Контроллер разряда АКБ (солнечная система)

[ppp]

Пока ребята разрабатывают преобразователь и контроллер заряда АКБ от солнечной батареи (тема здесь: viewtopic.php?f=11&t=94570), решил заняться контроллером разряда.

Казалось бы, уже миллион разных отключалок разработано на все случаи жизни, но озадачился внезапно таким неожиданным вопросом.

Подавляющее большинство авторов различных ЗУ рекомендуют производить зарядку АКБ с отключенной нагрузкой. Вроде бы все правильно - контроллер заряда должен управлять зарядом и не надо ему мешать. С другой сторону, ну и пусть себе подкармливает еще и нагрузку...

Не вижу однозначного ответа, а от него зависит схема ключа: то ли сделать тупой отключатель нагрузки от АКБ, то ли лучше сразу сделать переключатель АКБ с нагрузки на ЗУ (включена нагрузка, отключено ЗУ и наоборот). Нет у кого-нибудь мыслей на этот счет?

Для справки:
контроллер разряда проектируется для мобильной системы резервного питания маломощных потребителей (мобильники, айпады, ноутбук, локальное освещение и т.п., максимальный разрядный ток - до 6A). Предполагается использовать герметичную батарею типа AMG, 17Ач 12V.

[Starichok51]

если панель на текущее время дает больше, чем потребляет нагрузка, то почему бы не пустить остатки на заряд АКБ?

[Slabovik]

Мысль такая, что при повседневном использовании, отключать ЗУ вообще не надо. Есть солнце - пусть оно потихоньку пилит, его работа использованию АКБ в это же время совершенно не мешает. А отключение нагрузки я бы двуступенчатое делал (если батарея большая силовая). Первым делом выключались бы второстепенные (и как правило наиболее мощные) потребители, и только в самом конце приоритетные (например, освещение).

При совместной работе умной зарядки с периодически пользуемой в это время батареей встает вопрос о моменте прекращения зарядки. Поясню. Классический алгоритм зарядки предполагает "догон" напряжения на батарее до 14.4 и затем переход у режим "компенсации саморазряда" на уровне где-то 13.6. При провале напряжения до какого-то значения вновь включается режим "гоним до 14.4". А при подключении мощной нагрузки провал будет обязательно. Вопрос в том, а надо ли переходить в режим "гоним до 14.4" после такого кратковременного провала, или же просто стоит добиться, играясь порогами срабатывания переключателя режимов, чтобы переход из режима в режим был не настолько частым? (именно по этой причине в инструкциях к ЗУ указывают на отключение нагрузки - эти ЗУ просто ничего про неё не знают, и чисто юридически подстраховываются на всякий случай)

Кстати, в этой интерпретации совершенно было бы не нужно переключать СБ на нагрев воды. Ибо нагрев воды было бы удобно включить как обычный потребитель, правда, с несколько не совсем обычными свойствами. Этот нагреватель прекрасно может работать в качестве параллельного (шунтирующего) стабилизатора напряжения на АКБ. Что позволило бы снять с контроллера заряда функцию ограничения тока и головную боль с коммутацией туда-сюда-обратно...

[Андрей 163]

то ли сделать тупой отключатель нагрузки от АКБ, то ли лучше сразу сделать переключатель АКБ с нагрузки на ЗУ (включена нагрузка, отключено ЗУ и наоборот). Нет у кого-нибудь мыслей на этот счет?

мысль такая, нужно сделать нагрузку "умной", в любой нагрузке есть ключ и наверняка найдется лишний компаратор с небольшим гистерезисом, при желании можно будет настроить нагрузку по приоритету отключения. именно так планирую сделать у себя, и не надо будет через тонюсенькие ножки мосфета пускать большой ток, да и самого мосфета лишнего ни к чему...

[ppp]

Андрей 163, мысль интересная, но, боюсь, что я её не до конца понимаю. Нельзя ли её как-нибудь графически выразить на уровне функциональной схемы хотя бы?

Вот в конкретно моем случае предполагается от АКБ питать:
1. преобразователь 12V -> +5V для разной мелочевки типа телефонов и айпадов;
2. преобразователь 12V -> +19V для ноутбука;
3. преобразователь 12V -> ~220V для маломощной бытовухи;
4. прямой выход с АКБ для различных автомобильных прибамбасов в т.ч. и локальное освещение.

Вместо одного компаратора и ключа на всю АКБ, Вы предполагаете внести их в каждую нагрузку, чтобы она сама сообразила можно ей подключиться или нет? А если возникнет необходимость в подключении "неумной" нагрузки? АКБ останется без контроля?

и не надо будет через тонюсенькие ножки мосфета пускать большой ток

Ну, это легко обойти. В качестве нагрузки одного универсального контроллера разряда с хилым мосфетом можно использовать обмотку мощного реле или контактора, который и будет уже коммутировать мощную нагрузки и "взрослый" АКБ.

[Андрей 163]

[quote="ppp"][/quote]

В любом DC/DC, DC/AC преобразователе есть и рабочий ключ (который мы можем закрыть в любое удобное для нас время) и свободный компаратор (будь то хоть драйвер светодиодов хоть БП ноутбука) и если они собраны своими руками, то мы знаем что куда нужно припаять дабы они "поумнели", а отдельный выход на всякие нужды тоже можно оснастить "мозгами" и в этом случае коммутируемый ток будет значительно меньше.
Ни какой структуры, вернее структура абсолютно любая даже в уже отлаженной структуре менять ничего не нужно, - настраиваем напряжение отключения каждой нагрузки в зависимости от приоритета - в последнюю очередь отключим свет или холодильник, как Вам будет угодно...


P.S. мощное реле тоже кушать хочет, мне жалко на него ватты тратить.

[Slabovik]

Если таких самоконтролирующихся устройств будет слишком много (буквально - больше пары-тройки), то получим геморрой с настройкой. Плюс ещё провода (будь они неладны, но в таком тонком деле даже 5 сотых вольта уже имеет вес). Поэтому в реале делают как раз пару порогов (низкий и высокий приоритет). Ну, и всегда остаётся возможность подключить что-либо "мимо" такого автомата отключения (естественно, не злоупотребляя - что-то типа "ручного управления", т.е. не рассчитанное на то, что оно останется так висеть).

мощное реле тоже кушать хочет, мне жалко на него ватты тратить.

Мощные реле надо использовать механически самофиксирующиеся в одном из двух положений. Для управления ими достаточно импульса тока через катушку.

[Телекот]

Всё зависит от типа батареек, если батарейки с памятью то лучше отдельно заряжать и разряжать.
Если батарейки не имеют эффекта памяти то им по барабану есть нагрузка или нет.

[jonpim]

В ноутбуках контроллер заряда и разряда собран на одном чипе . На старых буках батареи были с эффектом памяти , для них были другие контроллеры .
Также в них есть следящая схема за диапазоном входного напряжения .

[ppp]

Всё, Андрей 163, я понял Вашу идею. Более того, в хозяйстве даже есть такая "умная" нагрузка. В виде автомобильного преобразователя +12V->~220V от Mean Well. Да, согласен, реализовать её не так уж и сложно. Даже LM2596, на которой собираюсь замутить преобразователь для мелочевки, имеет 5-ю ногу для включения-отключения, не говоря об импульсных преобразователях на рассыпухе. И такой подход идеально реализует идею многоступенчатого отключения, о которой говорит Slabovik. В самой нагрузке уже будет задано слабая она или сильная, на каком этапе должна отключаться. Но (это вечное "но" ), всю нагрузку не предусмотришь, не переоборудуешь. Но чтобы Вам с нами было не скучно, давайте далее считать, что мы занимаемся вот этим:

отдельный выход на всякие нужды тоже можно оснастить "мозгами"

Мощные реле надо использовать механически самофиксирующиеся в одном из двух положений.

О, спасибо, что напомнили об их существовании. Но и тут вопрос есть. Частного порядка, можно сказать. Из доступных мне есть только РПС 32. Две группы переключающих контактов с максимально допустимым током коммутации до 3А (постоянки) на группу. Самая мощная из планируемой нагрузки - ноутбук (60W), плюс ватт 5-10 освещение или еще что-нибудь. Т.е. на ампер 10 от АКБ в пике нужно ориентироваться. Можно ли будет жить спокойно, если запараллелить контакты двух таких реле? Конечно понимаю, что абсолютной синхронности не будет даже между группами одного реле. Но может кто сталкивался с какой-нибудь несложной системой плавного пуска нагрузки? Или партизанщина и лучше отказаться? Но соблазнительно , всего один непродолжительный импульс в 10mA на переключение и больше ничего не кушает. Даже соблазнительнее любого полевика.

А отключение нагрузки я бы двуступенчатое делал (если батарея большая силовая)

В данном конкретном случае АКБ совсем не большая. Но, если родится контроллер, который и Вам подойдет, то почему и бы не обсудить сейчас алгоритм его работы.

Мои сомнения.
Двухступенчатое (или более) отключение нагрузки предполагает максимальное "высасывание" АКБ. Правильно? В солнечных системах, как правило, из АКБ забираем энергию по вечерам. К ночи оказываемся с высосаной в ноль АКБ и на часов 8-10 или более оставляем ее в таком состоянии, что, говорят, очень вредно. После глубокого разряда рекомендуют заряжать сразу же, а солнца-то и нет ночью. Исходя только из этих соображений я планирую устанавливать порог отключения не 10.8V, как большинство схем в инете, а не ниже 11,2V. Чтобы на ночь она не с нулем все-таки оставалась. И, как китайские контроллеры, после этого глубокого разряда не давать подключать никакую нагрузку, пока не зарядим АКБ хотя бы до 12,6V.

Ну, ладно. Одно другому не мешает. Устанавливаем уровень абсолютного отключения для любой нагрузки 11,2V, тем самым страхуем себя от высасывания в 0. А вот дальнейший алгоритм мне не очень понятен. Дошли до (допустим) 11,3V - отключаем только розетку мощной нагрузки. Так? Напряжение на АКБ приподнялось и маломощная продолжает питаться. Опустились до 11,2V - отключаем и вторую розетку. Примерно так?

[ppp]

Вот что у меня получилось.



В железе проверено.

Работает по следующему алгоритму:
- если на АКБ больше 12,6V, то светодиод HL2 горит зеленым;
- если меньше или равно 12,6, но больше 12V, то - желтым;
- если меньше или равно 12, но больше 11,5V, то красным;
- если меньше или равно 11,5, но больше 11,2V, то красный мигает и сигналит зуммер. Контур мощной нагрузки отключается именно в это время;
- если меньше 11,2V - отключается контур слаботочной нагрузки и сам контроллер.

Если отключение производилось не по инициативе пользователя, а из-за глубокого разряда, то повторное включение возможно только, когда на АКБ опять будет хотя бы 12,6V. В противном случае при нажатии кнопки "Вкл." будет только попискивать зуммер и моргать красный.

Если отключение производилось пользователем (на любой стадии), то повторно включится до достижения на АКБ 12,6V только контур слаботочной нагрузки.

В железе не проверялось:
- противопожарное токовое реле (не вижу причин ему не работать);
- ключ контура мощных нагрузок (даже не проектировал). Отработку управляющего сигнала (активный - высокий уровень) проверял светодиодным датчиком;
- схему замены электромагнитного реле на полевик (нет под рукой, искать лень);
- схема защиты от переполюсовки (на схеме обведена контурной рамкой). У кого есть сомнения из-за наличия встроенного диода, можно погуглить, на эту тему есть прекрасные работы. А лучше взять и соединить две детали и проверить в железе. Мне эта причуда не нужна, т.к. АКБ и контроллер будут собраны в одном корпусе, один раз можно и повнимательнее подключить .

Советы и пожелания.
1. Если предполагается эксплуатировать контроллер с подключенным ЗУ к АКБ, и это ЗУ непредсказуемо в своем поведении и может поднять напряжение на АКБ > 15V, то необходимо позаботиться о защите входа ADC2 контроллера (3-я нога) от перенапряжения. Хотя бы зашунтировать нижнее плечо делителя (R5+R6) стабилитроном на 5,1V, не забыв поставить самовосстанавливающийся предохранитель. Если ЗУ с придурью, то внутренняя диодная защита может и не спасти. Хотя тогда МК - будет самой маленькой потерей во всей системе .
2. В архиве только файл прошивки. Перед прошивкой области EEPROM забейте в hex-редакторе своего прошивателя первую ячейку EEPROM двумя нолями хотя бы (пофигу чем, лишь бы FF там не было).
3. Fuse bit RSTDISBL лишает вас возможности последующей перепрошивки МК последовательными программаторами.
4. Прошивка выкладывается "As is". Границы диапазонов могу изменить для активных участников этой темы. Легко и с удовольствием. Для прочих скучающих наблюдателей этого обещать не могу.

Удачи! И спасибо тем, кто откликнулся и поделился своими мыслями.

[ppp]

Два дня основательно погонял макет контроллера с реальными нагрузками и реальным АКБ. Сделал много новых выводов, отличается все-таки работа при подключении к ЛБП и к АКБ, внес некоторые исправления.

1. Тысячу раз прав Slabovik, предложивший двухуровневое отключение (разные уровни для мощных и хилых нагрузок). В первую очередь из-за пусковых токов. При не очень заряженной батарее с одним уровнем контроллер просто отключается. С двумя уровнями он отключает только мощную нагрузку. Если нагрузка имела емкостной или индуктивный характер, то повторная попытка через 100mS её спокойно включает в работу, а не вырубает весь контроллер до новой полной зарядки.

Комфортнее, когда разница между порогами для мощной и хилой нагрузки небольшая (0,1V). И легче пороги определять экспериментальным путем в зависимости от конкретных условий эксплуатации и нагрузки, а не путем умозаключений.

В связи с этим переписал программу и вынес значения порогов переключения этапов в EEPROM. Теперь можно без компиляции устанавливать любые их значения прямо в буфере области данных. Никаких перерасчетов под разрядность АЦП производить не нужно, достаточно просто нужное значение умножить на 10 (убрать десятичный разделитель, т.е. если надо задать 12,6V, то записываем 126) и записать в нужную ячейку в шестнадцатиричном виде (или в каком там ваша программа принимает).

Вот так это выглядит в моей WizardProg87:


При загрузке файла с данными CR_V4.eep.HEX в PonyProg2000, данные сдвигаются на один байт вправо. Должно ли так быть - не знаю, программатора способного работать с PonyProg2000 у меня нет, попробовать не на чем.

2. По случаю выезда в город зашел в Микронику и купил IRF5305 (55V, 31A, 0,06ом) по 44руб. Заодно развеял для себя миф о недоступности и дороговизне P-канальных мосфетов. В несколько раз дешевле релюшки с контактами на такой же ток.

Сравнивая работу ключей на полевике и на релюшке, так и не пришел к однозначному ответу на вопрос что для меня лучше.
В самом нагруженном режиме (4-й этап, когда открыт ключ, пищит зуммер и моргает светодиод) с ключом на полевике контроллер потребляет 19mA, с релюшкой, указанной на схеме, почти 41mA). Но при 10A нагрузке на этом полевике рассеивается 6Вт, а на контактах реле ничего. И в выключенном состоянии с ключом на релюшке потребление - абсолютный ноль, а с ключом на этом полевике и с управляющим КТ3102Е утекает из АКБ почти 0,4mA. Мелочь, конечно, но психологический дискомфорт от осознания самого факта присутствует.

3. Никогда не был фанатом МК, скорее даже наоборот. Но это, пожалуй, как раз тот редкий случай, когда его применение уместно. Работой контроллера в реальных условиях более чем удовлетворен. Попытка тот же алгоритм реализовать на дискретных компараторах и логике закончилась тем, что не хватило подстроечников и со словами "Да ну нафиг эти подвиги" макет был разобран так и не будучи ни разу включенным.


КРАШ ТЕСТЫ. Да, тоже проводил .

1. Переполюсовка.
При переполюсовке умирает 78L05. Другие не успевают, т.к. она срабатывает как предохранитель . При планировании часто подключать к АКБ все-таки следует позаботиться о защите.

2. Перенапряжение по входу.
Добавил в программу режим отключения при напряжении на АКБ 15 и более вольт. Никто (волновал только входной порт МК) умереть не успевает.

3. Перегрузка по току и КЗ.
Собственно, сам контроллер это мало заботит, он в стороне. Более того, при перегрузках и КЗ он сам выступает в роли предохранителя, т.к. при этом напряжение на АКБ сильно проседает и выходит за нижний порог отключения. Но тем не менее, для защиты контактов реле (или полевика, если ключ на нем), и защиты самого АКБ я сделал все-таки токовые реле для каждого из контуров нагрузок - на 6A и на 15А. Отключают нагрузку быстрее плавких предохранителей (включал последовательно плавкие предохранители на меньший ток 5A и 10A, не успевали срабатывать).
Слева на фото реле на 6А (6 витков), справа - на 15A (3 витка). Ток срабатывания зависит не только от количества витков, но и от взаимного расположения геркона и катушки, двигая вдоль оси можно подстраивать. Поэтому после настройки лучше зафиксировать капелькой клея.


С наступающим всех!

[Slabovik]

Если реализовывать пороги на микроконтроллере (да и на железном уровне тоже), я бы ещё тайм-аут ввёл по снижении до уровня (своеобразный анти-дребезг). Это как раз метод борьбы с ложными отключениями при пусковых токах. Если напряжение, например, пересекло порог, скажем, 11,5 вольт, то начинаем отсчёт времени (сколько - не знаю, полсекунды~две секунды). Если напряжение не вернулось обратно, то выключаем. Если вернулось - ложная тревога, никого не выключаем. Как-то так... Ну и 50-герцовый фильтр (уже хардверный, перед АЦП/компаратором надо), ибо те же преобразователи 12=>220 зело неравномерно потребляют...

[ppp]

Да, с тайм-аутом мысль очень правильная. Завтра сделаю. На оба предела. Две секунды вполне приемлемо и достаточно, за это время с АКБ точно ничего не произойдет и пусковые токи даже насосной станции устаканиться успеют.

С фильтром тоже мысль по делу, но я их считать пока не умею , надо сначала научиться.

Добавлено 30.12.2013
Внес изменения: если через секунду после измерения напряжение на АКБ не увеличилось, то соответствующий ключ закрывается.

По фильтру на входе АЦП. Просмотрел, как делают умные люди на разных вольтметрах. Максимум - шунтируют вход АЦП конденсатором. Тоже зашунтировал танталовым на 1,0 и керамикой 0,1. Протестировал на самодельном преобразователе для ноутбука на 3843 и фирменным 300W 12->~220 от Mean Well. Самодельный - без фильтров на входе. Фирменный - все по-взрослому.
Никаких нехорошестей не отметил в обоих случаях, включает и работает нормально.

[ppp]

В процессе полевых испытаний вылезли две недоработки, о которых следует знать тем, кто решится повторять.

1. Каким-бы замечательным не был полевик, он имеет не нулевое сопротивление канала. В случае с моими irf5305 это 0,06ом. Т.е. при токе в нагрузке 10А, на нем падает 0,6V. А т.к. меряем напряжение после него, то и отключаем нагрузку совсем не тогда, как задавали. Пути решения два: плохой и очень плохой. Либо учитывать это падение в константах, задаваемых в EEPROM (это очень плохое решение, т.к. при разных нагрузках падение напряжения на полевике будет разным). Либо переносить делитель АЦП непосредственно на АКБ, до полевика. Это просто плохое решение , т.к. к тем 0,4mA утечки которые уже имеем при выключенном контроллере, добавится еще и утечка по делителю.

Мой контроллер будет релейным, как и планировал изначально. Он свободен от этих проблем, хоть и не модный у китайцев .

2. При работе на ненагруженные преобразователи, после принудительного отключения контроллера кнопкой SB2 происходит автозапуск МК обратным напряжением, накопленным в конденсаторах входных фильтров преобразователей. Выхода два: изменять схему включения и выключения и программу МК (а может и сам МК, т.к. ресурсы по ногам и памяти уже на пределе) или ставить на входе преобразователей блокирующие диоды. Ставить один мощный диод на выходе самого контроллера плохо, т.к. он тогда должен будет работать всегда, независимо от характера нагрузки, что не гуд.

Мой контроллер останется без изменений, т.к. все преобразователи известны и будут монтироваться в единой конструкции с контроллером.