מטענים סולריים לסוללות יוני ליתיום

מאת: קרתיק קדריבל, עומר ליילד, ג’והן קרפרנטר,  טקסס אינסטרומנטס

בשנים האחרונות חל גידול ראוי לציון במספר ההתקנים בעלי גודל פיסי קטן שמופעלים בסוללות כדוגמת מחשבי לוח (tablet), משחקי וידיאו נישאים, נגני סרטים עצמאיים, מסגרות לתמונות ספרתיות ועוד. בהתקנים אלו, משתמשים בדרך כלל בסוללות יוני ליתיום (Li-Ion) נטענות, כבמקור המתח. הפתרונות הנפוצים לטעינת הסוללות כוללים מטענים מבוססי מתאם לרשת החשמל ומטענים באמצעות אפיק טורי אוניברסלי (USB). אמנם המטענים האלו מספקים פתרון זול לטעינת סוללות יוני הליתיום, אך במקביל יש להם חסרון גדול, בעצם היותם תלויים ברשת החשמל לצורך פעולתם. תלות זו ברשת החשמל באה לידי ביטוי בחשבון חשמל מוגדל וכן בפליטה מוגברת של גזי החממה. מעבר לכך, מטענים אלו אינם ניידים בשל תלותם ברשת החשמל. השימוש במטענים אשר בהם משתמשים בלוחות סולריים שיכולים לקצור את אנרגיית האור הסביבתי, יכול להיות אידיאלי על מנת להאריך את חיי הסוללות בדרך יותר ידידותית לסביבה. למטענים סולריים יש יתרון נוסף, שמתבטא ביכולתם לספק פתרון נייד לטעינה.
במאמר זה מתוארים חלק מהשיקולים הייחודיים של פיתוח פתרון טעינה סולרי. הסיבה העיקרית לחשיבה מיוחדת זו נובעת מהעובדה שלוח סולרי פועל כמקור מתח בעל עכבת (אימפדאנס) מוצא גבוהה, אשר המתח והזרם שלו משתנים בזמן, בתלות בתנאים הסביבתיים. מצב זה מנוגד למצב של מתאם לרשת החשמל או של מקור מתח בחיבור USB, שהם מקורות מתח בעלי עכבת מוצא נמוכה עם מתח וזרם במוצא אשר נקבעים מראש. חלק מהשיקולים החשובים הנוגעים לפתרונות טעינה סולריים שבהם אנו דנים הם עקיבה אחר נקודת ההספק המרבי (MPPT), הגנה מפני זליגה הפוכה, טכניקות לסיום הטעינה, ומניעת קריסה של הלוח הסולרי.

איור 1 תרשים של זרם המוצא והספק המוצא בתלות במתח עבור לוח סולרי בעל שני תאים

איור 2a תרשים של מטען מבוסס חיבור USB המראה את מתג חיבור המתח.

איור 2b תרשים של מטען מבוסס לוח סולרי אשר מראה את מתגי חיבור המתח המחוברים גב לגב.

עקיבה אחר נקודת ההספק המרבי
נקודת ההספק המרבי (MPP) היא אזור הפעולה של תא סולרי שבו אפשר להפיק ממנו את ההספק המרבי. אפשר להבין את האזור הזה מתוך התרשים שבאיור 1, אשר מציג את העקומות של זרם המוצא ושל הספק המוצא האופייניים בתלות במתח הקיימים בלוח סולרי בעל שני תאים עם נקודת MPP. לנקודת ההספק המרבי על העקומה יש חשיבות משום שבנקודה זו המתח והזרם מתאימים לתפוקת ההספק המרבי מהלוח הסולרי. נקודת MPP היא פונקציה של הטמפרטורה והאור הסביבתיים ועל כן היא משתנה בזמן. המשמעות היא שלמטענים התלויים בהספק ממקור סולרי נדרשים מעגלים מתאימים על מנת לעקוב אחרי נקודת MPP ככל שהתנאים הסביבתיים משתנים שיטות לעקיבה אחר נקודת ההספק המרבי נמצאות בטווח שבין טכניקות פשוטות של חוג פתוח, שבהן המתח של הלוח הסולרי נשמר כחלק קבוע של מתח המעגל הפתוח (במצב ריקם) עד לטכניקות מורכבות מבוססות בקר שבהן ההספקים בכניסה ובמוצאה נמדדים ומתבצע בהתאם כיוונון של מתח הלוח הסולרי. הבחירה בשיטת MPPT עבור פתרונות טעינה, מבוססת על הפשרה שבין עלות לבין נצילות, והיא ייחודית מאוד ליישום.

איור 3 תרשים של מתח הסוללה ושל זרם הסוללה במהלך שלבי הטעינה השונים של סוללת יוני ליתיום.

הגנה מפני זליגה הפוכה
זליגה הפוכה היא התופעה שבה מטען שמאוחסן בסוללה אובד בהחזרה אל מקור האנרגיה. זליגה הפוכה מתרחשת כאשר מתח הסוללה גבוה מהמתח של המקור. כאשר מתרחש מצב כזה, המקור הופך להיות העומס של הסוללה במקום שיטען את הסוללה. מצב זה אינו מתרחש כאשר משתמשים במתאם לרשת החשמל או במקור בחיבור USB, מפני שמובטח שמתח המוצא של שני מקורות אלו יהיה תמיד גבוה מהמתח של סוללת Li-Ion. במקרה של לוח סולרי, המתח על פני הלוח יכול לרדת אל מתחת למתח הסוללה כאשר ללוח הסולרי אין מספיק אור. באיור 2a נראה תרשים של מטען מבוסס מקור מתח בחיבור USB המחובר לסוללה. כאשר המתג S1 סגור, מקור המתח מנותק מהסוללה ולא מוזרם כל זרם מהסוללה. במקרה של לוח סולרי, אם משתמשים בסידור כזה, הדיודה הפנימית (body diode) של המתג עלולה לעבור למצב מחובר אם המתח של הלוח הסולרי יורד אל מתחת למתח הסוללה. אחת הדרכים השכיחות לפתרון הבעיה הזו הוא להשתמש במתגים המחוברים גב לגב, כפי שמוצג באיור 2b.
סיום הטעינה
לטעינה של סוללות יוני ליתיום נדרשת בקרה מדויקת של הזרם אל הסוללה, ושל המתח על פני הסוללה, על מנת להבטיח שהסוללה תיטען עד למלוא קיבולה, כדי למנוע קיצור של מחזור החיים שלה וכדי למנוע תנאי מצב מסוכנים במהלך הטעינה. תהליך נפוץ של טעינה סוללות Li-Ion מתחלק לשלושה שלבים: טיפול מקדים (preconditioning), טעינה בזרם קבוע וטעינה במתח קבוע.
בשלב הטיפול המקדים, טוענים את הסוללה בזרם קבוע של 0.1 מהקיבולת באמפר–שעה (C) (אופייני) על מנת להעלות באיטיות את המתח של הסוללה עד למתח של 2.5 וולט בערך. שלב שה משמש רק עבור סוללות שעברו פריקה עמוקה. לאחר שמתח הסוללה עלה מעל ל-2.5 וולט בערך, מתחילים לטעון אותה בזרם קבוע של פעם אחת מהקיבולת (1C) (אופייני) עד אשר מתח הסוללה מגיע ל-4.2 וולט בערך. לאחר שהסוללה הגיעה למתח של 4.2 וולט, משתמשים במקור מתח קבוע של 4.2 וולט כדי לטעון את הסוללה. במהלך שלב זה, מנטרים את הזרם הזורם לתוך הסוללה. כאשר הזרם לתוך הסוללה יורד אל מתחת ל-0.1 מהקיבולת, מפסיקים את הטעינה. בשלב הטעינה במתח קבוע, הזרם אל תוך הסוללה קטן מאחר שהעכבה של התאים גדלה עד שהתא מגיע למלוא הקיבולת שלו. כאשר הזרם יורד אל מתחת ל-0.1 מהקיבולת, יש לנתק לחלוטין את מקור הטעינה מאספקת המתח. אם לא מנתקים אותו, הסוללה עלולה לאבד את יציבותה, מאחר שמתחיל ציפוי בליתיום מתכתי, ציפוי שעלול להוביל למצב מסוכן. סיום הטעינה של סוללת יוני ליתיום חייב להתבסס על הזרם הזורם אל תוך הסוללה על מנת להבטיח שהסוללה תיטען למלוא הקיבול שלה.
מטענים הפועלים מכניסה של לוחות סולריים חייבים לשמור על פרופיל הטעינה המתואר לעיל. הבעיה מתרחשת בעיקר במהלך שלב המתח הקבוע כאשר מנטרים את הזרם אל תוך הסוללה. קיימת אפשרות שהזרם אל תוך הסוללה קטן, לא בגלל העלייה בטעינה של התא, אלא, כתוצאה מירידה בתפוקה של הלוח הסולרי הנובעת משינוי בתנאים הסביבתיים. לכן, ייתכן מצב שבו שהסוללה לעולם לא תגיע לטעינת הקיבולת המלאה שלה והלוח הסולרי יהיה מחובר לסוללה כל הזמן. כדי לענות על בעיה זו, אפשר להשתמש בקוצב זמן עם קבוע זמן ארוך. כאשר הזמן של קוצב הזמן פוקע, מנתקים את הלוח הסולרי מהמטען, ללא קשר למצב הטעינה של הסוללה, על מנת למנוע ממנה להינזק.

