Controlador avanzado del cargador de batería

Nuevo cargador de baterías mejorado para sistemas de energía solar y eólica

Para la acumulación de energía de las turbinas eólicas solares, se utilizan baterías recargables (principalmente 12V). Cuando la batería está cargada, el controlador de carga cambia la fuente de alimentación de la batería al balasto de carga. Todo el material a continuación es una traducción gratuita de la página en inglés de Mike Davis sobre un nuevo controlador de carga mejorado, diseñado en base al temporizador de la serie 555. ¡Este proyecto obtuvo el primer lugar en el Concurso de Utilidad (categoría 555 Concurso de Diseño)!

Mike Davis dice.

Nuevo circuito controlador de cargador de batería

 

Funciona_el_controlador_de_carga

El controlador de carga de la batería es una parte integral de cualquier generador de viento o sistema solar. El controlador de carga controla el voltaje de la batería y cambia las baterías de la carga cuando están completamente cargadas (la carga es equivalente a la carga, el balasto) y las conecta cuando alcanzan un nivel de descarga predeterminado. Esta es una implementación nueva y mejorada del controlador de carga basado en el chip digital de la serie 555.

La implementación inicial del controlador de carga se ha utilizado durante muchos años en el campo, muchas personas en todo el mundo lo han repetido (esta versión del controlador puede encontrarse en la página del generador, hecha por sus propias manos).

El problema es que las personas sin la experiencia de trabajar con electrónica fueron difíciles de hacer y de que funcionaran (el esquema es bastante complicado y confuso para los principiantes en electrónica, además, hubo problemas para encontrar los detalles necesarios).

Por lo tanto, me puse una meta para simplificar significativamente la carga del controlador de circuito, hacerlo, si es posible, en un chip y reducir la cantidad de otros componentes. Uno de mis amigos sugirió que reemplace todos los circuitos analógicos con un microcontrolador. Sin embargo, sería demasiado difícil para aquellos que quieren hacer un controlador de la carga.

Esquema_del_controlador_de_carga_inicial

Aquí está mi carga original del controlador de circuito (circuito 100%). El corazón del circuito del controlador de carga consiste en un divisor de voltaje, dos comparadores y un flip-flop SR. Primero quise rediseñarlo usando un comparador de chips LM339 Quad. Intenté implementar esta idea por un tiempo e incluso hice algunas opciones de prueba, pero surgieron algunos problemas, por lo que pospuse el proyecto por un tiempo y trabajé en otras cosas.

Diagrama_de_bloques_del_temporizador_NE555

Diagrama de bloques del temporizador NE555. En este momento estaba trabajando en un controlador PIM para un motor de bomba en el que el controlador de velocidad usa un temporizador de chips de la serie 555. Mirando el diagrama de la estructura interna del chip de la serie 555, me sorprendió lo sorprendente que se parece a la carga de mi controlador de circuito original. De repente, me di cuenta de que al usar el chip de la serie 555, podría reconstruir los circuitos del controlador, simplificarlo enormemente y reducir la cantidad de piezas.

Esquema_de_controlador_de_carga_con_secciones_dedicadas.

Mi controlador de circuito original con secciones dedicadas.

Diagrama_de_bloques_del_chip_temporizador_NE555

Diagrama de bloques del chip temporizador.

Compare estos diagramas y también verá las similitudes entre mi circuito controlador de carga original y el diagrama de bloque de tiempo NE555. Los rectángulos de colores representan secciones similares. El temporizador serie 555 puede reemplazar los 7 componentes en el circuito original y simplificarlo mucho. Este es un uso muy inusual del chip 555, porque no lo usaré como un temporizador.

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Fabricación y prueba de controlador de batería actualizado para batería recargable

 

Diseño_del_controlador_de_carga

Comencé a trabajar y en muy poco tiempo hice un diseño de trabajo. Trabajó en el primer intento, lo cual es raro para mí (casi siempre permito errores al implementar).

Nuevo_esquema_del_cargadel_controlador

Aquí hay un diagrama de un nuevo controlador de carga. (circuito de tamaño completo).

Usé solo componentes comunes. El NE555 es probablemente el chip más popular en la historia de la radio electrónica. Sus billones fueron producidos anualmente. El transistor es 2N2222, NTE123, 2N3904 u otro propósito general similar (transistor NPN pequeño). MOSFET es IRF540 o similar. Me quedan muchos IRF540 fuera de otros proyectos, así que usé uno de ellos y no compré nada más. Usa lo que puedas encontrar.

Todos los resistores 1/8 W. Las resistencias de 1/4 W o más se pueden reemplazar si no tiene resistencias de 1/8 vatios. Dos resistencias ajustables, R1 y R2 (trimpots 10K), las usé, porque ya las tenía a mano. Cualquier valor entre 10K y 100K debería funcionar normalmente, 10% de admisión es suficiente para todos los componentes pasivos. El esquema no requiere ningún detalle de precisión.

Actualizaciones. Cambié el esquema anterior agregando resistencias adicionales R8 * y R9 *. Estos resistores de 330 ohmios no son necesarios para la operación del circuito, pero lo ayudarán a protegerlo de cortocircuitos accidentales (por ejemplo, cuando se presionan los botones). El esquema inicial fue deliberadamente minimalista.

Relé

Relé. Utilicé relés de coche, diseñados para 40 amperios. Son muy fáciles de encontrar. Encendí el relé para facilitar la conexión. 40 amperios pueden parecer superfluos, pero permitirán expandirse en el futuro. Puede comenzar con un panel solar pequeño y luego agregar un poco más tarde a un molino de viento y un banco de baterías más grande. Todas las demás partes se enumeran a continuación.

Lista de partes del controlador de carga.

IC1 - 7805 - regulador de voltaje 5 voltios

R3, R4, R5 - 1K ohm 1/8 W 10%

IC2 - NE555 - temporizador

R6 - 330 ohm 1/8 watts 10%

PB1, PB2 — botones de contacto sin fijación.

R7 - 100 ohmios 1/8 W 10%

LED1 - LED verde

Q1 - 2N2222 o un transistor NPN similar

LED2 - LED amarillo

Q2 - IRF540 o similar MOSFET de potencia

RLY1 - Relés de coche SPDT de 40 amperios

C1 - 0.33uF 35V 10%

D1 - 1N4001 o similar

С2 - 0.1 μF 35V 10%

R1, R2 - 10K - potenciómetros multivuelta

R8 * -R9 * - Resistencias adicionales de 330 ohmios 1/2 W (ver texto)

Disposición_de_trabajo

Disposición de trabajo. La prueba simulada para condiciones de campo ha comenzado por primera vez.

Tenga en cuenta que decidí usar la versión 78L05 del regulador de 5 voltios en una pequeña caja TO-92 del mismo tamaño que el transistor 2N2222. Este es un pequeño rectángulo negro en la esquina superior izquierda del tablero. Esta solución ahorra mucho espacio en la placa, le permite manejar solo 100 mA, pero esto es suficiente para alimentar este circuito. Si no puede encontrar 78L05, puede usar la versión 7805 de TO-220, que es mucho más común (aumentará ligeramente la tarifa).

Si tienes un esquema hecho, es hora de configurarlo. Uso 11.9V y 14.9V como los límites de voltaje superior e inferior para el controlador. Este es el punto donde va de la batería al volcado al equivalente de la carga, y viceversa (la carga equivalente solo es necesaria si usa un molino de viento, cuando se trabaja solo con paneles solares, la línea de carga equivalente puede permanecer abierta).

Probablemente, la mejor manera de configurar el circuito es conectar una fuente de alimentación de CC al conector de la batería. Instale la fuente de alimentación 11.9V. Mida el voltaje en el punto de prueba 1. Ajuste el voltaje R1 en el punto de control, colóquelo lo más cerca posible de 1.667V. Ahora instale 14.9V y mida el voltaje en el punto de prueba 2, ajuste el R2, hasta que el voltaje en el punto de control no sea lo más cercano posible a 3.333V.

Verifique el funcionamiento del controlador de carga, dando mayor y menor voltaje de entrada (entre 11.7 y 15.1 voltios). Debe escuchar cómo el relé se cierra a unos 14,9 voltios y se abre a unos 11,9 voltios. Los botones PB1, PB2 se pueden usar para cambiar el estado del controlador cuando la tensión de entrada se encuentra entre dos puntos preestablecidos.

Carga_lista_del_controlador

Listo controlador de carga. Después de que el controlador fue sintonizado, lo instalé en un estuche para todo clima. El relé está en el lado izquierdo. Para el cableado, usé un cable para conexiones de alta corriente (fue diseñado para conmutar hasta 40 amperios). También incluí un fusible en una línea de entrada de un molino solar / eólico.

Listo_controlador_de_carga

Aquí hay otra foto de un controlador de carga con una tapa. En él, me gusta el hecho de que veo los LED a través de una tapa translúcida y, a primera vista, queda claro en qué estado se encuentra el controlador de carga (es conveniente cuando se prueba).

Vista_lateral_del_controlador_de_carga

Esta foto muestra todas las conexiones desde el exterior del controlador: hay una conexión para la ventaja de la batería, una entrada positiva del panel solar o del generador de viento, más un equivalente de carga adicional (balasto) y tres conexiones a tierra.

Al conectar un controlador de carga, la batería debe conectarse primero (por lo tanto, los componentes electrónicos deberán acumular la energía recibida). Si conecta primero los paneles solares o la turbina eólica, el controlador estará en un estado inestable.

Tengo que explicar el equivalente de la carga (lastre): cuando el controlador de carga siente que la batería está completamente cargada, cambia al equivalente de carga (solo un gran banco externo de resistencias con alta potencia nominal) para seleccionar la potencia de salida del aerogenerador y mantenerlo bajo carga . Si está utilizando un aerogenerador fabricado comercialmente con protección incorporada, o utiliza solo paneles solares, el equivalente de carga no es necesario y puede dejar esta línea desenchufada. Puede obtener más información sobre la carga equivalente (lastre) en mi página de aerogeneradores.

Botones_para_carga_y _astre.

Aquí hay otra vista lateral: cargando botones y lastre. El controlador de carga cambia automáticamente entre carga y lastre cuando el voltaje de la batería alcanza un nivel alto y bajo. Estos botones me permiten cambiar manualmente el controlador de carga entre dos estados.

Probando_el_controlador_de_carga

Aquí hay una prueba de un nuevo controlador de carga. Uno de mis paneles solares de 60 vatios se instaló fuera de mi estudio y se utilizaba para cargar una batería de ciclo profundo con un nuevo controlador de carga. Todo funcionó bien. El controlador de carga, cuando la batería estaba completamente cargada, cambió a balasto.

controlador_de_carga_12,64

Aquí hay una foto de instalación más cercana. El voltímetro muestra 12.64 voltios en una batería, que está esencialmente completamente cargada. Solo tomó un corto tiempo completar la carga de la célula solar y el controlador de carga cambió al balasto.

El único problema que tuve durante las pruebas: fue difícil verlo a la luz del sol, cuál de los LED se quema.

Aquí hay un video corto, que saqué durante la prueba, que muestra cómo el controlador de carga cambia automáticamente de carga al balasto cuando se excede el límite de voltaje superior.

Esquema_de_batería_y_sistema_de_generador_de_viento.

El esquema de un sistema típico de paneles solares y aerogeneradores. (circuito de tamaño completo). Se pueden conectar varios paneles solares y / o turbinas eólicas al mismo tiempo. Las fuentes de corriente se pueden conectar en paralelo. Cada panel solar o generador de viento debe tener su propio diodo de bloqueo. Aquí hay un diagrama de un sistema típico de una turbina eólica y dos paneles de paneles solares que alimentan al controlador de una carga. Normalmente, el convertidor de CA ingresa al sistema para alimentar la carga de CA.

La gente me escribe y pregunta por qué necesita un controlador de carga y una batería. ¿Por qué no simplemente conectar un panel solar o un molino de viento directamente al convertidor y usar la corriente que producen? Bueno, el punto es que el sol no siempre brilla, y el viento no siempre sopla, y las personas necesitan energía en cualquier momento. Las baterías lo mantienen disponible para su uso cuando sea necesario.

Tarjeta_impresa

Actualizaciones. Mi amigo Jason Markham creó un diseño de PCB para este proyecto.

Actualizaciones. La gente me pregunta si este controlador de carga se puede usar con sistemas de 24 voltios y qué cambios se requerirán. El circuito debería funcionar normalmente en sistemas de 24 voltios. El relé deberá reemplazarse con un voltaje de bobina de 24 V, y será necesario volver a calibrar el controlador para nuevos límites alto y bajo para un voltaje más alto de la batería. El regulador de voltaje 7805 está diseñado para funcionar en modos de hasta 35 voltios de voltaje de entrada, por lo que no es necesario realizar otros cambios en el circuito.

controlador_de_carga_1

Actualizaciones. En un esfuerzo por crear un sistema de energía solar compacto, preciso y portátil, instalé un controlador de carga en la parte superior del paquete de baterías. También instalé un inversor de corriente en la caja: la caja de la batería de energía industrial.

controlador_de_carga_2

Aquí hay otra instalación de fotos. Aquí hay un encendedor de cigarrillos para alimentar una carga de 12V. Este es un sistema eléctrico solar completo en un paquete pequeño (pero pesado), solo necesita conectar una batería solar.

controlador_de_carga_3

El controlador de carga está instalado en una nueva batería. Mi antiguo banco de baterías lo conseguí casi gratis, pero era muy pesado y engorroso. Finalmente, compré una batería grande de aproximadamente el mismo tamaño y peso que una batería de automóvil (este es un diseño de ciclo profundo), es ideal para turbinas eólicas / solares. Tiene aproximadamente la misma potencia que la anterior, pero es mucho más pequeña y liviana. Cuesta alrededor de $ 200, pero mi espalda siempre me dará las gracias, ya que ya no es necesario levantar una batería vieja de 14 baterías.

Actualizaciones. Este proyecto del controlador de carga basado en la serie de chips 555 se llevó el primer lugar en el concurso de diseño de la categoría 555 Design Contest !!!!! Yahooooo!

El texto original de Mike Davis se puede encontrar en el sitio en inglés www.mdpub.com

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