¿Es posible usar PWM para cargar baterías? Cargador para batería de coche en TL494. Controlador PWM de bricolaje

Hace relativamente poco tiempo decidí hacer un par cargadores para una batería de automóvil que planeaba vender en el mercado local. Se disponía de naves industriales bastante excelentes, solo faltaba hacer un buen relleno y listo.

Pero luego me encontré con una secuencia de problemas, comenzando con la fuente de alimentación y terminando con la unidad de control de voltaje de salida. Salí y compré un buen transformador electrónico tipo Tashibra de 105 watts (marca china) y comencé a rehacerlo.

Tashibra es una fuente de alimentación de red eléctrica (conmutada) implementada sobre una base de medio puente, no tiene ninguna protección, además, no hay un protector contra sobretensiones simple. Al final de la alteración (más sobre esto en los siguientes artículos), fue posible tomar hasta 18 Voltios de voltaje continuo con una corriente de 8-10 Amperios en la salida del transformador, que es más que suficiente para cargar , además, baterías de automóviles de capacidad suficiente.

El tamaño de la placa no es más que un paquete de cigarrillos, al final resultó ser una fuente de alimentación bastante compacta y maravillosa. El segundo problema estaba relacionado con el regulador de potencia, no había forma de cargar directamente la batería, por lo que se decidió utilizar un circuito regulador PWM simple.

En el circuito doméstico, el enlace de alimentación es un maravilloso transistor de efecto de campo de canal N, en mi caso IRFZ44, por supuesto que no es crítico, es posible usar casi todos esos interruptores con una corriente permitida de 20 amperios o más.

Los transistores de baja potencia tampoco son críticos, es posible aplicar Cada transistor de conducción inversa (baja potencia, como - kt3102, kt315, S9012/9014/9016/9018 y otros), se monta en ellos un multivibrador con ciclo de trabajo de pulso ajustable, que controla una llave de campo maravillosa.
El transistor de efecto de campo se sobrecalentará durante la operación, pero este sobrecalentamiento no será demasiado grande, pero por si acaso, el transistor debe instalarse en un disipador de calor.

Este circuito regulador de voltaje de salida PWM puede funcionar perfectamente con cualquier cargadores/ fuente de alimentación, independientemente del tipo, voltaje de entrada nominal de 3,5 a un voltaje grande, permitido a través de un transistor de efecto de campo (60-75 voltios, en algunos casos 100 y más, todo depende del transistor específico).

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Controlador PWM de bricolaje

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Fuente: Corporación Morningstar
Traducción: "Tu hogar solar"

1. Capacidad para restaurar la capacidad de la batería perdida

Según Battery Council International, el 84% de las baterías de plomo-ácido fallan debido a la sulfatación. La sulfatación es un problema aún más grave en los sistemas de energía solar, porque la probabilidad de una carga completa en dichos sistemas es muy diferente de la carga de batería tradicional. Los períodos prolongados de carga insuficiente de la batería en los sistemas de energía solar provocan la corrosión de la red y las placas positivas de las baterías se cubren con cristales de sulfato.

La modulación de ancho de pulso de la corriente de carga puede prevenir la formación de depósitos de sulfato, ayudar a superar la barrera resistiva en la superficie de la rejilla del electrodo y romper la corrosión en las uniones. Además de mejorar la eficiencia de carga y aumentar la capacidad, existe una fuerte evidencia de que este modo de carga puede restaurar la capacidad de la batería que se "pierde" con el tiempo cuando la batería se usa en un sistema fotovoltaico. Algunos de los resultados de la investigación se muestran a continuación.

En 1994 CSIRO, anfitrión grupo de investigacion en Australia, publicó un artículo que afirma que la corriente de carga pulsante "le permite restaurar la capacidad de las células que trabajaban en un modo cíclico". El proceso de sulfatación se ralentiza y las capas internas de corrosión se vuelven más delgadas y se dividen en "islas". La resistencia eléctrica disminuye y la capacitancia aumenta. La conclusión del artículo es que la corriente de carga pulsante "puede restaurar la capacidad de la batería".

