Pwm контроллер заряда аккумулятора от солнечной батареи

Контроллер заряда солнечной батареи МРРТ или ШИМ — что лучше выбрать?

Обновлено: 16 января 2021

Для чего нужен контроллер заряда для солнечной батареи?

Аккумуляторы, которые используются в комплекте солнечных батарей для накопления заряда, имеют ряд собственных особенностей. Они нуждаются в создании определенных условий в процессе зарядки. Необходимо своевременно ограничить ток и напряжение, не допустить слишком сильного разряда и исключить перезарядку АКБ. Обеспечить эти условия может специальное устройство, наблюдающее за блоком батарей и своевременно прекращающее все процессы, когда они достигают критических значений.

Это устройство — контроллер солнечной батареи, обеспечивающий сохранность и долговечность аккумуляторов. Обойтись без этих приборов невозможно, так как бесконтрольный заряд или разрядка всегда заканчиваются выходом АКБ из строя.

Задачи, которые решают контроллеры заряда для солнечных батарей:

• выполнение диспетчерских функций, определение текущего режим работы и изменение его при возникновении соответствующих условий
• ограничение величины заряда, предотвращение излишнего поглощения электроэнергии
• наблюдение за расходованием и своевременный перевод батарей в режим зарядки

Есть контроллеры, совмещающие функции источника питания. К ним подключаются низковольтные потребители, например — осветительные приборы или иная нагрузка подобного типа. Такие системы работают в малом составе и не используются в качестве полноценного источника питания для бытовой или хозяйственной техники.

Применяемые на практике виды

Существует две разновидности контроллеров, применяемых в солнечных системах:

• PWM (в русскоязычных источниках их иногда именуют ШИМ — широтно-импульсная модуляция)
• MPPT (аббревиатура с английского Maximum Power Point Tracking — отслеживание максимальной границы мощности)

Контроллеры, созданные на базе ШИМ, считаются устаревшими. Некоторые модели уже сняли с производства, но в продаже еще много образцов таких приборов. Они вполне эффективны и работоспособны, но по функциональным возможностям уступают новым и более совершенным контроллерам MPPT.

Специалисты отмечают, что старые виды контроллеров больше подходят для частных солнечных батарей, рассчитанных на питание сравнительно небольшого количества потребителей. Новые образцы ориентированы на работу с большими количествами панелей, дающих значительное количество энергии.

Их недостатком считают:

• высокая цена, ограничивающая возможности массового покупателя
• сложность настройки, требующей участия опытного специалиста

Контроллеры типа MPPT широко рекламируют, но получить заметный выигрыш в производительности и эффективности можно только на больших и мощных солнечных комплексах.

Структурные схемы контроллеров

Разбираться в принципиальных схемах приборов могут не все пользователи. Но это и не обязательно, вполне достаточно понять принцип их работы на уровне блоков или узлов прибора. Рассмотрим структурные схемы двух разновидностей контроллеров:

Устройства PWM

На входе контроллера установлен стабилизатор и токоограничивающий резистор. Этим достигается защита от превышения входного сигнала и нарушения режима работы устройства. Допустимый уровень входного сигнала у каждого прибора свой, он указан в паспортных данных. Значение определяется спецификой контроллера, зависит от особенностей схемы и параметров прибора.

После этого ток проходит через блок из двух силовых транзисторов, где происходит преобразование значений напряжения и тока. Управление этими процессами производится через микросхему драйвера, при помощи чипа контроллера. Сам драйвер предназначен для коррекции режима работы транзисторов. Одна из основных задач — регулировка уровня мощности нагрузки, предотвращающая глубокий разряд аккумуляторов.

Помимо этих компонентов в состав схемы входит датчик температуры. Он обеспечивает поддержание заданного температурного режима работы прибора, ограничивая его мощность по необходимости. Перегрев весьма опасен для контроллера, поэтому датчик относят к основным узлам схемы.

Приборы MPPT

Контроллер заряда аккумулятора от солнечной батареи, созданный по схеме MPPT, представляет собой более сложное устройство, чем PWM. Увеличено количество узлов и деталей, поскольку более тщательное выполнение алгоритмов работы требует определенных ресурсов. Основная функция устройства заключается в определении максимальной мощности солнечных батарей в текущих условиях и соответствующей перенастройке их работы.

Компараторы производят сопоставление значений напряжения и тока, определяя максимально возможную выходную мощность. По умолчанию сканирование происходит 1 раз в 2 часа, но режим можно перенастроить на более частую проверку.

Производится определение точки максимальной мощности (ТММ), определяющей напряжение, при котором выходные показатели будут максимально высокими. Заряд АКБ происходит в 4 этапа:

• объемный. Это первый этап после ночного перерыва. Аккумуляторы активно накапливают энергию, используя всю энергию солнечных батарей
• повышающий. Начинается сразу по достижении максимального заряда аккумуляторов. Напряжение заряда снижается, чтобы исключить нагрев и выделение газов. Этот режим, как правило, длится 1-3 часа, после чего следует переход на следующую стадию зарядки
• плавающий. Этот этап необходим для поддержания заряда на максимальном уровне и недопущения перегрева или газоотделения, а также снижения количества накопленной энергии. Если нагрузка начинает требовать повышенной отдачи, контроллер переводит систему из плавающего режима в повышающий. Как только мощность на выходе упадет, будет вновь задействован плавающий режим
• выравнивание. Этап, при котором происходит выравнивание плотности электролита, восстановление состояния электродов, переработка сульфата свинца

Работа контроллеров MPPT зависит от окружающей температуры. В жару выработка энергии падает, при сильном охлаждении процессы в аккумуляторах замедляются, что грозит выходом их из строя. Встроенный датчик температуры постоянно контролирует состояние и дает команду на соответствующую корректировку режима работы.

Использование контроллеров MPPT рекомендовано при мощности системы от 200 В или при нестабильном производстве энергии. Постоянное определение максимальной эффективности улучшает работу комплекса и позволяет обходиться без установки дополнительных модулей.

Способы подключения контроллеров

Перед подключением необходимо убедиться, что напряжение солнечных панелей не превышает номинал контроллера. Если оно больше, надо сменить прибор на более мощный, способный работать с высокими показателями тока и напряжения.

Перед началом работ надо выделить для установки контроллера место с соответствующими условиями — сухое, чистое, отапливаемое. Не должно быть контакта с солнечными лучами, не допускается наличие поблизости механизмов, создающих вибрацию.

Порядок подключения контроллеров PWM состоит из следующих этапов:

• присоединение аккумуляторов к соответствующим клеммам прибора. Важно проследить за соблюдением полярности
• в точке подключения плюсового провода необходимо установить предохранитель
• к соответствующим контактам подключить провода от солнечных панелей, соблюдая полярность
• на выход нагрузки включить сигнальную лампу

Важно! Нарушать эту последовательность нельзя. Если сначала подключить солнечные модули, можно вывести контроллер солнечного заряда из строя, поскольку ему будет некуда отдавать полученное напряжение.

Кроме этого, не допускается присоединение на контакты, предназначенные для соединения с нагрузкой, инвертора. Его можно присоединять только к блоку АКБ.

Принцип подключения этих контроллеров не отличается от вышеизложенного, но могут потребоваться некоторые дополнения. Например, на мощных системах необходимо использовать кабель, выдерживающий плотность проходящего тока не менее 4 ампер на квадратный миллиметр сечения.

Перед присоединением рекомендуется еще раз выполнить несложный расчет (разделить максимальное значение силы тока на 4 и прибавить около 10-15 % на запас прочности). Это позволит обеспечить штатную работу коммутации, исключить нагрев и опасность возникновения пожара.

Перед началом подключения надо вынуть предохранители из солнечных панелей и блока АКБ. После соединения контроллера с аккумуляторами и солнечными модулями производится подключение заземляющего контура и датчика температуры. Проверяют правильность всех соединений, после чего обратно устанавливают предохранители и включают систему.

Простейшие контроллеры типа Откл/Вкл (или On/Off)

Контроллеры такого типа работают только на запуск или остановку зарядки АКБ при падении или повышении заряда. Они не учитывают дополнительные условия работы, не определяют оптимальный режим, выполняя только функции триггера, настроенного на переключение при достижении минимального и максимального значений.

Такие контроллеры в настоящее время сняты с производства и давно не используются, хотя в некоторых системах их еще можно встретить. Единственным достоинством можно назвать простоту схемы, делающую работу прибора надежной и устойчивой. Подключение выполняется путем присоединения входных и выходных проводов к аккумуляторам и солнечным панелям, никакой дополнительной коммутации не имеется.

Что лучше выбрать?

Выбор типа контроллера производится исходя из мощности и производительности системы. Если они невелики, можно ограничиться установкой контроллера PWM. Это дешевле и проще.

Однако, если комплект выдает значительную мощность и обеспечивает питание чувствительных приборов потребления, лучшим решением станет использование контроллера MPPT. Он гораздо дороже, но способен настроить максимально эффективную работу комплекса оборудования. В любом случае, окончательный выбор обусловлен возможностями владельца и особенностями имеющегося солнечного комплекса.

Видео-инструкция по сборке своими руками

Источник

МРРТ или ШИМ? Самые главные заблуждения о контроллерах заряда для солнечных батарей!

Для оптимальной работы аккумуляторной батареи в составе солнечной электростанции жизненно необходим контроль уровня заряда. Перезаряд или заряд большим током сокращает ресурс аккумулятора или приводит к еще более непоправимым последствиям. При этом многие пренебрегают данным прибором, недооценивая его функции, или сводят свой выбор к самым простым моделям типа ШИМ.

Существуют два заблуждения, которые качественно влияют на работу солнечной электростанции:

1. «Зачем покупать МРРТ, если можно взять ШИМ контроллер? Поставлю лучше панелей солнечных побольше» . Экономия в процессе подбора оборудования очень понятна и всячески приветствуется. Если речь идет о небольшой солнечной панели на 12В (17,5-18В), то установка ШИМ/ PWM контроллера оправдана, а функция поиска точки максимальной мощности (МРРТ) работать в системе 12-12В не будет. Но когда на массив солнечных панелей мощностью 400 -800 Ватт ставят ШИМ…

МРРТ технология основана на разнице напряжений солнечного и аккумуляторных массивов, в диапазоне которых контроллер ищет лучшую точку. И технология МРРТ действительно на 20-30% увеличит аккумуляцию энергии. Поэтому установить меньший массив, потратив на контроллер заряда на 2 -4 тысячи рублей больше – самое оправданное решение.

2. «Ток контроллера заряда, им можно пренебречь, ведь яркого солнца у нас нет» . При выборе номинала большинство покупателей решают сэкономить, полагаясь на «авось», но совсем забыв о температурном коэффициенте мощности солнечной панели. Он составляет порядка 0,45%/°С, и это означает, что со снижением температуры окружающей среды КПД и мощность панели растёт. Если контроллер подобран впритык к расчётному току, то с вероятностью 50% он выйдет из строя в морозно и солнечном феврале, ну или марте. Именно поэтому большинство производителей называют март месяцем сгоревших контроллеров.

Источник

Солнечная батарея на балконе: тестирование контроллера заряда

В предыдущей части была рассмотрена и проверена работа платы BMS, обеспечивающей корректный заряд литий-ионного аккумулятора. Китайская почта наконец доставила Solar charge controller, так что пора протестировать и его.

Результаты тестирования под катом.

Контроллер заряда (Solar charge controller)

Данное устройство является основным во всей системе — именно контроллер обеспечивает взаимодействие всех компонентов — солнечной панели, нагрузки и батареи (он нужен, только если мы хотим именно накапливать энергию в батарее, если отдавать энергию сразу в электросеть, нужен другой тип контроллера grid tie).

Контроллеров на небольшие токи (10-20А) на рынке довольно-таки много, но т.к. в нашем случае используется литиевая батарея вместо свинцовой, то нужно выбирать контроллер с настраиваемыми (adjustable) параметрами. Был куплен контроллер, как на фото, цена вопроса от 13$ на eBay до 20-30$ в зависимости от жадности местных продавцов. Контроллер гордо называется «Intelligent PWM Solar Panel Charge Controller», хотя по сути вся его «интеллектуальность» заключается в возможности задания порогов заряда и разряда, и конструктивно он не сильно отличается от обычного DC-DC конвертора.

Подключение контроллера весьма просто, у него всего 3 разъема — для солнечной панели, нагрузки и аккумулятора соответственно. В качестве нагрузки в моем случае была подключена светодиодная лента на 12В, аккумулятор все тот же тестовый с Hobbyking. Также на контроллере есть 2 USB-разъема, от которых можно заряжать различные устройства.

Все вместе выглядело так:

Перед тем как использовать контроллер, его надо настроить. Контроллеры этой модели продаются в разных модификациях для разных типов батарей, отличия скорее всего лишь в предустановленных параметрах. Для моей литиевой батареи c тремя ячейками (3S1P) я установил следующие значения:

Как можно видеть, напряжение отключения заряда (PV OFF) установлено на 12.5В (исходя из 4.2В на ячейку можно было поставить 12.6, но небольшой недозаряд положительно сказывается на количестве циклов батареи). Следующие 2 параметра — отключение нагрузки, в моем случае настроено на 10В, и повторное включение заряда на 10.5В. Минимальное значение можно было поставить и меньше, до 9.6В, небольшой запас был оставлен для работы самого контроллера, который питается от той же батареи.

Тестирование

С разрядом проблем ожидаемо не было. Заряда батареи хватило чтобы зарядить планшет, также горела светодиодная лента, и при пороговом напряжении в 10В, лента погасла — контроллер отключил нагрузку, чтобы не разряжать батарею ниже заданного порога.

А вот с зарядом все пошло не совсем так. Вначале все было хорошо, и максимальная мощность по ваттметру составила около 50Вт, что вполне неплохо. Но ближе к концу заряда подключенная в качестве нагрузки лента стала сильно мерцать. Причина ясна и без осциллографа — две BMS не очень дружат между собой. Как только напряжение на одной из ячеек достигает порога, BMS отключает батарею, из-за чего отключается и нагрузка и контроллер, затем процесс повторяется. Да и учитывая что пороговые напряжения уже заданы в контроллере, вторая плата защиты по сути и не нужна.

Пришлось вернуться к плану «Б» — поставить на батарею только плату балансировки, оставив контроллеру управление зарядом. Плата 3S balance board выглядит так:

Бонус этого балансира еще и в том, что он в 2 раза дешевле.

Конструкция получилась даже проще и красивее — балансир занял свое «законное» место на балансировочном разъеме батареи, к контроллеру батарея подключена через силовой разъем.
Все вместе выглядит примерно так:

Больше никаких неожиданностей не было. Когда напряжение на батарее поднялось до 12.5В, потребляемая от панелей мощность упала практически до нуля а напряжение увеличилось до максимума «холостого хода» (22В), т.е. заряд больше не идет.

Напряжение на 3х ячейках батареи в конце заряда составило 4.16В, 4.16В и 4.16В, что дает в сумме 12.48В, к контролю заряда, как и к балансиру претензий нет.

Заключение

Система работает, почти как и ожидалось. Днем электроэнергия может накапливаться, вечером ее можно использовать. В финальной версии батарея будет заменена на блок из элементов 18650, которые уже описывались в предыдущей части. Емкость батареи можно увеличить до 20Ач, больше для балконной системы уже избыточно. Если же приобрести другой балансир, можно использовать и LiFePo4-аккумуляторы, достаточно установить нужные пороги напряжений в контроллере. Однако в моем случае, смысла в этом скорее всего нет — стоимость LiFePo4 на 10-20Ач составляет 80-100$, что уже сопоставимо со стоимостью Grid Tie контроллера, который я собираюсь протестировать в дальнейшем.

Еще исключительно для тестов (понятно что экономического смысла в этом нет) была заказана батарея ионисторов на 12В, благо цены падают и сейчас они относительно дешевые. Будет интересно проверить, на сколько хватит их заряда. Stay tuned.

Примечание: показанная на фото батарея от Hobbyking была поставлена исключительно для теста. Эти батареи не тестировались для постоянного использования в подобных системах, также их не рекомендуется оставлять без присмотра.

Более-менее окончательная версия батареи выглядит вот так:

Это 12 ячеек 18650, соединенных в группы параллельно по 4. Примерная емкость батареи около 12ач, этого хватает для зарядки разных гаджетов и для вечернего освещения комнаты светодиодной лентой. В батарее используются элементы Panasonic, те же что и в автомобилях Tesla S, надежность данных ячеек можно считать вполне хорошей.

Для желающих посмотреть видео-версию, ролик выложен в youtube.

Источник