Контроллер заряда для солнечных батарей. Изготовление контроллера для солнечной панели Где взять контроллер заряда аккумулятора
Принцип работы контроллеров для заряда солнечных батарей, устройство, что учитывать при выборе
В современных солнечных электростанциях для передачи выработанной электроэнергии рабочим аккумуляторам применяются разные схемы подключения источников тока. Они используют не одинаковые алгоритмы, созданы на основе микропроцессорных технологий, называются контроллерами.
Как работают контроллеры заряда солнечных батарей
Электроэнергия, вырабатываемая солнечной батареей, может передаваться накопительным аккумуляторным батареям:
2. через контроллер.
При первом способе электрический ток от источника пойдет к аккумуляторам и станет увеличивать напряжение на их клеммах. Вначале оно дойдет до определенного, предельного значения, зависящего от конструкции (типа) аккумуляторной батареи и окружающей температуры. Затем преодолеет рекомендуемый уровень.
На начальном этапе заряда схема работает нормально. А вот дальше начинаются крайне нежелательные процессы: продолжающееся поступление зарядного тока вызывает повышение напряжения сверх допустимых значений (порядка 14 В), возникает перезаряд с резким возрастанием температуры электролита, приводящей к его закипанию с интенсивным выбросом паров дистиллированной воды из элементов. Иногда вплоть до полного высыхания емкостей. Естественно, что ресурс аккумуляторной батареи резко снижается.
Поэтому задачу ограничения зарядного тока решают контроллерами или вручную. Последний способ: постоянно контролировать по приборам величину напряжения и коммутировать переключатели руками такой неблагодарный, что существует только в теории.
Алгоритмы работы контроллеров заряда солнечных батарей
По сложности способа ограничения предельного напряжения приборы изготавливают по принципам:
1. Откл/Вкл (или On/Off), когда схема просто коммутирует аккумуляторы к зарядному устройству по величине напряжения на клеммах,
2. широтно-импульсных (ШИМ) преобразований,
3. сканирования точки максимальной мощности.
Принцип №1: Схема Откл/Вкл
Это наиболее простой, но самый ненадежный метод. Его главный недостаток в том, что при возрастании напряжения на клеммах аккумумляторной батареи до предельного значения полного заряда емкости не происходит. Она доходит в этом случае примерно до 90% номинального значения.
У аккумуляторов постоянно происходит регулярный недобор энергии, который значительно снижает срок их эксплуатации.
Принцип №2: Схема ШИМ контроллеров
Сокращенное обозначение этих устройств на английском языке: PWM. Они выпускаются на основе конструкций микросхем. Их задачей является управление силовым блоком для регулирования напряжения на его входе в заданном диапазоне с помощью сигналов обратной связи.
PWM контроллеры дополнительно могут:
учитывать температуру электролита встроенным либо выносным датчиком (последний способ точнее),
создавать температурные компенсации зарядным напряжениям,
настраиваться под определенный тип аккумуляторов (GEL, AGM, жидко-кислотные) с разными показателями графиков напряжений в одинаковых точках.
Увеличение функций PWM контроллеров повышает их стоимость и надежность работы.
Принцип №3: сканирование точки максимальной мощности
Такие устройства обозначают английскими буквами MPPT. Они тоже работают по способу широтно-импульсных преобразователей, но предельно точны потому, что учитывают наибольшую величину мощности, которую способны отдать солнечные батареи. Это значение всегда точно определяется и вносится в документацию.
Например, для гелиобатарей 12 В точка отдачи максимальной мощности составляет порядка 17,5 В. Обыкновенный PWM контроллер прекратит заряд аккумумляторной батареи при достижении напряжения 14 - 14,5 В, а работающий по технологии MPPT — позволит дополнительно использовать ресурс солнечных батарей до 17,5 В.
С увеличением глубины разряда аккумуляторов возрастают потери энергии от источника. МРРТ контроллеры уменьшают их.
Характер отслеживания напряжения, соответствующего отдаче максимальной мощности солнечной батареи в 80 ватт, демонстрируется усредненным графиком.
