezje merilnika toka z integriranim vezjem INA282, s katerim

merimo vhodni tok.

Slika 5.24: Merilnik toka na vhodu.

Slika 5.25 prikazuje merilnik toka z integriranim vezjem LM358, ki vsebuje 2 operacijska

ojačevalnika. To integrirano vezje uporabimo za merjenje izhodnega toka, tako lahko

primerjamo razlike odstopanj pri meritvi toka na vhodu ter na izhodu.

Slika 5.25: Merilnik toka na izhodu.


44

Slika 5.26 prikazuje tiskano vezje obeh merilnikov napetosti. Pri uporu, vezanemu na maso,

smo še vzporedno dodali kondenzator vrednosti 10nF. Tako filtriramo visoko frekvenčne

motnje.

Slika 5.26: Merilnika napetosti.

Slika 5.27 prikazuje vezje za diodo precizne referenčne napetosti in upora, kateri omejuje

tok. Poleg teh dveh sta še na vhodu in izhodu po dva vzporedna kondenzatorja za

stabilizacijo napetosti ter filtriranje motenj.

Slika 5.27: Vir referenčne napetosti.


45

6 MERITVE IN REZULTATI

S pomočjo meritev izdelanega vezja smo ugotovili pogreške merilnikov ter izkoristek

iskanja vršne moči (v nadaljevanju MPPT). Najprej smo preverili, kako točno merijo merilniki

toka in napetosti. To smo opravili tako, da smo meritve naših merilnikov primerjali z

instrumentom, za katerega poznamo tolerančno območje. Izbrali smo si digitalni multimeter

HAMEG HM8011-3 (v nadaljevanju s krajšavo DMM). Iz obrazca, ki ga je podal proizvajalec,

lahko vidimo meje merilne negotovosti enosmernih napetosti (slika 6.1).

Slika 6.1: Merilna negotovost pri merjenju enosmerne napetosti DMM [27].

Absolutni pogrešek smo izračunali s pomočjo izraza (6.1)

ta xxp , (6.1)

kjer je:

pa – absolutni pogrešek,

x – dejanska prikazana vrednost ter

xt – točna vrednost.

Relativni pogrešek izrazimo z enačbo (6.2)

100t

a

rx

pp , (6.2)

kjer je: pr – relativni pogrešek (%).


46

V tabeli 6.1 so prikazani rezultati meritev merjenja napetosti na vhodu in izhodu.

Meritvam merilnika vhodne napetosti smo prišteli 0,11V vrednosti, saj je tolikšno odstopanje

(angl. offset) merilnika skozi celoten obseg meritev. Meritvam merilnika vhodne napetosti

smo prišteli 0,12V.

Tabela 6.1: Meritve napetosti

n DMM

[V] Uvh [V]

Uizh [V]

Absolutni pogrešek

Uvh [V]

Absolutni pogrešek

Uizh [V]

Relativni pogrešek

Uvh [%]

Relativni pogrešek

Uizh [%]

