Bateriové napájení

Odpovědět
Uživatelský avatar
fulda
Příspěvky: 1242
Registrován: 04 led 2016, 17:18

Bateriové napájení

Příspěvek od fulda »

Ahoj vespolek,

trochu jsem zápasil s bateriovým provozem jednoho ESP32. Tedy já jsem zápasil s celým napájecím řetězcem pro snímač, kterej pomocí ESP32 odesílá data. Celé kouzlo je v tom, že snímač je trochu dál od baráku a tak si žije na soláru, jak je dnes moderní říkat "v ostrovním režimu". V zásadě s podobnou problematikou se setkáváme v TOMTO vláknu, takže se to někomu může hodit. Sepíši sem své osobní poznatky, neberte to nikterak závazně. Nepovažuji své znalosti za dostatečné pro psaní opravdického článku. Dám sem i odkazy na použité moduly, zase to nechápejte jako dogma, jen seznam toho, co mi v době stavby vyhovovalo.

Upozorním na jednu drobnost - použité ESP i senzor pracují na napětí 3V3 a nemají u sebe žádný další regulátor. To je celkem podstatné. Pokud by někdo použil něco podobného například s modulem Arduino UNO, který na sobě má nějaký LDO regulátor, je to špatně a je potřeba se regulátoru zbavit.

Nejprve tedy zdroj energie. Já jsem použil TENTO solární článek (uups, koukám na aktuální cenu, já je koupil za 120,-). Na článku je podstatné si všimnout nominálního napětí. Tady je to 6V.

Abychom efektivně využili proud ze soláru, máme v zásadě tři možnosti.
  • První je použít jej přímo pro nabíjení článku. To by znamenalo připojit článek přímo na vstup nějaké běžné nabíječky typu TP4056. To je celkem jednoduché, ale nepraktické. Nepraktické proto, že při nízkém osvětlení bude solár přetížen, takže z něj nic nedostaneme (jeho napětí bude pod hranicí, kdy je TP4056 schopen pracovat).
  • Druhá možnost se jmenuje PWM. To je případ, kdy solár pracuje do kondenzátoru a při dosažení určitého pevného napětí se kondenzátor vybije do nabíjeného článku (šířka nabíjecího/vybíjecího pulzu odpovídá proudu, který je schopen solár dodat, proto PWM). To je o něco efektivnější varianta. Realizovat se dá například obvodem CN3791. Při této metodě se využije solární zdroj už od velmi malého osvětlení. Při kupování modulů je potřeba sledovat, aby modul byl nastaven pro nominální napětí soláru. Já použil TENTO modul, varianta 6V.
  • Třetí možnost se jmenuje MPPT. To je podobný případ jako předchozí PWM, jen si obvod navíc hlídá, při jakém napětí je nejúčinnější kondenzátor vybíjet. Mluvíme o sledování bodu maximálního výkonu (Maximum Power Point Tracking). Tato metoda by byla v našich podmínkách ještě efektivnější, ale nenašel jsem žádné kompaktní obvody pro jeden článek. Bylo by možné si takový regulátor udělat na nějakém běžném procesoru, ale ten by pravděpodobně spotřeboval všechnu energii, kterou bychom získali. Ještě poznámka, U obvodu CN3791 je často uvedené slovo MPPT, ale to slovo znamená něco jiného. U "pravého" MPPT se nenastavuje napětí soláru, obvod si jej změří.
Takže solár jednoduše připojíme na vstupní svorky modulu. Na výstupní svorky připojíme nějaký vhodný Lithiový článek. Já použil běžnou 18650. Moc na tom nezáleží. Jen bych poznamenal, že tyhle běžné verze nesnášejí mráz a že nabíjení čínských 2500mAh pomocí soláru čínských 500mA trvá více než jeden letní den.
Na modulu CN3791 jsou dvoje vstupní a dvoje výstupní svorky. Jsou jednoduše zapojené paralelně a asi tam jsou proto, že to hezky vypadá. Respektive u výstupních svorek jsem do jedněch připojil Lithiový článek a do druhých spotřebič.

Tím máme vyřešený zdroj energie. Máme tedy Lithiový článek, který se nějak nabíjí a je možné z něj odebírat energii. Článek pracuje efektivně, pokud se jeho pracovní napětí pohybuje v rozmezí 3,0V až 4,2V. To je sice hezké, ale naše ESP (a ostatní senzory) potřebují 3,3V. Napětí kolem 3,0V je pro ESP teoreticky přijatelné, ale napětí 4,2V rozhodně ne. Potřebujeme tedy vyřešit, jak nějak vhodně napětí upravit. Zde máme v zásadě dvě možnosti.
  • První je hodně jednoduchá - prostě za baterii přidáme nějaký LDO regulátor (například AMS1117-3.3) s tím, že z baterie nevyužijeme spodní část napětí, respektive možná ano, pokud náš obvod dokáže pracovat s napětím 3,0 - 1,1 = 1,9V (minimální napětí článku, mínus "dropout" regulátoru). Tato varianta je velmi vhodná, pokud náš obvod má velmi malou spotřebu. Dejme tomu procesory PIC16F152xx pracují v rozsahu 1,8V - 5,5V s proudem pod 1mA (600nA ve sleep); případně PIC16LF153xx pracují v rozsahu 1,8V - 3,6V při proudu 600nA (50nA ve sleep). V takovém případě je výhodné, že LDO nemá významnou vlastní spotřebu proudu. Pochopitelně za cenu toho, že napájecí napětí není příliš stabilní (což může některým dalším obvodům vadit).
  • Druhá možnost je použití nějakého automatického step up/down měniče. Pro malé aplikace se dají najít například tyto nedokumentované moduly: DD0603SA_3V3 nebo Your Cee. První pracuje již od 0,9V, takže naši Lithiovku vyždíme dokonale a je potřeba jej včas zastavit. Druhý pracuje od 3V, což je stále dostačující. Jejich nevýhoda je, že mají nějakou vlastní spotřebu. Tuto spotřebu mají ať už dodávají, nebo nedodávají energii. Tato spotřeba se označuje jako quiescent current (Iq). První modul jí neuvádí, ale bude kolem 1mA, druhý modul se chválí, že je menší než 0,2mA. Použití těchto modulů je tedy vhodné, pokud je naše elektronika citlivá na napájecí napětí a navíc její spotřeba je větší než pár mA. Pak z Lithiovky dostaneme víc energie v celém jejím rozsahu.
Tento text popisuje situaci, kdy máme poněkud "fajnovější" spotřebič. Ještě je tu možnost použít pro napájení step up konvertory určené pro power banky, které mají na výstupu 5V a použít celou elektroniku v 5V režimu (případně přihodit nějaké LDO pro napájení dejme tomu ESP; nebo "přehlédnout", že to LDO už na desce s ESP dávno je).

Budu rád za názory a korekce.
Za pravopisné chyby v této zprávě může moje učitelka češtiny.
daton
Příspěvky: 656
Registrován: 16 bře 2013, 16:12

Re: Bateriové napájení

Příspěvek od daton »

Ahoj
prosím tě mohl by jsi sem napsat jak účinný je ten modul s CN3791 moje zkušenosti jsou obvykle takové, že dané moduly PWM nebo pseudo mppt zvládají zpracovat tak od 50 do 70% energie vyrobené panelem.
A další otázka jak to zastavuješ na těch 3V aby jsi nezničil lion? Mě totoiž podobné měniče už několikrát při nižším napětí přešli do nestabilního stavu, s nestabilním jednak výstupním napětím ale hlavně mnohem větší vlastní spotřebou, ale možná to tento typ nedělá.
Uživatelský avatar
fulda
Příspěvky: 1242
Registrován: 04 led 2016, 17:18

Re: Bateriové napájení

Příspěvek od fulda »

daton píše: 09 srp 2022, 09:48 prosím tě mohl by jsi sem napsat jak účinný je ten modul s CN3791 moje zkušenosti jsou obvykle takové, že dané moduly PWM nebo pseudo mppt zvládají zpracovat tak od 50 do 70% energie vyrobené panelem.
Tak při plném osvitu panelu (respektive v čase kdy jsem se kolem toho motal), tak ten měnič cpal do baterky něco málo přes 400mA. To by v podstatě odpovídalo té účinnosti 70-80%. ALE je nutno poznamenat, že solár je také čínskej a že jsem neměřil proud který teče z něj. Odhaduji, že to deklarovaných 500mA nebylo.
Spíš je hezké, že to ráno, při celkem malém osvětlení dokáže do baterky cpát prvních pár mA.
daton píše: 09 srp 2022, 09:48A další otázka jak to zastavuješ na těch 3V aby jsi nezničil lion? Mě totoiž podobné měniče už několikrát při nižším napětí přešli do nestabilního stavu, s nestabilním jednak výstupním napětím ale hlavně mnohem větší vlastní spotřebou, ale možná to tento typ nedělá.
Po pravdě, zatím jsem to zastavování tak trochu odložil. Baterka má pro mojí aplikaci moc velkou kapacitu a nedočkal jsem se jejího "vycucnutí". Budu se pokoušet hledat nějaké zapojení se zenerkou a fetem pro odpojení. Procesor sice má u sebe dělič, takže si baterku může změřit, ale zatím jsem nevymyslel, jak jí odpojit než se zase nabije.
Za pravopisné chyby v této zprávě může moje učitelka češtiny.
daton
Příspěvky: 656
Registrován: 16 bře 2013, 16:12

Re: Bateriové napájení

Příspěvek od daton »

Ještě poznámka mám zkušenosti že panly které jsou zalité epoxidem nebo nějakou tou průhlednou hmotou mají na přímém slunci tendenci jednak ztrácet průhlednost té vrstvy a potom ta vrstva taky začíná praskat a tím se panel začíná ničit. Bohužel zatím se mi nepovedlo tuto destrukci na některém kusu zastavit. Proto pokud budete kupovat panely pro podobné použití je rozhodně na uvážení zda nekoupit sice dražší ale pod sklem - životnost bude několikrát vyšší.
Odpovědět