WindWiz

En GSM-uppkopplad vindmätare

Dramatiska bränder

Det är ju tänkt att hela den här vindmätarhistorian skall drivas på batteri. Jag måste erkänna, jag är ingen batteriexpert och för mig är det magiska prylar som ger ut en spänning X med en viss kapacitet Y. Om man önskar t.ex. 2X spänning kan man seriekoppla två batteri och ifall man önskar mer kapacitet, t.ex. 2Y, kan man parallellkoppla. Hur innanmätet ser ut har hittills inte intresserat mig särskilt, men vi har väl alla nån gång gjort ett potatisbatteri på lekis och fått ett hum om kemin som pågår under ytan.

Dagens batteri har kommit långt sen potatisen. Energidensiteten har ökat, vilket har tillåtit allt mindre batterikapslar och högre kapacitet. Batteriets egenskaper varierar vilt beroende på vilken typ (kemi) som används. Olika batterier har dessutom olika restriktioner och är lämpliga för vissa applikationer men helt olämpliga för andra.

Den där idén om en universell magiska energipryl känns inte längre lika korrekt. Besviken? Jo, jag också!

Generellt är det mer restriktioner på komplexa batterier med hög energitäthet. Moderna batteri som innehåller lithium-jon eller lithium-polymer kemi har restriktioner på hur mycket energi som får tas ur, i vilken takt, hur snabbt de får laddas och hur mycket de får laddas. Kemin i dessa mer avancerade batteri är betydligt mer instabil än gamla hederliga blybatteri och kan vid felhantering explodera eller fatta eld på ett ganska dramatiskt och otrevligt sätt. Kort sagt är detta inget batteri som är lämplig att ansluta direkt på en solpanel som kan variera kraftigt i sin laddström. Man måste dessutom se till att laddningen bryts och övergår till ”kittlingsfasen” när batteriet är mättat. Att kittla ett batteri innebär att man med små strömmar håller batteriet i trim när det är fullladdat.

Olika batterityper, eller rättare sagt kemityper, har olika spänningsnivåer. Lithiumbatterier ligger t.ex. på 3.7V (kan variera upp till 4.2V beroende på katod). Detta blir en slags minsta enhet och kan användas som byggsten vid seriekoppling till högre spänningar i multiplar av 3.7V. När man köper LiPo eller Li-Ion-batteri innehåller de ofta fler av dessa 3.7V celler internt, i RC-världen (radiostyrt) är det inte ovanligt med batteri-ackumulatorer på 7.4V (2x 3.7) eller 11.1V (3x 3.7). Dessa kan även innehålla flera parallellkopplade serier för att öka batterikapacitet. Benämningen som används är xS för x celler i serie och xP för x celler parallellt. T.ex. betyder 2S att två celler kopplats i serie, 3P att man parallellkopplat (och därmed tredubblat kapacitet). Man kan även se kombinationer, t.ex. 4S2P, som innebär totalt 8 st celler, seriekopplat kedjor med 4 celler vardera. Kedjorna är sedan parallellkopplade.

4S2P cellkonfiguration

Låter det knöligt? Lugna sig, det kommer mer! Lithium batterier är som bekant också betydligt mer känsliga för stora strömuttag (risk för explosion, som du kanske minns!). Ett batteri som är specat för 3.7V och 3200 mAh har kapacitet att leverera 3.7V vid 3.2 A (3200 mA) under en timme. Givetvis kan man dra göra större strömuttag på bekostnad av tid, t.ex. skulle man kunna ta ut 6.4A (2x 3.2A) under en halvtimme. Skulle du däremot försöka ta ut säg 100x så mycket ström, 320A, ur detta batteri skulle det troligtvis brinna upp. Så vart går gränsen? När är det risk för dramatisk brand?

Hur långt man kan gå beror på batteriets urladdningskapacitet. Detta är specat för varje batteri och varierar bland olika märke. Det är helt enkelt en egenskap som kostar. Om man surfar på hobbysidor för radiostyrt kan man hitta särskilda ”racing” batterier, med flashig blixtgrafik på förpackningen och med namn som ”MaxxxAmps”, ”Rally XL”, ”Stampede” osv. Dessa är batterier som tillåter aningen högre urladdningsfaktor än de billigare varianterna. Benämningen är zC där z är urladdningsfaktorn. 150C innebär t.ex. att du kan göra ett uttag på 150x kapaciteten. Om ovan 3.7V/3200 mAh hade en urladdningsfaktor på 10C hade man alltså kunnat ta ut 32A utan risk för dramatik.

På samma sätt finns en laddningsfaktor som bestämmer hur snabbt batteriet får laddas, t.ex max 1C. Kortfattat, Ladda för snabbt: Gameover. Ladda ur för mycket: Gameover. Ladda upp för mycket: Gameover. Solpaneler rimmar inte särskilt bra med dessa batterier. Så vad gör man? Man sätter in en slags regulator mellan solpanelen och batteriet som ser till att laddspänningen inte blir för hög trots strålande sol, att laddströmmen inte överstiger laddningsfaktorn och att laddningen upphör när batteriet är fullt. Jättebra!

Eftersom ett byggfel i laddningskretsen kan orsaka dramatiska bränder och potentiellt skogsbränder så är det helst något jag vill köpa in färdigt (läs: vältestat). Nu gäller det bara att hitta en regulator som klarar en inspänning på 20V från solpanel och laddar ett 11.1V LiPo-batteri. Att jag valt 11.1V (3S) beror på att GSM-modulen behöver 9-12V inspänning. Till mikroprocessorn och vindgivarna kommer denna spänning sedan justeras ner ytterligare till 3.3V. Spänningsdomänen kommer alltså att bli:

1) 20V solpanel

2) Regulator 20V till 11.1V

3) Regulator 11.1V till 3.3V

4) GSM-modul drivs på 11.1V källan (regleras internt ner till 3.7V)

Verkar det bra? Jag hoppas det. Ett bekymmer med alltför många spänningsomvandlingar är att detta kostar. En bra s k ”switchad” regulator har en verkningsgrad på kanske 90% medans de linjära ligger på ca 70-80%. Idealiskt hade man velat ha ett system som helt och hållet drivs på 3.7V. GSM-modulen i sig innehåller ytterligare en regulator som tar ner sin inkälla på 9-12V till just 3.7V. Det är lätt att vara efterklok! I nästa revision lär det bli en 3.7V GSM-modul, ett antal parallella LiPO-celler.

Avslutar med en bild från solpanelsmätningarna. UPPDATERING: I den första upplagan av detta inlägg fanns ett beräkningsfel i solpanelsmätningarna som gjorde att strömmen var en faktor 100x för lite. Duh 🙂 Nu har jag korrigerat och det ser genast bättre ut. 400 mA under peak-hours på en höstdag är helt okej!

Laddström från solpanel, 13 Nov, SV-läge delvis växelvis mulet/svag sol

Annonser

Ett svar till “Dramatiska bränder

  1. Ping:Kändis « WindWiz

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s

%d bloggare gillar detta: