Wybieranie ogniw zasilających przy pomocy przekaźników.

[Vroobee]

Witam,

mam zagwozdkę. Potrzebuję rozwiązać sposób zasilania mojego robota przy użyciu 4 akumulatorów. 2 mają być używane jako ogniwa zasilające układ, 2 będą się w międzyczasie doładowywać. akumulatory LiPol 3.7 V 1600 mAh. Chciałem przełączać ogniwa przekaźnikami, VCC ma wynosić 7.4 V. Cewki na 5V więc potrzebny będzie stabilizator, którego nie narysowałem. R_obc symuluje obciążenie akumulatorów (mikroprocesor, serwa itp.). Kondensator 2200 uF w celu podtrzymania napięcia w trakcie przełączania styków przekaźnika. Po prawej stronie kondensatora dołożyłbym jeszcze diodę skierowaną w kierunku "-" ogniw w celu zapobiegnięcia zwracaniu napięcia przez kondensator w niepożądanym "wstecznym" kierunku. Ktoś miałby jakieś zastrzeżenia, pomysły jak ulepszyć ? Potrzebne jest jak najbardziej stabilny i niezawodny mechanizm przełączania zasilania. Dodałem jeszcze odnośniki do pinów ADC uC. W tych miejscach będzie mierzone napięcie ogniw. Poniżej fotka jak to ma wyglądać.

[marek1707]

A dlaczego nie zrobisz jednego akumulatora pracującego buforowo? Proste rozwiązania są.. proste i tanie. Z jednej strony ładowarka, która usiłuje uzyskać na akumulatorze pełne napięcie nie przekraczając jego maksymalnego prądu ładowania a z drugiej podłączone obciążenie pobierające prąd jak mu się podoba. Możesz wtedy dowolnie włączać i wyłączać zarówno dopływ energii z zewnątrz jak i obciążenie, a akumulator jest po środku. Żadnych przełączników, przekaźników, przerw i wielkich kondensatorów itp. Dopóki bilans energii jest dodatni, akumulator jest naładowany. Gdy obciążenie bierze więcej niż ładowarka może z siebie wypuścić, zgromadzony ładunek maleje, ale i tak masz zapas pojemności akumulatora.

Zrobiłem takich systemów wiele, im mniej elementów na drodze mocy tym mniejsze straty a i zarządzanie czymś takim jest prostsze.

Co to będzie za urządzenie? Jak używane - to znaczy skąd ma brać energię, jakie będą cykle pracy i jakie obciążenia?

[Vroobee]

Urządzenie to robot mobilny sterowany z zewnątrz poprzez bluetooth. Zasilany będzie moduł procesora (Nucleo STM32F103RB), serwo na pracę ciągłą 360 stopni, 3 serwa micro 90 stopni, kamera, moduł bluetooth i moduł czytnika karty SD. Doładowanie akumulatorów miało się odbywać panelami fotowoltaicznymi lub z USB. Mam na stanie akumulatory LiPol 3.7V i te chciałem wykorzystać. Serwa zasilane napięciem 5V więc potrzeba minimum 2 ogniwa połączone w szereg.

A dlaczego nie zrobisz jednego akumulatora pracującego buforowo? Proste rozwiązania są.. proste i tanie. Z jednej strony ładowarka, która usiłuje uzyskać na akumulatorze pełne napięcie nie przekraczając jego maksymalnego prądu ładowania a z drugiej podłączone obciążenie pobierające prąd jak mu się podoba.

@marek1707 o ile dobrze zrozumiałem sugerujesz jednoczesne wykorzystanie i ładowanie akumulatora. Pytanie czy 2 ogniwa połączone w szereg można jednocześnie ładować i rozładowywać.

[marek1707]

Nie ma czegoś takiego jak "jednocześnie". Wyobraź sobie ładowarkę, która jest źródłem napięciowym o ograniczonej wydajności prądowej czyli typowa do LiPoli (CC/CV). Stara się ona utrzymać na szynie zasilania napięcie 8.4V, ale ma ograniczenie prądowe do np. 2A. Na tej szynie wisi akumulator oraz zmienne obciążenie w postaci elektroniki Twojego robota. Akumulator widzi jedynie różnicę prądów - tego wypływającego z ładowarki i tego wpływającego do obciążenia. Jeżeli obciążenie nie pobiera nic, aku jest ładowany 2A i jest zabezpieczony przed przeładowaniem progiem napięciowym 8.4V ładowarki. Każdy prąd wciągany przez obciążenie zmniejsza prąd ładowania aż przy poborze >2A, aku zaczyna być rozładowywany. Jedna część nie wie o nic o drugiej i nic jej to nie obchodzi. Jeżeli w długim czasie bilans będzie ujemny to aku się rozładuje, ale już Twoja w tym głowa by ładowarka była w stanie "zasypać" pobór i by w sumie wychodziło na plus. Odłączenie ładowarki także niczego nie zmienia, nie musisz niczego przęłaczać itp. Drastycznie pogarsza się tylko bilans prądów/energii, ale korzystając właśnie z bufora w postaci pojemności akumulatora można w ten sposób przeżyć jakiś czas.

Ładowanie z ogniw słonecznych to osobny problem. Z dwóch źródeł także. Napisz co naprawdę chcesz zrobić docelowo a co jest tylko marzeniem, bo inaczej projektuje się coś prostego a inaczej skomplikowanego i czasem bardzo trudno przejść od jednego do drugiego post factum, jeśli nie przewidzisz wszystkiego zawczasu.

Co to za bateria słoneczna? Ile mocy (albo jaka powierzchnia)? Jakie napięcie? Jak to ma działać? Dzień/noc/24h czy to tylko zabawka? Jaki ma być algorytm zarządzania zasilaniem? Zwykle z akumulatora, gdy się da ze Słońca za gdy już jest bardzo źle to z gniazdka? Czy jakoś inaczej?

[Vroobee]

Celem było skonstruowanie robota, który będzie miał możliwość w miarę długiego działania bez konieczności ładowania. Tak się złożyło, że mam 4 pakiety LiPol 3.7V po 1600mAh każda, więc chciałem skombinować coś na tym. Mam również ładowarki (ładowarka), a także dwa ogniwa słoneczne 6V 2W. Pierwszy zamysł był taki, żeby zrobić układ przełączany, tj. na 4 pakietach mierzone byłoby napięcie, w miarę rozładowywania, po przekroczeniu konkretnego progu napięcia minimalnego do zasilenia układu pakiet byłby przełączany. Natomiast gdy napięcie na ogniwie słonecznym byłoby wystarczające dla ładowarki (próg bodajże ok 4V) to wtedy rozłączone ogniwo byłoby ładowane. Układ przełączający przed chwilą połączyłem na stykówce i działa.

Mniej więcej rozumiem o co Ci chodzi, ale zastanawiam się jak by to podłączyć

[marek1707]

To chyba dobrze, że działa. Masz jeszcze jakieś konkretne pytania? Bo nie wiem czy jest sens rozwlekać się jak działają i jakie są charakterystyki ogniw słonecznych, jakie są estymowane poziomy energii na rok na m² w Polsce, co to jest algorytm MPPT, jak i czy w ogóle podłączyć Twoje ładowarki do aku 2S i wreszcie jak całościowo ten system zasilania zaprojektować by miał ręce i nogi. Skoro zrobiłeś przekaźniki i "działa" (bo co tam miałoby nie działać?) to.. temat do zamknięcia?

[Vroobee]

Ja uważam, że jest sens rozwlekać. Podłączyłem, żeby sprawdzić czy działa tylko bez żadnego upierania się na ten sposób, bo to co zaproponowałeś to również bardzo ciekawe rozwiązanie. Pytanie, czy na elementach, które posiadam, da się skonstruować układ buforowy, o którym wspominałeś ? Wydaje mi się, że raczej nie bo podejrzewam, że byłaby potrzebna ładowarka dwu-celowa. :/ ale chciałbym poznać również Twoją opinię. Panele słoneczne chciałem podłączyć przez moduł działający zgodnie z algorytmem MPPT

[marek1707]

