MPPT versus MTE

Los módulos MPPT¹⁾ basados en el regulador CN3791, de uso muy extendido para carga de baterias en nodos Mesh LoRa autónomos, presentan una característica de funcionamiento que los hace poco adecuados para ubicaciones con pobre irradiacion solar.

Veamos por qué.

Vamos a analizar el funcionamiento de un módulo MPPT para paneles fotovoltaicos de 6 voltios. Quizás el mas empleado actualmente.

Para las medidas, preparamos un setup que permita visualizar a la vez tensión y corriente de entrada a los módulos, así como la corriente de carga/descarga de cada batería.

Disponemos de dos paneles fotovoltaicos idénticos, dos módulos MPPT CN3791, dos amperímetros, una fuente de alimentación regulable en tensión y corriente, y un voltímetro adicional.

Uno de los módulos CN3791 lo conectamos en el setup tal cual lo recibimos del proveedor (en las fotos es el módulo superior, marcado en rojo como “MPPT estándar” y conectado a la bateria “3”, marcada también en rojo).

El otro módulo CN379 (el módulo inferior en la foto, marcado en verde como “MTE” o“Super MPPT” y conectado a la batería “4”) lo hemos modificado para reajustar y optimizar su punto MPPT de trabajo.

Con la salida de tensión de la fuente de alimentación desactivada, en el display de la misma se muestra un valor de tensión que se corresponde con la tensión de retorno de la batería(s). Y el amperímetro indica cierta corriente negativa. Es la corriente de drenaje o descarga de la bateria(s) hacia la fuente.

Al no disponer de un diodo de bloqueo, en una instalación real en el exterior, el módulo CN3791 irá descargando lentamente la bateria sobre el panel solar. Este “drenaje” de energía, desde la batería hacia el panel, depende de la luminosidad ambiente (y la tensión que llegue a generar el panel en cada instante) y del valor de tensión de la propia batería según su estado de carga.

Esta corriente de descarga es máxima por la noche y variable durante el dia.

Eventualmente, cuando la tensión generada por el panel fotovoltaico iguale a la tensión de carga de la batería, se alcanzará un punto de equilibrio, y la corriente drenada desde la batería hacia el panel será cero.

En el momento que activamos la salida de tensión de la fuente de alimentación (4 voltios en este caso) ya no se produce descarga de la bateria sobre la fuente.

Ahora los dos amperimetros indican “0,00”.

No obstante, los LED rojos de los módulos CN3791 permanecen apagados, inidicando que los reguladores no se han activado. La tensión de 4 voltios no es suficiente todavía para que los reguladores CN3791 se “enciendan”.

Con tan solo aumentar 0,1 voltios la tensión en la fuente de alimentación (VIN) ya se encienden los reguladores.

Deberían haberse encendido los dos, pero solo el módulo modificado se ha activado. Al estar las entradas VIN de ambos módulos conectadas en paralelo, se afectan mutuamente. El módulo modificado se “adelanta” en el encendido al otro.

Si continuamos aumentando la tension de entrada, apreciamos que el módulo modificado sigue adelantandose, drenando la corriente hacia su bateria, impidiedo que el otro módulo arraque siquiera.

Para solucionar esto, intercalamos un diodo de paso en cada línea de alimentación. Esto provocará una pequeña caída de tensión adicional en la línea, pero lo solventaremos conectando un voltímetro después del diodo, para tener una referencia exacta del valor VIN en cada módulo.

La corriente de la fuente de alimentación esta limitada inicialmente a 360 mA. Como si estuviesemos empleando en realidad un pequeño panel, capaz de proporcionar esa corriente en cortocircuito.

Vemos que la corriente entregada por la fuente ha alcanzado prácticamente ese valor. Y toda esa corriente la está entregando el módulo modificado a su batería (410 mA). Y el otro módulo sigue sin poder arrancar.

Intercalamos entonces el diodo shottky en cada linea de alimentación, para eliminar la interacción de los módulos entre sí.

Conectamos el voltímetro en la entrada VIN del módulo modificado y reducimos la salida de tension de la fuente hasta un valor inferior al de encendido de los reguladores.

Los LED se han apagado, indicando que todo va según lo previsto.

La tension de entrada mostrada en el voltímetro es de 4,057 voltios. Para que los reguladores se “enciendan” necesitamos una VIN de 4,06 voltios.

Subimos un poquito la tensión de la fuente … ¡bingo!. Con 4,062 voltios ambos módulos se han encendido. Los Led rojos lucen ahora como dos soles.

La escala de ambos amperímetros esta ajustada a 10 Amp, debido a lo cual, no van a indicar valores de corriente de carga por debajo de 10 mA. Por ello no se aprecia en el medidor que el módulo modificado ya ha empezado a inyectar corriente hacia su bateria.

El proceso de carga de batería ha comenzado ya en el módulo que hemos modificado, con tan solo 4,062 voltios de VIN.

El módulo sin modificar no iniciará el proceso de carga hasta que que la VIN alcance los 5,2 voltios. Desaprovechando toda la capacidad energética del panel fotovoltaico, en una situación real, hasta alcanzar ese valor.

Con tan solo subir ligeramente la tensión de la fuente, la corriente de carga del módulo modificado se ha incrementado en gran medida.

Con VIN de 4,142 voltios el módulo modificado esta cargando la batería con 140 mA.

El módulo sin modificar no hace nada… solo vé pasar las nubes…

A 4,140 voltios, la corriente de carga ha subido a 400 mA. La corriente demandada a la fuente es de unos 116 mA. Es posible que se haya alcanzado el tope de entrega de corriente de la fuente y el regulador ha reducido la demanda para evitar una caida de tensión en VIN.

Vamos a ampliar un poco el limite de corriente de la fuente. Lo subimos de 360 mA a 560mA.

Y seguimos aumentando ligeramente la tensión de entrada…

Comprobamos que la corriente de carga hacia la bateria se ha disparado y VIN se mantiene sobre los 4,13… 4,14… voltios.

El MPPT en el módulo modificado ha comenzado a trabajar.

La corriente de carga sube hasta los 600 mA en el módulo modificado, con VIN de 4,121 voltios. El modulo está demandando de la fuente de alimentación unos 560 mA.

Pero no nos alegremos en demasía. esta situación que testeamos en el lab, dificilmente se dará en la vida real, salvo que dispongamos de una gran superficie fotovoltaica instalada, lo cual no suele ser el caso.

Cuando el panel genera poco voltaje, solo puede proporcionar una corriente limitada.

Así que vamos a “cerrar el grifo” a la fuente y reducimos la corriente máxima que puede entregar a tan solo 60 mA.

¿Que ocurrirá?… ¿acaso colapsará el regulador, o será capaz de sortear el desafío?

La corriente de carga de batería se reduce a 70 mA… VIN se mantiene… ¡prueba superada!… El CN3791 del módulo modificado continúa cargando la batería, a pesar de la limitación en la corriente disponible.

Subimos de nuevo la corriente maxima de la fuente hasta los 100 mA, para ver si el regulador se recupera y… ¡en efecto!… la corriente de carga vuelve a aumentar conforme se dispone de mas corriente en la fuente.

A todo esto, el módulo MPPT sin modificar continua “RIP”… como si no estuviese…

Ahora “abrimos a tope el grifo” subiendo la limitación de corriente en la fuente de alimentación hasta 2.600 mA, tal y como si tuviésemos un panel solar de grandes dimensiones, capaz de llevar el módulo CN3791 al límite de carga (en el caso de los módulos CN3791 que empleamos, el límite de corriente de carga excede los 2.000 mA. Este valor viene determinado por el shunt “R050” incorporado en el circuito).

Vamos incrementando VIN y vemos como la corriente de carga se acerca a 1 Amp con 4,464 voltios de entrada.

Continuamos subiendo VIN y ya hemos rebasado 1 Amp cargando la batería. Esto es una barbaridad para la batería. Pero estamos en el lab y es buen entorno para forzar un poco las situaciones.

Con 5,4 voltios de salida de la fuente de alimentación parece que el regulador sin modificar se ha “despertado” y ha comenzado a entregar a su bateria la “generosa” corriente de 10 mA…

Subimos un poquito la tensión de la fuente y ya el módulo sin modificar entrega a su bateria unos 50 mA para cargarla, en comparación a los 1.040 mA que está entregando el módulo modificado a la suya.

Vamos a cambiar la pinza de medida (color amarillo en la imagenn) de tensión de entrada VIN, y la conectamos sobre el módulo sin modificar, con objeto de comprobar exactamente con que nivel de VIN comienza a cargar la bateria el CN3791.

Reducimos la tension de la fuente, para empezar de nuevo en proceso de arranque y observar, en este caso, como arranca el MPPT sin modificar.

Con 4,251 voltios de VIN sigue sin arrancar.

