Fai da te & OffGrid

Ciao a tutti.
Apro questa discussione per descrivere un progetto completo riguardante un formatore automatico per piastre Plantè.
Chiunque si è cimentato sulla sperimentazione di questa tipologia di accumulatori, sa bene che il processo di formazione richiede molto tempo e molta attenzione, inoltre è di fondamentale importanza per il raggiungimento della capacità nominale dagli elementi.
In cosa consiste il formatore automatico?
In pratica è un dispositivo elettronico gestito da microcontrollore che gestisce la carica, la scarica e il riposo della cella. Esso può essere diviso in due blocchi funzionali:
1) Il controllore
2) Il regolatore di carica
Per semplicità tratteremo un formatore utilizzato per un solo elemento di un accumulatore Plantè, se si decidesse di utilizzarlo per formare più elementi (quindi accumulatori da 12V, 24V, 48V, ecc...) basta semplicemente apportare qualche semplicissima modifica hardware che consiste nell'aggiunta di qualche resistenza (come vedremo nel seguito).

IL CONTROLLORE

Il controllore gestisce la fase di carica, di scarica, o di riposo in funzione della tensione raggiunta dalla cella; pertanto è necessario che lo stesso monitori costantemente la tensione.
Per completezza e comodità ho preferito monitorare anche la corrente erogata dalla cella al fine di ricavare la capacità effettivamente raggiunta, ciclo dopo ciclo, e visualizzarla su un display LCD.
Di seguito riporto lo schema elettrico.




DESCRIZIONE

Il cuore del controllore è un microcontrollore ad 8 bit della Microchip serie PIC. Nella fattispecie è un PIC 16F870 (che molti già conosceranno).
Attraverso l'ingresso analogico AN0, il micro controlla la tensione della cella ogni 5ms. Un filtro RC provvede ad eliminare eventuali disturbi indotti sulla cella da commutazioni o interferenze esterne. Questo filtro è costituito dalla resistenza R6 da 10k e il condensatore C1 da 100n.
Siccome una sola cella non raggiunge mai una tensione maggiore di 5V, nessun partitore resistivo è stato adottato. Qualora si volesse utilizzare questo circuito per formare delle batterie di celle, occorre introdurre un partitore di tensione costituito da due resistenze, una (Rp) collegata al posto della R6 ed una (Rm) collegata tra il pin 2 (AN0) e massa (il condensatore C1 resta così com'è).
Di seguito riporto i valori che dovranno avere queste resistenze in funzione della tensione della batteria:

Vbatt=6V
Rp=10k
Rm=5k

Vbatt=12V
Rp=47k
Rm=9,4k

Vbatt=24V
Rp=47k
Rm=4,27k

Consiglio di utilizzare un trimmer multigiri da 10k per la Rm.

Fatto questo, il micro riesce già a monitorare correttamente la tensione della batteria/cella.
Sul pin 22 (uscita RB1) è collegato un BJT tipo BC337 che pilota un relè a doppio scambio. La cella o batteria entra con il positivo sul comune dei contatti del relè attraverso una resistenza di piccolo valore che è la R5. Il contatto normalmente chiuso è collegato sul regolatore di carica (che vedremo nella prossima discussione) e il contatto normalmente aperto è collegato a massa tramite una resistenza di carico R4.
Al posto di questa resistenza è possibile collegarci una lampada o qualsiasi altro carico di valore adeguato alla corrente di scarica desiderata.
Quando il micro comanda la scarica della batteria, una corrente scorre sulla R5 e determina una caduta di tensione ai suoi capi. Siccome la R5 è di piccolo valore (per evitare perdite di potenza non volute) anche la caduta di tensione sarà piccola, pertanto un amplificatore differenziale dovrà innalzarla ad un valore accettabile.
Nel mio caso, con corrente di scarica di 700mA, sulla R5 ho una c.d.t. di 70mV che amplifico 33 volte per portarla al valore di 2,31V circa.
Questa tensione viene letta dal secondo canale analogico del micro che è il pin 3 (AN1) ogni 5ms. L'algoritmo integra nel tempo questo valore di corrente ed ogni secondo mi visualizza l'incremento sulla seconda riga di un display LCD intelligente (decodifica Hitachi) 16X2. Appena la batteria raggiunge il valore di tensione di 0,3 Volt, la scarica viene arrestata e il valore di capacità appena raggiunto viene memorizzato e visualizzato sulla prima riga del display con la dicitura xxxmAh last.
Per chi volesse modificare il valore della corrente di scarica, bisogna tener conto del fatto che 0,7A corrispondono ad una tensione di 2,31V, quindi agendo sulle resistenze R5,R7,R8,R9 ed R10, si può mantenere la proporzione senza agire sul firmware.
Le resistenze R7 ed R8 sono di identico valore (nel mio circuito da 1k) così come lo sono le resistenze R9 ed R10 (nel mio circuito da 33k). L'amplificazione così ottenuta è pari a 33; in pratica la caduta di tensione proporzionale alla corrente che scorre sulla R5 viene amplificata 33 volte.
Se si volesse aumentare la corrente di scarica fino al valore di 1,5A, il circuito rimarrebbe così com'è. Se si volesse arrivare a 3A allora bisognerebbe o dimezzare la R5 e portarla al valore di 0,05 ohm o dimezzare l'amplificazione. Per valori di corrente maggiori si può agire su entrambi questi parametri.
Nello schema mi sono accorto che manca il quarzo da 16MHz tra il pin 9 e il pin 10 del micro. Vanno aggiunti anche due condensatori ceramici da 22pF collegati uno sul pin 9 e massa e uno sul pin 10 e massa.
Resta un' ultima funzione...
Il pin 26 (RB5) è stato chiamato enable, questo infatti va ad inibire (agendo su un comando logico) il regolatore di carica, bloccando eventualmente la carica nel caso si voglia dare un periodo di riposo alla batteria.
Eventuali modifiche e migliorie si possono effettuare senza troppi problemi, quindi mi aspetto suggerimenti.
Restando a disposizione per chiarimenti, rimando al prossimo argomento che vedrà la realizzazione del regolatore switching a corrente costante utilizzato come regolatore di carica per il formatore.

molto bene atomax. Ti lascio continuare con le altre puntate

Ciao a tutti, continuo la discussione parlando del regolatore di carica.
Ho preferito utilizzare un controller PWM e lo stadio di potenza separato, in modo da poter aumentare la potenza del regolatore senza stravolgere troppo il circuito.
Di seguito lo schema elettrico.

Il controller PWM utilizzato è lo storico LM3524. Attraverso i due collettori parallelati pilota un mosfet a canale P modello IRF9530. Un'induttanza da 220uH e un condensatore elettrolitico da 1000 uF costituiscono il filtro d'uscita del convertitore.
Quando il mosfet è chiuso, la corrente che fluisce verso il carico sale in modo approssimativamente lineare (in pratica una rampa) in quanto c'è la presenza dell'induttanza L1. Non appena la rampa di corrente raggiunge un certo valore, sulla resistenza R6 si genererà una determinata caduta di tensione che farà intervenire il controller PWM aprendo il mosfet.
La corrente d'uscita, a questo punto, non si interromperà bruscamente (in quanto l'induttanza avrà accumulato una certa energia) ma scenderà in modo lineare seguendo sempre un andamento a rampam stavolta decrescente. Appena la c.d.t. sulla R6 scenderà al di sotto di un determinato valore, il controller PWM riaccenderà il mosfet e così via...
In uscita si avrà quindi una corrente continua avente un certo ripple. Maggiore sarà il valore della frequenza di commutazione e/o il valore dell'induttanza, minore sarà questo ripple.
La frequenza di commutazione dipende dal valore della resistenza R2 e del condensatore C2 ed è dettata da questa equazione:

f=1,3/(R2*C2)

con il valore di R2 espresso in kOhm, il valore di C2 espresso in uF e la frequenza risultante espressa in kHz.
Si rammenta che valori di frequenza troppo alti determinano elevate perdite di commutazione che si manifestano sul mosfet e sul diodo. Per convertitori "virtuosi" in termini di efficienza ad alta potenza, si ricorre a schemi circuitali molto più complessi, che non vale la pena analizzare (almeno in questa sede).
Aumentando il valore dell'induttanza, invece, si aumenta il costo e l'ingombro del circuito. In ogni caso ripple di corrente fino al 25 - 30% del valore massimo possono essere accettati.
Per aumentare la corrente d'uscita, occorre quindi agire sulla resistenza R6. Utilizzando una resistenza di valore inferiore si ottengono correnti d'uscita più alte.
La formula che definisce la corrente di uscita in funzione della R6 è la seguente:

Iout= 0,2V / R6

Il valore di 0,2 V è la soglia di intervento dell'amplificatore d'errore interno al controller con una tolleranza di +/- 25 mV.

Il controller stabilizza anche la tensione d'uscita ad un valore costante.
Nello schema di sopra, trattandosi di un regolatore adatto a caricare una sola cella, la massima tensione d'uscita è fissata a 2,72V.
Il controller amplifica la differenza di tensione che c'è tra il pin1 e il pin2. Se il pin1 è ad una tensione maggiore del pin2 il controller apre il mosfet e viceversa.
Il pin2 si trova ad una tensione di riferimento di 2.72 V ottenuta grazie al partitore costituito dalla R4 ed R5. Detto partitore prende la tensione dal pin 16 dell'integrato, che eroga una tensione costante pari a 5V.
Volendo aumentare la tensione di uscita basta utilizzare un secondo partitore costituito da due resistenze, che chiameremo Rp ed Rm.
La Rp andrà collegata tra l'uscita del circuito (dove si collega il positivo della batteria) e il pin 1 del controller, mentre la Rm andrà collegata tra il pin 1 e la massa.
Volendo formare una batteria da 6 volt, i valori da adottare sono i seguenti:
Rp=18k
Rm=10k

Batteria da 12 V:
Rp=47k
Rm=10k

Batteria da 24 V:
Rp=47k
Rm=4,5k

Consiglio di usare un trimmer multigiri da 10k come Rm.
Anche in questo caso si accettano consigli e migliorie.
Saluti a tutti.

buona idea quella dello stadio di potenza separato, in questo modo possiamo adattarlo alla potenza necesaria.

...mi stavo chiedendo se non fosse possibile adattare il formattatore, per pilotare un comune caricabatteria a 12 o 24V.

Praticamente.... il pic legge la tensione, e se minore di 14.5V per il 12V, o 29V per i 24V, aziona un relè per attivare il caricabatteria. Quando la tensione raggiunge il valore prefissato, il relé del caricabatteria si stacca, e interviene un secondo relé che invia la corrente ad un carico adeguato.... che potrebbe essere un boiler elettrico... giusto per non sprecare l' energia

E poi il ciclo continua per x volte.
Dici che in futuro si potrá modificare il formattatore in questo senso?

L'energia che alimenta il caricabatterie, suppongo che proviene da una fonte rinnovabile come dei pannelli FV.
Suppongo che la tensione del Bus DC sia bassa (<40V), quindi per inviare energia sufficiente ad un boiler funzionante a 230 V occorre prima innalzarla.
Per far questo occorre realizzare un convertitore DC/DC di potenza. Il microcontrollore andrà ad attivare il DC/DC o il regolatore di carica in funzione della tensione raggiunta dalla batteria.
Fammi l'esempio di un caso pratico, illustrandomi qual'è la tensione del BUS DC e la potenza del boiler elettrico. In questo modo possiamo realizzare il dispositivo in modo mirato.

dunque.. potrebbe funzionare coí:


Batterie a 12V da 200Ah teorici, ma sono da formattare.
Pannelli solari con regolatore pwm che forniscono 20A a 12V
Inverter da 1000W 12V->220V
Boiler da 50Litri con resistenza 220V 600W

praticamente alle batterie bisogna scaricarle al massimo e quindi un piccolo boiler andrebbe benissimo.

c' è da tenere conto peró che nelle fasi iniziali, le batterie hanno una carica ridicola, e quindi meglio usare una resistenza di potenza per la scarica, poi quando i tempi di scarica si allungano, allora si passa al boiler.

in via teorica potrebbe funzionare?

Si, potrebbe funzionare senza troppi problemi.
Viste le alte correnti in gioco (>50A) è meglio non utilizzare una resistenza di sensing come la R5, quindi bisogna adottare un sensore di corrente ad effetto Hall.
Il sensore integrato ACS750TCA - 075 potrebbe andar bene allo scopo. Questo sensore fornisce una tensione d'uscita pari a 2,5 volt (se alimentato a 5 V) per correnti di ingresso nulle e 2,5 V + 20 mV/A per correnti positive e 2,5 V - 20mV/A per correnti negative. In questo modo è possibile anche monitorare la corrente di carica della batteria e calcolare il rendimento in corrente (e/o energetico) della stessa, agendo semplicemente sul firmware.
Di seguito riporto lo schema del sensore e del relativo collegamento al microcontrollore PIC del formatore.


Come si può notare, oltre all'eliminazione della R5, sparisce tutto lo stadio amplificatore.

...cmq questo è solo una variazione o una futura estensione del tuo progetto che magari affrontiamo più avanti... un secondo prototipo?.
Prosegui pure con il filo logico che ti ha portato alla realizzazione dell' attuale formattatore.... approposito... come va con la piccola batteria di test?

ciao
MaX

Ho aumentato la tensione di fine carica da 2,54 a 2,62 Volt.
In questo modo sembra acquistare più energia ad ogni ciclo, anche se questi sono più lunghi...
Poco fa aveva raggiunto la capacità di 1,11 Ah. Stiamo a vedere.
Comunque da una piastra positiva da 15mm X 15mm non dovrei aspettarmi quasi 3 Ah?
0.15m X 0.15m X 2 = 0,045 mq
65Ah X 0,045 = 2.92 Ah. Cos'è che non considero?

l' errore sta che sono 65Ah per m² considerando piastre positive e negative.... ma nel tuo caso, avendo una superficei doppia di negative, è meglio considerare 32.5Ah nella piastra positiva e contare solo quella.

Se tu avessi fatto una pila da 10 piastre positive e 11 negative, non varrebbe la pena fare questa discriminazione, e quindi contare la superficie totale di tutte le piastre.... ma con 3 piastre.... si.