Солнечная батарея на балконе: тестирование аккумулятора и BMS
Привет Geektimes! В предыдущей части кратко рассказывалось о компонентах, необходимых для накопления энергии от солнечной батареи, теперь перейдем к тестированию компонентов. Хотелось протестировать обе основные части — контроллер солнечной панели (Solar charge controller) и BMS (Battery Management System), но скорость работы почты внесла свои коррективы. Поэтому начнем только с BMS, а остальные детали пришлось взять из тех, что нашлись под рукой.
Что получилось, подробности под катом.
Заряд аккумулятора
Как говорилось ранее, для работы с аккумулятором используется Battery Management System — это плата, которая делает сразу несколько полезных функций:
— обеспечивает равномерность заряда ячеек,
— обеспечивает защиту батареи от перезаряда, что крайне вредно и даже пожароопасно для литиевых батарей,
— обеспечивает защиту батареи от переразряда, что также вредно для батареи, хоть и не пожароопасно.
В моем случае была заказана плата 18650 Protection Balance Board (еще раз важно отметить наличие на плате обеих компонентов protection и balance, бывают платы где есть что-то одно), которая выглядит так:
Стоимость платы составляет 8$, и некоторые читатели выразили сомнение в качестве ее работы. Это мы также проверим. В предыдущей части были вопросы, так что еще раз поясню, что 3 «батарейки» на схеме показаны условно, каждая ячейка в реале может состоять из спараллеленных нескольких (так собственно и делается в ноутбуках).
Компоненты
Для подключения BMS в старых запасах были найдены недостающие компоненты.
1) Литий-ионная батарея 3S1P с Hobbyking емкостью 2.1Ач:
Это не формфактор 18650, но химия ячеек та же самая, так что разницы по сути нет.
2) Понижающий dc-dc конвертер:
С помощью этого преобразователя напряжение будет подаваться на BMS. Мощность преобразователя 15Вт, так что по большому счету, он не подходит к 100-ваттной панели. Однако погода была пасмурная, так что для теста сойдет. На преобразователе было выставлено максимальное значение для LiPo 4.2×3 = 12.6В.
Правильный алгоритм заряда LiPo выглядит примерно так:
В первой фазе батарея заряжается постоянным током (CC, constant current) до достижения напряжения 4.2В на ячейку. Затем данное напряжение поддерживается зарядным устройством (режим CV, constant voltage), до тех пор пока ток заряда не упадет до минимального значения.
Наш алгоритм заряда будет «немного» более упрощенным. Остается только лишь первая фаза СС, в которой ток лишь условно будет constant, т.к. сила тока от солнечных панелей постоянно меняется. Однако ничего плохого в этом нет, наоборот, заряд более низкими токами продлевает жизни батареи. Отсутствие второй фазы CV приведет лишь к тому, что батарея будет заряжена примерно на 80%, однако прочих параметров батареи это не ухудшит. Вреда для батареи от недозаряда также нет, скорее наоборот.
Заряд
Для тестирования была взята литий-ионная батарея, напряжение на ячейках было разным, и составляло соответственно 3.13, 3.47 и 3.44В. «На коленке» все вышеописанные компоненты были собраны и подключены вместе.
Облачность была переменной, и даже с кратковременным дождем. Мощность, получаемая от солнечной панели составила от 2 до 18Вт. Были опасения за работу преобразователя, который на ощупь был весьма теплым, но его температура на самом деле оказалась вполне невысокой.
BMS вообще не грелась, элементы были лишь на 1–2 градуса теплее фона. Аккумулятор был также холодным.
Наконец, где-то через 3.5 часа напряжение на индикаторе достигло 12.5В, а потребляемый ток стал равен нулю — BMS отключила батарею от заряда. Для тех кто не верил в возможность работы BMS за 8$ — измеренное мультиметром напряжение на ячейках составило 4.18, 4.18 и 4.18В. Это чуть меньше чем 4.2В, но укладывается в заявленные для LiPo tolerance +/–50mV/cell.
Разряд
Для разряда, к батарее, также через BMS, был подключен кусок светодиодной ленты в качестве «вечернего» освещения:
Конечно LED-лампа на 12В была бы удобнее, но у меня ее нет. Лента светила примерно 2.5 часа вечером, в качестве фонового света. Утром к батарее через dc-dc преобразователь со встроенным USB-выходом был на подзарядку включен смартфон:
Оставшегося в аккумуляторе заряда хватило, чтобы зарядить смартфон с 15% до 75%, затем BMS отключила батарею. Оставшееся после отключения напряжение на ячейках батареи составляло 3.18, 3.51 и 3.45В соответственно, что опять-таки, укладывается в нормы. Как можно видеть, BMS отключила батарею, как только напряжение хотя бы на одной ячейке опустилось ниже нормы.
Заключение
Можно сказать, что BMS работает как ожидалось — выравнивает напряжение ячеек при заряде, и не допускает глубокого разряда. Впрочем, учитывая заявленные производителем параметры »3S 12.6V 25A», было бы странно если бы она не работала — ток от солнечных панелей заметно меньше (даже с учетом вероятного маркетинга и «китайских ватт»).
Даже в таком «тестовом» виде система уже работает, позволяя днем накапливать солнечную энергию, а вечером ее использовать. Пиковая мощность на ватт-метре была около 30Вт при силе тока около 2А, можно грубо прикинуть что за полдня можно зарядить батарею 12Ач, т.е. с некоторым запасом хватит батареи на 20Ач (опять же, батарей много не бывает, в пасмурные дни выработка меньше). Этого хватит для вечернего освещения LED-лампой 1–3Вт и для зарядки всех гаджетов.
Батарея от rc-моделей с Hobbyking была поставлена как временное решение, исключительно для теста. Эти батареи не тестировались в режиме постоянной работы, так что рекомендовать ее к покупке в таком качестве я не могу. В то же время, каких-либо проблем в ее работе также не было — токи разряда 1–2А для этих батарей просто смешные (для сравнения, в квадрокоптере при полете ток 20–25А).
В следующей части будет рассказано о Solar Charge Controller, и о том как все это работает вместе. Stay tuned.