Con 5,099 (5,1) voltios comienza a cargar la bateria con 10 mA

Con 5,14 ya carga la bateria con 40 mA. Si comparamos este valor con el que está entregando el módulo modificado, sobran los comentarios. ;.)

Con 5,249 (5,25) voltios de VIN ya rebasa los 110 mA de carga. Este ya es un valor aceptable.

Al aumentar VIN a 5,296 (5,3) voltios ya se adecenta la cosa. Ahora el módulo sin modificar comienza a cargar la bateria con 250 mA, que sería el valor típico para una celda de 2500 mA/h.

Pero ha necesitado una VIN de 5,3 voltios.

Para un panel fotovoltaico de 6 voltios de tension nomimal, el hecho de que el regulador MPPT no comience a cargar decentemente la bateria, hasta que VIN alcance los 5,25 voltios (el 87% de valor nominaldel panel), se nos antoja un desperdicio de energia inadmisible.

Si durante los dias sin sol, la tension del panel fotovoltaico no alcanzase ese valor minimo… la bateria no se cargaría en absoluto.

De lo expuesto podemos inferir que los módulos MPPT basados en el regulador CN3791 vienen configurados para un escenario distinto al que nos encontramos, a la hora de mantener en buen servicio la bateria de un nodo Mesh en latitudes septentrionales, con escasas o nulas horas de sol directo a lo largo de varios días.

En este escenario el perfil MPPT preajustado en los citados módulos resulta ineficiente (incluso inadecuado, pudiendo dañar la batería o acortar su vida útil, como comentaremos en una próxima entrada), tal y como hemos visto.

Debemos cambiar de estrategia.

En lugar del MPPT (punto de máxima transferencia de potencia, desde el panel fotovoltaico) debemos obtener el punto de MTE (Mejor Transferencia de Energía).

El modo mas sencillo que hemos implementado es modificar el voltage de referencia del CN3791, jugando con los valores resistivos del divisor de tension (constituído por R2 y R3 en el datasheet), del cual se toma la referencia de tensión que determina el punto de trabajo del regulador .

En el módulo, las resistencias del divisor de tensión aparecen serigrafiadas como R1 y R2. En la union entre ambas (en la imagen, es la parte inferior de las resistencias, que esta enfrentada con texto “VBAT” en el PCB) soldamos por encima un extremo de una resistencia de 390k Ohm²⁾.

El otro extremo de la resistencia lo soldamos al terminal de la placa serigrafiado como “VIN”.

Con esta sencilla operación modificamos el valor de una de las resistencias del divisor (R2 en el datasheet o R1 en la serigrafía del módulo), y con ello reajustamos el valor de referencia del punto MPPT en el CN3791.

El valor total de la resistencia equivalente pasa ahora a ser de unos 122k Ohm, y el reajuste de tensiones MPPT del CN3791 se corresponde ahora con una tension de entrada (VIN) de unos 3,5 voltios.

Esto puede parecer un poco excesivo, considerando que el CN3791 no se “enciende” hasta que VIN alcanza un valor mínimo de 4,06 voltios (un poco por debajo de lo indicado en el datasheet). Pero de este modo nos aseguramos que el regulador comience a cargar la bateria ya en cuanto se activa. Es decir, la carga de la bateria comienza ya en cuanto la tensión del panel solar alcanza los 4,06 voltios, y se enciende el LED rojo en el módulo.

No obstante preferimos tomar como punto de inicio efectivo de la carga un valor nominal para VIN de 4,10 voltios, para dejar un poquillo de margen.

Todo lo que hemos visto ha sido en entorno de laboratorio, con una fuente de alimentación regulable simulando el comportamiento de un panel fotovoltaico.

Veamos ahora que ocurre con paneles reales. Empleamos dos paneles idénticos y conectamos cada uno a la entrada de los módulos reguladores. Un panel al MTE³⁾(derecha de la imagen) y el otro al MPPT⁴⁾ (izquierda de la imagen).

En zona de penumbra (la imagen aparece granulada debido a la poca luz ambiente) vemos como, al carecer de diodo de protección, los módulos “drenan” o descargan la bateria hacia el panel fotovoltaico.

Para estas medidas hemos empleado los mismos amperímetros que al principio, pero ahora en una escala mas sensible, para evaluar corrientes de menor cuantía. El ajuste de los medidores es 200 mA a fondo de escala.

Adicionalmente colocamos un luxómetro para indicar la luminosidad ambiente. No es un medidor de irradiancia, pero para este contexto resulta mas adecuado, ya que todas las medidas las realizaremos en interior, con luz difusa indirecta. Sin radiación solar directa.

La medida del luxómetro en la imagen superior no es correcta, esta falseada por la posición de la cámara. A contnuación vemos los valores correctos de la descarga de cada bateria a ravés de los modulos, y el valor correcto de luminosidad ambiente.

11.1 LUX, este es el valor correcto para la estancia.

Con esta luminosidad de 11,1 LUX, los módulos descargan sus baterias con las corrientes mostradas: 2 mA el módulo MTE y 2,7 mA el módulo MPPT. El signo negativo en las medidas indica que las baterias se estan descargando. Es corriente que “sale” de la batería, no que “entra” en ella.

La diferencia de valores en esta corriente de descarga se debe tan solo al distinto nivel de carga de cada batería. Y tambien depende de la luminosidad ambiente. Es mayor de noche y menor en penunbra, por que aún en este escenario, los paneles pueden generar algunos milivoltios y eso limita la corriente desde la batería.

No parece un nivel de descarga excesivo. Pero si tenemos en consideración que 2,6 mA representan casi el 50% del consumo medio de un nodo NRF en reposo… O dicho de otro modo, si no colocamos un diodo de proteccion, para frenar la descarga de la batería hacia el panel, el consumo en reposo del nodo se incrementa en un 50%.

A mediodía acercamos el setup a la ventana. Buscamos mayor iluminación, pero no excesiva, lo suficiente para que se enciendan los reguladores.. Luz difusa y sin sombras, como en un dia nublado.

Con 1.795 LUX los reguladores se han activado (los LED rojos de ambos módulos están encendidos) y el regulador MTE ha comenzado a cargar su bateria con unos 5 mA.

El regulador MPPT sin modificar, no solo no ha arrancado, si no que continúa descargando su bateria con unos 10 mA.

Aquí lo vemos con mas detalle, sin reflejos. Son solo 5 mA, no es mucho, pero estamos en interior y con un nivel de iluminacion relativamente suave.

El Regulador MTE es capaz de aprovechar este nivel tan bajo de luz para cargar la bateria hasta donde puede. El regualdo MPPT sin modificar… “ni está, ni se le espera”. No solo no esta cargando su bateria. ¡La está descargando!

Inclinamos un poco el setup, para mejorar la orientación de los paneles hacia la claridad (en las fotos anteriores recibían la luz lateralmente)

A media tarde, la luminosidad ya no va a mejorar a partir de esta hora, al contrario, cada vez sera menor. El módulo MTE sigue cargando su bateria con unos exiguos mA. Mientras tanto el módulo MPPT sin modificar no ha cargado su batería en ningún caso.

En la práctica, y si el nodo estiviese en el exterior, en un dia con un nivel de luminosidad equivalente, el MPPT no acometería la carga de su batería en ningún momento del dia. Incluso la descargaría aun mas, si no incorpora un diodo de bloqueo para evitarlo.

El pobre desempeño mostrado por los módulos MPPT tal cual mos llegan, puede explicar las caidas de nodos en situaciones de luminosidad escasa. Y también el por qué algunos instaladores optan por emplear módulos con reguladores no MPPT, como puedan ser el CN3065 o el CN3163.

El caso es que pretender la “Maxima Transferencia de Potencia”⁵⁾ cuando el panel fotovoltaico no puede “entregar potencia” resulta un poco absurdo si lo pensamos con detenimiento.

Y es que, en dias nublados y oscuros, los pequeños paneles fotovoltaicos de los nodos Mesh generan energia a cuentagotas. Un escenario bastante alejado de la situacion ideal en la que el sol brilla completamente despejado e incide a 90° sobre el panel.

Los módulos MPPT CN3791 están configurados para utilizar la energia de esa situación ideal. No para aprovechar la energía “a cuentagotas” que genera el panel con escasa irradiancia solar.

Vamos a modificar los MPPT disponibles para transformarlos en módulos MTE, añadiéndole a cada uno una resistencia de 390k Ohm entre la union de R1/R2 y VIN.

El CN3791 parece responder bien a esta modificación, aunque tenga un requerimiento de tensión mínima de funcionamiento algo elevado.

Esta modificación nos permite recuperar y optimizar aquellos módulos MPPT CN3791 que ya hemos adquirido.

Para un mejor aprovechamiento de la “energia de goteo” recogida por los paneles, en condiciones sub-óptimas, es preferible emplear reguladores tipo “energy harvest”.

Pero ese tema, así como la limitación de la corriente maxima de carga de los módulos que hemos estado analizando, lo dejamos para una próxima entrada.