Controlador de carga

Un controlador de carga es el punto de conexión entre la fuente FV y el almacenamiento de energía. También puede tener la capacidad de alimentar pequeñas cargas de CC.

El controlador de carga en un sistema fotovoltaico fuera de la red sirve como punto de conexión entre el sistema fuente FV y el almacenamiento de energía. Cada tipo de almacenamiento de energía tiene preferencias específicas de carga y descarga que deben tenerse en cuenta para garantizar una vida útil prolongada (consulte el artículo sobre Baterías de plomo-ácido para obtener detalles específicos). El controlador de carga funciona para administrar la energía entrante de la FV para maximizar la carga cuando las baterías pueden aceptarla y reducirla cuando las baterías comienzan a llenarse. La sobrecarga de una batería hará que los productos químicos y los materiales en la batería se descompongan y generen cantidades significativas de calor, lo que reducirá la vida útil de la batería o dañará permanentemente. La carga insuficiente crónica de una batería es más común y ocurre cuando no se permite que una batería vuelva a un estado de carga completo de forma regular, lo que provocará a una acumulación de sulfatación en las placas de plomo dentro de la batería, lo que con el tiempo reducirá la vida útil de la batería. Un controlador de carga a menudo no puede proteger un sistema de almacenamiento de energía de una descarga excesiva debido al funcionamiento de las cargas, un sistema aútonomo siempre debe incluir un interruptor de baja tensión que esté integrado en el controlador de carga, inversor o es un equipo separado.

Hay una variedad de diseños de controladores de carga diferentes en el mercado que varían mucho en capacidad de tensión y corriente, rendimiento, funcionalidad y costo. Invertir en un controlador de carga de calidad asegurará la longevidad de los otros componentes en un sistema FV autónomo.

El controlador de carga para un sistema fuera de la red debe dimensionarse y seleccionarse en función de la evaluación de cargas para un sitio en particular. fuente FV - ver Resumen del proceso de dimensionamiento y selección de la fuente FV y controlador de carga para más información.

Etapas de carga

Las diferentes etapas de carga de un controlador de carga con corriente (I), tensión (V) y estado de carga (icono de batería): (1) Abundante (2) Absorción (3) Floatación (4) Ecualización

Todos los cargadores de baterías para baterías de plomo-ácido, no solo los controladores de carga para sistemas FV, siguen el mismo patrón de carga básico de tres etapas: volumen, absorción y flotación. Un controlador de carga se mueve a través de estas diferentes etapas según los puntos de ajuste de tensión programados y la temperatura ambiente de la batería o la temperatura ambiente. Los controladores de carga de menor capacidad y menor costo pueden no ofrecer la capacidad de programar los puntos de ajuste de tensión y dependerán de los valores establecidos por el fabricante. Si el controlador de carga habilita la programación de los puntos de ajuste de tensión, se debe consultar el manual del usuario para la batería específica ya que los puntos de ajuste de tensión varían según el fabricante y el tipo de batería (FLA, AGM, celda de gel).

Carga abundante

Cuando una batería tiene un estado de carga de 0 a 80%, el controlador de carga enviará la corriente completa de la fuente FV al banco de baterías para aumentar la tensión del sistema. El controlador de carga continuará suministrando corriente sin restringirla hasta que se alcance una cierta tensión, que normalmente es de alrededor de 14,6-14,8 V para una batería de plomo-ácido de 12 V.

Carga de absorción

A medida que la batería se llena, aproximadamente al 80% de la carga completa, el controlador de carga cambia al modo de absorción, momento en el que intenta mantener el banco de baterías a la tensión máxima alcanzado durante la etapa de carga abundundante (~ 14,4-14,8 V para un batería de plomo-ácido de 12 V) utilizando la cantidad mínima de corriente necesaria para hacerlo. La cantidad de corriente requerida para mantenerlo a la tensión fija disminuye. El controlador de carga continuará en este modo hasta que haya transcurrido un período de tiempo establecido o la cantidad de corriente requerida para mantener el banco de baterías a una tensión fija disminuya a un mínimo programado. Esto suele ocurrir en alrededor del 95% de la capacidad de la batería.

