Контроллер заряда. Контроллер заряда аккумулятора от солнечной батареи: зачем нужен и как работает Как сделать контроллер заряда аккумулятора своими руками
Для начала нужно определиться с терминологией.
Как таковых контроллеров разряда-заряда не существует . Это нонсенс. Нет никакого смысла управлять разрядом. Ток разряда зависит от нагрузки - сколько ей надо, столько она и возьмет. Единственное, что нужно делать при разряде - это следить за напряжением на аккумуляторе, чтобы не допустить его переразряда. Для этого применяют .
При этом, отдельно контроллеры заряда не только существуют, но и совершенно необходимы для осуществления процесса зарядки li-ion аккумуляторов. Именно они задают нужный ток, определяют момент окончания заряда, следят за температурой и т.п. Контроллер заряда является неотъемлемой частью любого .
Исходя из своего опыта могу сказать, что под контроллером заряда/разряда на самом деле понимают схему защиты аккумулятора от слишком глубокого разряда и, наоборот, перезаряда.
Другими словами, когда говорят о контроллере заряда/разряда, речь идет о встроенной почти во все литий-ионные аккумуляторы защите (PCB- или PCM-модулях). Вот она:
И вот тоже они:
Очевидно, что платы защиты представлены в различных форм-факторах и собраны с применением различных электронных компонентов. В этой статье мы как раз и рассмотрим варианты схем защиты Li-ion аккумуляторов (или, если хотите, контроллеров разряда/заряда).
Контроллеры заряда-разряда
Раз уж это название так хорошо укрепилось в обществе, мы тоже будем его использовать. Начнем, пожалуй, с наиболее распространенного варианта на микросхеме DW01 (Plus).
DW01-Plus
Такая защитная плата для аккумуляторов li-ion встречается в каждом втором аккумуляторе от мобильника. Чтобы до нее добраться, достаточно просто оторвать самоклейку с надписями, которой обклеен аккумулятор.
Сама микросхема DW01 - шестиногая, а два полевых транзистора конструктивно выполнены в одном корпусе в виде 8-ногой сборки.
Вывод 1 и 3 - это управление ключами защиты от разряда (FET1) и перезаряда (FET2) соответственно. Пороговые напряжения: 2.4 и 4.25 Вольта. Вывод 2 - датчик, измеряющий падение напряжения на полевых транзисторах, благодаря чему реализована защита от перегрузки по току. Переходное сопротивление транзисторов выступает в роли измерительного шунта, поэтому порог срабатывания имеет очень большой разброс от изделия к изделию.
Вся схема выглядит примерно вот так:
Правая микросхема с маркировкой 8205А - это и есть полевые транзисторы, выполняющие в схеме роль ключей.
S-8241 Series
Фирма SEIKO разработала специализированные микросхемы для защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов от переразряда/перезаряда. Для защиты одной банки применяются интегральные схемы серии S-8241 .
Ключи защиты от переразряда и перезаряда срабатывают соответственно при 2.3В и 4.35В. Защита по току включается при падении напряжения на FET1-FET2 равном 200 мВ.
AAT8660 Series
LV51140T
Аналогичная схема протекции литиевых однобаночных аккумуляторов с защитой от переразряда, перезаряда, превышения токов заряда и разряда. Реализована с применением микросхемы LV51140T .
Пороговые напряжения: 2.5 и 4.25 Вольта. Вторая ножка микросхемы - вход детектора перегрузки по току (предельные значения: 0.2В при разряде и -0.7В при зарядке). Вывод 4 не задействован.
R5421N Series
Схемотехническое решение аналогично предыдущим. В рабочем режиме микросхема потребляет около 3 мкА, в режиме блокировки - порядка 0.3 мкА (буква С в обозначении) и 1 мкА (буква F в обозначении).
Серия R5421N содержит несколько модификаций, отличающихся величиной напряжения срабатывания при перезарядке. Подробности приведены в таблице:
SA57608
Очередной вариант контроллера заряда/разряда, только уже на микросхеме SA57608 .
Напряжения, при которых микросхема отключает банку от внешних цепей, зависят от буквенного индекса. Подробности см. в таблице:
SA57608 потребляет достаточно большой ток в спящем режиме - порядка 300 мкА, что отличает ее от вышеперечисленных аналогов в худшую сторону (там потребляемые токи порядка долей микроампера).
LC05111CMT
Ну и напоследок предлагаем интересное решение от одного из мировых лидеров по производству электронных компонентов On Semiconductor - контроллер заряда-разряда на микросхеме LC05111CMT .
Решение интересно тем, что ключевые MOSFET"ы встроены в саму микросхему, поэтому из навесных элементов остались только пару резисторов да один конденсатор.
Переходное сопротивление встроенных транзисторов составляет ~11 миллиом (0.011 Ом). Максимальный ток заряда/разряда - 10А. Максимальное напряжение между выводами S1 и S2 - 24 Вольта (это важно при объединении аккумуляторов в батареи).
Микросхема выпускается в корпусе WDFN6 2.6x4.0, 0.65P, Dual Flag.
Схема, как и ожидалось, обеспечивает защиту от перезаряда/разряда, от превышения тока в нагрузке и от чрезмерного зарядного тока.
Контроллеры заряда и схемы защиты - в чем разница?
Важно понимать, что модуль защиты и контроллеры заряда - это не одно и то же. Да, их функции в некоторой степени пересекаются, но называть встроенный в аккумулятор модуль защиты контроллером заряда было бы ошибкой. Сейчас поясню в чем разница.
Важнейшая роль любого контроллера заряда заключается в реализации правильного профиля заряда (как правило, это CC/CV - постоянный ток/постоянное напряжение). То есть контроллер заряда должен уметь ограничивать ток зарядки на заданном уровне, тем самым контролируя количество "заливаемой" в батарею энергии в единицу времени. Избыток энергии выделяется в виде тепла, поэтому любой контроллер заряда в процессе работы достаточно сильно разогревается.
По этой причине контроллеры заряда никогда не встраивают в аккумулятор (в отличие от плат защиты). Контроллеры просто являются частью правильного зарядного устройства и не более.
Кроме того, ни одна плата защиты (или модуль защиты, называйте как хотите) не способен ограничивать ток заряда. Плата всего лишь контролирует напряжение на самой банке и в случае выхода его за заранее установленные пределы, размыкает выходные ключи, отключая тем самым банку от внешнего мира. Кстати, защита от КЗ тоже работает по такому же принципу - при коротком замыкании напряжение на банке резко просаживается и срабатывает схема защиты от глубокого разряда.
Путаница между схемами защиты литиевых аккумуляторов и контроллеров заряда возникла из-за схожести порога срабатывания (~4.2В). Только в случае с модулем защиты происходит полное отключение банки от внешних клемм, а в случае с контроллером заряда происходит переключение в режим стабилизации напряжения и постепенного снижения зарядного тока.
Механическая конструкция ветрогенератора в чистом её виде представляет собой только часть полноценной ветряной энергетической установки. Полностью пригодная к эксплуатации система, помимо механической конструкции, имеет ещё ряд электронных узлов.
Так, например, обязательно необходим контроллер для ветрогенератора – устройство, функционально предназначенное для стабилизации параметров заряда АКБ в процессе работы ветряка.
Разберемся, какие функции выполняет прибор и приведем схемы сборки контроллера своими руками. Кроме того, обозначим особенности работы и целесообразность покупки китайского электронного агрегата для ветряка.
Если механический ветряк вполне возможно сделать самостоятельно, можно ли сделать своими руками ещё и контроллер ветряка?
Чтобы иметь какое-то представление о контроллерах ветрогенераторов и успешно воспроизводить такую технику своими руками, не лишними будут базовые сведения об этих приборах.
Контроллер заряда аккумуляторной батареи для ветрогенератора небольшой мощности. Контроль некоторых параметров системы осуществляется через встроенный в конструкцию жк-дисплей
Контроллер, обслуживающий аккумуляторные батареи, призван в первую очередь управлять процессом заряда АКБ. Это его основная функция, но ее условно следует разделить ещё на целый ряд подфункций.
Например, одним функционалом отслеживается ток заряда и ток саморазряда. Другой функционал реализует действия, направленные на измерение температуры и давления. Третий отвечает за компенсацию разницы энергетических потоков, когда одновременно с потреблением тока нагрузкой осуществляется заряд АКБ.
Приборы промышленного изготовления наделены полноценным функционалом. А вот относительно любительских конструкций такого не скажешь. Устройства, выполненные на базе простейших схемных решений в домашних условиях своими руками – это контроллеры, далёкие от совершенных моделей.
Тем не менее, они работают и достаточно продуктивно позволяют эксплуатировать . Как правило, в самодельных конструкциях реализована лишь одна функция – защита от перенапряжения и от глубокой разрядки.
Одна из многочисленных вариаций контроллеров для ветряков, изготовленных своими руками. Такие конструкции отличаются незамысловатыми техническими решениями и простейшим исполнением монтажа
Почему внедрение контроллера в систему ветряка является обязательным моментом?
Потому что в режиме энергетической подпитки АКБ без применения контроллера следует ожидать неприятных последствий:
- Деградацию структуры аккумулятора по причине неконтролируемых химических процессов.
- Неконтролируемый рост давления и температуры электролита.
- Утрату аккумулятором свойств подзарядки в связи с имеющим место долговременным разрядом.
Контроллер заряда для схемы ветрогенераторной установки выполняется, как правило, в виде отдельного электронного модуля. Этот модуль съёмный и быстро отключаемый. Приборы промышленного изготовления обязательно оснащаются индикацией режимов и состояний – световой или визуально передаваемой через дисплей.
На практике могут применяться два вида устройств – встраиваемые непосредственно в корпус ветрогенератора и подключаемые к аккумуляторной батарее.
Схемные решения для сборки своими руками
За всё время с момента появления первых количество схемных решений контроллеров выросло многократно. Многие из схемных разработок далеко не совершенны, но есть и такие варианты, на которые следует обратить внимание.
Для бытового применения, конечно же, актуальными являются простые схемы, требующие небольших финансовых вложений, эффективные и надёжные.
Отталкиваясь от этих требований, начать можно с контроллера для ветрогенератора, созданного на базе реле-регуляторов автомобилей. В схеме применимы как реле с минусовым управляющим контактом, так и реле с плюсовым управляющим контактом.
Этот вариант привлекает малым количеством деталей и простейшим монтажом. Потребуется всего одно реле, один силовой транзистор (полевой), один резистор.
Схема носит название «балластная», так как в ней используется дополнительная нагрузка в виде обычной лампочки накаливания. Таким образом, список деталей пополнится ещё одним элементом – лампой.
Используется автомобильная лампа (или несколько ламп) на 12 вольт в зависимости от мощности системы. Также вместо этого элемента допустимо применять нагрузочное сопротивление иного типа: мощный резистор, электронагреватель, вентилятор и т.п.
Работа «балластной» схемы с минусом
Действие автомобильного реле-регулятора напрямую связано с уровнем заряда аккумуляторной батареи. Если напряжение на клеммах АКБ поднимается выше 14.2 вольт, реле срабатывает и размыкает минусовую цепь силового транзистора.
В свою очередь на транзисторе открывается переход, подключающий лампу прямого накала к аккумулятору. В итоге зарядный ток сбрасывается через нить лампы накаливания. При понижении напряжения на клеммах АКБ – обратный процесс. Так осуществляется поддержка стабильного уровня напряжения батареи.
Как действует «балластная» схема с плюсом
Слегка модернизированным вариантом «балластного» контроллера заряда для ветряка является вторая схема на реле-регуляторе с плюсовым управляющим контактом. Например, подойдут реле от автомобилей марки «ВАЗ».
Отличие от предыдущей схемы – применение твердотельного реле, например, GTH6048ZA2 на ток 60A вместо транзистора. Преимущества очевидны: схема выглядит ещё проще и при этом обладает большей надёжностью и эффективностью.
Ещё одно простейшее схемотехническое решение под сборку контроллера заряда АКБ ветрогенератора. Эффективность и надёжность схемы повышается за счёт применения в ней твердотельного реле (+)
Особенность этого простого решения – прямое аккумулятора генератора ветряка. Проводники контроллера заряда тоже «посажены» непосредственно на контакты аккумулятора.
По факту обе этих части схемы никак не связаны между собой. Напряжение с ветрогенератора подаётся на батарею постоянно. Когда напряжение на клеммах АКБ достигает значения 14.2 Вт, твердотельное реле подключает нагрузку для сброса. Так аккумулятор защищается устройством от перезаряда.
Здесь балластной нагрузкой может выступать не только лампа накаливания. Вполне реально подключить любое иное устройство, рассчитанное на ток до 60 А. Например, электрический трубчатый нагреватель.
Что ещё важно в этой схеме – действие твердотельного реле характеризуется плавно нарастающей амплитудой. По сути, налицо эффект профессионально изготовленного ШИМ-контроллера.
Усложнённый вариант схемы контроллера
Если предыдущий вариант схемного решения контроллера заряда АКБ только лишь напоминает устройство ШИМ (широтно-импульсная модуляция), здесь данный принцип реализуется конкретно.
Эта схема контроллера для ветряка с трёхфазным генератором отличается некоторыми сложностями, так как предполагает использование микросхем – в частности, операционных усилителей на полевых транзисторах в составе сборки TL084.
Однако на монтажной плате всё выглядит не так сложно, как на бумажном листе.
Схемное решение для сборки контроллера своими руками, где используется микросборка TL084. Принцип работы также выстроен с применением реле для переключения режимов, но есть возможность регулировать точки отсечки (+)
Так же, как и в предыдущих решениях, используется реле в качестве коммутационного элемента для балластной нагрузки. Реле рассчитано на работу с 12-вольтовым аккумулятором, но при желании можно подобрать модель на 24 Вт.
Балластный резистор сделан в виде мощного сопротивления (намотка на керамике нихром). Для регулировки рабочего диапазона напряжений (11.5-18 Вт) в схеме используются переменные резисторы, включенные в цепь управления микроэлектронной сборки TL084.
Работает такой контроллер заряда аккумулятора ветряка следующим образом. Трёхфазный ток, полученный от ветрогенератора, выпрямляется силовыми диодами.
На выходе диодного моста образуется постоянное напряжение, которое подаётся на вход схемы через контакты реле, дополнительный диод, аккумулятор и дальше на внутрисхемный стабилизатор (78L08) и на вход сборки TL084.
Момент переключения триггера в одно из состояний определяется значениями переменных резисторов (Low V и High V) нижнего и верхнего порога напряжений.
Пока на клеммах аккумуляторной батареи присутствует напряжение, не превышающее 14.2 вольта (удовлетворяющее значению настройки R High V), выполняется заряд. Как только значения изменяются в сторону увеличения, операционный усилитель TL084 подаёт сигнал на базу транзистора, которым управляется реле.
Реализованный своими руками продукт по схеме с микросборкой TL084. Всё предельно просто, даже вместо качественной печатной платы выбрана плата под навесной монтаж. Такими моментами всегда радуют самодельные конструкции
Происходит срабатывание реле, цепь питания схемы разрывается и замыкается на балластный резистор. Сброс по балласту проходит до момента разряда аккумулятора, близкого к значению настройки переменного резистора Low V.
Как только это значение достигнуто, вторым операционным усилителем TL084 схема переключается в обратное состояние. Так осуществляется работа контроллера.
Китайская электронная альтернатива
Изготовление контроллера ветрогенератора своими руками – дело престижное. Но учитывая скорость развития электронных технологий, нередко смысл самостоятельной сборки теряет свою актуальность. К тому же большая часть предлагаемых схем уже морально устарела.
Получается дешевле купить уже готовый продукт, сделанный профессионально, с высоким качеством монтажа, на современных электронных компонентах. Например, приобрести подходящее устройство по разумной стоимости можно на Aliexpress.
Ассортимент предложений на китайском сайте впечатляет. Контроллеры для ветрогенераторов под различный уровень мощности продаются по цене от 1000 руб. Если отталкиваться от этой суммы, в плане сборки аппарата своими руками игра явно не стоит свеч.
Так, например, среди предложений китайского портала есть модель для 600-ваттного ветряка. Устройство стоимостью 1070 руб. пригодно для работы с аккумуляторами 12/24 вольта, в режиме рабочего тока до 30 А.
Вполне приличный, рассчитанный на 600-ваттный ветрогенератор, контроллер заряда в китайском исполнении. Такое устройство можно заказать из Китая и получить через почту примерно за месяц-полтора
Качественный всепогодный корпус контроллера размерами 100х90 мм оснащён мощным радиатором охлаждения. Исполнение корпуса соответствует классу защиты IP67. Диапазон внешних температур от – 35 до +75ºС. На корпусе выведена световая индикация режимов состояния ветрогенератора.
Спрашивается, какой резон тратить время и силы на сборку простенькой конструкции своими руками, если есть реальная возможность купить нечто подобное и технически серьёзное?
Ну а если этой модели недостаточно, у китайцев имеются варианты совсем «крутые». Так, среди новых поступлений отметилась модель мощностью 2 кВт под рабочее напряжение 96 вольт.
Китайский продукт из списка нового прихода. Обеспечивает контроль заряда батарей, работая в паре с ветрогенератором мощностью 2 кВт. Принимает на входе напряжение до 96 вольт
Правда, стоимость этого контроллера уже в пять раз дороже предыдущей разработки. Но опять же, если соизмерять затраты на производство нечто подобного своими руками, покупка выглядит рациональным решением.
Единственное что смущает в китайских продуктах – они имеют свойство неожиданно прекращать работу в самых неподходящих случаях. Поэтому купленное устройство часто приходится доводить до ума – естественно, своими руками. Но это значительно легче и проще, чем делать контроллер заряда ветрогенератора своими руками с нуля.
Для любителей самоделок на нашем сайте есть серия статей, посвященная изготовлению ветрогенераторов:
Выводы и полезное видео по теме
Желание сделать оборудование для домашнего применения своими руками иногда сильнее более простого решения – покупки недорогого устройства. Что из этого получилось, смотрите в видеоролике:
Оценивая перспективы изготовления электроники собственными силами независимо от её назначения, приходится столкнуться с мыслью, что век «самоделкиных» завершается.
Рынок перенасыщен готовыми электронными устройствами и модульными комплектующими практически под каждый бытовой продукт. Электронщикам-любителям теперь остаётся единственное дело – заниматься сборкой домашних конструкторов.
Есть, что дополнить, или возникли вопросы по теме сборки и использования контроллеров для ветрогенератора? Можете оставлять комментарии, задавать вопросы и добавлять фотографии своих самоделок – форма для связи находится в нижнем блоке.
Одним из важнейших компонентов домашней солнечной электростанции является контроллер заряда аккумуляторов. Именно это устройство следит за процессом заряда/разряда аккумуляторов, поддерживая оптимальный режим их работы. Существует множество схем контроллеров для солнечных батарей – от самых простых, выполненных порою кустарным способом, до очень сложных, с применением микропроцессоров. Причем контроллеры заряда для солнечных батарей, сделанные своими руками, частенько работают лучше аналогичных промышленных устройств такого же типа.
Для чего нужны контроллеры заряда аккумуляторов
Если аккумулятор подсоединить напрямую к клеммам солнечных батарей, то заряд его будет происходить непрерывно. В конечном итоге на уже полностью заряженный аккумулятор будет продолжать поступать ток, что вызовет повышение напряжения на несколько вольт. В результате происходит перезаряд АКБ, повышается температура электролита, причем эта температура достигает таких значений, что электролит закипает, происходит резкий выброс паров из банок аккумулятора. Как следствие, может произойти полное испарение электролита и высыхание банок. Естественно, это не добавляет «здоровья» аккумулятору и резко снижает ресурс его работоспособности.
Контроллер в системе солнечного заряда аккумуляторов
Вот, чтобы не допустить подобных явлений, чтобы оптимизировать процессы заряда/разряда, и нужны контроллеры.
Три принципа построения контроллеров заряда
По принципу действия различают три типа солнечных контроллеров.
Первый, самый простой тип – это устройство, выполненное по принципу «On/Off» («Вкл./Выкл.»). Схема такого аппарата представляет собой простейший компаратор, который включает или выключает цепь заряда в зависимости от значения напряжения на клеммах аккумулятора. Это самый простой и дешевый тип контроллеров, но и способ, которым он производит заряд, самый ненадежный. Дело в том, что контроллер отключает цепь заряда по достижении предельного значения напряжения на клеммах аккумуляторной батареи. Но при этом не происходит полного заряда банок. Максимально достигается не более 90% заряда от номинального значения. Вот такой постоянный недобор заряда значительно уменьшает работоспособность аккумулятора и срок его работы.
Вольт-амперная характеристика солнечного модуля
Второй тип контроллеров – это устройства, построенные по принципу ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Это более сложные аппараты, в которых кроме дискретных компонентов схемы имеются уже и элементы микроэлектроники. Аппараты на базе ШИМ (англ. – PWM) осуществляют зарядку аккумуляторов ступенчато, выбирая оптимальные режимы заряда. Эта выборка производится автоматически и зависит от того, как глубоко разряжены АКБ. Контроллер повышает напряжение, одновременно понижая силу тока, обеспечивая тем самым полную зарядку аккумуляторной батареи. Большой недостаток ШИМ-контроллера – заметные потери в режиме зарядки аккумулятора – теряются до 40%.
Третий тип – это контроллеры MPPT , то есть работающие по принципу отыскания точки максимальной мощности солнечного модуля. В процессе работы устройства этого типа используют максимально доступную мощность для любого режима заряда. По сравнению с другими, аппараты этого типа отдают на заряд аккумуляторных батарей примерно на 25% - 30% больше энергии, чем другие аппараты.
Заряд АКБ производится меньшим напряжением, чем это делают контроллеры других типов, но большей силой тока. Коэффициент полезного действия аппаратов MPPT достигает 90% - 95%.
Простейший самодельный контроллер
При самостоятельном изготовлении любого контроллера необходимо обязательно соблюдать определенные условия. Во-первых, максимальное напряжение на входе должно быть равным напряжению АКБ без нагрузки. Во-вторых, должно быть выдержано соотношение: 1,2P
Этот аппарат предназначен для работы в составе солнечной электростанции малой мощности. Принцип работы контроллера предельно прост. Когда напряжение на клеммах аккумуляторов достигнет заданного значения, заряд прекращается. В дальнейшем производится только так называемый капельный заряд.
Контроллер, смонтированный на печатной плате
При падении напряжения ниже установленного уровня подача энергии на аккумуляторы возобновляется. Если при работе на нагрузку в отсутствии заряда напряжение АКБ будет ниже 11 вольт, контроллер отключит нагрузку. Тем самым исключается разряд аккумуляторов в период отсутствия солнца.
Аналоговый контроллер для маломощных гелиевых систем
Аналоговые устройства используются, в основном, в гелиевых системах, имеющих небольшую мощность. В мощных системах целесообразно применять цифровые последовательные аппараты типа MPPT. Эти контроллеры прерывают зарядный ток, когда аккумулятор будет полностью заряжен. В предлагаемой схеме аналогового контролера используется параллельное подключение. При таком подключении солнечный модуль всегда соединен с аккумулятором через специальный диод. Когда напряжение на аккумуляторе достигнет заданного значения, контроллер параллельно солнечному модулю включает цепь нагрузочного сопротивления, которое принимает на себя избыток энергии от модуля.
Это устройство было разработано и собрано под конкретную систему, состоящую из солнечной панели с 36 ячейками, с выходным напряжением холостого хода 18 вольт и с током короткого замыкания до одного ампера. Емкость аккумулятора до 50 ампер-часов, при номинальном напряжении 12 вольт. Перед тем, как включить собранный аппарат в рабочую конфигурацию системы, необходимо произвести его настройку. Для быстрой настройки нужно взять предварительно заряженный аккумулятор. Солнечную батарею с соблюдением полярности нужно подключить к клеммам PV по схеме, а аккумулятор – к клеммам ВАТ. К клеммам аккумулятора необходимо также подключить цифровой вольтметр.
Теперь для получения максимальной отдачи от солнечной батареи, нужно сориентировать ее на солнце. После этого медленно поворачивать винт двадцатиоборотного переменного резистора номиналом в 100 кОм. Вращение винта производится до тех пор, пока светодиод не начнет мигать. После того, как начнется мигание, винт следует продолжать медленно поворачивать до тех пор, пока вольтметр не покажет значение напряжения на клеммах аккумулятора, равное желаемому. На этом настройка устройства завершена.
В процессе эксплуатации системы при достижении напряжением на клеммах аккумулятора предельного значения светодиод начинает выдавать краткие световые импульсы с длительными промежутками. При продолжении заряда аккумулятора длительность световых импульсов увеличивается, а интервал между ними, наоборот, сокращается.
Разумеется, при наличии определенных знаний и навыков можно собрать и более сложное устройство, например, MPPT, но если речь заходит о покупке дорогостоящего оборудования для домашней электростанции, то, вероятно, есть смысл все-таки купить промышленный аппарат, на который распространяется к тому же и гарантия изготовителя. И не подвергать аккумуляторные батареи риску повреждения.
И для чего он нужен
Зачем нужен контроллер заряда?
Контроллер заряда это устройство которое автоматически регулирует уровень тока и напряжения от источника (например солнечных батарей) для обеспечения заряда аккумуляторных батарей, таким образом предохраняя аккумуляторы от повреждений.
Можно ли обойтись без контроллера заряда?
Имея некоторый опыт работы с электроприборами, умея пользоваться вольтметром и амперметром, внимательно изучив инструкцию аккумулятора на предмет зарядных и разрядных характеристик безусловно можно обойтись без контроллера заряда.
Заряд аккумулятора определяется напряжением между клеммами. Ничего не мешает подсоединить источник (например солнечные батареи) напрямую к аккумулятору, при этом контролируя значения напряжения на клеммах и силу тока от источника (чтобы аккумулятор не был поврежден). Когда напряжение на клеммах будет соответствовать максимуму заряда нужно просто отключить источник. Это позволит зарядить аккумулятор на 60-70% от максимальной емкости. Для того чтобы зарядить его на 100% , аккумулятору необходимо стабилизироваться – некоторое время после достижения максимального напряжения продолжать заряжаться при этом напряжении.
При таком способе заряда АКБ велика вероятность снижения номинальной емкости (в связи с систематическим недозарядом) или выхода из строя из-за высокого тока или напряжения. Именно поэтому используются различные контроллеры заряда.
Какие бывают контроллеры заряда?
В основном разделяют три типа контроллеров заряда – on/off контроллер, PWM (ШИМ) контроллер и MPPT (ТММ) контроллеры. В чем же их особенности и чем они отличаются:
on/off контроллер заряда
данное устройство выполняет функцию отключения аккумуляторов от источника при достижении определенного напряжения. Такой тип контроллеров на сегодняшний день практически не используется. Это простейшая альтернатива ручному контролю заряда аккумуляторов о котором мы говорили ранее.
PWM (ШИМ) контроллер
Этот прибор является уже более продвинутым вариантом для заряда аккумуляторов, поскольку в автоматическом режиме контролирует уровень тока и напряжения, а также следит за наступлением максимума напряжения. После того как максимум напряжения достигнут, ШИМ контроллер удерживает его некоторое время для стабилизации аккумулятора и достижения его максимальной емкости. Как правило такие контроллеры стоят недорого и могут удовлетворить простым солнечным системам.
О том как подобрать такой контроллер вы можете прочитать тут –
MPPT (ТММ) контроллеры
Данный контроллер является наиболее современным решением для солнечных электростанций. Солнечные панели вырабатывают дают мощность при строго определенном значении тока и напряжении (кривой ВАХ – вольт-амперной характеристики) – этот режим называется Точкой Максимальной Мощности (ТММ). MPPT контроллер позволяет отслеживать эту точку и может наиболее эффективно использовать энергию солнечных батарей, что в свою очередь увеличивает скорость заряда аккумуляторов. Такие контроллеры могут на 30-40% эффективнее заряжать аккумуляторы (банк аккумуляторов) , поэтому для резервных и автономных солнечных электростанций наиболее выгодным становится использование именно таких контроллеров не смотря на их высокую стоимость относительно ШИМ контроллеров.
Какой контроллер заряда выбрать?
Выбирая контроллер для солнечной системы прежде всего нужно понять масштаб самой системы. Если вы собираете небольшую солнечную системудля обеспечения наиболее необходимых бытовых приборов электричеством (от 0.3 кВт до 2кВт) то вполне можно обойтись правильно подобранным ШИМ контроллером. Если же речь идет об автономной системе, резервной системе или, возможно, о системе совместимой с сетевым электричеством, то в данном случае не обойтись без хорошего MPPT контроллера.
Схема контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи строится на базе чипа, который является ключевым элементом всего устройства в целом. Чип – основная часть контроллера, а сам контроллер – это ключевой элемент гелиосистемы. Данное устройство отслеживает работу всего устройства в целом, а также руководит зарядкой аккумулятора от солнечных батарей.
При максимальном заряде аккумулятора, контроллер будет регулировать подачу тока на него, уменьшая ее до необходимой величины компенсации саморазряда устройства. Если же аккумулятор полностью разряжается, то контроллер будет отключать любую входящую нагрузку на устройство.
Необходимость этого устройства можно свести к следующим пунктам:
- Зарядка аккумулятора многостадийная;
- Регулировка включения/отключения аккумулятора при заряде/разряде устройства;
- Подключение аккумулятора при максимальном заряде;
- Подключение зарядки от фотоэлементов в автоматическом режиме.
Контроллер заряда аккумулятора для солнечных устройств важен тем, что выполнение всех его функций в исправном режиме сильно увеличивает срок службы встроенного аккумулятора.
Как работает контроллер зарядки аккумулятора
В отсутствие солнечных лучей на фотоэлементах конструкции он находится в спящем режиме. После появления лучей на элементах контроллер все еще находится в спящем режиме. Он включается лишь в том случае, если накопленная энергия от солнца достигает 10 В напряжения в электрическом эквиваленте.
Как только напряжение достигнет такого показателя, устройство включится и через диод Шоттки начнет подавать ток к аккумулятору. Процесс зарядки аккумулятора в таком режиме будет продолжаться до тех пор, пока напряжение, получаемое контроллером, не достигнет 14 В. Если это произойдет, то в схеме контроллера для солнечной батареи 35 ватт или любого другого будут происходить некоторые изменения. Усилитель откроет доступ к транзистору MOSFET, а два других, более слабых, будут закрыты.
Таким образом, заряд аккумулятора прекратится. Как только напряжение упадет, схема вернется в начальное положение и зарядка продолжится. Время, отведенное на выполнение этой операции контроллеру около 3 секунд.
Типы
Данный тип устройств считается наиболее простым и дешевым. Его единственная и главная задача – это отключение подачи заряда на аккумулятор при достижении максимального напряжения для предотвращения перегрева.
Однако данный тип имеет определенный недостаток, который заключается в слишком раннем отключении. После достижения максимального тока необходимо еще пару часов поддерживать процесс заряда, а этот контроллер сразу его отключит.
В результате зарядка аккумулятора будет в районе 70% от максимальной. Это негативно отражается на аккумуляторе.
PWM
Данный тип является усовершенствованным On/Off. Модернизация заключается в том, что в него встроена система широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Эта функция позволила контроллеру при достижении максимального напряжения не отключать подачу тока, а уменьшать его силу.
Из-за этого появилась возможность практически стопроцентной зарядки устройства.
Данный типаж считается наиболее продвинутым в настоящее время. Суть его работы строится на том, что он способен определить точное значение максимального напряжения для данного аккумулятора. Он непрерывно следит за током и напряжением в системе. Из-за постоянного получения этих параметров процессор способен поддерживать наиболее оптимальные значения тока и напряжения, что позволяет создать максимальную мощность.
Если сравнивать контроллер МРРТ и PWN, то эффективность первого выше примерно на 20-35%.
Параметры выбора
Критериев выбора всего два:
- Первый и очень важный момент – это входящее напряжение. Максимум данного показателя должен быть выше примерно на 20% от напряжения холостого хода солнечной батареи.
- Вторым критерием является номинальный ток. Если выбирается типаж PWN, то его номинальный ток должен быть выше, чем ток короткого замыкания у батареи примерно на 10%. Если выбирается МРРТ, то его основная характеристика – это мощность. Этот параметр должен быть больше, чем напряжение всей системы, умноженной на номинальный ток системы. Для расчетов берется напряжение при разряженных аккумуляторах.
Как сделать своими руками
Если нет возможности приобрести уже готовый продукт, то его можно создать своими руками. Но если разобраться в том, как работает контроллер заряда солнечной батареи довольно просто, то вот создать его будет уже сложнее. При создании стоит понимать, что такой прибор будет хуже аналога, произведенного на заводе.
Это простейшая схема контроллера солнечной батареи, которую создать будет проще всего. Приведенный пример пригоден для создания контроллера для зарядки свинцово-кислотного аккумулятора с напряжением в 12 В и подключением маломощной солнечной батареей.
Если заменить номинальные показатели на некоторых ключевых элементах, то можно применять эту схему и для более мощных систем с аккумуляторами. Суть работы такого самодельного контроллера будет заключаться в том, что при напряжении ниже, чем 11 В нагрузка будет выключена, а при 12,5 В будет подана на аккумулятор.
Стоит сказать о том, что в простой схеме используется полевой транзистор, вместо защитного диода. Однако если есть некоторые знания в электрических схемах, можно создать контроллер более продвинутый.
Данная схема считается продвинутой, так как ее создание намного сложнее. Но контроллер с таким устройством вполне способен на стабильную работу не только с подключением к солнечной батарее, а еще и к ветрогенератору.
Видео
Как правильно подключить контроллер, вы узнаете из нашего видео.
