Контроллер заряда li ion аккумулятора от солнечной батареи

Технический блог — металургия — альтернативная энергетика

Можно ли заряжать литиевые аккумуляторы напрямую от солнечных батарей

Возможно ли использовать солнечную панель как зарядное для литиевых аккумуляторов li ion типа 18650. Мы решили проверить, и вот что у нас получилось

Для нетерпеливых сразу отвечу. Да, заряжать литиевые аккумуляторы напрямую от солнечных батарей можно. Нужно только чтобы солнечная панель отвечала определенным требованиям.

Каким должно быть правильное зарядное для литиевых аккумуляторов

Заряжать литиевые аккумуляторы 18650 мы будем напрямую от солнечной панели. Панель изготовим сами, такую, чтобы максимально подходила для нашей цели. Но как правильно заряжать литиевый аккумулятор? Давайте разбираться.

• Усредненное, расчетное напряжение на литий-ионном Li-ion аккумуляторе типа 18650 считается U=3,7V. Но оно не постоянно и изменяется по мере разряда аккумулятора.
• Заряженным считается аккумулятор у которого U=4,2V (значение может незначительно отличаться у разных производителей)
• Разряженным считается li ion аккумулятор напряжение которого 2.8V
• Разряжать литиевый аккумулятор ниже 2.8V и заряжать его выше 4,2V категорически не рекомендуется. Иначе в батарее начнутся необратимые процессы, что плохо скажется на емкости и времени жизни.

Li ion аккумуляторы заряжают по принципу CC-CV (constant current — constant voltage) Приблизительно, кривые заряда во многих зарядных устройствах выглядят так:Вначале заряда, устройство устанавливает максимальный ток, допустимый для данного вида аккумуляторов. Это этап CC — constant current. По достижению 80-90% емкости аккумулятора ток сбрасывается и аккумулятор заряжается постоянным напряжением — этап CV — constant Voltage.

Рассчитываем солнечное зарядное для литиевых аккумуляторов

Исходя из вышесказанного наша задача при заряде литиевого аккумулятора от солнечной батареи — ограничить зарядный ток и не допустить перезаряда батареи свыше 4,2В.

По поводу максимального тока. Некоторые li ion аккумуляторы допускают заряд током в 3С, где С это заявленная емкость. Т.е. если С = 2000 mAh то можем заряжать током 6А. Некоторые 1С. Но несомненно для всех аккумуляторов — чем меньше зарядный ток тем меньшим «стрессам» мы подвергаем батарею. Правда, в таком случае мы проигрываем в длительности заряда.

Для практически всех моделей 18650 подойдет ток 1000 mA (1A) — такой ток мы и выберем для нашего зарядного. Как его обеспечить?

Монокристаллическая кремниевая пластина 125х125 мм купленная на Aliexpress выдает ток короткого замыкания Iкз 5,4А — при интенсивности солнца 1000 Вт/м² (центр Украины около 950 Вт/м² в солнечный июльский полдень).

Значит чтобы получить с нашей солнечной батареи, ток 1А нам нужно изготовить ее из элементов в 1/5 от целой пластины. При резке пластины на части, общая производительность ее частично теряется. Поэтому кроить каждую пластину мы будем на 4 равных элемента. С расчетом получить с каждой из частей ток около 1 — 1,3А. Точнее сказать трудно, т.к. много факторов влияют на конечные характеристики частей полученных при порезке пластины.

Напряжение Uxx холостого хода каждого из кремниевых солнечных элементов приблизительно равно 0,55 V. Может незначительно отличаться в зависимости от качества изготовления солнечной пластины.

Если солнечные элементы мы будем соединять параллельно то общий ток такой сборки будет суммироваться а напряжение будет равно не более 0,55V. Если же их соединять последовательно, то ток останется неизменным и будет зависеть от размера каждого из элементов, а напряжение станет суммироваться.

Давайте посмотрим на Вольт-Амперную кривую нашего китайского солнечного элемента

Из графика мы понимаем, что максимальный ток который способен генерировать элемент зависит от яркости солнца. А напряжение в меньшей мере зависит от погоды. И даже в пасмурный день наш аккумулятор будет заряжаться до максимального напряжения, только за более длительное время.

Изготовление солнечного модуля для зарядки литиевых аккумуляторов

Итак конфигурация нашей солнечной панели будет следующая. Одну пластину 125х125 кроим на 4 равных части. Таких частей берем 8 штук и соединяем последовательно. Рассчитываем получить модуль с Uxx около 4,5V и 1,2 А.

Более подробно о том как самостоятельно изготовить солнечную панель мы писали ранее. А сейчас перед вами уже готовый тестовый модуль — зарядное для литиевых аккумуляторов, изготовленный по нашим расчетам при содействии специалистов из киевской фирмы «Пролог Семикор».

Давайте проверим его характеристики. Направляем модуль на солнце и измеряем Uxx=4,57V; Ikz=1,16A. Через пол часа модуль прогревается на солнце и мы получаем Uxx=4,42V; Ikz=1,15A. Подключаем модуль напрямую к аккумулятору. Плюс на плюс, минус на минус. Последовательно с аккумулятором включаем резистор 0,1 Ом. Измерив напряжение на этом резисторе и умножив его на 10, мы узнаем текущий ток заряда.

Результаты измерений

Далее данные замеров тока и напряжения при испытании зарядного устройства литиевых аккумуляторов от солнца, приведем сразу в виде графиков.

Как видим данные немного скачут, это связанно с тем что небо в день эксперимента было не идеально чистым. И еще приходилось разворачивать и направлять модуль на солнце. Но общая картина вполне однозначна. И вот что мы видим из полученных данных:

• Аккумулятор зарядился до 4,42V что равно Uxx модуля. И что конечно же многовато для литиевого аккумулятора 18650
• Кривые очень схожи с кривыми зарядных устройств для литиевых аккумуляторов. Это говорит о том что такой метод зарядки хорошо подходит для данного типа АКБ.
• Чем ближе напряжение на аккумуляторе к Uxx, тем меньше ток заряда
• несмотря на то что Ikz у нас был свыше 1А, максимальный ток заряда не превышал 600 mA. Возможно стоит изготовить модуль не из четвертинок а из половин.

Решаем проблему перезаряда

Здесь все на самом деле очень просто. Мы имеем 4,42V, значит 0,2V нам надо где-то потерять. Включаем последовательно с солнечным модулем диод Шоттки, как показано на схеме ниже. Он выполняет двойную функцию. Первое — на диоде падает как-раз 0,2V, второе — диод Шоттки защищает литиевый аккумулятор от разряда на модуль при плохом освещении (это если у элементов вдруг высокие обратные токи, что может случиться при некачественной порезке солнечной пластины)

Резистор 0,1 ом на нуже для того чтобы измерить текущий ток заряда. В свою схему вы можете его не включать. Помимо этого, при токе в 1А на резисторе упадет 0,1В.

Выводы

Ну что же, я и не ожидал что результат окажется настолько положительным. Солнечное зарядное для литиевых аккумуляторов, при подключении напрямую, отлично справляется со своей задачей. В начале оно выдает большой зарядный ток, который ограничен размерами пластин. По мере заряда ток уменьшается к минимуму, что очень хорошо для долговечности Li-ion элемента.

Если выходное напряжения солнечного модуля было бы значительно выше, ну к примеру 30V. То подключив этот модуль напрямую к литиевому аккумулятору, ток заряда все равно не смог бы превысить Ikz. Не причинив никакого вреда нашему аккумулятору. А напряжение провалилось бы до ≈ 4V. Это я к тому что даже если у вас под рукой отсутствует подходящее зарядное для литиевых аккумуляторов. Вы можете зарядить их с помощью солнечного модуля. Но если его напряжение выше 4,2 V, то следите за напряжением на АКБ, дабы не допустить перезаряд.

В следующей статье мы попробуем заряжать литиевые аккумуляторы от солнечного модуля 5,5V (десять последовательных солнечных элементов) и платы защиты TR4056. Следите за нашими материалами.

Эндоскоп с Aliexpress. Обзор, примеры фото и видео.

Эндоскоп представляет из себя шнур диаметром 5мм , на конце котор�…

Как летнюю жару превратить в тепло зимой. Автономное отопление на солнечных батареях.

В этом материале постараемся теоретически решить задачу автоном…

Трехфазный регулятор мощности на тиристорах

Данный трехфазный регулятор мощности был разработан для управле…

Садовый пруд на солнечных батареях. Биоплато, экопруд.

Чтобы очистить садовый пруд нужно организовать биоплато. Чем бол…

Можно ли заряжать литиевые аккумуляторы напрямую от солнечных батарей

Возможно ли использовать солнечную панель как зарядное для лити�…

Aiek M-5 телефон-кредитка. Обзор

Aiek M5 из магазина AliExpress. Начну с главного. Телефончик действительн…

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

Солнечная зарядка для литиевого аккумулятора

«я его слепила из того, что было» (с) Танич М.

Мой добрый давнишний друг – турист-водник. Когда-то очень давно, еще в прошлом веке, как говорит мой сын, я подарил другу солнечную батарею для зарядки аккумуляторов видеокамеры.

Тогда я купил в Чипе и Дипе пяток солнечных элементов отечественного производства, соединил их последовательно, добавил диод КД213. Получилась батарея с напряжением около 9 вольт и током порядка 300 мА. Механически элементы батареи были соединены полосками синей изоленты, батарея складывалась гармошкой, мой друг сделал для нее самодельный чехол. С тех пор прошло лет 15, батарея эта много раз бывала в походах и с неизменным успехом заряжала разнообразные Ni-Cd аккумуляторы.

Сейчас модно использовать литиевые источники питания как для фото-видео приборов и для фонарей на светодиодах. Все классно, но литиевые элементы требуют осторожного обращения – их надо аккуратно заряжать до напряжения 4.2 вольта, разряжать до определенного напряжения, иначе можно необратимо повредить аккумулятор или устроить пожар.

В поход мой друг берет налобный фонарь на аккумуляторах 18650. Зарядного механизма в таком фонаре нет, поэтому он попросил меня придумать, как заряжать эти элементы в походных условиях. Попутно есть задача подзарядить телефоны-смартфоны и другие гаджеты.
Я изучил предложения на Ebay.com, нашел любопытный прибор – аккумулятор емкостью 10000 мач, в одном корпусе с солнечной батареей и электроникой, управляющей зарядом-разрядом аккумулятора и обеспечивающей на двух USB разъемах напряжение 5 вольт при токе до 2А. Цена в 1000 р показалась адекватной, прибор был заказан. Название прибора: Solar Panel Power Bank Charger Battery for Mobile Samsung Iphone5s HTC 10000mAh

Также я нашел зарядку для 18650, состоящую из отличного корпуса-держателя и встроенного в разъем USB контроллера зарядки. Это стоило примерно 80 р. Этот предмет называется New USB 18650 Battery Function Charger.

Первоначальная идея состояла в том, что солнечным днем Power bank заряжал внутреннюю батарею, а потом отдавал энергию в 18650 через зарядку.

Довольно быстро оба прибора приехали из Китая и я приступил к их изучению. Зарядка для 18650 никаких сюрпризов не преподнесла – отличный корпус, заряжает 18650 емкостью 2400 мАч от порта USB током около 300 мА.

А вот PowerBank оказался с браком. Я измерил его емкость методом полной разрядки постоянным током около 300 мА – оказалось 1200 мАч. При заявленных 10000 мАч – обман.

Однако корпус был сделан очень добротно! Металлические крышки, все подогнано, в руках ощущается единым целым. Решил разобрать и посмотреть что там внутри.

Внутри оказалась вполне качественная электроника — плата контроллера зарядки литиевого элемента, совмещенная с преобразователем-стабилизатором на 5 вольт 2 А. Установить все типы микросхем не удалось, но сложилось впечатление, что плата сделана для многоэлементной литиевой батареи с индивидуальным контролем заряда-разряда каждого элемента. Однако все это богатство осталось не использовано, литиевые элементы просто соединены параллельно. Кстати сказать – пайка этой батареи развалилась буквально от касания паяльником… Разглядел потом отдельно элементы – имхо откровенный брак…

Преобразователь на 5 вольт сделан на современной микросхеме, работающей на частоте 500 кгц.

Попутно измерил максимальный отдаваемый ток – получилось 1.6А. При заявленных 2А – вполне адекватно.

На фото показана разрядная цепь. Проволочный переменный резистор 33 ома, два параллельно соединенных резистора по 2 ома (1 ом суммарно) для контроля тока разряда.

Поскольку в PowerBank имеется стабилизатор 5 в — то потребляемый ток достаточно выставить в начале эксперимента один раз.
Также на плате имеется светодиодный индикатор уровня зарядки батареи, работающий и в режиме разрядки и в режиме зарядки. Как водится – ярко синего «вырви глаз» цвета.

В общем, все хорошо, кроме батареи.

Списался с продавцом, потребовал вернуть часть денег за бракованную батарею. Продавец попытался смутить меня якобы неверной методикой измерения емкости – мол я не учел потери, но после моего второго письма, где я разложил все по полочкам – вернул часть денег.

Раз уж я разобрал PowerBank – решил попробовать, как он будет работать с 18650 и старой солнечной батареей. Результаты натурного эксперимента оказались вполне обнадеживающими: контроллер совершенно нормально работал с 18650, а солнечная батарея 15-ти летней давности обеспечивала зарядный ток около 370 мА. Измерение производилось в Москве 10 марта. Полагаю, что летнее Солнце даст еще больший ток заряда.

Измерение тока заряда-разряда производилось путем установки резистора номиналом 0.1 ом последовательно в цепь аккумулятора. Резистор 0.1 ом в моем случае состоял из двух параллельно включенных 0.2 ома. Мультиметром измерялось падение напряжения на этом резисторе. Ток пересчитывался из милливольт в миллиамперы умножением на 10.

Измерил ток, отдаваемый родным солнечным элементом – он оказался существенно ниже, впрочем, вполне ожидаемо – площадь поверхности намного меньше.

Таким образом, оптимальная конструкция стала выглядеть как держатель для 18650, обрезанный корпус с платой и отдельно подсоединяемая солнечная батарея. На держателе 18650 имеется штыревой разъем, ответную часть я отрезал от USB разъема и припаял к солнечной батарее. Из держателя 18650 выходит 4 провода – два от собственно батареи и два от солнечного элемента. Изолента в этот раз использована черного цвета, синяя прослужила 20 лет и находится в отличном состоянии, посмотрим, как поведет себя черная.

Пара часов с дремелем, дрелью и слесарными ножницами дали мне вот такую конструкцию:

В полностью собранном виде:

Получилась система, которая умеет заряжать 18650 от источника 5 вольт (USB) и солнечной батареи, умеет отдавать стабильные 5 вольт для заряда разнообразных гаджетов, благо в комплект PowerBank входило несколько переходников. Выявился глюк – если устройство долго находится без батареи – оно не включается от кнопки. Оказалось, что глюк обходится, если один-два раза вынуть-вставить аккумулятор.

Теперь это устройство будет испытано в очередном походе по Восточным или Западным Саянам или еще по какому-нибудь экзотическому месту России.

Источник