מניעת הקריסה של הלוח הסולרי
במטענים מהסוג הישן, המתח והזרם שהמקור יכול לספק ידועים מראש. לכן אפשר לתכנן את המעגל של המטען, כך שיפעל בתחום הגבולות של המקור. במקרה של תפוקה של לוחות סולריים, יכולת אספקת הזרם והמתח של המעגל הפתוח דינמיים ותלויים בתנאים הסביבתיים. על כן, תכנון של חוג בקרה עבור מטענים מבוססי אספקת מתח סולרית מהווה אתגר קשה יותר מאשר התכנון של מתאם המחובר לרשת החשמל. אסור שמערכת שמשתמשת בכניסות מלוחות סולריים לטעינה של סוללות Li-Ion תגרום, שלא במתכוון, לקריסה של הלוח הסולרי תוך ניסיון לשמור על פרופיל הטעינה הנדרש לטעינה של סוללות יוני ליתיום. אם המתח של הלוח הסולרי קורס, אין אפשרות להפיק אנרגיה שמישה מהלוח. האפשרות שהלוח הסולרי יקרוס קיימת בעיקר במהלך שלב הטעינה בזרם קבוע. במהלך שלב זה, יש אפשרות שהלוח הסולרי לא יוכל לספק את הזרם הנצרך על ידי הסוללה. כאשר מצב כזה מתרחש, המתח של הלוח הסולרי מתחיל לקרוס במהירות. המטען חייב במצב זה להיות מסוגל לגלות את הירידה המהירה במתח שעל פני הלוח הסולרי ולהקטין באופן מיידי את הזרם הנלקח מהלוח על מנת למנוע את הקריסה שלו.

סיכום
מטענים סולריים יכולים לספק דרך ניידת ידידותית לסביבה לטעינה של סוללות יוני ליתיום. התכנון של מטענים סולריים כרוך בשיקולים שמתכננים לא נתקלים בהם בדרך כלל בעת תכנון מטענים המבוססים על מתאמים לרשת החשמל. בעזרת מאמץ תכנון נוסף, אפשר לתכנן מטענים שיכולים לקבל כניסה מלוחות סולריים, מחיבור USB וממתאם לרשת החשמל על מנת לטעון סוללות Li-Ion.