1 0,206 0,170 0,180 -0,036 -0,026 -17,476 -12,621

2 0,301 0,300 0,310 -0,001 0,009 -0,332 2,990

3 0,400 0,390 0,400 -0,010 0,000 -2,500 0,000

4 0,500 0,490 0,500 -0,010 0,000 -2,000 0,000

5 0,600 0,580 0,590 -0,020 -0,010 -3,333 -1,667

6 0,700 0,680 0,680 -0,020 -0,020 -2,857 -2,857

7 0,800 0,770 0,780 -0,030 -0,020 -3,750 -2,500

8 0,900 0,890 0,900 -0,010 0,000 -1,111 0,000

9 1,000 0,990 1,000 -0,010 0,000 -1,000 0,000

10 1,102 1,080 1,090 -0,022 -0,012 -1,996 -1,089

11 1,500 1,490 1,500 -0,010 0,000 -0,667 0,000

12 1,999 1,990 2,000 -0,009 0,001 -0,450 0,050

13 4,000 4,000 4,010 0,000 0,010 0,000 0,250

14 6,000 6,010 6,020 0,010 0,020 0,167 0,333

15 8,000 7,990 7,991 -0,010 -0,009 -0,125 -0,112

16 10,000 10,000 10,000 0,000 0,000 0,000 0,000

17 12,000 12,010 12,010 0,010 0,010 0,083 0,083

18 14,000 13,990 14,000 -0,010 0,000 -0,071 0,000

19 16,000 15,990 15,990 -0,010 -0,010 -0,062 -0,063

20 18,000 18,000 18,000 0,000 0,000 0,000 0,000

21 19,996 20,010 20,010 0,014 0,014 0,070 0,070

22 22,000 22,020 22,010 0,020 0,010 0,091 0,045

23 24,000 24,030 24,020 0,030 0,020 0,125 0,083

24 26,000 26,040 26,030 0,040 0,030 0,154 0,115

25 28,000 28,040 28,040 0,040 0,040 0,143 0,143

26 30,000 30,030 30,010 0,030 0,010 0,100 0,033


47

Slika 6.2 prikazuje napetost, merjeno z merilnikoma napetosti, v odvisnosti merjene napetosti

z DMM, slika 6.3 pa vse relativne pogreške meritev.

Slika 6.2: Meritev napetosti z vhodnim in izhodnim merilnikom napetosti v odvisnosti od meritve napetosti z DMM.

Slika 6.3: Relativni pogrešek merilnikov napetosti (celoten).

Ugotovimo, da imata oba merilnika zelo majhen relativen pogrešek v delu, ki je za nas

pomemben. Tisti del na začetku ima sicer velik relativen pogrešek, vendar za nas ni

pomemben, ker so pričakovane vrednosti, tako na vhodu kot izhodu, višje. Slika 6.4 prikazuje

podrobnejši pogled relativnih pogreškov tistega dela, ki je za nas pomemben. Vidimo, da so

pogreški v področju, ki je za nas pomemben, manjši od 1 %.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30

Nap

eto

st m

erj

en

a z

vho

dn

im

me

riln

iko

m n

ape

tost

i [V

]

Napetost merjena z DMM [V]

Uvh v odvisnosti od DMM

Uizh v odvisnosti od DMM

-20

-10

01

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Rela

tiv

ni p

og

rešek [

%]


Relativni pogrešek merilnikov napetosti (celoten) Pogrešek Uvh

pogrešek Uizh


48

Slika 6.4: Relativni pogrešek merilnikov napetosti.

Izračunali smo še srednji pogrešek posamezne meritve oziroma standardno deviacijo. Ker ne

poznamo prave vrednosti merjene količino, smo jo podali z izrazom (6.3) [22]

n

i

ivn

s1

2

1

1, (6.3)

kjer je:

s – standardna variacija,

vi – navidezni pogrešek, podan z izrazom (6.4) ter

n – število meritev.

ii xxv , (6.4)

kjer je:

x – aritmetična srednja vrednost meritve (V),

ix – merjena veličina (V).

Aritmetično srednjo vrednost meritve podamo z izrazom (6.5)

n

i

ixn

x1

1 (6.5)

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Rela

tiv

ni p

og

rešek [

%]


Relativni pogrešek merilnikov napetosti Pogrešek Uvh

pogrešek Uizh


49

Standardna deviacija vhodnega merilnika napetosti znaša 10,218, standardna deviacija

izhodnega merilnika napetosti pa znaša 10,211.

Izmerili smo še točnost merilnikov toka. Kot lahko vidimo pri obeh merilnikih, krmilnik ni

zaznal zelo nizkih tokov (tabela 6.2). Pri vhodnem merilniku zazna šele pri 17mA, pri

izhodnem pa šele pri tokovih, večjih od 51mA. Meritve smo primerjali z DMM. Iz obrazca, ki

ga je podal proizvajalec, lahko vidimo meje merilne negotovosti enosmernih tokov (slika 6.5).

Slika 6.5: Merilne negotovosti pri merjenju enosmernega toka DMM [27].

