Широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM))- приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл/выкл), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны.

                          Почему мы советуем использовать контроллеры с ШИМ                                                                               

     1. Возможность восстановить потерянную емкость аккумуляторной батареи.

Согласно исследованиям Battery Council International, 84% свинцово-кислотных батарей выходят из строя из-за сульфатации. Сульфатация  является наиболее острой проблемой в солнечных энергосистемах, потому что вероятность полного заряда в таких системах больше чем от традиционного заряда АБ. Увеличенные периоды недозаряда АБ в солнечных энергосистемах приводят к коррозии решетки, а положительные пластины аккумуляторов покрываются кристалами сульфатов. При постоянном перезаряде, мы получаем разрушение токоотводов + "кипение" электролита с выделением водорода и кислорода, что приводит к увеличению концентрации электролита, что опять способствует разрушению электродов.

Как разрушить кристаллы сульфатов ? ...самое лучшее - не доводить до них... а если они есть - то надо их растворять неглубокими циклами заряд-разряд. Но крупные кристаллы вы не полечите они имеют более высокое сопротивление и плохо "работают"... так что речь может идти только о неполном восстановлении. Вывод: не допускайте глубоких разрядов! http://electrotransport.ru/ussr/index.php/topic,1950.0.html

Широтно-импульсная модуляция тока заряда может предотвратить образование отложений сульфатов, помогает преодолеть резистивный барьер на поверхности электродной сетки и пробить коррозию на переходах. В дополнение к улучшенному КПД заряда и увеличенной емкости, существуют убедительные доказательства того, что такой режим заряда может восстановить емкость АБ, которая "утратилась" со временем при работе АБ в фотоэлектрической системе. Некоторые результаты исследований приведены ниже.

В 1994 CSIRO, ведущая исследовательская группа в Австралии, опубликовала статью, в которой указывается, что пульсирующий ток заряда "позволяет восстановить емкость элементов, работавших в циклическом режиме". Процесс сульфатации замедляется, а внутренние слои коррозии становятся тоньше и разделяются на "островки". Электрическое сопротивление уменьшается и емкость увеличивается. Вывод статьи в том, что пульсирующий ток заряда "может привести к восстановлению емкости аккумуляторной батареи."

В компании Morningstar, провели тесты по восстановлению емкости АБ.     В результате теста выяснили, что аккумуляторная батарея восстановила большую часть потерянной емкости после заряда при помощи SunLight контроллера. После теста, солнечная система освещения в течение 30 дней практически не обеспечивала освещение, так как система отключалась по защите от перезаряда каждую ночь. Аккумуляторная батарея была очень старой и подлежала утилизации. Затем, нагрузка стала работать дольше каждую ночь. В течение последующих 3 месяцев емкость АБ постоянно возрастала.  

Как узнать что "лечебные циклы" закончились ?
Вопрос важный... при применении "умных зарядок" они сами контролируют напряжение. Но в случае "реле и лампочки" я просто рекомендую не злоупотреблять процессом и ограничить время тренировки 10 часами при соблюдении непревышения токов. После такой "тренировки" устройте свинцовому аккумулятору 10 или 20 часовой разряд до 10.8В(под нагрузкой) - и посмотрите что получилось - если емкость не повысилась - то значит у нас не сульфатация а разрушение пластин.

НЕ забывайте, что нельзя разряжать 12В свинцовый аккумулятор ниже 10.8В !!!

     2. Увеличение способности принять заряд 

Термин "способность принять заряд" часто используется для описания эффективности заряда аккумулятора. Так как АБ в фотоэлектрических системах постоянно подзаряжаются ограниченным источником энергии (т.е. характер заряда носит вероятностный характер в течение дня и зависит от наличия солнечного света), высокая способность принять заряда является критическим параметром для АБ в солнечной энергосистеме и повышает эффективность системы в целом.

Солнечные фотоэлектрические системы очень часто были ненадежными из-за плохих контроллеров заряда. Например, исследование 4-х фотоэлектрических систем для освещения, проведенное National Forest Service, в которых использовались простые контроллеры, которые выключали и включали СБ, показало проблемы вследствие плохой восприимчивости к заряду аккумуляторными батареями. АБ оставались недозаряженными и часто отключались по защите от переразряда. Это проиходило каждую ночь, хотя при этом АБ принимало только примерно половину энергии, производимой солнечными батареями в течение дня. Одна из систем приняла только 10% от генерируемой СБ энергии в промежуток между 11 и 15 часами дня!

После тщательного изучения было определено, что проблема не в аккумуляторе, а в "стратегии управления зарядом". Более того, аккумулятор мог принять этот заряд, но не заряжался. Далее была исследована система, похожая на эту, но с контроллером заряда, который поддерживал постоянное высокое напряжение на аккумуляторе. В этом случае, "батарея оставалась почти всегда полностью заряженной".

Позднее было проведено исследование контроллеров с ШИМ, которое доказало, что контроллеры повышали восприимчивость АБ к заряду именно вследствие использования широтно-импульсной модуляции тока заряда. Контроллеры MorningStar SunSaver позводили даже увеличить эффективность заряда АБ на 2-8% даже по сравнению с контроллерами, которые поддерживали постоянно высокое напряжение на АБ.

Ряд испытаний показал, что алгоритм ШИМ имеет значительные преимущества для повышения восприимчивости АБ к заряду. Это исследование, проведенное Morningstar, было проведено в одинаковых тестовых условиях. Контроллер с ШИМ позволял "закачать" в аккумулятор на 20%-30% больше энергии от солнечных батарей, чем on-off контроллер.

     3. Обеспечение высокой средней емкости аккумулятора 

Поддержание высокой степени заряженности (SOC) аккумулятора очень важно для "здоровья" аккумулятора и для поддержания запаса емкости, что в свою очередь влияет на надежность солнечной системы электроснабжения. Отчет по испытаниями, проведенный FSEC отмечает, что "срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов прямо пропорционален средней степени заряженности", и что если аккумулятор поддерживается при SOC более 90%, возможно "увеличение количества циклов заряда-разряда в 2-3 раза по сравнению с АБ, работающей при SOC 50%."

Предельное напряжение, до которого разрешается разряжать аккумуляторы при температуре +25° С, составляет по ГОСТ825-61 для режимов разряда не короче трехчасового = 1,8 В,  а для более коротких режимов (включая 15-минутный)-1,75 В. В действительности у исправных аккумуляторов напряжение в конце разряда часто бывает несколько выше.
Указанные предельные значения напряжений, до которых можно
разряжать аккумуляторы, установлены опытным путем. Они выбраны с
таким расчетом, чтобы не вся активная масса превращалась при разряде в сернокислый свинец, так как это вызвало бы чрезмерную сульфатацию пластин.
Глубокие разряды, которые сопровождаются существенным изменением объема активной массы, могут привести к частичному отделению и выпаданию активной массы и вызвать коробление пластин. Кроме того, эффект от разряда до более низких напряжений при нормальном десятичасовом разряде и более коротких режимах разряда очень мал. После предельно допустимого значения (1,8 или 1,75В) напряжение резко идет на убыль и может быстро достигнуть таких малых величин, которые непригодны для практического их использования.

 Во время работы, Контроллер контролирует различные параметры (напряжение U; ток I) аккумулятора и на их основе вычисляет степень заряженности аккумулятораSOC (stateofcharge). Степень заряженности - уровень энергии, доступный в аккумуляторе. Изменения в системе, например, процесс старения аккумулятора – автоматически учитываются в алгоритме вычисления SOC.

Используя SOC данные, Вы всегда имеете точный анализ фактическог о состояния аккумулятора. Используя SOC, Контроллер также управляет выбором режима (методики) заряда и защиты от глубокого разряда, исходя их идеальных условий эксплуатации аккумулятора. Если один из параметров не может быть зарегистрирован, например, из-за того, что потребитель или источник зарядного тока непосредственно связаны с аккумулятором, правильное вычисление SOC невозможно. Контроллер может в этом случае быть установлен в более простой. 

Аккумуляторы, которые заряжаются с использованием алгоритма ШИМ, будут поддерживаться при очень высоком среднем уровне заряженности в типичной солнечной системе электроснабжения. Кроме обеспечения более высокой резервной емкости в системе, срок службы аккумуляторной батареи может быть значительно увеличен. Это подтверждается многочисленными отчетами и испытаниями.

     4. Выравнивание элементов аккумуляторной батареи

Отдельные элементы в АБ могут со временем сильно отличатся по сопротивлению заряду. Неравномерная восприимчивость к заряду может приводить к значительной потере емкости в "слабых" элементах. Для исправления таких несбалансированных элементов применяется режим, который называется "выравниванивающим зарядом". (Такой режим применяется только для АБ с жидким электролитом!). В этом режиме АБ несколько часов поддерживается при высоком напряжении, при котором начинается контролируемое газовыделение.

При использовании алгоритма ШИМ выравнивание элементов возможно и при более низких напряжениях. ШИМ заряд позволяет поддерживать отдельные элементы аккумуляторной батареи в более сбалансированном состоянии. Это важно при использовании герметичных аккумуляторов, которые не допускают газовыделения. Также, это очень полезно при использовании при заряде аккумуляторов от солнечных батарей, так как на практике в солнечных системах электроснабжения очень редко бывают случаи, когда возможно поддержание напряжения на АБ на высоком уровне в течение длительного времени.

     5. Уменьшение нагрева АБ и газовыделения

Перенос ионов в электролите АБ оказывается более эффективным при использовании ШИМ заряда. После импульса заряда, некоторые области аккумуляторных пластин оказываются обедненными ионами, в то время как другие области имеют их избыток. Во время промежутка между зарядными импульсами, диффузия ионов выравнивает концентрацию ионов на пластинах, тем самым подготавливая аккумулятор к следующему зарядному импульсу.

Кроме того, вследствие того, что импульсы довольно короткие, для образования газа не хватает времени. Газообразование еще менее вероятно при использовании разрядных импульсов.

     6. Автоматическая подстройка к возрасту аккумуляторов

По мере того, как батарея стареет и вырабатывает свои циклы, она становится все более невосприимчивой к заряду. Это происходит в основном вследствие того, что кристаллы сульфатов на пластинах делают их менее проводимыми и замедляют скорость электрохимических реакций.

Однако, возраст АБ не влияет на заряд с испольлзованием алгоритма ШИМ.

Заряд с ШИМ всегда подстраивается к потребностям аккумулятора. Зарядный ток АБ оптимизируется в зависимости от ее внутреннего сопротивления, потребностей к заряду и возрасту АБ. Единственный эффект, который может проявлятся при ШИМ заряде старых батарей, это более раннее начало газовыделения.

      7. Саморегуляция по падениям напряжения и температурным эффектам

Внешние факторы, такие как падения напряжения, в проводах системы, не влияют на границы финального заряда. Влияние падения напряжения будут составлять доли вольта. В отличие от этого, в on-off контроллерах это очень сильно влияет на режимы заряда АБ, так как даже небольшое падение напряжение в проводах от АБ до контроллера может привести к перезаряду или недозаряду АБ.

В контроллерах с последовательным ключом, полевые транзисторы находятся в основном в запертом состоянии на завершающей стадии заряда. Это минимизирует нагрев контроллера, что особенно важно, если они находятся в закрытом корпусе. В отличие от этого, в шунтовых регуляторах наблюдается максимальное тепловыделение именно на финальной стадии заряда, так как полевой транзистор в основном находится с открытом состоянии и пропускает весь ток от СБ.

Таким образом, ШИМ контроллеры с последовательными ключами обеспечивают наиболее оптимальные режимы заряда аккумуляторной батареи, в зависимости от ее заряженности и возраста. В простых контроллерах, которые включают и выключают заряд в зависимости от напряжения на АБ, происходит хронический недозаряд АБ и преждевременный выход ee из строя.

Оформить заявку

Нажатием на «Отправить» подтверждаю согласие с обработкой персональных данных
Введите правильный ответ