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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Batterieladeregler für Solarzellen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Die Stromversorgung verschiedener Geräte ist direkt aus Solarzellen möglich. Eine so einfache Verbindung von Solarzellen ist jedoch nur möglich, wenn der Mangel an Sonnenlicht und damit die Stromversorgung praktisch nicht zu unerwünschten Folgen führt. In vielen Fällen ist es notwendig, dass elektrische Geräte und Geräte auch ohne Sonnenlicht funktionieren. Dazu müssen Sie die tagsüber erzeugte Sonnenenergie in Batterien für die spätere Nutzung speichern. Für diese Zwecke eignen sich am besten Blei-Säure-Batterien. Bleibatterien Eigentlich bestehen Blei-Säure-Batterien aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen. Jedes Element, das eine Spannung von bis zu 2 V entwickelt, enthält zwei Bleiplatten, die in eine schwache Schwefelsäurelösung gelegt werden. Wenn ein elektrischer Strom durch die Zelle fließt, findet eine reversible elektrochemische Reaktion statt und es wird elektrische Energie in der Zelle gespeichert, die bei Bedarf später genutzt werden kann. Trotz der scheinbaren Einfachheit ist der Ladevorgang einer Batterie in Wirklichkeit recht kompliziert. Der Blei-Säure-Akku ist ein empfindliches Elektrogerät, mit dem besonders beim Laden vorsichtig umgegangen werden muss. Um dies zu untermauern, verfolgen wir die verschiedenen Phasen eines typischen Ladezyklus. Der Ladevorgang der Batterie beginnt, wenn an die Zellplatten Spannung angelegt wird, wodurch ein elektrischer Strom durch sie zu fließen beginnt. Dies führt zum Auftreten einer elektrochemischen Reaktion, die die chemische Zusammensetzung der Platten und des Elektrolyten der Batteriezelle verändert. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion hängt von der Größe des Ladestroms ab. Je größer der Strom, desto schneller läuft die Reaktion ab. Letztendlich ist es die mit diesem Strom verbundene Ladung, die für eine spätere Verwendung in der Zelle gespeichert wird. Der Akku nimmt immer mehr Ladung auf, bis es schließlich zu einer Sättigung kommt. Im Wesentlichen wird die chemische Reaktion stabilisiert oder ausgeglichen und eine weitere Ladungsakkumulation hört auf. Ein Gleichgewicht entsteht, wenn die meisten Sulfationen, die während des Batterieentladezyklus von den Bleiplatten aus der Schwefelsäurelösung absorbiert wurden, von den Platten in die Lösung zurückkehren. In diesem Fall erhalten die Platten wieder metallische Eigenschaften und verhalten sich wie Elektroden, die in eine wässrige Lösung (ein ausgezeichnetes Medium für die Elektrolyse) gegeben werden. Der Ladestrom beginnt, das Wasser im Elektrolyten in elementare Bestandteile (Wasserstoff und Sauerstoff) zu zerlegen. Dieser Vorgang kann beobachtet werden, ohne dass man überhaupt von seiner Existenz weiß, indem man das sogenannte „Sieden“ der Batterie beobachtet. Dieser Begriff wird fälschlicherweise aufgrund der äußerlichen Ähnlichkeit zwischen der Entstehung von Gasblasen bei der Elektrolyse und dem Sieden verwendet. Es ist richtiger, diesen Effekt als Gasentwicklung zu bezeichnen. Die Gasung beginnt, wenn der Akku etwa 70–80 % seiner vollen Ladung hat. Wäre die Batterie mit der gleichen Geschwindigkeit geladen worden, hätte die Gasung die Batteriezellen beschädigt. Allerdings ist die Geschwindigkeit der Elektrolyse, die zur Ausgasung führt, proportional zum durch die Zelle fließenden Strom. Je geringer die Strömung, desto langsamer zersetzt sich das Wasser und desto schwächer ist die Gasentwicklung. Sie können die verheerenden Auswirkungen einer Ausgasung erheblich reduzieren, indem Sie den Ladestrom reduzieren, wenn Anzeichen einer Ausgasung auftreten. Obwohl es nur bei fehlendem Strom vollständig stoppt, kann die Menge des Ladestroms so weit reduziert werden, dass die Qualität des Akkus bei der Akkumulation der Ladung nicht beeinträchtigt wird. In der letzten Ladephase wird die Batterie mit einem Strom geladen, dessen Wert normalerweise nur einen kleinen Teil des anfänglichen Ladestroms beträgt. Dieser Strom lädt die Batterie langsam auf und verhindert dadurch eine starke Gasentwicklung. Nachdem der Akku vollständig aufgeladen ist, kann er von der Stromquelle getrennt werden. Durch das Vorhandensein von Verunreinigungen im Elektrolyten und Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung der Platten entstehen in den Batteriezellen interne Ströme, die mit der Zeit die angesammelte Ladung reduzieren. Mit der Zeit entlädt sich der Akku selbst. Batterieladeregler Offensichtlich hängt der zum Laden der Batterie benötigte Strom vom Ladezustand der Batteriezellen ab. Dies impliziert die Notwendigkeit, einen Laderegler zu schaffen, der den Entladezustand der Batterie auswertet und abhängig davon den Ladestrom steuert. Es gibt drei Möglichkeiten, Blei-Säure-Batterien aufzuladen. Beim Laden mit Solarzellen eignet sich am besten ein zweistufiger Ladezyklus (Abb. 1).
Gehen wir zunächst davon aus, dass der Akku vollständig entladen ist. Beginnen wir damit, Strom durch die Elemente zu leiten. Da der Ladezyklus der Batterie dem Zeitraum der Erzeugung nutzbarer elektrischer Energie durch die Solarzellen entsprechen muss, ist es wünschenswert, dass die Batterie in möglichst kurzer Zeit aufgeladen wird. Der optimale Lademodus ist ein Modus, bei dem die Gasentwicklung etwa 4 Stunden nach Beginn des Batterieladevorgangs beginnt. Diese Zeit entspricht der höchsten Intensität der Sonnenstrahlung während der Tageslichtstunden, normalerweise im Bereich von 10–14 Stunden. Unabhängig von saisonalen Veränderungen und Wetterbedingungen kann zu dieser Tageszeit die maximale Rendite von Solarzellen erzielt werden. Diese Ladezeit entspricht rechnerisch einem Ladestrom von 20 A pro 100 Ah Batteriekapazität, sofern Solarzellen den Empfang eines solchen Stroms natürlich zulassen. Beispielsweise sollte ein 75Ah-Akku mit 15A geladen werden. Nach 4-stündigem Laden mit fester Geschwindigkeit bis zum Einsetzen der Gasbildung hat der Akku 80 % seiner vollen Ladung gespeichert. Der nächste Schritt besteht darin, den Ladestrom auf ein niedrigeres Niveau zu reduzieren. Der Wert dieses Stroms beträgt normalerweise 2-5 % der Batteriekapazität. Bei einem beispielhaften Akku mit einer Kapazität von 75 Ah kann der Ladestrom in der Endphase des Ladevorgangs 1,5–3,75 A betragen. Je nach gewähltem Strom dauert die Endladung des Akkus noch einmal 4–10 Stunden Batterie. Bei dieser Geschwindigkeit dauert es mehr als einen Tag, bis der Akku vollständig aufgeladen ist. Allerdings befinden sich die Batterien in modernen Leistungsgeräten die meiste Zeit des Betriebs in der Regel in einem vollständig geladenen Zustand und eine vollständige Entladung ist äußerst selten. Backup (Kompensation) Wiederaufladen von Batterien Nach der Endladung des Akkus empfiehlt es sich, diesen zusätzlich mit einem Ersatzladestrom (Ausgleichsladestrom) zu versorgen. Die Größe dieses Stroms beträgt normalerweise 1–2 % der vollen Kapazität der Batterie. Diese zusätzliche dritte Stufe des Batterieladens erhöht die Komplexität des Ladereglerdesigns. Sie können der Situation entkommen, indem Sie die zweite und dritte Ladestufe kombinieren und dabei den gleichen Strom wie den Endstrom oder den Ersatzladestrom verwenden, dessen Wert 2 % der Batteriekapazität beträgt. Dadurch wird der Aufbau des Reglers vereinfacht und seine Zuverlässigkeit erhöht. Reglerdesign Für den normalen Betrieb des Ladereglers, der die oben aufgeführten Ladestromanforderungen erfüllt, ist es notwendig, jederzeit den Ladezustand der Batterie zu kennen. Glücklicherweise ist die Batterie selbst der Schlüssel zur Lösung dieses Problems: Es besteht ein gut etablierter Zusammenhang zwischen der in der Batterie gespeicherten Ladungsmenge und der an ihr anliegenden Spannung. Wie aus Abb. ersichtlich ist. 2 ist dieser Zusammenhang fast immer linear.
Der für uns interessante Ladebereich liegt zwischen 70 und 80 % der vollen Batterieladung. Wenn dieser Ladegrad erreicht ist, beginnt die Gasentwicklung und es ist notwendig, den Ladestrom zu ändern. Bei einer 12-Volt-Batterie beträgt die Spannung zu diesem Zeitpunkt 12,6 V. Eine voll geladene Batterie entwickelt eine Spannung von 13,2 V. Durch die Ermittlung der Spannung am Akku können Sie den Ladestrom anpassen. Liegt die Spannung unter 12,6 V, dann enthalten die Batteriezellen weniger als 80 % der Ladung und der Regler stellt den vollen Ladestrom bereit. Wenn die Spannung an der Batterie über 12,6 V steigt, ist es notwendig, den Ladestrom auf das Niveau des Ladestroms zu reduzieren. Die Spannung an der Batterie wird von einem speziellen Gerät (Komparator) überwacht, bei dem es sich um nichts anderes als einen normalen Verstärker mit sehr hoher Verstärkung handelt. Tatsächlich ist der Komparator, der in der in Abb. 3, kann als Operationsverstärker verwendet werden.
Der Komparator vergleicht zwei Spannungen – gemessen und Referenz – die an seinen Eingängen angelegt werden. Der invertierende Eingang des Komparators (-) wird von der Zenerdiode D2 mit einer Referenzspannung versorgt. Diese Spannung legt den Triggerpegel des Geräts fest. Die Batteriespannung wird durch die Widerstände R1 und R2 so geteilt, dass sie ungefähr der Stabilisierungsspannung der Diode D2 entspricht. Die durch die Widerstände geteilte Spannung wird vom Potentiometerschieber zur Feineinstellung der Schaltschwelle an den nichtinvertierenden Eingang (+) des Komparators angelegt. Sinkt die Batteriespannung so stark ab, dass das Signal am nichtinvertierenden Eingang unter den durch die Diode D2 bestimmten Grenzwert fällt, stellt sich am Ausgang des Komparators eine negative Spannung ein. Wenn die Batteriespannung über die Referenzspannung steigt, ist der Komparatorausgang positiv. Die Umschaltung des Vorzeichens der Spannung am Ausgang des Komparators sorgt für die notwendige Regelung des Ladestroms. Das Funktionsprinzip des Ladereglers Der Ladestrom wird durch ein elektromagnetisches Relais geregelt. Das Relais wird über den Transistor QI von der Ausgangsspannung des Komparators gesteuert. Eine negative Spannung am Ausgang des Komparators bedeutet, dass die Batterie entladen ist und der volle Ladestrom benötigt wird (Transistor Q1 ist geschlossen). Daher ist der Kollektorstrom Null und das Relais ist ausgeschaltet. Normalerweise geschlossene Relaiskontakte überbrücken den Strombegrenzungswiderstand Rs. Wenn das Relais ausgeschaltet wird, wird der Widerstand aus dem Stromkreis entfernt und der volle Strom von den Solarzellen fließt zur Batterie. Mit zunehmendem Ladezustand steigt die Spannung an der Batterie. Die Gasentwicklung beginnt, wenn die Spannung 12,6 V erreicht. Der auf diesen Wert eingestellte Komparator schaltet (positiv am Ausgang des Komparators). Der Transistor öffnet und der Kollektorstrom schaltet das Relais ein. Die Relaiskontakte, die den Widerstand Rs überbrückt haben, sind geöffnet.
Nun muss der Ladestrom der Solarzellen den Widerstand des Begrenzungswiderstands überwinden. Der Wert dieses Widerstands ist so gewählt, dass der Wert des Ladestroms 2 % der Batteriekapazität beträgt. In der Tabelle in Abb. 4 zeigt die Werte von Rs in Abhängigkeit von der Kapazität der Batterie. Es besteht eine gewisse Unsicherheit hinsichtlich der Schaltspannung des Komparators. Angenommen, die Spannung an der Batterie steigt auf 12,6 V und überschreitet den Schwellenwert. Unter normalen Bedingungen ändert dies die Ausgangsspannung des Komparators, aktiviert das Relais und verringert den Ladestrom. Allerdings hängt die Ausgangsspannung der Batterie nicht nur vom Ladezustand, sondern auch von anderen Faktoren ab, weshalb es nicht ungewöhnlich ist, nach dem Abschalten eines großen Ladestroms einen leichten Spannungsabfall zu beobachten. Es ist beispielsweise durchaus wahrscheinlich, dass die Spannung um mehrere Hundertstel Volt (bis zu 12,55 V) abfällt. Wie wird das Schema in diesem Fall funktionieren? Offensichtlich schaltet der Komparator zurück und der Modus mit hohem Ladestrom wird wiederhergestellt. Da die Batteriespannung sehr nahe bei 12,6 V liegt, führt ein plötzlicher Stromanstieg mit Sicherheit dazu, dass die Spannung auf einen Wert über 12,6 V ansteigt. Dies führt dazu, dass das Relais wieder ausschaltet. Unter diesen Bedingungen schaltet der Komparator nahe der Auslösespannung hin und her. Um diesen unerwünschten Effekt, der als „Gieren“ bezeichnet wird, zu beseitigen, wird über einen Widerstand eine kleine positive Rückkopplung in den Verstärker eingeführt, wodurch eine Hysterese-Totzone entsteht. Mit der Hysterese benötigt der Komparator zum Betrieb eine größere Spannungsänderung als zuvor. Wie zuvor schaltet der Komparator bei 12,6 Volt, allerdings muss zum Zurücksetzen die Batteriespannung auf 12,5 Volt absinken. Dadurch wird der Oszillationseffekt eliminiert. Die Reihenschaltung der Diode D1 im Ladekreis schützt den Akku vor Entladung durch die Solarzellen im Dunkeln (nachts). Diese Diode verhindert auch, dass der Laderegler Strom aus der Batterie bezieht. Der Regler wird vollständig mit Solarzellen betrieben. Anzeigegerät Im Laderegler ist eine Anzeigevorrichtung enthalten, die jederzeit den Betriebszustand des Reglers anzeigt. Obwohl die Anzeige kein notwendiger Bestandteil des Geräts ist (der Regler funktioniert auch ohne sie), erhöht ihr Vorhandensein dennoch den Komfort bei der Arbeit mit dem Regler. Das Anzeigegerät (Abb. 3) besteht aus zwei Komparatoren und zwei Leuchtdioden (LEDs). Der invertierende Eingang des einen Komparators und der nichtinvertierende Eingang des anderen sind mit einer Zenerdiode verbunden, die eine Referenzspannung erzeugt. Die übrigen Eingänge der Komparatoren sind mit dem Ausgang des Komparators verbunden, der den Ladestrom steuert. Der obere Komparator wird ausgelöst und schaltet die LED LED1 ein, wenn der Regler im Modus mit hohem Ladestrom arbeitet. Wenn der Regler in den Speisestrommodus wechselt, schaltet sich der obere Komparator aus, und der untere Komparator wird aktiviert und schaltet die LED LED2 ein. Design des Ladereglers Der Laderegler ist auf einer Leiterplatte montiert (Abb. 5), die Anordnung der Schaltungskomponenten ist in Abb. dargestellt. 6. Besonderes Augenmerk sollte auf die Platzierung der Halbleiterelemente gelegt werden (um eine fehlerhafte Verbindung der Pins zu vermeiden). Der fertige Stromkreis wird in ein beliebiges (vorzugsweise wasserdichtes) Gehäuse eingebaut. Für diese Zwecke ist eine kleine Plastikbox durchaus geeignet. Wenn das Gehäuse undurchsichtig ist, sollte in dessen Abdeckung ein Loch für LEDs gebohrt werden, um die Betriebszustände anzuzeigen. Außerdem ist es notwendig, seitlich im Gehäuse ein Loch anzubringen, um den Austritt der Anschlussleiter zu ermöglichen.
Leistungsstarke Regulierungsbehörden Der beschriebene Regler kann einen Ladestrom von ca. 5 A regeln. Sein Wert wird durch die Eigenschaften des Schützes des verwendeten elektromagnetischen Relais begrenzt. Die Relaiskontakte sind für Stromstärken bis 3 A ausgelegt, und es liegt nahe, sich zu fragen, warum der Einsatz bis 5 A empfohlen wird. Dies kann mit der folgenden Erklärung erklärt werden. Wenn die Kontakte einen Stromkreis öffnen, entsteht normalerweise ein kleiner Lichtbogen zwischen ihnen. Der Lichtbogen führt zu Phänomenen, die dem Elektroschweißen ähneln, und es entstehen Kerben auf der Oberfläche der Kontakte. Je größer der fließende Strom ist, desto stärker ist die Wirkung des Lichtbogens. Um einen solchen Vorgang im Stromkreis des beschriebenen Reglers zu verhindern, werden die Relaiskontakte mit einem kleinen Widerstand überbrückt. Daher wird ein erheblicher Teil der Energie vom Widerstand absorbiert und nicht im Lichtbogen verloren. Somit können die Kontakte, ohne zerstört zu werden, Ströme regulieren, die über dem Nennstrom liegen. Wenn der geregelte Strom erhöht werden muss, muss im Stromkreis ein leistungsstärkeres Relais verwendet werden, das über die Kontakte eines Schwachstromrelais eingeschaltet wird, wie in Abb. 7.
Um ein zweites Relais zu installieren, muss die Platinenzeichnung entsprechend geändert werden. Entfernen Sie zunächst die Brücken zu den Relaiskontakten. Dadurch werden die Kontakte vom Strombegrenzungswiderstand getrennt. Verwenden Sie diese Pins nun, um ein leistungsstärkeres Relais anzusteuern. Außerdem müssen die Diode D1 und der Strombegrenzungswiderstand Rs durch eine Diode und einen Widerstand ersetzt werden, die hohen Strömen standhalten können. Es ist sinnvoller, diese beiden Elemente außerhalb der Platine in der Nähe des Relais zu platzieren, da sie mehr Wärme ableiten als die vorherigen Schaltungselemente. Schließen Sie die Batterie und die Solarzellen mit dicken Drähten direkt an das Leistungsrelais an und verwenden Sie dünne Drähte, um den Reglerkreis über den positiven Ausgang der Solarzellen mit Strom zu versorgen. Low-Power-Regler Es kann vorkommen, dass die elektrische Energie einer kleinen Solarbatterie nicht einmal ausreicht, um das Relais mit Strom zu versorgen. Dann kann das Relais einfach durch einen Transistor ersetzt werden. Zu diesem Zweck können Sie das Relais RL1 und den Transistor Q1, der es steuert, entfernen und einen PNP-Transistor an den Widerstand Rs und seine Basis an den Widerstand R5 anschließen. Auf Abb. 8 zeigt den Stromkreis nach vollständiger Modifikation.
Wenn die Spannung am Ausgang des Komparators positiv ist, wird der Transistor eingeschaltet und der volle Ladestrom fließt zur Batterie. Wenn der Regler in den Boost-Lademodus wechselt, wird der Komparatorausgang negativ, der Transistor schaltet ab und der Ladestrom fließt jetzt nur noch durch den Ra-Widerstand und umgeht den Transistor. Der Vorteil dieser Schaltung gegenüber der Relaisschaltung besteht darin, dass ihr Betrieb nicht auf eine Spannung von 12 V beschränkt ist. Das Gerät kann das Laden von Batterien regeln, die für Spannungen von 3-30 V ausgelegt sind. Natürlich ist es notwendig, die Werte zu ändern der Widerstände und R2 und der Art der Diode D2, um die Spannungsabfallwerte am Potentiometer VR1 und den Referenzwert an der Zenerdiode anzunähern. Der Strom ist auf ca. 250 mA begrenzt. Die Leiterplatte selbst dient als Kühlkörper, mit dem Sie überschüssige Wärme vom verwendeten Transistor abführen können. Das Kühlkörperpad ist auf der Rückseite der Platine angebracht und erfordert keine Isolierung. Калибровка Für den Anschluss des Reglers müssen lediglich vier Anschlüsse hergestellt werden. Zwei – an den Plus- und Minuspol der Solarbatterie und zwei jeweils an den Plus- und Minuspol der Batterie. Nach dem Einbau des Reglers in das Ladegerät ist es notwendig, die Schaltung zu kalibrieren und insbesondere ihre Empfindlichkeit gegenüber Spannungsänderungen anzupassen, damit der Strom im richtigen Moment schaltet. Lassen Sie dazu zunächst den Akku leicht entladen. Anschließend wird der VR1-Potentiometerschieber bis zum Anschlag im Uhrzeigersinn gedreht (laut Diagramm in die obere Position). Die Relaiskontakte werden dann geschlossen. Die Spannung an der Batterie während des Ladevorgangs wird mit einem Voltmeter überwacht. Bei Erreichen von 12,6 V dreht sich der Schieber des Potentiometers VR1 in die entgegengesetzte Richtung, bis das Relais abschaltet. Dies entspricht der Aufladegebühr. Leider hängt die Ladespannung eines Akkus auch von seiner Temperatur ab. Je kälter die Batterie, desto mehr Spannung wird zum Laden benötigt. Dadurch ändert sich die Schwellenspannung, bei der der Regler arbeiten soll. Die Grafik in Abb. 9 zeigt die Ansprechspannung als Funktion der Temperatur.
Ein Fehler bei der Einstellung der Ansprechspannung kann grundsätzlich vernachlässigt werden. Wenn die Temperatur des Akkus während des Ladevorgangs relativ stabil und positiv ist, was auf die eine oder andere Weise sichergestellt werden kann, beispielsweise durch eine gute Abdeckung, haben kleine Temperaturänderungen praktisch keinen Einfluss auf die Funktion des Reglers.
Autor: Byers T.
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