Устройство контроллера питания аккумулятора

Микросхемы контроля заряда литиевых аккумуляторов

Сегодня существуют микросхемы, представляющие собой готовый контроллер заряда литиевых аккумуляторов. Одной из таких микросхем является TP4056 (). Схема контроллера заряда литиевых аккумуляторов на TP4056 выглядит следующим образом:

Однако, если вам вздумалось ее реализовать, то спешу вас огорчить. Потраченные усилия, время и деньги во много много раз превысят стоимость готового модуля, построенного по точно такой же схеме и даже усиленного более мощными транзисторами на выходе.

Видео

Как правильно подключить контроллер, вы узнаете из нашего видео.

Солнечная энергетика пока что ограничивается (на бытовом уровне) созданием фотоэлектрических панелей относительно невысокой мощности. Но независимо от конструкции фотоэлектрического преобразователя света солнца в ток это устройство оснащается модулем, который называют контроллер заряда солнечной батареи.

Действительно, в схему установки фотосинтеза солнечного света входит аккумуляторная батарея – накопитель энергии, получаемой от солнечной панели. Именно этот вторичный источник энергии обслуживается в первую очередь контроллером.

Электронный модуль, называемый контроллером для солнечной батареи, предназначен выполнять целый ряд контрольных функций в процессе заряда/разряда .

Такой выглядит одна из многочисленных существующих моделей контроллеров заряда для солнечной батареи. Этот модуль относится к числу разработок типа PWM

Когда на поверхность солнечной панели, установленной, к примеру, на крыше дома, падает солнечный свет, фотоэлементами устройства этот свет преобразуется в электрический ток.

Полученная энергия, по сути, могла бы подаваться непосредственно на аккумулятор-накопитель. Однако процесс зарядки/разрядки АКБ имеет свои тонкости (определённые уровни токов и напряжений). Если пренебречь этими тонкостями, АКБ за короткий срок эксплуатации попросту выйдет из строя.

Чтобы не иметь таких грустных последствий, предназначен модуль, именуемый контроллером заряда для солнечной батареи.

Помимо контроля уровня заряда аккумулятора, модуль также отслеживает потребление энергии. В зависимости от степени разряда, схемой контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи регулируется и устанавливается уровень тока, необходимый для начального и последующего заряда.

В зависимости от мощности контроллера заряда аккумуляторных батарей солнечной энергетической установки, конструкции этих устройств могут иметь самую разную конфигурацию

В общем, если говорить простым языком, модуль обеспечивает беззаботную «жизнь» для АКБ, что периодически накапливает и отдаёт энергию устройствам-потребителям.

Модуль контроля заряда Li-ion аккумулятора

Готовый модуль контроля заряда литиевого аккумулятора можно купить всего за 30 центов.

Обращаю ваше внимание, что такие модули бывать не только с контроллером заряда аккумулятора. Есть так же версии с контролем разряда аккумулятора.

Картинка демонстрирует все четыре варианта подобных модулей. Два левых модуля полностью аналогичны двум правым модулям, разница заключается только в установленном разъеме. А вот между собой, два левых модуля, как и два правых отличаются возможностью контроля разряда аккумулятора.

Если на модуле помимо контактов для аккумулятора В+ и В- также присутствуют контакты OUT+и OUT- то это значит, что модуль умеет контролировать разряд аккумулятора, а подключение нагрузки к аккумулятору происходит через модуль.

Не стоит бояться что версия с контроллером разряда посадит вам аккумулятор. Измерения показали, что потребление тока самим модулем составляет всего около 5 микро Ампер. Что меня даже немного удивило.

Применяемые на практике виды

На промышленном уровне налажен и осуществляется выпуск двух видов электронных устройств, исполнение которых подходит для установки в схему солнечной энергетической системы:

1. Устройства серии PWM.
2. Устройства серии MPPT.

Первый вид контроллера для солнечной батареи можно назвать «старичком». Такие схемы разрабатывались и внедрялись в эксплуатацию ещё на заре становления солнечной и ветряной энергетики.

Принцип работы схемы PWM контроллера основан на алгоритмах широтно-импульсной модуляции. Функциональность таких аппаратов несколько уступает более совершенным устройствам серии MPPT, но в целом работают они тоже вполне эффективно.

Одна из популярных в обществе моделей контроллера заряда АКБ солнечной станции, несмотря на то, что схема устройства выполнена по технологии PWM, которую считают устаревшей

Конструкции, где применяется технология Maximum Power Point Tracking (отслеживание максимальной границы мощности), отличаются современным подходом к схемотехническим решениям, обеспечивают большую функциональность.

Но если сравнивать оба вида контроллера и, тем более, с уклоном в сторону бытовой сферы, MPPT устройства выглядят не в том радужном свете, в котором их традиционно рекламируют.

Контроллер типа MPPT:

• имеет более высокую стоимость;
• обладает сложным алгоритмом настройки;
• даёт выигрыш по мощности только на панелях значительной площади.

Этот вид оборудования больше подходит для систем глобальной солнечной энергетики.

Контроллер, предназначенный под эксплуатацию в составе конструкции солнечной энергетической установки. Является представителем класса аппаратов MPPT – более совершенных и эффективных

Под нужды обычного пользователя из бытовой среды, имеющего, как правило, панели малой площади, выгоднее купить и с тем же эффектом эксплуатировать ШИМ-контроллер (PWM).

Измерение характеристик модуля

Мерить мы будем следующее:

1. Процесс зарядки — посмотрим, как меняется ток заряда от напряжения на аккумуляторе.
2. Разрядку, а точнее умение модуля продолжительно отдавать ток в нагрузку, а так же умение отрубать аккумулятор по достижении порога разряда.

Для этих целей нам понадобится вольтметр и амперметр. Но я рожа ленивая, да и мерить вручную в наш век — мартышкин труд. Поэтому на помощь был позван микроконтроллер PIC18F4550. Он умеет общаться с компом по USB и обладает 10-битным АЦП на борту.

Амперметр и вольтметр далее изображены условно. И вольтметр и амперметр реализованы на дифференциальных усилителях. Для измерения тока использован низкоомный резистор, разность напряжений с выводов которого и снимается дифференциальным усилителем. Такому методу измерения тока недавно была посвящена отдельная статья.

С выходов диф. усилителей сигнал поступает на АЦП микроконтроллера. Шаг АЦП по напряжению составляет около 5 мВ, чего для таких измерений более чем достаточно. Чтобы максимально снизить погрешность, данные приходящие за 10 секунд усреднялись ( по 200 приходящих значений).

Все пытки проводились с участием аккумулятора Sony VTC6 формата 18650. Этот аккумулятор обладает емкостью 3000 мА*ч. Максимальный выходной ток аккумулятора может достигать 30 А.

Измерения заряда аккумулятора

Для изучения процесса заряда аккумулятора была реализована следующая измерительная схема:

Полученный с ее помощью график, представлен на следующей картинке. Для удобства синим обозначена зависимость тока, а красным — зависимость напряжения от времени. При этом время указанно в секундах.

6000 секунд соответствуют 100 минутам или же в более привычном виде это 1 час 40 минут. Соответственно полная зарядка аккумулятора заняла около 6 часов. При емкости аккумулятора в 3000 мАч, средний ток заряда можно считать равным 500мА.

На графике отлично видны все три описанные выше фазы зарядки. Схемка отрабатывает все как и положено. Между разными экземплярами модулей присутствует небольшой разброс конечного напряжения, но он не критичен.

Стоит отметить, что любое измерение физической величины это лишь попытка приближения к истинному значению. Не стоит обращать внимание на мелкие зубчики, их природа может быть вызвана как неравномерностью АЦП так и нелинейностью модуля. Что совсем не критично.

В любом случае получившаяся зависимость отлично удовлетворяет всем правилам заряда аккумулятора.

Структурные схемы контроллеров

Принципиальные схемы контроллеров PWM и MPPT для рассмотрения их обывательским взглядом – это слишком сложный момент, сопряжённый с тонким пониманием электроники. Поэтому логично рассмотреть лишь структурные схемы. Такой подход понятен широкому кругу лиц.

Вариант #1 – устройства PWM

Напряжение от солнечной панели по двум проводникам (плюсовой и минусовой) приходит на стабилизирующий элемент и разделительную резистивную цепочку. За счёт этого куска схемы получают выравнивание потенциалов входного напряжения и в какой-то степени организуют защиту входа контроллера от превышения границы напряжения входа.

Здесь следует подчеркнуть: каждая отдельно взятая модель аппарата имеет конкретную границу по напряжению входа (указано в документации).

Так примерно выглядит структурная схема устройств, выполненных на базе PWM технологий. Для эксплуатации в составе небольших бытовых станций такой схемный подход обеспечивает вполне достаточную эффективность

Далее напряжение и ток ограничиваются до необходимой величины силовыми транзисторами. Эти компоненты схемы, в свою очередь, управляются чипом контроллера через микросхему драйвера. В результате на выходе пары силовых транзисторов устанавливается нормальное значение напряжения и тока для аккумулятора.

Также в схеме присутствует датчик температуры и драйвер, управляющий силовым транзистором, которым регулируется мощность нагрузки (защита от глубокой разрядки АКБ). Датчиком температуры контролируется состояние нагрева важных элементов контроллера PWM.

