Контроллер заряда и балансир li-ion аккумулятора 18650

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.

Техника подключения моделей PWM

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

Техника соединения контроллеров PWM с периферийными устройствами особыми сложностями не выделяется. Каждая плата оснащена маркированными клеммами. Здесь попросту требуется соблюдать последовательность действий

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 этом материале 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/мм2. То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения к АКБ сечением не меньше 20 мм2.

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 солнечных панелей 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.

Далее, после непродолжительной паузы (1-2 мин), поставить на место ранее извлечённый предохранитель солнечной панели и перевести выключатель панели в положение «включено».

Функции

Контролеры созданы для:

  1. Наблюдения за процессом зарядки. При восстановлении емкости от 0 до 10% работает предварительное накопление емкости. От 10 до 70-80% происходит увеличение скорости наполнения постоянным током. Дозарядка проходит медленнее, из-за увеличившегося сопротивления в цепи.
  2. Регулировки просадок. Защищает электрическую цепь от короткого замыкания, просадок напряжения.
  3. Блокировки перезаряда. У каждой батареи есть лимит максимального напряжения (у Li-Ion он составляет около 4,2 В). Достигнув указанной цифры, питание автоматически отключается, препятствуя вздутию и взрыву АКБ.
  4. Защиты от глубокой разрядки. Если напряжение аккумулятора падает ниже критического значения (3 В в Li-Ion), происходит потеря номинальной емкости, уменьшается время автономной работы.
  5. Балансировки. Следит за равномерной зарядкой всех звеньев электросхемы, увеличивая срок службы элемента питания.
  6. Наблюдения за температурой. При перегреве или переохлаждении срабатывает терморезистор, который отключает питание, поданное на батарею.

Все параметры задают микросхеме или контролеру на этапе производства.

Для чего контроллер аккумулятора

Несмотря на то, что емкость современных АКБ, как и их функциональные возможности, существенно увеличилась, алгоритм их зарядки остался практически неизменным. Когда батарея разряжается, к ней подключают специальное оборудование, которое за счет стимулирования химических реакций в аккумуляторе производит пополнение его емкости.

Важно! Если своевременно не прекратить зарядку, то АКБ может перегреться, и даже произойти взрыв. В ситуации, когда тока для восполнения заряда недостаточно, батарея не может восстановить свою емкость, нахождение длительное время в разряженном состоянии может существенно сократить срок эксплуатации. Чтобы все процессы происходили корректно, а встроенный в мобильный прибор элемент питания работал как можно дольше, необходим контроллер заряда аккумулятора

В его основе, как правило, находятся два резистора, которые контролируют верхний и нижний пределы напряжения. В самом начале восполнения энергии они пропускают через себя максимальный ток, затем его постепенно сокращают, предохраняя АКБ от перезарядки. Если напряжение ниже минимально необходимого, резистор дополняет его до требуемого уровня за счет ранее накопленной энергии

Чтобы все процессы происходили корректно, а встроенный в мобильный прибор элемент питания работал как можно дольше, необходим контроллер заряда аккумулятора. В его основе, как правило, находятся два резистора, которые контролируют верхний и нижний пределы напряжения. В самом начале восполнения энергии они пропускают через себя максимальный ток, затем его постепенно сокращают, предохраняя АКБ от перезарядки. Если напряжение ниже минимально необходимого, резистор дополняет его до требуемого уровня за счет ранее накопленной энергии.

Контроллер заряда АКБ в обязательном порядке присутствует в ноутбуках, мобильных телефонах, переносных кассовых аппаратах, планшетах и так далее. Устанавливают его и в возобновляемые источники энергии, поскольку принцип их работы заключается в том, чтобы накопить энергию в специальную батарею в период солнечной или ветряной активности, а затем передавать ее потребителю. Чтобы контролировать данные процедуры, нужен в данном оборудовании описываемый элемент.

Применение приборов для отслеживания заряда аккумулятора

4 Сравнение контроллеров MPPT и PWM (ШИМ)

В солнечных и ветровых установках по производству электрической энергии используются два вида контроллеров, это МРРТ, о которых было написано выше и PWM (ШИМ) котроллеры.

ШИМ аппараты являются более дешевыми устройствами, принцип действия которых основан на использовании широтно-импульсной модуляции. Устройства данного типа подразделяются на шунтовые и последовательные.

Для того, чтобы выбрать наиболее подходящий для конкретной системы, нужно их сравнить, чтобы изучить достоинства и недостатки каждого типа подобных устройств.

4.1 Достоинства устройств разного типа:

  1. МРРТ контроллеры.

  • Возможность использования в различных системах, различающихся по источнику получения энергии (солнечные, ветровые, комбинированные системы)
  • Высокий КПД.
  • Создание оптимальных условий работы для аккумуляторных батарей позволяет продлить сроки их эксплуатации.
  • Высокое напряжение на входе позволяет уменьшить сечение кабелей и проводов, используемых для соединения элементов системы или увеличить расстояние от источника энергии до контроллера.
  • Использование устройств данного типа позволяют увеличить эффективность использования солнечных батарей, что обусловлено возможностью заряда аккумуляторов при низкой освещённости.
  1. PWM контроллеры.

  • Низкая стоимость.
  • Последовательные модели: позволяют использовать одновременно различные источники энергии и создают низкий нагрев во время регулирования;
  • Шунтовые модели: незначительные потери мощности в процессе работы, слабые электромагнитные помехи и низкий уровень падения напряжения в ключах.

4.2 Недостатки устройств разного типа:

  1. МРРТ контроллеры.
  • Высокая стоимость.
  • Более сложная технология, в равнении с аналогами.
  1. PWM контроллеры.
  • Последовательные модели: при полном заряде источник энергии отключается, значительные потери в последовательных ключах, электромагнитные помехи.
  • Шунтовые модели: значительный нагрев во время работы, невозможность использования с иными источниками энергии, кроме солнечных панелей.

Режим Разряд

Если при старте программы напряжение на АБ ниже Umax, включается дозаряд АБ с током Is. После достижения напряжения Umax начинается разряд АБ с током Ii. Ведется подсчет емкости АБ.

Когда напряжение на АБ достигнет Umin разряд прекращается, на индикатор выводится индикация разряд выкл и емкость на АБ-???.?AH Vm 11.0 – минимальное напряжение на АБ.

Если истекло время дозаряда или разряда (для дозаряда и заряда устанавливается время H) – остановка программы, индикация ERROR.

Если ток заряда или разряда превысил установленные на 0.2 – остановка программы, индикация ERROR в верхней строке. В нижней строке ток, при котором произошло отключение.

Источники

  • https://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/kontroller-zaryada-solnechnoj-batarei.html
  • https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=582543
  • https://KotelSibir.ru/kotel/samodelnyj-kontroller-zaryada-solnechnoj-batarei.html
  • https://kachestvolife.club/ekologiya/solnechnaya-energiya/principy-i-shema-raboty-kontrollera-zaryada-dlya-solnechnoy-batarei-vinur
  • https://batareykaa.ru/kontroller-zaryada-solnechnoj-batarei/
  • https://BurForum.ru/teoriya-i-opyt/kontroller-solnechnoj-batarei-shema.html

Инструкция по изготовлению

Если есть желание, знания по электронике и время, можно изготовить контроллер зарядки аккумулятора своими руками. Конструктивно устройство будет состоять из электронного блока, на корпусе которого будут расположены три диода красного, зеленого и синего цвета. Цвета диодов можно выбрать любые, главное, правильно оценивать полученные результаты.

Назначение данного устройства – контролировать работу автомобильного аккумулятора с напряжение электросети от 6 до 14 В. Этот прибор схож с тем, что продается в магазине. Речь идет о наборе DC-12 В, о котором упоминалось выше. Принцип действия обоих устройств одинаков.

Для изготовления контроллера понадобятся следующие детали:

  • для размещения компонент печатная плата;
  • транзисторы: ВС547 и ВС557;
  • резисторы: сопротивлением 1 кОм – 2, 220 Ом – 3, 2,2 кОм – 1;
  • диоды (стабилизаторы) на 9,1 и 10 В;
  • набор светодиодов RGB (красный, зеленый, синий).

Перед сборкой следует проверить, чтобы контакты соответствовали цвету светодиодов. Проверку можно выполнить с помощью тестера. Это можно сделать с помощью тестера. Монтируя компоненты, желательно светодиоды вывести на проводах длиной 5-20 см, а не припаивать их к плате. Такую конструкцию легче расположить на приборной панели автомобиля.

Сборка устройства осуществляется по следующей схеме:

При сборке следует размещать комплектующие на печатной плате как можно более компактно, чтобы он не занимали много места. После подключения к бортовой электросети контроллер будет показывать текущий уровень зарядки аккумулятора.

Контроллер Майкла Дэвиса

Это устройство предназначено для более мощных солнечных панелей. Оно прекрасно справляется с регулированием зарядки аккумуляторов током, произведенным ветрогенератором. Поскольку аппарат имеет достаточно простое строение, его можно изготовить своими руками.

Есть два варианта этого контроллера. Первый является старым и несовершенным. Второй – простым и более эффективным. Его схема на рисунке:

Для его создания нужно подготовить:

  • 2 регулятора: 7805 (К142ЕН5А) (IC1) и NE555 (IC1);
  • 2 стандартные кнопки (РВ1 и РВ2);
  • 2 LED-лампочки. Одна зеленого цвета, другая – желтого;
  • 1 автомобильное реле на 12 В (RLY1). Желательно подбирать такое реле, которое позволяет коммутировать токи 30-40 А;
  • 1 диод 1N4001. Можно взять любой подобный;
  • 2 подстроечных резистора 10К. На схеме они обозначены, как R1 и R2. Лучше, чтобы они были многооборотными. Разрешается брать такие резисторы, интервал подстройки которых составляет 0-100К. Однако элементы с 10К дают лучшую подстройку;
  • 3 резистора 1К Ом 1/8 Вт 10% (обозначены R3-R5);
  • 1 резистор 330 Ом (R6);
  • 1 резистор 100 Ом (R7);
  • 2 транзистора 2N2222 и IRF540. Обозначены как Q1 и Q2 соответственно. Вместо первого транзистора можно взять 2N3904, NTE123 или любой другой, имеет биполярную NPN структуру и аналогичные характеристики. Так же можно поступить со вторым транзистором;
  • 2 конденсатора 0,33 uF и 0,1uF. Оба рассчитаны на 35 V. Вид конденсатора может быть любой.

Все эти элементы размещают на плате и припаивают. После чего проводят первичную регулировку схемы. Она заключается в выставлении уровней напряжения на контрольных точках ТР1 и ТР2. Напряжение на первой должно равняться 1,667 В, на второй – 3,333 В. Эти уровни выставляют, настраивая кнопки. Также на каждую цепочку питания следует установить предохранитель на соответствующий ток.

Особенности контроллера для зарядки li-ion аккумулятора 18650

Контроллер для литиевых аккумуляторов 18650 расположен сверху корпуса, чем удлиняет само устройство. Плата расположена впереди отрицательной клеммы, защищая АКБ от перезарядки/переразрядки. Основная страна-производитель – Китай.

Предназначение контролера зарядки

Как только защита будет установлена, корпус помещают в специальную пленку с термоусадкой. Из-за дополнительной защитной конструкции корпус удлиняется и утолщается, в редких случаях – не помещается в гнездо. В случае применения аккумулятора 18650 для создания тока в 12 В с общим контроллером заряда прерыватели не устанавливаются.

Основная функция такой защиты – сохранение работы источника энергии в установленных параметрах.

Виды контроллеров

Контроллеры для li-ion аккумуляторов отличаются ценой, производителем и внутренними элементами.

Самые популярные:

  1. HX-3S-A02 (цена – 150 рублей). Производитель – Китай, внутри чип S-8254AA, который защищает литий-ионные элементы от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. К нему можно подключить три АКБ типа 18650 (максимальный ток – 10 А). Размер защиты – 50х16 мм.
  2. FDC-2S-2 (цена – 50 рублей). Производитель – Китай, чип – HY2120, предотвращает сильный заряд/разряд, короткие замыкания. Возможно подключение двух АКБ типа 18650 (максимальный ток – 3А). Параметры защиты – 36х6х1 мм.
  3. HX-2S-01 (цена – 70 рублей). Производство – Китай, чип – HY2120, уберегает от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. Подключаются две АКБ типа 18650 (максимальный ток – 3 А). Размер защиты – 36х6х1 мм.
  4. HX-3S-D01(цена – 220 рублей). Производство – Китай, чип S-8254AA, контролирует сильный заряд/разряд, короткое замыкание. К нему можно подсоединить три АКБ типа 18650 (максимальный ток – 20 А). Размер защитной платы – 51х23 мм.
  5. HX-3S-D02 (цена – 200 рублей). Производитель – Китай, внутри чип S-8254AA, защищает от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. К нему подключаются три АКБ типа 18650 (максимальный ток – 10 А). Размер схемы – 50х16 мм.
  6. HX-4S-A01 (цена – 250 рублей). Производитель – Китай, внутри чип S-8254AA, защищает от сильного заряда/разряда, короткого замыкания. Можно подсоединить четыре АКБ типа 18650 (максимальный ток – 6 А). Размер микросхемы – 67х16мм.

Схемы контроллеров

Ошибочно думать, что контроллеры заряда-разряда существуют: разрядом управлять не нужно, ток находится в прямой зависимости от нагрузки. Главное – это контроль за напряжением и температурой, временем завершения заряда. Под таким контроллером подразумевают плату, защищающую АКБ от глубокой зарядки/разрядки.

Схема контроллера литий-ионного аккумулятора

Микросхемы состоят из различных электронных элементов, поэтому имеют вариации:

  1. DW01-Plus. Самая популярная и простая микросхема, находится под самоклейкой с надписями, которой обернут аккумулятор. Плата шестиногая, полевые транзисторы соединены в один корпус восьминогой сборкой. Сопротивление транзисторов создает измерительный шунт: возникает большой порог срабатывания от одного устройства к другому. В полевики встроены паразитные светодиоды, благодаря которым АКБ заряжается даже при срабатывании защиты от глубокой разрядки.
  2. S-8241 Series. Разработчик микросхемы – фирма SEIKO, специализирующаяся на литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторах. Защитные ключи срабатывают при 2,3 и 4,35 вольтах и при спаде напряжения на FET1-FET2 до 200 мВ.
  3. LV5114OT. Защитная плата срабатывает при 2,5 и 4,25 вольтах, что предотвращает переразряд/перезаряд.
  4. R5421N Series. Среднее потребление энергии в рабочем состоянии – 3 мкА, в состоянии покоя – 0,3 мкА. Данная микросхема имеет ряд модификаций, которые разнятся величиной напряжения срабатывания при перезаряде.

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.

Чем можно заменить некоторые комплектующие

Любой из этих элементов можно заменять. При установке других схем нужно подумать об изменении емкости конденсатора С2 и подборе смещения транзистора Q3.

Вместо транзистора MOSFET можно установить любой другой. Элемент должен иметь низкое сопротивление открытого канала. Диод Шоттки лучше не заменять. Можно установить обычный диод, но его нужно правильно разместить.

Резисторы R8, R10 равны 92 кОм. Такое значение нестандартное. Из-за этого такие резисторы найти сложно. Их полноценной заменой может быть два резистора с 82 и 10 кОм. Их нужно включать последовательно.

Если контроллер не будет использоваться в агрессивной среде, можно провести установку подстроечного резистора. Он дает возможность управлять напряжением. В агрессивной среде он долго не поработает.

При необходимости использовать контроллер для более сильных панелей нужно провести замену транзистора MOSFET и диода более мощными аналогами. Все остальные компоненты менять не нужно. Нет смысла устанавливать радиатор для регулирования 4 А. При установке MOSFET на подходящем теплоотводе устройство сможет работать с более продуктивной панелью.

Какие бывают типы

Следует отметить значительное разнообразие, которым могут похвастаться контроллеры заряда аккумулятора. Если говорить о их видах, давайте сделаем классификацию в зависимости от сферы применения:

  1. Для возобновляемых источников энергии.
  2. Для бытовой техники.
  3. Для мобильных устройств.

Конечно, самих видов значительно больше. Но поскольку мы рассматриваем контроллер заряда аккумулятора с общей точки зрения, то нам хватит и их. Если говорить про те, что применяются для солнечных батарей и ветряков, то в них верхний предел напряжения обычно равняется 15 вольтам, тогда как нижний – 12 В. При этом аккумулятор может генерировать в стандартном режиме 12 В. Источник энергии подключают к нему с использованием нормально замкнутых контактов реле. Что будет, когда напряжение аккумулятора превышает установленные 15 В? В таких случаях контроллером осуществляется замыкание контактов реле. В результате источник электроэнергии с аккумулятора переключается на нагрузочный балласт. Следует отметить, что его не особенно любят ставить для солнечных панелей из-за определённых побочных эффектов. А вот для ветряных генераторов они являются обязательными. Бытовая техника и мобильные устройства имеют свои особенности. Причем контроллер заряда аккумулятора планшета, сенсорного и кнопочного сотового телефонов являются практически идентичными.

2 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.

2.1 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.

2.2 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.Схемное решение в структурном виде для контроллеров заряда, основанных на технологиях MPPT. Здесь уже отмечается более сложный алгоритм контроля и управления периферийными устройствами

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.