Ładowarka akumulatora Li-Po zasilana energią słoneczną

Ładowarka akumulatora Li-Po zasilana energią słoneczną
Pobierz PDF Download icon
Przedstawiona ładowarka akumulatora Li-Po (1S) pozyskuje energię z ogniwa słonecznego wykorzystując algorytm śledzenia punktu mocy maksymalnej (MPPT) dla zwiększenia sprawności ładowania.

Rysunek 1. Schemat ideowy ładowarki współpracującej z fotoogniwem

Schemat ideowy ładowarki pokazano na rysunku 1. Układ oparty jest o specjalizowany kontroler ZSPM4521 firmy ZMDI. Układ zawiera niezbędne elementy zarówno dla pozyskiwania energii z ogniwa słonecznego (5 V/ 0,5...5 W), jak i ładowania akumulatora zapewniając możliwość konfiguracji napięcia i prądu ładowania.

Dzięki użyciu przetwornicy impulsowej i algorytmu MPPT charakteryzuje się dużą sprawnością. Układ ZSPM4521 ma zabezpieczenia zapewniające prawidłowy proces ładowania: zabezpieczenie przed zwarciem z ograniczeniem prądowym, termiczne, nadnapięciowe.

Dostępne jest wyjście sprzętowe NFLT sygnalizacji awarii. Układ jest wyposażony w interfejs I²C umożliwiający konfigurowanie i monitowanie parametrów procesu ładowania. Parametry przechowywane są w pamięci EEPROM i po jednorazowej zaprogramowaniu jest możliwa samodzielna praca bez systemu nadrzędnego.

Napięcie z ogniwa słonecznego +5 V jest doprowadzone wejścia IN układu U1. Po przekroczeniu progu +3,15 V zostaje aktywowana wewnętrzna przetwornica ładowania, która odpowiada za kontrolę prądu, napięcia końcowego oraz śledzenie MPPT.

Rysunek 2. Sposób zapisu rejestrów konfiguracyjnych

Rezystory R3 i R4 są bocznikiem pomiarowym prądu ładowania oraz wbudowanego ograniczenia prądowego. Złącze I²C, oprócz wyprowadzeń magistrali komunikacyjnej zawiera także sygnał awarii NFLT (typu OD) oraz wewnętrzne zasilanie 3,3 V/10 mA umożliwiające np. zasilanie kontrolera sterującego.

Rezystory R1 i R2 zasilają magistralę I²C i powinny być podłączone do napięcia zasilania układu sterującego (I2C-PIN3). Termistor TH z rezystorem polaryzującym R5 służy do zmiany parametrów ładowania w zależności od temperatury ogniwa.

W nieskomplikowanych aplikacjach, w których prąd ładowania jest niewielki i nie ma ryzyka przegrzania ogniwa lub jego ładowania w niskiej temperaturze, termistor można wlutować bezpośrednio w płytkę. Lepiej jednak zastosować termistor zewnętrzny, dołączony do złącza BAT (pomiędzy THB/GND) i umieszczony bezpośrednio na ogniwie lub wykorzystać termistor wbudowany (w przypadku użycia akumulatorów np. z telefonów komórkowych).

Rysunek 3. Mapa rejestrów ZSPM4521

Rozwarcie obwodu termistora sygnalizuje brak baterii. ZSPM4521 w odróżnieniu od popularnych ładowarek MCP73833 itp., jest konfigurowany w sposób programowy, który pozwala na wpływanie na poszczególne fazy procesu ładowania. Dzięki temu możliwe jest dostosowanie parametrów do współpracującego ogniwa i znaczący wpływ na jego trwałość np. przez obniżenie napięcia końcowego ładowania.

Do poprawnej pracy U1 jest konieczna jednorazowe ustawienie parametrów. Układ jest dostępny na magistrali I²C pod adresem 0x48 (uwaga: adres identyczny z ładowarką superkondensatorów ZSPM4523). Sposób zapisu rejestrów pokazano na rysunku 2, a wykaz rejestrów na rysunku 3.

Ustawienia wymaga szereg parametrów zawartych w rejestrach CONFIG1...5. W rejestrze CONFIG1 pod subadresem 0x02 zapisywane są prąd ładowania wstępnego PRE_CHGR oraz napięcia zakończenia ładowania zależne od temperatury ogniwa zmierzonej termistorem TH: V_TERM_0_10 i V_TERM_10_50.

Listing 1. Symboliczna konfiguracja ZSPM4521.

W rejestrze CONFIG2 pod subadresem 0x03 ustawiane są prąd końcowy ładowania (EOC) oraz napięcia zakończenia ładowania zależne od temperatury ogniwa zmierzonej termistorem TH: V_TERM_45_50 i V_TERM_50_60.

W rejestrze CONFIG3 pod subadresem 0x04 ustawiane są maksymalne prądy ładowania MAX_CHRG_CURR w zależności od temperatury ogniwa z zakresu 0...10°C i 10...45°C. W rejestrze CONFIG4 pod subadresem 0x05 ustawiane są prądy ładowania MAX_CHRG_CURR w zależności od temperatury ogniwa z zakresu 45...50°C i 50...60°C. Ostatni rejestr CONFIG5 pod subadresem 0x06 służy do konfigurowania prądu wyłączenia ładowania TOP_END, rodzaju termistora pomiarowego TH oraz timerów TOP_TO wyłączenia ładowania i 1C_TO maksymalnego czasu ładowania.

Status układu jest dostępny w rejestrze STATUS (0x00). Odczyt tego rejestru automatycznie kasuje flagi i stan wyjścia NFLT. Stany ostrzeżeń TSD/TOP_TO/VIN_UV/TH_OPEN nie są sygnalizowane na wyjściu NFLT. Dostęp zapis/odczyt do rejestrów STATUS/CONFIG1... STATUS/CONFIG15 jest możliwy dopiero po ustawieniu bitu D0=1, czyli flagi EN_CFG w rejestrze CONFIG_ENABLE (0x11).

Domyślnie po restarcie EN_CFG=0 i dostęp do rejestrów jest zablokowany. Przepisanie zawartości CONFIG1...5 do wewnętrznej pamięci EEPROM jest możliwe po ustawieniu bitu D0=1, czyli flagi EE_PROG w rejestrze EEPROM_CTRL (0x12). Domyślnie zapis jes zablokowany: EE_PROG=0. Zapis jest możliwy tylko wtedy, gdy ustawiona jest flaga EN_CFG. Symboliczny sposób konfiguracji (Arduino/Energia) zamieszczono na listingu 1.

Rysunek 4. Schemat montażowy ładowarki współpracującej z fotoogniwem

Ładowarkę zmontowano na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej. Rozmieszczenie elementów pokazano na rysunku 4. Jej montaż nie jest trudny i nie wymaga opisywania. Istotne jest jedynie prawidłowe przylutowania pada termicznego U1. W przypadku pracy z prądami ładowania powyżej 800 mA należy do U1 dokleić niewielki radiator BGA z blaszki miedzianej.

Ładowarka nie wymaga uruchamiania - należy tylko skonfigurować parametry ładowania za pomocą zewnętrznego procesora np. Arduino, Launchpad, STM32 itp. Firma ZMDI udostępnia także oprogramowanie konfiguracyjne, które poprzez adapter USB/I²C umożliwia konfigurowanie układów. Po zaprogramowaniu za pomocą własnego programu konfigurującego warto sprawdzić prąd ładowania i napięcie końcowe na kondensatorach.

Pozostaje życzyć wielu słonecznych dni i akumulatorów pełnych energii

Adam Tatuś, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
marzec 2016
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje czerwiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów