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.
Это ещё одна статья о всем известной микросхеме TP4056, многим она уже полюбилась и была протестирована неоднократно армией радиолюбителей. Да и ко мне дошли слухи о чудодейственной микросхеме. Заказал у китайцев пять подопытных, стал думать гадать, как собрать - навесом или на платке. Тут самая обычная схема - несколько деталек и сама микросхема.
Тут мне под руку попали кусочки текстолита и решил собрать на печатной плате, но не все так просто. Картридж у меня выдохнулся от пары десятков перезаправок. Встал вопрос купить новый, но цена у него заоблачная, как для меня. Тогда есть только один выход, рисовать лаком для ногтей, но лака мне больше не дают, сказали, что лак покупался не для того, чтоб я тратил его на какие-то бляшки нет, это не опечатка, какие-то бляшки - да, не ожидал...
В общем сидел я и думал чем бы себя занять, вспомнил, что платки можно рисовать не только лаком, но и парафином и маркером, парафин не для меня, я только если на Пасху яйцо раскрасить могу, и то не очень. Но с маркером идея неплоха.
Сел за руль своего двух колёсного педального байка и отправился в магазин на поиски заветного перманентного маркера. Нашёл сразу если кому интересно такой маркер стоит 6 грн. Это на 29.02.2016
Рисуем платку, мой метод такой: сделать метки канцелярской кнопкой на текстолите и соединить их маркером, как в детстве в журналах такая игра была.
Ладно, отклонился от темы, продолжаем. Травил в растворе медного купороса, могу сказать, что это наилучшее средство, я говорю конечно от своего лица - у каждого свои предпочтения, скажу лишь, что мне в нем нравится это цена, долговечность и конечно то, что он не пачкает все вокруг как хлорное железо.
Припаиваем наши деталюхи: пара SMD резисторов и два конденсатора.
Для тестирование выбрал аккумулятор с батареи ноутбука. Что-ж, заряд пошел, ну а зарядит или не зарядит - увижу утром, а сейчас спать.
Утро показало, что заряд прошел успешно, но спешил в школу и забыл сфотографировать. Всем удачи в повторении, а с вами, как всегда, был Kalyan.Super.Bos
Принцип работы контроллеров для заряда солнечных батарей, устройство, что учитывать при выборе
В современных солнечных электростанциях для передачи выработанной электроэнергии рабочим аккумуляторам применяются разные схемы подключения источников тока. Они используют не одинаковые алгоритмы, созданы на основе микропроцессорных технологий, называются контроллерами.
Как работают контроллеры заряда солнечных батарей
Электроэнергия, вырабатываемая солнечной батареей, может передаваться накопительным аккумуляторным батареям:
2. через контроллер.
При первом способе электрический ток от источника пойдет к аккумуляторам и станет увеличивать напряжение на их клеммах. Вначале оно дойдет до определенного, предельного значения, зависящего от конструкции (типа) аккумуляторной батареи и окружающей температуры. Затем преодолеет рекомендуемый уровень.
На начальном этапе заряда схема работает нормально. А вот дальше начинаются крайне нежелательные процессы: продолжающееся поступление зарядного тока вызывает повышение напряжения сверх допустимых значений (порядка 14 В), возникает перезаряд с резким возрастанием температуры электролита, приводящей к его закипанию с интенсивным выбросом паров дистиллированной воды из элементов. Иногда вплоть до полного высыхания емкостей. Естественно, что ресурс аккумуляторной батареи резко снижается.
Поэтому задачу ограничения зарядного тока решают контроллерами или вручную. Последний способ: постоянно контролировать по приборам величину напряжения и коммутировать переключатели руками такой неблагодарный, что существует только в теории.
Алгоритмы работы контроллеров заряда солнечных батарей
По сложности способа ограничения предельного напряжения приборы изготавливают по принципам:
1. Откл/Вкл (или On/Off), когда схема просто коммутирует аккумуляторы к зарядному устройству по величине напряжения на клеммах,
2. широтно-импульсных (ШИМ) преобразований,
3. сканирования точки максимальной мощности.
Принцип №1: Схема Откл/Вкл
Это наиболее простой, но самый ненадежный метод. Его главный недостаток в том, что при возрастании напряжения на клеммах аккумумляторной батареи до предельного значения полного заряда емкости не происходит. Она доходит в этом случае примерно до 90% номинального значения.
У аккумуляторов постоянно происходит регулярный недобор энергии, который значительно снижает срок их эксплуатации.
Принцип №2: Схема ШИМ контроллеров
Сокращенное обозначение этих устройств на английском языке: PWM. Они выпускаются на основе конструкций микросхем. Их задачей является управление силовым блоком для регулирования напряжения на его входе в заданном диапазоне с помощью сигналов обратной связи.
PWM контроллеры дополнительно могут:
учитывать температуру электролита встроенным либо выносным датчиком (последний способ точнее),
создавать температурные компенсации зарядным напряжениям,
настраиваться под определенный тип аккумуляторов (GEL, AGM, жидко-кислотные) с разными показателями графиков напряжений в одинаковых точках.
Увеличение функций PWM контроллеров повышает их стоимость и надежность работы.
Принцип №3: сканирование точки максимальной мощности
Такие устройства обозначают английскими буквами MPPT. Они тоже работают по способу широтно-импульсных преобразователей, но предельно точны потому, что учитывают наибольшую величину мощности, которую способны отдать солнечные батареи. Это значение всегда точно определяется и вносится в документацию.
Например, для гелиобатарей 12 В точка отдачи максимальной мощности составляет порядка 17,5 В. Обыкновенный PWM контроллер прекратит заряд аккумумляторной батареи при достижении напряжения 14 - 14,5 В, а работающий по технологии MPPT — позволит дополнительно использовать ресурс солнечных батарей до 17,5 В.
С увеличением глубины разряда аккумуляторов возрастают потери энергии от источника. МРРТ контроллеры уменьшают их.
Характер отслеживания напряжения, соответствующего отдаче максимальной мощности солнечной батареи в 80 ватт, демонстрируется усредненным графиком.
Таким способом МРРТ контроллеры, используя широтно-импульсные преобразования во всех циклах заряда аккумуляторов, увеличивают отдачу солнечной батареи. В зависимости от разных факторов экономия может составлять 10 - 30%. При этом ток выхода из аккумулятора будет превышать ток входа в него из солнечной батареи.
Основные параметры контроллеров заряда солнечных батарей
При выборе контроллера для солнечной батареи кроме знания принципов его работы следует обратить внимание на условия, для которых он разработан.
Главными показателями приборов являются:
значение входного напряжения,
величина суммарной мощности солнечной энергии,
характер подключаемой нагрузки.
Напряжение солнечной батареи
На контроллер может подаваться напряжение от одной или нескольких солнечных батарей, соединенных по разным схемам. Для правильной работы прибора важно, чтобы суммарная величина подаваемого на него напряжения с учетом холостого хода источника не превышала предельной величины, указанной производителем в технической документации.
При этом следует сделать запас (резерв) ≥ 20% из-за ряда факторов:
не секрет, что отдельные параметры солнечной батареи иногда могут быть чуть-чуть завышены в рекламных целях,
происходящие на Солнце процессы не носят стабильного характера, а при аномально повышенных вспышках активности возможна передача энергии, создающая напряжение холостого хода солнечной батареи выше расчетного предела.
Мощность солнечной батареи
Она важна для выбора контроллера потому, что прибор должен быть способен надежно передавать ее рабочим аккумуляторам. В противном случае он просто сгорит.
Для определения мощности (в ваттах) умножают величину тока выхода из контроллера (в амперах) на напряжение (в вольтах), вырабатываемое солнечной батареей с учетом, созданного для него, 20% запаса.
Характер подключаемой нагрузки
Надо хорошо понимать назначение контроллера. Не стоит использовать его в качестве универсального источника питания, подключая к нему различные бытовые устройства. Конечно, часть из них сможет нормально работать, не создавая аномальных режимов.
Но…насколько долго это будет продолжаться? Прибор работает на основе широтно-импульсных преобразований, использует микропроцессорные и транзисторные технологии, которые учли в качестве нагрузки только , а не случайных потребителей со сложными переходными процессами при коммутациях и меняющимся характером потребляемой мощности.
Краткий обзор производителей
Выпуском контроллеров для солнечных электростанций занимаются многие страны. На Российском рынке популярна продукция компаний:
Morningstar Corporation (ведущий производитель США),
Beijing Epsolar Technology (работает с 1990-го года в Пекине),
AnHui SunShine New Energy Co (КНР),
Phocos (Германия),
Steca (Германия),
Xantrex (Канада).
Среди них всегда можно подобрать надежную модель контроллера, наиболее подходящую под конкретные условия эксплуатации солнечных электростанций с определенными техническими характеристиками. Для этого просто используете рекомендации этой статьи.
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.
В состав портативных устройств в обязательном порядке входит аккумулятор, обычно для этих целей используется литиево-ионная батарея. Несмотря на то, что функциональные особенности современной электроники постоянно совершенствуются, сам аккумулятор практически остается неизменным.
Емкость и функциональные особенности АКБ значительно выросли, но общий принцип работы остался тем же. Аккумулятор может значительно перегреваться при зарядке и выходить из строя. При переразряде напряжение может опуститься ниже критического уровня, что приведет к деградации элемента, и новая дозарядка станет невозможной. Потому для управления над процессом зарядки батареи используются электронные схемы, получившие название контроллеров.
Это оборудование используется в схемах мобильных телефонов, ноутбуков и другого переносного электронного оборудования. Контроллер аккумулятора необходим для солнечных и ветряных батарей. Его включают в состав источников бесперебойного питания и другой техники.
Алгоритм процесса заряда аккумулятора
Для того чтобы понять, как происходит заряд батареи, рассмотрим схему, в состав которой входят только резистор и сам аккумулятор.
В нашем случае используется аккумулятор 18650, емкость которого составляет 2400 мА/ч, с пороговыми значениями напряжения 2,8-4,3 В, и блок питания на 5 вольт и максимальный ток в 1 А. Рассчитаем параметры необходимого резистора. При этом будем считать, что аккумулятор находится в нормальном состоянии, а не полностью разряжен. Проведем зарядку батареи. Сначала, когда напряжение на АКБ минимально, ток будет максимален, а Ur – падение напряжение на резисторе, должно составить 2,2 Вольта (это разница между Uип – напряжением блока питания 5 В и начальными показателями батареи).
Исходя из этих данных, рассчитываем R – начальное сопротивление на резисторе и Pr – мощность рассеивания:
R= Ur/I = 2.2/1 = 2.2 Ом, где I – это максимальный ток блока питания.
Pr=I2R =1х1х2.2 = 2.2 Вт.
Когда напряжение в аккумуляторе дойдет до 4,2 В, Iзар – ток заряда, составит:
Iзар=(Uи -4.2)/R=(5-4.2)/2.2 = 0.3 А.
Получается, что для зарядки нам понадобится резистор, который работает при данных показателях. Но в этой схеме все время придется проверять напряжение на аккумуляторе, чтобы не пропустить момент, когда оно достигнет максимального значения в 4,2 В.
Важно! Теоретически зарядить аккумулятор без отдельной схемы защиты возможно, но проследить при этом за напряжением и зарядным током не получится. Да, 1-2 раза такой вариант может быть использован, но гарантировать, что батарея при этом не выйдет из строя, нельзя.
Основные функции контроллеров
Существуют три главные задачи, которые выполняют контроллеры заряда:
- оптимизация системы питания;
- сохранение ресурсов;
- избежание фатальных поломок.
Контроллеры обладают разными функциями. Они корректирует подачу тока, следя за тем, чтобы показатели были меньше максимального заряда, но при этом превышали ток саморазряда. Устройства следят за прохождением всех этапов разряда-заряда аккумулятора, исходя из строения и химического состава АКБ.
Если речь идет о батареи для ноутбука, то контроллер дополнительно компенсирует энергетические потоки, которые возникают при одновременной зарядке и работе ПК. Иногда устройства оборудуются термодатчиками для аварийного отключения при перегреве или на холоде.
Если в системе используются сразу несколько аккумуляторов, контроллер обеспечивает заряд только для тех банок, которые еще не зарядились.
Для исключения утечек газа и взрыва в некоторых моделях контроллеров заряда аккумулятора используются датчики давления.
Обратите внимание! Работа любого контроллера должна обеспечивать правильное соотношение постоянный ток/постоянное напряжение (CC/CV). Если при заряде количество поставляемой энергии избыточно, то эта лишняя часть выделяется на контроллере в виде тепла. Поэтому сам контроллер никогда не встраивается в батарею, он включается в общую схему, но всегда располагается отдельно. Но как сделать устройство своими руками?
Простые схемы
Одним из самых распространенных контроллеров является вариант на микросхеме на DW01. Его используют в большинстве мобильных устройств. По виду этот элемент представляет собой электронную плату, на которую монтируются все необходимые компоненты.
DW01 имеет 6 выходов, а полевые транзисторы смонтированы в одном корпусе с 8 выходами – это микросхема 8205А.
В данной схеме задача контроллера заряда отключить АКБ либо при полном разряде, либо при полной зарядке, то есть достижении значения в 4,25 В. Вместо DW01 можно использовать NE57600, G2J, G3J, S8261, S8210, K091, JW01, JW11 и другие аналогичные микросхемы.
В микросхему LC05111CMT уже входят полевые транзисторы, здесь дополнительно используются только конденсатор и резисторы. В схеме используются встроенные транзисторы с переходным сопротивлением в 0,011 Ом. Это простая схема для создания аккумулятора своими руками. Между выводами S1 и S2 максимальное сопротивление составляет 24 В, а максимальные ток заряда/разряда – 10А.
Все сделанные самостоятельно устройства должны отвечать заданным параметрам, иначе обеспечить правильную работу аккумулятора не получится.
Видео
