È possibile utilizzare PWM per caricare le batterie. Caricabatterie per batteria auto su TL494. Controller PWM fai da te

Abbastanza relativamente non molto tempo fa ho deciso di farne un paio caricabatterie per una batteria per auto che prevedeva di vendere nel mercato locale. C'erano degli edifici industriali abbastanza eccellenti, bastava solo fare un buon ripieno e basta.

Ma poi mi sono imbattuto in una sequenza di problemi, a partire dall'alimentazione, per finire con l'unità di controllo della tensione di uscita. Sono uscito e ho comprato un buon trasformatore elettronico tipo Tashibra da 105 watt (marca cinese) e ho iniziato a rifarlo.

Tashibra è un alimentatore di rete elettronico (a commutazione) implementato su una base a semiponte, non dispone di alcuna protezione, inoltre non esiste un semplice limitatore di sovratensione. Al termine della modifica (ne parleremo più approfonditamente negli articoli seguenti), è stato possibile prelevare fino a 18 Volt di tensione continua con una corrente di 8-10 Ampere all'uscita del trasformatore, più che sufficienti per caricare , inoltre, batterie per auto sufficientemente capienti.

La dimensione della scheda non è altro che un pacchetto di sigarette, alla fine si è rivelato un alimentatore abbastanza compatto e meraviglioso. Il secondo problema riguardava il regolatore di potenza, non c'era modo di caricare direttamente la batteria, quindi si decise di utilizzare un semplice circuito regolatore PWM.

Nel circuito domestico, il collegamento di alimentazione è un meraviglioso transistor ad effetto di campo a canale N, nel mio caso IRFZ44, ovviamente non è critico, è possibile utilizzare quasi tutti gli interruttori con una corrente consentita di 20 ampere o più.

Anche i transistor a bassa potenza non sono critici, è possibile candidarsi ogni transistor a conduzione inversa (bassa potenza, come - kt3102, kt315, S9012/9014/9016/9018 e altri), su di essi è montato un multivibratore con duty cycle regolabile, che controlla una meravigliosa chiave di campo.
Il transistor ad effetto di campo si surriscalda durante il funzionamento, ma questo surriscaldamento non sarà troppo grande, ma per ogni evenienza, il transistor dovrebbe essere installato su un dissipatore di calore.

Questo circuito regolatore di tensione di uscita PWM può funzionare perfettamente con qualsiasi caricabatterie/ alimentazione, indipendentemente dal tipo, tensione di ingresso da 3,5 a una grande tensione, consentita tramite un transistor ad effetto di campo (60-75 Volt, in alcuni casi 100 e oltre, tutto dipende dal transistor specifico).

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Controller PWM fai da te

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Fonte: Morningstar Corporation
Traduzione: "La tua casa solare"

1. Possibilità di ripristinare la capacità della batteria persa

Secondo Battery Council International, l'84% delle batterie al piombo si guasta a causa della solfatazione. La solfatazione è un problema ancora più acuto nei sistemi solari perché la probabilità di una carica completa in tali sistemi è molto diversa da una carica della batteria tradizionale. Periodi prolungati di carica insufficiente della batteria nei sistemi di energia solare portano alla corrosione della griglia e le piastre positive delle batterie sono ricoperte da cristalli di solfato.

La modulazione dell'ampiezza dell'impulso della corrente di carica può prevenire la formazione di depositi di solfato, aiutare a superare la barriera resistiva sulla superficie della griglia degli elettrodi e rompere la corrosione alle giunzioni. Oltre a una migliore efficienza di carica e una maggiore capacità, ci sono prove evidenti che questa modalità di carica può ripristinare la capacità della batteria che viene "persa" nel tempo quando la batteria viene utilizzata in un impianto fotovoltaico. Alcuni dei risultati della ricerca sono mostrati di seguito.

Nel 1994 CSIRO, ospite gruppo di ricerca in Australia, ha pubblicato un articolo in cui si afferma che la corrente di carica pulsante "consente di ripristinare la capacità delle celle che hanno funzionato in modalità ciclica". Il processo di solfatazione rallenta e gli strati interni di corrosione si assottigliano e si dividono in "isole". La resistenza elettrica diminuisce e la capacità aumenta. La conclusione dell'articolo è che la corrente di carica pulsante "può ripristinare la capacità della batteria".

Un altro articolo, pubblicato da Sandia National Labs nel 1996, riporta test di batterie sigillate che hanno perso più del 20% della loro capacità. Una carica CC convenzionale non è in grado di ripristinare la capacità persa della batteria. La batteria è stata quindi caricata utilizzando un controller PWM, che ha comportato il "ripristino della maggior parte della capacità persa della batteria".

Infine, Morningstar ha eseguito i test di ripristino della batteria. Il grafico allegato mostra che la batteria ha recuperato la maggior parte della sua capacità persa dopo essere stata caricata con il controller SunLight. Dopo il test, il sistema di illuminazione solare non ha praticamente fornito illuminazione per 30 giorni, poiché il sistema è stato spento per protezione da sovraccarico ogni notte. La batteria era molto vecchia e doveva essere riciclata. Quindi, il carico ha iniziato a lavorare più a lungo ogni notte, come si riflette nel grafico. Nei 3 mesi successivi, la capacità dell'AB è stata in costante aumento. Questo test continua a Morningstar.

2. Aumenta la capacità di assumere il comando

Il termine "capacità di accettare una carica" ​​è spesso usato per descrivere l'efficienza di carica di una batteria. Poiché le batterie negli impianti fotovoltaici vengono costantemente ricaricate da una fonte di energia limitata (ovvero, la natura della carica è di natura probabilistica durante il giorno e dipende dalla disponibilità luce del sole), l'elevata capacità di accettazione della carica è un parametro critico per le batterie in un sistema solare e migliora l'efficienza del sistema nel suo insieme.

I sistemi solari fotovoltaici sono stati spesso inaffidabili a causa di regolatori di carica scadenti. Ad esempio, uno studio su 4 sistemi di illuminazione fotovoltaici da parte del Servizio Forestale Nazionale (riferimento 4), che utilizzava semplici controller che accendevano e spegnevano i fotovoltaici, ha mostrato problemi dovuti alla scarsa suscettibilità alla carica della batteria. Le batterie sono rimaste sottocarica e spesso spente per proteggersi da una scarica eccessiva. Questo accadeva ogni notte, anche se la batteria riceveva solo circa la metà dell'energia prodotta dai pannelli solari durante il giorno. Uno dei sistemi ha ricevuto solo il 10% dell'energia generata dall'SB tra le 11 e le 15 del pomeriggio!

Dopo un esame approfondito, è stato stabilito che il problema non era con la batteria, ma con la "strategia di gestione della carica". Inoltre, la batteria poteva accettare questa carica, ma non era carica. Successivamente è stato studiato un sistema simile a questo, ma con un regolatore di carica che manteneva un'alta tensione costante sulla batteria. In questo caso, "la batteria è rimasta quasi sempre completamente carica".

Successivamente, è stato condotto uno studio sui controller con PWM (riferimento 2, allegato), che ha dimostrato che i controller aumentavano la suscettibilità della batteria alla carica proprio grazie all'uso della modulazione della larghezza di impulso della corrente di carica. I controller MorningStar SunSaver hanno persino consentito di aumentare l'efficienza di carica della batteria del 2-8%, anche rispetto ai controller che mantenevano una tensione della batteria costantemente elevata.

Numerosi test hanno dimostrato che l'algoritmo PWM presenta vantaggi significativi nell'aumentare la suscettibilità della batteria alla carica. Il grafico allegato (riferimento 5, allegato) confronta la capacità di carica del controller Morningstar SunSaver PWM con i migliori controller on-off. Questo studio Morningstar è stato condotto nelle stesse condizioni di prova. Il controller PWM ha permesso di pompare il 20% -30% in più di energia nella batteria rispetto al controller on-off.