Taki projekt ma wiele rozwiązań. W zależności od tego jak się czujesz na siłach, jak bardzo ma to być edukacyjne i jak ma wyglądać docelowo, możesz wszystko zrobić:

1. "Na piechotę" czyli procesor (osobny albo ten co już masz) kontrolujący prąd/napięcie ogniw słonecznych, obecność VUSB oraz wprost realizujący przetwornicę podwyższającą będącą ładowarką aku 2S. Największa wartość edukacyjna, na pewno większe wymiary niż w pkt. 2, nie działa od razu i trzeba się trochę napisać kodu i naprawdę zrozumieć jak to właściwie działa, ale za to nieograniczona możliwość modyfikacji, pisania własnych algorytmów itp. Plus satysfakcja (bezcenna?)

2. Szukając i dopasowując gotowe scalaki - niebezpieczeństwo małych obudów QFN, DFN itp wymagających precyzyjnej płytki bez szans na montaż próbny na pająku lub uniwersalce. Dziś większość fajnych układów z rodzin power management ma wielkość 2x2 lub 3x3mm i metalowy brzuch pod spodem

3. Szukając, kupując i stosując gotowe moduły jak te ładowarki USB. Rzadko pasuje do wymagań to co jest w sklepach, ale czasem można znaleźć i wtedy jest prościej, choć nie zawsze taniej. Raczej trzeba naginać swoje wymagania do oferty "hobbystycznej" i cały myk w tym by jakoś to do siebie pasowało i jeszcze robiło co trzeba.

Dorzuć, jeśli masz jakiś własne, kolejne opcje i wybierz jedną Może coś pośredniego?

[Vroobee]

Hmm interesująca jest pierwszą Opcja. Czyli można by zrobić tak, aby mierzyć napięcie na ogniwie foto i sygnał pwm podłączyć do przetwornicy buck-boost, która zasilalaby ładowarkę?

[marek1707]

Tak czułem, że złapiesz haczyk Od razu widać zadatki na rasowego konstruktora.

To trzeba zrobić w jednym etapie, bo im więcej poziomów przetwarzania mocy tym więcej strat. Czyli mamy tak:

1. Bateria słoneczna 6V. To zwykle jest napięcie "kolana" charakterystyki U-I, właśnie gdzieś w okolicach punktu mocy maksymalnej.

2. Przetwornica "jednokierunkowa" - tylko boost. Przy ok. 6V na wejściu i aku 2S nie potrzebujesz pracy w górę i w dół. To akurat fajny zbieg okoliczności. Wstawiasz więc indukcyjność, MOSFET do masy i diodę na wyjściu. Taka konfiguracja za darmo zapewnia też to, że aku nie będzie rozładowywany "wstecz" prądem powracającym do przetwornicy w przypadku jej zatrzymania.

3. Pomiar prądu i napięcia wejściowego oraz pomiar napięcia wyjściowego (czyli akumulatora) oraz jego prądu - tak będzie prościej, bo opornik pomiarowy stoi na masie.

4. Procesor - najważniejsze by miał szybki PWM (im szybszy tym mniejsze cewki i pojemności), ale od biedy można to zrobić i na ATmega na 62kHz (16MHz/256).

To wszystko Pomiar napięcia wyjściowego ogranicza jego wzrost powyżej 8.4V i "robi" część CV algorytmu CCCV. Pomiar prądu aku ogranicza prąd ładowania. W przypadku gdy bateria słoneczna nie jest jakaś wielka i z definicji nie rozwali akumulatora prądem/mocą w części CC (a to chyba Twój przypadek) - można by z tego zrezygnować, ale (dwukierunkowy) pomiar prądu daje też dobrą diagnostykę stanu systemu i pozwala estymować ładunek akumulatora czyli czas pracy. Może się przydać. Pomiary wejściowe są danymi dla algorytmu MPPT. W przypadku gdy zapotrzebowanie na moc wyjściową jest duże, ograniczeniem jest moc dostarczana ze Słońca. Wtedy pracuje MPPT i ładujesz do wyjścia wszystko co dostaniesz z wejścia obciążonego optymalnie. W przypadku gdy aku dochodzi do 8.4V a robot nie pobiera więcej niż możesz dostarczyć, zapotrzebowanie na moc maleje i wtedy MPPT przestaje być potrzebny. Wystarczy, że bierzesz tyle ile potrzebujesz do pokrycia aktualnego obciążenia plus malejący prąd ładowania akumulatora.

Oczywiście po drugiej stronie trzeba zrobić system zasilania dla robota (pewnie 3.3V i 5V), ale mając nadwyżkę napięcia przetwornice obniżające buck będą tu ładnie pracować. Konieczne będzie kontrola minimalnego napięcia (np. 5.8-6.0V) i możliwość całkowitego odłączenia obciążenia. Tym może zająć się procesor obsługujący ładowarkę - i tak zna napięcie akumulatora. Jeśli zrobisz między nimi jakieś I2C główny proc będzie miał zawsze bieżące informacje o stanie zasilania.

Doprowadzenie z USB można zrobić przez diodę, nawet równolegle do zacisków baterii słonecznej. Procesor wykrywając pojawienie się 5V może przejść w inny tryb i ładować z tamtąd a sama bateria słoneczna temu napięciu nie zaszkodzi, bo zaczyna zwierać dopiero przy 6V

W takiej konfiguracji robot będzie mógł jeździć w cieniu i na słońcu, będziesz mógł wtykać mu USB a system wciąż będzie pracował w optymalnych warunkach pobierając energię z aktualnie najlepszego źródła. W telemetrii (jeśli taką przewidujesz) będziesz mógł sobie wysyłać prądy, napięcia i moce.

Przemyśl to i napisz jak to widzisz. Jest tu parę fajnych wyzwań, ale raczej nic bardzo trudnego.

[Vroobee]

Rozumiem to w ten sposób. Idąc od strony panelu foto - z racji tego, że mój panel nie jest super mocny (ledwo 2 W) no i nie daje stałego ani napięcia ani prądu na wyjściu to trzeba mu napięcie podbić do np. 8-9V. To załatwia przetwornica boost (cewka, kluczujący tranzystor, dioda + kondensator równolegle i obciążenie). Tranzystor jest kluczowany z procka (prawdopodobnie wykorzystam tu jakiegoś stm'a 32 bo mam do dyspozycji). Dalej podbite napięcie leci do ogniw zasilających. Tylko tu pojawia się pytanie - czy skoro mam dwa ogniwa pojedyncze połączone w szereg (czyli taki LiPol 2S złożony z 2x1S) to czy to nie zaszkodzi jak podłączę pomiędzy + i - napięcie ładujące powiedzmy max 8.4V ? Nie chciałbym spalić aku

I dalej - procek mierzy napięcie wyjściowe przetwornicy boost i wyjściowe panelu foto oraz prąd ładujący i prąd pobierany przez obciążenie. Wykorzystując algorytm MPPT tak kluczuje tranzystorem, żeby się wszystko zgadzało.

Jak coś nie tak to proszę o poprawkę

[marek1707]

Dokładnie tak z tym, że nie musisz mierzyć prądu obciążenia ani prądu wyjściowego przetwornicy. To znaczy możesz oczywiście, choćby ze względów poznawczych ale wystarczy, że będziesz mierzył prąd akumulatora. I też bardziej z ciekawości. Jeśli źródło do którego podłączysz ładowarkę (bat. słoneczna lub USB) nigdy nie da więcej mocy niż np. 2.5W (pracując na przetwornicach DCDC musisz myśleć w kategoriach mocy we-wy) to to przekłada się na prąd 300mA przy 7.5V. To dla akumulatora 1500mAh pikuś, więc nigdy nie przekroczysz jego możliwości ładowania i nie musisz ani go mierzyć ani ograniczać.

Pomiar innych prądów możesz zrobić - będzie więcej danych do telemetrii, ale moim zdaniem nie ma to sensu. Raz sobie zmierzysz pobory multimetrem przy różnych mechanizmach powłączanych, sprawdzisz czy mieszczą się w wielkościach spodziewanych i tyle.

Tak więc dla MPPT ważne są tylko U/I z ogniw foto, a dla ochrony aku tylko U wyjściowe (pod warunkiem, że I jest ograniczone mocą źródła).

