Epever Tracer1210A MPPT контроллер заряда для солнечной установки

Здравствуйте. Продолжаю тему солнечной энергетики. Солнечные панели я уже обозревал (вот и вот). Также писал обзор и на простейший PWM контроллер заряда. Настала очередь познакомиться с более «продвинутым» контроллером, так называемым MPPT контроллером.
Что это, для чего, чем лучше PWM, а также распаковка, разборка, тестирование, всё это будет в обзоре.
Заинтересовавшихся прошу.

Теория:

Сначала немного о том для чего нужен контроллер заряда. И действительно, достаточно просто соединить солнечную батарею (СБ) с аккумулятором (АКБ), и при наличии хоть какого-то света, а еще лучше — солнечного, от солнечной батареи пойдет зарядный ток в аккумулятор и без использования контроллера.
Итак, что будет, если не применять его совсем? При прямом подключении солнечной панели к аккумулятору пойдет зарядный ток и напряжение на клеммах аккумулятора начнет постепенно расти. Пока оно не достигнет предельного напряжения зарядки (которое зависит от типа аккумулятора и его температуры), прямое подключение будет равнозначно присутствию контроллера моделей PWM или ON/OFF, поскольку в этом режиме эти модели просто соединяют вход и выход.
При достижении предельного напряжения (около 14 Вольт), ON/OFF контроллер, который является самым дешевым из всех типов, просто отключит солнечную батарею от аккумулятора и заряд прекратится, хотя в реальности аккумулятор заряжен еще не полностью и для полной зарядки требует поддержания на нем предельного напряжения в течение еще нескольких часов. Эту задачу решает PWM контроллер, который при помощи широтно-импульсного преобразования (ШИМ или, по английски — PWM) понижает напряжение солнечной батареи до нужного значения и поддерживает его.
Если же не использовать никакого контроллера, то необходимо постоянно следить при помощи вольтметра за зарядным напряжением и в нужный момент отключить солнечную панель. Но если забыть ее отключить, то это приведет к перезаряду, выкипанию электролита и сокращению срока службы аккумуляторов. Однако, если отключить ее не вовремя, как при использовании простого ON/OFF контроллера, аккумуляторы останутся заряженными не полностью (примерно на 90%), а регулярный недозаряд в конечном итоге приведет к значительному сокращению их срока службы.
Тут я думаю с необходимостью контроллера заряда можно закончить и перейти к описанию типов контроллеров заряда. Хотя про 2 типа (ON/OFF и PWM) уже было сказано выше. В общем существует третий тип контроллеров, так называемые MPPT контроллеры заряда. Для чего они нужны продемонстрирую на следующем графике:На этом графике приводится нагрузочная характеристика стандартной 12 вольтовой солнечной панели с напряжением холостого хода около 20 вольт. Если подключить эту панель к 12 вольтовой свинцово-кислотной аккумуляторной батарее через PWM контроллер, можно получить рабочие точки в диапазоне 10-14,5В. Однако точка максимальной мощности солнечной панели находится выше (на этом графике это 17 вольт). И если снимать с панели эту мощность именно в этой точке, КПД всей солнечной установки будет выше. Вот для этого и применяются MPPT контроллеры. MPPT это Maximum Power Point Tracking, т.е. отслеживание точки максимальной мощности. Само отслеживание этой точки может осуществляться по разным алгоритмам и в разных MPPT контроллерах оно реализовано по разному. В самом простейшем случае эту точку можно задавать вручную.
Таким образом, главное отличие MPPT контроллера от PWM это наличие у первого преобразователя напряжения, из-за которого напряжение на солнечной панели не будет равно напряжению на аккумуляторной батарее.
Ну вот, надеюсь не сильно заумно написал.
MPPT контроллеры штука не из дешевых. Их стоимость начинается от 300 долларов. Описываемый же контроллер стоит существенно дешевле. Посмотрим чем он хорош или плох, как получится…

Упаковка и комплектация:

Контроллер отправлен был почтой EMS, но в России это обычная Почта России, ни каких курьеров, даже по телефону не позвонили. Отличие только в необходимости заполнять 2 квитанции на почте вместо одной.Внутри пластикового конверта находилась коробка с контроллером дополнительно обмотанная вспененным полиэтиленом.Внутри коробки сам контроллер дополнительно был обёрнут также вспененным полиэтиленом и пакетом с «пупыркой».Комплект поставки: контроллер, инструкция и сертификат качества.

