Carga de una batería LiPo desde un panel solar de 1W y 5V

 por Roger Clark |

En mi publicación anterior reseñé algunos paneles solares “de 5V 1W”, con la idea de usarlos para alimentar algunos dispositivos IoT, y en esta publicación mostraré mis experimentos y conclusiones sobre el uso del panel para cargar la batería.

Las celdas LiPo tienen requisitos específicos de carga y uso para que no se dañen.  Para la carga, el principio básico es que requieren tanto carga a corriente constante como, después, a voltaje constante. Tampoco deben descargarse en exceso ni cargarse en modo de flotación (float charge).

El montaje de prueba…

Estoy usando un medidor analógico en serie con la batería LiPo de 2200mAH, ajustado a su rango de corriente de 250mA.

Usé un medidor analógico porque responde rápidamente a los cambios y es lo bastante preciso para este tipo de pruebas.

La resistencia variable conectada mediante los cables naranja y amarillo sirve para controlar la corriente de carga en el módulo cargador LiPo TP4056. (ver Opción de carga 4)

La resistencia variable conectada mediante los 2 cables amarillos controla el voltaje de salida del módulo convertidor CC a CC LM2596.

El interruptor me permite conectar la batería ya sea a la entrada o a la salida del cargador LiPo TP4056.

Nota. Hay un capacitor que parece estar soldado a la entrada del convertidor CC a CC.

En realidad solo está soldado en el terminal positivo, y el terminal negativo se puede conectar presionando su cable contra el PCB.

Probé la mayoría de las configuraciones con y sin este capacitor de 2200uF y no observé ninguna diferencia notable en la corriente de carga, etc.

Opción de carga 1.

Si ignoras el requisito de “no cargar en flotación”, una opción es simplemente conectar la batería LiPo al panel solar mediante algunos diodos, o un diodo zener, que limitaría el voltaje máximo a alrededor de 4V (la mayoría de las baterías parecen requerir carga hasta 4.2V).

Sin carga, el panel solar alcanza alrededor de 6.5V, así que se necesitaría un circuito que “reduzca” unos 2.5V.

Encontré que algunos diodos de 1A pueden reducir alrededor de 0.8V, así que 3 diodos en serie “reducirían” 2.4V, lo que debería ser suficiente para evitar que la batería se sobrecargue.

Sin embargo, en la práctica esta solución es la peor de todas las que probé, principalmente porque la eficiencia del panel cae mucho a medida que su voltaje aumenta por encima de 5V, y además los diodos disipan alrededor de 2.4 * 0.15 = 0.36W de potencia

(Potencia = Voltaje * Corriente)

Opción de carga 2

Recortar (clampear) la salida del panel solar de modo que si el voltaje supera los 4.2V.

El recorte (clamp) más sencillo es usar un diodo zener capaz de manejar la corriente máxima que el panel puede producir. Así que un zener de 250mA tendría de sobra capacidad de corriente disponible.

Esta opción carga la batería mucho mejor, porque el panel solar es mucho más eficiente a voltajes por debajo de 5V que por encima de 5V, e incluso a 3V la batería se cargaba a alrededor de 150mA, y a medida que el voltaje de la batería aumenta, la cantidad de potencia (voltaje x corriente) que se introduce en la batería aumenta.

p. ej. 3V @ 150mA = 0.45W

4V @ 150mA = 0.6W

Este método funcionó bien, pero no parecía ser la solución óptima, porque el panel solar no estaba operando a su voltaje más eficiente (de 5V); por lo tanto, en el peor de los casos, la batería se está cargando a 0.45/0.75 de la máxima eficiencia (suponiendo que el panel pueda producir al menos 0.75W en condiciones ideales, con una carga de 33 ohmios).

Lo que me llevó a evaluar la siguiente opción.

Opción de carga 3

Conectar la salida del panel solar a un convertidor regulador de voltaje reductor (“buck”) CC a CC (que usa el LM2596), que se puede encontrar en eBay por 1 dólar o menos

La razón para usar potencialmente este módulo es que puede convertir el voltaje de entrada de CC a un voltaje de CC diferente (más bajo) sin tanta pérdida como un regulador lineal, una resistencia o unos diodos.

Sin embargo, en la práctica, cuando conecté el módulo entre el panel solar y la batería, encontré que la corriente de carga, que había sido de alrededor de 150mA en una conexión directa, cayó a alrededor de 125mA o menos.

Para dar un poco más de detalle, lo que hice fue conectar un voltímetro a la entrada del módulo (desde el panel solar) y ajustar el voltaje de salida hasta que la carga sobre el panel solar redujera su voltaje a alrededor de 5V

Para hacer esto un poco más fácil, quité el pequeño trim-pot (resistencia variable) y conecté un potenciómetro normal con unos cables volantes.

Esto no era lo que esperaba que sucediera, así que busqué en la hoja de datos del LM2596 la eficiencia esperada; hay una gráfica de la eficiencia con una carga de 3A

La carga de la batería es unas 20 veces menor que la ilustrada en la gráfica, pero la gráfica implica que, potencialmente, la eficiencia cuando los voltajes de entrada y salida eran bajos, p. ej. 5V de entrada y 3V de salida, no era muy buena, y podía ser inferior al 70%

Para confirmar la eficiencia, hice algunas pruebas usando una fuente de alimentación de banco ajustada a 5V, una carga de 150mA usando una resistencia; y medí las corrientes de entrada y salida para una serie de voltajes de salida, de 3V a 4V. Los resultados fueron bastante consistentes, con una eficiencia del 75%

Los resultados parecen concordar con lo que observé cuando conecté el convertidor CC-CC al panel solar, salvo que la eficiencia puede ser incluso menor que en el entorno controlado, y puede llegar a ser tan baja como 60 a 65%

Con estas bajas eficiencias, usar este convertidor CC a CC en particular no tiene sentido, ya que es menos eficiente que simplemente cargar el panel solar a un voltaje donde su eficiencia no es óptima.

Podría ser que un tipo diferente de convertidor CC a CC sea más adecuado para operar a bajo voltaje (entrada de 5V) y donde los voltajes de entrada y salida difieran solo en 1 o 2 voltios.

Por ejemplo, el MP1484 tiene una eficiencia declarada del 80%, con una entrada de 5V y una salida de 3.3V

Ver   http://www.mouser.com/catalog/specsheets/MP1484.pdf

Pero incluso el 80% no es tan bueno, y probablemente solo sea un 10% más eficiente que el propio panel.

Por lo tanto, usar un convertidor CC a CC conmutado para este panel pequeño no parece práctico.

Opción de carga 4

Usar un módulo de gestión de LiPo que use un TP4056 para la carga

El TP4056 es un “cargador lineal autónomo de baterías de iones de litio con regulación térmica”

Ver https://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Prototyping/TP4056.pdf

La corriente de carga de estos módulos está ajustada a 1000mA por defecto, porque la resistencia R3 es de 1.2k ohmios; sin embargo, la corriente de carga puede ajustarse a un valor mucho más bajo si la resistencia se reemplaza por una de mayor valor, y podría controlarse potencialmente reemplazando R3 por un transistor.

Encontré varias publicaciones en la web donde la gente había estado intentando usar estos junto con un panel solar, y querían ajustar la corriente para que el panel mantuviera su voltaje de máxima eficiencia (de alrededor de 5V).

Sin embargo, como el TP4056 es un dispositivo “lineal”, mantener la máxima eficiencia a 5V no necesariamente produce la mejor metodología de carga.

Por ejemplo.

A 5V el panel puede producir 150mA, pero como el TP4056, la máxima corriente que puede entregar a la celda LiPo es la misma que su corriente de entrada, es decir, 150mA

La diferencia entre la potencia de entrada (5 x 150mA = 0.75W) y la potencia de salida (3V x 150mA = 0.45W) simplemente se disipa en forma de calor.

Además, este módulo necesitaría una modificación considerable, probablemente con uno o 2 transistores externos y 2 o 3 resistencias, para que la corriente de carga se modulara de modo que mantuviera en 5V el voltaje de entrada del panel solar

Así que, siguiendo una sugerencia en otro foro, decidí simplemente reemplazar la resistencia de control de corriente (R3) por una resistencia variable de 10k y monitorear la corriente de carga real hacia la batería a medida que se variaba la resistencia.

Módulo convertidor CC a CC LM2596 modificado. Para mi sorpresa parcial, encontré que parece haber un valor de resistencia óptimo que da la mayor corriente de carga en la mayoría de las condiciones de luz.

La resistencia requerida es el valor necesario para una corriente de carga de 150mA, que parece ser de alrededor de 8k.

A plena luz del sol, si el valor de la resistencia se ajustaba a más de 8k, la corriente de carga era limitada por el TP4056 a un valor más bajo, p. ej. 10k da alrededor de 130mA.

Si se usaba un valor de resistencia significativamente más bajo, la corriente de carga también disminuía por debajo del óptimo, pero este efecto no era tan marcado como con resistencias mayores a 8k, y no estoy del todo seguro de por qué ocurría esto, pero empecé a escuchar un silbido agudo proveniente del módulo, así que creo que el aumento de corriente hacía que el voltaje del panel solar cayera demasiado bajo como para que el TP4056 pudiera cargar la batería, momento en el cual dejaba de cargar, y el voltaje del panel subía hasta donde el TP4056 volvía a operar.

Esta operación oscilante no es tan eficiente como simplemente usar una resistencia de alrededor de 8k.

Curiosamente, con niveles de luz más bajos, la oscilación no parece ocurrir aunque la corriente de carga sea mucho menor.

En conclusión

Para la configuración que investigué, la mejor opción en mi opinión es usar un módulo de gestión de batería basado en el TP4056, preferiblemente uno que tenga terminales separados para la batería y la salida, de modo que sea imposible descargar por completo la celda LiPo.

Luego, simplemente reemplaza la resistencia R4 3 por una que dé la corriente de carga máxima correcta.

Intentar aumentar la eficiencia del sistema en conjunto usando un convertidor CC a CC solo da una mejora muy marginal, y el costo del convertidor CC a CC, p. ej. 1 dólar, es más de la mitad del precio del panel solar, así que es más económico gastar 1.50 dólares en comprar otro panel y ponerlo en paralelo, duplicando así la capacidad de carga.

Artículo traducido al español. Fuente original: Roger Clark (rogerclark.net)