V tabeli 6.2 prikaţemo rezultate meritev. V zadnjima dvema stolpcema so prikazani pogreški

meritev tokovnega merilnika.

Tabela 6.2: Primerjanje rezultatov meritev vhodnega merilnika toka z DMM

n DMM

[A] Ivh [A]

Absolutni pogrešek DMM - Ivh

[A]

Relativni pogrešek

[%]

1 0,017 0,018 0,001 5,882

2 0,050 0,05 0,000 -0,200

3 0,100 0,098 -0,002 -2,000

4 0,300 0,298 -0,002 -0,667

5 0,509 0,506 -0,003 -0,589

6 0,705 0,703 -0,002 -0,284

7 0,902 0,899 -0,003 -0,333

8 1,100 1,098 -0,002 -0,182

9 1,300 1,295 -0,005 -0,385

10 1,600 1,596 -0,004 -0,250

11 1,996 1,992 -0,004 -0,200

12 2,510 2,508 -0,002 -0,080

13 2,822 2,829 0,007 0,248

Absolutni pogrešek smo izračunali s pomočjo enačbe (6.1), relativni pogrešek pa s pomočjo

enačbe (6.2).


50

Slika 6.6 prikazuje vhodni tok, merjen z merilnikom vhodnega toka v odvisnosti merjenega

vhodnega toka z DMM, slika 6.7 pa relativne pogreške celotne meritve vhodnega toka.

Meritvam merilnika izhodnega toka smo prišteli 0,014A vrednosti, saj je tolikšno odstopanje

merilnika skozi celoten obseg meritev.

Slika 6.6: Meritev toka z vhodnim merilnikom toka v odvisnosti od meritve toka z DMM.

Slika 6.7: Relativni pogrešek vhodnega merilnika toka (INA282) (celotna meritev).

Slika 6.8 prikazuje relativne pogreške meritve vhodnega toka, in sicer samo tisti del, ki je za

nas pomemben (vrednosti, ki jih pričakujemo). Večina pogreškov je znotraj 1 %.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000

Tok

mer

jen

z v

ho

dn

im

mer

ilnik

om

to

ka [

A]

Tok merjen z DMM [A] Ivh v odvisnosti od DMM

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0Re

lati

vni p

ogr

eše

k *%

+

Tok merjen z DMM [A]

Relativni pogrešek merilnika vhodnega toka (celotna meritev)

Relativni pogrešek


51

Slika 6.8: Relativni pogrešek vhodnega merilnika toka.

V tabeli 6.3 prikaţemo rezultate meritev. V zadnjima dvema stolpcema so prikazani pogreški

meritev tokovnega merilnika.

Meritvam merilnika izhodnega toka smo prišteli 0,04A vrednosti, saj je tolikšno odstopanje

merilnika skozi celoten obseg meritev.

Tabela 6.3: Primerjanje rezultatov meritev izhodnega merilnika toka z DMM

n DMM

[A] Iizh [A]

Absolutni pogrešek

Iizh [A]

Relativni pogrešek

[%]

1 0,051 0,051 0,000 0,000

2 0,075 0,076 0,001 1,200

3 0,100 0,100 0,000 0,000

4 0,300 0,304 0,004 1,333

5 0,500 0,504 0,004 0,800

6 0,700 0,707 0,007 1,000

7 0,900 0,908 0,008 0,889

8 1,100 1,111 0,011 1,000

9 1,300 1,321 0,021 1,615

10 1,600 1,615 0,015 0,937

11 1,994 2,013 0,019 0,953

12 2,490 2,520 0,030 1,205

13 2,829 2,626 -0,203 -7,176

Absolutni pogrešek smo izračunali s pomočjo enačbe (6.1), relativni pogrešek pa s pomočjo

enačbe (6.2).

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Re

lati

vni p

ogr

eše

k *%

+

Tok merjen z DMM [A]

Relativni pogrešek merilnika vhodnega toka

Relativni pogrešek


52

Slika 6.9 prikazuje izhodni tok, merjen z merilnikom izhodnega toka v odvisnosti merjenega

izhodnega toka z DMM, slika 6.10 pa relativne pogreške meritev izhodnega toka.

