(solarna) nabijacka Li-Ion baterie

[YellowJacket]

Dobry den,
chcel by som si navrhnut solarnu nabijacku Li-Ion baterii ( iba jedneho clanku ), konkretne 3.7V , napr 18650. No skor ako prejdem k detailom, chcem spomenut, ze si to snazim navrhnut sam, tzn necerpal som zo ziadnych uz vymyslenych schem, takze to moze posobit tazkopadne, neefektivne, alebo rovno nefunkcne. Preto som tu, rad prijmem nejaku radu, v com uvazujem zle.

K veci: schema v prilohe ( hodnoty rezistorov som nenastavoval ). Bavme sa zatial v teoretickej rovine, zataz nie je presne definovana. Ak som spravne pochopil teoriu nabijania, bateriu potrebujem nabijat konstantnym prudom, kym nedosiahne hodnotu 4V. Potom prud zacne klesat a pri napati 4.2V treba nabijanie ukoncit. Moj panel je iba 5W, takze riziko velkeho prudu, ktory by clanok mohol znicit, myslim nehrozi. Kazdopadne konstantny prud riesim tranzistormi Q1, Q2 a rezistorom Rsense. U1 je komparator, ktory snima napatie na clanku, pokial je vacsie ako napatie 4.1V ( v pripade nepresnosti nech je tam rezerva, aby sa clanok neprebijal ), ktore je na neinvertujucom vstupe, Q4 vypne a clanok sa prestane dobijat.
Komparator U2 zase sleduje napatie, aby nekleslo pod 3.2V (?) , a ak klesne, prostrednictvom rezistora Q3 odpoji zataz od baterie.

Podla simulatora to vyzera funkcne, no mozno niekto z vas najde nejaku logicku chybu, pripadne usmerni lepsim smerom. Mam ale aj konkretnu otazku a to ci su krajne napatia baterie, ktore som uviedol, spravne, cize 4.1V pre max a 3.2V pre min hodnotu. A dalej, akym sposobom viem docielit referencne napatia s tymito hodnotami? Zenerove diody s takouto hodnotou nie su a vyskladat ich s diodami asi nebude presne.
Dakujem.

[Najgel]

Prečo na to nepouzijes rovno obvody alebo DC DC meniče ?
BQ24210
LT3652

[YellowJacket]

Cakal som takuto odpoved. Nuz preto, lebo si to chcem vymysliet sam. Povedat si, ze nepotrebujem Cinu ani arduino, aby som nieco jednoduche vytvroil. Nehovoriac o tom, ze v dobe, v akej sa nachadzame, si chcem vyplnit volny cas rozmyslanim miesto vhadzovanim hotovych modulov do internetoveho kosika.
Elektronike som sa zacal venovat prilis neskoro ( pretoze na strednej skole som bol viac ohureny programovanim, co mi sice nebolo na skodu, ale v sucasnosti vidim v elektronike vacsi zmysel ), a preto sa snazim v mojich takmer tridsiatich rokoch studovat veci, ktore som mal v skole na haku - co teraz len lutujem. Je mi jedno, ze ma to vyjde x krat drahsie, ze to bude x krat vacsie atd. Ja sa to ucim a to je dovod, preco nechcem hotove riesenie.
Kazdopadne dakujem za tip, ale skusme sa teraz orientovat len na diskretne suciastky a ci je to z teoretickeho hladiska v poriadku.

[mac26]

zapojenie ti sice neskontrolujem, ale ako referenciu by si mohol pouzit napr. TL431. Napatie nastavis odporovim delicom (trimer)
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl431.pdf

[StefanST]

Predpokladám, že ide o "školský" projekt, kde si chceš sám navrhnúť zapojenie, vybrať vhodné polovodiče aj spočítať hodnoty súčiastok.
Preto možno neideš cestou špecializovaného IO ani DC-DC meniča, ktoré by boli asi efektívnejšie.
Pri návrhu nejakej aplikácie sa (skoro) vždy vychádza z rešerše známych riešení. Aby sme nevymýšľali vymyslené, ani neopakovali chyby iných. Zároveň získaš prehľad, ako sa to zvykne riešiť. Tiež analýza špec. IO na úrovni blokovej schémy môže pomôcť.
K tvojmu zapojeniu:
- Podstatný bude výber solárneho článku (k nemáš solár 1m2), jeho V-A-Lux charakteristika, aby si nečakal s nabíjaním na letné mesiace a dni či hodiny s priamym slnečným svitom.
- Prúdový zdroj (limitácia prúdu) má veľký úbytok napätia - bude zbytočne uberať napätie solárneho článku. Skús si to pri simuláciách.
- Tranzistory ako spínače majú dosť veľký úbytok napätia - možno zvážiť použitie MOSFETov.
- Pre nízke referenčné napätia použiť LM431, resp. LM285 s nízkou spotrebou, či priamo IO ref.zdroja s nízkou spotrebou
- Spínanie záťaže nefunguje, ak nesvieti svetlo - U2 napájať z batérie
- Minimalizovať spotrebu všetkých častí obvodu, napájaných z batérie
- Zvážiť použitie stabilizátora LDO s možnosťou obmedzenia výst.prúdu pre nabíjanie.
- Pozn.: Tranzistor Q2 máš chybne zapojený.

[YellowJacket]

Mac26: dakujem, tl431poznam, no nenapadlo mi ho pouzit, bude to urcite vhodnejsie ako hladat vhodne zenerove diody.

StefanST: dakujem za vystiznu odpoved, rozsirila mi obzor a o to mi slo v tejto teme.
- uz je to par rokov, co som po skole, ale ano, mozme to povazovat za akysi skolsky projekt, ktory som si ale zadal sam a bez casovej tiesne
- chcel som vychadzat z uplnej nuly co sa tyka navrhu prave preto, aby som zistil, ci viem navrhnut nejaky konkretny obvod samostatne a cestou vyvoja sa nieco naucit. Ale beriem, da sa naucit aj z analyzy uz nejakeho konceptu, len dost pochybujdm, ze by som v sucasnosti vedel nieco pridat s tym, ze by som dany obvod vylepsil
- solarny panel mam len takyto drobny: https://www.aliexpress.com/item/3270998 ... 4c4da6cyd4 , ide mi len o zoznamenie sa s panelmi ako takymi a nic efektivnejsie ako nabijanie mi nenapadlo. Co sa v podstate aj celkom hodi
- prudove obmedzenie, ak je pouzitie dvoch tranzistorov neefektivne, existuje nejaky efektivnejsi sposob, ako limitovat prud? Samozrejme, aj tu plati, ze z diskretnych prvkov
- spinacie tranzistory zamenim za mosfety ( Q3, Q4 )
- dobry postreh ohladom napajania U2. Zataz som planoval pouzivat iba pocas svetla, co som tu neuviedol, moja chyba
- minimalizovanie spotreby obvodu. Ak sa tym mysli nastavenie odporov, tak ano, tieto hodnoty boli defaultne a budu upravene
- stabilizator LDO zapojit ako? Pred vstupom na bateriu za ucelom dodania konst napatia?
- Q2 je zle, dakujem, schemu som prekresloval z papiera, aby to bolo citatelne, zle som to prekreslil

[misocko]

no nejaky MCU by som tu uplne nezavrhoval
vyhladom na charakteristiku nabijania podla datasheetu Li ion , byva vecsinou nejaky CC do 4,2V (ano dal by som 4,1V , zvysi sa zivotnost aku) , nasledne drzat na CV na tych 4,1V kym prud neklesne na 100mA , vtedy je nabijanie ukoncene
ked len prides na 4,1V a vypnes nabijanie, tento typ aku nenabijes.
mozes sa potom vyhrat s minimalnou spotrebou MCU, referenciou pre MCU (samotna TL431 ak pouzijes ine napetie ako 2,5V potrebujes odpory ktore budu drzat hodnotu, potrebujes merak ktorym odmerias to presne napetie ), prud tu nieje kriticky.
momentalne sa s niecim podobnym hram s Arduinom , ale bude to este na dlho a je to len na hranie.

[YellowJacket]

Ano, s mcu uz je tato uloha o nieco jednoduchsia, avsak nenaucim sa az tolko, ako nepouzit procesor, aj za cenu neefektivnosti a komplikovanosti. Ako som spomenul, tuzim po poznatkoch, nejde tak ani o to, ci to bude dokonale funkcne. Kludne sa moze stat, ze to nedokoncim, ale s tym, ze si poviem - aha, takto sa riesi limitacia prudu bez vyrazneho ubytku napatia. Aha, takto viem znizit napatie z panela bez toho, aby sa rozdiel vytratil teplom, atd.

[misocko]

OK
no ja by som ako prve vyhodil ten zdroj prudu na vstupe a namiesto neho by som na prudovu aj napetovu limitaciu pouzil jeden tranzistor , ovladany dvoma operakmi , prudovym (snimanie prudu na bocniku s hodnotou daleko mensou ako mas teraz v tom zdroji prudu z dvoch trandov) a napetovym (tak ako mas). Neviem ci je potrebne pripajnie zataze ked mas iba jeden akumulator , to sa robi pre balancovanie clankov ak ich je viac , alebo sa bojis prepetia od nezatazeneho panela - nejaka zenerka na vstup to poriesi.
ak sa ti co i len trosku jedna aj o ucinnost menicu sa nevyhnes , aj ked aj ten mozes vyskladat z operakov a mosfetu , nasledne by som riesil riadenie toho menica vystupnym prudom a napetim
ak aj pouzijes "hotovy" menic (nejaky iO na to urceny) , aj do jeho spetnej vezby budes potrebovat dostat nejake info o vystupnom prude a napeti a minimalne na prud budes potrebovat operak - ze sa pri tom nic nenaucis , by som sa rozhodne neobaval

[StefanST]

Na edukačné účely to poskladaj tak, ako si si to navrhol.

Tvoj panel panel dáva 12V a 400mA (zrejme pri slnečnom svetle). Li-Ion článok sa nabíja na 4,1V. Teda v prvom priblížení nemá význam riešiť úbytky napätia v ceste nabíjania. Podobne asi vyradíš obmedzenie prúdu, lebo akumulátor iste znesie nabíjací prúd 400mA a budeš rád, keď to bude aspoň tých 400mA.

Až neskôr, keď budeš optimalizovať využitie solárnej energie, budeš zapojenie upravovať.
Pri voľbe komparátorov/oper.zosilňovačov daj pozor na dovolený rozsah napätí na vstupe OZ. Niektoré nie sú vhodné pre vysoké, niektoré pre nízke napätia, pokiaľ to nie sú Rail-Rail.

[YellowJacket]

Idem si to rozdelit na viac funkcnych casti, lebo to zacina byt neprehladne. Zacnem prudovym obmedzenim. V prilohe je nova schema, aj s hodnotami rezistorov. Az ked som schemu nakreslil som si uvedomil, ze napatovy delic z makkaho zdroja ako je solarny panel, je dost hlupy napad, takze aby som to neprerabal, predstavte si tam iba referencne napatia, ktore poriesim inak. Pre U1 je to 11V, pre U2 je to priblizne 11,83V.
Spociatku je nabijaci prud limitovany na max 0,5 A , prud sa casom zacne znizovat a ked klesne pod hodnotu priblizne 80mA, tak mosfet Q1 vypne a dobijanie je ukoncene. Neviem ci je to takto lepsie ako predtym, celkom dlho sa s tym zabavam v simulatore, ale vyzera to funkcne. Nejake postrehy? Co by mohlo byt zle a nie viditelne simulatorom?
Inak, celkom ma zaujima napatove obmedzenie. Ked je na baterii napriklad 3,8V, na draine mosfetu je napriklad 11V, nebude ten rozdiel vykureny mosfetom? V simulatore mi v tomto stave ukazuje Vds okolo 7,2V. Je teda nutny samostatny CV obvod?
Dakujem.

[breta1]

Podle mého názoru je to celé špatně.
Nehlídá se přesně a přímo napětí na LI ION aku a to by se mělo, a ta regulace proudu je nějaká divoká.....
A samozřejmě, pokud se nepoužije DC/ĎC měnič, veškerý výkon se protopí na odporu a FET.

[StefanST]

Pripájam sa k breta1

... Idem si to rozdelit na viac funkcnych casti, lebo to zacina byt neprehladne...

Predtým tam boli tri bloky, teraz jeden prekombinovaný a nefunkčný.

... Spociatku je nabijaci prud limitovany na max 0,5 A , prud sa casom zacne znizovat ...

Skutočne je limitovaný?
Prečo by mal prúd klesnúť pod 0,5A?

... celkom dlho sa s tym zabavam v simulatore, ale vyzera to funkcne. ...

Ako si sa dopracoval k hodnotám rezistorov R5 a R6. Akú majú tie rezistory funkciu v zapojení?

Aká je výkonová strata na Q1?

Na záver: Prečo si upustil od svojho predošlého návrhu???

[YellowJacket]

Prečo by mal prúd klesnúť pod 0,5A?

Predpokladam, ze po dosiahnuti urciteho napatia na baterii zacne prud postupne klesat. Jedine, ze by som sa mylil. (Ono v pripade tohto panela tam 0.5A mozno ani nikdy nebude, ale ako som vravel na zaciatku, bavme sa v teoretickej rovine, v pripade ze by tam bol vykonnejsi panel)

Skutočne je limitovaný?

Isiel som napisat, ze limitovany by mal byt referencnym napatim z napaoveho delica R1 a R2, ale potom som si vsimol, ze vstupy oboch operakov su prepojene a je na nich rozdielne napatie skrz rozdielnych odporovych delicov. Moja simulacia musela vyzerat funkcne len nejakym nahodnym zazrakom....

Ako si sa dopracoval k hodnotám rezistorov R5 a R6

Uprimne, bolo to metodou pokus omyl. R5 som mal povodne 10k ( neviem, je to vela na riadenie mosfetu? Nejedna sa o rychle spinanie, nemusim mat nizku hodnotu odporu, nie? ). Ale po pridani operacneho zosilnovaca U2 som potreboval jeho vystupom vypnut Q1, jeho zapornou hodnotou. Robilo to blbosti, tak vyslo mi z toho hento.

Vykonova strata na Q1 je max 2.8W , pri tomto zapojeni. Upustil som od predchadzajuceho zapojenia kvoli tomu, ze prudova limitacia pomocou tranzistorov je vraj malo ucinna. Tak som to skusil pomocou operacneho zosilnovaca a shunt rezistora. Ale zrejme opat neuspech. Ako teda vyriesit limitaciu prudu? Alebo predsa len operakom, iba na to idem zle?

[MARKYS]

Ja by som to celé riešil cez DC-DC menič, ten si môžeš postaviť sám. Ku kupovanému meniču sa dá prirobiť "nadprúdovka", ktorú by si mohol použiť. Dalo by sa to implementovať aj to toho "domaceho" meniča tak, že privedieš výstup z komparátora do diferenciálneho zosilňovača, ktorý zosilňuje "chybu" výstupu meniča. Pre lepšiu predstavu odporúčam si pozrieť toto https://www.youtube.com/watch?v=8uoo5pAeWZI .
Neviem povedať, či by to bolo najvhodnejšie riešenie, ale ako koncept by sa to dalo brať.

[StefanST]

Predpokladam, ze po dosiahnuti urciteho napatia na baterii zacne prud postupne klesat.

Na základe čoho to predpokladáš?
Podľa mňa, po nabití baterky "nabíjací" prúd nepoklesne. Po nabití sa prúd, pretekajúci baterkou, bude meniť na teplo. Baterka sa bude zohrievať a pri vyššom prúde môže dôjsť až k deštrukcii baterky.

Operačné zosilňovače v tvojom zapojení, ak sú zapojené samostatne (vždy len jeden z nich) vykonávajú požadované funkcie - zdroj prúdu 0.5A a vypnutie nabíjania pri poklese nabíjacieho prúdu (ak by ten prúd poklesol). Ale vôbec neviem, ako to bolo myslené, že spolu, s pomocou rezistorov R5 a R6, budú tieto obvody spolupracovať a riadiť Q1.

... Vykonova strata na Q1 je max 2.8W , pri tomto zapojeni.

A tranzistor 2N7002 to znesie?

Upustil som od predchadzajuceho zapojenia kvoli tomu, ze prudova limitacia pomocou tranzistorov je vraj malo ucinna. Tak som to skusil pomocou operacneho zosilnovaca a shunt rezistora.

Nechápem, čo si mám predstaviť pod pojmom "málo účinná".
Aj tranzistorová verzia aj verzia s operačným zosilňovačom sa bežne používajú.

Na záver: Obvody sa nenavrhujú tak, že neviem síce ako to funguje, ale simulácie ukazujú, že to asi funguje.
Celkovo zdieľam názor breta1 ohľadom tejto druhej vezie návrhu.

[YellowJacket]

Na základe čoho to predpokladáš? Podľa mňa, po nabití baterky "nabíjací" prúd nepoklesne.

Na zaklade tohto grafu: ( edit: prikladam do prilohy, nechce ho zobrazit )


"Full charge is reached when the current decreases to between 3 and 5 percent of the Ah rating."
"Terminate charge when current < 3% of rated current."

A tranzistor 2N7002 to znesie?

Tranzistor som v scheme nedaval ziaden konkretny, dalo tam nejaky defaultny typ po vybere mosfet N channel tranzistoru. Opat, moja chyba ze som si to nevsimol a nezmazal. Ale to je aj tak jedno, idem to cele prerobit.

@Markys dakujem za tip, pouzitie diferencialneho zosilnovaca pouzijem v dalsom navrhu.

