안녕하세요, 오늘은 ESP32-S3 마이크로컨트롤러를 기반으로 한 MPPT 태양광 충전 컨트롤러 프로젝트에 대해 소개하고자 합니다. MPPT(Maximum Power Point Tracking)에 익숙하지 않은 분들을 위해 간단히 설명하자면, MPPT는 광전지(PV) 패널의 출력 전력을 최대화하기 위해 사용되는 기술입니다.
MPPT는 PV 패널의 현재 및 전압 출력을 모니터링하고 분석하여 로드를 조정함으로써 달성됩니다. 이를 통해 태양광 충전 시스템의 효율성을 크게 향상시키고 발전되는 에너지의 양을 최대화하는 것이 이 프로젝트의 목표입니다.
이 프로젝트는 Angelo Casimiro의 MPPT 프로젝트에 영감을 받아 시작되었습니다. Angelo의 Instructables를 확인하는 것이 좋습니다. 그곳에서는 MPPT에 관한 많은 것들을 다룹니다.
그러나 제 MPPT는 다소 다운그레이드 버전이며, 아직 테스트가 완료되지 않았습니다. 따라서 일부 기능이 아직 누락되어 있습니다. 예를 들어, 코드에는 아직 냉각 팬과 화면용 탐색 버튼이 포함되어 있지 않지만, PCB에는 이들을 위한 규정이 마련되어 있습니다. 이러한 기능들은 향후 쉽게 추가할 수 있습니다.
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태양광 컨트롤러 충전기 태양전지 간편 50A 60A 80A 100A 전문 태양 전지 60a, 1개
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1단계: MPPT 태양광 충전 컨트롤러 사양
- 입력: 최대 개방 회로 전압(VOC): 100V
- 출력: 최대 충전 전류: 30A 및 최대 배터리 뱅크 전압: 30V
- MPPT 알고리즘: 교란과 관찰
- 변환 효율 : 약 95%(완전히 테스트되지 않음)
- 위상수학: 이중 위상 인터리브 벅
- 보호: 입력 과전압 보호, 출력 과전압 보호, 과전류 보호, 과열 보호
- 추가 기능: 야간 PV 패널 자동 차단, 이상 시 PV 패널 자동 차단, 실시간 데이터를 위한 1.3인치 OLED 디스플레이
2단계: 인터리브 벅 컨버터: 전력 및 효율 향상
이 MPPT 컨트롤러는 이중 위상 인터리브 벅 토폴로지를 사용합니다. 즉, 병렬로 연결된 두 개의 동일한 벅 컨버터를 사용하여 부하를 공유하고 단상 벅 컨버터에 비해 여러 가지 이점을 제공합니다.
인터리브 벅 컨버터의 이점:
- 입력 및 출력 리플 감소: 부하를 공유함으로써 인터리브 벅 컨버터는 입력 및 출력 전류 리플을 크게 줄입니다. 이는 더 깨끗한 전력 공급과 연결된 구성 요소에 대한 스트레스 감소로 이어집니다.
- 더 높은 효율: 리플 전류가 낮을수록 스위칭 손실이 낮아져 전체 변환 효율이 크게 향상됩니다. 이는 태양 전지판에서 더 많은 사용 가능한 전력을 얻을 수 있음을 의미합니다.
- 향상된 열 성능: 인터리브 토폴로지는 생성된 열을 두 개의 컨버터에 분산시킴으로써 단일 구성 요소에서 과도한 가열을 방지하여 열 안정성과 신뢰성을 향상시킵니다.
- 전류 용량 증가: 인터리빙은 단상 벅 컨버터에 비해 전류 용량을 효과적으로 두 배로 늘려 더 높은 충전 전류와 더 큰 배터리 뱅크를 지원할 수 있습니다.
비동기식 벅 컨버터는 동기식 벅 컨버터보다 효율성이 떨어질 수 있습니다. 그러나 인터리브 벅 설계를 사용하면 비동기 컨버터의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 전반적으로 이 MPPT 컨트롤러에서 이중 위상 인터리브 벅 토폴로지를 사용하면 효율성, 성능 및 전반적인 신뢰성에 기여할 수 있습니다.
PWM 생성 및 위상 변이
이 MPPT 컨트롤러는 ESP32의 LEDC 라이브러리를 활용하여 벅 컨버터를 제어하는 데 필요한 PWM(펄스 폭 변조) 신호를 생성합니다. PWM 주파수는 39kHz로 설정되어 효율적인 전력 공급과 최소한의 리플을 보장합니다.
두 벅 컨버터 간에 필요한 180도 위상 변이를 달성하기 위해 라이브러리의 "hpoint" 파라미터가 사용됩니다. 이 경우 hpoint 매개 변수에 값 1023이 할당되어 두 PWM 신호 사이에 180도 오프셋이 발생합니다. 이를 통해 인터리브 벅 컨버터의 동기화된 작동이 보장되어 효율을 극대화하고 전류 리플을 최소화할 수 있습니다.
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3단계: 회로도 및 사용된 구성 요소
이제 사용된 회로도와 구성 요소를 살펴보겠습니다.
이것은 easyeda (oshwlab)에 대한 링크이며, 여기에서 회로도 및 PCB를 보고 편집 할 수 있으며 BOM도 볼 수 있습니다.
메인 스위칭 벅:
- Q1 및 Q2: 벅 컨버터의 스위칭을 담당하는 두 가지 주요 MOSFET입니다. 벅 컨버터에 사용되는 MOSFET은 정격 전압이 100V를 초과하고 이상적으로는 낮은 RDS(on) 및 게이트 전하를 자랑하는 TK72E12N1 또는 이와 동등한 것이지만, 필자는 선호하는 옵션을 일시적으로 사용할 수 없기 때문에 현재 STP150N10F7을 사용하고 있습니다.
- D1 및 D2: 오프 사이클 동안 프리휠링 전류를 담당하는 고전력 쇼트키 다이오드입니다. 동등한 옵션에는 TST30H120CW C0G, SBR30A120CT 및 STPS30SM120ST가 포함됩니다.
입력 및 출력 커패시터:
- C1, C2, C3 및 C4: 이 커패시터는 입력 및 출력 필터링을 처리합니다. 최적의 성능을 위해 낮은 ESR(등가 직렬 저항) 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다.
인덕터 L1 및 L2:
이 인덕터는 온 사이클 동안 에너지를 저장하고 오프 사이클 동안 방출하여 원활한 전류 흐름에 기여합니다. 이 프로젝트에 사용된 특정 코어는 0077932A7 코어입니다.
0077932A7이 아닌 다른 코어를 사용하는 경우 온라인 리소스를 활용하여 적절한 작동을 보장할 수 있습니다. Pigeonsnest 또는 Angelo Casimiro(Tech Builder)의 Excel 포화 계산기와 같은 웹사이트를 사용하면 선택한 코어의 포화 전류를 확인할 수 있습니다.
코어의 기능을 확인했으면 coil32와 같은 온라인 계산기를 사용하여 원하는 인덕턴스 값(이 경우 60uH)에 필요한 회전 수를 결정합니다. 60uH 인덕터의 경우 25SWG 5개의 에나멜 구리선을 함께 꼬아 표피 효과를 최소화했습니다(리츠 와이어). 그런 다음 약 40 회전이 코어 주위에 감겨 있습니다.
전압 측정:
R7, R8, R9, R10 및 R11: 이 저항은 MPPT 컨트롤러의 입력 및 출력 전압을 모두 측정하는 전압 분배기 회로를 형성합니다.
TMCS1100A2(U1) 및 LM4040DELT-2.0(U3)을 사용한 전류 측정
이 프로젝트는 정확한 전류 측정을 위해 TMCS1100A2 홀 효과 전류 센서를 사용합니다. TMCS1100A2의 장점은 제로 전류 전압을 설정하기 위한 전용 외부 핀에 있습니다. 이는 기존의 홀 효과 센서가 일반적으로 제로 전류 전압을 공급 전압의 절반으로 설정하기 때문에 매우 중요합니다. 예를 들어, 5V 공급은 2.5V 제로 전류 전압을 발생시키며, 이는 공급 전압의 변동에 따라 변동합니다.
이 문제를 해결하기 위해 이 프로젝트에는 LM4040DELT-2.0 전압 레퍼런스 IC가 통합되어 있습니다. 이 전용 레퍼런스 IC는 TMCS1100A2의 제로 전류 전압을 2.048V로 정밀하게 설정할 수 있는 안정적이고 정확한 전압을 제공하여 공급 전압 변동에 관계없이 일관되고 신뢰할 수 있는 전류 측정을 보장합니다.
안전 제일: 자동차 릴레이로 PV 분리
이 프로젝트는 (RLY1) 30A 자동차 릴레이를 사용하여 두 가지 상황에서 태양광(PV) 패널을 자동으로 분리함으로써 안전을 우선시합니다.
- 야간: 어둠이 내리면 릴레이가 PV 패널을 분리하여 불필요한 전력 소모 및 역전류 흐름으로 인한 잠재적인 손상을 방지합니다.
- 이상 감지: 시스템이 과전압, 과전류 또는 MOSFET 단락과 같은 비정상적인 조건을 감지하면 릴레이가 PV 패널을 신속하게 분리하여 시스템을 보호하고 잠재적인 피해를 방지합니다.
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분리형 MOSFET 구동: TLP250H(U4, U5)
이 프로젝트는 고전력 스위칭 소자를 안전하고 안정적으로 제어하기 위해 TLP250H 절연 MOSFET 드라이버를 활용합니다. 또한 비동기 벅 컨버터에 중요한 MOSFET 드라이버에 전력을 공급하는 데 사용되는 2개의 B1212S DC-DC 절연 컨버터가 있습니다. MOSFET을 효율적으로 구동하려면 소스 및 게이트 단자에 필요한 전압을 제공하기 위해 전용 절연 DC-DC 전원 공급 장치가 필요합니다.
ADS1115 ADC를 사용한 정확한 측정: 구매자 주의!
이 프로젝트는 ADS1115 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 제공하는 정확한 전압 및 전류 측정에 의존합니다. 그러나 ADS1115 브레이크아웃 보드를 구입할 때는 신뢰할 수 있는 출처를 선택하는 것이 중요합니다. 불행히도 이 프로젝트를 위해 구입한 초기 보드에는 의도한 ADS1115 대신 ADS1015가 포함되어 있었습니다. 이로 인해 판독값이 부정확해졌고 신뢰할 수 있는 측정을 보장하기 위해 정품 ADS1115로 수동으로 교체해야 했습니다.
MPPT 컨트롤러는 효율적인 전력 분배를 위해 두 개의 전용 전압 조정기를 사용합니다.
- LM2596HVGR-ADJ(U2): 이 레귤레이터는 안정적인 12V 출력을 제공하여 냉각 팬과 릴레이에 전원을 공급합니다.
- AP62301Z6-7(U8): 이 레귤레이터는 ESP3.3 마이크로컨트롤러, ADS1115 ADC 및 TMCS1100 전류 센서에 전원을 공급하는 정밀한 32V 출력을 제공합니다.
4단계: PCB 제조
PCB 설계를 완료한 후 양면 동박 기판을 사용하여 회로 기판을 제작하기 시작했습니다. 양면 PCB 제작에 익숙하지 않으신 분들을 위해 실제로 그 과정에 대한 동영상을 만들었습니다! 원하신다면 확인해 보셔도 좋습니다. SMD 부품과 비아를 조립한 후 보호를 위해 컨포멀 코팅을 적용한 다음 관통 구멍 부품을 하나씩 삽입했습니다.
방열판에 MOSFET을 올바르게 장착하려면:
- 솔더 페이스트 도포: MOSFET 탭과 방열판 접촉 영역 모두에 써멀 페이스트를 도포합니다.
- 운모 절연: MOSFET 탭과 방열판 사이에 운모 절연체 시트를 놓습니다.
- 절연 와셔: MOSFET 탭을 통과하는 나사에 절연 와셔를 사용합니다. 이렇게 하면 방열판에서 전기적으로 절연됩니다.
이러한 단계는 전기 단락을 방지하고 MOSFET에서 최적의 열 방출을 보장하는 데 매우 중요합니다.
5단계: 코딩
OLED 디스플레이를 MPPT 컨트롤러에 연결하고 USB-to-TTL 칩을 PC에 연결한 후 32V 납산 배터리에 대한 매개변수로 ESP12를 프로그래밍했습니다.
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6단계: 테스트
프로그래밍이 완료되면 12V 35Ah 배터리가 지정된 단자에 연결되었습니다. 배터리를 먼저 연결하고 작동 중에 배터리를 분리하지 않는 것이 중요합니다. 비동기식 벅 컨버터는 전압을 조절하기 위해 출력에 부하가 필요합니다 배터리 연결 후 태양 전지판의 출력을 시뮬레이션하여 30V 및 5A를 공급하도록 전원 공급 장치를 구성했습니다.
MPPT 컨트롤러는 이상을 지속적으로 모니터링합니다. 이상이 감지되지 않으면 10초 지연 내에 릴레이가 작동하여 MPPT를 활성화하고 충전 프로세스를 시작합니다. 그러면 OLED 디스플레이가 다음을 포함한 실시간 정보를 제공합니다.tage, 출력 voltage, 입력 전류, 입력 전력, 오늘 생산: 현재 날짜에 MPPT 컨트롤러에서 생성된 누적 에너지를 추적하고, 총 생산량: 초기 작동 이후 MPPT 컨트롤러에서 생성된 총 에너지를 표시합니다.
작동 중 이상이 감지되면 MPPT 컨트롤러는 시스템을 보호하고 안전한 작동을 보장하기 위해 PV 패널 분리 또는 충전 매개변수 조정과 같은 적절한 조치를 취합니다. 이 MPPT에 납축전지용 4단계 충전, 매개변수 변경을 위한 사용자 인터페이스 등과 같은 더 많은 기능을 추가할 수 있기를 바랍니다.
그리고 마지막으로, 안젤로 카시미로(Angelo Casimiro)에게 큰 감사를 표합니다! 그의 MPPT 프로젝트는 내 프로젝트 전반에 걸쳐 내가 참고한 자료였습니다. 그의 꼼꼼한 작업과 명확한 설명은 귀중한 자원이었습니다.
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