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:
    image

    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.
    Поделиться публикацией
    Комментарии 36
      0
      Добрый день.

      Скажите пожалуйста, как вы оцениваете перспективы накопления электроэнергии от солнечных батарей за счет использования гидроаккумуляторов по принципу ГАЭС
        0
        Я лично не пробовал :) На самом деле, отличная идея — КПД 70% при полном отсутствии какой-то дорогой и вредной химии и батарей, только вода и насосы.

        Но как я понимаю, построить такое можно только в горах, для равнин решение не подойдет.
          0
          Для дома? Никак. Для промышленных систем — малорентабельно и малоприменимо. Тут есть несколько нюансов:
          1) Не везде есть возможность создать искусственный бассейн(точнее два — снизу и сверху) с серьезным запасом воды, расположив его достаточно высоко относительно точки сброса.
          2) Большой процент потерь на закачку воды на большую высоту электричеством, а потом преобразование этой энергии в генераторах обратно в электроэнергию.
          3) потери воды на испарение
          4) Там где много солнца и тепло, вода, обычно, весьма дорогой продукт.
          5) Строить еще одну систему, использующую генераторы и насосы, весьма не дешевые, и весьма не дешевую в обслуживании — не лучшая идея.
          Короче, не то чтобы совсем неприменимо, но ограничения по условиям и возможностям создания весьма сужают «ареал обитания» данного вида ЭС.
            0
            Я думаю, идея в использовании естественных перепадов высот, понятно что строить такое специально экономического смысла нет.
              0
              Там где есть такие перепады гораздо выгоднее ставить ветрогенераторы, на высоких точках, у верхнего бассейна, где почти всегда есть ветровые потоки высокой интенсивности, как раз из за перепада высот. Ну и в силу возвышенности как таковой, известный факт что на определенных высотах(от усредненного уровня поверхности в некотором регионе) ветер стабилен и постоянен.
              Высота плотины ГЭС в среднем около 40м, для сравнения это примерно как 14 — 15 этажный дом. Это нехилая такая скала, аля Ниагарский водопад(51м). Много ли таких мест естественного происхождения?
            0

            А что если поднимать электродвигателем через домкрат что-нибудь тяжёлое? Например, бетонную или стальную пластину.

              0
              почитайте-посмотрите работы Нурбея Гулиа. у него вся жизнь посвящена кинетическим накопителям.
              механические накопители очень выгодны, но они очень непросты (если имеют высокий кпд; чтобы был высокий кпд, нужен не самый простой — хотя бы в изготовлении — накопитель).
              подъём плиты через домкрат — это потери на трение, насколько я понимаю, и кпд уже на этом этапе будет потерян. как преобразовать обратно без значительной потери на трение, я тоже не знаю. а вот маховик — это другое, тут может получиться. см. хотя бы ups для датацентров на маховиках.
              здесь немаловажно то, что аккум продаётся в любом магазине, в вот механику надо делать своими руками. порог входа другой.
                0
                Идея гравитационного / кинетического накопителя проста как мычание, и используется сотни лет(те же часы ходики с гирьками, большие башенные часы, приводы ворот замков, и еще много подобного). Большой плюс — практически отсутствует саморазряд :), в отличие от того же маховика. Большой минус — громоздко и малоэффективно. На подъем 1 кг на 1 метр тратится ~10 Дж(ну и получается обратно при опускании). 1.000.000 Дж = примерно 270 Wh. Это как поднять 1 тонну на 100 метров, или 10 тонн на 10 метров. Для сравнения обычный автомобильный аккумулятор «вмещает» около 1000 Wh. Выгодно только если совсем ничего другого нет. Если ошибся в расчетах — поправьте кто в теме, давно не рассчитывал.
                  0
                  С КПД у схемы запасания энергии путем поднятия каких-нибудь тяжестей на высоту особых проблем нет, все достаточно неплохо.

                  Практически единственная проблема этого подхода в том, что для сколько-нибудь значимого объема запасаемой энергии получаются либо неприлично большие массы грузов либо нужна очень большая высота. И это уже никакие технологии изменить не в силах — фундаментальные физические ограничения.

                  ThunderCat выше правильно пример привел.
                  Если взять даже такую «игрушечную» установку как DmitrySpb79 у себя на балконе собрал, то в ясные летние дни эти 2 солнечные панельки порядка 2 МДж энергии выдавать будут. Чтобы запасти эту энергию полученную всего за один день в поднятом на высоту грузе, придется поднимать например 10 тонн на высоту 20 метров (как c земли на 6-7 этаж примерно).

                  Тут сразу советский Ералаш вспоминается (серия про новые электронные часы и батарейки в чемодане к ним). Только тут в роли часов пара СБ на балконе весом в несколько килограмм, а к ним в добавок «аккумулятор» массой больше 10 000 кг и высотой с весь дом.
              0
              Батарея «Литий-ионная батарея 3S1P» — не очень удачное решение. Имеет достаточно высокий саморазряд. И не высокое количество циклов. Её основное достоинство — относительно быстрый заряд и разряд очень высокими токами. Такая батарея хороша в летающей/ездящей модельной технике. А выступать в роли «хранилища» — не её задача. Она «заточена» под другое.
                0
                Совершенно верно, батарея была поставлена временно, только для теста bms. Кстати саморазряд у них небольшой, у меня такие по 2 года лежат, раньше на моделях как раз использовал.
                  0
                  Однако у нее количество РЕАЛЬНЫХ циклов измеряется десятками — единицами сотен, не тысячами как с стандартных батареях. Это тяговая батарея, лучше ее не ставить больше чем на пару дней.
                  0
                  Если правильно хранить, то саморазряд у Li-ion и LiPo минимальный. К тому же у подобных хранилищ нет задачи «удерживать» накопленную энергию годами. Обычный цикл заряда-разряда около 1-2 суток для небольших СЭС.
                  Как минимум для поиграться пойдет.
                  0
                  DmitrySpb79, знаешь, я тут собрал вело генератор из мусора…
                  Тебе бы такой-же, в пасмурную погоду.
                  И вот у меня там как раз проблема, что энергию запасать не получается.
                  image
                    0
                    Кстати, подобные штуки в 30х годах в армии использовали:
                    Фото
                    image
                      0
                      А я планшет заряжать хотел)
                      Но не судьба
                        0
                        А какую мощность мотор выдает?
                          0
                          Это генератор от машины.
                          На оборотах, порядка 1200-1500 он выдает чуть больше 100 ватт.
                          20 ватт идет на его работу обратно.
                          И того мощность около 80 ватт
                        0
                        В конце 80-х у нас такое было на командном пункте. Я даже честно пробовал, сорокаваттная лампочка вполне светилась. Но недолго, педали крутить тяжело.
                        0

                        @kreosan уже такое делал

                          0
                          Чтобы самому не крутить педали, надо делать так:
                          Фото
                          image
                            0

                            Будете смеятся, но реальную эксплуатацию грызунов тоже встречал на "просторах"
                            Суть была в том, что владелец ночных бегунов решил измерить пробег — 10 км получилось вроде, и решил, что корм не должен пропадать. Генератор — движок из двд привода, ватты не помню

                      0
                      Как-то попалось в Леруа на распродаже светильник садовые по 50 ру.б Пару взял.
                      Расковырял. 4-5 кв.см. батареи+схемка от дяди Лю+обычный АА АКБ от другого дяди.
                      Поменял АКБ на тот, что помощнее и получше. И тестировал лето.
                      В саду стояли. За день что-то набиралось. На ночь на автомате включались. вечер горели. А дальше спать.
                      Если пасмурно — то и вечер не горели.
                      С утра — потухшие. Как пятое-седьмое дополнение к основному свету — да, как самостоятельно — нет.
                      По автору. Скорее всего существует минимум площади, от которой стоит заморачиваться и ждать результатов. У меня по прикидкам выходило от 30м2. Но давно считал — электроника дешевеет.
                        0
                        Ну так 4-5 кв.см ни о чем конечно. Тоже такую расковырял ради интереса, почерпнул хорошую китайскую идею — датчиком освещенности (когда пора зажигать светодиод для освещения) работает сама солнечная батайка — электроника отслеживает остаточное напряжение на ней и по нему оценивает освещенность уже после того, как зарядка аккумулятора окончена.

                        А тут площадь СБ минимум в 1000 раз больше чем в таких игрушечных садовых фонариках — уже есть чем заняться. Ну от 30м2 это уже очень серьезные варианты, в которых полностью на самообеспечение солнечно электроэнергией переходить можно.
                        0
                        Пора велотренажеры выпускать с генератором, чтоб не так просто крутить.
                          0
                          А почему не пак из ионистров? Как я понимаю такая штука несколько интереснее чем аккумулятор и в теории долговечнее.
                            0
                            У ионисторов саморазряд высокий. Да и по деньгам гораздо больше выходит, при сравнимой емкости.
                              0
                              А если сравнивать количество циклов зарядки?
                                0
                                У ионисторов все грустно. Блок ионисторов ценой в 200$ имеет емкость 600мАч, если не ошибаюсь.
                                0
                                У мелких высокий, пробовал на 100 и 200 фарад, месяц пролежали и заряд нормальный.
                                Но эффективность накопления заряда очень невыгодна — слишком низкая плотность хранения заряда, высокая удельная стоимость милиампер-часа…
                                И бадаааамммм — ионистор деградирует под воздействием накопленного заряда даже в статике — речь идет о 5000-10000 часов.