Myslim, ze by mi pomohlo, keby si urcim nejaky postup, algoritmus, ktorym sa dopracujem k cielu. Pretoze mam v tomto po niektorych vyjadreniach od vas chaos. Napr aj s tym prudom pri nabijani.
1.) baterii dodam konstantny prud povedzme pre priklad o velkosti 0,5A
2.) budem merat napatie priamo na baterii a ked sa dosiahne hodnota 4.2V , baterii budem dodavat konstantne napatie 4.2V az kym prud neklesne pod 3 percenta uvedenej kapacity baterie.
3.) ukoncenie procesu nabijania

Je to takto spravne alebo nie? Myslim hlavne ohladom prudu v bode dva. Dakujem.

[StefanST]

Graf, ktorý si dal, je o tom, ako sa baterka má nabíjať. Aj postupnosť bodov je o tom, ako sa má správne nabíjať. A podľa toho treba navrhnúť nabíjačku, aby tento postup dodržala.

Moje posledné vyjadrenia boli k tvojej druhej verzii nabíjačky - tá však požadovaný postup nevykoná! Ale nielen nevykoná, ona nefunguje vôbec - sú tam hrubé chyby vo funkčnosti. Treba túto schému zahodiť do koša a vrátiť sa k prvému návrhu, alebo urobiť nový návrh.

Tak ako hovoril breta1:

Podle mého názoru je to celé špatně.
Nehlídá se přesně a přímo napětí na LI ION aku a to by se mělo, a ta regulace proudu je nějaká divoká.....

[misocko]

Myslim, ze by mi pomohlo, keby si urcim nejaky postup, algoritmus, ktorym sa dopracujem k cielu. Pretoze mam v tomto po niektorych vyjadreniach od vas chaos. Napr aj s tym prudom pri nabijani.
1.) baterii dodam konstantny prud povedzme pre priklad o velkosti 0,5A
2.) budem merat napatie priamo na baterii a ked sa dosiahne hodnota 4.2V , baterii budem dodavat konstantne napatie 4.2V az kym prud neklesne pod 3 percenta uvedenej kapacity baterie.
3.) ukoncenie procesu nabijania

Je to takto spravne alebo nie? Myslim hlavne ohladom prudu v bode dva. Dakujem.

ano postup je spravny, dokonca som ti ho uz pisal vo svojom prvom prispevku (ale ano, ludia mi casto nerozumeju )
zasadnu vec ktoru si Ty vsak musis uvedomit ze ak pouzijes linearnu regulaciu , tak mozes zabudnut na svoje : "Aha, takto viem znizit napatie z panela bez toho, aby sa rozdiel vytratil teplom," , to skratka nefunguje bez menica.
ak mas na vstupe zdroj 12V a ides nabijat aku 4,2V prudom 0,5A , a pouzijes linearny stabilizator , tak zdroj musi dodat ten 0,5A a pri 12V , to je 6W , do baterky pojde 4,2V * 0,5A = 2,1W , kde skoncilo 6-2,1W ? v teple na niektorom polovodici.
spinak:
potrebujes 4,2V ; 0,5A = 2,1W ; zo zdroja pojdu necele 3W (2,1 + straty) , tj z 12V bude odoberat prud 0,25A !

[YellowJacket]

To nie zeby som ti nerozumel, len som bol z toho trocha zmagoreny. Skusil som to cele prerobit, pomocou diferencialneho zosilnovaca snimam prud. Je mi jasna ta neefektivnost v nevyuzitom vykone, ale uz takto mi to trva navrhnut schopny obvod, tak podme zatial uvazovat, ze zdroj je 12V z adaptera, nie zo solarneho clanku. Ked to bude funkcne, potom to zacnem optimalizovat. Schema v prilohe.

R1 je shunt rezistor, ktorym je nastaveny prud na max 1A ( znova, je to len pre ilustraciu, hodnotu budem prisposobovat ked to bude fungovat ). Komparator U1 a U2 budu regulovat tento nabijaci prud cez Q2 a nasledne cez Q1. Kym je napatie na baterii mensie ako 4.1V , vystup z U3 je zaporny, cim drzi otvoreny tranzistor Q3 a funguje prudova regulacia. Akonahle sa dosiahne hodnota 4.1V , Q3 prestane viest, cim sa ukonci prudova regulacia a komparator U3 zacne udrziavat napatie na beterii cez Q2 a Q1.

Bol by som zvedavy na vas nazor, ci uz je to lepsie a ak ano, pomohlo by mensie nakopnutie, ako dalej kontrolovat pokles nabijacieho prudu pod 3% . Riesit to znova cez dalsi diferencialny zosilnovac?
Dakujem.