Carga de flotación

Una batería que se acerca a la carga completa ya no puede aceptar tanta corriente, por lo que el controlador de carga pasa a la fase de flotación, lo que significa que intenta mantener el banco de baterías a una tensión más baja (~ 13.2-13.8 V para una batería de plomo-ácido de 12 V) utilizando la cantidad mínima de corriente necesaria. La carga lenta y gradual puede llevar las baterías a un estado de carga del 100%.

Carga de ecualización

Una carga de ecualización no es una fase de carga estándar, es una sobrecarga planificada de las baterías que puede ayudar a reducir el deterioro a largo plazo de las baterías debido a una acumulación de sufultación en las placas de plomo internas. La tensión del banco de baterías se puede aumentar hasta ~ 16,2 V durante un período de tiempo específico. No todos los controladores de carga tienen esta capacidad y sólo las baterías de plomo-ácido inundadas pueden someterse a una carga de compensación. El usuario debe programar o activar una carga de ecualización y solo debe realizarse un día con mucho sol ya que la sobrecarga requiere más energía de lo normal. Equilibre las baterías de plomo-ácido inundadas al menos una vez al mes durante 2 a 4 horas, más tiempo si sus baterías se han descargado constantemente.

Tipos de controladores de carga

Una comparación entre el rendimiento de un controlador de carga PWM y un controlador de carga MPPT con una temperatura de celda del módulo FV de 20°C

Hay dos tipos principales de controladores de carga utilizados en instalaciones FV autónomos: modulación de ancho de pulso (PWM) y rastreo del punto de máxima potencia (MPPT). Ambos tipos de controladores de carga siguen siendo populares ya que cada uno ofrece distintas ventajas según la aplicación.

Modulación de ancho de pulso (PWM)

Un controlador de carga modulación de ancho de pulso mide la tensión del sistema de almacenamiento de energía y la temperatura (ambiente o en el banco de baterías) para estimar el estado de carga de la batería y regular la carga. No tiene la capacidad de variar la tensión de la fuente FV para generar la máxima cantidad de energía como un controlador de carga de rastreo del punto de maxima potencia (MPPT). El controlador de carga y la fuente FV deben funcionar a la tensión del sistema de almacenamiento de energía. Esto significa que la fuente fotovoltaica puede funcionar a una tensión más alta y suministrar más energía, pero esta energía se perderá ya que este tipo de controlador de carga no ofrece esta funcionalidad.

Como el controlador de carga no puede regular la tensión de la fuente FV, los módulos y matriz deben diseñarse para funcionar con la tensión del banco de baterías. Esto significa que la fuente FV tendrá que funcionar a una tensión relativamente baja. Hay configuraciones de módulo limitadas que funcionarán correctamente con un controlador de carga PWM:

• Un módulo de 36 celdas se denomina módulo nominal de 12 voltios y podrá suministrar la tensión apropiada a un banco de baterías de 12V. Estos módulos se pueden poner en paralelo para suministrar más energía a un banco de baterías de 12 V o se pueden conectar juntos en serie (2 por cadena en serie para banco de baterías de 24 V y 4 por cadena en serie para un banco de baterías de 48 V).
• Un módulo de 72 celdas se denomina módulo nominal de 24 V y podrá suministrar una tensión adecuada a un banco de baterías de 24 V. Estos módulos se pueden poner en paralelo para suministrar más energía a un banco de baterías de 24 V o se pueden conectar en serie (2 por cadena en serie para un banco de baterías de 48 V).

Calificaciones
Un controlador de carga PWM se clasificará en términos de tensión de sistema de CC nominal y corriente máxima. El diseñador del sistema debe eligir la configuración de fuente FV adecuada en función de la tensión nominal del banco de baterías.

• Tensión nominal del sistema de CC: 12 V, 24 V, 48 V
• Corriente máxima de la fuente FV: 6 A - 60 A

Rastreo del punto de máxima potencia (MPPT)

Un controlador de carga MPPT funciona de manera similar a un controlador de carga PWM en que mide la tensión y la temperatura de la batería para determinar el estado de carga y regular la carga. La diferencia es que un controlador de carga MPPT puede controlar la tensión de la fuente FV y la tensión que suministra al banco de baterías utilizando tecnología y electrónica más sofisticadas. Esto puede permitir un mayor rendimiento del sistema en un rango más variable de condiciones y configuraciones. Un controlador de carga MPPT puede aceptar una variedad de diferentes tipos de módulos y configuraciones en serie y paralelo.

Calificaciones
Un controlador de carga MPPT se clasificará en términos de tensión nominal del sistema de CC, tensión máxima de la fuente FV, tensión mínima de la fuente PV y corriente máxima de la fuente FV. Un diseñador de sistemas tendrá que diseñar la fuente FV correctamente para poder trabajar dentro de estos parámetros.

• Tensión nominal del sistema de CC: 12 V, 24 V, 48 V
• Tensión máxima de la fuente FV: varía hasta 600 V
• Tensión mínima de la fuente FV: depende del tensión nominal y el tipo de controlador de carga
• Corriente máxima de la fuente FV: hasta 100 A +

Comparación entre PWM y MPPT

El controlador de carga ideal para cada aplicación debe decidirse en función de una variedad de factores diferentes:

1. Presupuesto: un controlador de carga MPPT puede costar entre 1,5 y 2 veces más que un controlador de carga PWM, aunque puede haber ahorros si permite el uso de un módulo de 60 celdas o 72 celdas en lugar de un módulo de 36 celdas que normalmente cuesta más, ya que se producen en lotes más pequeños.
2. Flexibilidad: los controladores de carga PWM solo se pueden usar con módulos de 36 celdas o 72 celdas en configuraciones específicas de serie y paralelo donde la tensión de operación del fuente FV coincide con la tensión de carga del sistema de almacenamiento de energía. Esto limita la fuente FV a una tensión de funcionamiento relativamente bajo. Mientras que los controladores de carga MPPT se pueden utilizar con cualquier configuración en serie y en paralelo, siempre que la tensión y la corriente máximos no excedan la clasificación del controlador de carga. Esta flexibilidad es una ventaja muy importante al diseñar sistemas más grandes.
3. Disponibilidad de los componentes: es posible que algunos tipos de controladores de carga o tipos de módulos no estén disponibles en todas las ubicaciones.
4. Rendimiento: el controlador de carga MPPT funcionará mejor en climas más fríos, ya que pueden aprovechar la tensión más alta que una módulo FV es capaz de producir.
5. Tamaño del sistema: con un sistema más pequeño, prevalecen las ventajas de un controlador de carga PWM, pero a medida que aumenta el tamaño del sistema, aumentan los beneficios de un controlador de carga MPPT. Con un cierto tamaño de sistema, el cableado adicional requerido con un controlador de carga PWM debido a las conexiones en paralelo y el baja tensión se convierte en un problema y un gasto significativo.

Características adicionales de controladores de carga

Un sensor de temperatura debe estar ubicado en el centro de una batería e idealmente cerca del centro del banco de baterías para obtener la lectura más precisa.

Hay muchas otras características adicionales que ofrecen los controladores de carga que pueden ser valiosas en un proyecto específico.

Interfaz de usuario

La interfaz de usuario es importante ya que puede transmitir información vital sobre el estado de carga del sistema de almacenamiento de energía, que los usuarios deben revisar periódicamente para poder ajustar su uso correctamente y proteger el banco de baterías. Se puede integrar una interfaz de usuario y un sistema de monitoreo de calidad con un shunt para obtener datos más precisos sobre el estado de carga del sistema de almacenamiento de energía. Además, una interfaz de usuario debe evaluarse por cuánta programación le permite realizar al usuario y si permite la revisión de datos históricos del sistema.

Programabilidad

Cuanto mayor es la potencia nominal de un controlador de carga, normalmente se permite más programación de usuario para permitir la personalización de acuerdo con las necesidades del usuario final. Hay funciones básicas, como el punto de ajuste para el interruptor de baja tensión, y otras funciones más complicadas relacionadas con la carga y el monitoreo de la batería. Consulte Programación del controlador de carga para obtener más información.

Sensor de temperatura

La temperatura afecta en gran medida la tensión de una batería. La temperatura de una batería a menudo varía de la temperatura ambiente, ya que se genera calor a medida que las baterías se cargan y descargan. Por lo tanto, los controladores de carga de mayor calidad ofrecen la opción de conectar un sensor de temperatura adicional que se puede conectar directamente al sistema de almacenamiento de energía para permitir que el controlador de carga ajuste correctamente la carga en función de la temperatura de la batería. Esto puede conducir a un mayor rendimiento y longevidad del sistema.

Adquisición de datos y monitoreo

Un sistema de adquisición de datos y monitoreo de datos puede permitir que el controlador de carga comparta o registre datos sobre el desempeño del sistema. El nivel de detalle y la cantidad de tiempo durante el cual un controlador de carga almacena datos varía. La información sobre la producción de energía y la tensión máxima y mínima del banco de baterías puede ser muy útil para evaluar cómo se está desempeñando el sistema en esa ubicación, si el usuario está cuidando el sistema correctamente y resolver cualquier problema técnico que pueda surgir. Algunos sistemas también pueden ofrecer la capacidad de monitoreo remoto a través de señales de teléfonos celulares o el internet, lo que puede ser muy útil en aplicaciones remotas si es posible.

Shunt

Muchos controladores de carga pueden funcionar con un shunt para permitir una medición más precisa del banco de baterías Estado de carga (SoC). La información proporcionada por un shunt permite datos mas precisos para que los usuarios pueden gestionar y cuidar un sistema de una mejor manera.

Controlador de iluminación

Muchos controladores de carga para sistemas fotovoltaicos aislados más pequeños incluyen un circuito de control de iluminación de CC que se puede utilizar para ayudar a proteger el banco de baterías. Todos los sistemas deben tener algún tipo de interruptor de baja tensión para proteger el banco de baterías y un controlador de iluminación integrado en un controlador de carga puede satisfacer esta necesidad. Un controlador de iluminación en su forma más simple puede desconectar automáticamente las luces y cargas de CC a un cierta tensión de batería o, en formas más complicadas, puede programarse para encender y ejecutar automáticamente las cargas de iluminación durante ciertas horas.

Vida proyectada

No hay una vida útil proyectada específica para un controlador de carga, ya que varía significativamente según la calidad y las condiciones de uso. Un controlador de carga de baja calidad puede durar solo seis meses antes de fallar, mientras que un controlador de carga de alta calidad utilizado en condiciones óptimas podría durar décadas. Un costo más alto no siempre se traduce directamente en un controlador de carga de alta calidad, ya que hay controladores de carga PWM muy baratos en el mercado que están bien construidos y son duraderos.

Mantenimiento

Siempre se debe consultar el manual del usuario de un controlador de carga, pero la mayoría de los controladores de carga no requieren mucho mantenimiento si se utilizan en las condiciones adecuadas. Deben mantenerse libres de polvo, insectos y agua. Las conexiones deben revisarse periódicamente, al menos una vez al año, para asegurarse de que aún estén ajustadas correctamente y no creen una resistencia innecesaria.

Reciclabilidad

Los controladores de carga contienen una variedad de materiales y productos químicos diferentes que pueden ser peligrosos si no se eliminan correctamente; deben tratarse como desechos electrónicos.