Таким способом МРРТ контроллеры, используя широтно-импульсные преобразования во всех циклах заряда аккумуляторов, увеличивают отдачу солнечной батареи. В зависимости от разных факторов экономия может составлять 10 - 30%. При этом ток выхода из аккумулятора будет превышать ток входа в него из солнечной батареи.
Основные параметры контроллеров заряда солнечных батарей
При выборе контроллера для солнечной батареи кроме знания принципов его работы следует обратить внимание на условия, для которых он разработан.
Главными показателями приборов являются:
значение входного напряжения,
величина суммарной мощности солнечной энергии,
характер подключаемой нагрузки.
Напряжение солнечной батареи
На контроллер может подаваться напряжение от одной или нескольких солнечных батарей, соединенных по разным схемам. Для правильной работы прибора важно, чтобы суммарная величина подаваемого на него напряжения с учетом холостого хода источника не превышала предельной величины, указанной производителем в технической документации.
При этом следует сделать запас (резерв) ≥ 20% из-за ряда факторов:
не секрет, что отдельные параметры солнечной батареи иногда могут быть чуть-чуть завышены в рекламных целях,
происходящие на Солнце процессы не носят стабильного характера, а при аномально повышенных вспышках активности возможна передача энергии, создающая напряжение холостого хода солнечной батареи выше расчетного предела.
Мощность солнечной батареи
Она важна для выбора контроллера потому, что прибор должен быть способен надежно передавать ее рабочим аккумуляторам. В противном случае он просто сгорит.
Для определения мощности (в ваттах) умножают величину тока выхода из контроллера (в амперах) на напряжение (в вольтах), вырабатываемое солнечной батареей с учетом, созданного для него, 20% запаса.
Характер подключаемой нагрузки
Надо хорошо понимать назначение контроллера. Не стоит использовать его в качестве универсального источника питания, подключая к нему различные бытовые устройства. Конечно, часть из них сможет нормально работать, не создавая аномальных режимов.
Но…насколько долго это будет продолжаться? Прибор работает на основе широтно-импульсных преобразований, использует микропроцессорные и транзисторные технологии, которые учли в качестве нагрузки только , а не случайных потребителей со сложными переходными процессами при коммутациях и меняющимся характером потребляемой мощности.
Краткий обзор производителей
Выпуском контроллеров для солнечных электростанций занимаются многие страны. На Российском рынке популярна продукция компаний:
Morningstar Corporation (ведущий производитель США),
Beijing Epsolar Technology (работает с 1990-го года в Пекине),
AnHui SunShine New Energy Co (КНР),
Phocos (Германия),
Steca (Германия),
Xantrex (Канада).
Среди них всегда можно подобрать надежную модель контроллера, наиболее подходящую под конкретные условия эксплуатации солнечных электростанций с определенными техническими характеристиками. Для этого просто используете рекомендации этой статьи.
Здравствуйте. Попробую я сегодня рассказать про достаточно маломощный (10А ток заряда и разряда) контроллер заряда аккумуляторной батареи от солнечных панелей.
В обзоре подробные фото контроллера внутри и снаружи, а также тестирование…
Итак, всем известно, что солнечные панели преобразовывают световое излучение в электрический ток, таким образом в дневное время можно получать электрическую энергию от Солнца. Для того, чтобы сохранить эту энергию для использования в тёмное время суток, солнечную силовую установку необходимо оборудовать аккумулятором, который в светлое время суток будет заряжаться, а в тёмное отдавать энергию потребителям.
Но для чего же нужен контроллер заряда? И действительно, достаточно просто соединить солнечную батарею с аккумулятором, и при наличии хоть какого-то света, а ещё лучше - Солнца, от солнечной батареи пойдет зарядный ток в аккумулятор и без использования контроллера. Однако у каждого аккумулятора есть предельное значение напряжения, превышение которого ведёт к перезаряду, кипению электролита и в конечном итоге к выходу из строя аккумулятора. То же самое можно сказать и о цикле разряда. Также нельзя разряжать аккумуляторы ниже определённого для каждого типа аккумулятора напряжения. Вот для этих целей и служит контроллер заряда, который следит за правильным зарядом и разрядом аккумулятора, а также имеет и некоторые дополнительные функции. Бывают контроллеры релейного типа, которые просто подключают и отключают солнечную панель от аккумулятора при достижении максимального напряжения, а также бывают контроллеры с ШИМ модуляцией, которые могут регулировать напряжение выдаваемое на аккумулятор. Вторые предпочтительнее, т.к. они более полно заряжают аккумулятор.
В данном случае расскажу о таком контроллере с ШИМ. В виду его небольшой мощности, основное его предназначение - управление автономным освещением. Но обо всём по порядку.
Комплект состоит из самого контроллера и инструкции на английском языке:
Могу сказать, что подобные инструкции читаю редко, но в эту заглянул.
Общий вид и размеры:
Размеры продублирую цифрами: 14х9х3 см (приблизительно);
Корпус сделан из пластика, с 4 «ушами» для крепления, на передней панели присутствуют:
1. Группа из 3 светодиодов (слева сверху). Левый зеленый показывает наличие тока от солнечной панели, средний 2-х цветный индицирует состояние заряда батареи (красный - батарея разряжена, зелёный - батарея заряжена) и правый жёлтый - активация нагрузки;
2. 7 сегментный с точкой индикатор красного цвета для индикации выбранного режима работы;
3. Кнопка под 7 сегментным индикатором для выбора нужного режима работы;
4. Винтовые клеммники для подключения солнечной панели, аккумуляторной батареи, нагрузки.
На обратной стороне корпуса присутствует металлическая пластина, крепящаяся к корпусу 4-мя саморезами, служащая радиатором для силовых транзисторов.
Заглянем внутрь:
Со схемотехнической точки зрения ничего говорить не буду, для интересующихся на фотографиях видны наименования микросхем. Отмечу лишь достаточно аккуратный монтаж и возможность увеличения мощности прибора путём добавления силовых транзисторов на отсутствующие места, естественно делать это нужно с умом.
Перейдём к тестированию, для этого дополнительно к обозреваемому контроллеру нам понадобятся элементы солнечной панели (о них расскажу как-нибудь в другой раз), кусок ламината для крепления этих элементов, 12 вольтовый свинцовый аккумулятор, провода, термоклей, припой, флюс, мультиметр, регулируемый источник питания постоянного тока, 12 вольтовая светодиодная лента играющая роль нагрузки:
Выходные напряжения каждого солнечного элемента используемых для тестирования, судя по ТХ производителя, около 6 вольт, поэтому нам необходимо соединить последовательно 3 таких элемента и закрепить эти элементы и провода с помощью термоклея на куске ламината.
Проверяем что получилось:
Напряжение 17 вольт, ток КЗ всего 7 мА, с напряжением всё нормально, но с током не густо, хотя отмечу, элементы в тени. Откроем шторы:
Напряжение 20 вольт, ток КЗ около 40 мА, уже что-то.
Собираем тестовый макет:
Светодиодная лента не светится, что соответствует выбранному 17 режиму (см.инструкцию), при котором нагрузка включается только при отсутствии тока от солнечной панели, что соответствует тёмному времени суток. Мультиметр показывает 27 мА зарядного тока.
На следующем видео демонстрация работы автоматического освещения при смене дня и ночи (как это так и следующее видео лучше смотреть на весь экран, чтобы подсказки корректно отображались):
Для дальнейших экспериментов подключим вместо аккумуляторной батареи регулируемый источник питания постоянного тока и первым экспериментом будет измерение тока покоя прибора. Т.е. какой ток потребляет контроллер заряда без солнечной панели и нагрузки:
Оказалось всего 5 мА, что сравнимо с током саморазряда аккумулятора.
