Использование контроллеров с ШИМ

Почему необходимо использовать контроллеры с ШИМ

Источник: Morningstar Corporation
Перевод: «Ваш Солнечный Дом»

1. Возможность восстановить потерянную емкость батареи

Согласно исследованиям Battery Council International, 84% свинцово-кислотных батарей выходят из строя из-за сульфатации. Сульфатация является еще более острой проблемой в солнечных энергосистемах, потому что вероятность полного заряда в таких системах сильно отличается от традиционного заряда АБ. Увеличенные периоды недозаряда АБ в солнечных энергосистемах приводят к коррозии решетки, а положительные пластины аккумуляторов покрываются кристаллами сульфатов.

Широтно-импульсная модуляция тока заряда может предотвратить образование отложений сульфатов, помогает преодолеть резистивный барьер на поверхности электродной сетки и пробить коррозию на переходах. В дополнение к улучшенному КПД заряда и увеличенной емкости, существуют убедительные доказательства того, что такой режим заряда может восстановить емкость АБ, которая «потерялась» со временем при работе АБ в фотоэлектрической системе. Некоторые результаты исследований приведены ниже.

В 1994 CSIRO, ведущая исследовательская группа в Австралии [1], опубликовала статью, в которой указывается, что пульсирующий ток заряда «позволяет восстановить емкость элементов, работавших в циклическом режиме». Процесс сульфатации замедляется, а внутренние слои коррозии становятся тоньше и разделяются на «островки». Электрическое сопротивление уменьшается и емкость увеличивается. Вывод статьи в том, что пульсирующий ток заряда «может привести к восстановлению емкости аккумуляторной батареи.»

Другая статья, опубликованная Sandia National Labs в 1996 году [2], приводит данные по тестирования герметичных аккумуляторов, которые потеряли более 20% своей емкости. Обычный заряд постоянным током не мог восстановить потерянную емкость АБ. Затем батарея была заряжена с использованием ШИМ контроллера, что привело к «восстановлению большей части потерянной емкости АБ

Наконец, Morningstar, провели тесты по восстановлению емкости АБ. Прилигаемый график [3] показывает, что аккумуляторная батарея восстановила большую часть потерянной емкости после заряда при помощи SunLight контроллера. После теста, солнечная система освещения в течение 30 дней практически не обеспечивала освещение, так как система отключалась по защите от перезаряда каждую ночь. Аккумуляторная батарея была очень старой и подлежала утилизации. Затем, нагрузка стала работать дольше каждую ночь, что отражено на графике. В течение последующих 3 месяцев емкость АБ постоянно возрастала. Этот тест продолжается в Morningstar.

2. Увеличение способности принять заряд

Термин «способность принять заряд» часто используется для описания эффективности заряда аккумулятора. Так как АБ в фотоэлектрических системах постоянно подзаряжаются ограниченным источником энергии (т.е. характер заряда носит вероятностный характер в течение дня и зависит от наличия солнечного света), высокая способность принять заряда является критическим параметром для АБ в солнечной энергосистеме и повышает эффективность системы в целом.

Солнечные фотоэлектрические системы очень часто были ненадежными из-за плохих контроллеров заряда. Например, исследование 4-х фотоэлектрических систем для освещения, проведенное National Forest Service(reference 4), в которых использовались простые контроллеры, которые выключали и включали СБ, показало проблемы вследствие плохой восприимчивости к заряду аккумуляторными батареями. АБ оставались недозаряженными и часто отключались по защите от переразряда. Это происходило каждую ночь, хотя при этом АБ принимало только примерно половину энергии, производимой солнечными батареями в течение дня. Одна из систем приняла только 10% от генерируемой СБ энергии в промежуток между 11 и 15 часами дня!

После тщательного изучения было определено, что проблема не в аккумуляторе, а в «стратегии управления зарядом». Более того, аккумулятор мог принять этот заряд, но не заряжался. Позднее была исследована система, похожая на эту, но с контроллером заряда, который поддерживал постоянное высокое напряжение на аккумуляторе. В этом случае, «батарея оставалась почти всегда полностью заряженной».

Позднее было проведено исследование контроллеров с ШИМ (reference 2, attached), которое доказало, что контроллеры повышали восприимчивость АБ к заряду именно вследствие использования широтно-импульсной модуляции тока заряда. Контроллеры MorningStar SunSaver позволили даже увеличить эффективность заряда АБ на 2-8% даже по сравнению с контроллерами, которые поддерживали постоянно высокое напряжение на АБ.

Ряд испытаний показал, что алгоритм ШИМ имеет значительные преимущества для повышения восприимчивости АБ к заряду. Прилагаемый график (reference 5, attached) сравнивает способность заряда контроллера Morningstar SunSaver PWM относительно лучших on-off контроллеров. Это исследование, проведенное Morningstar, было проведено в одинаковых тестовых условиях. Контроллер с ШИМ позволял закачать в аккумулятор на 20%-30% больше энергии от солнечных батарей, чем on-off контроллер.

3. Обеспечение высокой средней емкости аккумулятора

Поддержание высокой степени заряженности (SOC) аккумулятора очень важно для «здоровья» аккумулятора и для поддержания запаса емкости, что в свою очередь влияет на надежность солнечной системы электроснабжения. Отчет по испытаниями, проведенный FSEC (reference 6) отмечает, что «срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов прямо пропорционален средней степени заряженности», и что если аккумулятор поддерживается при SOC более 90%, возможно «увеличение количества циклов заряда-разряда в 2-3 раза по сравнению с АБ, работающей при SOC 50%.»

Однако, как было замечено в предыдущей секции, «многие солнечные контроллеры предыдущего поколения не заряжали АБ до достаточно высоких уровней SOC, даже если нагрузка была отключена.»

Тщательное изучение влияния SOC на работу АБ было проведено Sandia в 1994 году (reference 7, page 940, attached). Было выяснено, что уровни контрольных напряжений имеют небольшой эффект на долгосрочные уровни заряженности, но уровень повторного подключения нагрузки сильно влияет на долгосрочную SOC. Были исследованы 5 on-off контроллеров и 2 регулятора с квази-постоянным напряжением. Были сделаны следующие выводы относительно SOC:

  • 3 on-off контроллера с типичным гистерезисом обеспечивали степень заряженности в пределах 55-60% в течение 23 месяцев
  • 2 on-off контроллера с более плоским гистерезисом (что может приводить к более высоким рискам нестабильности системы электроснабжения в целом) показали средний уровень SOC 70%
  • 2 контроллера с поддержанием постоянного напряжения в конце заряда с гистерезисом в 0,3 и 0,1 В обеспечивали среднюю SOC около 90% (заметьте, что ШИМ контроллеры имеют гистерезис около 0,02В)

Sandia сделала заключение, что число случаев повторного заряда-разряда в течение дня имеет гораздо большее влияние на SOC, чем другие факторы в течение любого цикла заряда.

Аккумуляторы, которые заряжаются с использованием алгоритма ШИМ, будут поддерживаться при очень высоком среднем уровне заряженности в типичной солнечной системе электроснабжения. Кроме обеспечения более высокой резервной емкости в системе, срок службы аккумуляторной батареи может быть значительно увеличен. Это подтверждается многочисленными отчетами и испытаниями.

4. Выравнивание элементов аккумуляторной батареи

Отдельные элементы в АБ могут со временем сильно отличатся по сопротивлению заряду. Неравномерная восприимчивость к заряду может приводить к значительной потере емкости в «слабых» элементах. Для исправления таких несбалансированных элементов применяется режим, который называется «выравнивающим зарядом». (Прим. ВСД — Такой режим применяется только для АБ с жидким электролитом!). В этом режиме АБ несколько часов поддерживается при высоком напряжении, при котором начинается контролируемое газовыделение.

При использовании алгоритма ШИМ выравнивание элементов возможно и при более низких напряжениях. ШИМ заряд позволяет поддерживать отдельные элементы аккумуляторной батареи в более сбалансированном состоянии. Это важно при использовании герметичных аккумуляторов, которые не допускают газовыделения. Также, это очень полезно при использовании при заряде аккумуляторов от солнечных батарей, так как на практике в солнечных системах электроснабжения очень редко бывают случаи, когда возможно поддержание напряжения на АБ на высоком уровне в течение длительного времени.

5. Уменьшение нагрева АБ и газовыделения

Перенос ионов в электролите АБ оказывается более эффективным при использовании ШИМ заряда. После импульса заряда, некоторые области аккумуляторных пластин оказываются обедненными ионами, в то время как другие области имеют их избыток. Во время промежутка между зарядными импульсами, диффузия ионов выравнивает концентрацию ионов на пластинах, тем самым подготавливая аккумулятор к следующему зарядному импульсу.

Кроме того, вследствие того, что импульсы довольно короткие, для образования газа не хватает времени. Газообразование еще менее вероятно при использовании разрядных импульсов.

6. Автоматическая подстройка к возрасту аккумуляторов

По мере того, как батарея стареет и вырабатывает свои циклы, она становится все более невосприимчивой к заряду. Это происходит в основном вследствие того, что кристаллы сульфатов на пластинах делают их менее проводимыми и замедляют скорость электрохимических реакций.

Однако, возраст АБ не влияет на заряд с использованием алгоритма ШИМ.

Заряд с ШИМ всегда подстраивается к потребностям аккумулятора. Зарядный ток АБ оптимизируется в зависимости от ее внутреннего сопротивления, потребностей к заряду и возрасту АБ. Единственный эффект, который может проявляться при ШИМ заряде старых батарей, это более раннее начало газовыделения.

7. Саморегуляция по падениям напряжения и температурным эффектам

С ШИМ зарядом, критическое завершение заряда может быть определено в соответствии с уравнением:

I = Ae-t

Это обеспечивает саморегуляцию финальной стадии заряда, которая адаптируется в соответствии этим выражением.

Поэтому, внешние факторы, такие как падения напряжения в проводах системы, не влияют на границы финального заряда. Влияние падения напряжения будут составлять доли вольта. В отличие от этого, в on-off контроллерах это очень сильно влияет на режимы заряда АБ, так как даже небольшое падение напряжение в проводах от АБ до контроллера может привести к перезаряду или недозаряду АБ.

В контроллерах с последовательным ключом, полевые транзисторы находятся в основном в запертом состоянии на завершающей стадии заряда. Это минимизирует нагрев контроллера, что особенно важно, если они находятся в закрытом корпусе. В отличие от этого, в шунтовых регуляторах наблюдается максимальное тепловыделение именно на финальной стадии заряда, так как полевой транзистор в основном находится с открытом состоянии и пропускает весь ток от СБ. (Прим. ВСД — несмотря на более высокий нагрев контроллера, основное тепловыделение все же происходит в солнечной батарее, а не в контроллере, так как у современных полевых транзисторов сопротивление в открытом состоянии очень мало).

Таким образом, ШИМ контроллеры с последовательными ключами обеспечивают наиболее оптимальные режимы заряда аккумуляторной батареи, в зависимости от ее заряженности и возраста. В простых контроллерах, которые включают и выключают заряд в зависимости от напряжения на АБ, происходит хронический недозаряд АБ и преждевременный выход ee из строя.

Литература:

  1. Lam, L.T., et al, ‘Pulsed-current charging of lead/acid batteries-a possible means for overcoming premature capacity loss?,’ CSIRO, Australia, Journal of Power Sources 53, 1995.
  2. Hund, Tom, ‘Battery Testing for Photovoltaic Applications,’ Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM, presented at 14th NREL Program Review, Nov. 1996.
  3. Morningstar test results, 1999.
  4. Stevens, John et al, ‘Field Investigation of the Relationship Between Battery Size and PV System Performance,’ Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM.
  5. Morningstar test results, 1999.
  6. Dunlop, James et al, ‘Performance of Battery Charge Controllers: An Interim Test Report,’ Florida Solar Energy Center, Cape Canaveral, FL, presented at IEEE PV Specialists Conference, May 1990.
  7. Woodworth, Joseph et al, ‘Evaluation of the Batteries and Charge Controllers in Small Stand-Alone Photovoltaic Systems.’ Sandia National Laboratories, presented at WCPEC, December 1994.

Эта статья прочитана 2357 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 10000
    Контроллеры заряда Steca Solar PR Применение: небольшие системы от 60 Вт до 720 Вт. Контроллеры серии PR на ток 10 и более ампер имеют жидкокристаллический многофункциональный индикатор, который отображает точную степень заряженности аккумуляторной батареи (АБ) в процентах и визуальным столбиком.…
  • 10000
    Солнечный контроллер Steca Solarix PRS Простота и высокая производительность нового контроллера заряда Steca Solarix PRS делают его особенно привлекательным. В то же время предлагается современный дизайн и удобный показ, все по чрезвычайно привлекательной цене. Несколько светодиодов в различных цветах подражают…
  • 10000
    Солнечные Контроллеры заряда EPSolar PWM Контроллеры EPSolar / EPEVER отличаются высокой надежностью и качественной реализацией. ШИМ контроллеры Epsolar / EPEVER находятся в среднем ценовом диапазоне. Их популярность в России обусловлена тем, что эти контроллеры были одними из первых китайских контроллеров,…
  • 10000
    Контроллеры заряда EPSolar - краткие описания Автоматическое устройство контроля заряда используется в фотоэлектрических системах (ФЭС) с аккумуляторной батареей (АБ). Контроллер следит за степенью заряда АБ, контролирует процесс заряда и разряда. Это позволяет оптимизировать режимы работы АБ и существенно увеличить срок…
  • 10000
    Солнечные контроллеры - для чего они нужны? Любая автономная система электроснабжения, содержащая в своем составе аккумуляторные батареи, должна содержать в себе средства контроля заряда и разряда аккумуляторов. Особенно это относится к системам со свинцово-кислотными аккумуляторами. Дело в том, что эти…
  • 96
    Контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрической батареи с широтно-импульсной модуляцией тока заряда Простейшие контроллеры просто отключают источник энергии (солнечную батарею) при достижении напряжения на аккумуляторной батарее примерно 14,4 В (для АБ номинальным напряжением 12В). При снижении напряжения на АБ до примерно…
Реклама

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *