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 voltaje 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 fuera de la red.

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), voltaje (V) y estado de carga (icono de batería).

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 voltaje 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 voltaje y dependerán de los valores establecidos por el fabricante. Si el controlador de carga habilita la programación de los puntos de ajuste de voltaje, se debe consultar el manual del usuario para la batería específica ya que los puntos de ajuste de voltaje 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 el voltaje del sistema. El controlador de carga continuará suministrando corriente sin restringirla hasta que se alcance un cierto voltaje, 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 al voltaje máximo 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 al voltaje fijo 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 un voltaje fijo disminuya a un mínimo programado. Esto suele ocurrir en alrededor del 95% de la capacidad de la batería.

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 un voltaje más bajo (~ 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%.

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. El voltaje 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 el voltaje 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 el voltaje 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 al voltaje del sistema de almacenamiento de energía. Esto significa que la fuente fotovoltaica puede funcionar a un voltaje más alto 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 el voltaje de la fuente FV, los módulos y matriz deben diseñarse para funcionar con el voltaje del banco de baterías. Esto significa que la fuente FV tendrá que funcionar a un voltaje relativamente bajo. 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 un voltaje apropiado 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 un voltaje adecuado 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 voltaje de sistema de CC nominal y corriente máxima. El diseñador del sistema debe eligir la configuración de fuente FV adecuada en función del voltaje nominal del banco de baterías.

• Voltaje 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 el voltaje 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 el voltaje de la fuente FV y el voltaje 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 voltaje nominal del sistema de CC, voltaje máximo de la fuente FV, voltaje mínimo 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.

• Voltaje nominal del sistema de CC: 12 V, 24 V, 48 V
• Voltaje máximo de la fuente FV: varía hasta 600 V
• Voltaje mínimo de la fuente FV: depende del voltaje 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 el voltaje de operación del fuente FV coincide con el voltaje de carga del sistema de almacenamiento de energía. Esto limita la fuente FV a un voltaje de funcionamiento relativamente bajo. Mientras que los controladores de carga MPPT se pueden utilizar con cualquier configuración en serie y en paralelo, siempre que el voltaje 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 el voltaje más alto 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 bajo voltaje se convierte en un problema y un gasto significativo.

Características adicionales de los 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 el voltaje 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.

Data logging/monitoring

A data logging/monitoring system can enable the charge controller share or record data about the performance of the system. The level of detail and amount of time for which a charge controller store data varies. Information about energy production and battery bank maximum/minimum voltage can be very useful in assessing how the system is performing in that location, if the user is treating the system properly and resolving any technical issues that may arise. Some systems may also offer the capability of remote monitoring through cell phone signals or the internet, which can be very useful in remote off-grid applications if possible.

Shunt

Many charge controllers can function with a shunt to enable more accurate measurement of battery bank state of charge (SoC). The information provided by a shunt is more accurate and can allow the users to better manage and take care of their system.

Lighting controller

Many charge controllers for smaller off-grid PV systems include a DC lighting control circuit that can be used to help protect the battery bank. All systems should have some type of low voltage disconnect in order to protect the battery bank and an integrated lighting controller in a charge controller can meet this need. A lighting controller in its simplest form may automatically disconnect lights and DC loads at a certain battery voltage or in more complicated forms can be programmed to automatically turn on and run lighting loads during certain hours.

Projected life

There is no specific projected life for a charge controller as it varies significantly based upon quality and conditions of use. A low-quality charge controller may only last six months before failing, whereas a high-quality charge controller used under optimal conditions could last decades. Higher cost does not always directly translate into a high-quality charge controller, as there are very cheap PWM charge controllers on the market that are extremely well-built and durable.

Maintenance

The user manual for a charge controller should always be consulted, but most charge controllers do not require much maintenance if they are used under proper conditions. They should be kept free of dust, insects, and water. Connections should be periodically revised - at least once a year - to make sure that they are still tightened properly and not creating unnecessary resistance.

Recyclability

Charge controllers contain a variety of different materials and chemicals that can be hazardous if not disposed of properly - they should be treated as electronic waste.