Добавить комментарий

Улучшенный контроллер заряда аккумуляторной батареи

Русский

Новый улучшенный контроллер заряда аккумуляторной батареи для солнечных и ветряных систем

Для накопления энергии, полученной от ветрогенераторов и солнечных батарей, используются аккумуляторные батареи (чаще всего на 12В). Когда аккумулятор заряжен, контроллер заряда переключает источник электроэнергии с аккумулятора на нагрузочный балласт. Весь представленный ниже материал является свободным переводом англоязычной страницы Майка Дэвиса (Mike Davis) о новом улучшенном контроллере заряда, спроектированном на таймере 555 серии. Этот проект занял первое место в конкурсе Utility (категория 555 Design Contest)!

Майк Дэвис рассказывает.

Новая схема контроллера заряда аккумуляторной батареи

 

Контроллер_заряда_работает

Контроллер заряда аккумуляторной батареи является неотъемлемой частью любой ветрогенерующей или солнечной системы. Он контролирует напряжение на батарее, переключает батареи от заряда, когда они полностью заряжены, (заряд идет на эквивалент нагрузки - балласт) и подсоединяет их, когда они достигают предварительно заданного уровня разряда. Это новая, улучшенная реализация контроллера заряда на базе цифровой микросхемы 555 серии.

Начальная реализация контроллера заряда много лет использовалась в полевых условиях, многие люди во всем мире ее повторили (этот вариант контроллера можно найти на странице самодельного ветрогенератора).

Проблема в том, что людям без опыта работы с электроникой трудно его изготовить и заставить работать (схема достаточно сложна и запутана для начинающих в электронике, кроме того были проблемы с поиском необходимых деталей). Поэтому я поставил перед собой цель значительно упростить схему контроллера заряда, сделать его, если это возможно, на одной микросхеме и уменьшить количество других компонентов. Один из моих друзей предложил мне заменить все аналоговые схемы микроконтроллером. Однако это было бы слишком сложно для желающих изготовить такой контроллер заряда.

Старая_схема_контроллера_заряда

Вот моя оригинальная схема контроллера заряда (схема 100%). Сердце схемы контроллера заряда состоит из делителя напряжения, двух компараторов и SR флип-флоп. Сначала я хотел перепроектировать его с помощью микросхемы компаратора LM339 Quad. Я некоторое время пытался эту идею реализовать, и даже сделал несколько пробных вариантов, однако возникли некоторые проблемы, вследствии чего я отложил проект на некоторое время и работал над другими вещами.
 Блок-схема_таймера_NE555

Блок-схема таймера NE555. В это время я работал над ШИМ - контроллером двигателя насоса, в котором регулятор скорости использует микросхему таймера 555 серии. Глядя на рисунок внутренней структуры микросхемы 555 серии, я был поражен тем, насколько сильно она напоминает мою оригинальную схему контроллера заряда. Вдруг я понял, что, использовав чип 555 серии, смогу перестроить схему контроллера заряда, значительно упростить ее и уменьшить количество деталей.

Схема_контроллера_заряда_выделенные_секции
Моя оригинальная схема контроллера заряда с выделенными секциями.
 Блок-схема_чипа_таймера_NE555
Блок-схема чипа таймера NE555.

Сравните эти диаграммы, и вы также увидите сходство между моей оригинальной схемой контроллера заряда и структурной схемой таймера NE555. Цветные прямоугольники представляют подобные секции. Таймер 555 серии может заменить 7 компонентов в исходной схеме и намного упростить ее. Это очень нетрадиционное использование чипа 555, ведь я его не буду использовать как таймер вообще.

Для продолжения щелкните на кнопке с цифрой 2

Изготовление и тестирование обновленного контроллера заряда аккумуляторной батареи

 

Макет_контроллера_заряда
Я приступил к работе и за очень короткое время изготовил рабочий макет. Он заработал с первой попытки, что является редкостью для меня (я почти всегда допускаюсь ошибок при реализации).

Новая_схема_контроллера_заряда
Вот показана схема нового контроллера заряда (полноразмерная схема).

Я использовал только распространенные компоненты. NE555 - это, вероятно, самая популярная микросхема в истории радиоэлектроники. Миллиарды их производились ежегодно. Транзистор может быть 2N2222, NTE123, 2N3904, или другой подобный общего назначения (небольшой NPN транзистор). MOSFET является IRF540 или аналогичный. У меня остались от других проектов много IRF540s, поэтому я использовал один из них, а не покупал то еще. Используйте то, что вы можете найти.

Все резисторы 1/8 Вт. Резисторы 1/4 Вт или выше их могут заменить, если у вас нет 1/8 Ватт резисторов. Два регулируемых резисторы, R1 и R2 (10K точные переменные резисторы), я использовал потому что уже имел их под рукой. Любые номиналы между 10K и 100K должны работать нормально, 10% допуск достаточен для всех пассивных компонентов. Схема не требует прецизионных деталей.

Обновление. Я изменил выше приведенную схему, добавив дополнительные резисторы R8 * и R9 *. Эти 330 Ом резисторы не нужны для работы схемы, но они помогут защитить ее от случайных коротких замыканий (например, когда Кнопки нажимаются). Начальная схема была намеренно минималистичной.

Реле

Реле. Я использовал автомобильные реле, рассчитанные на 40 Ампер. Их очень легко найти. Я включил реле для удобства подключения. 40 Ампер могут показаться лишними, но они позволят расшириться в будущем. Вы можете начать с одной небольшой солнечной панели, а затем добавить несколько, позже ветряк и больший банк батарей. Все остальные части указаны ниже.

Перечень деталей контроллера заряда

IC1 - 7805 - регулятор напряжения 5 Вольт

R3, R4, R5 - 1K Ом 1/8 Вт 10%

IC2 - NE555 - таймер

R6 - 330 Ом 1/8 Вт 10%

PB1, PB2 - контактные Кнопки без фиксации

R7 - 100 Ом 1/8 Вт 10%

LED1 - зеленый светодиод

Q1 - 2N2222 или похожий NPN транзистор

LED2 - желтый светодиод

Q2 - IRF540 или похожий Power MOSFET

RLY1 - 40 Amp SPDT автомобильные реле

C1 - 0.33uF 35V 10%

D1 - 1N4001 или аналогичный

С2 - 0,1 мкФ 35В 10%

R1, R2 - 10K - многооборотные потенциометры

R8 * -R9 * - дополнительные 330 Ом 1/2 W резисторы (см. текст)

Рабочий_макет

Рабочий макет. Макет для испытания в полевых условиях заработал с первого раза.

Обратите внимание, я решил использовать 78L05 версию регулятора 5 Вольт в крошечном TO-92 корпусе, такого же размера, как транзистор 2N2222. Это небольшой черный прямоугольник в верхнем левом углу платы. Такое решение экономит много места на плате, позволяет обрабатывать только 100 мА, но этого достаточно для питания этой схемы. Если вы не можете найти 78L05, можно использовать в корпусе TO-220 версию 7805, которая является гораздо более распространенной (это немного увеличит плату).

Если у вас схема изготовлена, пришло время ее настраивать. Я использую 11.9V и 14.9V как нижнюю и верхнюю границу напряжения для контроллера. Это точки, где он переходит от заряда батарей к демпингу на эквивалент нагрузки, и наоборот (эквивалент нагрузки нужен в том случае, если вы используете ветряк, при работе только с солнечными батареями, линия эквивалента нагрузки может остаться открытой).

Наверное, лучший способ настроить схему - подсоединить источник питания постоянного тока к клеммам аккумулятора. Установите электропитания 11.9V. Измерьте напряжение на испытательной точке 1. Отрегулируйте R1 напряжение на контрольной точке, сделайте ее как можно ближе к 1.667V. Теперь устанавливаем 14.9V и измеряем напряжение на испытательной точке 2, регулируем R2, пока напряжение на контрольной точке будет как можно ближе к 3.333V.

Проверьте работу контроллера заряда, подав на вход напряжение несколько большее и меньшее (между 11,7 и 15,1 Вольт). Вы должны услышать, как реле закрывается около 14,9 вольт и открывается примерно в 11,9 Вольт. Кнопки PB1, PB2 могут быть использованы для изменения состояния контроллера, когда входное напряжение находится между двумя заданными точками.

Готовый_контроллер_заряда

Готовый контроллер заряда. После того, как контроллер был настроен, я установил его в полу-всепогодный корпус. Реле находится на левой стороне. Для проводки я использовал провод для сильно-токовых соединений (он разработан для переключения до 40 ампер). Я также включил предохранитель на входную линию с солнечной батареи / ветряка.

Готовый_контроллер_заряда_с_крышкой

Вот еще одно фото контроллера заряда с крышкой. В нем мне нравится то, что я вижу светодиоды сквозь полупрозрачную крышку и с первого взгляда понятно, в каком состоянии контроллер заряда находится (удобно при тестировании).

Входы_контроллера_заряда

На этой фотографии показаны все соединения с внешней стороны контроллера: есть соединение для плюса батареи, положительный вход от солнечной панели или ветрогенератора, плюс дополнительного эквивалента нагрузки (балласта) и три соединения на землю.

При подключении контроллера заряда, аккумулятор должен присоединяться первым (таким образом электроника сможет отдавать получаемую энергию). Если солнечные панели или ветрогенератор присоединить первыми, контроллер будет находиться в нестабильном состоянии.

Я должен сказать об эквиваленте нагрузки (балласте): когда контроллер заряда чувствует, что батареи (аккумулятор) полностью заряжены, он переключается на эквивалент нагрузки (просто большой внешний банк резисторов с высокой номинальной мощностью), чтобы выбрать выходную мощность ветрогенератора и держать его под нагрузкой . Если вы используете коммерчески изготовленный ветряк со встроенной защитой, или используете только солнечные батареи, то эквивалент нагрузки не нужен, и вы можете оставить эту линию не подключенной. Вы можете узнать больше о эквиваленте нагрузки (балласте) на моей странице ветряных турбин.

Кнопки_заряда_и_балласта

Вот еще один вид сбоку: кнопки зарядки и балласта. Контроллер заряда автоматически переключается между зарядом и балластом, когда напряжение батареи достигает низкого и высокого предела. Эти кнопки позволяют мне вручную переключать контроллер заряда между двумя состояниями.

Тестирование_контроллера_заряда

Вот фото испытания нового контроллера заряда. Одна из моих самодельных 60-ваттных солнечных панелей была установлена ​​за пределами моей мастерской и использована для зарядки в батареи глубокого цикла с помощью нового контроллера заряда. Все сработало отлично. Контроллер заряда, когда батарея была полностью заряжена, переключил на балласт.

Контроллер_заряда_12,64

Вот фото тестирования крупным планом. Вольтметр показывает 12,64 вольт на батарее, которая по сути является полностью заряженной. Понадобился лишь короткое время для завершения заряда солнечной батареи, и контроллер заряда переключил на балласт. Единственная проблема, которую я имел во время тестирования - трудно было увидеть в ярком солнечном свете, который из светодиодов горит.

Вот короткое видео, которое я снял во время выполнения теста, показывает, как контроллер заряда автоматически переключается с зарядки на балласт, когда превышена верхняя граница напряжения.

Схема_системы_батарей_и_ветрогенератора

Схема типичной системы солнечных батарей и ветрогенераторов (полноразмерная схема). Несколько солнечных панелей и / или ветровые турбины могут быть подключены одновременно. Источники тока могут быть соединены параллельно. Каждая солнечная панель или ветрогенератор должны иметь свой собственный блокирующий диод. Здесь представлена ​​схема типичной системы с ветровой турбиной и двумя панелями солнечных батарей, питающих контроллер заряда. Обычно преобразователь переменного тока входит в систему для питания нагрузки от переменного тока.

Люди пишут мне и спрашивают, зачем нужен контроллер заряда и аккумулятор. Почему просто не подключать солнечные панели или ветряк непосредственно к преобразователю и использовать ток, который они производят? Ну, дело в том, что солнце не всегда светит, а ветер не всегда дует, а людям энергия нужна в любое время. Батареи сохраняют ее доступной для использования, когда это необходимо.

Плата_контроллера_заряда

Обновление. Мой друг Джейсон Маркхэм (Jason Markham) создал макет печатной платы для этого проекта.

Обновление. Люди спрашивают меня, может ли этот контроллер заряда использоваться с системами на 24 Вольта, и какие изменения для этого будут необходимы. Схема должна работать нормально в 24-вольтовых системах. Реле нужно будет заменить для 24В напряжения катушки, и нужно будет повторно откалибровать контроллер для новых высоких и низких пределов для более высокого напряжения батареи. Регулятор 7805 напряжения рассчитан на работу в режимах до 35 Вольт входного напряжения, поэтому в других изменениях в схеме нет необходимости.

Контроллер_заряда_на_батарейном_блоке

Обновление. Стремясь создать компактную, аккуратную и портативную солнечную энергосистему, я установил контроллер заряда на верху батарейного блока. Я также установил инвертор тока на коробку - аккумуляторный ящик промышленной мощности.

Контроллер_заряда_на_батарейном_блоке_2

Вот еще одно фото установки. Здесь включен прикуриватель для питания 12V нагрузки. Это полная солнечная электрическая система в одном небольшом (но тяжелом) пакете, нужно лишь подключить солнечную батарею.

Контроллер_заряда_новый_батарейный_блок

Контроллер заряда установлен на новый батарейный блок. Мой старый банк батарей я получил почти бесплатно, но он был очень тяжелым и громоздким. Наконец я купил одну большую батарею примерно такого же размера и веса, как автомобильный аккумулятор (это дизайн глубокого цикла), она идеально подходит для солнечных / ветряных систем. Она имеет примерно такую ​​же мощность как мой старый банк батарей, но намного меньше и легче. Это стоило около $ 200, но моя спина будет постоянно благодарить за это, ведь не нужно будет больше поднимать старый банк 14 батарей.

Обновление. Этот проект контроллера заряда на основе микросхемы 555 серии занял первое место в конкурсе Utility, категория 555 Design Contest !!!!! Yahooooo!

Оригинальный текст Майка Дэвиса можно прочитать на англоязычном сайте www.mdpub.com

Пользовательский поиск