Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời cho pin 100 Ah

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời toàn diện này được thiết kế để sạc hiệu quả pin 12 V 100 Ah lớn với hiệu suất tối đa. Bộ sạc năng lượng mặt trời thực tế chống lại tình trạng sạc quá mức, đoản mạch tải hoặc quá dòng.

Các yếu tố quan trọng của mạch điều chỉnh năng lượng mặt trời 100 Ah này, rõ ràng là bảng điều khiển năng lượng mặt trời và pin (12 V). Pin ở đây hoạt động như một bộ phận lưu trữ năng lượng.

Đèn DC điện áp thấp và những thứ tương tự có thể được điều khiển thẳng từ pin, trong khi điện biến tần có thể được vận hành để chuyển đổi điện áp pin trực tiếp thành 240 V AC.

Tuy nhiên, tất cả các ứng dụng này thường không phải là chủ đề của nội dung này, mà tập trung vào kết nối pin với bảng điều khiển năng lượng mặt trời . Có vẻ quá hấp dẫn khi kết nối trực tiếp tấm pin mặt trời với pin để sạc, nhưng điều đó không bao giờ được khuyến khích. Một cách phù hợp bộ điều khiển sạc rất quan trọng để sạc bất kỳ pin nào từ bảng năng lượng mặt trời.

Tầm quan trọng hàng đầu của bộ điều khiển sạc là giảm dòng sạc trong thời gian ánh sáng mặt trời cao điểm khi bảng điều khiển năng lượng mặt trời cung cấp lượng dòng điện cao hơn mức yêu cầu của pin.

Điều này trở nên quan trọng vì sạc với dòng điện cao có thể gây hại nghiêm trọng cho pin và chắc chắn có thể làm giảm tuổi thọ hoạt động của pin.

Không có bộ điều khiển phí, nguy cơ sạc quá mức pin thường là sắp xảy ra, vì sản lượng hiện tại của tấm pin năng lượng mặt trời được xác định trực tiếp bởi mức độ bức xạ từ mặt trời hoặc lượng ánh sáng mặt trời tới.

Về cơ bản, bạn sẽ tìm thấy một số phương pháp để điều chỉnh dòng sạc: thông qua bộ điều chỉnh loạt hoặc một bộ điều chỉnh song song.

Một hệ thống điều chỉnh nối tiếp thường ở dạng bóng bán dẫn được đưa vào nối tiếp giữa bảng năng lượng mặt trời và pin.

Bộ điều chỉnh song song có dạng bộ điều chỉnh 'shunt' gắn song song với tấm pin mặt trời và pin. Các Bộ điều chỉnh 100 Ah giải thích trong bài đăng này thực sự là một bộ điều khiển năng lượng mặt trời loại song song.

Tính năng chính của một bộ điều chỉnh shunt là nó không yêu cầu lượng dòng điện cao cho đến khi pin được sạc đầy. Thực tế mà nói, mức tiêu thụ hiện tại của nó ít hơn đến mức nó có thể bị bỏ qua.

Một khi pin đã được sạc đầy Tuy nhiên, phần điện năng dư thừa sẽ bị tiêu tán thành nhiệt. Cụ thể là trong các tấm pin mặt trời lớn hơn, nhiệt độ cao đó đòi hỏi một cấu trúc tương đối lớn của bộ điều chỉnh.

Cùng với mục đích thực sự của nó, một bộ điều khiển sạc Ngoài ra, cung cấp sự an toàn theo nhiều cách, cùng với việc bảo vệ khỏi việc phóng điện sâu của pin, cầu chì điện tử và một sự an toàn đáng tin cậy đối với việc đảo ngược cực cho pin hoặc bảng điều khiển năng lượng mặt trời.

Đơn giản vì toàn bộ mạch được điều khiển bởi pin thông qua một diode bảo vệ sai cực tính, D1, bộ điều chỉnh sạc năng lượng mặt trời tiếp tục hoạt động bình thường ngay cả khi bảng điều khiển năng lượng mặt trời không cung cấp dòng điện.

Mạch sử dụng điện áp pin không được kiểm soát (đường giao nhau D2 -R4) cùng với điện áp tham chiếu cực kỳ chính xác 2,5 V. được tạo ra bằng cách sử dụng diode zener D5.

Vì bản thân bộ điều chỉnh sạc hoạt động hoàn hảo với dòng điện thấp hơn 2 mA, pin hầu như không được tải vào ban đêm hoặc bất cứ khi nào bầu trời nhiều mây.

Mức tiêu thụ dòng điện tối thiểu của mạch đạt được bằng cách sử dụng MOSFETs loại BUZ11, T2 và T3, mà việc chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp, điều này cho phép chúng hoạt động ở công suất ổ đĩa gần như bằng không.

Kiểm soát sạc năng lượng mặt trời được đề xuất cho pin 100 Ah theo dõi pin điện áp và điều chỉnh mức độ dẫn điện của tranzito T1.

Điện áp pin càng lớn thì dòng điện đi qua T1 càng cao. Kết quả là, điện áp giảm xung quanh R19 trở nên cao hơn.

Điện áp trên R19 này trở thành điện áp chuyển đổi cổng cho MOSFET T2, khiến MOSFET chuyển đổi khó khăn hơn, giảm điện trở từ nguồn sang nguồn.

Do đó, bảng điều khiển năng lượng mặt trời được tải nặng hơn, làm tiêu tan dòng điện dư thừa qua R13 và T2.

Diode Schottky D7 bảo vệ pin khỏi sự đảo ngược ngẫu nhiên của các cực + và - của bảng điều khiển năng lượng mặt trời.

Diode này cũng dừng dòng điện từ pin vào bảng điều khiển năng lượng mặt trời trong trường hợp điện áp của bảng điều khiển thấp hơn điện áp của pin.

Cách hoạt động của bộ điều chỉnh

Sơ đồ mạch của bộ điều chỉnh sạc năng lượng mặt trời 100 Ah có thể được nhìn thấy trong hình trên.

Các phần tử chính của mạch là một vài MOSFET 'nặng' và một IC op amp bốn.

Chức năng của IC này, có thể được chia thành 3 phần: bộ điều chỉnh điện áp được xây dựng xung quanh IC1a, bộ điều khiển xả quá mức pin được cấu hình xung quanh IC1d và phần điện tử bảo vệ ngắn mạch có dây xung quanh IC1c.

IC1 hoạt động giống như thành phần điều khiển chính, trong khi T2 hoạt động như một điện trở công suất thích ứng. T2 cùng với R13 hoạt động giống như một tải hoạt động ở đầu ra của bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Chức năng của bộ điều chỉnh khá đơn giản.

Một phần thay đổi của điện áp pin được áp dụng cho đầu vào không đảo ngược của điều khiển op amp IC1a thông qua bộ chia điện áp R4-P1-R3. Như đã thảo luận trước đó, điện áp tham chiếu 2,5-V được áp dụng cho đầu vào đảo ngược của amp op.

Quy trình hoạt động của điều tiết năng lượng mặt trời khá tuyến tính. IC1a kiểm tra điện áp của pin và ngay khi sạc đầy, nó sẽ BẬT T1, T2, gây ra sự ngắt điện của điện áp mặt trời thông qua R13.

Điều này đảm bảo rằng tấm pin năng lượng mặt trời không quá tải hoặc quá sạc. Bộ phận IC1b và D3 được sử dụng để chỉ báo tình trạng 'sạc pin'.

Đèn LED sáng khi điện áp của pin đạt đến 13,1V và khi quá trình sạc pin được bắt đầu.

Cách các giai đoạn bảo vệ hoạt động

IC1d opamp được thiết lập giống như một bộ so sánh để giám sát pin yếu mức điện áp, và đảm bảo bảo vệ chống phóng điện sâu, và MOSFET T3.

Điện áp pin lần đầu tiên được giảm xuống một cách tương ứng xuống khoảng 1/4 giá trị danh nghĩa bằng bộ chia điện trở R8 / R10, sau đó nó được so sánh với điện áp tham chiếu 23 V thu được qua D5. Việc so sánh được thực hiện bởi IC1c.

Các điện trở của bộ chia tiềm năng được chọn theo cách sao cho đầu ra của IC1d giảm xuống khi điện áp của pin giảm xuống dưới giá trị gần đúng là 9 V.

Sau đó, MOSFET T3 sẽ ức chế và cắt đứt liên kết đất giữa pin và tải. Do độ trễ tạo ra bởi điện trở phản hồi R11, bộ so sánh không thay đổi trạng thái cho đến khi điện áp pin đạt 12 V trở lại.

Tụ điện C2 ngăn cản sự bảo vệ phóng điện sâu được kích hoạt bởi sự sụt giảm điện áp tức thời do, ví dụ, do việc bật một tải lớn.

Bảo vệ ngắn mạch trong mạch có chức năng giống như một cầu chì điện tử. Khi không may xảy ra đoản mạch, nó sẽ cắt tải khỏi ắc quy.

Điều tương tự cũng được thực hiện thông qua T3, cho thấy chức năng song sinh quan trọng của MOSFET T13. MOSFET không chỉ hoạt động như một bộ ngắt mạch ngắn, mối nối thoát nguồn với nguồn của nó còn đóng vai trò như một điện trở máy tính.

Điện áp giảm được tạo ra trên điện trở này được thu nhỏ lại bằng R12 / R18 và sau đó được áp dụng cho đầu vào đảo ngược của IC1c so sánh.

Ở đây, điện áp chính xác được cung cấp bởi D5 được sử dụng như một tham chiếu. Chừng nào mà bảo vệ ngắn mạch vẫn không hoạt động, IC1c tiếp tục cung cấp đầu ra logic 'cao'.

Hành động này chặn dẫn truyền D4, sao cho đầu ra IC1d chỉ quyết định điện thế cổng T3. Phạm vi điện áp cổng khoảng 4 V đến 6 V đạt được với sự trợ giúp của bộ chia điện trở R14 / R15, cho phép giảm điện áp rõ ràng được thiết lập qua đường giao nhau giữa cống và nguồn của T3.

Khi dòng tải đạt đến mức cao nhất, điện áp giảm nhanh chóng cho đến khi mức vừa đủ để bật IC1c. Điều này làm cho đầu ra của nó trở nên logic thấp.

Do đó, bây giờ diode D4 kích hoạt, cho phép cổng T3 được nối đất. Do đó, MOSFET sẽ tắt, dừng dòng hiện tại. Mạng R / C R12 / C3 quyết định thời gian phản ứng của cầu chì điện tử.

Thời gian phản ứng tương đối chậm được thiết lập để tránh kích hoạt sai hoạt động của cầu chì điện tử do đôi khi dòng điện phụ tải tăng cao tạm thời.

Ngoài ra, LED D6 được sử dụng làm tham chiếu 1,6 V, đảm bảo rằng C3 không thể sạc trên mức điện áp này.

Khi ngắt mạch ngắn mạch và tách tải khỏi pin, C3 được phóng điện dần dần qua đèn LED (quá trình này có thể mất đến 7 giây). Vì cầu chì điện tử được thiết kế với phản ứng chậm hợp lý, không có nghĩa là dòng tải sẽ được phép đạt đến mức quá mức.

Trước khi cầu chì điện tử có thể được kích hoạt, điện áp cổng T3 sẽ nhắc MOSFET hạn chế dòng điện đầu ra đến điểm được xác định thông qua cài đặt P2 đặt trước.

Để đảm bảo không có gì bị cháy hoặc rán, mạch bổ sung có cầu chì tiêu chuẩn, F1, được gắn nối tiếp với pin và cung cấp sự đảm bảo rằng sự cố có thể xảy ra trong mạch sẽ không gây ra thảm họa ngay lập tức.

Như một lá chắn phòng thủ cuối cùng, D2 đã được đưa vào mạch. Đi-ốt này bảo vệ đầu vào IC1a và IC1b khỏi bị hư hỏng do vô tình kết nối ngược pin.

Chọn bảng điều khiển năng lượng mặt trời

Việc quyết định một bảng điều khiển năng lượng mặt trời phù hợp nhất, tự nhiên, phụ thuộc vào xếp hạng Ah của pin mà bạn định làm việc.

Bộ điều chỉnh sạc năng lượng mặt trời về cơ bản được thiết kế cho các tấm pin mặt trời có điện áp đầu ra vừa phải từ 15 đến 18 volt và 10 đến 40 watt. Những loại tấm này thường trở nên phù hợp với pin có định mức từ 36 đến 100 Ah.

Tuy nhiên, vì bộ điều chỉnh sạc năng lượng mặt trời được chỉ định để cung cấp dòng điện tối ưu là 10 A, các tấm pin năng lượng mặt trời có công suất 150 watt cũng có thể được áp dụng.

Mạch điều chỉnh bộ sạc năng lượng mặt trời cũng có thể được áp dụng trong cối xay gió và với các nguồn điện áp khác, với điều kiện điện áp đầu vào nằm trong khoảng 15-18 V.

Phần lớn nhiệt được tản ra qua tải hoạt động, T2 / R13. Không cần phải nói, MOSFET phải được làm mát hiệu quả thông qua một bộ tản nhiệt và R13 phải được đánh giá thích hợp để chịu được nhiệt độ cực cao.

Công suất R13 phải phù hợp với xếp hạng của bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Trong trường hợp (cực đoan) khi bảng điều khiển năng lượng mặt trời được nối với điện áp đầu ra không tải là 21 V và dòng điện ngắn mạch là 10 A, trong trường hợp như vậy T2 và R13 bắt đầu tiêu tán công suất tương đương với điện áp sự khác biệt giữa pin và bảng điều khiển năng lượng mặt trời (khoảng 7 V) nhân với dòng điện ngắn mạch (10 A), hoặc đơn giản là 70 watt!

Điều này thực sự có thể xảy ra sau khi pin được sạc đầy. Phần lớn công suất được giải phóng thông qua R13, vì MOSFET sau đó cung cấp điện trở rất thấp. Giá trị của điện trở MOSFET R13 có thể được xác định nhanh chóng thông qua định luật Ohm sau:

R13 = P x I^hai= 70 x 10^hai= 0,7 Ohms

Tuy nhiên, loại đầu ra của tấm pin mặt trời cực đoan này có vẻ không bình thường. Trong nguyên mẫu của bộ điều chỉnh sạc năng lượng mặt trời, điện trở 0,25 Ω / 40 W đã được áp dụng bao gồm bốn điện trở mắc song song 1Ω / 10 W. Việc làm mát cần thiết cho T3 được tính theo cách tương tự.

Giả sử rằng dòng điện đầu ra cao nhất là 10 A (so với mức giảm điện áp khoảng 2,5 V qua đường giao nhau nguồn xả), thì mức tiêu tán tối đa khoảng 27W phải được đánh giá.

Để đảm bảo làm mát đầy đủ T3 ngay cả ở nhiệt độ nền quá cao (ví dụ: 50 ° C), bộ tản nhiệt phải sử dụng điện trở nhiệt từ 3,5 K / W trở xuống.

Các bộ phận T2, T3 và D7 được bố trí ở một mặt cụ thể của PCB, tạo điều kiện cho chúng dễ dàng gắn vào một bộ tản nhiệt chung duy nhất (với các thành phần cách ly).

Do đó, phải bao gồm sự tiêu tán của ba chất bán dẫn này, và trong trường hợp đó, chúng tôi muốn một bộ tản nhiệt có thông số nhiệt từ 1,5 K / W trở lên. Loại được mô tả trong danh sách bộ phận tuân thủ điều kiện tiên quyết này.

Làm thế nào để thiết lập

Rất may, mạch điều chỉnh năng lượng mặt trời của pin 100 Ah khá dễ cài đặt. Tuy nhiên, nhiệm vụ này đòi hỏi một vài (quy định) nguồn cung cấp điện .

Một trong số chúng được điều chỉnh thành điện áp đầu ra 14,1 V và được ghép nối với các dây dẫn pin (được chỉ định là 'acquy') trên PCB. Nguồn điện thứ hai phải có bộ hạn dòng.

Nguồn cung cấp này được điều chỉnh theo điện áp hở mạch của bảng điều khiển năng lượng mặt trời, (ví dụ: 21 V, như trong điều kiện đã nêu trước đó), và được kết hợp với các đầu cực hình thuôn được chỉ định 'tế bào'.

Khi chúng ta điều chỉnh P1 phù hợp, điện áp sẽ giảm xuống 14,1 V. Xin đừng lo lắng về điều này, vì bộ giới hạn hiện tại và D7 đảm bảo rằng hoàn toàn không có gì có thể xảy ra xấu!

Để điều chỉnh hiệu quả P2, bạn phải làm việc với tải cao hơn một chút so với tải nặng nhất có thể xảy ra ở đầu ra. Nếu bạn muốn trích xuất tối đa từ thiết kế này, hãy thử chọn dòng tải là 10 A.

Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng điện trở tải 1Ω x120 W, được tạo thành từ 10 điện trở 10Ω / 10 W mắc song song. Giá trị đặt trước P2 đang bắt đầu quay thành 'Tối đa (gạt về phía R14).

Sau đó, tải được gắn vào các dây dẫn được chỉ định 'tải' trên PCB. Từ từ và thận trọng tinh chỉnh P2 cho đến khi bạn đạt được mức mà T3 chỉ tắt và cắt tải. Sau khi loại bỏ các điện trở tải, các dây dẫn 'tải' có thể được ngắn mạch trong giây lát để kiểm tra xem cầu chì điện tử có hoạt động chính xác hay không.

Bố cục PCB

Danh sách các bộ phận

Điện trở:
RI = 1k
R2 = 120k
R3, R20 = 15k
R4, R15, R19 = 82k
R5 = 12k
R6 = 2,2k
R7, R14, R18, R21 = 100k
R8, R9 = 150k
R10 = 47k
R11 = 270k
R12, R16 = 1 triệu
R13 = xem văn bản
R17 = 10k
P1 = 5k cài đặt trước
P2 = 50k đặt trước
Tụ điện:
Cl = 100nF
C2 = 2,2uF / 25V bán kính
C3 = 10uF / 16V
Chất bán dẫn:
D1, D2, D4 = 1N4148
D3,136 = LED đỏ
D5 = LM336Z-2,5
D7 = BYV32-50
T1 = BC547
T2, T3 = BUZ11
IC1 = TL074
Điều khoản khác:
F1 = cầu chì 10 A (T) với giá đỡ gắn PCB
8 thiết bị đầu cuối thuổng để lắp vít
Tản nhiệt 1.251VW