Slika 6.9: Meritev tok z izhodnim merilnikom toka v odvisnosti od meritve toka z DMM.

Slika 6.10: Celoten relativni pogrešek izhodnega merilnika toka (LM358).

Ugotovili smo, da slednji merilnik toka ni zmoţen meriti tokov, večjih od 2,5A (slika 6.6), saj

pri tej vrednosti preide v nasičenje.

Slika 6.11 podrobneje prikazuje območje (v katerem pričakujemo vrednosti toka) relativnih

pogreškov za izhodni merilnik toka.

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000

Tok

mer

jen

z iz

hh

od

nim

m

eriln

iko

m t

oka

[A

]

Tok merjen z DMM [A] Iizh v odvisnosti od DMM

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Re

lati

vni p

ogr

eše

k *%

+

Tok merjen z DMM [A] Relativni pogrešek Iizh


53

Slika 6.11: Celoten relativni pogrešek izhodnega merilnika toka.

Po enačbah (6.3 ,6.4 in 6.5) smo še izračunali standardno deviacijo. Za vhodni merilnik toka

znaša 0,936,. za izhodni merilnik toka pa je standardna deviacija 0,904.

Na koncu smo še pomerili delovanje algoritma za sledenje vršne moči. Meritve smo opravili s

poli-kristalno celico. Merili smo prenos moči na svinčevo baterijo (6 celično). S krmilnikom

smo pomerili vhodni tok in vhodno napetost ter izhodni tok in izhodno napetost. Iz teh

rezultatov smo nato izračunali izkoristek. Prve meritve smo opravili brez diode, vezane

zaporedno med sončno celico in pretvornikom navzdol (tabela 6.4), ter nato še z diodo

(tabela 6.5). Dioda preprečuje, da tok teče v sončno celico. Vrstica rumene barve ponazarja

meritve pri sončnem vremenu, vrstica modre barve pa ponazarja meritve pri oblačnem

vremenu.

Izkoristek smo izračunali s pomočjo izraza (6.6)

100vh

izh

P

P , (6.6)

kjer je:

– izkoristek moči (%),

Pizh – izhodna moč pretvornika (W) ter

Pvh – vhodna moč pretvornika (W).

-3

-2

-2

-1

-1

0

1

1

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Re

lati

vni p

ogr

eše

k *%

+

Tok merjen z DMM [A] Relativni pogrešek Iizh


54

Tabela 6.4: Rezultati meritev izkoristka pretvornika z iskanjem vršne moči brez diode

n Uvh [V]

Ivh [A]

Uizh [V]

Iizh [A]

Pvh [W]

Pizh [W]

Izkoristek [%]

1 12,93 0,482 12,89 0,46 6,232 5,929 95,140

2 12,56 0,211 12,55 0,18 2,650 2,259 85,240

Tabela 6.5: Rezultati meritev izkoristka pretvornika z iskanjem vršne moči z diodo

n Uvh [V]

Ivh [A]

Uizh [V]

Iizh [A]

Pvh [W]

Pizh [W]

Izkoristek [%]

1 12,97 0,49 12,89 0,47 6,3553 6,0583 95,327

2 12,56 0,136 12,55 0,12 1,70816 1,506 88,165

Kot opazimo iz tabele, je izkoristek malce večji takrat, ko vezava vsebuje diodo.

Ker sončna celica ne premore toka, večjega kot 560mA, smo nato še pomerili izkoristek

prenosa moči iz laboratorijskega napajalnika na drsni upor. Meritve smo opravili pri 0,6A, 1A

in 2A (tabela 6.6, 6.7 in 6.8).

Tabela 6.6 prikazuje izkoristek pretvornika pri uporabi MPPT algoritma, pri toku 0,6A.

Tabela 6.6: Izkoristek pretvornika pri 0,6A

Uvh [V]

Ivh [A]

Pvh [W]

Uizh [V]

Iizh [A]

Pizh [W]

Izkoristek [%]

13,64 0,607 8,27948 13,387 0,581 7,777847 93,94125

Tabela 6.7 prikazuje izkoristek pretvornika pri uporabi MPPT algoritma, pri toku okoli 1A.

