CC BY
10
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив. Серия В. Техника и технологии. Том XVII, ISSN 1311 -9419 (Print); ISSN 2534-9384 (Online), 2019. Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria - Plovdiv. Series C. Technics and Technologies. Vol. XVII., ISSN 1311 -9419(Print); ISSN 2534-9384 (Online), 2019
СЪЗДАВАНЕ НА КОНТРОЛЕР ЗА ЗАРЯД/РАЗРЯД НА АКУМУЛАТОР Недялко Катранджиев, Николай Карнобатев УХТ - Пловдив, Компютърни системи и технологии
CREATING А С HARGE/DISCHARGE CONTROLLER IFOR BATTERY Nedyalko Katrandzhiev, Nikolay Karnobatev UFT - Plovdiv,Computer systems and technologies
Abstract
Accumulators contain harmful materials (lead, acid) that can fall into nature when they are incorrectly charged/discharged. When recharging or draining a large current from the battery, it may cause a deformation/cracking of the housing, and in some cases it can lead even to an explosion. Additionally, a deep battery discharge and/or frequent recharging significantly reduces its lifecycle and capacity. To avoid the abovementioned situations in order to reduce the occurrence of battery damage, a controller should be used to monitor and control the charging/discharging process. This publication discusses the process of creating a charge/discharge controller.
Keywords: battery, controller, charge, discharge, rechargeable
Въведение
В наши дни човек толкова е привикнал с електричеството, че животът без него е невъобразим. Електричеството се е превърнало в неизбежна част от ежедневието, то вече е необходимост. Това го прави един от най-важните ресурси на 21 век. За съжаление около 80% от световната ел. енергия се генерира от електроцентрали, подхранвани с радиоактивни и замърсяващи околната среда горива. Тези горива са опасни и оказват значително влияние върху природата. В същото време PW (пета вата) екологично чиста, възобновяема соларна енергия, достига до земната повърхност. Тази лъчиста енергия може да се трансформира в топлина и/или в електричество (Кatrandzhiev & Karnobatev, 2018).
Соларният панел преобразува слънчевата енергия в електрическа. Веднъж трансформирана слънчевата енергията от фотоволтаичния панел трябва да бъде съхранена някъде, а именно в акумулатор. Свързването на соларния панел директно към акумулатор освен енергийно неефективно е и вредно за последния. За по-дълъг живот на акумулатора, предпазване от дефектиране в следствие на дълбок разряд, презареждане или претоварване по ток е необходимо да се използва устройство, което да контролира процеса на заряд/разряд на акумулатора - контролер за заряд/разряд на акумулатор.
Материали и методи
За създаване на контролера за заряд/разряд е използвана платформата Ардуино, в качеството си на среда за разработка на микроконтролер AT Mega 328 (Чикуртев et al, 2013; Arduino Playground; Atmel Corporation). Като входни устройства за микроконтролера са използвани сензор за ток и сензори за напрежение.
Сензорът за ток се използва за отчитане на консумирания ток от товара. Той е реализиран със специализирана интегрална схема ACS712-20A (ACS712 Datasheet). За отчитане на големината на тока се използва ефекта на Хол. В ACS712-20A има проводник със съпротивление 1.2 mQ. В непосредствена близост до споменатия проводник е разположен елемент на Хол. При протичане на ток между споменатите терминали се генерира магнитно поле, големината на което е пропорционална на големината на тока, протичаща във веригата. Генерираното магнитно поле се регистрира от елемента на Хол и конвертира в напрежение.
Сензорите за напрежение се използват за отчитане на напреженията на соларния панел и батерията. Те са реализирани чрез резистивен делител на напрежение (фиг. 1). Делителят на напрежение в най-основния си вид представлява два последователно свързани резистора. Свободните краища, на които се включват към маса (GND) и точката, на която ще се измерва потенциала (Uin). Общата точка на двата резистора се явява изходния сигнал (Uout). Тя се свързва към един от аналоговите входове на микроконтролера. Стойностите на Rj и R2 се избират като се има на предвид максималното входно напрежение на соларния панел и работното напрежение на АЦП на микроконтролера.