На следующем видео я постарался продемонстрировать как ведёт себя контроллер заряда при изменении напряжения на аккумуляторе при затенённых солнечных элементах:
Немного слов о режимах работы:
0 - нагрузка включена постоянно (этот режим можно использовать для общего применения);
16 - включение/выключение нагрузки осуществляется кнопкой управления;
17 - нагрузка включена в темное время суток;
01...15 - включение нагрузки после заката на столько часов, какой режим выбран (1...15)
Что еще можно сказать? Контроллер вполне работоспособен в своей области применения. Одной цепочки солнечных элементов явно не достаточно, необходимо впаралель добавить еще несколько, но важно не забывать развязывать их диодами, лучше использовать диоды Шоттки (прямое падение напряжения меньше).
Вот вроде бы и всё, если будут вопросы, спрашивайте в комментариях, постараюсь ответить.
P.S. Да, чуть не забыл, товар предоставлен бесплатно для тестирования.
Планирую купить +52 Добавить в избранное Обзор понравился +26 +59В состав портативных устройств в обязательном порядке входит аккумулятор, обычно для этих целей используется литиево-ионная батарея. Несмотря на то, что функциональные особенности современной электроники постоянно совершенствуются, сам аккумулятор практически остается неизменным.
Емкость и функциональные особенности АКБ значительно выросли, но общий принцип работы остался тем же. Аккумулятор может значительно перегреваться при зарядке и выходить из строя. При переразряде напряжение может опуститься ниже критического уровня, что приведет к деградации элемента, и новая дозарядка станет невозможной. Потому для управления над процессом зарядки батареи используются электронные схемы, получившие название контроллеров.
Это оборудование используется в схемах мобильных телефонов, ноутбуков и другого переносного электронного оборудования. Контроллер аккумулятора необходим для солнечных и ветряных батарей. Его включают в состав источников бесперебойного питания и другой техники.
Алгоритм процесса заряда аккумулятора
Для того чтобы понять, как происходит заряд батареи, рассмотрим схему, в состав которой входят только резистор и сам аккумулятор.
В нашем случае используется аккумулятор 18650, емкость которого составляет 2400 мА/ч, с пороговыми значениями напряжения 2,8-4,3 В, и блок питания на 5 вольт и максимальный ток в 1 А. Рассчитаем параметры необходимого резистора. При этом будем считать, что аккумулятор находится в нормальном состоянии, а не полностью разряжен. Проведем зарядку батареи. Сначала, когда напряжение на АКБ минимально, ток будет максимален, а Ur – падение напряжение на резисторе, должно составить 2,2 Вольта (это разница между Uип – напряжением блока питания 5 В и начальными показателями батареи).
Исходя из этих данных, рассчитываем R – начальное сопротивление на резисторе и Pr – мощность рассеивания:
R= Ur/I = 2.2/1 = 2.2 Ом, где I – это максимальный ток блока питания.
Pr=I2R =1х1х2.2 = 2.2 Вт.
Когда напряжение в аккумуляторе дойдет до 4,2 В, Iзар – ток заряда, составит:
Iзар=(Uи -4.2)/R=(5-4.2)/2.2 = 0.3 А.
Получается, что для зарядки нам понадобится резистор, который работает при данных показателях. Но в этой схеме все время придется проверять напряжение на аккумуляторе, чтобы не пропустить момент, когда оно достигнет максимального значения в 4,2 В.
Важно! Теоретически зарядить аккумулятор без отдельной схемы защиты возможно, но проследить при этом за напряжением и зарядным током не получится. Да, 1-2 раза такой вариант может быть использован, но гарантировать, что батарея при этом не выйдет из строя, нельзя.
Основные функции контроллеров
Существуют три главные задачи, которые выполняют контроллеры заряда:
- оптимизация системы питания;
- сохранение ресурсов;
- избежание фатальных поломок.
Контроллеры обладают разными функциями. Они корректирует подачу тока, следя за тем, чтобы показатели были меньше максимального заряда, но при этом превышали ток саморазряда. Устройства следят за прохождением всех этапов разряда-заряда аккумулятора, исходя из строения и химического состава АКБ.
Если речь идет о батареи для ноутбука, то контроллер дополнительно компенсирует энергетические потоки, которые возникают при одновременной зарядке и работе ПК. Иногда устройства оборудуются термодатчиками для аварийного отключения при перегреве или на холоде.
Если в системе используются сразу несколько аккумуляторов, контроллер обеспечивает заряд только для тех банок, которые еще не зарядились.
Для исключения утечек газа и взрыва в некоторых моделях контроллеров заряда аккумулятора используются датчики давления.
Обратите внимание! Работа любого контроллера должна обеспечивать правильное соотношение постоянный ток/постоянное напряжение (CC/CV). Если при заряде количество поставляемой энергии избыточно, то эта лишняя часть выделяется на контроллере в виде тепла. Поэтому сам контроллер никогда не встраивается в батарею, он включается в общую схему, но всегда располагается отдельно. Но как сделать устройство своими руками?
Простые схемы
Одним из самых распространенных контроллеров является вариант на микросхеме на DW01. Его используют в большинстве мобильных устройств. По виду этот элемент представляет собой электронную плату, на которую монтируются все необходимые компоненты.
DW01 имеет 6 выходов, а полевые транзисторы смонтированы в одном корпусе с 8 выходами – это микросхема 8205А.
В данной схеме задача контроллера заряда отключить АКБ либо при полном разряде, либо при полной зарядке, то есть достижении значения в 4,25 В. Вместо DW01 можно использовать NE57600, G2J, G3J, S8261, S8210, K091, JW01, JW11 и другие аналогичные микросхемы.
В микросхему LC05111CMT уже входят полевые транзисторы, здесь дополнительно используются только конденсатор и резисторы. В схеме используются встроенные транзисторы с переходным сопротивлением в 0,011 Ом. Это простая схема для создания аккумулятора своими руками. Между выводами S1 и S2 максимальное сопротивление составляет 24 В, а максимальные ток заряда/разряда – 10А.
Все сделанные самостоятельно устройства должны отвечать заданным параметрам, иначе обеспечить правильную работу аккумулятора не получится.
Видео
nik34 прислал:
Приведена простая схема самодельного контроллера заряда свинцового 12В аккумулятора от солнечной батареи. При изменении номиналов элементов может быть адаптирована и для зарядки других аккумуляторов.
Эта схема предназначена для зарядки герметичного свинцового аккумулятора на 12В от маломощной солнечной панели, дающей ток до нескольких ампер. Последовательный защитный диод, который обычно ставят на выходе солнечной батареи для предотвращения разряда аккумуляторов в то время, когда солнце отсутствует, здесь заменен полевым транзистором, который управляется компаратором.
Контроллер будет останавливать зарядку, когда предустановленное (температурно компенсированное) напряжение на аккумуляторе достигнет заданного, и восстановит зарядку, когда оно упадёт ниже этого порога. Нагрузка же будет отключаться от аккумулятора, когда напряжение на нём опустится ниже 11В и будет снова подключена когда оно поднимется до 12.5В.
Схема имеет следующие характеристики:
- Напряжение заряда Vbat = 13.8V (настраивается), измеряется при наличии тока зарядки;
- Отключение нагрузки когда Vbat < 11V (настраивается), включение при 12.5V;
- Температурная компенсация напряжения зарядки;
- Малопотребляющий компаратор TLC339 может быть заменён на дешёвый TL393(или 339);
- Ток потребления менее 0.5mA при использовании TLC393;
- Падение напряжение на ключах менее 20mВ при зарядке током 0.5А. (Можно использовать и более качественные полевые транзисторы с меньшим сопротивлением канала в открытом состоянии для получения лучших результатов).
Собственно схема приведена на рисунке ниже.
Эта схема прекрасно работала в течение года.
Разводка платы была сделана в CorelDraw 4 файл платы можно скачать отсюда - PCB design .
После изготовления, плата выглядела примерно так.
Примечание: на плате также были расположены три DC/DC-конвертора (на 9, 6 и 3В), поэтому сам контроллер занимает только правую часть на плате. Я не использовал радиаторы дл охлаждения, поэтому кому они понадобятся пусть думает как их примостить на плате самостоятельно.