3. Garantire un'elevata capacità media della batteria

Manutenzione alto grado Il SOC di una batteria è molto importante per la salute della batteria e per il mantenimento di una riserva di capacità, che a sua volta influisce sull'affidabilità del sistema di alimentazione solare. Un rapporto di prova dell'FSEC (riferimento 6) rileva che "la durata della batteria al piombo è direttamente proporzionale allo stato di carica medio" e che se una batteria viene mantenuta a un SOC superiore al 90%, "un aumento del numero di cicli di carica-scarica di 2-3 volte rispetto ad AB operante a SOC 50%.

Tuttavia, come notato nella sezione precedente, "molti regolatori solari della generazione precedente non caricavano le batterie a livelli SOC sufficientemente alti anche se il carico era spento".

Uno studio approfondito dell'effetto del SOC sulle prestazioni di AB è stato condotto da Sandia nel 1994 (riferimento 7, pagina 940, allegato). È stato riscontrato che i livelli di tensione di prova hanno scarso effetto sui livelli di carica a lungo termine, ma il livello di riconnessione del carico ha un forte effetto sul SOC a lungo termine. Sono stati testati 5 regolatori on-off e 2 regolatori di tensione quasi costante. Per quanto riguarda il SOC sono state tratte le seguenti conclusioni:

• 3 regolatori on-off con isteresi tipica hanno fornito uno stato di carica nell'intervallo 55-60% per 23 mesi
• 2 regolatori on-off con isteresi più piatta (che possono portare a maggiori rischi di instabilità nel sistema di alimentazione nel suo complesso) hanno dimostrato livello medio SOC 70%
• 2 controller a tensione costante di fine carica con isteresi di 0,3 V e 0,1 V hanno fornito un SOC medio di circa il 90% (si noti che i controller PWM hanno un'isteresi di circa 0,02 V)

Sandia ha concluso che il numero di volte al giorno ha un impatto molto maggiore sul SOC rispetto ad altri fattori durante un dato ciclo di carica.

Le batterie che vengono caricate utilizzando l'algoritmo PWM verranno mantenute a un livello di carica medio molto alto in un tipico sistema di energia solare. Oltre a fornire una maggiore capacità di riserva nel sistema, la durata della batteria può essere notevolmente estesa. Ciò è confermato da numerosi rapporti e test.

4. Allineamento delle celle della batteria

I singoli elementi in un AB possono variare notevolmente nella resistenza di carica nel tempo. Una suscettibilità di carica non uniforme può portare a una significativa perdita di capacità nelle celle "deboli". Per correggere tali elementi sbilanciati, viene applicata una modalità denominata "carica equalizzante". (Nota VSD - Questa modalità è utilizzata solo per batterie con elettrolita liquido!). In questa modalità, la batteria viene mantenuta ad alta tensione per diverse ore, durante le quali inizia l'evoluzione controllata del gas.

Quando si utilizza l'algoritmo PWM, l'allineamento degli elementi è possibile anche a tensioni inferiori. La carica PWM consente di mantenere le singole celle della batteria in uno stato più equilibrato. Questo è importante quando si utilizzano batterie sigillate che non consentono la gassificazione. Inoltre, è molto utile quando viene utilizzato per caricare le batterie da, come in pratica in sistemi solari alimentazione, sono molto rari i casi in cui è possibile mantenere a lungo la tensione sulla batteria ad un livello elevato.

5. Diminuzione del riscaldamento AB e del degassamento

Il trasferimento di ioni nell'elettrolita AB è più efficiente quando si utilizza una carica PWM. Dopo un impulso di carica, alcune aree delle piastre della batteria sono esaurite di ioni, mentre altre aree ne hanno un eccesso. Durante l'intervallo tra gli impulsi di carica, la diffusione ionica equalizza la concentrazione di ioni sulle piastre, preparando così la batteria per l'impulso di carica successivo.

Inoltre, a causa del fatto che gli impulsi sono piuttosto brevi, non c'è abbastanza tempo per la formazione di gas. La formazione di gas è ancora meno probabile quando si utilizzano impulsi di scarica.

6. Regolazione automatica dell'età della batteria

Man mano che la batteria invecchia e compie i suoi cicli, diventa sempre più immune alla carica. Ciò è dovuto principalmente al fatto che i cristalli di solfato sulle piastre le rendono meno conduttive e rallentano la velocità delle reazioni elettrochimiche.

Tuttavia, l'età della batteria non influisce sulla carica utilizzando l'algoritmo PWM.

La ricarica PWM si adatta sempre alle esigenze della batteria. La corrente di carica della batteria viene ottimizzata in base alla sua resistenza interna, ai requisiti di carica e all'età della batteria. L'unico effetto che può verificarsi con la ricarica PWM di batterie più vecchie è un inizio precoce della formazione di gas.

7. Autoregolazione per cadute di tensione ed effetti di temperatura

Con la carica PWM, il completamento della carica critica può essere determinato secondo l'equazione:

Ciò fornisce un'autoregolazione della fase finale della carica, che si adatta secondo questa espressione.

Pertanto, fattori esterni, come le cadute di tensione nei cavi del sistema, non influiscono sui limiti della carica finale. L'effetto della caduta di tensione sarà di frazioni di volt. Al contrario, nei controller on-off, ciò influisce notevolmente sulle modalità di ricarica della batteria, poiché anche una piccola caduta di tensione nei cavi dalla batteria al controller può causare un sovraccarico o una sottocarica della batteria.

Nei controller a chiave seriale, i FET sono per lo più spenti durante la fase di carica finale. Ciò riduce al minimo il riscaldamento del controller, che è particolarmente importante se si trovano in una custodia chiusa. Al contrario, nei regolatori shunt, il massimo rilascio di calore si osserva proprio nella fase finale della carica, poiché il transistor ad effetto di campo è principalmente nello stato aperto e fa passare tutta la corrente dall'SB. (Nota VSD: nonostante il maggiore riscaldamento del controller, la principale dissipazione del calore si verifica ancora nella batteria solare e non nel controller, poiché i moderni transistor ad effetto di campo hanno una resistenza allo stato di accensione molto bassa).

Pertanto, i controller PWM con chiavi seriali forniscono le modalità di carica della batteria più ottimali, a seconda della sua carica e dell'età. Nei controller semplici che attivano e disattivano la carica in base alla tensione della batteria, la batteria è cronicamente sottocarica e si guasta prematuramente.

Letteratura:

1. Lam, LT, et al, "Carica a corrente pulsata di batterie al piombo/acido: un possibile mezzo per superare la perdita prematura di capacità?", CSIRO, Australia, Journal of Power Sources 53, 1995.
2. Hund, Tom, "Battery Testing for Photovoltaic Applications", Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM, presentato alla 14a revisione del programma NREL, nov. 1996.
3. Stevens, John et al, "Field Investigation of the Relationship Between Battery Size and PV System Performance", Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM.
4. Risultati del test Morningstar, 1999.
5. Dunlop, James et al, "Performance of Battery Charge Controllers: An Interim Test Report", Florida Solar Energy Center, Cape Canaveral, FL, presentato alla IEEE PV Specialists Conference, maggio 1990.
6. Woodworth, Joseph et al, "Evaluation of the Batteries and Charge Controllers in Small Stand-Alone Photovoltaic Systems". Sandia National Laboratories, presentato al WCPEC, dicembre 1994.

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Circuito di controllo PWM

Lo schema specificato funziona bene, allegato.

Senza alterare il circuito, la tensione può essere aumentata a 16 volt. Impostare il transistor in base alla potenza del carico.

Può essere assemblato Regolatore PWM e secondo un tale circuito elettrico, con un transistor bipolare convenzionale:

E se necessario, al posto del transistor composito KT827, metti il ​​campo IRFZ44N, con un resistore R1 - 47k. Polevik senza radiatore, con un carico fino a 7 ampere, non si riscalda.

Funzionamento del controller PWM

Il timer sul chip NE555 monitora la tensione sul condensatore C1, che viene rimosso dal pin THR. Non appena raggiunge il massimo, il transistor interno si apre. Che cortocircuita il pin DIS a massa. In questo caso sull'uscita OUT compare uno zero logico. Il condensatore inizia a scaricarsi attraverso il DIS e quando la tensione ai suoi capi diventa zero, il sistema passerà allo stato opposto: all'uscita 1, il transistor è chiuso. Il condensatore ricomincia a caricarsi e tutto si ripete di nuovo.

La carica del condensatore C1 segue il percorso: “R2->braccio superiore R1 -> D2”, e la scarica lungo il percorso: D1 -> braccio inferiore R1 -> DIS. Quando ruotiamo il resistore variabile R1, cambiamo il rapporto tra le resistenze del braccio superiore e inferiore. Che, di conseguenza, cambia il rapporto tra la durata dell'impulso e la pausa. La frequenza è impostata principalmente dal condensatore C1 e dipende anche un po' dal valore della resistenza R1. Modificando il rapporto di resistenza di carica/scarica, cambiamo il duty cycle. Il resistore R3 fornisce un'uscita pull-up a alto livello— quindi c'è un output a collettore aperto. Che da solo non è in grado di stabilire un livello elevato.

Puoi mettere qualsiasi diodo, condensatore di circa lo stesso valore del diagramma. Le deviazioni entro un ordine di grandezza non influiscono in modo significativo sul funzionamento del dispositivo. A 4,7 nanofarad impostati in C1, ad esempio, la frequenza scende a 18 kHz, ma è quasi impercettibile.

Se, dopo aver assemblato il circuito, il transistor di controllo della chiave si surriscalda, molto probabilmente non si apre completamente. Cioè, il transistor ha una grande caduta di tensione (è parzialmente aperto) e la corrente scorre attraverso di esso. Di conseguenza, viene dissipata più potenza per il riscaldamento. È desiderabile collegare in parallelo il circuito in uscita con condensatori di grandi dimensioni, altrimenti canterà e regolerà male. Per non fischiare - raccogli C1, il fischio viene spesso da lui. In generale, l'ambito è molto ampio, particolarmente promettente sarà il suo utilizzo come dimmer per lampade LED ad alta potenza, strisce LED e faretti, ma ne parleremo la prossima volta. L'articolo è stato scritto con il supporto di ear, ur5rnp, stalker68.

Avevo un trasformatore toroidale da 30 watt in giro, con una tensione di uscita di 20 volt. Ho deciso di farne uno decente basandomi su di esso. Caricabatterie ed è quello che è successo. La corrente di carica massima si è rivelata 1 A, ma può essere facilmente aumentata se si inserisce una fonte di tensione più potente: un trasformatore di 100 watt o più. Lo schema elettrico ha fondamentalmente un generatore PWM - un chip timer NE555 (KR1006VI1), i cui impulsi vengono inviati al gate del transistor ad effetto di campo che commuta il carico - la batteria. Un altro potente transistor spegne la batteria in situazioni di emergenza.

Il circuito si confronta favorevolmente con gli altri in quanto ha una protezione semplice e affidabile contro i cortocircuiti delle sonde di uscita e l'inversione di polarità, spegnendo la carica e accendendo il LED. Visto che il led si illuminava poco, (quello che è di protezione) risultava essere 1,8 volt, ho deciso di non soffrire, di non selezionare led diversi, di mettere un trimmer.

L'ho fatto rapidamente, ho appena preso e combinato due schede: un generatore e una protezione. Caricabatterie assemblato e testato con successo - funziona alla grande! Per chiarezza, ho dotato la ricarica di ampere e voltmetro per monitorare il processo di ricarica in qualsiasi momento.

È possibile inserire qualsiasi transistor ad effetto di campo a canale N nel circuito per la corrente desiderata. La batteria collegata al caricabatteria può essere al nichel cadmio, al gel di piombo, all'idruro metallico di nichel o agli ioni di litio. Tuttavia, in quest'ultimo caso, tieni presente che non dovrebbe avere un controller (come in una batteria da un telefono cellulare), poiché la carica avviene con impulsi ad alta tensione. D'altra parte, questo metodo di ricarica è il benvenuto, perché questi impulsi distruggono l'ossido che ricopre le piastre interne della batteria, producendo desolfatazione. In generale, abbiamo uno schema di ricarica semplice, affidabile e funzionale per molti tipi di batterie.