NordicOffGrid´ Logo
Off-grid solcellssystem.
I Nordiskt klimat!
 by Bosse
By AutonomTech.se Frittliv webbplats

 Webbsidan är senast uppdaterad:  

Batterimonitor

Batterimonitor för övervakning av off-grid batteribanks laddnivå

Webbsidan skapad 2022-04-10
Batterimonitor typ "tankmätare" för batterier där man summerar ström / effekt till batterierna över tid till Ah/Wh urladdad status från 100% SOC fulladdat. Utifrån känd C20-batterikapacitet kan man då även försöka ange en relevant SOC-status för laddnivån som 0-100% SOC.
Är en väldigt viktig grundläggande funktion i ett off-grid solcellssystem för driften!
Batterimonitorn används i projektet: PWM-solladd­regulator
Kommer uppdatera här efterhand som jag utvecklar Batterimonitorn.

Beskrivning av grundfunktion:

Genom att mäta den ström / effekt som laddas ur/i batterierna över tiden fås den strömmängd som påverkar hur mycket av batterikapaciteten som för tillfället lånats ur batterierna. Med 1A ström urladdning under 1h har 1Ah laddats ur batterierna, och motsvarande med 12W effekt urladdning under 1h har 12Wh laddats ur. Men då strömmen normalt varierar mycket över tid måste den mätas väldigt ofta och för varje sådant kort tidsintervall summeras ihop till den totala strömmängden.
För att få en bra noggrannhet över lite längre tid så måste både ström / effekt mätas väldigt noga och med stort dynamiskt omfång samt de korta tidsintervallen måste också kunna mätas med hög precision. Stort dynamiskt omfång betyder att man måste både kunna mäta väldigt små strömmar och de stora som systemet är max dimensionerat för, då även väldigt små strömmar blir en signifikant strömmängd över en längre tid.
En ström på bara 10mA (0,010A) blir på en vecka till 1,7Ah.
Sedan tillkommer problem med att batteri­verknings­graden är lägre än 100%, att den varierar med hur fulladdade batterierna är samt med om driften hela tiden växlar mellan kortare ur/i-laddningar eller längre kontinuerliga ur/i-laddningar. Samt verknings­graden påverkas även av hur hög ström ur/i-laddningen sker med, det som kallas för Peukert´s law, och batterier har en viss självurladdning också. Detta är även olika för olika batterityper, där vanliga blybatterier har rätt stor inverkan av detta, blykol-batterier betydligt mindre och LiFePO4 ännu mindre.
Så för en bra batterimonitor-funktion bör det tas hänsyn till dessa förluster samt man måste även ha en väldigt stabil bra synkronisering mot 100% SOC fulladdad batteribank för att mot fulladdad batteribank kalibrera bort den drift / onoggranhet som ofrånkomligen summeras över tid.
Det enda säkra tillståndet att nollställa / kalibera batterimonitorn mot är 100% SOC fulladdade batterier! Så är en oerhört viktig funktion att få stabil med hög noggrannhet, som även sköter sig helautomatiskt själv utan inställningar av användaren.
Idealet för en batterimonitor är att den själv kan utvärdera dessa olika parametrar dynamiskt under drift, då de varier över dels tid, dels med temperatur samt dels med hur driften är. Så för bra noggrann långtidsstabil drift kan man inte ha fasta inställningsvärden för dessa, värden som dessutom är svåra för användaren att avgöra!
Så min ambition är att försöka utveckla en batterimonitor som hanterar detta själv, sedan får vi se hur långt jag lyckas nå med det. Är svårt så hela vägen når jag nog inte!
Mina analyser visar att batterimonitorn då måste ha tillgång till information om hur solladdregulatorn arbetar för stunden med batteriladdningen, direkt från regulatorn. Är inget som den själv kan utvärdera tillräckligt bra via sina egna mätvärden. Så jag tänker bygga en hybrid PWM-solladdregulator med integrerad batterimonitor. (Och solladdregulatorn i sin tur behöver veta strömmen in-/ut-ur batteribanken för bäst laddstyrning, så en hybrid är välmotiverat.)

Hårdvara att bygga på:

Har nu detaljstuderat databladen för INA260 (datasheet) och INA226 (datasheet) och de har verkligen flera riktigt bra funktioner för att kunna bygga en batterimonitor med hög precision! Mer om INA260/INA226.
Dels kan man sätta ADC (Analogue to Digital Converter) conversion time till mellan 140µs och 8.244ms där längre tid ger en mer exakt avläsning, dels kan man låta dem beräkna medelvärdena för mellan 1 till 1024st mätningar, vilket också ger möjlighet till noggrannare mätning av ström och effekt. INA226 använder extern strömshunt med mätområdet ≤36V, ±81,9mV, 16-bit, som då ger möjlighet till externt RC-filter av signalen från strömshunten så ingen data missas mellan samplingarna typ kraftiga korta strömpulser. INA260 har intern 2mΩ strömshunt för ±15A och ≤36V 16-bit mätområde inom -40°C to +85°C. The device operates from a single 2.7V to 5.5V supply, drawing 310 µA (typical), så är strömsnåla också!
Innebär att med maxvärdena 8.244ms och 1024st mätningar fås nya exakta medelvärdesbildade aggregerade data 1ggr/8,64s och som snabbast ca 1ggr/140µs, som INA260/226 då arbetar självständigt med att samla in. Kretsarna har även en signalutgång som indikerar exakt när nya aggregerade mätvärden är tillgängliga, så man kan synka av läsningen av ström/effekt från INA260/226 hos ESP32-mikro-processorkortet med den, vilket görs via s.k. interrupt.
Den utsignalen skulle under långvarig standby-drift även kunna användas till att väcka upp ESP32 mikroprocessorkortet (källa2) ifrån strömsnål light-sleep och läsa av strömförbrukningen med upp till 1ggr/8,64s intervall och vara i light-sleep däremellan, som strömsnål batterimonitor! Men 2x (U+I) 1.1ms conversion time och 1024 averages, 1ggr/2,25s, är nog vettigt så kan responstiden på knapptryckning under light-sleep bli max 2,25s. Då borde kanske ca 22ms RC-filter bli lagom? Typ 4,12kΩ * 4,7µF, R82 50V (RC=19ms), så bör INA226´s 830kΩ ingångsresistans inverka minimalt på mätresultaten.
Kanske kan kombinera interrupt med ISR och light sleep wakeup på samma GPIO?
Låter möjligt: ESP32 using interrupt to momentarily wake from Light Sleep - bug?
Kan göras som deferred interrupt via Queue API med tidsstämpling på 1µs upplösning för effektiv interrupt-hantering och exakt Ah-/Wh-summering / integrering.
Och ESP32 i sin tur har en 64-bitars tidmätning som mäter tiden med 1µs upplösning (0,000001s) och som bara startar om (overflow) 1ggr/292år så man kan mäta tiden mellan ström- och effekt-mätningarna med riktigt hög precision, vilken används för att summera ihop ström (A) och effekt (W) till Ah och Wh för värdena i batterimonitorn.
Ihop med batterier som trivs/tål att float-laddas 100% SOC längre tid (typ blybatterier) kan jag då även göra så batterimonitorn regelbundet automatisk nollströmskalibrerar sig under drift, vilket också ökar långtidsstabiliteten och precisionen. Har jag inte sett någon batterimonitor nu på marknaden har (möjligen BALMAR SG200). Kanske nollströmskalibrera sig mot den ström som är självurladdningen, då det egentligen är en strömförbrukning som inte ström­shunten kan registrera och inte bör komma med i ∑Ah / ∑Wh.
Ska bli spännande det här!


  • XXXXX: 2022-04-02
    Yyyyy

Solcellsström vid svagt ljus är ett viktig tillskott!
Webpage: server time: 59.7 ms, (incl. log: 35.2 ms) ||