Otro artículo, publicado por Sandia National Labs en 1996, informa sobre pruebas de baterías selladas que perdieron más del 20% de su capacidad. Una carga de CC convencional no pudo restaurar la capacidad perdida de la batería. Luego, la batería se cargó con un controlador PWM, lo que resultó en "la restauración de la mayor parte de la capacidad perdida de la batería".

Finalmente, Morningstar realizó pruebas de recuperación de batería. El gráfico adjunto muestra que la batería recuperó la mayor parte de su capacidad perdida después de ser cargada con el controlador SunLight. Después de la prueba, el sistema de iluminación solar proporcionó poca o ninguna luz durante 30 días, ya que el sistema se apagaba todas las noches por protección contra sobrecargas. La batería era muy vieja y tuvo que ser reciclada. Luego, la carga comenzó a trabajar más cada noche, lo que se refleja en el gráfico. Durante los siguientes 3 meses, la capacidad del AB aumentó constantemente. Esta prueba continúa en Morningstar.

2. Aumentar la capacidad de hacerse cargo

El término "capacidad para aceptar una carga" se usa a menudo para describir la eficiencia de carga de una batería. Dado que las baterías en los sistemas fotovoltaicos se recargan constantemente con una fuente de energía limitada (es decir, la naturaleza de la carga es de naturaleza probabilística durante el día y depende de la disponibilidad luz del sol), la alta capacidad de aceptación de carga es un parámetro crítico para las baterías en un sistema de energía solar y mejora la eficiencia del sistema en su conjunto.

Los sistemas solares fotovoltaicos a menudo no han sido confiables debido a los controladores de carga deficientes. Por ejemplo, un estudio de 4 sistemas de iluminación fotovoltaica realizado por el Servicio Forestal Nacional (referencia 4) que usaba controladores simples que apagaban y encendían los PV mostró problemas debido a la pobre susceptibilidad de carga de la batería. Las baterías permanecieron con poca carga y, a menudo, se apagaron para protegerlas contra una descarga excesiva. Esto sucedía todas las noches, aunque la batería recibía solo la mitad de la energía producida por los paneles solares durante el día. ¡Uno de los sistemas recibió solo el 10% de la energía generada por el SB entre las 11 y las 15 de la tarde!

Después de un examen exhaustivo, se determinó que el problema no estaba en la batería, sino en la "estrategia de gestión de carga". Además, la batería podía aceptar esta carga, pero no estaba cargada. Posteriormente se investigó un sistema similar a este, pero con un controlador de carga que mantenía un alto voltaje constante en la batería. En este caso, "la batería se mantuvo casi siempre completamente cargada".

Posteriormente, se realizó un estudio de controladores con PWM (referencia 2, adjunto), en el que se comprobó que los controladores aumentaban la susceptibilidad de carga de la batería precisamente por el uso de modulación por ancho de pulso de la corriente de carga. Los controladores MorningStar SunSaver incluso permitieron aumentar la eficiencia de carga de la batería entre un 2 y un 8 %, incluso en comparación con los controladores que mantuvieron un voltaje de batería constantemente alto.

Varias pruebas han demostrado que el algoritmo PWM tiene ventajas significativas para aumentar la susceptibilidad de la batería a cargarse. El gráfico adjunto (referencia 5, adjunto) compara la capacidad de carga del controlador Morningstar SunSaver PWM con los mejores controladores de encendido y apagado. Este estudio de Morningstar se realizó en las mismas condiciones de prueba. El controlador PWM hizo posible bombear entre un 20 % y un 30 % más de energía a la batería que el controlador de encendido y apagado.

3. Asegurar una capacidad de batería promedio alta

Mantenimiento alto grado El SOC de una batería es muy importante para la salud de la batería y para mantener una reserva de capacidad, lo que a su vez afecta la confiabilidad del sistema de suministro de energía solar. Un informe de prueba de la FSEC (referencia 6) señala que "la vida útil de la batería de plomo-ácido es directamente proporcional al estado promedio de carga" y que si la batería se mantiene en un SOC de más del 90%, "un aumento en el número de ciclos de carga-descarga de 2-3 veces en comparación con AB operando en SOC 50%.

Sin embargo, como se señaló en la sección anterior, "muchos controladores solares de la generación anterior no cargaron las baterías a niveles de SOC lo suficientemente altos, incluso si la carga estaba apagada".

Sandia llevó a cabo un estudio exhaustivo del efecto del SOC en el rendimiento de AB en 1994 (referencia 7, página 940, adjunto). Se ha encontrado que los niveles de voltaje de prueba tienen poco efecto en los niveles de carga a largo plazo, pero el nivel de reconexión de la carga tiene un fuerte efecto en el SOC a largo plazo. Se probaron 5 controladores on-off y 2 reguladores de voltaje cuasi-constante. Se extrajeron las siguientes conclusiones con respecto al SOC:

• 3 controladores de encendido y apagado con histéresis típica proporcionaron un estado de carga en el rango de 55-60 % durante 23 meses
• Se han demostrado 2 controladores de encendido y apagado con una histéresis más plana (lo que puede conducir a mayores riesgos de inestabilidad en el sistema de suministro de energía en su conjunto) nivel promedio COS 70%
• 2 controladores de voltaje constante de fin de carga con histéresis de 0,3 V y 0,1 V proporcionaron un SOC promedio de alrededor del 90 % (tenga en cuenta que los controladores PWM tienen una histéresis de alrededor de 0,02 V)

Sandia concluyó que la cantidad de veces que se recarga al día tiene un impacto mucho mayor en el SOC que otros factores durante cualquier ciclo de carga dado.

Las baterías que se cargan con el algoritmo PWM se mantendrán en un nivel de carga promedio muy alto en un sistema de energía solar típico. Además de proporcionar una mayor capacidad de reserva en el sistema, la duración de la batería puede extenderse considerablemente. Esto está confirmado por numerosos informes y pruebas.

4. Alineación de las celdas de la batería

Los elementos individuales en un AB pueden variar mucho en la resistencia de carga con el tiempo. La susceptibilidad de carga desigual puede conducir a una pérdida significativa de capacitancia en celdas "débiles". Para corregir tales elementos desequilibrados, se aplica un modo denominado "carga de ecualización". (Nota VSD: ¡este modo se usa solo para baterías con electrolito líquido!). En este modo, la batería se mantiene en alto voltaje durante varias horas, a partir de las cuales comienza la evolución controlada de los gases.

Cuando se usa el algoritmo PWM, la alineación de elementos también es posible a voltajes más bajos. La carga PWM le permite mantener las celdas individuales de la batería en un estado más equilibrado. Esto es importante cuando se utilizan baterías selladas que no permiten la gasificación. Además, es muy útil cuando se utiliza para cargar baterías, como en la práctica en sistemas solares fuente de alimentación, hay casos muy raros en los que es posible mantener el voltaje de la batería a un nivel alto durante mucho tiempo.

5. Disminución del calentamiento y desgasificación AB

La transferencia de iones en el electrolito AB es más eficiente cuando se usa una carga PWM. Después de un pulso de carga, algunas áreas de las placas de la batería pierden iones, mientras que otras áreas tienen un exceso de ellos. Durante el intervalo entre pulsos de carga, la difusión de iones iguala la concentración de iones en las placas, preparando así la batería para el siguiente pulso de carga.

Además, debido al hecho de que los pulsos son más bien cortos, no hay suficiente tiempo para la formación de gas. La formación de gas es incluso menos probable cuando se utilizan pulsos de descarga.

6. Ajuste automático a la edad de la batería

A medida que la batería envejece y pasa por sus ciclos, se vuelve cada vez más inmune a la carga. Esto se debe principalmente al hecho de que los cristales de sulfato en las placas las hacen menos conductoras y reducen la velocidad de las reacciones electroquímicas.

Sin embargo, la edad de la batería no afecta la carga usando el algoritmo PWM.

La carga PWM siempre se ajusta a las necesidades de la batería. La corriente de carga de la batería se optimiza en función de su resistencia interna, los requisitos de carga y la edad de la batería. El único efecto que puede ocurrir con la carga PWM de baterías más viejas es un inicio más temprano de gasificación.

7. Autorregulación por caídas de tensión y efectos de temperatura

Con la carga PWM, la finalización de la carga crítica se puede determinar de acuerdo con la ecuación:

Esto proporciona una autorregulación de la etapa final de la carga, que se adapta de acuerdo a esta expresión.

Por lo tanto, factores externos, como caídas de voltaje en los cables del sistema, no afectan los límites de la carga final. El efecto de la caída de tensión será de fracciones de voltio. Por el contrario, en los controladores de encendido y apagado, esto afecta en gran medida los modos de carga de la batería, ya que incluso una pequeña caída de voltaje en los cables de la batería al controlador puede provocar una sobrecarga o una carga insuficiente de la batería.

En los controladores de clave serial, los FET están en su mayoría en estado apagado durante la etapa final de carga. Esto minimiza el calentamiento del controlador, lo cual es especialmente importante si están en una caja cerrada. Por el contrario, en los reguladores de derivación, la máxima liberación de calor se observa precisamente en la etapa final de la carga, ya que el transistor de efecto de campo se encuentra principalmente en estado abierto y pasa toda la corriente de la SB. (Tenga en cuenta VSD: a pesar del mayor calentamiento del controlador, la disipación de calor principal todavía ocurre en la batería solar y no en el controlador, ya que los transistores de efecto de campo modernos tienen una resistencia de estado muy baja).

Por lo tanto, los controladores PWM con claves de serie brindan los modos de carga de batería más óptimos, según su carga y antigüedad. En los controladores simples que encienden y apagan la carga según el voltaje de la batería, la batería se descarga crónicamente y falla prematuramente.

Literatura:

1. Lam, L.T., et al, 'Carga de corriente pulsada de baterías de plomo/ácido: ¿un medio posible para superar la pérdida de capacidad prematura?', CSIRO, Australia, Journal of Power Sources 53, 1995.
2. Hund, Tom, 'Battery Testing for Photovoltaic Applications', Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM, presentado en la 14.ª revisión del programa NREL, noviembre de 2015. 1996.
3. Stevens, John et al, 'Investigación de campo de la relación entre el tamaño de la batería y el rendimiento del sistema fotovoltaico', Laboratorios Nacionales Sandia, Albuquerque, NM.
4. Resultados de la prueba Morningstar, 1999.
5. Dunlop, James et al, 'Performance of Battery Charge Controllers: An Interim Test Report', Centro de Energía Solar de Florida, Cabo Cañaveral, FL, presentado en la Conferencia de Especialistas en PV del IEEE, mayo de 1990.
6. Woodworth, Joseph et al, 'Evaluación de las baterías y controladores de carga en pequeños sistemas fotovoltaicos autónomos'. Laboratorios Nacionales Sandia, presentado en WCPEC, diciembre de 1994.

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Circuito controlador PWM

El esquema especificado funciona bien, adjunto.

Sin alterar el circuito, el voltaje se puede elevar a 16 voltios. Ajuste el transistor en función de la potencia de carga.

se puede montar regulador PWM y según dicho circuito eléctrico, con un transistor bipolar convencional:

Y si es necesario, en lugar del transistor compuesto KT827, coloque el campo IRFZ44N, con una resistencia R1 - 47k. Polevik sin radiador, con una carga de hasta 7 amperios, no se calienta.

Operación del controlador PWM

El temporizador en el chip NE555 monitorea el voltaje en el capacitor C1, que se retira del pin THR. Tan pronto como alcanza un máximo, el transistor interno se abre. Lo que pone en cortocircuito el pin DIS a tierra. En este caso, aparece un cero lógico en la salida OUT. El capacitor comienza a descargarse a través del DIS y cuando el voltaje a través de él se vuelve cero, el sistema cambiará al estado opuesto: en la salida 1, el transistor está cerrado. El condensador comienza a cargarse nuevamente y todo se repite nuevamente.

La carga del capacitor C1 sigue el camino: “R2->brazo superior R1 -> D2”, y la descarga por el camino: D1 -> brazo inferior R1 -> DIS. Cuando giramos la resistencia variable R1, cambiamos la relación de las resistencias de los brazos superior e inferior. Lo cual, en consecuencia, cambia la relación entre la longitud del pulso y la pausa. La frecuencia la establece principalmente el capacitor C1 y también depende un poco del valor de la resistencia R1. Al cambiar la relación de resistencia de carga/descarga, cambiamos el ciclo de trabajo. La resistencia R3 proporciona una salida pull-up para nivel alto— entonces hay una salida de colector abierto. Que no es capaz de establecer un alto nivel por sí solo.

Puede colocar cualquier diodo, condensador de aproximadamente el mismo valor que en el diagrama. Las desviaciones dentro de un orden de magnitud no afectan significativamente el funcionamiento del dispositivo. A 4,7 nanofaradios configurados en C1, por ejemplo, la frecuencia cae a 18 kHz, pero es casi inaudible.

Si, después de ensamblar el circuito, el transistor de control clave se calienta, lo más probable es que no se abra por completo. Es decir, el transistor tiene una gran caída de voltaje (está parcialmente abierto) y la corriente fluye a través de él. Como resultado, se disipa más energía para calentar. Es deseable conectar en paralelo el circuito en la salida con condensadores grandes, de lo contrario, cantará y se regulará mal. Para no silbar, levante C1, el silbato a menudo proviene de él. En general, el alcance es muy amplio, será especialmente prometedor usarlo como atenuador para lámparas LED de alta potencia, tiras LED y focos, pero más sobre eso la próxima vez. El artículo fue escrito con el apoyo de ear, ur5rnp, stalker68.

Tenía un transformador toroidal de 30 vatios por ahí, con un voltaje de salida de 20 voltios. Decidí hacer uno decente basado en eso. Cargador y eso es lo que pasó. La corriente de carga máxima resultó ser 1A, pero se puede aumentar fácilmente si coloca una fuente de voltaje más potente: un transformador de 100 vatios o más. El diagrama del circuito básicamente tiene un generador PWM: un chip temporizador NE555 (KR1006VI1), cuyos pulsos se alimentan a la puerta de un transistor de efecto de campo que cambia la carga: la batería. Otro potente transistor apaga la batería en situaciones de emergencia.

El circuito se compara favorablemente con otros porque tiene una protección simple y confiable contra cortocircuitos de las sondas de salida e inversión de polaridad, mientras apaga la carga y enciende el LED. Como se iluminaba un poco el led, (el que es de protección) resultó ser de 1.8 volts, decidí no sufrir, no seleccionar por diferentes leds, ponerle un trimmer.

Lo hice rápidamente, solo tomé y combiné dos tableros: un generador y protección. Cargador ensamblado y probado con éxito, ¡funciona muy bien! Para mayor claridad, equipé la carga con un amperímetro y un voltímetro para monitorear el proceso de carga en cualquier momento.

Puede colocar cualquier transistor de efecto de campo de canal N en el circuito para la corriente deseada. La batería conectada al cargador puede ser de níquel cadmio, gel de plomo, hidruro metálico de níquel o iones de litio. Sin embargo, en este último caso, ten en cuenta que no debe tener controlador (como en una batería de un teléfono móvil), ya que la carga se produce con pulsos de alto voltaje. Por otro lado, este método de carga es bienvenido, porque estos pulsos destruyen el óxido que recubre las placas internas de la batería, produciendo la desulfatación. En general, obtuvimos un esquema de carga simple, confiable y funcional para muchos tipos de baterías.