Circuito cargador alimentado por energía solar para una sola celda LiFe

Aunque ya hemos pasado algún tiempo conversando sobre algunos detalles de su implementación, intentaré guiarlo a través de los pasos que tomo para diseñar un proyecto LiFePO/Solar de larga duración y dejaré que complete los detalles.

Lo primero que debe hacer, con respecto a todas sus conversiones de energía y pasos intermedios, es encontrar las pérdidas. Si tiene un microcontrolador que pone a dormir mucho y usa solo 1 mA en promedio, no le van a importar una, dos o tres conversiones en el medio.

Pero si tiene un módulo que usa 50mA con picos de 400mA, es posible que desee prestar mucha atención a ese módulo: ¿se quedará sin batería también o puede sacarlo de las ecuaciones alimentándolo directamente de la energía solar? , por ejemplo si informa la cantidad de energía generada de forma inalámbrica una vez por hora. En ese caso, es posible que incluso desee controlar su convertidor con el microcontrolador, para ahorrar energía para la carga y otras cosas, los 59 minutos cada hora no necesita la corriente de reposo de 3 ~ 10 mA del convertidor, si eso es un factor.

Lo siguiente que podría considerar es: ¿Mi MCU y mi aplicación necesitan 3.3V muy fluidos? LiFePO4 es una muy buena opción para su aplicación por varias razones. Uno de ellos es su voltaje mínimo de 2 V (se recomiendan 2,5 V), que incluso puede proteger con una configuración de caída de tensión de 2,7 V. La mayoría de los MCU de 3,3 V también pueden manejar 3,6 V, que resulta ser el voltaje máximo de LiFePO4. Por lo tanto, es posible que no necesite necesariamente nada entre la batería y la aplicación, lo que también ahorra muchos desechos.

Como referencia, LiFePO4 en este caso es una muy buena opción por muchas razones:

• Su curva de voltaje es muy plana en comparación con Li-Ion o LiPo. Alrededor del 80% de su potencia se entrega entre 3,4 V y 3,2 V, por lo que ofrecen configuraciones de conversión muy fáciles de dimensionar. (El margen de reducción o impulso a tener en cuenta sigue siendo pequeño en la mayor parte del contenido de energía de la batería).
• Su química interna es muy robusta, lo que permite un rango de temperatura de drenaje de corriente mucho más amplio. Sin embargo, tenga en cuenta que aún no se pueden cargar por debajo del punto de congelación, por lo que debe tenerlo en cuenta.
• No se desgasifican fácilmente, por lo que no se inflan de forma tan extraña como las LiPo.
• Todavía es muy poco probable que el daño a una celda cause explosiones o, en muchos casos, incluso un incendio.
• Su autodescarga en un amplio rango de temperatura suele ser marginalmente más baja incluso que otras químicas de litio.

Como punto de interés: las preguntas y respuestas protegidas publicadas por Russel a las que se vincula para obtener información sobre LiIon y LiFePO4 no son muy útiles, se hacen muchas suposiciones que ni siquiera son correctas para LiIon, y mucho menos para LiFePO4. Para comenzar con la suposición de linealidad del proceso de carga química. Mejor olvidarse de ese post.

Cuando se trata de cargar y descargar LiFePO4, las corrientes son bastante limitadas en comparación con las celdas LiPoly modernas, pero son mucho más permisivas con respecto a la sobretensión, ya que la estructura de fosfato de hierro es más resistente al recubrimiento de litio puro. Pero aun así, le aconsejo que use un chip de protección dedicado o un circuito ya comprado (para aplicaciones sub-1A, los compro a granel por casi nada de dinero). Drenan microamperios, eliminan un montón de pruebas y riesgos, y lo mejor es que cuentan con circuitos analógicos que reaccionan rápida y eficientemente a situaciones de sobrecorriente causadas por cableado dañado.

Esto le permitirá concentrarse en la administración de energía de todos sus módulos en su MCU sin el riesgo de sobrecargar la ventana de interrupción en su código y luego saltarse un latido en la detección de sobrecorriente, sobretensión, etc.

Al cargar un LiFePO4 a aproximadamente 0,75 C, generalmente puede mantener la corriente fija incluso hasta 3,9 V sin daño (dado que la celda está entre 5 y 50 grados Celsius), por lo que si carga con una corriente fija, puede dejar que el apáguelo (a menudo se configuran en 3,7 V y pueden permitir un pico de 10 ms de 3,8 V). Entonces, si tiene un sistema (MCU o dedicado) que genera una corriente de 0,75 C con un límite de 4 V o 4,5 V, o dependiendo de la protección, incluso solo 5 V, el chip o circuito de protección se encargará de todo.

Si asume que tiene el Dispositivo 1 que necesita 200 mA, pero no siempre, de 2,7 V a 5 V (esta es una suposición amplia, pero muchos dispositivos, como los módulos inalámbricos, tienen asignaciones como esa). Y si tiene un uC que usa aproximadamente 1 mA activo, y lo deja dormir a 25 μA tanto como sea posible que también maneja 2.7V a 5V, podría hacer algo como esto:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

D2, D1 R1 y R2 están destinados a informar al uC cuando la celda solar está lo suficientemente operativa para que funcione el convertidor reductor. Luego puede usar esta información para controlar la carga de la batería, junto con la temperatura de la celda y puede usar eso para encender el módulo de alta potencia cuando haya suficiente energía.

M2 le permite encender activamente la carga de la batería. M1 le permite controlar el dispositivo adicional.

Agregué D3 para indicar la presencia del diodo de cuerpo MOST. Todavía es mejor encender el MOST cuando comience a usar corrientes más altas de la batería, para tener menos desperdicio en el diodo del cuerpo del MOST o en un diodo adicional que coloque.

Cuando se complete la carga, la protección de la celda se liberará y el riel de alimentación se alejará flotando de 3,8 V a 4,25 V, incluso podría usar eso para detectar que eso suceda. (Compare VCC versus referencia interna, por ejemplo). A continuación, puede controlar la frecuencia con la que alcanza el estado de carga máxima. También puede deshabilitar la carga por un tiempo, para evitar que llegue continuamente a su límite de voltaje. Es mejor hacer que se relajen/drenen un poco antes de recargar.