Tabela 6.7: Izkoristek pretvornika pri 1A

Uvh [V]

Ivh [A]

Pvh [W]

Uizh [V]

Iizh [A]

Pizh [W]

Izkoristek [%]

15,6 0,995 15,522 7,6 1,794 13,6344 87,839

Tabela 6.8 prikazuje izkoristek pretvornika pri uporabi MPPT algoritma, pri toku 2A.


55

Tabela 6.8: Izkoristek pretvornika pri 2A

Uvh [V]

Ivh [A]

Pvh [W]

Uizh [V]

Iizh [A]

Pizh [W]

Izkoristek [%]

15,55 2 31,1 6,958 3,664 25,49411 81,975

Kot vidimo iz rezultatov meritev (slika 6.13), se izkoristek manjša pri večjemu toku. Merjenje

pri tokovih, večjih kot 2A, ni bilo izvedljivo (tabela 6.6, 6.7 in 6.8).

Slika 6.12: Izkoristek algoritma MPPT v odvisnosti od toka.

0

20

40

60

80

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Izko

rist

ek [

%]

Tok [A] Izkoristek MPPT algoritma


56

Slika 6.13: Izkoristek moči pri izvajanju algoritma MPPT v odvisnosti od toka.

Kot lahko opazimo na grafu (slika 6.14), dobimo največji izkoristek pri toku 0,5A. Vpisani so

izkoristki iz tabel (6.4, 6.5, 6.6, 6.7 in 6.8).

0

20

40

60

80

100

120

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Izko

rist

ek

[%]

Tok [A] Izkoristek MPPT algoritma


57

7 SKLEP

Cilj diplomskega dela je izdelava polnilnika baterij, ki lahko polni nekatere litij-ionske

baterije in svinčeve baterije na osnovni način. Polnilnik bi naj poleg polnjenja še sledil vršni

moči sončne celice. Za delovanje v zgoraj naštetih načinih potrebuje krmilnik merilnike

napetosti in toka. Ker smo postopoma gradili vezje, je namesto ene celote nastalo več

modulov. Poleg vezja smo še napisali programsko kodo za algoritme (sledenje točki vršne

moči ter polnjenje s konstantnim tokom in konstantno napetostjo).

Na podlagi virov in literature smo uspešno izdelali celotno vezje (pretvornik navzdol, merilniki

tokov in napetosti, temperaturni senzor ter vizualni vmesnik). Vezje je skozi meritve

opravljalo svojo vlogo. Pri merjenju izkoristka MPPT (sledenje vršne moči) algoritma smo pri

niţjih tokovih na izhodu izmerili 94 % izkoristek pretvornika navzdol. Pri enaki meritvi, vendar

z višjimi tokovi, smo izmerili malo manjši izkoristek. Prav tako smo opazili, da se

kondenzatorja pri višjih tokovih rahlo segrevata. To bi lahko izboljšali tako, da bi vzeli več

vzporedno vezanih kondenzatorjev. Valovitost izhodne napetosti pretvornika navzdol je bila

malenkost večja od ţelene.

Merilnika toka sta imela manjša odstopanja v primerjavi z meritvami DMM. Merilnika

napetosti pa sta imela malenkost večja odstopanja, v primerjavi z meritvami DMM.

Vezje bi lahko izboljšali tako, da bi namesto enega pretvornika navzdol uporabili več

pretvornikov. Vsak bi bil nastavljen na zelo majhno napetostno območje. Poleg tega bi morali

uporabit več kondenzatorjev na vhodu in izhodu, saj imata ta dva preveliko upornost in se

grejeta pri večjih tokovih, kar povzroča izgube. Pri vsakem, vhodnem in izhodnem

kondenzatorju, bi vzporedno vezali še tantalov in keramični kondenzator, tantalov

kondenzator kapacitivnosti 100µF, keramični kondenzator pa kapacitivnosti 100nF.

