Arduino MPPT-контроллер заряда для максимальной эффективности солнечных панелей

Компоненты и материалы

• Arduino Nano R3 — 1 шт.
• Дроссель 100 мкГн — 1 шт. (ток должен соответствовать требуемой мощности)
• Мощный N-канальный MOSFET-транзистор — 1 шт. (например, IRFZ44N)
• LCD-дисплей 16×2 (белый на синем) — 1 шт. (Adafruit Standard)
• Модуль датчика тока ACS712 — 2 шт. (на входе и выходе)
• Диод Шоттки — 1 шт. (на выходе, для защиты от обратного тока)
• Резисторы, конденсаторы, перфоплата, провода — по необходимости

Необходимые инструменты

• Паяльник
• Мультиметр
• Осциллограф (желательно для отладки ШИМ)

Программное обеспечение

• Arduino IDE

О проекте

Обычные дешевые контроллеры заряда (PWM) неэффективны: они просто снижают напряжение панели до напряжения аккумулятора без увеличения тока. Дорогие MPPT-контроллеры стоят много. Цель проекта — сделать свой эффективный MPPT-контроллер, который:

1. Использует понижающий преобразователь (buck converter) на N-канальном MOSFET с КПД >90%.
2. Реализует алгоритм MPPT (Maximum Power Point Tracking) для выработки максимальной мощности с панели в любой момент времени.
3. Управляется Arduino Nano, измеряющей входные/выходные напряжения и токи.

Шаг 1: Что такое MPPT и зачем он нужен

Солнечная панель 12В/100Вт выдает 18–21В, а аккумулятор 12В заряжается при 11–13.6В. PWM-контроллер просто «сбрасывает» лишнее напряжение, теряя мощность. Buck-преобразователь же преобразует избыточное напряжение в дополнительный ток зарядки.

Вторая проблема — нелинейная ВАХ панели. Точка максимальной мощности (MPP) смещается в течение дня. MPPT-алгоритм отслеживает её, меняя коэффициент заполнения ШИМ.

Шаг 2: Как работает MPPT в этом проекте

Измеряются входная мощность (P_in = V_in × I_in) и выходная мощность (P_out = V_out × I_out). Алгоритм сравнивает текущую входную мощность с предыдущей и корректирует выходное напряжение (через duty cycle ШИМ):

• Если P_in выросла при снижении V_out — продолжаем снижать V_out.
• Если P_in упала при снижении V_out — повышаем V_out.

Так система «крутится» вокруг MPP. Коллебания минимизируются эффективным алгоритмом.

Шаг 3: Реализация MPPT на Arduino

Основная функция регулировки (упрощенно):

void regulate(float Iout, float Vin, float Vout) {
  float Pin = Vin * Iin; // входная мощность
  // Логика Perturb & Observe
  if ((Vout > Vout_max) || (Iout > Iout_max) || 
      ((Pin > Pin_previous && Vout_sense < Vout_last) || 
       (Pin < Pin_previous && Vout_sense > Vout_last))) {
    if (duty_cycle > 0) duty_cycle--;
    analogWrite(BUCK_PIN, duty_cycle);
  } else if ((Vout < Vout_max) && (Iout < Iout_max) &&
             ((Pin > Pin_previous && Vout_sense > Vout_last) ||
              (Pin < Pin_previous && Vout_sense < Vout_last))) {
    if (duty_cycle < 240) duty_cycle++;
    analogWrite(BUCK_PIN, duty_cycle);
  }
  Pin_previous = Pin;
  Vin_last = Vin;
  Vout_last = Vout;
}

Шаг 4: Buck-преобразователь (понижающий)

Использована нестандартная схема с низкосторонним ключом (low-side switching) на N-канальном MOSFET (IRFZ44N). Это позволяет управлять мощным транзистором прямо от пина Arduino (логический уровень), не требуя драйвера или bootstrap-схемы.

Особенности схемы:

• MOSFET установлен в разрыве «минуса» панели, поэтому «земля» Arduino — это минус панели.
• Выходное напряжение измеряется хитро: разница между «минусом панели» (GND Arduino) и «минусом нагрузки» дает падение на дросселе/диоде, которое вычитается из входного напряжения.
• Ток измеряется модулями ACS712, запитанными от Arduino и заземленными по входу.
• ШИМ частота поднята до 62.5 кГц (таймер Timer0) для уменьшения риппла тока в дросселе.
• Дроссель 100 мкГн рассчитан на 5–10А (не превышать 80–90% от номинала насыщения).

Шаг 5: Дополнительные функции

• LCD-дисплей показывает: входное/выходное напряжение, ток зарядки, мощность, КПД, температуру радиатора.
• Две кнопки (Menu, Set) для настройки параметров: напряжение буст/флоат зарядки, макс/мин ток, порог отсечки по низкому входу, авто/ручной режим.
• Настройки сохраняются в EEPROM.
• Защита: перезаряд, глубокий разряд, перегрев радиатора (>80°C), низкое входное напряжение.
• Вентилятор радиатора включается при >45°C.
• Watchdog-таймер (8с) сбрасывает контроллер при зависании.

Шаг 6: Итоговая схема, спецификация (BOM) и полный код

Полный код скетча Solar_charger_tutorial_code.ino включает:

• Инициализацию АЦП с усреднением (10 измерений).
• Функции regulate() (MPPT), auto_cutoff() (защита и стадии зарядки), soft_start().
• Меню настройки через LCD и кнопки.
• Работу с EEPROM.
• Serial-мониторинг и Serial-команды для калибровки.

// Пример основных настроек (в начале скетча)
float Vout_boost = 14.5;   // Напряжение буст-зарядки
float Vout_float = 13.5;   // Напряжение удержания
float Iout_max = 5.0;      // Макс. ток зарядки, А
float Vin_thresold = 10.0; // Порог отключения по низкому входу

Файл прошивки и BOM доступны для скачивания в разделе Code исходного проекта.

Схемы (Eagle/изображения)