Ogniwa łączysz szeregowo po prostu - każdy akumulator o większym napięciu tak jest robiony. Jedyne niebezpieczeństwo jest takie, że ogniwa mogą być lekko inne (mieć różną pojemność i zużycie) i wtedy - w pewnych warunkach napięcie "końcowe" - to które widzi ładowarka nie jest równo podzielone na oba ogniwa. Profesjonalne ładowarki mają tzw. balancery, które w czasie ładowania aktywnie wyrównują (przywierają opornikami) te co silniejsze ogniwa by trochę prądu je omijało. Wg mnie Tobie wystarczy dodatkowy pomiar napięcia ze środka i prosty algorytm ostrzegający użytkownika o rozjechaniu się ogniw gdy nie będzie to trafiało w połowę napięcia całkowitego z dokładnością - powiedzmy 100mV. Można zrobić balancer, ale to chyba byłby przerost formy nad treścią. Nie jest to urządzenie mające pracować bezobsługowo przez 24h/365 dni w roku i w każdej chwili możesz sprawdzić jak duża jest niesymetria. Jeśli chcesz wstawić balansowanie ogniw w celach edukacyjnych, nie ma sprawy, to nietrudne.

EDIT: Nawiasem mówiąc moc tych ogniw słonecznych jest bardzo mała. Po konwersji boost zostanie z tego jeszcze mniej (pewnie z 80%) a to nie wróży dobrze bilansowi energii. Przemyśl jaką moc będzie pobierał robot, ale moim zdaniem >10W to minimum na tyle napędów. Te 2W wiele mu życia nie wydłużą. A to przecież jest liczone w pełnym słońcu.

[Vroobee]

Właśnie pomyślałem o pomiarze napięcia pomiędzy ogniwami akumulatora faktycznie jest to znacznie lepsza konstrukcja niż przełączanie akumulatorów przekaźnikami czyli wartościami mierzonymi są tylko U_akumulatora, U_środkowe_aku, U_ogniwa_słonecznego, I_ogniwa_słonecznego, zgadza się ? @marek1707 - znasz może jakieś dobre źródło, które naprowadziłoby mnie jak zaimplementować algorytm MPPT w procku ? Ew. jakiś przykładowy kod.

[marek1707]

Tu nie ma wielkiej filozofii. Jest kilka metod, ale nawet najbardziej trywialna czyli D&O (Disturb and Observe) sprawdza się bardzo dobrze. Po prostu zapytałem wyszukiwarkę "mppt algorithm types":

http://lib.tkk.fi/Dipl/2010/urn100399.pdf

http://ijsetr.org/wp-content/uploads/2013/10/IJSETR-VOL-2-ISSUE-10-1926-1933.pdf

Jak już zaimplementujesz cokolwiek, będziesz mógł robić porównania. Tak naprawdę krytyczne w Twojej aplikacji będzie nie samo precyzyjne wykrywanie i optymalizacja "bycia na szczycie" mocy ile prędkość poszukiwań, bo przejazdy z cienia do światła będą szybsze niż typowe zmiany zachmurzenia. Ale tak jeszcze bardziej naprawdę to tylko zabawa. Mając akumulator na pokładzie i tak nie musisz się martwić. Co najwyżej przez chwilę nie będzie najlepiej jak mogłoby być a może wręcz napięcie wejściowe zapadnie się nagle po wjeździe do cienia. I co z tego? MPPT w końcu się z tego wydobędzie i tyle. Algorytmy tej ładowarki będą w o tyle komfortowej sytuacji, że cokolwiek być zrobił i tak nic nie zepsujesz. Albo nie będziesz ogniwa słonecznego dociążał albo go przydusisz, ale ono jest odporne na to wszystko. Byle działało ograniczenie napięcia wyjściowego do 8.4V - bo tego LiPole na prawdę nie lubią. Wszystko inne możesz dowolnie testować

[Vroobee]

Dziękuję bardzo, "piwo" się należy jak już wszystko będzie gotowe (mam nadzieje, że niedługo) na pewno napiszę