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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Regolatore di carica della batteria per celle solari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Vari dispositivi possono essere alimentati direttamente dalle celle solari. Tuttavia, un collegamento così semplice delle celle solari è possibile solo se la mancanza di luce solare e, quindi, di alimentazione elettrica praticamente non porta a conseguenze indesiderabili. In molti casi è necessario che gli apparecchi e le apparecchiature elettriche funzionino anche in assenza di luce solare. Per fare ciò, l’energia solare generata durante il giorno dovrebbe essere immagazzinata in batterie per un uso successivo. Le batterie al piombo sono le più adatte a questi scopi. Batterie al piombo Le batterie al piombo sono in realtà costituite da più celle singole collegate in serie. Ogni elemento, che sviluppa una tensione fino a 2 V, contiene due piastre di piombo poste in una debole soluzione di acido solforico. Quando la corrente elettrica scorre attraverso l'elemento, si verifica una reazione elettrochimica reversibile e l'energia elettrica viene immagazzinata nell'elemento, che può essere successivamente utilizzata se necessario. Nonostante la sua apparente semplicità, in realtà il processo di ricarica di una batteria è piuttosto complesso. Una batteria al piombo è un dispositivo elettrico sensibile che richiede un'attenta gestione, soprattutto durante la ricarica. Per dimostrarlo, diamo un'occhiata alle varie fasi di un tipico ciclo di ricarica. La ricarica della batteria inizia quando viene applicata tensione alle piastre della cella, a seguito della quale la corrente elettrica inizia a fluire attraverso di essa. Porta ad una reazione elettrochimica che modifica la composizione chimica delle piastre e dell'elettrolita della cella della batteria. La velocità di questa reazione dipende dall'entità della corrente di carica. Maggiore è la corrente, più veloce è la reazione. In definitiva, è la carica associata a questa corrente che viene immagazzinata nella cella per un uso successivo. La batteria accumula sempre più carica e alla fine si verifica la saturazione. In sostanza, la reazione chimica viene stabilizzata o bilanciata e l'ulteriore accumulo di carica cessa. L'equilibrio si verifica quando la maggior parte degli ioni solfato che sono stati assorbiti dalla soluzione di acido solforico dalle piastre di piombo durante il ciclo di scarica della batteria vengono restituiti dalle piastre alla soluzione. In questo caso, le piastre acquisiscono nuovamente proprietà metalliche e iniziano a comportarsi come elettrodi posti in una soluzione acquosa (un ottimo mezzo per l'elettrolisi). La corrente di carica inizia a decomporre l'acqua contenuta nell'elettrolita nei suoi componenti elementari (idrogeno e ossigeno). Questo processo può essere notato senza nemmeno sapere della sua esistenza, osservando la cosiddetta “ebollizione” della batteria. Questo termine viene utilizzato erroneamente a causa della somiglianza esterna tra il gorgogliamento delle bolle di gas durante l'elettrolisi e l'ebollizione. È più corretto chiamare questo effetto evoluzione del gas. La degassificazione inizia quando la batteria ha raggiunto circa il 70-80% della sua carica completa. Se la batteria venisse caricata alla stessa velocità, lo sviluppo di gas danneggerebbe le celle della batteria. Tuttavia, la velocità dell'elettrolisi che causa lo sviluppo del gas è proporzionale alla corrente che scorre attraverso la cella. Più bassa è la corrente, più lentamente l'acqua si decompone e più debole è lo sviluppo di gas. È possibile ridurre significativamente gli effetti dannosi del degassamento riducendo la corrente di carica quando si verifica il degassamento. Anche se si arresta completamente solo in assenza di corrente, la quantità di corrente di carica può essere ridotta a un livello che non degradi la qualità della batteria man mano che la carica si accumula. Nella fase di carica finale, la batteria viene caricata con una corrente che solitamente è una piccola frazione della corrente di carica iniziale. Questa corrente carica lentamente la batteria e quindi impedisce un intenso rilascio di gas. Una volta che la batteria è completamente carica, può essere scollegata dalla fonte di alimentazione. A causa della presenza di impurità nell'elettrolita e dei cambiamenti nella composizione chimica delle piastre, nelle celle della batteria si creano correnti interne che riducono nel tempo la carica accumulata. La batteria prima o poi si scaricherà. Regolatori di carica della batteria Ovviamente la corrente necessaria per caricare la batteria dipende dallo stato di carica delle celle della batteria. Ciò implica la necessità di realizzare un regolatore di carica che valuti lo stato di scarica della batteria e, in base ad esso, controlli la corrente di carica. Esistono tre modi noti per caricare le batterie al piombo-acido. Quando si carica tramite celle solari, il metodo più adatto è un ciclo di carica a due fasi (Fig. 1).
Innanzitutto supponiamo che la batteria sia completamente scarica. Cominciamo a far passare la corrente attraverso gli elementi. Poiché il ciclo di carica della batteria deve corrispondere al periodo di generazione di energia elettrica utile da parte delle celle solari, è auspicabile che la batteria venga caricata nel più breve tempo possibile. La modalità di ricarica ottimale sarà quella in cui l'evoluzione del gas inizia circa 4 ore dopo l'inizio della ricarica della batteria. Questo tempo corrisponde alla massima intensità della radiazione solare durante le ore diurne, solitamente nell'intervallo 10-14 ore. Indipendentemente dai cambiamenti stagionali e dalle condizioni meteorologiche, è in quest'ora del giorno che può essere raggiunta la massima efficienza delle celle solari. Questo tempo di ricarica corrisponde numericamente ad una corrente di carica di 20 A per ogni 100 Ah di capacità della batteria, sempre che le celle solari consentano di ricevere tale corrente. Ad esempio, una batteria da 75 Ah deve essere caricata a 15 A. Dopo aver caricato per 4 ore a velocità fissa fino all'inizio della gasatura, la batteria avrà immagazzinato l'80% della carica completa. Il passo successivo è ridurre la corrente di carica a un livello inferiore. L'entità di questa corrente è solitamente pari al 2-5% della capacità della batteria. Per una batteria da 75 Ah presa come esempio, la corrente di carica nella fase di carica finale può essere di 1,5-3,75 A. A seconda della corrente selezionata, saranno necessarie altre 4-10 ore per caricare definitivamente la batteria. A questa velocità, è necessario più di un giorno per caricare completamente la batteria. Tuttavia, nei dispositivi energetici avanzati, le batterie sono generalmente completamente cariche per la maggior parte del tempo di funzionamento e la loro scarica completa è estremamente rara. Ricarica di backup (compensazione) delle batterie Dopo la carica finale della batteria si consiglia di alimentarla ulteriormente con una corrente di carica di riserva (compensativa). L'entità di questa corrente è solitamente pari all'1-2% della capacità totale della batteria. Questa terza fase aggiuntiva di carica della batteria aggiunge complessità alla progettazione del regolatore di carica. È possibile uscire da questa situazione combinando la seconda e la terza fase di carica, utilizzando la stessa corrente come corrente finale o corrente di carica di riserva, il cui valore è pari al 2% della capacità della batteria. Di conseguenza, il design del regolatore è semplificato e la sua affidabilità aumenta. Progettazione del regolatore Per il normale funzionamento di un regolatore di carica che soddisfi i requisiti di corrente di carica sopra elencati, è necessario disporre in qualsiasi momento delle informazioni sullo stato di carica della batteria. Fortunatamente, è la batteria stessa a fornire la chiave per risolvere questo problema: esiste una relazione affidabile tra la quantità di carica immagazzinata nella batteria e la tensione ai suoi capi. Come si può vedere dalla figura. 2, questa relazione è quasi sempre lineare.
L'area di carica che ci interessa si trova entro il 70-80% della carica completa della batteria. È quando si raggiunge questo grado di carica che inizia l'evoluzione del gas ed è necessario modificare la corrente di carica. Per una batteria da 12 Volt, la tensione a questo punto è di 12,6 V. Una batteria completamente carica sviluppa una tensione di 13,2 V. Determinando la tensione della batteria è possibile regolare la corrente di carica. Se la tensione è inferiore a 12,6 V, le celle della batteria contengono meno dell'80% di carica e il regolatore fornisce la corrente di carica completa. Quando la tensione della batteria supera i 12,6 V, è necessario ridurre la corrente di carica al livello della corrente di alimentazione. La tensione sulla batteria viene monitorata da un dispositivo speciale (comparatore), che non è altro che un normale amplificatore con un guadagno molto elevato. Infatti il comparatore compreso nel circuito mostrato in Fig. 3, può essere utilizzato come amplificatore operazionale.
Il comparatore confronta due tensioni: quella misurata e quella di riferimento, fornita ai suoi ingressi. La tensione di riferimento dal diodo zener D2 viene fornita all'ingresso invertente del comparatore (-). Questa tensione imposta il livello di risposta del dispositivo. La tensione della batteria è divisa dai resistori R1 e R2 in modo che sia approssimativamente uguale alla tensione di stabilizzazione del diodo D2. La tensione divisa dai resistori viene fornita all'ingresso non invertente (+) del comparatore dalla slitta del potenziometro per la regolazione fine della soglia di commutazione. Se la tensione della batteria diminuisce così tanto che il segnale sull'ingresso non invertente scende al di sotto del limite determinato dal diodo D2, l'uscita del comparatore verrà impostata su una tensione negativa. Se la tensione della batteria supera la tensione di riferimento, all'uscita del comparatore verrà stabilita una tensione positiva. La commutazione del segno della tensione all'uscita del comparatore fornirà la necessaria regolazione della corrente di carica. Il principio di funzionamento del regolatore di carica La corrente di carica è regolata tramite un relè elettromagnetico. Il relè è controllato tramite il transistor QI dalla tensione di uscita del comparatore. Una tensione negativa all'uscita del comparatore significa che la batteria è scarica e richiede la corrente di carica completa (il transistor Q1 è spento). Pertanto, la corrente del collettore è zero e il relè è spento. I contatti del relè normalmente chiusi bypassano il resistore di limitazione della corrente Rs. Quando il relè è spento, il resistore viene rimosso dal circuito e tutta la corrente dalle celle solari fluisce alla batteria. All’aumentare dello stato di carica aumenta la tensione della batteria. La generazione del gas inizia quando la tensione raggiunge 12,6 V. Il comparatore, impostato su questo livello, commuta (l'uscita del comparatore è positiva). Il transistor si accende e la corrente del collettore accende il relè. I contatti del relè che hanno bypassato la resistenza Rs si aprono.
Ora la corrente di carica delle celle solari deve superare la resistenza del resistore limitatore. Il valore di questo resistore è selezionato in modo tale che la corrente di carica sia pari al 2% della capacità della batteria. Nella tabella in Fig. La Figura 4 mostra i valori Rs in base alla capacità della batteria. C'è qualche incertezza riguardo alla tensione di commutazione del comparatore. Lasciamo, ad esempio, che la tensione sulla batteria salga a 12,6 V, superando la soglia di risposta. In condizioni normali, la tensione di uscita del comparatore cambierà, il relè funzionerà e la corrente di carica diminuirà. Tuttavia, la tensione di uscita della batteria dipende non solo dallo stato di carica, ma anche da altri fattori, e quindi non è così raro osservare una leggera diminuzione della tensione dopo aver disattivato la grande corrente di carica. È molto probabile, ad esempio, che la tensione diminuisca di diverse centinaia di volt (fino a 12,55 V). Come funzionerà il sistema in questo caso? Ovviamente, il comparatore tornerà allo stato precedente e verrà ripristinata la modalità di corrente di carica elevata. Poiché la tensione della batteria è molto vicina a 12,6 V, un improvviso aumento di corrente causerà sicuramente un picco di tensione a un livello superiore a 12,6 V. Ciò causerà nuovamente lo spegnimento del relè. In queste condizioni, il comparatore commuterà avanti e indietro vicino alla tensione di trigger. Per eliminare questo effetto indesiderato, chiamato "imbardata", un piccolo feedback positivo viene introdotto nell'amplificatore utilizzando un resistore, creando una banda morta isteretica. Quando è presente l'isteresi, è necessaria una variazione di tensione maggiore affinché il comparatore funzioni rispetto a prima. Come prima, il comparatore commuta a 12,6 V, ma affinché ritorni allo stato originale, la tensione della batteria deve scendere a 12,5 V. Ciò elimina l'effetto oscillatorio. L'inclusione sequenziale del diodo D1 nel circuito di carica impedisce alla batteria di scaricarsi attraverso le celle solari al buio (di notte). Questo diodo impedisce inoltre al regolatore di carica di assorbire energia dalla batteria. Il regolatore è completamente alimentato da celle solari. dispositivo indicatore Nel regolatore di carica è incluso un dispositivo indicatore, progettato per visualizzare in qualsiasi momento la modalità di funzionamento del regolatore. Sebbene l'indicatore non sia una parte necessaria del dispositivo (il regolatore funzionerà senza di esso), la sua presenza aumenta comunque la comodità di lavorare con il regolatore. Il dispositivo indicatore (Fig. 3) è costituito da due comparatori e due diodi emettitori di luce (LED). L'ingresso invertente di un comparatore e l'ingresso non invertente dell'altro sono collegati ad un diodo zener che genera una tensione di riferimento. I restanti ingressi dei comparatori sono collegati all'uscita del comparatore che controlla la corrente di carica. Il comparatore superiore viene attivato e accende il LED LED1 quando il regolatore funziona in modalità corrente di carica elevata. Se il regolatore passa alla modalità corrente di alimentazione, il comparatore superiore si spegne e quello inferiore viene attivato e accende il LED LED2. Design del regolatore di carica Il regolatore di carica è montato su un circuito stampato (Fig. 5), la cui disposizione dei componenti del circuito è mostrata in Fig. 6. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata al posizionamento degli elementi semiconduttori (per evitare collegamenti errati dei pin). Il circuito completato viene inserito in un qualsiasi alloggiamento (preferibilmente impermeabile). Una piccola scatola di plastica è abbastanza adatta per questi scopi. Se l'involucro è opaco, è necessario praticare un foro nel coperchio per i LED per indicare le modalità operative. È inoltre necessario praticare un foro sul lato della custodia per consentire l'uscita dei conduttori di collegamento.
Regolatori potenti Il regolatore descritto può controllare una corrente di carica di circa 5 A. Il suo valore è limitato dalle proprietà del contattore del relè elettromagnetico utilizzato. I contatti dei relè sono progettati per correnti fino a 3 A ed è del tutto naturale chiedersi perché si consiglia di utilizzarli fino a 5 A. Ciò può essere spiegato come segue. Quando i contatti aprono un circuito, solitamente si verifica un piccolo arco elettrico tra di loro. L'arco porta a fenomeni simili alla saldatura elettrica e sulla superficie dei contatti compaiono delle scanalature. Maggiore è la corrente che scorre, più forte è l'effetto dell'arco elettrico. Per evitare tale processo nel circuito del regolatore descritto, i contatti del relè sono ponticellati con una piccola resistenza. Pertanto, una parte significativa dell'energia viene assorbita dal resistore anziché dissipata nell'arco elettrico. In questo modo i contatti, senza essere distrutti, possono regolare correnti superiori a quella nominale. Se è necessario aumentare la corrente regolata, è necessario utilizzare un relè più potente nel circuito, attivato dai contatti di un relè a bassa corrente, come mostrato in Fig. 7.
Per installare un secondo relè è necessario apportare le opportune modifiche al progetto del circuito stampato. Inizia rimuovendo i ponticelli che vanno ai contatti del relè. Ciò disconnette i contatti dal resistore di limitazione della corrente. Ora usa questi contatti per controllare un relè più potente. È inoltre necessario sostituire il diodo D1 e il resistore limitatore di corrente Rs con un diodo e un resistore in grado di sopportare correnti elevate. È più sensato posizionare entrambi questi elementi fuori scheda vicino al relè, poiché dissipano più calore rispetto agli elementi del circuito precedente. Collega la batteria e le celle solari direttamente al potente relè utilizzando fili spessi e utilizza fili sottili per fornire energia al circuito del regolatore dal terminale positivo delle celle solari. Regolatore di bassa potenza È possibile che l'energia elettrica di una piccola batteria solare non sia sufficiente nemmeno per alimentare il relè. Quindi il relè può essere semplicemente sostituito con un transistor. A questo scopo è possibile rimuovere il relè RL1 e il transistor Q1 che lo controlla e collegare un transistor pnp al resistore Rs e la sua base al resistore R5. Nella fig. 8 mostra lo schema elettrico dopo la modifica completa.
Quando la tensione all'uscita del comparatore è positiva, il transistor si accende e la corrente di carica completa fluisce verso la batteria. Quando il regolatore passa alla modalità di carica boost, la tensione all'uscita del comparatore diventa negativa, il transistor viene spento e la corrente di carica ora scorre solo attraverso il resistore Ra, bypassando il transistor. Il vantaggio di questo circuito rispetto al circuito relè è che il suo funzionamento non è limitato a una tensione di 12 V. Il dispositivo può regolare la carica di batterie progettate per tensioni di 3-30 V. Naturalmente è necessario modificare i valori di resistori e R2 e la tipologia di diodo D2 in modo da avvicinare i valori di caduta di tensione sul potenziometro VR1 e quello di riferimento sul diodo zener. La corrente è limitata a circa 250 mA. Il circuito stampato stesso funge da dissipatore di calore che consente di rimuovere il calore in eccesso dal transistor in uso. Il dissipatore di calore è ricavato sul lato posteriore della scheda e non necessita di alcun isolamento. Калибровка Per collegare il regolatore è necessario effettuare solo quattro collegamenti. Due: ai terminali positivo e negativo della batteria solare e due, rispettivamente, ai terminali positivo e negativo della batteria. Dopo aver installato il regolatore nel caricabatterie, è necessario calibrare il circuito e, in particolare, regolarne la sensibilità alle variazioni di tensione in modo che la corrente cambi al momento giusto, per fare ciò lasciando prima scaricare leggermente la batteria. Quindi il cursore del potenziometro VR1 viene ruotato in senso orario fino all'arresto (secondo lo schema nella posizione superiore). In questo caso, i contatti del relè si chiuderanno. La tensione sulla batteria durante la ricarica viene monitorata utilizzando un voltmetro. Quando raggiunge 12,6 V, il potenziometro VR1 ruota nella direzione opposta fino allo spegnimento del relè. Ciò corrisponderà alla tariffa di "alimentazione". Purtroppo la tensione di carica della batteria dipende anche dalla sua temperatura. Più fredda è la batteria, maggiore è la tensione necessaria per la ricarica. Ciò modifica la tensione di soglia alla quale il regolatore dovrebbe funzionare. Grafico in fig. 9 mostra la dipendenza della tensione di attuazione dalla temperatura.
Un errore nell'impostazione della tensione di risposta può, in linea di principio, essere trascurato. Se la temperatura della batteria durante la ricarica è relativamente stabile e positiva, cosa che può essere garantita in un modo o nell'altro, ad esempio coprendola bene, allora piccole variazioni di temperatura non avranno praticamente alcun effetto sul funzionamento del regolatore.
Autore: Byers T.
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