Накопитель со всеми компонентами (аккумуляторы 2шт по 2.2Ач, DC/DC-конверторами и индикацией) выглядит так.
Встает вопрос об утилизации лишней энергии, когда аккумулятор полностью заряжен, а ветрогенератор или панель продолжают вырабатывать энергию. Это чревато довольно негативными последствиями как для аккумулятора, так и для самих источников энергии - перезаряд приводит к разрушению пластин АКБ, а ветроколесо начинает набирать неконтролируемые обороты и может пойти в разнос.
Справится с этим нам поможет изготовление несложного, но довольно надежного универсального , подходящего для заряда батарей как от солнечных элементов,так и от ветрогенератора. Первоначальная схема агрегата была разработанна Майклом Дэвисом (Michael Davis).
Сигнал приходящий с выпрямителя ветрогенератора или солнечной панели коммутируется при помощи реле, управляеммым пороговой схемой с полевым транзисторным ключом. Пороги переключения режимов регулируются посредством подстроечных резисторов. В качестве нагрузки для утилизации энергии при полном заряде аккумулятора автор использовал 8 резисторов (тэнов) сопротивлением 4 Ома с мощностью рассеивания 50Вт. Готовое изделие было оформлено в пластиковый корпус.
Я специально не заострял вашего внимания на описании мелочей из данного проекта, так как вскоре автор пошел по пути усовершенствования и упрощения конструкции своего детища. Модернизированную и упрощенную конструкцию контроллера и предлагаю рассмотреть подробнее. Как видно из принципиальной эл.схемы, принцип действия прибора нисколько не изменился.
Упростилась сама схема - вместо микросхем ОУ и логической, автор применил самую распространенную микросхему таймера NE555P. Подробнее остановимся и на выборе деталей для проекта.
В качестве стабилизатора напряжения питания самой схемы используется широко распространенный интегральный стабилизатор 7805 (К142ЕН5А). Транзистор Q1 может быть заменен на NTE123, 2N3904 или любой другой биполярный NPN структуры с подходящими параметрами. То же касается и полевого транзистора IRF540 - его меняем на любой подходящий по параметрам. Подстроечные резисторы лучше взять многооборотные. Подойдут любые с интервалом подстройки от 0 до 100К (но все же при 10К резисторах подстройка выйдет гораздо точнее, что немаловажно при установке режимов заряда гелевой батареи).
В качестве коммутатора используется автомобильное реле на 12В с возможностью коммутации токов в 30-40А. Конденсаторы обвязки стабилизатора можно поставить любые - от керамических до пленочных, хотя я, как перестраховщик, ставил бы пленку. Светодиоды в контроллер заряда можно подобрать любые разного цвета свечения - LED1 индуцирует режим ""сброса"" энергии на нагрузку, а LED2 - режим заряда аккумулятора. Кнопки PB1 и PB2 любые надежные, без фиксации, служат для переключения схемы ""вручную"" при наладке (замере напряжения в контрольных точках TP1 и TP2). При первичной регулировке схемы, напряжение в контрольной точке TP1 выставляют равным 1.667В, а в контрольной точке TP2 - 3,333В. Все цепи питания устройства желательно снабдить предохранителями на соответствующие токи.
Однако один его предприимчивый соратник (Jason Markham) развел печатную плату для контроллера и успешно стал продавать через Интернет набор для самостоятельного изготовления (38долларов) и готовое изделие (54,95 долларов).
Ничего не попишешь - Америка, хотя наш самодельщик за такую сумму соберет с десяток таких контроллеров заряда батарей.
Испытания контроллера, проводимые долгое время как с ветроэнергоустановкой так и с солнечной панелью, показали высокую его надежность.
Напоследок одно небольшое замечание: включение контроллера в систему производить только после подключения аккумулятора к его контактам, в противном случае устройство может неправильно работать или выйти из строя. Автор статьи: Электродыч.