Като основно изходно устройство/силов елемент, регулиращ процеса на заряд/разряд посредством ШИМ е използван MOS транзистор с индуциран P канал - IRF9540 (IRF9540N Datasheet). Параметрите на транзистора са показани в таблица 1. Той се управлява посредством биполярен транзистор, работещ в ключов режим (фиг. 3). В схемата е включен и втори IRF9540, който се използва като вентил - за спиране или пропускане на ел. ток към товара.
GND Табл.
Ж?
Фиг. 1. Сензор за напрежение 1. Параметри на IRF9540 (IRF9540NDatasheet)
Параметър Стойност
RDS(on) 0.117 Q
Id -23 A
VDSS -100 V
Vgs ±20 V
TJ -55 до 175 °C
VoS(th) -2 до -4 V
С цел визуализиране на параметрите на контролера в реално време е добавено още едно изходно устройство - 16x4 буквено-цифров LCD дисплей HD44780.
Резултати и обсъждане
За създаване на контролера на заряд/разряд е проектирана и създадена хардуерна и софтуерна част.
1. Реализиране на хардуерна част
За реализиране на хардуерната част на контролера е създадена блок-схема, описваща хардуерните компоненти и взаимодействията помежду им (фиг. 2). На база тази блок схема
е създадена принципната схема на контролера (фиг. 3), както и самия хардуер (фиг. 4).
Фиг. 2. Блок схема на хардуера
Фиг. 3. Принципна схема, реализираща блок-схемата на хардуера
Фиг 4. Създаденият контролер
2. Реализиране на софтуерната част
На фиг. 5 е представен алгоритъм, показващ хода на главната програма, която извиква подпрограми, реализиращи функционалността на контролера за заряд/разряд на акумулатора. Посредством езика за програмиране С е реализиран безкраен цикъл (Катранджиев & Шопов, 2014). Той се изпълнява докато микроконтролера е захранен и извиква съответните подпрограми в посочената последователност (фиг. 5).
A B C
Фиг. 5. Обобщен алгоритъм на програмата на контролера за заряд/разряд на
акумулатор
Блоковете извън цикъла се изпълняват еднократно при подаване на захранване/рестартиране на контролера. Те служат за инициализация на устройството.
Заключение
Създаден е контролер за заряд/разряд на акумулатор, който може да бъде част от една напълно автоматизирана система за добив на енергия от слънчевата светлина със соларен панел. Контролерът може да се използва както със стационарен PV панел, така и с такъв, следящ слънцето по една или две оси. Устройството работи с 12V акумулатори, но с леки софтуерни промени може да се добавят опции за 6, 9 и 24V акумулатори. В създаденото устройство са заложени редица защити: защита от презареждане (софтуерна); защита от дълбок разряд/автоматичен контрол на товара (софтуерна); защита от късо съединение и претоварване по ток от страната на батерията/соларния панел (хардуерна); защита от връщане на ток от акумулатора към панела (хардуерна); защита от пренапрежение на входа на соларния панел (хардуерна); защита от включване в обратен поляритет за соларния панел (хардуерна); Създадена е и визуализация на стойностите на напрежението, тока и режима на работа. За визуализация се използва LCD дисплей.
Литература
ACS712, Allegro, Fully Integrated, Hall Effect-Based Linear Current Sensor IC, Datasheet;
Arduino Playground - Interfacing With Hardware, http://www.playground.arduino.cc;
Atmel Corporation - Microcontrollers, http://www.atmel.com, 2017;
IRF9540N, International Rectifier, Datasheet;
Katrandzhiev N., Karnobatev N., Algorithm for Single Axis Solar Tracker, Proc. XXVII International Scientific Conference Electronics - ET2018, Sozopol, Bulgaria, еКВ№ 978-1-5386-6692-0, DOI: 10.1109/ET.2018.8549644, 2018;
Катранджиев, Н. и Шопов Н., Програмиране на С/С++ в примери, ISBN 978-954-24-0179-7, Академично издателство на УХТ, 2014;
Чикуртев Д., Шиваров Н., Радев Д., Шиваров Н., Приложение на платформата Arduino за управление на мобилен мини-робот с постояннотокови двигатели, XXII ННТК с международно участие „АДП-2013".