                                Что такое вообще эти 200 фарад? это ни больше ни меньше 200 ампер-секунд на каждый вольт рабочего диапазона напряжений. 55 миллиампер-часов! Теперь берём диапазон эффективного использования ионистора 0.7В — 2.7В и получаем ёмкость в 110мА*ч на одну банку в 2-3 раза большую по объёму чем пальчиковый аккумулятор и стоимостью 20$.
                                Да за такие деньги можно взять несколько комплектов обычных никель-кадмиевых аккумуляторов ёмкостью 1800мА*ч и сроком службы под 5 лет.
                                  0
                                  Один чел делал на ионисторах буферную емкость для мощных нагрузок, штука интересная, но цена думаю астрономическая:
                                  https://youtu.be/eJ1OztoGprU
                              0

                              Внимательно слежу. У нас тут (в Израиле) солнца ж… й ешь не хочу… Сколько ватт на метер можно снять я не знаю, но подозреваю, что больше чем у вас.
                              Потому все это весьма интересно…
                              В идеале хотелось бы запитать от солнца+батареи всю маломощьную технику (телевизоры, компьютеры и т.п.)
                              Особенно интресует возможность запитать NAS, который жрет 150-200 ватт (пиковое 320) но не выключается (кроме профилактики апгрейдов и т.п.) вот уже лет 10 или больше…
                              И того он за 10 лет сожрал (скажем 150 ватт возьмем) = 13 мегеватт, что по нашим ценам примерно 2200 долларов.


                              Интересно можно ли сэкономить, с учетом панелей, аккумуляторов и т.п. (учитывая, что за 10 лет их придется не раз менять (или я ошибаюсь?), да и панели наверное тоже 10 лет не будут эффективно работать).


                              Или же это просто игрушка для дежурного освещения и не более ?

                                0
                                Несложно посчитать. Самые дешевые сейчас 200-ваттные панели, грубо можно прикинуть что за 10-часовой световой день ее средняя мощность 30%, т.е. 60Вт, значит за день выработается 60*10 = 0.6кВт*ч. Цена панели допустим 150$, цена инвертора чтобы отдавать в сеть, 100$, дальше уже считайте как быстро окупится по Вашим ценам на электричество. Ну и не все дни ясные, разумеется.

                                Вообще, в южных регионах панели вполне быстро окупаются, 2-4 года имхо.
                                  0
                                  Добавлю, заявленный срок службы панелей около 30 лет, так что можно не волноваться. Аккумуляторы не нужны, проще сразу в квартирную электросеть отдавать (ищите по слову grid tie convertor).
                                  0
                                  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.


                                  А почему 2й фазы то не будет? Если DC-DC преобразователь настроен как написано выдавать напряжение на 3 ячейки исходя из 4.2*3 Вольта, то 1я фаза автоматически перейдет во 2ю (зарядку при постоянном напряжении и снижающемся токе) как только уровень заряда аккумулятора достигнет уровня, когда мощности связки из батарей + DC-DC (по слабому звену конечно) начнет хватать для поддержания этого выставленного на dс-dc напряжения без его просадки.
                                  Собственно ваш же первый тест это и показал:
                                  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.

                                  Ток постепенно снижался при постоянном напряжении (как раз CV фаза), пока BMS не отключила зарядку при снижении тока ниже настроенного в схеме порога. А аккумуляторы оказались заряжены практически на 100% (плюс минус погрешность по наряжению у BMS и DC-DC).

                                  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.

                                  Это батарея какая-то нестандартная или BMS? Обычно в качестве нижней границы напряжения служит диапазон от 2.5 до 3.0 Вольт в зависимости от разновидности аккумулятора, а тут 3.18-3.51 В на ячейках еще осталось.

                                  Хотя возможно одна из ячеек(на которой 3.18 показало измерение) уже сильно «убитая» и даже под небольшой нагрузкой от светодиодной ленточки напряжение на ней просело ниже 3.0 Вольт и из-за этого BMS отключила нагрузку. А уже без нагрузки немного полежав напряжение на этой ячейке поднялось обратно до 3.18 В к моменту проверки.
                                  Хотя тогда интересно почему BMS обратно не дала нагрузке подключиться…

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое