Покращений контролер заряду акумуляторної батареї

Новий покращений контролер заряду акумуляторної батареї для сонячних і вітряних систем

Для накопичення енергії з вітряків і сонячних батарей використовуються акумуляторні батареї (перважно на 12В). Коли акумулятор заряджений, контролер заряду переключає джерело електроенергії з акумулятора на навантажувальний баласт. Весь поданий нижче матеріал є вільним перекладом англомовної сторінки Майка Девіса (Mike Davis) про новий покращений контролер заряду, спроектований на базі таймера 555 серії. Цей проект зайняв перше місце в конкурсі Utility (категорія 555 Design Contest)!

Майк Девіс розповідає.

Нова схема контролера заряду акумуляторної батареї

 

Контролер_заряду_працює

Контролер заряду акумуляторної батареї є невід'ємною частиною будь-якої вітрогенеруючої або сонячної системи. Контролер заряду контролює напругу батареї і перемикає батареї від заряду, коли вони повністю заряджені, (заряд іде на еквівалент навантаження - баласт) і під’єднує їх, коли вони досягають попередньо заданого рівня розряду. Це нова і покращена реалізація контролера заряду на базі цифрової мікросхеми 555 серії.

Початкова реалізація контролера заряду багато років використовувалась в польових умовах, багато людей у всьому світі її повторили (цей варіант контролера можна знайти на сторінці саморобного вітрогенератора).

Проблема в тому, що людям без досвіду роботи з електронікою важко було його виготовити і змусити працювати (схема досить складна і заплутана як для початківців в електроніці, окрім того були проблеми з пошуком необхідних деталей).

Тому я поставив перед собою мету значно спростити схему контролера заряду, зробити його, якщо це можливо, на одній мікросхемі і зменшити кількість інших компонентів. Один з моїх друзів запропонував мені замінити всі аналогові схеми мікроконтролером. Однак це було б занадто складно для охочих виготовити такий контролер заряду.

Початкова_схема_контролера_заряду

Ось моя оригінальна схема контролера заряду (схема 100%). Серце схеми контролера заряду складається з дільника напруги, двох компараторів, і SR фліп-флоп. Спочатку я хотів перепроектувати його за допомогою мікросхеми компаратора LM339 Quad. Я деякий час намагався цю ідею реалізувати, і навіть зробив кілька пробних варіантів, однак виникли деякі проблеми, через що я відклав проект на деякий час і працював над іншими речами.

Блок-схема_таймера_NE555

Блок-схема таймера NE555. В цей час я працював над ШІМ - контролером двигуна для насоса, у якому регулятор швидкості використовує мікросхему таймера 555 серії. Дивлячись на діаграму внутрішньої структури мікросхеми 555 серії, я був вражений тим, наскільки сильно вона нагадує мою оригінальну схему контролера заряду. Раптом я зрозумів, що, використавши чіп 555 серії, зможу перебудувати схему контролера заряду, значно спростити її і зменшити кількість деталей.

Схема_контролера_заряду_з_виділеними_секціями

Моя оригінальна схема контролера заряду з виділеними секціями.

Блок-схема_чіпа_таймера_NE555

Блок-схема чіпа таймера NE555.

Порівняйте ці діаграми, і ви також побачите схожість між моєю оригінальною схемою контролера заряду і структурною схемою таймера NE555. Кольорові прямокутники представляють подібні секції. Таймер 555 серії може замінити 7 компонентів у вихідній схемі і набагато спростити її. Це дуже нетрадиційне використання чіпа 555, адже я його не буду використовувати його як таймер взагалі.

Для продовження клацніть на кнопці з цифрою 2

Виготовлення і тестування оновленного контролера заряду акумуляторної батареї

 

Макет_контролера_заряду

Я приступив до роботи і за дуже короткий час виготовив робочий макет. Він запрацював з першої спроби, що є рідкістю для мене (я майже завжди допускаюсь помилок при реалізації).

Нова_схема_контролера_заряду

Ось показана схема нового контролера заряду (повнорозмірна схема).

Я використав лише поширені компоненти. NE555 - це, ймовірно, найпопулярніша мікросхема в історії радіоелектроніки. Мільярди їх вироблялись щороку. Транзистор є 2N2222, NTE123, 2N3904, або інший подібний загального призначення (невеликий NPN транзистор). MOSFET є IRF540 або аналогічний. У мене залишилися від інших проектів багато IRF540s, тому я використав один з них, а не купував щось ще. Використовуйте те, що ви можете знайти.

Всі резистори 1/8 Вт. Резистори 1/4 Вт або вищі їх можуть замінити, якщо у вас немає 1/8 Ватт резисторів. Два регульовані резистори, R1 і R2 (10K trimpots) я використав, бо я вже мав їх під рукою. Будь-яке значення між 10K і 100K повинно працювати нормально, 10% допуск достатній для всіх пасивних компонентів. Схема не вимагає будь-яких прецизійних деталей.

Оновлення. Я змінив вище наведену схему, додавши додаткові резистори R8 * і R9 *. Ці 330 Ом резистори не потрібні для роботи схеми, але вони допоможуть захистити її від випадкових коротких замикань (наприклад, коли Кнопки натискаються). Початкова схема була навмисно мінімалістичною.

Реле

Реле. Я використав автомобільні реле, розраховані на 40 Ампер. Їх дуже легко знайти. Я включив реле для зручності підключення. 40 Ампер можуть здаватись зайвими, але вони дозволять розширитись в майбутньому. Ви можете почати з однієї невеликої сонячної панелі, а потім додати дещо пізніше вітряк і більший банк батарей. Всі інші частини вказані нижче.

Перелік деталей контролера заряду

IC1 - 7805 - регулятор напруги 5 Вольт

R3, R4, R5 - 1K Ом 1/8 Вт 10%

IC2 - NE555 — таймер

R6 - 330 Ом 1/8 Вт 10%

PB1, PB2 — контактні Кнопки без фіксації

R7 - 100 Ом 1/8 Вт 10%

LED1 - зелений світлодіод

Q1 - 2N2222 або схожий NPN транзистор

LED2 - жовтий світлодіод

Q2 - IRF540 або схожий Power MOSFET

RLY1 - 40 Amp SPDT автомобільні реле

C1 - 0.33uF 35V 10%

D1 - 1N4001 або аналогічний

С2 - 0,1 мкФ 35В 10%

R1, R2 - 10K - багатообертові потенціометри

R8 * -R9 * - додаткові 330 Ом 1/2 W резистори (див. текст)

Робочий_макет

Робочий макет. Макет для випробовування в польових умовах запрацював з першого разу.

Зверніть увагу, я вирішив використовувати 78L05 версію регулятора 5 Вольт в крихітному TO-92 корпусі, такого ж розміру, як транзистор 2N2222. Це невеликий чорний прямокутник у верхньому лівому куті плати. Таке рішення економить багато місця на платі, дозволяє обробляти тільки 100 мА, але цього досить для живлення цієї схеми. Якщо ви не можете знайти 78L05, можна використовувати в корпусі TO-220 версію 7805, яка є набагато більш поширеною (це трохи збільшить плату).

Якщо у вас схема виготовлена, прийшов час її налаштовувати. Я використовую 11.9V і 14.9V як нижню і верхню межу напруги для контролера. Це точки, де він переходить від заряду батарей до демпінгу на еквівалент навантаження, і навпаки (еквівалент навантаження потрібен тільки, якщо ви використовуєте вітряк, при роботі лише з сонячними батареями, лінія еквіваленту навантаження може залишитися відкритою).

Напевно, кращий спосіб налаштувати схему — під’єднати джерело живлення постійного струму до клем акумулятора. Встановіть електроживлення 11.9V. Виміряйте напругу на випробувальній точці 1. Відрегулюйте R1 напругу на контрольній точці, зробіть її якомога ближчою до 1.667V. Тепер встановлюємо 14.9V і вимірюємо напругу на випробувальній точці 2, регулюємо R2, поки напруга на контрольній точці не буде якомога ближчою до 3.333V.

Перевірте роботу контролера заряду, подавши на вхід напругу більшу і меншу (між 11,7 і 15,1 Вольт). Ви повинні почути як реле закривається близько 14,9 вольт і відкривається приблизно в 11,9 Вольт. Кнопки PB1, PB2 можуть бути використані для зміни стану контролера, коли вхідна напруга знаходиться між двома заданими точками.

Готовий_контролер_заряду

Готовий контролер заряду. Після того, як контролер був настроєний, я встановив його в напів-всепогодний корпус. Реле знаходиться на лівій стороні. Для проводки я використав провід для сильно-токових з’єднань (він розроблений для перемикання до 40 ампер). Я також включив запобіжник на вхідну лінію з сонячної батареї/вітряка.

Готовий_контролер_заряду_з_кришкою

Ось ще одне фото контролера заряду з кришкою. В ньому мені подобається те, що я бачу світлодіоди крізь напівпрозору кришку і з першого погляду зрозуміло, в якому стані контролер заряду знаходиться (зручно при тестуванні).

Вигляд_збоку_контролера_заряду

На цій фотографії показані усі з'єднання із зовнішнього боку контролера: є з'єднання для плюса батареї, позитивний вхід від сонячної панелі або вітрогенератора, плюс додаткового еквіваленту навантаження (баласту) і три з'єднання на землю.

При підключенні контролера заряду, акумулятор повинен приєднуватись першим (таким чином електроніка матиме нагромаджувати отримувану енергію). Якщо сонячні панелі або вітрогенератор приєднати першими, контролер буде перебувати в нестабільному стані.

Я повинен пояснити про еквівалент навантаження (баласт): коли контролер заряду відчуває, що батареї (акумулятор) повністю заряджені, він перемикається на еквівалент навантаження (просто великий зовнішній банк резисторів з високою номінальною потужністю), щоб вибрати вихідну потужність вітрогенератора і тримати його під навантаженням. Якщо ви використовуєте комерційно виготовлений вітряк з вбудованим захистом, або використовуєте тільки сонячні батареї, то еквівалент навантаження непотрібний, і ви можете залишити цю лінію не підключеною. Ви можете дізнатися більше про еквівалент навантаження (баласт) на моїй сторінці вітряних турбін.

Кнопки_заряду_і_баласту

Ось ще один вигляд збоку: кнопки зарядки і баласту. Контролер заряду автоматично перемикається між зарядом і баластом, коли напруга батареї досягає низької і високої межі. Ці кнопки дозволяють мені вручну перемикати контролер заряду між двома станами.

Тестування_контролера_заряду

Ось фото випробування нового контролера заряду. Одна з моїх саморобних 60-ватних сонячних панелей була встановлена за межами моєї майстерні і використана для зарядки до батареї глибокого циклу за допомогою нового контролера заряду. Все спрацювало відмінно. Контролер заряду, коли батарея була повністю заряджена, перемкнув на баласт.

контролер_заряду_12,64

Ось ближче фото установки. Вольтметр показує 12,64 вольт на батареї, яка по суті є повністю зарядженою. Знадобився лише короткий час для завершення заряду сонячної батареї і контролер заряду перемкнув на баласт.

Єдина проблема, яку я мав під час тестування — важко було побачити в яскравому сонячному світлі, який зі світлодіодів горить.

Ось коротке відео, яке я зняв під час виконання тесту, показує, як контролер заряду автоматично перемикається з зарядки на баласт, коли перевищена верхня межа напруги.

Схема_системи_батарей_та_вітрогенератора

Схема типової системи сонячних батарей та вітрогенераторів (повнорозмірна схема). Кілька сонячних панелей і/або вітрові турбіни можуть бути підключені одночасно. Джерела струму можуть бути з'єднані паралельно. Кожна сонячна панель або вітрогенератор повинні мати свій власний блокуючий діод. Тут представлена​​схема типової системи з вітрової турбіни і двох панелей сонячних батарей, що живлять контролер заряду. Зазвичай перетворювач змінного струму входить в систему для живлення навантаження від змінного струму.

Люди пишуть мені і запитують, чому потрібен контролер заряду і акумулятор. Чому просто не підключати сонячні панелі або вітряк безпосередньо до перетворювача і використовувати струм, що вони виробляють? Ну, справа у тому, що сонце не завжди світить, а вітер не завжди дме, а людям енергія потрібна в будь-який час. Батареї зберігають її доступною для використання, коли це необхідно.

Плата_контролера_заряду

Оновлення. Мій друг Джейсон Маркхем (Jason Markham) створив макет друкованої плати для цього проекту.

Оновлення. Люди запитують мене, чи цей контролер заряду може використовуватися з системами на 24 Вольти, і які зміни будуть необхідними. Схема повинна працювати нормально у 24-вольтових системах. Реле потрібно буде замінити для 24В напруги котушки, і потрібно буде повторно відкалібрувати контролер для нових високих і низьких меж для більш високої напруги батареї. Регулятор 7805 напруги розрахований на роботу в режимах до 35 Вольт вхідної напруги, тому в інших змінах у схемі немає необхідності.

Контролер_заряду_встановлений_на_батарейний_блок

Оновлення. Прагнучи створити компактну, акуратну і портативну сонячну енергосистему, я встановив контролер заряду на вершині батарейного блоку. Я також встановив інвертор струму на коробу - акумуляторний ящик промислової потужності.

Контролер_заряду_встановлений_на_батарейний_блок_2

Ось ще одне фото установки. Тут включений прикурювач для живлення 12V навантаження. Це повна сонячна електрична система в одному невеликому (але важкому) пакеті, потрібно лише підключити сонячну батарею.

Контролер_заряду_встановлений_на_новий_батарейний_блок

Контролер заряду встановлений на новий батарейний блок. Мій старий банк батареї я отримав майже безкоштовно, але він був дуже важким і громіздким. Нарешті я купив одну велику батарею приблизно такого ж розміру і ваги як автомобільний акумулятор (це дизайн глибокого циклу), вона ідеально підходить для сонячно/вітряних систем. Вона має приблизно таку ж потужність як попередня, але є набагато меншою і легшою. Це коштувало близько $ 200, але моя спина буде постійно мені дякувати, адже непотрібно буде більше піднімати старий банк 14 батарей.

Оновлення. Цей проект контролера заряду на основі мікросхеми 555 серії зайняв перше місце в Utility, категорія 555 Design Contest !!!!! Yahooooo!

Оригінальний текст Майка Девіса можна прочитати на англомовному сайті www.mdpub.com

Українська

Коментарі

В первую очередь,благодарен за сайт.Хотел бы использовать подобную схему в стационарном исполнении.Живу в деревне,есть солнечные панели,ветрогенератор и плохое зрение.Можно ли использовать принцип этой схемы для реализации в моих условиях?Спасибо

Можна використати. Декілька людей залишили відгуки про цю схему і власний досвід її реалізації на сторінці російськомовної версії цієї статті. Щоб ознайомитись, оберіть мову сторінки Русский або перейдіть за посиланням http://www.radiofishka.in.ua/ru/content/uluchshennyy-kontroller-zaryada-akkumulyatornoy-batarei

Додати новий коментар

Користувацький пошук