MPPT vs. PWM: como escolher um controlador para bancos de baterias de lítio

Um arranjo solar pode estar produzindo energia enquanto uma bateria de lítio carrega mais lentamente do que o esperado. Uma causa comum é escolher o controlador com base apenas no preço ou na tensão nominal: PWM e MPPT não aproveitam a potência dos painéis da mesma maneira, e nenhum dos dois compensa um perfil de carregamento inadequado.

A escolha entre MPPT e PWM não é simplesmente uma decisão entre uma opção avançada e outra básica. O controlador adequado depende da tensão do arranjo, da tensão da bateria, da temperatura, do tamanho do sistema e da quantidade de energia que a aplicação precisa captar. Em sistemas de backup para telecom, suporte a UPS, energia solar off-grid e sistemas marítimos, esses fatores afetam tanto a energia utilizável quanto o funcionamento da bateria.

Como funcionam os dois tipos de controlador

Um controlador PWM conecta o arranjo solar à bateria por meio de pulsos rápidos, aproximando efetivamente a tensão dos painéis à tensão da bateria durante o carregamento. É simples e pode ser econômico quando a tensão de operação do painel corresponde de perto à tensão de carregamento da bateria.

Um controlador MPPT usa um estágio de conversão CC-CC para operar o arranjo próximo ao seu ponto de máxima potência e, em seguida, converte essa potência para a tensão exigida pela bateria. Isso permite usar strings de painéis com tensão mais alta e uma bateria de tensão mais baixa, dentro dos limites de entrada do controlador.

Por exemplo, um painel de 200 W operando perto de 18 V produz cerca de 11,1 A em seu ponto de máxima potência. Se conectado por PWM a uma bateria de 12 V carregando perto de 14 V, a corrente pode permanecer próxima de 11,1 A e a potência no lado da bateria, em torno de 155 W, antes de outras perdas. Um controlador MPPT pode converter grande parte da potência disponível do painel em uma corrente mais alta no lado da bateria, dependendo da eficiência de conversão, das condições de operação e dos limites do controlador.

O que comparar antes de comprar

Considere esta comparação ilustrativa para um banco LiFePO4 de 12 V e um painel de 200 W. A saída real varia conforme a temperatura do painel, a irradiância, a fiação, o sombreamento e a eficiência do controlador.

PWM: tensão de operação do painel de cerca de 18 V; tensão de carregamento da bateria de cerca de 14 V; potência aproximada no lado da bateria de cerca de 155 W nas condições indicadas; menor custo do equipamento; melhor opção quando as tensões do painel e da bateria são próximas.

MPPT: o painel opera próximo ao seu ponto de máxima potência; a potência no lado da bateria pode se aproximar da potência do painel menos as perdas de conversão e fiação; maior custo do equipamento; útil quando a tensão do painel é significativamente superior à da bateria ou o arranjo é maior.

O exemplo não é uma estimativa garantida de geração. Os ganhos do MPPT costumam ser mais relevantes em condições frias, quando a tensão do painel aumenta, e em arranjos projetados com strings de tensão mais alta. Uma configuração PWM bem dimensionada ainda pode ser adequada para um sistema pequeno e sensível ao custo, com fiação limitada e necessidades moderadas de energia.

Verifique a compatibilidade com o banco de lítio

Confirme se o controlador tem um perfil de carregamento LiFePO4 ou permite configurar a tensão de carga e o comportamento das fases de absorção e flutuação especificados pelo fabricante da bateria. Não aplique a equalização de baterias de chumbo-ácido a uma bateria LiFePO4, a menos que o fabricante da bateria especifique explicitamente um procedimento compatível.

O BMS é uma camada de proteção, não um substituto para a configuração correta do controlador. Verifique os limites de corrente de carga, as restrições de carregamento em temperaturas baixas e altas e como o controlador reage caso o BMS desconecte a bateria. Coordene as proteções do controlador e da bateria para evitar interrupções repetidas no carregamento.

Verificações de dimensionamento e projeto do sistema

Compare a tensão máxima de circuito aberto do arranjo fotovoltaico, a corrente de entrada, a corrente de saída e a potência nominal do controlador com os valores reais do arranjo e da bateria. Inclua a tensão fotovoltaica em condições de frio no cálculo da tensão de circuito aberto; exceder o limite de tensão do controlador pode danificar o equipamento.

Em bancos de lítio, ajuste a corrente de carga às especificações da bateria e considere a taxa C: corrente de carga dividida pela capacidade nominal em ampères-hora. Por exemplo, 20 A em um banco de 100 Ah correspondem a 0,2C, mas o limite documentado da bateria é determinante. Avalie também a DoD prevista, as metas de vida útil em ciclos e o monitoramento de SOC/SOH, além da demanda diária de energia.

Use estas verificações ao especificar um sistema:

- Escolha PWM quando a tensão do painel for próxima da tensão de carregamento da bateria e a geração esperada atender à carga.

- Escolha MPPT quando strings fotovoltaicas de tensão mais alta, limitações na fiação, condições variáveis ou a captação adicional de energia justificarem o custo.

- Confirme as configurações LiFePO4, os limites de temperatura, a coordenação com o BMS e a corrente de carga aprovada pelo fabricante.

Verifique a documentação aplicável de instalação e do produto, incluindo os ensaios de transporte UN38.3 para baterias e as normas IEC 62619 ou UL 1973 quando exigidas pelo projeto.

Considerações de aquisição e implantação

Compare o custo do sistema completo, não apenas o preço do controlador. Strings fotovoltaicas de tensão mais alta podem reduzir a corrente e as perdas nos cabos, enquanto a conversão MPPT acrescenta custo de equipamento e requisitos de configuração. Em aplicações de telecom, UPS, energia solar e uso marítimo, verifique também as interfaces de monitoramento, as classificações ambientais, o acesso para manutenção e a disponibilidade de reposição.

Quando a bateria precisa atender a requisitos específicos de gabinete, autonomia, interface ou condições ambientais, a Newbeebattery pode atuar como parceira OEM/ODM para desenvolver um pack sob medida e alinhar o BMS e as especificações de carregamento do pack LiFePO4 ao projeto do sistema.

Conclusão

Para um arranjo pequeno cujas características sejam compatíveis com a bateria, o PWM pode atender à necessidade de forma econômica. Quando a diferença de tensão ou o rendimento energético forem importantes, o MPPT costuma ser a opção mais adequada. Baseie a decisão nos cálculos do arranjo, nos limites de carregamento documentados da bateria e nas condições de operação do sistema.