Pri sončnih celicah manjše moči ni moţno polnit baterij z večjo kapaciteto v primeru, da je

krmilnik prav tako napajan preko te iste sončne celice. To pa zato, ker se napetost preveč

zniţa.

Glede uporabniškega vmesnika bi namesto LCD zaslona, ki prikazuje informacije o

polnjenju, uporabili samo svetilne indikatorje, ki bi nakazovali na osnovna stanja (polnjenje,

končano polnjenje, sledenje vršni točki moči).

V zvezi s problemom pri programiranju, bi namesto pisanja kode v Arduino programskem

okolju, pisali v Atmel programskem okolju, saj ima Arduino v svojih knjiţnicah za ukaze

mnogo drugih nastavitev. Cikli izvajanja ukazov pri programu, pisanem v Arduino okolju, so


58

bistveno daljši, kar pomeni, da se zanka lahko izvaja počasneje. To vpliva na izkoristek tako

pri sledenju vršne točke moči kot pri polnjenju, še posebej pri nihanju moči sončne celice.


59

VIRI IN LITERATURA

[1] Wikipedia. Dostopno na: https://en.wikipedia.org [20. 8. 2016].

[2] Komp, R. TedEd. Dostopno na: http://ed.ted.com [22. 8. 2016 / video].

[3] Nova. Dostopno na: http://www.nova.org.au/technology-future/solar-pv [22. 8. 2016].

[4] Solar Energy. Inforse. Dostopno na:

http://www.inforse.org/europe/dieret/Solar/solar.html [20. 8. 2016].

[5] Beaudet, A. MPPT vs PWM Solar Charge Controllers. Altestore. Dostopno na:

https://www.altestore.com/video/ [3. 9. 2016].

[6] Alternative energy. Common Types of Solar Cells. Dostopno na:

http://www.altenergy.org/renewables/solar/common-types-of-solar-cells.html

[27. 8. 2016].

[7] M. Rosu-Hamzescu in S. Oprea. Practical Guide to Implementing Solar Panel MPPT

Algorithms. Microchip Technol. Inc., How to implement MPPT using Most Pop. Switch.

power supply Topol., (2013), str. 1–16.

[8] Battery University. Dostopno na: http://batteryuniversity.com/ [27. 8. 2016].

[9] Battery Basics. Progressive dynamics. Dostopno na:

http://www.progressivedyn.com/battery_basics.html [3. 9. 2016].

[10] York, B. Lead-Acid Batteries. UCSB. Dostopno na:

http://my.ece.ucsb.edu/York/Bobsclass/194/LecNotes/Lect%20-%20Batteries.pdf

[3. 9. 2016]

[11] Morrison D. Li-Ion Cells Build Better Batteries for Power Tools. Analog Feedback, št.

Februar, 2006. Dostopno na: http://powerelectronics.com/site-

files/powerelectronics.com/files/archive/powerelectronics.com/mag/602PET06.pdf

[3. 9. 2016]

https://en.wikipedia.org/

http://ed.ted.com/

http://www.nova.org.au/technology-future/solar-pv

http://www.inforse.org/europe/dieret/Solar/solar.html

https://www.altestore.com/video/

http://www.altenergy.org/renewables/solar/common-types-of-solar-cells.html

http://batteryuniversity.com/

http://www.progressivedyn.com/battery_basics.html

http://my.ece.ucsb.edu/York/Bobsclass/194/LecNotes/Lect%20-%20Batteries.pdf

http://powerelectronics.com/site-files/powerelectronics.com/files/archive/powerelectronics.com/mag/602PET06.pdf

http://powerelectronics.com/site-files/powerelectronics.com/files/archive/powerelectronics.com/mag/602PET06.pdf


60

[12] Rosu-Hamzescu, M., Oprea, S. High-Power CC/CV Battery Charger using an Inverse

SEPIC (Zeta) Topology. Microchip Technology, (2012), str. 1–16.

[13] C. Simpson. Characteristics of Rechargeable Batteries. Natl. Semicond., (2011), str.

1–12.

[14] R. Perez. Lead-Acid Battery State of Charge vs. Voltage, Home Power, št. September,

(1993), str. 66–70.

[15] Hauke, B. Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage. Texas Instruments,

(2015), št. August, str. 1–8. Dostopno na:

http://www.ti.com/lit/an/slva477b/slva477b.pdf [7. 8. 2016]

[16] Atmel AT04204. Design a Buck Converter with XMEGA, 2013. Dostopno na:

http://www.atmel.com/images/atmel-42183-design-a-buck-converter-with-xmega-

e_ap-note_at04204.pdf [7. 8.2016].

[17] D. Schelle in J. Castorena, „Buck-Converter Design Demystified“, Power Electron.

Technol., št. June, str. 46–53, 2006.

[18] R. Nowakowski in N. Tang, „Efficiency of synchronous versus nonsynchronous buck

converters“, Analog Appl., 2009.

[19] Nowakowski, R., King, B. Choosing the optimum switching frequency of your DC/DC

converter. Texas Instruments, 2006. EETimes. Dostopno na:

http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1272335 [7. 8. 2016].

[20] Tuite, D. What's the Difference Between High- Side And Low-Side Current Sensing.

Electronic design, 2012. Dostopno na: http://electronicdesign.com/power/what-s-

difference-between-high-side-and-low-side-current-sensing [3. 8. 2016].

[21] Current Shunt Monitors. Texas Instruments, 2015. Dostopno na:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina282.pdf [27. 8. 2016].

[22] Solar, M. (2001). Meritve v elektroniki. Maribor: Zaloţništvo FERI.

http://www.ti.com/lit/an/slva477b/slva477b.pdf

http://www.atmel.com/images/atmel-42183-design-a-buck-converter-with-xmega-e_ap-note_at04204.pdf

http://www.atmel.com/images/atmel-42183-design-a-buck-converter-with-xmega-e_ap-note_at04204.pdf

http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1272335

http://electronicdesign.com/power/what-s-difference-between-high-side-and-low-side-current-sensing

http://electronicdesign.com/power/what-s-difference-between-high-side-and-low-side-current-sensing

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina282.pdf


61

[23] Analog Device, Low Voltage Temperature Sensors TMP35/TMP36/TMP37, Analog

Device, 2008. Dostopno na: http://www.analog.com/media/en/technical-

documentation/data-sheets/TMP35_36_37.pdf [3. 9. 2016].

[24] I. Sram in W. E. Cycles, Atmel ATmega640 / V-1280 / V-1281 / V-2560 / V-2561 / V –

Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits, 2014. Dostopno na:

http://www.atmel.com/Images/Atmel-2549-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega640-

1280-1281-2560-2561_datasheet.pdf [1. 9. 2016].

[25] LM4040-N / -Q1 Precision Micropower Shunt Voltage Reference. Texas Instruments,

2015. Dostopno na: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm4040-n-q1.pdf [4. 8. 2016]

[26] Ece, University of Idaho. Dostopno na:

http://www.ece.uidaho.edu/ee/classes/ECE311S09/docs/resistor_&_capacitor_standa

rd_values.pdf [3. 9. 2016 / pdf].

[27] HAMEG. Modular system 8000. Test Equipment Depot. Dostopno na:

http://www.testequipmentdepot.com/hameg/pdf/hm8011-3.pdf [5. 9. 2016].

[28] Bindra, A. Trade – offs In Switching High – Input – Voltage Step – Down Converters

at High Frequencies. Electronic Products, 2013. Dostopno na:

http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2013/feb/trade-offs-in-switching-high-

input-voltage-step-down-converters-at-high-frequencies [6. 9. 2016].

http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/TMP35_36_37.pdf

http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/TMP35_36_37.pdf

http://www.atmel.com/Images/Atmel-2549-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega640-1280-1281-2560-2561_datasheet.pdf

http://www.atmel.com/Images/Atmel-2549-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega640-1280-1281-2560-2561_datasheet.pdf