Внешний вид:

Верхняя часть корпуса контроллера выполнена из глянцевого белого пластика, нижняя из алюминия с рёбрами и крепёжными отверстиями. Нижняя часть корпуса также выполняет и роль радиатора.
Размеры контроллера следующие:

Параметры:

Наклейка с наименованием модели прибора, а также с основными электрическими параметрами расположена на верхнем торце корпусаБолее широко параметры описаны в инструкции:Как видно, существует 5 модификаций данного контроллера. В основном отличаются модели максимальным током заряда-разряда, но есть и младшая можель с уменьшеным максимальным напряжением солнечной батареи (СБ)

Органы управления, индикации и клеммы/разъёмы:

Органы управления (2 кнопки) и индикации (ЖК дисплей) расположены на передней части корпуса, а клеммы и разъёмы на нижнем торце.ЖК дисплей чёрно-белый, выглядит так (пузырьки это не снята защитная плёнка):Показания на цифровой части дисплея циклически меняются с индикацией слева к чему именно они относятся, т.е. загорается соответственно PV, BATT или LOAD
Подключается контроллер следующим образом (цифрами указана очередность подключения):Первым обязательно нужно подключить аккумулятор, т.к. сам контроллер питается именно от него. Следующим указано, что нужно подключить нагрузку в виде ламп освещения и только потом солнечную батарею. Тут разницы нет можно и наоборот, сначала солнечную батарею. В виде нагрузки указаны лампы освещения потому, что в контроллере предусмотрены различные режимы управления этим выходом нагрузки в зависимости от наличия напряжения на СБ, что равносильно светлому времени суток. Т.е. по появлению и исчезанию напряжения на СБ контроллер понимает, когда происходит рассвет и закат. И можно настроить включение света на некоторое время после заката и на некоторое время до рассвета. Все эти времена можно изменять в широких пределах.Остальных потребителей, напрямую или через инвертор, нужно подключать непосредственно к аккумуляторной батарее. Но в этому случае нужно следить за уровнем напряжения АКБ. Если использовать инвертор для преобразования в сеть 220 вольт, то обычно инверторы уже сами следят за этим напряжением и отключают нагрузку при переразряде АКБ.
Помимо винтовых клемм также есть зелёный разъём для подключения датчика температуры, который нужно располагать рядом с АКБ для более правильного процесса заряда-разряда, но если этот датчик не подключать, то контроллер считает что температура АКБ постоянна и составляет 25 градусов Цельсия.
Также у контроллера есть и разъём RJ45, но это не порт Ethernet, а порт RS-485 для подключения либо специального внешнего блока МТ50 (он ко мне тоже пришёл, обзор также напишу), либо специального ПО «Solar Station Monitor» для компьютера через преобразователь RS-485.Также в этот порт можно подключать и специальный программатор.

Алгоритмы работы:

Пару слов о выборе максимальной мощности СБ и этапах заряда АКБ. Данная информация получена из инструкции и частично проверена мной в реальности.
Итак, как я писал выше в разделе «Теория», у СБ есть такая точка на нагрузочной характеристике при которой мощность отдаваемая СБ будет максимальной. Но эта точка не находится всё время в одном месте, а меняется в зависимости от погоды, температуры, частичной затенённости и др. Этих точек бывает даже несколько, но реальная только одна. Поэтому неплохо бы эту точку отслеживать. Вот производитель указывает, что эта точка автоматически отслеживается по «специальному алгоритму, разработанному производителем». Так это или нет проверить сложно, но то, что она меняется могу подтвердить. Например, при ясном солнце напряжение СБ выбрано одно, при появлении тени от облака напряжение СБ может даже повысится в связи с тем, что контроллер решил точку максимальной мощности сдвинуть, для чего уменьшил потребляемый ток, за счёт чего напряжение СБ повысилось.
Процесс заряда АКБ также не пущен на самотёк, он состоит из 3 стадий:
А — Основной заряд. На этом этапе, напряжение батареи еще не достигло постоянного значения, контроллер работает в режиме постоянного тока, обеспечивая максимальную мощность от СБ (MPPT режим).
Б — Выравнивающий заряд. Когда напряжение батареи достигает заданного значения постоянного напряжения, контроллер начнет работать в режиме выравнивающего зарядна. Этот процесс уже не MPPT режима, т.к. ток зарядки будет постепенно снижаться. Длительность этого режима 2 часа по умолчанию, но пользователь может настроить время и напряжение заряда в соответствии со своими запросами. Данный этап используется для предотвращения перегрева и чрезмерного выделение газов аккумуляторной батареи. Для некоторых типов АКБ при выравнивающем заряде происходит перемешивание электролита, т. о. происходит балансирование напряжений элементов аккумуляторной батареи. Выравнивающий заряд увеличивает напряжение АКБ, выше, чем при стандартном напряжении, вследствие чего происходит газификация электролита батареи.
С — Поддерживающий заряд. После стадии постоянного напряжения (стадия В), контроллер уменьшает ток зарядки, чтобы установить поддерживающее напряжение. Затем контроллер уменьшает напряжение, зарядка продолжается с меньшим напряжением и током. Это приведет к снижению температуры аккумулятора и предотвратит газообразование. Цель этапа — стабилизация напряжения, чтобы компенсировать собственное потребление, сохраняя полную емкость батареи. На этапе подзаряда, мощность от СБ почти полностью идёт в нагрузку. Если мощность нагрузок увеличится, контроллер выйдет из состояния поддерживающего заряда батареи в этап подзаряд.
Возможно процесс заряда сильно перемудрён, но самое главное, что величины всех напряжений этапов зяряда можно вручную менять. Т.о. можно подстроить этот контроллер к практически любому типу АКБ, главное понимать что делаешь. :)

Разборка:

Чтобы разобрать корпус контроллера, необходимо открутить 4 винта с обратной стороны и снять пластиковую часть. Внутри находится основная плата с платой ЖК индикатора смонтированной на основной мезонинным способом. Также отдельно видны 2 последовательно соёдинённых дросселя, намотанных на тороидальных сердечниках и залитых компаундом. Интерес вызвал способ крепления платы к алюминиевой части корпуса — радиатору. Плата крепится всего одним винтом через специальное приспособление, которое распределяет прижимное усилие на транзисторы и диодную сборку.Если открутить этот единственный винт, то плату можно приподнять. На радиаторной части корпуса наклеена изолирующая теплопроводящая прокладка к которой и прижимаются силовые транзисторы (IRF100B202) и диодная сборка (MBR10200CT) в корпусах ТО-220.На плате ЖК индикатора, под самим индикатором находится контроллер ЖК дисплея НТ1621В. Под платой ЖК индикатора можно увидеть основной микроконтроллер прибора. Прочитать маркировку не удалось. Для этого нужно отпаять плату ЖК индикатора. Я поленился это сделать.На основной плате есть и другие микросхемы. Для прочтения маркировки я использовал минимикроскоп.Штука обалденная, рекомендую. Обзор на этот микроскоп был на данном ресурсе. Вот что удалось через него увидеть.LM2901 — это сборка из 4 компараторов в одном корпусе;
6L02E — сборка из 2 операционных усилителей.

Тестирование:

Для начала проверим потребялемый ток от АКБПотребляемый ток составил 30 мА, что примерно соответствует току саморазряда автомобильного аккумулятора.
Далее проверим точность измерения напряжения АКБ, для чего вместо АКБ подключим регулируемый источник питания и параллельно клеммам мультиметр.К точности измерений, как видно из фото, претензий нет.
Проверим работу самого принципа МРРТ, для чего к клеммам подключения АКБ подключим регулируемый БП (АКББП) с напряжением подразряженного аккумулятора, около 12 вольт. К клеммам СБ подключим другой регулируемый БП (СББП) с напряжением примерно равным точке максимальной мощности, около 18 вольт. В первый момент ток от СББП не потребляется и напряжение на АКБ равно выставленному на АКББП, т.е. 12 вольт.Через некоторое время ток от СББП начинает расти что вызывает поднятие напряжения на АКББП. Но выше максимально допустимого для выбранного типа АКБ напряжение не возрастает, хотя на СББП напряжение остаётся равным 18 вольтам.Т.е. в лабораторных условиях вроде бы всё работает.
Пора переходить к реальным испытаниям. Для чего я подключил обозреваемый контроллер в свою «квартирную солнечную электростанцию» вместо простейшего PWM контроллера, который исправно трудился до этого уже больше года.В принципе всё работает. В связи с тем, что на ЖК экране контроллера одновременно увидеть и напряжение СБ и напряжение АКБ невозможно, т.к. они индицируются там по очереди, то продемонстрировать работу контроллера именно в МРРТ режиме тяжело. Но мне пришел внешний блок МТ50, о котором я вскользь упоминал выше и которому посвящу отдельный обзор. И его экран гораздо информативнее. Вот с помощью него я и продемонстрирую этот режим:Как видно из фото с СБ снимается 16 вольт при токе 1,2 ампера, а в АКБ втекает 1,5 ампера при напряжении 13,4 вольта. Т.е. режим МРРТ на лицо.

Видеообзор:

Итог:

Прошу не вдаваться в вопросы целесообразности использования солнечной энергетики в домашнем хозяйстве, считайте это хобби. В таком случае вопросы отпадают.
По поводу контроллера: К качеству сборки и функционирования у меня претензий нет, в отличии от другого МРРТ контроллера, который я обозревал ранее.
Плюсы данного контроллера:
+ автоматическое отслеживание точки максимальной мощности в реальном времени;
+ пассивное охлаждение;
+ возможность изменения подавляющего большинства параметров;
+ возможность дистанционного контроля и управления по интерфейсу RS-485.

Руководство и ПО я выложил в облаке.

Наверно на этом всё. В следующем обзоре расскажу про внешний блок МТ50.
Удачи!