Progetto di un regolatore di carica con Arduino per impianti solari fotovoltaici

In un sistema di energia solare fotovoltaico, il regolatore di carica è una delle parti fondamentali, progettato per proteggere e ricaricare la batteria del sistema. Ci sono ancora molte comunità rurali e remote dove la linea di trasmissione della rete elettrica non è ancora raggiunta o le reti elettriche esistenti non sono in grado di fornire l'energia elettrica necessaria alle persone di queste comunità. Quindi, le fonti di energia rinnovabile, come il solare fotovoltaico e l’eolico, sono l'opzione migliore per sopperire a queste importanti carenze. In questo articolo, viene descritto il progetto di un regolatore di carica che può essere utilizzato in un piccolo impianto fotovoltaico.

Introduzione

L’energia solare ha il vantaggio di richiedere meno manutenzione ed essere esente da inquinamento, ma i suoi principali svantaggi sono gli elevati costi dei componenti, tra cui i pannelli fotovoltaici e le batterie, e la bassa efficienza di conversione energetica. Poiché i pannelli fotovoltaici hanno ancora un’efficienza di conversione relativamente bassa, il costo complessivo del sistema fotovoltaico può essere ridotto utilizzando un efficiente regolatore di carica in grado di estrarre la massima potenza possibile dal pannello fotovoltaico e accumularla con regolarità in una o più batterie. Un regolatore di carica solare regola la tensione e la corrente di carica di una batteria proveniente dai pannelli solari fotovoltaici. Lo scopo del regolatore di carica è mantenere la corretta tensione di carica delle batterie. Quando la tensione in ingresso al regolatore fornita dal pannello fotovoltaico aumenta, il regolatore di carica regola la carica delle batterie evitando una carica eccessiva.

Di seguito sono elencati i vari tipi di regolatori di carica.

Regolatore di carica ON-OFF. E’ il regolatore di carica più semplice. Monitora semplicemente la tensione della batteria e attiva il circuito di carica quando la tensione della batteria raggiunge un determinato livello minimo.

Regolatore di carica PWM. E’ il regolatore di carica migliore per la sua semplicità ed efficienza. E’ considerato il primo progresso significativo nel campo della ricarica delle batterie per impianti solari fotovoltaici.

Regolatore di carica MPPT. Tra i tre regolatori di carica, MPPT ha la massima efficienza ma è costoso e richiede circuiti e algoritmi complessi.

In questo progetto, viene scelto il regolatore di carica PWM. Per la generazione del segnale PWM viene utilizzato il microcontrollore Arduino. La tecnica di modulazione della larghezza dell’impulso (PWM) è il mezzo più efficace per ottenere una carica della batteria a tensione costante regolando il duty cycle del segnale PWM, ossia il rapporto tra il tempo di funzionamento del circuito di carica e il periodo del segnale PWM. Nel regolatore di carica PWM, la corrente proveniente dal pannello solare si riduce in base alle condizioni della batteria e alle esigenze di ricarica. Quando la tensione della batteria raggiunge il set-point di regolazione, l'algoritmo PWM riduce lentamente la corrente di carica per evitare il surriscaldamento e la formazione di gas interni della batteria, ma la carica continua a restituire la massima quantità di energia alla batteria nel più breve tempo possibile.

Vantaggi del regolatore di carica PWM

• Maggiore efficienza di ricarica

• Maggiore durata della batteria

• Riduzione del surriscaldamento della batteria

Applicazioni del regolatore di carica

Il regolatore di carica presentato in questo progetto può essere utilizzato per i seguenti usi:

• Caricare le batterie utilizzate nel sistema domestico fotovoltaico

• Alimentare lampade a led nei luoghi privi di elettricità

• Ricaricare la batteria dello smartphone

Il progetto

Nella Figura 1 è riportato lo schema elettrico del circuito regolatore di carica.

Figura 1: Schema elettrico del regolatore di carica

Il regolatore di carica presentato in questo progetto può essere impiegato in un piccolo impianto solare fotovoltaico per caricare una batteria che deve alimentare lampade led a bassa tensione continua. Il diodo zener DZ1, posto fra il terminale PFV di ingresso del circuito e terra (GND), limita a 11 V la tensione d’ingresso del circuito. L’energia prodotta dal pannello fotovoltaico (PFV) attraversa il diodo D1. Questo diodo ha la funzione di impedire il passaggio di corrente inversa dalla batteria al pannello fotovoltaico: durante la notte la tensione del pannello fotovoltaico scende a 0 V, quindi, la tensione della batteria più alta del PFV provocherebbe un flusso di corrente nella direzione opposta, ossia verso il PFV, che invece viene bloccata dalla presenza del diodo D1. Il condensatore C1 viene utilizzato per rimuovere eventuali rumori e picchi di segnali interferenti indesiderati. Il partitore di tensione costituito da R1 e R2 rileva la tensione del pannello fotovoltaico. L'uscita dal partitore di tensione (V_PFV) viene riportata al pin convertitore analogico-digitale A0 di Arduino.

L'energia proveniente dal pannello fotovoltaico non può giungere direttamente alla batteria finché il MOSFET Q1 non è attivo. La commutazione del MOSFET Q1 avviene tramite il segnale PWM proveniente dal pin PWM D6 di Arduino. Il transistor T1 e la resistenza di base R4 vengono utilizzati per pilotare il MOSFET Q1 con il segnale PWM generato da Arduino. Il resistore R3 viene utilizzato come resistore di pull-up del gate di Q1. Quando il MOSFET Q1 è attivo, l'energia del PFV, modulata dal segnale PWM, giunge alla batteria e il processo di ricarica viene avviato.

Il segnale PWM è utilizzato per regolare la tensione di carica applicata alla batteria BAT1. Il segnale PWM presente sul collettore del transistor T1 controlla la commutazione del MOSFET Q1 che fornisce alla batteria una tensione in funzione del duty cycle del segnale PWM. In Arduino ci sono sei pin PWM (D3, D5, D6, D9, D10 e D11); come accennato sopra, viene usato il pin D6 per inviare all’ingresso di T1 il segnale PWM generato. Il clock di Arduino ha una frequenza massima di 16 MHz, che è troppo alta per caricare la batteria con il segnale PWM. La frequenza può essere ridotta utilizzando il registro prescaler del microcontrollore Arduino. Per impostazione predefinita, il prescaler è impostato a 64. Quindi, nel pin D6 si otterrà un segnale PWM di frequenza pari a 16.000.000/64=976,5625 Hz. Ma questa frequenza è ancora piuttosto alta per la ricarica della batteria. Quindi questa frequenza deve essere impostata ad una frequenza inferiore scegliendo il valore del prescaler a 1024, da cui si ottiene una frequenza del segnale PWM di 61,035 Hz. Il secondo partitore di tensione costituito da R5 e R6 viene utilizzato per rilevare la tensione della batteria. L'uscita del partitore di tensione (V_BAT) è collegata al pin convertitore analogico-digitale A1 di Arduino.

I due partitori di tensione si sono resi necessari per limitare la tensione di monitoraggio ad un valore inferiore a 5 V per evitare danni alle porte ADC di Arduino operanti a tensioni d’ingresso inferiori o al massimo uguali a 5 V. Il dimensionamento dei partitori è stato calcolato sulla base della scelta progettuale di utilizzare un PFV da 6 V, 5 W e una batteria da 6 V. E’ comunque possibile utilizzare PFV e batterie a tensione più alta e rilevare il valore della tensione semplicemente modificando il valore dei resistori dei due partitori.

Pilotato dal transistor T2, il secondo MOSFET, Q2, viene utilizzato per collegare il carico all’uscita del circuito. Durante la notte, ossia quando devono accendersi le luci, il carico viene collegato automaticamente alla batteria mediante la chiusura del MOSFET Q2, mentre viene scollegato quando la tensione della batteria è bassa o durante il giorno. Si consideri che si può utilizzare un relè al posto del MOSFET Q2. I led LD1 (rosso) e LD2 (verde) controllati rispettivamente dai pin digitali D7 e D8 di Arduino vengono utilizzati per l'indicazione dello stato della batteria:
il led LD1 RED si accende quando la batteria è scarica (V_BAT< 6,2 V); il led LD2 GREEN si accende quando è completamente carica la batteria (V_BAT≥7,2 V), oppure lampeggia durante la ricarica (con led LD1 RED acceso). I fusibili FU1 e FU2 vengono utilizzati per la protezione da sovracorrente del circuito.

La Figura 2 mostra un esempio di pannello fotovoltaico da 6 V, 5 W venduto sul sito web di Amazon.

Figura 2: Pannello fotovoltaico 6V, 5W

Criteri di selezione dei MOSFET

Nel circuito del regolatore di carica di questo progetto vengono utilizzati due MOSFET: Q1 per controllare il flusso di potenza dal pannello fotovoltaico alla batteria, Q2 per pilotare il carico. Riteniamo interessante, nonché utile per chi affronta la progettazione di circuiti con MOSFET, soffermarci sui MOSFET per spiegare quali sono stati i criteri progettuali che hanno condotto alla scelta di questi MOSFET.

Un MOSFET switch che collega a terra (GND) un carico è collegato alla tensione di alimentazione, è considerato uno switch “low-side”. In questa modalità operativa, il MOSFET è a canale N. Quindi, nel caso di questo regolatore di carica viene utilizzato il MOSFET Q2 IRF540 per pilotare il carico, che infatti, come possiamo notare nello schema di Figura 1, è collegato fra il terminale di alimentazione e Q2 che, quando è attivo, collega a terra l’altro terminale del carico.

Un MOSFET switch del tipo “high-side” viene invece utilizzato quando è collegato in serie fra la tensione di alimentazione e un terminale del carico, mentre l’altro terminale del carico è collegato direttamente a terra. In questa topologia viene solitamente utilizzato un MOSFET a canale P. Per questa funzione è stato scelto il MOSFET Q1 IRF9530 pilotato dal segnale PWM.

Di seguito, sono elencati alcuni parametri del MOSFET che possiamo trovare nei datasheet.

Drain-Source Voltage (Vds)
Quando il MOSFET è spento, l'intera tensione di alimentazione sarà misurabile fra Drain e Source, quindi, il MOSFET deve essere selezionato con il valore massimo di Vds maggiore della tensione di alimentazione per fornire una protezione sufficiente in modo che il MOSFET non si danneggi. La tensione massima che un MOSFET può gestire varia con la temperatura.

Continuous Drain Current (Ids)
E’ la corrente continua che il MOSFET può gestire. È necessario selezionare il dispositivo in grado di sopportare la massima corrente continua che attraversa il Drain, compresi picchi massimi di corrente. Anche la corrente nominale diminuisce con l'aumento della temperatura, quindi occorre mantenere un margine sufficiente del valore di Ids riferita alla massima temperatura ambientale.

RDS(on)
Quando un MOSFET è acceso (ON), agisce come un resistore variabile, ossia varia la resistenza interna fra Drain e Source, il cui valore è determinato dal parametro RDS(on) che dipende dalla temperatura con una dissipazione di potenza calcolata dal prodotto del quadrato della corrente di carico per RDS(on). Quindi, il MOSFET si deve scegliere con un valore basso di RDS(on) tale che il suo prodotto sia inferiore alla massima potenza dissipabile del MOSFET.

Thermal Loss
Il parametro Thermal Loss (dissipazione di calore) si può calcolare dai parametri termici che troviamo nel datasheet del MOSFET, ossia temperatura massima di giunzione e resistenza termica giunzione-ambiente riferite al package del dispositivo. La temperatura di giunzione del dispositivo è uguale alla temperatura ambiente massima sommata al prodotto della resistenza termica per la dissipazione di potenza (temperatura di giunzione = temperatura ambiente massima + (resistenza termica x dissipazione di potenza)).

Gate Threshold Voltage VGS (th)
La tensione di soglia del gate VGS(th) è la tensione minima richiesta tra i terminali gate e source per accendere il MOSFET. Oltre all’applicazione di una VGS minima, saranno necessarie altre condizioni per accendere completamente il MOSFET.

Switching Loss
La carica e la scarica della capacità di gate-source (Cgs) contribuisce alle perdite di commutazione, ovvero perdite di potenza per dissipazione termica che avviene durante la transizione da uno stato all’altro (ON<->OFF). Le perdite di commutazione dipendono anche dalla frequenza di commutazione, ovvero aumentano all'aumentare della frequenza di commutazione e della capacità tra gate e source.

In generale, un MOSFET di potenza presenta limitazioni di funzionamento in termini di tensione, corrente e dissipazione di potenza. La corrente nominale del MOSFET di potenza è correlata al calore dissipato nei dispositivi. Questa valutazione deve essere considerata nella fase di progettazione di un circuito di protezione del MOSFET da alta tensione e corrente, per evitare la generazione di calore che può portare alla distruzione del dispositivo. [...]

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