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm4040-n-q1.pdf

http://www.ece.uidaho.edu/ee/classes/ECE311S09/docs/resistor_&_capacitor_standard_values.pdf

http://www.ece.uidaho.edu/ee/classes/ECE311S09/docs/resistor_&_capacitor_standard_values.pdf

http://www.testequipmentdepot.com/hameg/pdf/hm8011-3.pdf

http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2013/feb/trade-offs-in-switching-high-input-voltage-step-down-converters-at-high-frequencies

http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2013/feb/trade-offs-in-switching-high-input-voltage-step-down-converters-at-high-frequencies


62

PRILOGE

Priloga A

Slika 0.1 Tehnični podatki sončne celice, uporabljene pri meritvah


63

Priloga B

* C:\Users\Jan\Desktop\BUCK PMOS DRIVER ATMEL - 2.asc M1 N001 Gsw Uvh Uvh Si7465DP Q1 Uvh N002 Gsw 0 2N3904 Q2 0 N002 Gsw 0 2N3906 V1 PWM 0 PULSE(0 5 0 6n 7n D*Ts Ts) V2 Uvh 0 20 L1 N001 Uizh 47µ Ipk=3.5 Rser=0.057 D1 0 N001 RSX301L-30 M2 N003 PWM 0 0 2N7002 C3 Uvh 0 10n R3 Uizh 0 10 R4 N002 N003 100 R5 N003 Uvh 1k C4 Uvh 0 150µ C5 Uizh 0 220µ .model D D .lib C:\Users\Jan\Documents\LTspiceXVII\lib\cmp\standard.dio .model NPN NPN .model PNP PNP .lib C:\Users\Jan\Documents\LTspiceXVII\lib\cmp\standard.bjt .model NMOS NMOS .model PMOS PMOS .lib C:\Users\Jan\Documents\LTspiceXVII\lib\cmp\standard.mos .param D=0.25 .tran 4m .param Ts=5.714u * frekvenca = 175kHz.\n1/175kHz = 5.741us * BREME .backanno .end

Posebej prilagam modele elementov (MOSFET, BJT in dioda) Vstavijo se na mesto kjer je

zgoraj leţeče besedilo. Za ostale elemente smo uporabili idealne modele.

.model Si7465DP VDMOS(pchan Rg=3 Vto=-2,4 Rd=25,6m Rs=6,4m Rb=32m Kp=16

lambda=0,01 Cgdmax=0,8n Cgdmin=0,2n Cgs=1,3n Cjo=0,41n Is=40p mfg=Siliconix Vds=-

60V Ron=64m Qg=26n)

.model 2N7002 VDMOS(Rg=3 Vto=1,6 Rd=0 Rs=0,75 Rb=0,14 Kp=0,17 mtriode=1,25

Cgdmax=80p Cgdmin=12p Cgs=50p Cjo=50p Is=0,04p mfg=Fairchild Vds=60 Ron=2

Qg=1,5n)


64

.model 2N3904 NPN(IS=1E-14 VAF=100 Bf=300 IKF=0,4 XTB=1,5 BR=4 CJC=4E-12

CJE=8E-12 RB=20 RC=0,1 RE=0,1 TR=250E-9 TF=350E-12 ITF=1 VTF=2 XTF=3 Vceo=40

Icrating=200m mfg=NXP)

.model 2N3906 PNP(IS=1E-14 VAF=100 Bf=200 IKF=0,4 XTB=1,5 BR=4 CJC=4,5E-12

CJE=10E-12 RB=20 RC=0,1 RE=0,1 TR=250E-9 TF=350E-12 ITF=1 VTF=2 XTF=3

Vceo=40 Icrating=200m mfg=NXP)

.model RSX301L-30 D(Is=18,292u N=1,01 Rs=8,7169m Ikf=547,15m Xti=2 Eg=0,67

Cjo=774,17p M=511,9m Vj=741,22m Isr=6,6348u Bv=30 Trs1=10m Tikf=-0,004 Iave=3

Vpk=30 mfg=Rohm type=Schottky)

Priloga C

Na priloţenem CD-ploščku se nahaja celotna programska koda.