Едем на солнечной энергии. Солнечное зарядное устройство для электровелосипеда
---
Одним из занятий, которому я посвятил значительную часть своей жизни - является электротранспорт. Особое внимание я уделяю экзотике в сфере электротранспорта: электрические летательные аппараты, использование солнечной энергии для заряда аккумуляторов и т.д.
Второй год я эксплуатирую экспериментальное зарядное устройство для аккумулятора электровелосипеда на складных солнечных панелях. Они используется как основной источник энергии для передвижения в многодневных автономных путешествиях по глухим местам нашей необъятной на электровелосипеде.
Всего на электровелосипеде преодолено более 92 тыс. км за 10 лет, из них 3000 км было преодолено на солнечной энергии (2021-2022 г), поэтому накопился определенный инженерный и эксплуатационно-технический опыт, которым есть возможность поделиться в данной статье.
Краткое техническое описание оборудования
а). Электровелосипед:
- силовая аккумуляторная батарея Li-ion 48V 38Ah 13S12P NCR18650B 1800Wh собственной сборки (150 км пробега на скорости 30 км/ч на трассе, в безветренную погоду);
- мотор-колесо: Direct Drive Quanshun "500W", заспицованное в 26" обод. Максимальная развиваемая скорость 47 км/ч на заряженной батарее;
- контроллер мотора: Infineon 6FET с настройкой 1100W мощности;
- рама стальная велосипеда Stels (лучше проявляет себя, чем бывшая до этого алюминиевая).
б). Солнечные батареи суммарной мощностью 260Вт:
- солнечные панели номинальной мощностью 160Вт 18В 8.8А (разделены на два блока по 80Вт 9В, соединяются последовательно). Имеют складную конструкцию, элементы гибкие, влагозащищенные (модель не знаю, делались на заказ):
- дополнительная солнечная батарея с Aliexpress 100W 18V Allpowers:
в). Измерительные приборы.
Wh-meter - авиамодельный ватт-метр для измерения мощности и энергии, поступающей от солнечных панелей. Их надо проверять на предмет систематической ошибки в показаниях. В моей модели ток и напряжение измеряет корректно, а энергию и ампер-часы врет на 31%. У другой модельки - плывет "ноль". В целом, они показали себя с лучшей стороны, в полях ни разу не подводили.
г). Солнечный контроллер на базе повышающего преобразователя "DC-DC Converter 400W"
Оснащен дополнительной платой стабилизации входного напряжения DC-DC конвертера - свежая доработка, о которой речь пойдет подробнее в следующей части статьи. Доработка позволила отказаться от буферной 18В батареи, которая раньше стабилизировала работу повышающего DC-DC преобразователя. С нею DC-DC преобразователь превращается в полноценный солнечный контроллер с ручной установкой режима максимальной мощности.
д). Туристическое снаряжение для ночевки и жизни на природе: палатка, спальник, коврик, котелок, горелка, надувная подушка, ремонтный комплект, посуда и прочее.
Одно из видео прошлого года, снятое во время похода - обзорный рассказ, демонстрация:
Фото. Какую мощность выдают панели
Недавно была приобретена дополнительная солнечная батарея 100W 18V Allpowers:
Суммарная мощность в наилучших условиях (холодная погода, небо без дымки, перпендикулярные лучи) стала достигать 260Вт (было 160Вт):
Летом я обычно рассчитываю на рабочее значение 170-190Вт (было 100-115Вт) из-за неидеальности условий: прогрев панелей и падение их КПД (основной вклад), не всегда правильный угол падения лучей, травинки, дымка, облака и т.д.
Размещение снаряжения на велосипеде
Внутри треугольника рамы: Li-ion аккумулятор 48V 38Ah.
Выше: тент палатки с дугами, обернутый в полиэтиленовую пленку (пленка пригождается, когда надо укрыть велосипед от осадков).
На багажнике: черный чехол со спальником и завернутым внутрь него пакетом с ремкомплектом.
На черном чехле: синий чехол с внутренней частью палатки.
На передней вилке закреплена бутылка с водой 1л, крепится резинками, нарезанными из велосипедных камер.
В рюкзаке все остальное: коврик, солнечные панели, электроника, посуда, еда, одежда.
Вес снаряженного рюкзака составляет около 12-13 кг, но он при езде опирается на упакованные чехлы на багажнике и спина разгружается почти полностью. Был опыт езды, не слезая с этим рюкзаком 10 часов подряд - спина чувствовала себя вполне нормально.
"На сколько км хватает заряда от Солнца?"
Из опыта прошлого года, когда в наличии был только 160 Вт комплект солнечных панелей, в период с восхода Солнца до 16-00...17-00 удавалось накопить около 0.9-1 кВт-ч энергии, чего хватало на 70-80 км пробега. Таким образом, с утра до наступления вечера шла зарядка, в течении которой, в спокойном темпе, выполнялись все обязательные хозяйственно-бытовые операции: приготовление еды, обслуживание физического тела, проверка и ремонт снаряжения, сборы. Вечером выполнялось передвижение по маршруту. Сумерки - разбитие лагеря на новом месте. Ночевка. Утром - подъем, выставление панелей, зарядка - цикл повторяется.
Был (есть) также вариант отзаряжаться целый день, никуда не перемещаясь. Тогда на одном и том же месте ночевка происходила две ночи и к следующему дню: +1.3 кВт-ч, чего уже хватало на 110 км пробега. Так рационально поступать, когда прогноз обещает один день ясный, а следующий за ним - пасмурный.
Добавление солнечных панелей с номинальной суммарной мощностью 260 Вт должно увеличить все параметры примерно в 1.5 раза.
Пока статистики мало, но я ожидаю от "прибавления в семье" пробега 110-130 км в день.
С использованием 260 Вт комплекта солнечных панелей - опыт накоплен пока не очень большой. Был осуществлен только один 650-километровый маршрут Нижний Новгород-Арзамас-Большое Болдино-Нижний Новгород, но он происходил преимущественно в пасмурно-облачную погоду, из-за чего я его преодолевал целых 10 дней.
Был только один более-менее малооблачный день. С утра и до 18-00 уровень заряда аккумулятора электровелосипеда был доведен с 7% до 100%. Из этого следовало, что было набрано около 1.65 кВт-ч. Данный результат меня вполне устроил - еще оставался остаток светового дня, который был потрачен на перемещение по маршруту.
"Какая средняя скорость движения?"
Скорость на маршруте поддерживается в диапазоне 22-33 км/ч, в зависимости от качества дороги, наличия встречного ветра, живописности местности.
Довольно часто, едешь медленнее, чем позволяет энергозапас, так как новая местность привлекает своей красотой и ее хочется рассмотреть более внимательно.
Расход в ватт-часах на километр пути у меня неплохо совпадает с популярным графиком, который ходит в электровелосипедных кругах (поправка примерно 10% в бОльшую сторону):
Расход ватт-часов на км пути растет почти квадратично от скорости движения. Для электровелосипеда (и для любого электротранспорта) предельно актуальна поговорка: "Тише едешь - дальше будешь". Расчеты показывают, что на велосипеде, на скоростях выше 25 км/ч аэродинамическое сопротивление начинает превышать все остальные потери механической энергии при движении.
Я раньше ориентировался на этот график, когда производил расчет достижимости тех или иных районов на местности, но теперь за много лет сформировалось особое "чутье ватт-часов", когда уже подсознательно ощущаешь какой режим движения надо выбрать, чтобы доехать. Конечно, важную роль играют установленные на руле электровелосипеда спидометр, одометр, датчик израсходованных ампер-часов, напряжение силовой батареи.
Огромную роль играет "поправка на ветер", из-за чего перед выездом тщательно изучаешь метеорологический прогноз.
Ветер - страшная сила. Он может позволить тебе ехать со скоростью 45 км/ч с расходом энергии, как будто ты едешь 20 км/ч и наоборот. Впрочем, любой, кто имел опыт езды на велосипеде - знает об этом.
Пример скриншота с сайта Windguru (сейчас доступен только через VPN), где на одном из маршрутов был сделан вывод, что начинать движение надо на запад, и возвращаться через пару дней. Расчет оправдался, была не езда, а песня.
"Можно ли крутить педали?"
Можно. Иногда даже нужно, когда внезапно появляется необходимость увеличить скорость и/или пробег, а лишних ватт-часов по каким-то причинам нету. Долговременную мощность ног велосипедиста-любителя можно оценить значением 100-150Вт. Час кручения: +100...150Вт-ч энергии в систему. Таким образом, однажды, я преодолел 200 км "за один присест" в течении вечера и ночи имея энергозапас на всё про всё всего 1700Вт-ч. Участок от границы с республикой Марий Эл до севера Нижегородской области. Необходимо было успеть завершить маршрут до прихода циклона.
Также, крайне положительно влияет на работу электровелосипеда помощь педалями при подъеме на крутой затяжной подъем.
Тут имеет место специфика Direct-Drive мотора (он был выбран из соображений ресурса и максимальной скорости), приводящая к сильному падению его КПД, когда он работает на малой частоте вращения при большом значении крутящего момента ("внатяг"). Здесь разгрузка мотора педалями помогает сохранить ватт-часы, чтобы они не перешли в тепло, снизить риск перегрева мотора, контроллера и т.д.
(Предвижу еще один вопрос: "Почему не был выбран кареточный Mid-drive мотор?". Ответ: появляется фактор износа цепи и звезд. На больших годовых пробегах принципиально важно, чтобы не было ни одного изнашивающегося механического элемента. Direct-Drive полностью удовлетворяет данному требованию).
Ресурс мотора мне крайне важен. У редукторников каждые 10 тыс. км подходят к исчерпанию ресурса нейлоновые шестерни и их требуется заменять. 10 тыс. км - это всего один год в моем стиле езды. Это очень мало.
Максимальная скорость. Это тоже важный параметр. Несмотря на то, что в походе обычно поддерживается неспешная скорость, крайне необходимо иметь возможность ускориться до 45-50 км/ч - например, чтобы удрать от стаи собак или не только от собак...
Также, немаловажную роль играет наличие рекуперации, которая обычно "идет в комплекте" с моторами прямого привода.
"Нужна ли рекуперация?"
Мне - очень. Дело не сколько в возврате ватт-часов обратно в аккумулятор, а в экономии ресурса дисков и тормозных колодок. Снаряженный электровелосипед со всем оборудованием весит около 50 кг + вес райдера. Перемещения происходят на большие расстояния, значительная инерция из-за возросшей массы - стоковые велосипедные тормоза (не рассчитанные на такие нагрузки) попросту будут "гореть огнем", если не электромеханическое торможение. При затяжном спуске рекуперация позволяет забрать 80-95% энергии, которая бы пошла на износ тормозов, которые, увы, в нынешнее время уже не стоят три копейки (и снова камень в огород моторам Mid-drive - у них тоже нет рекуперации).
Хотя и лишние 1-2 ампер-часа, которые возвращаются за поездку - тоже лишними не оказываются :)
"Почему не используется тележка? Можно было бы положить больше снаряжения и держать панели развернутыми, заряжать АКБ в движении?"
Тележка - это ухудшение проходимости и увеличение занимаемого места на трассе.
Если с первым пунктом еще можно справиться, то вот второй - стал камнем преткновения.
Часто асфальт на дорогах проложен так, что попутная полоса имеет ширину равную ширину одного грузового автомобиля (а подчас и легкового) и порою, без каких-либо тележек тебя не всегда могут обогнать - приходится спрыгивать на обочину, чтобы пропустить автотранспорт. С тележкой, в сложных дорожных условиях, при сильном трафике, такой фокус не пройдет и придется либо постоянно ехать по обочине, по гравию и песку, или задерживать автотранспортный поток, вызывая гнев и негодование водителей своей шириной и тихоходностью.
Немаловажным моментом является фактор привлечения внимания у местного населения в отдаленных районах. Не всегда дополнительное внимание от разных социальных слоев бывает полезным. Отсутствие тележки позволяет иметь вид "почти обычного велосипедиста", который вызывает меньший интерес. Меньше интерес - меньше вероятность вопросов "Сколько жрёт/Сколько прёт/Поставь генератор на переднее колесо для подзарядки", на которые не всегда есть настроение реагировать.
"Всего сотня км в день? Да я на педалях, без всякого электричества, проеду больше!"
Минуточку внимания:
- с туристическим снаряжением;
- последующей ночевкой в лесу/поле;
- завтра - снова сотня:
- послезавтра еще сотня.
Уверен, что не каждый молодой человек, встав из-за офисного кресла, будет готов к таким спортивным выкладкам.
А если и даже готов, то что из этого?
Не пропадает же смысл в покупке удочки, когда есть рыба в магазине.
И серфингисты не откажутся ловить волны, в то время как билеты на теплоход имеются в свободной продаже. Сюда же можно отнести коротковолновое радиолюбительство в эпоху интернета, да и практически любой hand-made и DIY при наличии почти любых товаров на AliExpress. Это иррационально, но это останется, ибо сознание человека не описывается только лишь рациональными алгоритмами.
Просьба для уважаемых спортсменов воспринимать в данной статье термин "электровелосипед" как "колесная платформа для экспериментов с электричеством", а не как "спортивный педальный снаряд".
Исключительно по экономическим и промышленным причинам в качестве такой колёсной платформы для научных экспериментов была использована основа от велосипеда. То, что на на этой научно-технической платформе остались педали и она внешне напоминает велосипед - просьба воспринимать это как случайный казус и забавное сходство :)
"Солнечные батареи - это дорого. Не проще ли подзаряжаться на трассе на АЗС/в кафе, беря с собою сетевое ЗУ?"
Зависит от задачи и ситуации. В прошлом году была необходимость оперативно прибыть в Москву из Нижнего Новгорода (~400 км). Тут у мощного ЗУ (1кВт) нет конкуренции.
Другое дело, когда есть желание удалиться от социума, ощутить слияние с природой, с космосом. Тогда маршрут простраивается таким образом, что на нем может не быть ни кафе, ни шиномонтажек, ни АЗС. Как правило, астральная энергетика хороша именно там, где минимизировано воздействие человечества на окружающую среду. И для того, чтобы пополнить запасы другого типа энергии, нежели чем та, что измеряется в джоулях (более тонкой, имеющую психическую природу), и затевается вся эта неспешная операция.
"За какой еще астральной энергетикой? Астрала не существует!"
Существует. Еще как существует. Без него невозможна была бы такая вещь, как "квалиа" и прочие феномены, которые несводимы к электрохимическим процессам внутри мозга. Возможно, я об этом напишу отдельную статью.
Впрочем, уважаемые читатели, я отвлекся от главного.
Часть 2
Первая часть статьи касалась общей информации по главным аспектам путешествия на солнечной тяге, вторая - будет более узкоспециализированной, рассчитанной на пользователей, имеющих некоторый инженерный опыт в сфере электроники.
"А в чем, собственно, проблема? Покупаем готовый солнечный MPPT-контроллер, подключаем и заряжаем"
По состоянию на июнь 2022 мне известна только одна модель ПОВЫШАЮЩЕГО солнечного контроллера: MPT-7210А. В русскоязычном YouTube известны хвалебные видеовыпуски, рассказывающего о его достоинствах.
Данный контроллер однажды мною был приобретен:
В ходе работы с ним было выявлено, что он довольно "сырой" с точки зрения инженерной продуманности:
- во-первых, у него имеется недокументированное ограничение входного тока значением около 4А (что дает возможность пропустить только 70Вт при 18В входного напряжения).
Путем разборки и изменения сопротивления одного из шунтов на плате - удалось поднять лимит до 7-8А, но все равно это означало, что контроллер не сможет работать с панелями более 140Вт номинального напряжения 18В;
- во-вторых, контроллер заявлен как "MPPT", то есть отслеживающий точку максимальной мощности солнечных панелей. На практике, реализация алгоритма мне показалась странной: после указания напряжения вручную, с какого должен стартовать поиск - контроллер начинал "шарить" по всему диапазону напряжений, уходя в "те места", где солнечные панели вырабатывают явно мало мощности. Как заставить контроллер сузить поле поиска - я так и не понял. А без этого - часть времени MPT-7210А работал со сниженным КПД панелей;
- в-третьих, непонятно для чего разработчики контроллера запрограммировали режим очень медленного выхода преобразователя на полную мощность. Условно говоря, имеем яркое Солнце, панели готовы выдавать 140Вт, подключаем MPT-7210А и у него "начинается в час по чайной ложке". Сначала 10Вт, потом подумает, потом 20Вт и т.д.;
- в-четвертых, вентилятор гудит как советский пылесос. Несмотря на присутствие в настройках регулировки его частоты вращения - угомонить его ни на йоту нет никакого шанса. Мало того, вентилятор наращивает обороты независимо от нагрузки на выходе. То есть, на 1Вт и на 100Вт - он "пылесосит" одинаково;
- в-пятых, плохонький КПД 87-88%, усугубляемый невнятно реализованным алгоритмом "MPPT".
Из плюсов могу отметить его отличный дизайн, эргономичное размещение органов управления, красивый дисплей с большим количеством отображаемых данных, однако у меня были другие приоритеты.
Приоритеты для походного солнечного контроллера
Он должен быть:
а). Легкий, компактный и надежный.
б). Дешевый, изготовленный из легкодоступных запчастей (в условном Арзамасе должна продаваться любая радиодеталь, чтобы его отремонтировать).
в). Без всяких "умных мозгов", которые "умнее тебя". МРРТ - приятная опция, но без нее можно спокойно обойтись, если солнечные панели у тебя не первый месяц и ты знаешь, в каких условиях где у них напряжение максимальной мощности. Для примера: у моего комплекта панелей в холодную погоду точка макс.мощности находится при напряжении 19.0-20.0В, в жаркую - 17.6...18.2В. Никакого труда нет ее выставить вручную и 1-2 раза в день подстроить.
г). Иметь высокий КПД.
Анализ рынка выявил отсутствие модели, подходящей под эти требования.
Поэтому пришлось импровизировать.
Первый способ решения проблемы: STEP-UP DC-DC и буферная АКБ 18В
Здесь в качестве блока повышения напряжения был использован популярный китайский повышающий DC-DC преобразователь "400W" совместно с буферной Li-ion АКБ 18В 7.8Ач 5S2P 21700 (собственной сборки):
В процессе экспериментов было обнаружено, что при мощностях более 100Вт его желательно оснастить принудительным охлаждением, что легко реализуется за счет установки кулера 40х40 или 50х50 непосредственно на радиаторы сверху.
Выяснилось, что преобразователь довольно "дуракоустойчив": есть защита от КЗ (предохранитель), при перегреве сгорает только силовой ключ MOSFET (не цепляя других SMD-компонентов), силовой ключ может быть заменен на любую модель удовлетворяющий следующим характеристикам:
- напряжение сток-исток: более 75В;
- макс.ток стока: более 50А;
- макс.сопротивление открытого канала: 23 мОм;
- макс. входная емкость: 5000 пФ.
(Хорошо проявили себя IRF4115, IRF3710)
Также, у него неплохая стабилизация выходного тока и напряжения, удовлетворительное, измеренное в ходе тестов, значение КПД 91-93% (в зависимости от мощности). К тому же он достойно проявил себя в походных условиях со скачками температуры и влажности, что и обусловило желание сохранить его в проекте для дальнейшей работы.
С буферной АКБ я проездил более года.
"Почему нельзя панели напрямую подключить к DC-DC преобразователю?"
Очевидное и простое решение подключить обычную китайскую "повышайку" напрямую к выходу солнечных панелей наталкивается на следующую трудность:
Дело в том, что имеющиеся регулировки на DC-DC преобразователе (два подстроечных резистора CC и СV) - устанавливают стабилизацию ВЫХОДНОГО тока и напряжения.
Нестабильная генерация тока у солнечных панелей и сильная крутизна их вольт-амперной характеристики приводят к тому, что настроить стоковый DC-DC преобразователь таким образом, чтобы он забирал всю мощность солнечных панелей и не отключался при малейшем падении освещенности - становится невозможно.
Предположим, что на выходе подстроечниками установлены параметры: CV = 50В, CC = 2A. Это соответствует 100Вт мощности, поступающих в АКБ электровелосипеда. С учётом КПД 92% DC-DC, на вход должно приходить не менее 108Вт от солнечных батарей.
Теперь рассмотрим ситуацию:
Яркое солнце. Потенциально панели могут выдать 180Вт. DC-DC работает. Но как? Преобразуя только 108Вт из 180Вт. Остальные 72Вт просто не используются. Почему? Потому что "родные" подстроечники стабилизируют значение ВЫХОДНОЙ мощности. Установлено 100Вт - значит от источника DC-DC будет брать 108Вт и ни ваттом больше.
Хорошо. Мы настроили параметры таким образом, чтобы DC-DC вырабатывал 165Вт, потребляя все 180Вт от панелей. Вроде все прекрасно.
До тех пор, пока не подходит маленькая тучка. Генерация панелей падает в три раза и становится 60Вт вместо 180Вт. Но преобразователь по-прежнему пытается вырабатывать 165Вт. Откуда он их возьмёт? Ниоткуда. Поэтому напряжение на входе DC-DC падает ниже порога работоспособности и нормальная генерация ШИМ для силового ключа MOSFET прекращается. Вместо 60Вт х 92% = 55Вт мы получаем НОЛЬ, а также риск скорого выхода из строя MOSFET который "висит" в полуоткрытом состоянии и переводит эти 60Вт в тепло.
Для решения этой проблемы принципиально важной необходимостью становится стабилизация параметров не на выходе DC-DC, а на его ВХОДЕ. Причем, важна стабилизация именно входного напряжения, так как при разной освещенности, панели сильно изменяют вырабатываемый ток, а напряжение макс. мощности меняется очень незначительно, как видно из графика ВАХ одной из моделей СБ:
Аккумулятор служил буфером, запасающим излишки заряда, когда ток, поступающий от панелей превышал ток, потребляемый преобразователем, и отдающим ток, когда Солнце заходило за тучку, и временно выработка панелями падала в 4-6 раз. Если не было затяжной облачности, то небольшие колебания мощности буферная батарея отрабатывала отлично, удерживая рабочее напряжение 18-19В.
В процессе эксплуатации были выявлены следующие достоинства данной схемы:
Невероятная простота и возможность работы с любым, самым "неумным" DC-DC конвертором из 18В в 48В.
Увеличение общего энергозапаса "на борту" на величину емкости буферной АКБ.
Возможность ненадолго отъехать от лагеря (например, в ближайшую деревню за водой) оставив все снаряжение на месте, при этом ватт-часы продолжают накапливаться.
Можно перемещать солнечные панели с маленькой АКБ, не таская за собой электровелосипед в поиске места наилучшей освещенности (на первых порах, когда тема солнечных панелей находилась на начальном этапе изучения - это было очень важно с научно-экспериментальной точки зрения).
И недостатки:
Увеличение веса возимого снаряжения на 0.8 кг
Присутствовала невозможность "угадать" точное положение мощности "повышайки", чтобы заряд втекающий в буферную АКБ был в точности равен заряду, вытекающему из нее. Из-за этого напряжение "плыло": либо вверх, либо вниз, что не позволяло надолго (более 1-2 часа) отойти от зарядного устройства. Необходимо было раз в определенный период времени подходить, смотреть и подкручивать.
Сохранялся риск повреждения преобразователя, если пропустить момент полного разряда буферной АКБ 18В, отключение BMS АКБ 18В по нижнему порогу и последующий выход Солнца из-за облаков (MOSFET в полуоткрытом состоянии быстро выходит из строя из-за поглощения всей мощности СБ и последующего перегрева).
Схема защиты буферной АКБ 18В от разряда
Изучение возможностей автоматизировать процесс контроля состояния заряженности буферной АКБ 18В начался относительно недавно, когда основная страсть поездить на солнечной энергии была удовлетворена и захотелось провести модернизацию оборудования.
Следовало ввести дополнительный, третий контур обратной связи в схему повышающего DC-DC преобразователя.
Схема стокового варианта:
В процессе экспериментов с преобразователем было выявлено, что подведение дополнительного положительного напряжения к выводу 16 микросхемы ШИМ-генератора TL494 приводит к снижению мощности преобразования.
Следует сказать, что входы 1, 2, 15, 16 у микросхемы - аналоговые и управление идет напряжениями в единицы-десятки милливольт.
Для реализации схемы контроля входного напряжения была собрана дополнительная плата на базе управляемого стабилитрона-микросхемы TL431:
Работа схемы заключается в слежении за входным напряжением питания. В момент когда напряжение питания становится ниже установленного делителем порога - микросхема TL431 прекращает пропускать сквозь себя ток, и на вход микросхемы TL494 (вывод 16), через согласующий резистор 220кОм, от катода TL431 начинает приходить повышенный уровень напряжения (12-15В). Высокий уровень сигнала заставляет TL494 снизить преобразуемый DC-DC конвертором ток до нуля, предотвращая разряд буферной АКБ ниже установленного порога.
По мере повышения питающего напряжения на входе - TL431 открывается, "сажает" напряжение на резисторе 2кОм до уровня 1.8В (минимальное напряжение для работы TL431), уровень сигнала на ножке 16 микросхемы TL494 резко уменьшается, и, как следствие, происходит увеличение мощности преобразователя до значения, устанавливаемого штатным подстроечником регулировки выходного тока на плате самого преобразователя. Дополнительный блок практически перестает влиять на работу DC-DC конвертора. Переходный процесс происходит в диапазоне изменения входного напряжения 0.2-0.3В.
Резистор 220 кОм служит для согласования уровней выхода дополнительной платы и входа микросхемы ШИМ-генератора TL494 (вольты -> милливольты).
Предохранитель на 0.2А и два последовательно включенных стабилитрона Д814Д служат цепью защиты дополнительной платы от повышенного напряжения на входе. Дело в том, что микросхема TL431 имеет лимит 36В, в то время как DC-DC преобразователь поддерживает входное напряжение до 50В. Если на вход придет напряжение более 25В, то стабилитроны откроются, пойдет большой ток и предохранитель сгорит, отключив доп.плату от питания. Сюда можно поставить любой другой мощный стабилитрон с рабочим напряжением 25...34В (должно быть более, чем напряжение холостого хода у подключаемых солнечных панелей).
Ставить последовательно с предохранителем резистор сопротивлением более 56 Ом - нельзя, так как в ходе тестов было выявлено, что это нарушает четкость переключения микросхемы TL431 при достижении установленного порога. Этот резистор можно исключить из схемы совсем.
Бонус - "теперь можно". Второй способ
В процессе экспериментов схема показала стабильную работу и неожиданно выявилось ее дополнительное свойство: появилась возможность отказаться от буферной АКБ 18В полностью и подключить солнечные панели напрямую к преобразователю. Рабочее напряжение устанавливалось на уровне порога, заданного подстроечным резистором на дополнительной плате. При этом вырабатываемый ток солнечными панелями при этом напряжении в точности становился равным току, потребляемым преобразователем.
Тесты повышающего преобразователя со схемой стабилизации входного напряжения продемонстрированы в следующем видеоролике:
При рабочих токах 4-8А схема также показала свою работоспособность (позже были проведены дополнительные тесты, не попавшие в видеоролик).
Выводы и заключение
В ходе доработки получился полноценный солнечный контроллер с ручной установкой рабочего напряжения солнечных панелей со следующими параметрами:
- диапазон устанавливаемых пороговых напряжений: 12...25В;
- диапазон входных токов: 1...10А;
- выходное напряжение: 20...63В;
- мощность преобразования: 1...250Вт;
- масса: 0.2 кг;
- измеренный КПД 91...93%.
На этом у меня всё, уважаемые читатели. Впереди у меня предстоят испытания данной доработки в длительных походах, о результатах которых вам будет известно.