Обычно уровень температуры внутри корпуса или на радиаторах силовых транзисторов. Если температура выходит за границы установленной в настройках, прибор отключает все линии активного питания.

Вариант #2 – приборы MPPT

Сложность схемы в данном случае обусловлена её дополнением целым рядом элементов, которые выстраивают необходимый алгоритм контроля более тщательно, исходя из условий работы.

Уровни напряжения и тока отслеживаются и сравниваются схемами компараторов, а по результатам сравнения определяется максимум мощности по выходу.

Главное отличие этого вида контроллеров от приборов PWM в том, что они способны подстраивать энергетический солнечный модуль на максимум мощности независимо от погодных условий.

Схемой таких устройств реализуются несколько методов контроля:

• возмущения и наблюдения;
• возрастающей проводимости;
• токовой развёртки;
• постоянного напряжения.

А в конечном отрезке общего действия применяется ещё алгоритм сравнения всех этих методов.

Умный модуль бережет аккумулятор

Я не зря назвал этот модуль умным. Если внимательно присмотреться к моменту подачи питания на модуль, то можно увидеть небольшую ступеньку на зависимости тока. Вот так она выглядит крупным планом:

Речь идет о ступеньке между 500 и 600 секундами на уровне 100 мА. Эта ступенька присутствует если аккумулятор разряжен ниже 3 вольт.

Модуль бережно относится к аккумулятору. Сначала он доводит напряжение на аккумуляторе примерное до 3 вольт током в 100 мА. А уже затем начинает кочегарить через аккумулятор 1 ампер. Ну или ток, который был установлен резистором RPROG.

Контроль разряда аккумулятора

Для изучения выходных характеристик модуля схема была несколько изменена. В качестве нагрузки был установлен переменный резистор, включенный последовательно с амперметром к выходным контактам модуля.

Сопротивление нагрузочного резистора было установлено так, что начальный ток разряда составлял около 1.15 А. Т.к. нагрузка была постоянной, соответственно ток в выходной цепи падал с падением напряжения на аккумуляторе.

Как видно из графика, модуль благополучно отрубил нагрузку от аккумулятора в районе 5000 сек. А это значит, что модуль отдавал ток порядка 1 ампера в течении полутора часов и не загнулся. Отличный результат)

Рост напряжения на аккумуляторе, после отключения нагрузки, вызван химическим восстановлением аккумулятора после столь длительной отдачи приличного тока.

Если аккумулятор был полностью разряжен и модуль его отключил, то включение произойдет, при подключении зарядного устройства, как только напряжение на аккумуляторе достигнет уровня в 2.9 — 3 вольта.

Способы подключения контроллеров

Рассматривая тему подключений, сразу нужно отметить: для установки каждого отдельно взятого аппарата характерной чертой является работа с конкретной серией солнечных панелей.

Так, например, если используется контроллер, рассчитанный на максимум входного напряжения 100 вольт, серия солнечных панелей должна выдавать на выходе напряжение не больше этого значения.

Любая солнечная энергетическая установка действует по правилу баланса выходного и входного напряжений первой ступени. Верхняя граница напряжения контроллера должна соответствовать верхней границе напряжения панели

Прежде чем подключать аппарат, необходимо определиться с местом его физической установки. Согласно правилам, местом установки следует выбирать сухие, хорошо проветриваемые помещения. Исключается присутствие рядом с устройством легковоспламеняющихся материалов.

Недопустимо наличие в непосредственной близости от прибора источников вибраций, тепла и влажности. Место установки необходимо защитить от попадания атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.

Техника подключения моделей PWM

Практически все производители PWM-контроллеров требуют соблюдать точную последовательность подключения приборов.

Подключать периферийные устройства нужно в полном соответствии с обозначениями контактных клемм:

1. Соединить провода АКБ на клеммах прибора для аккумулятора в соответствии с указанной полярностью.
2. Непосредственно в точке контакта положительного провода включить защитный предохранитель.
3. На контактах контроллера, предназначенных для солнечной панели, закрепить проводники, выходящие от солнечной батареи панелей. Соблюдать полярность.
4. Подключить к выводам нагрузки прибора контрольную лампу соответствующего напряжения (обычно 12/24В).

Указанная последовательность не должна нарушаться. К примеру, подключать солнечные панели в первую очередь при неподключенном аккумуляторе категорически запрещается. Такими действиями пользователь рискует «сжечь» прибор. В более подробно описана схема сборки солнечных батарей с аккумулятором.

Также для контроллеров серии PWM недопустимо подключение инвертора напряжения на клеммы нагрузки контроллера. Инвертор следует соединять непосредственно с клеммами АКБ.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие требования по физической инсталляции для этого вида аппаратов не отличаются от предыдущих систем. Но технологическая установка зачастую несколько иная, так как контроллеры MPPT зачастую рассматриваются аппаратами более мощными.

Для контроллеров, рассчитанных под высокие уровни мощностей, на соединениях силовых цепей рекомендуется применять кабели больших сечений, оснащённые металлическими концевиками

Например, для мощных систем эти требования дополняются тем, что производители рекомендуют брать кабель для линий силовых подключений, рассчитанный на плотность тока не менее чем 4 А/мм 2 . То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения к АКБ сечением не меньше 20 мм 2 .

Соединительные кабели обязательно оснащаются медными наконечниками, плотно обжатыми специальным инструментом. Отрицательные клеммы солнечной панели и аккумулятора необходимо оснастить переходниками с предохранителями и выключателями.

Такой подход исключает энергетические потери и обеспечивает безопасную эксплуатацию установки.

Структурная схема подключения мощного контроллера MPPT: 1 – солнечная панель; 2 – контроллер MPPT; 3 – клеммник; 4,5 – предохранители плавкие; 6 – выключатель питания контроллера; 7,8 – земляная шина

Перед подключением к прибору следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует или меньше напряжения, которое допустимо подавать на вход контроллера.

Подключение периферии к аппарату MTTP:

1. Выключатели панели и аккумулятора перевести в положение «отключено».
2. Извлечь защитные предохранители на панели и аккумуляторе.
3. Соединить кабелем клеммы аккумулятора с клеммами контроллера для АКБ.
4. Подключить кабелем выводы солнечной панели с клеммами контроллера, обозначенными соответствующим знаком.
5. Соединить кабелем клемму заземления с шиной «земли».
6. Установить температурный датчик на контроллере согласно инструкции.

После этих действий необходимо вставить на место ранее извлечённый предохранитель АКБ и перевести выключатель в положение «включено». На экране контроллера появится сигнал обнаружения аккумулятора.

Экран прибора покажет значение напряжения солнечной панели. Этот момент свидетельствует об успешном запуске энергетической солнечной установки в работу.

Как греется модуль

В процессе зарядки, когда ток составляет 1 ампер, модуль прилично греется. Стоит учитывать этот факт при использовании модуля в закрытом устройстве. Так, на открытом воздухе температура модуля достигала значений более 70 градусов (по термопаре).

В случае установки модуля в закрытый корпус желательно снизить максимальный ток заряда до 500-700 мА. Но на терма-клей все же не стоит крепить.

У самого же модуля предусмотрена защита от перегрева. Так при перегреве модуль начинает ограничивать выходной ток. Так что от перегрева он скорее всего не сдохнет. Но не стоит полностью полагаться на защиту))

Где купить модуль заряда Li акумулятора?

Я не могу ручаться за все подобные модул. Их производством не брезгует каждый уважающий себя житель поднебесной. Показанные модули заказывались уже не первый раз у конкретного продавца. Которого советую и вам.

Покупать такие модули поштучно не выгодно — продавцы начинают накручивать цену и за модуль и за доставку. Удобнее и дешевле закупать сразу по 5 или 10 штук даже если требуется 1-2. Очень удобно, когда где-то в шкафу лежит кучка таких модулей и при необходимости можно быстро сообразить из них зарядку. Вот ссылки на разные лоты проверенного магазина:

• 5 шт. micro-USB– 1.57$
• 5 шт. mini-USB– 1.57$
• 10 шт. micro-USB– 2.61$
• 10 шт. mini-USB – 2.61$

1.57$ за 5 штук, и тем более 2.61$ за 10 штук — это копейки. Во многих магазинах радиодеталей с вас попросят аналогичную сумму за каждый такой модуль.

цены от 16 сентября 2020

Да, ссылки реферальные, но покупая по ним Вы абсолютно ничего не теряете (а теперь даже кэшбэк с них не дают). Зато этим Вы говорите мне спасибо за проделанную работу и помогаете копеечкой моему проекту. За это спасибо и Вам.

Выводы и полезное видео по теме

Промышленностью выпускаются устройства многоплановые с точки зрения схемных решений. Поэтому однозначных рекомендаций относительно подключения всех без исключения установок дать невозможно.

Однако главный принцип для любых типов приборов остаётся единым: без подключения АКБ на шины контроллера соединение с фотоэлектрическими панелями недопустимо. Аналогичные требования предъявляются и для включения в схему . Его следует рассматривать как отдельный модуль, подключаемый на АКБ прямым контактом.

Если у вас есть необходимый опыт или знания, пожалуйста, поделитесь им с нашими читателями. Оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке. Здесь же можно по теме статьи.

Источник