Разумеется, есть вероятность, что в процессе эксплуатации могут всплыть баги и прочие непредсказуемые нюансы, поэтому схема для повторения рекомендуется тем, кто потенциально готов поэкспериментировать.
Второй год я эксплуатирую экспериментальное зарядное устройство для аккумулятора электровелосипеда на складных солнечных панелях. Они используется как основной источник энергии для передвижения в многодневных автономных путешествиях по глухим местам нашей необъятной на электровелосипеде.
Всего на электровелосипеде преодолено более 92 тыс. км за 10 лет, из них 3000 км было преодолено на солнечной энергии (2021-2022 г), поэтому накопился определенный инженерный и эксплуатационно-технический опыт, которым есть возможность поделиться в данной статье.
Краткое техническое описание оборудования
а). Электровелосипед:
- силовая аккумуляторная батарея Li-ion 48V 38Ah 13S12P NCR18650B 1800Wh собственной сборки (150 км пробега на скорости 30 км/ч на трассе, в безветренную погоду);
- мотор-колесо: Direct Drive Quanshun "500W", заспицованное в 26" обод. Максимальная развиваемая скорость 47 км/ч на заряженной батарее;
- контроллер мотора: Infineon 6FET с настройкой 1100W мощности;
- рама стальная велосипеда Stels (лучше проявляет себя, чем бывшая до этого алюминиевая).
б). Солнечные батареи суммарной мощностью 260Вт:
- солнечные панели номинальной мощностью 160Вт 18В 8.8А (разделены на два блока по 80Вт 9В, соединяются последовательно). Имеют складную конструкцию, элементы гибкие, влагозащищенные (модель не знаю, делались на заказ):
- дополнительная солнечная батарея с Aliexpress 100W 18V Allpowers:
в). Измерительные приборы.
Wh-meter - авиамодельный ватт-метр для измерения мощности и энергии, поступающей от солнечных панелей. Их надо проверять на предмет систематической ошибки в показаниях. В моей модели ток и напряжение измеряет корректно, а энергию и ампер-часы врет на 31%. У другой модельки - плывет "ноль". В целом, они показали себя с лучшей стороны, в полях ни разу не подводили.
г). Солнечный контроллер на базе повышающего преобразователя "DC-DC Converter 400W"
Оснащен дополнительной платой стабилизации входного напряжения DC-DC конвертера - свежая доработка, о которой речь пойдет подробнее в следующей части статьи. Доработка позволила отказаться от буферной 18В батареи, которая раньше стабилизировала работу повышающего DC-DC преобразователя. С нею DC-DC преобразователь превращается в полноценный солнечный контроллер с ручной установкой режима максимальной мощности.
д). Туристическое снаряжение для ночевки и жизни на природе: палатка, спальник, коврик, котелок, горелка, надувная подушка, ремонтный комплект, посуда и прочее.
Одно из видео прошлого года, снятое во время похода - обзорный рассказ, демонстрация:
Фото. Какую мощность выдают панели
Недавно была приобретена дополнительная солнечная батарея 100W 18V Allpowers:
Суммарная мощность в наилучших условиях (холодная погода, небо без дымки, перпендикулярные лучи) стала достигать 260Вт (было 160Вт):
Летом я обычно рассчитываю на рабочее значение 170-190Вт (было 100-115Вт) из-за неидеальности условий: прогрев панелей и падение их КПД (основной вклад), не всегда правильный угол падения лучей, травинки, дымка, облака и т.д.
Размещение снаряжения на велосипеде
Внутри треугольника рамы: Li-ion аккумулятор 48V 38Ah.
Выше: тент палатки с дугами, обернутый в полиэтиленовую пленку (пленка пригождается, когда надо укрыть велосипед от осадков).
На багажнике: черный чехол со спальником и завернутым внутрь него пакетом с ремкомплектом.
На черном чехле: синий чехол с внутренней частью палатки.
На передней вилке закреплена бутылка с водой 1л, крепится резинками, нарезанными из велосипедных камер.
В рюкзаке все остальное: коврик, солнечные панели, электроника, посуда, еда, одежда.
Вес снаряженного рюкзака составляет около 12-13 кг, но он при езде опирается на упакованные чехлы на багажнике и спина разгружается почти полностью. Был опыт езды, не слезая с этим рюкзаком 10 часов подряд - спина чувствовала себя вполне нормально.
"На сколько км хватает заряда от Солнца?"
Из опыта прошлого года, когда в наличии был только 160 Вт комплект солнечных панелей, в период с восхода Солнца до 16-00...17-00 удавалось накопить около 0.9-1 кВт-ч энергии, чего хватало на 70-80 км пробега. Таким образом, с утра до наступления вечера шла зарядка, в течении которой, в спокойном темпе, выполнялись все обязательные хозяйственно-бытовые операции: приготовление еды, обслуживание физического тела, проверка и ремонт снаряжения, сборы. Вечером выполнялось передвижение по маршруту. Сумерки - разбитие лагеря на новом месте. Ночевка. Утром - подъем, выставление панелей, зарядка - цикл повторяется.
Был (есть) также вариант отзаряжаться целый день, никуда не перемещаясь. Тогда на одном и том же месте ночевка происходила две ночи и к следующему дню: +1.3 кВт-ч, чего уже хватало на 110 км пробега. Так рационально поступать, когда прогноз обещает один день ясный, а следующий за ним - пасмурный.
Добавление солнечных панелей с номинальной суммарной мощностью 260 Вт должно увеличить все параметры примерно в 1.5 раза.
Пока статистики мало, но я ожидаю от "прибавления в семье" пробега 110-130 км в день.
С использованием 260 Вт комплекта солнечных панелей - опыт накоплен пока не очень большой. Был осуществлен только один 650-километровый маршрут Нижний Новгород-Арзамас-Большое Болдино-Нижний Новгород, но он происходил преимущественно в пасмурно-облачную погоду, из-за чего я его преодолевал целых 10 дней.
Был только один более-менее малооблачный день. С утра и до 18-00 уровень заряда аккумулятора электровелосипеда был доведен с 7% до 100%. Из этого следовало, что было набрано около 1.65 кВт-ч. Данный результат меня вполне устроил - еще оставался остаток светового дня, который был потрачен на перемещение по маршруту.
"Какая средняя скорость движения?"
Скорость на маршруте поддерживается в диапазоне 22-33 км/ч, в зависимости от качества дороги, наличия встречного ветра, живописности местности.
Довольно часто, едешь медленнее, чем позволяет энергозапас, так как новая местность привлекает своей красотой и ее хочется рассмотреть более внимательно.
Расход в ватт-часах на километр пути у меня неплохо совпадает с популярным графиком, который ходит в электровелосипедных кругах (поправка примерно 10% в бОльшую сторону):
Расход ватт-часов на км пути растет почти квадратично от скорости движения. Для электровелосипеда (и для любого электротранспорта) предельно актуальна поговорка: "Тише едешь - дальше будешь". Расчеты показывают, что на велосипеде, на скоростях выше 25 км/ч аэродинамическое сопротивление начинает превышать все остальные потери механической энергии при движении.
Я раньше ориентировался на этот график, когда производил расчет достижимости тех или иных районов на местности, но теперь за много лет сформировалось особое "чутье ватт-часов", когда уже подсознательно ощущаешь какой режим движения надо выбрать, чтобы доехать. Конечно, важную роль играют установленные на руле электровелосипеда спидометр, одометр, датчик израсходованных ампер-часов, напряжение силовой батареи.
Огромную роль играет "поправка на ветер", из-за чего перед выездом тщательно изучаешь метеорологический прогноз.
Ветер - страшная сила. Он может позволить тебе ехать со скоростью 45 км/ч с расходом энергии, как будто ты едешь 20 км/ч и наоборот. Впрочем, любой, кто имел опыт езды на велосипеде - знает об этом.
Пример скриншота с сайта Windguru (сейчас доступен только через VPN), где на одном из маршрутов был сделан вывод, что начинать движение надо на запад, и возвращаться через пару дней. Расчет оправдался, была не езда, а песня.
"Можно ли крутить педали?"
Можно. Иногда даже нужно, когда внезапно появляется необходимость увеличить скорость и/или пробег, а лишних ватт-часов по каким-то причинам нету. Долговременную мощность ног велосипедиста-любителя можно оценить значением 100-150Вт. Час кручения: +100...150Вт-ч энергии в систему. Таким образом, однажды, я преодолел 200 км "за один присест" в течении вечера и ночи имея энергозапас на всё про всё всего 1700Вт-ч. Участок от границы с республикой Марий Эл до севера Нижегородской области. Необходимо было успеть завершить маршрут до прихода циклона.
Также, крайне положительно влияет на работу электровелосипеда помощь педалями при подъеме на крутой затяжной подъем.
Тут имеет место специфика Direct-Drive мотора (он был выбран из соображений ресурса и максимальной скорости), приводящая к сильному падению его КПД, когда он работает на малой частоте вращения при большом значении крутящего момента ("внатяг"). Здесь разгрузка мотора педалями помогает сохранить ватт-часы, чтобы они не перешли в тепло, снизить риск перегрева мотора, контроллера и т.д.
(Предвижу еще один вопрос: "Почему не был выбран кареточный Mid-drive мотор?". Ответ: появляется фактор износа цепи и звезд. На больших годовых пробегах принципиально важно, чтобы не было ни одного изнашивающегося механического элемента. Direct-Drive полностью удовлетворяет данному требованию).
Ресурс мотора мне крайне важен. У редукторников каждые 10 тыс. км подходят к исчерпанию ресурса нейлоновые шестерни и их требуется заменять. 10 тыс. км - это всего один год в моем стиле езды. Это очень мало.
Максимальная скорость. Это тоже важный параметр. Несмотря на то, что в походе обычно поддерживается неспешная скорость, крайне необходимо иметь возможность ускориться до 45-50 км/ч - например, чтобы удрать от стаи собак или не только от собак...
Также, немаловажную роль играет наличие рекуперации, которая обычно "идет в комплекте" с моторами прямого привода.
"Нужна ли рекуперация?"
Мне - очень. Дело не сколько в возврате ватт-часов обратно в аккумулятор, а в экономии ресурса дисков и тормозных колодок. Снаряженный электровелосипед со всем оборудованием весит около 50 кг + вес райдера. Перемещения происходят на большие расстояния, значительная инерция из-за возросшей массы - стоковые велосипедные тормоза (не рассчитанные на такие нагрузки) попросту будут "гореть огнем", если не электромеханическое торможение. При затяжном спуске рекуперация позволяет забрать 80-95% энергии, которая бы пошла на износ тормозов, которые, увы, в нынешнее время уже не стоят три копейки (и снова камень в огород моторам Mid-drive - у них тоже нет рекуперации).
Хотя и лишние 1-2 ампер-часа, которые возвращаются за поездку - тоже лишними не оказываются :)
"Почему не используется тележка? Можно было бы положить больше снаряжения и держать панели развернутыми, заряжать АКБ в движении?"
Тележка - это ухудшение проходимости и увеличение занимаемого места на трассе.
Если с первым пунктом еще можно справиться, то вот второй - стал камнем преткновения.
Часто асфальт на дорогах проложен так, что попутная полоса имеет ширину равную ширину одного грузового автомобиля (а подчас и легкового) и порою, без каких-либо тележек тебя не всегда могут обогнать - приходится спрыгивать на обочину, чтобы пропустить автотранспорт. С тележкой, в сложных дорожных условиях, при сильном трафике, такой фокус не пройдет и придется либо постоянно ехать по обочине, по гравию и песку, или задерживать автотранспортный поток, вызывая гнев и негодование водителей своей шириной и тихоходностью.
Немаловажным моментом является фактор привлечения внимания у местного населения в отдаленных районах. Не всегда дополнительное внимание от разных социальных слоев бывает полезным. Отсутствие тележки позволяет иметь вид "почти обычного велосипедиста", который вызывает меньший интерес. Меньше интерес - меньше вероятность вопросов "Сколько жрёт/Сколько прёт/Поставь генератор на переднее колесо для подзарядки", на которые не всегда есть настроение реагировать.
"Всего сотня км в день? Да я на педалях, без всякого электричества, проеду больше!"
Минуточку внимания:
- с туристическим снаряжением;
- последующей ночевкой в лесу/поле;
- завтра - снова сотня:
- послезавтра еще сотня.
Уверен, что не каждый молодой человек, встав из-за офисного кресла, будет готов к таким спортивным выкладкам.
А если и даже готов, то что из этого?
Не пропадает же смысл в покупке удочки, когда есть рыба в магазине.
И серфингисты не откажутся ловить волны, в то время как билеты на теплоход имеются в свободной продаже. Сюда же можно отнести коротковолновое радиолюбительство в эпоху интернета, да и практически любой hand-made и DIY при наличии почти любых товаров на AliExpress. Это иррационально, но это останется, ибо сознание человека не описывается только лишь рациональными алгоритмами.
Просьба для уважаемых спортсменов воспринимать в данной статье термин "электровелосипед" как "колесная платформа для экспериментов с электричеством", а не как "спортивный педальный снаряд".
Исключительно по экономическим и промышленным причинам в качестве такой колёсной платформы для научных экспериментов была использована основа от велосипеда. То, что на на этой научно-технической платформе остались педали и она внешне напоминает велосипед - просьба воспринимать это как случайный казус и забавное сходство :)
"Солнечные батареи - это дорого. Не проще ли подзаряжаться на трассе на АЗС/в кафе, беря с собою сетевое ЗУ?"
Зависит от задачи и ситуации. В прошлом году была необходимость оперативно прибыть в Москву из Нижнего Новгорода (~400 км). Тут у мощного ЗУ (1кВт) нет конкуренции.
Другое дело, когда есть желание удалиться от социума, ощутить слияние с природой, с космосом. Тогда маршрут простраивается таким образом, что на нем может не быть ни кафе, ни шиномонтажек, ни АЗС. Как правило, астральная энергетика хороша именно там, где минимизировано воздействие человечества на окружающую среду. И для того, чтобы пополнить запасы другого типа энергии, нежели чем та, что измеряется в джоулях (более тонкой, имеющую психическую природу), и затевается вся эта неспешная операция.
"За какой еще астральной энергетикой? Астрала не существует!"
Существует. Еще как существует. Без него невозможна была бы такая вещь, как "квалиа" и прочие феномены, которые несводимы к электрохимическим процессам внутри мозга. Возможно, я об этом напишу отдельную статью.
Впрочем, уважаемые читатели, я отвлекся от главного.
Часть 2
Первая часть статьи касалась общей информации по главным аспектам путешествия на солнечной тяге, вторая - будет более узкоспециализированной, рассчитанной на пользователей, имеющих некоторый инженерный опыт в сфере электроники.
"А в чем, собственно, проблема? Покупаем готовый солнечный MPPT-контроллер, подключаем и заряжаем"
По состоянию на июнь 2022 мне известна только одна модель ПОВЫШАЮЩЕГО солнечного контроллера: MPT-7210А. В русскоязычном YouTube известны хвалебные видеовыпуски, рассказывающего о его достоинствах.
Данный контроллер однажды мною был приобретен:
В ходе работы с ним было выявлено, что он довольно "сырой" с точки зрения инженерной продуманности:
- во-первых, у него имеется недокументированное ограничение входного тока значением около 4А (что дает возможность пропустить только 70Вт при 18В входного напряжения).
Путем разборки и изменения сопротивления одного из шунтов на плате - удалось поднять лимит до 7-8А, но все равно это означало, что контроллер не сможет работать с панелями более 140Вт номинального напряжения 18В;
- во-вторых, контроллер заявлен как "MPPT", то есть отслеживающий точку максимальной мощности солнечных панелей. На практике, реализация алгоритма мне показалась странной: после указания напряжения вручную, с какого должен стартовать поиск - контроллер начинал "шарить" по всему диапазону напряжений, уходя в "те места", где солнечные панели вырабатывают явно мало мощности. Как заставить контроллер сузить поле поиска - я так и не понял. А без этого - часть времени MPT-7210А работал со сниженным КПД панелей;
- в-третьих, непонятно для чего разработчики контроллера запрограммировали режим очень медленного выхода преобразователя на полную мощность. Условно говоря, имеем яркое Солнце, панели готовы выдавать 140Вт, подключаем MPT-7210А и у него "начинается в час по чайной ложке". Сначала 10Вт, потом подумает, потом 20Вт и т.д.;
- в-четвертых, вентилятор гудит как советский пылесос. Несмотря на присутствие в настройках регулировки его частоты вращения - угомонить его ни на йоту нет никакого шанса. Мало того, вентилятор наращивает обороты независимо от нагрузки на выходе. То есть, на 1Вт и на 100Вт - он "пылесосит" одинаково;
- в-пятых, плохонький КПД 87-88%, усугубляемый невнятно реализованным алгоритмом "MPPT".
Из плюсов могу отметить его отличный дизайн, эргономичное размещение органов управления, красивый дисплей с большим количеством отображаемых данных, однако у меня были другие приоритеты.
Приоритеты для походного солнечного контроллера
Он должен быть:
а). Легкий, компактный и надежный.
б). Дешевый, изготовленный из легкодоступных запчастей (в условном Арзамасе должна продаваться любая радиодеталь, чтобы его отремонтировать).
в). Без всяких "умных мозгов", которые "умнее тебя". МРРТ - приятная опция, но без нее можно спокойно обойтись, если солнечные панели у тебя не первый месяц и ты знаешь, в каких условиях где у них напряжение максимальной мощности. Для примера: у моего комплекта панелей в холодную погоду точка макс.мощности находится при напряжении 19.0-20.0В, в жаркую - 17.6...18.2В. Никакого труда нет ее выставить вручную и 1-2 раза в день подстроить.
г). Иметь высокий КПД.
Анализ рынка выявил отсутствие модели, подходящей под эти требования.
Поэтому пришлось импровизировать.
Первый способ решения проблемы: STEP-UP DC-DC и буферная АКБ 18В
Здесь в качестве блока повышения напряжения был использован популярный китайский повышающий DC-DC преобразователь "400W" совместно с буферной Li-ion АКБ 18В 7.8Ач 5S2P 21700 (собственной сборки):
В процессе экспериментов было обнаружено, что при мощностях более 100Вт его желательно оснастить принудительным охлаждением, что легко реализуется за счет установки кулера 40х40 или 50х50 непосредственно на радиаторы сверху.
Выяснилось, что преобразователь довольно "дуракоустойчив": есть защита от КЗ (предохранитель), при перегреве сгорает только силовой ключ MOSFET (не цепляя других SMD-компонентов), силовой ключ может быть заменен на любую модель удовлетворяющий следующим характеристикам:
- напряжение сток-исток: более 75В;
- макс.ток стока: более 50А;
- макс.сопротивление открытого канала: 23 мОм;
- макс. входная емкость: 5000 пФ.
(Хорошо проявили себя IRF4115, IRF3710)
Также, у него неплохая стабилизация выходного тока и напряжения, удовлетворительное, измеренное в ходе тестов, значение КПД 91-93% (в зависимости от мощности). К тому же он достойно проявил себя в походных условиях со скачками температуры и влажности, что и обусловило желание сохранить его в проекте для дальнейшей работы.
С буферной АКБ я проездил более года.
"Почему нельзя панели напрямую подключить к DC-DC преобразователю?"
Очевидное и простое решение подключить обычную китайскую "повышайку" напрямую к выходу солнечных панелей наталкивается на следующую трудность:
Дело в том, что имеющиеся регулировки на DC-DC преобразователе (два подстроечных резистора CC и СV) - устанавливают стабилизацию ВЫХОДНОГО тока и напряжения.
Нестабильная генерация тока у солнечных панелей и сильная крутизна их вольт-амперной характеристики приводят к тому, что настроить стоковый DC-DC преобразователь таким образом, чтобы он забирал всю мощность солнечных панелей и не отключался при малейшем падении освещенности - становится невозможно.
Предположим, что на выходе подстроечниками установлены параметры: CV = 50В, CC = 2A. Это соответствует 100Вт мощности, поступающих в АКБ электровелосипеда. С учётом КПД 92% DC-DC, на вход должно приходить не менее 108Вт от солнечных батарей.
Теперь рассмотрим ситуацию:
Яркое солнце. Потенциально панели могут выдать 180Вт. DC-DC работает. Но как? Преобразуя только 108Вт из 180Вт. Остальные 72Вт просто не используются. Почему? Потому что "родные" подстроечники стабилизируют значение ВЫХОДНОЙ мощности. Установлено 100Вт - значит от источника DC-DC будет брать 108Вт и ни ваттом больше.
Хорошо. Мы настроили параметры таким образом, чтобы DC-DC вырабатывал 165Вт, потребляя все 180Вт от панелей. Вроде все прекрасно.
До тех пор, пока не подходит маленькая тучка. Генерация панелей падает в три раза и становится 60Вт вместо 180Вт. Но преобразователь по-прежнему пытается вырабатывать 165Вт. Откуда он их возьмёт? Ниоткуда. Поэтому напряжение на входе DC-DC падает ниже порога работоспособности и нормальная генерация ШИМ для силового ключа MOSFET прекращается. Вместо 60Вт х 92% = 55Вт мы получаем НОЛЬ, а также риск скорого выхода из строя MOSFET который "висит" в полуоткрытом состоянии и переводит эти 60Вт в тепло.
Для решения этой проблемы принципиально важной необходимостью становится стабилизация параметров не на выходе DC-DC, а на его ВХОДЕ. Причем, важна стабилизация именно входного напряжения, так как при разной освещенности, панели сильно изменяют вырабатываемый ток, а напряжение макс. мощности меняется очень незначительно, как видно из графика ВАХ одной из моделей СБ:
Аккумулятор служил буфером, запасающим излишки заряда, когда ток, поступающий от панелей превышал ток, потребляемый преобразователем, и отдающим ток, когда Солнце заходило за тучку, и временно выработка панелями падала в 4-6 раз. Если не было затяжной облачности, то небольшие колебания мощности буферная батарея отрабатывала отлично, удерживая рабочее напряжение 18-19В.
В процессе эксплуатации были выявлены следующие достоинства данной схемы:
Невероятная простота и возможность работы с любым, самым "неумным" DC-DC конвертором из 18В в 48В.
Увеличение общего энергозапаса "на борту" на величину емкости буферной АКБ.
Возможность ненадолго отъехать от лагеря (например, в ближайшую деревню за водой) оставив все снаряжение на месте, при этом ватт-часы продолжают накапливаться.
Можно перемещать солнечные панели с маленькой АКБ, не таская за собой электровелосипед в поиске места наилучшей освещенности (на первых порах, когда тема солнечных панелей находилась на начальном этапе изучения - это было очень важно с научно-экспериментальной точки зрения).
И недостатки:
Увеличение веса возимого снаряжения на 0.8 кг
Присутствовала невозможность "угадать" точное положение мощности "повышайки", чтобы заряд втекающий в буферную АКБ был в точности равен заряду, вытекающему из нее. Из-за этого напряжение "плыло": либо вверх, либо вниз, что не позволяло надолго (более 1-2 часа) отойти от зарядного устройства. Необходимо было раз в определенный период времени подходить, смотреть и подкручивать.
Сохранялся риск повреждения преобразователя, если пропустить момент полного разряда буферной АКБ 18В, отключение BMS АКБ 18В по нижнему порогу и последующий выход Солнца из-за облаков (MOSFET в полуоткрытом состоянии быстро выходит из строя из-за поглощения всей мощности СБ и последующего перегрева).
Схема защиты буферной АКБ 18В от разряда
Изучение возможностей автоматизировать процесс контроля состояния заряженности буферной АКБ 18В начался относительно недавно, когда основная страсть поездить на солнечной энергии была удовлетворена и захотелось провести модернизацию оборудования.
Следовало ввести дополнительный, третий контур обратной связи в схему повышающего DC-DC преобразователя.
Схема стокового варианта:
В процессе экспериментов с преобразователем было выявлено, что подведение дополнительного положительного напряжения к выводу 16 микросхемы ШИМ-генератора TL494 приводит к снижению мощности преобразования.
Следует сказать, что входы 1, 2, 15, 16 у микросхемы - аналоговые и управление идет напряжениями в единицы-десятки милливольт.
Для реализации схемы контроля входного напряжения была собрана дополнительная плата на базе управляемого стабилитрона-микросхемы TL431:
Работа схемы заключается в слежении за входным напряжением питания. В момент когда напряжение питания становится ниже установленного делителем порога - микросхема TL431 прекращает пропускать сквозь себя ток, и на вход микросхемы TL494 (вывод 16), через согласующий резистор 220кОм, от катода TL431 начинает приходить повышенный уровень напряжения (12-15В). Высокий уровень сигнала заставляет TL494 снизить преобразуемый DC-DC конвертором ток до нуля, предотвращая разряд буферной АКБ ниже установленного порога.
По мере повышения питающего напряжения на входе - TL431 открывается, "сажает" напряжение на резисторе 2кОм до уровня 1.8В (минимальное напряжение для работы TL431), уровень сигнала на ножке 16 микросхемы TL494 резко уменьшается, и, как следствие, происходит увеличение мощности преобразователя до значения, устанавливаемого штатным подстроечником регулировки выходного тока на плате самого преобразователя. Дополнительный блок практически перестает влиять на работу DC-DC конвертора. Переходный процесс происходит в диапазоне изменения входного напряжения 0.2-0.3В.
Резистор 220 кОм служит для согласования уровней выхода дополнительной платы и входа микросхемы ШИМ-генератора TL494 (вольты -> милливольты).
Предохранитель на 0.2А и два последовательно включенных стабилитрона Д814Д служат цепью защиты дополнительной платы от повышенного напряжения на входе. Дело в том, что микросхема TL431 имеет лимит 36В, в то время как DC-DC преобразователь поддерживает входное напряжение до 50В. Если на вход придет напряжение более 25В, то стабилитроны откроются, пойдет большой ток и предохранитель сгорит, отключив доп.плату от питания. Сюда можно поставить любой другой мощный стабилитрон с рабочим напряжением 25...34В (должно быть более, чем напряжение холостого хода у подключаемых солнечных панелей).
Ставить последовательно с предохранителем резистор сопротивлением более 56 Ом - нельзя, так как в ходе тестов было выявлено, что это нарушает четкость переключения микросхемы TL431 при достижении установленного порога. Этот резистор можно исключить из схемы совсем.
Бонус - "теперь можно". Второй способ
В процессе экспериментов схема показала стабильную работу и неожиданно выявилось ее дополнительное свойство: появилась возможность отказаться от буферной АКБ 18В полностью и подключить солнечные панели напрямую к преобразователю. Рабочее напряжение устанавливалось на уровне порога, заданного подстроечным резистором на дополнительной плате. При этом вырабатываемый ток солнечными панелями при этом напряжении в точности становился равным току, потребляемым преобразователем.
Тесты повышающего преобразователя со схемой стабилизации входного напряжения продемонстрированы в следующем видеоролике:
При рабочих токах 4-8А схема также показала свою работоспособность (позже были проведены дополнительные тесты, не попавшие в видеоролик).
Выводы и заключение
В ходе доработки получился полноценный солнечный контроллер с ручной установкой рабочего напряжения солнечных панелей со следующими параметрами:
- диапазон устанавливаемых пороговых напряжений: 12...25В;
- диапазон входных токов: 1...10А;
- выходное напряжение: 20...63В;
- мощность преобразования: 1...250Вт;
- масса: 0.2 кг;
- измеренный КПД 91...93%.
На этом у меня всё, уважаемые читатели. Впереди у меня предстоят испытания данной доработки в длительных походах, о результатах которых вам будет известно.
Разумеется, есть вероятность, что в процессе эксплуатации могут всплыть баги и прочие непредсказуемые нюансы, поэтому схема для повторения рекомендуется тем, кто потенциально готов поэкспериментировать.
Источник: sam.mirtesen.ru
Комментарии (0)
{related-news}
[/related-news]