Зарядное устройство из импульсного БП

При использовании кислотных аккумуляторов в автомобиле или системах бесперебойного питания, необходима их зарядка, желательно в автоматическом режиме. Конечно, зарядка должна быть предусмотрена производителем устройства. Полностью обеспечивать необходимые режимы для продолжительной работы и хорошего состояния аккумулятора установленного в нем. Однако, бывают ситуации, когда возникает потребность дополнительного заряда и обслуживания батареи:
1. Такие ситуации возникают, в холодное время года, когда авто продолжительное время стоит в гараже и аккумулятор теряет заряд. Бывает, водитель не отключил потребителей и на следующий день авто не заводится.
2. В системах бесперебойного питания, ситуация значительно лучше. Устройство постоянно следит за зарядом аккумулятора, правильно его заряжает и не позволяет разряжаться больше, чем нужно. Пока в него не влезает пытливый ум, для улучшения характеристик.
У меня дело пошло по второму сценарию.

Как-то раз, зимой, ситуация с энергоснабжением резко ухудшилась. Вскоре стало ясно, что это надолго, и я достал бесперебойник. В нем стоял аккумулятор на 7 А/Ч, чего с трудом хватало на десятиватный светодиод освещения. Свет выключали на 2-4 часа, иногда не было электричества и 6 часов. Несколько раз включали электричество днем на два часа, но он не успевал заряжаться. Да и хотелось телевизор посмотреть, ведь выход 220 В. простаивал без дела.
Позже я купил БУ аккумулятор на 75 А/Ч, и озаботился его зарядкой. Нужно было заряжать его быстро и без присмотра людьми. Причем зарядное должно быть дешевым и хорошим.
Трансформатор отменил сразу, так как сетевое напряжение менялось в широких пределах, временами опускаясь до 140 В. У меня был в наличии недорогой импульсный китайский блок питания 12 В., 60 Вт, под названием «S 60-12». Впрочем, приобрести такой не составит труда в интернет магазине или в местном магазине светотехники.

Блок имеет отличные основные характеристики:

Входное напряжение	85 — 264 В. (AC)
Выходное напряжение	10,8 — 13,2 В. (DC)
Выходной ток	0 — 5 A

После подключения к аккумулятору, начали возникать неприятности:

1. напряжения 13.2 В недостаточно для заряда
2. очень большой ток, когда на батарее низкое напряжение
3. разряд батареи в блок питания

Рассмотрим выходные цепи нашего блока, и определим что можно сделать для решения проблем:
1. Увеличить выходное напряжение можно зашунтировав резистор с управляющего вывода TL431 на общий провод (R15, SVR1)
2. Ток можно уменьшить, установив мощный токоограничительный резистор на выходе, или уменьшив выходное напряжение
3. Разряд батареи исключим последовательным диодом​

У меня был слабый аккумулятор на 7 а/ч, для него разряд в блок питания (~50 мА) был существенным, и я установил последовательно с выходом ИБП связку диодов. Позже, от диодов отказался, когда перешел на большую батарею.

Для начала нужно увеличить выходное напряжение установкой параллельно R15 (см первый рисунок) резистора номиналом 12 кОм. После этого максимальное напряжение на выходе ИБП станет 16 В., без учета падения на диодах. Ток ограничительный резистор изготовил из толстой нихромовой проволоки. При отсутствии такой, можно купить готовый резистор. Напряжение следует выставить на выходных клеммах после диода, нагруженных на лампу освещения, для учета падения на диодной сборке.  В таблице указано номинальное сопротивление (R) и максимальная рассеиваемая мощность (Pmax) резистора, для напряжения заряда 13,8 В. (Umax), минимального напряжения на аккумуляторе 11 В. (Umin) и максимального тока заряда 20% от ёмкости (с). Это безопасный режим, так как ток будет линейно падать, по мере заряда. Можно самостоятельно рассчитать сопротивление резистора:

R=(Umax-Umin)/0.2*c, 

и максимальную мощность на нем:

Pmax=(Umax-Umin)²/R

Емкость батареи, А/Ч	Макс. ток А	Резистор Ом/Вт
4,5	0,9	3,1/3
7	1,4	1,8/4
9	1,8	2/4
12	2,4	1,16/7
более 25	5	0,56/14

В целом система получилась надежная, не требующая обслуживания, но и с недостатками. Конечно резистор, который безбожно греется на больших токах. Долгая зарядка и невозможность полной зарядки.
После приобретения аккумулятора на 75 А/Ч и работы его в режиме постоянного просмотра телевизора (плюс усилитель звука 2*5Вт, тюнер Т2, модем с роутером, зарядка телефона/планшета, освещение), резистивная схема перестала успевать восстанавливать растраченный заряд.  

Импульсный блок питания (ИБП) стабилизирует выходное напряжение с помощью управляемого стабилитрона SHR1 TL431, часть схемы выходных цепей показана на первом рисунке. Открытие этого стабилитрона происходит при превышении напряжения на управляющем выводе более 2,5В. Можно сказать, что в нормальном режиме, напряжение в этой точке всегда равно 2,5 В. Наша схема будет воздействовать на этот вывод, для изменения выходного напряжения. Следует учесть, что диапазон выходных напряжений этого ИБП ограничен. Не желательно повышать выходное напряжение более 16 В., а при понижении меньше 10 В. он отключается и предпринимает попытки запуска. Это значит, что 

аккумулятор, разряженный менее 10 В., это зарядное устройство зарядить не сможет. Так же, как и нельзя это ЗУ использовать в качестве лабораторного БП, по причине невозможности регулировки напряжения на выходе в широких пределах и стабилизации тока при коротком замыкании.

На скорую руку была собрана схема стабилизации тока и исключен диод. Конструкция и схема представлены ниже:

Схема представляет из себя усилитель постоянного тока и работает следующим образом:
Напряжение шунта, пропорциональное выходному току, усиливается дифференциальным усилителем IC1A, для исключения влияния паразитных потенциалов.

Далее сигнал дополнительно усиливается вторым ОУ, с регулировкой усиления резистором R7. Когда напряжение на выходе IC1B станет достаточным для открытия диода D1 (~3 В.), через него и резистор R11,  потечет ток. Потенциал в точке REG повысится и ИБП начнет снижать выходное напряжение. Выходной ток понизится, что приведет к снижению напряжения на шунте, на выходе IC1B, закрытию диода D1 и снижению потенциала в точке REG. Диод D1, также необходим для исключения влияния схемы, на режим стабилизации напряжения. Резистор R11 для ограничения тока в цепи, во избежание выхода из строя TL431, установленного в ИБП.
Настройка сводится в установлению выходного напряжения ИБП, подстроечным резистором SVR1 (см. первый рисунок). 13-13,8 В. для систем бесперебойного питания, или 14,4 В. для однократной зарядки автомобильного аккумулятора. Если диапазона регулировки резистора не хватает, следует доработать выходной делитель напряжения ИБП, как описано выше. После этого при подключенном аккумуляторе нужно настроить ток заряда подстроечным резистором R7.

У представленной схемы, отмечено несколько недостатков. 

1. Невозможность оперативной регулировки тока
2. Плохая точность стабилизации тока, зависящая от его уровня и напряжения на выходе
3. Отсутствие индикации окончания процесса, для быстрого заряда автомобильных батарей

Схема отработала 4 месяца без неисправностей. Единственное обслуживание — это постоянно сгнивающие провода на клеммах аккумулятора (не надежно подключал)

Теперь, когда необходимость в аккумуляторном питании отпала и появилось свободное время, я решил усовершенствовать устройство. Была введена регулировка тока внешним переменным резистором. Добавлен усилитель ошибки для повышения точности. Введена светодиодная индикация режима работы.

ВНИМАНИЕ — допайка резистора увеличивающего выходное напряжение ИБП , в этом варианте схемы управления не требуется. Его функцию выполняет R10

В результате принципиальная схема усложнилась незначительно. Второй ОУ IC1B, работает в режиме интегратора/усилителя ошибки, сравнивая напряжение на выходе IC1A, пропорциональное выходному току с опорным напряжением в точке RES. 2, установленным регулятором.  На его выходе (выв. 7 IC1B), напряжение может находится в двух состояниях. Около нуля, когда ток не может достигнуть установленного резистором значения. И, около 3,5 В., когда произведен захват и стабилизация выходного тока, то есть идет заряд. Светодиод «Заряд» подключенный к точке LED индицирует состояние устройства. Параллельный стабилизатор на стабилитроне VR1 TL431 обеспечивает опорное напряжение для резистора регулятора тока. На его катоде напряжение должно составлять 2,5 В.  Два резистора R7, R8 вместо одного, установлены для снижения рассеиваемой мощности на них.

Величина сопротивление шунта (Rsh) совместно с коэффициентом усиления IC1A (k) и напряжением в точке RES.1 (Vref), определяют максимальное значение тока зарядки (Imax) регулятора:

Imax=Vref/(k*Rsh).

Где коэффициент усиления дифференциального усилителя:

k=R5/R1, при R1=R2, R5=R3.

В нашем случае:

Rsh=0.1 Ом/3=0,0333 Ом, 
k=1500 Ом/100 Ом=15,
Imax=2,5 В/(15*0,0333 Ом)=5 А.

После проверки правильности монтажа платы управления, нужно правильно подключить ее к ИБП. Я постарался изобразить наглядно, что бы не возникло проблем в подключении. Провод управления следует подключать к разобранному блоку, предварительно отключив его от сети 220 В.!! Перед включением необходимо установить кожух БП на штатное место и настроить резистор R10 в максимальное большое сопротивление. Включаем. настраиваем выходное напряжение ИБП, для работы в составе устройства бесперебойного питания, при разомкнутых контактах кнопки «Режим» , резистором SVR1 (см. первый рисунок) на уровне 13-13,8 В. При нажатии кнопки «Режим», следует установить выходное напряжение 14,4 В. резистором R10, для однократной зарядки аккумулятора. Проверяем напряжение на крайних выводах резистора регулировки, оно должно составлять 2.5 В. Подключив исправный аккумулятор проверим регулировку выходного тока. Максимальный ток не должен превышать 5 А. для данного ИБП. Если ток не достаточный нужно изменить усиление усилителя на  IC1A. Впрочем после этого усилителя можно поставить подстроечный резистор на общий провод и движок этого резистора подключить к 5 выв. IC1. для подстройки максимума. Минимум будет около нуля ампер и в подстройке не нуждается. Для проверки выходного тока можно использовать мощный резистор или спираль от электроплитки, но стабилизация тока будет происходить только в небольшом диапазоне напряжений от приблизительно 10 В. до 13 или 14.4 В., в зависимости от настроек переключателя. 

Зарядное устройство имеет особенности:
 —  При зарядке до 14.4 В. необходимо наблюдать за состоянием светодиода «Заряд».  По окончании заряда он потухнет, и следует отключить ЗУ от батареи.
 —  В случае неисправности аккумулятора и напряжении на нем менее 10 В., светодиод будет мигать, а заряда не будет.
 —  При коротком замыкании выходных клемм светодиодной индикации не будет, но в ИБП сработает внутренняя защита.
 —  От переполюсовки клемм аккумулятора данное ЗУ защиты не имеет и желательно на выходе установить предохранитель 5 А.

Конструкция блока управления выполнена на макетной печатной плате выводными компонентами. В схеме использованы широко распространенные элементы. Вместо стабилитрона VR1 можно использовать обыкновенный стабилитрон на напряжение 3,3-5,1 В. (Vref), изменив коэфф. усиления дифф. усилителя по вышеприведенной формуле. Светодиод ультраяркий красный в прозрачном корпусе, такие при малом токе хорошо светят. Переменный резистор регулятора любого удобного типа с номиналом 1-10 кОм.
В качестве токового шунта я использовал резисторы 0,1 Ом 1 Вт., они достаточно распространены и не дефицитны. Подключение к шунту производилось, как показано на рисунке и фотографии. Можно использовать готовый шунт или резисторы низкого сопротивления 0,03-0,01 Ом мощностью 3 и более ватт, например MPR-5W, BPR56. В крайнем случае можно использовать моток медного провода низкого сечения, но параметры будут меняться с прогревом.

Литература 
http://at-systems.ru/quest/new-quest/battery-charging. shtml
http://www.kuppol.ru/infozarbat

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	Операционный усилитель	LM358	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
D1	Выпрямительный диод	1N4148	1	КД521, КД522	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VR1	ИС источника опорного напряжения	TL431	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R10	Подстроечный резистор	50 кОм	1	многооборотный	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R1, R2	Резистор	100 Ом	2	МЛТ-0,125	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R3, R5	Резистор	1,5 кОм	2	МЛТ-0,125	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R4	Резистор	22 кОм	1	МЛТ-0,125	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R6	Резистор	4к3	1	МЛТ-0,125	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R7-R9	резистор	470 Ом	3	МЛТ-0,125	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C1, C2	Конденсатор	1 мкФ	2	любого типа	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
шунт	Резистор	0. 1 Ом., 1 Вт.	3	аналог MPR-5W, BPR56	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
режим	переключатель	П2К	1	кнопка с фиксацией,тумблер	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Рег. тока	Переменный резистор	1k	1	любого типа	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Заряд	Светодиод	красный	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Импульсный БП	12В. 5А.	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
						Добавить все

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• ИБП
• Зарядное устройство
• Авто ЗУ
• Автоматика
• Блок питания

Автомобильный блок питания – зарядное устройство на АКБ

В своей практике каждый автолюбитель часто сталкивался с необходимостью стабильного питания заряда АКБ авто. При использовании некоторых цифровых автомобильных зарядных модулей, в случае сбоя питания или разряда батареи ниже 12 В, процесс выключается, либо наоборот аккумулятор заряжается до тех пор, пока он вообще не загорится. Это однажды и случилось. Поэтому возникла необходимость в стабильном источнике питания ЗУ 14,4 В со значительной мощностью тока. Но так как эти 14,4 В являются напряжением, постоянно преобладающим в автомобиле при работающем двигателе, такой источник питания может также подойти и в качестве выпрямителя для аварийного запуска стартера.

В общем самое простое и надёжное зарядное – это обычный БП с резистором ограничения тока, который в отличии от микросхем и полевых транзисторов не подведёт в самый ответственный момент. Да и схема в таком случае будет простейшая.

Для сборки задумки был куплен импульсный источник питания 12 В 20 А. В схеме контроля напряжения никакиъх сложностей и после небольшой подстройки можно было получить 14,4 В. Остальное – корпус и индикаторы. Переключатель 0-1, видимый на фото, коммутирует ряд мощных резисторов по 25 Ом на 25 Вт.

Для чего это надо? Ну вот при подключении, например, электродвигателя стеклоочистителя, пусковой ток достаточно высок, чтобы заработать через токоограничение. Вот и надо блокировать их.

Кто-то скажет, что лучше заряжать аккумулятор до 14,7 В, а не 14,4. Ведь именно 14,7 В будет в исправном автомобиле без нагрузки во время зарядки, оно должно уменьшиться когда батарея полностью зарядится до 13,7 – 14 В. Но типичный генератор переменного тока в автомобиле установлен как раз на 14,4 В, и это напряжение гарантирует, что не повредит аккумулятор, если он к зарядному подключится на долго – с таким значением может стоять на зарядке хоть в течение года.

Когда дело доходит до максимального напряжения зарядки аккумулятора, здесь уже чем выше, тем лучше. Современные многие аккумуляторы изготавливаются по кальциевой технологии Са, которой на последнем этапе зарядки требуется напряжение до 16,2 В. Только такое значение может дать правильную плотность электролита. Так что смотрите по своему оборудованию: зарядное напряжение зависит во многом от типа батареи и температуры окружающей среды.

В любом случае напряжение зарядки стандартной свинцово-кислотной батареи в соответствии с инструкциями изготовителей 14,4 В – 15 В. Эти напряжения зависят от температуры – чем ниже температура, тем больше напряжения можно зарядить.

Коробка тут без кулера, возможно и стоило бы подумать о вентиляции корпуса, но это немного испортило бы влагостойкость.

Для испытаний на предельную мощность и перегрев пошла нагрузка в виде лампы от авто типоразмера Н4 с параллельными спиралями, то есть около 115 Вт, что дало около 8 А тока в четырехчасовом испытании, при этом такая проверка существенно не повысила температуру в корпусе.

Основы зарядки аккумуляторных батарей

| Electronic Design

Members can скачать эту статью в формате PDF.

Что вы узнаете:

• Особенности этапов зарядки и разрядки зарядного/разрядного устройства.
• Как добиться регулирования с помощью обратной связи.
  
• Посмотрите на 4-проводное соединение с ячейкой.

Зарядка и разрядка являются наиболее фундаментальными действиями, применяемыми к элементам исследователями элементов, инженерами-производителями элементов и разработчиками аккумуляторных батарей. В этой статье я расскажу об основах работы зарядного/разрядного устройства. Я также коснусь того, как контакт с ячейкой через ее приспособление является важной частью успешной зарядки и разрядки.

Как правило, литий-ионный элемент заряжается с использованием этапа зарядки постоянным током/постоянным напряжением (CC/CV). Во время разряда чаще всего используется этап разряда постоянным током (CC). Как зарядное устройство достигает CC/CV, а разрядное устройство достигает CC?

Если мы посмотрим на базовую электронику, зарядное устройство — это блок питания, очень похожий по конструкции на любой простой настольный блок питания, с которым вы сталкивались в лаборатории электроники. Источник питания позволяет пользователю установить рабочую точку напряжения, которую иногда называют пределом напряжения или заданным значением постоянного напряжения (CV). Если источником питания является источник питания типа CV/CC, пользователь также может установить ограничение тока или заданное значение CC.

Блок питания представляет собой регулируемый усилитель мощности. Регулируемый означает, что он использует систему обратной связи для мониторинга работы и непрерывной регулировки выходного сигнала, чтобы поддерживать контролируемый параметр на заданном пользователем уровне.

Подробное описание этапа зарядки

При попытке выполнить этап зарядки CC/CV инструкция процесса зарядки может выглядеть так: «Заряжайте 3 ампера, пока напряжение не достигнет 4,2 В, затем заряжайте 4,2 В, пока ток не упадет до 10 мА».

Пользователю необходимо установить ограничение тока на значение зарядки CC, равное 3 А, и ограничение напряжения на значение зарядки CV, равное 4,2 В. (Мы рассмотрим отсечку 10 мА чуть позже.) Пользователь может не понимаю, что это то, что запрограммировано вплоть до аппаратного обеспечения зарядного устройства. Это связано с тем, что аппаратное обеспечение зарядного устройства может управляться с помощью программного интерфейса высокого уровня, который принимает более удобные инструкции процесса зарядки.

Теперь начинается зарядка. Если состояние заряда (SoC) элемента низкое, напряжение холостого хода элемента (OCV) будет низким, возможно, 2,5 В. Цепь питания в зарядном устройстве будет пытаться отрегулировать напряжение до 4,2 В при ячейке, но напряжение ячейки ниже 4,2 В. Схема начнет подавать ток в ячейку, чтобы поднять напряжение, но OCV ячейки останется низким, поскольку ячейка находится на низком уровне SoC. Впоследствии он будет накачивать все больше и больше тока в ячейку, в то время как OCV ячейки остается низким.

В конце концов, цепь питания достигнет запрограммированного пользователем предела тока в 3 А. Когда это произойдет, схема переключится в режим CC и будет регулировать ток на запрограммированном пользователем значении 3 A. В режиме CC цепь питания больше не будет пытаться регулировать напряжение, потому что в режиме CC ток является контролируемым параметром, а напряжение не контролируется, позволяя напряжению изменяться в зависимости от того, что происходит в ячейке. Все это происходит за миллисекунды.

Продолжая, ячейка будет заряжаться в CC. По мере того, как ток течет в ячейку, энергия накапливается в ячейке, и SoC ячейки повышается. По мере роста SoC растет и OCV. В конце концов, OCV увеличится до запрограммированного пользователем предела напряжения 4,2 В. Когда это произойдет, цепь питания переключится в режим CV, а затем отрегулирует OCV ячейки на желаемом напряжении. Опять же, это переключение с CC на CV, которое обычно называют переходом режимов, происходит за миллисекунды.

В режиме CV цепь питания больше не будет пытаться регулировать ток, поскольку регулируемым параметром является напряжение. Пока напряжение поддерживается постоянным, ток начнет падать, когда ячейка достигнет 100% SoC, и ячейка больше не сможет принимать больше энергии. В конце концов, ток ячейки снизится до порогового значения 10 мА. После этого общая система управления зарядным устройством решит прекратить зарядку, поскольку достигнуто запрошенное пользователем отсечное значение 10 мА.

Регулирование через обратную связь

Цепь питания должна знать напряжение на ячейке; таким образом, он измеряет напряжение на ячейке с помощью контактов контроля напряжения. (Подробнее о контактах для контроля напряжения позже.) При работе в режиме CV напряжение измеряется и подается обратно в цепь источника питания. Система обратной связи берет измеренное напряжение и сравнивает его с запрограммированной пользователем уставкой напряжения, повышая/понижая регулировку напряжения источника питания, чтобы поддерживать или регулировать правильное напряжение на ячейке. Следовательно, напряжение является контролируемым параметром при постоянном напряжении, а ток не контролируется, поэтому он изменяется в зависимости от того, что происходит в ячейке.

Обратите внимание, что выход цепи зарядного устройства источника питания будет выше, чем OCV элемента на концах проводов из-за падения напряжения в проводах между выходом зарядного устройства и клеммами элемента (рис. 1). ) . Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с этой статьей.

1. Падение напряжения V _dropR1 и V _dropR2 из-за протекания тока через проволочные сопротивления R1 и R2 усложняют зарядку элемента.

Электроника заряда/разряда измеряет OCV элемента на клеммах +S и -S, которые имеют высокое входное сопротивление. В качестве входного сигнала с высоким импедансом на эти клеммы через измерительные провода не поступает ток. Поэтому сопротивление этих проводов значения не имеет. В результате напряжение падает, а токоведущие провода компенсируются. Почему? Поскольку электроника может измерять OCV клетки и регулировать V _из для преодоления перепадов напряжения в проводах за счет повышения выходного напряжения зарядного устройства для поддержания ячейки OCV на концах токоведущих проводов.

Аналогично, схема питания должна знать ток, протекающий к ячейке в режиме CC. Схема измеряет ток в ячейке с помощью внутреннего датчика измерения тока. Нет необходимости в контактах для контроля тока, потому что ток везде одинаков в токовой петле, что контрастирует с напряжением, где вы сталкиваетесь с падением напряжения из-за сопротивления в проводах.

При работе в режиме CC ток измеряется и возвращается в цепь питания. Система обратной связи принимает измеренный ток и сравнивает его с запрограммированной пользователем уставкой тока и регулирует выходной ток источника питания вверх/вниз, чтобы поддерживать правильный ток в ячейке. Следовательно, ток является контролируемым параметром в CC, а напряжение не контролируется, позволяя напряжению изменяться в зависимости от того, что происходит в ячейке.

И последний нюанс: все это означает, что вы не можете сказать «Я хочу зарядить аккумулятор в CC», так как режим работы зарядного устройства не контролируется напрямую. Ячейка определяет, работает ли схема зарядного устройства источника питания в CV или CC. Если OCV элемента меньше уставки напряжения зарядного устройства, зарядное устройство будет находиться в режиме CC. Если OCV элемента соответствует заданному значению напряжения зарядного устройства, зарядное устройство будет находиться в режиме CV.

На этапе разрядки

Для этапа разрядки инструкция процесса зарядки может быть «Разряжать током 6 ампер в течение 60 минут». Как и в предыдущем примере, пользователь может предоставить эту инструкцию некоторому программному обеспечению высокого уровня. В конечном счете, однако, это приведет к программированию оборудования разрядника, чтобы оно действовало как электронная нагрузка, вытягивая ток из элемента.

Обычно разрядка завершается, когда ячейка начинает работу с высокого SoC%, и OCV ячейки также будет высоким. Схема разряда, вероятно, представляет собой ту же электронику, что и схема зарядки, и, вероятно, будет поддерживать режимы работы CC и CV. По сути, силовая цепь представляет собой комбинированную схему, которая может действовать как источник питания CV/CC, подающий энергию в элемент во время заряда, и как электронная нагрузка CV/CC, поглощающая энергию из элемента во время разряда.

Таким образом, при запросе разряда CC при 6 А в течение 60 минут запрос пользователя будет преобразован системным программным обеспечением в программирование электронной схемы нагрузки с уставкой CC 6 A и очень низкой уставкой постоянного напряжения, возможно, 1 V. Система автоматически установит эту точку напряжения настолько низкой, что она никогда не будет достигнута, как вы увидите в следующих параграфах.

Теперь начинается разрядка. Как правило, вы захотите разрядить элемент, когда SoC элемента высок, что делает OCV элемента также высоким, возможно, 4,2 В. Электронная схема нагрузки в разряднике будет пытаться отрегулировать напряжение на элементе до 1 В, но напряжение ячейки, измеренное контактами измерения напряжения, составляет 4,2 В. Электронная схема нагрузки начнет потреблять ток от ячейки, чтобы снизить напряжение, но OCV ячейки останется высоким, потому что ячейка имеет достаточно накопленной энергии, пока находится в состоянии покоя. высокий SoC. Электронная нагрузка будет потреблять все больше и больше тока от элемента, в то время как OCV элемента все еще остается высоким.

В конце концов, электронная схема нагрузки достигнет запрограммированного пользователем предела тока 6 А. Когда это произойдет, схема переключится в режим CC и будет регулировать ток на запрограммированном пользователем значении 6 A. В режиме CC электронная схема больше не будет пытаться регулировать напряжение, потому что в режиме CC контролируемым параметром является ток. Все это происходит за миллисекунды.

Электронная нагрузка продолжает потреблять накопленную энергию из ячейки, снижая SoC и OCV ячейки. Во время разряда OCV элемента никогда не достигает очень низкого запрограммированного предела напряжения. Таким образом, электронная нагрузка остается в CC на протяжении всего шага разряда, как того требует пользователь. После этого общая система управления зарядным устройством примет решение об остановке этапа разрядки, поскольку достигнут запрошенный пользователем 60-минутный предел.

Связь с ячейками

Высококачественные зарядные/разрядные устройства используют 4-проводное соединение с ячейкой. Ток будет течь по двум токонесущим проводам, (+) плюс и (-) минус, размер которых соответствует максимальному току ячейки. Два других провода предназначены для измерения напряжения на ячейке, чтобы зарядное/разрядное устройство получало необходимую обратную связь для правильного регулирования постоянного напряжения.

Эти провода, известные как провода дистанционного управления, предназначены только для измерения напряжения, поэтому по ним не протекает ток. Таким образом, сенсорные провода и связанные с ними контактные штифты могут быть тонкими. См. таблица для общих имен, используемых этими 4 проводами.

Токонесущие провода будут контактировать с ячейками через токовые контакты соответствующего размера. В зависимости от тока, это могут быть относительно тонкие штырьки, несущие ток в несколько ампер, или большие контактные блоки с большой площадью контакта, обеспечивающие контакт с очень низким сопротивлением в миллиомах или микроомах.

Напротив, выводы для измерения напряжения с помощью дистанционного датчика могут быть небольшими контактными точками на концах тонких проводов, поскольку их сопротивление не имеет критического значения, поскольку через эти контакты или через провода датчиков не протекает ток.

Как для сильноточных, так и для слаботочных контактов контакты часто имеют острую кромку или острие, чтобы пробить оксидные слои, которые могут образоваться на контактах выводов ячейки. Поскольку эти оксидные слои будут увеличивать контактное сопротивление, их необходимо будет проколоть острым контактом. Такие штифты часто покрывают латунью или золотом, чтобы избежать накопления оксида на самом штифте.

Многие конструкции штифтов соосны с сенсорным штифтом внутри внешнего трубчатого сильноточного штифта, но не находятся с ним в электрическом контакте. В случае большой контактной пластины сенсорный штифт иногда располагается внутри центрального отверстия контактной пластины 9.0005 (рис. 2) .

2. Показана поверхность сильноточного контактного блока с центральным контактом датчика напряжения. Формы пирамид направлены на то, чтобы прорвать оксидный слой. (Фото предоставлено VoltaVision GmbH)

Аккумулятор в качестве источника питания

Существуют различные типы перезаряжаемых аккумуляторов. Наиболее распространенным типом является свинцово-кислотный аккумулятор. Менее известным является никель-кадмиевый (NiCad) аккумулятор, который до сих пор часто можно найти в старых системах аварийного питания. Из-за высокого зарядного напряжения, необходимого для никель-кадмиевых аккумуляторов, и того факта, что они очень неблагоприятны для окружающей среды, эти аккумуляторы не подходят для использования на борту судна или автомобиля/грузовика.

Принцип работы свинцово-кислотной батареи

Батарея представляет собой устройство, которое накапливает электроэнергию в виде химической энергии. При необходимости энергия снова высвобождается в виде электроэнергии для потребителей постоянного тока, таких как освещение и стартеры. Батарейка состоит из нескольких гальванических элементов напряжением 2 вольта каждый. В 12-вольтовой батарее шесть элементов соединены последовательно и помещены в один корпус. Чтобы получить 24 вольта, две 12-вольтовые батареи соединены последовательно. Каждая ячейка имеет положительные оксидированные свинцовые пластины и отрицательные металлические свинцовые пластины, а также электролит, состоящий из воды и серной кислоты. Во время разрядки оксид свинца на свинцовых пластинах превращается в свинец. Содержание кислоты уменьшается, потому что для этого процесса требуется серная кислота.

Для подзарядки аккумулятора необходимо подключить внешний источник питания, например зарядное устройство, генератор переменного тока или солнечную панель, с напряжением около 2,4 В на элемент. Сульфат свинца будет снова преобразован в свинец и оксид свинца, а содержание серной кислоты возрастет. Для напряжения заряда установлены пределы, чтобы предотвратить выделение чрезмерного количества водорода. Например, при зарядном напряжении более 2,4 В на элемент выделяется много газообразного водорода, который может образовывать взрывоопасную смесь с кислородом воздуха.

Верхний предел зарядного напряжения для 12-вольтовой батареи составляет 14,4 В, а соответствующее значение для 24-вольтовой батареи составляет 28,8 В при 20 °C. Соотношение между степенью заполнения аккумулятора и удельным весом смеси воды и серной кислоты выглядит следующим образом:

         

Различные типы аккумуляторов — с точки зрения толщины и количества пластин на элемент — соответствуют различным приложениям. Максимальный ток, который может быть отдан, определяется общей поверхностью пластины. Количество циклов разрядки и перезарядки аккумулятора зависит от толщины пластин. Батарея может состоять как из множества тонких пластин, так и из нескольких толстых.

Стартерная батарея

Стартерная батарея имеет много тонких пластин на элемент, что приводит к большой общей поверхности пластин. Таким образом, этот тип батареи подходит для обеспечения высокого уровня тока в течение короткого периода времени. Количество раз, когда стартерная батарея может быть сильно разряжена, ограничено примерно 50-80. Но поскольку при запуске двигателя используется лишь небольшая часть запасенной энергии (около 0,01 %), срок службы батареи составляет много лет. Этот тип батареи обычно не подходит для циклического использования.

Литий-ионный аккумулятор

До недавнего времени ионно-литиевые аккумуляторы в основном выпускались в виде перезаряжаемых аккумуляторов небольшой емкости, что сделало их популярными для использования в мобильных телефонах и ноутбуках. Mastervolt предлагает литий-ионные аккумуляторы большой емкости. Наши литий-ионные аккумуляторы обладают высокой плотностью энергии и идеально подходят для циклических применений. По сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами литий-ионные аккумуляторы обеспечивают экономию до 70 % объема и веса, а количество циклов зарядки в три раза выше, чем у полутяговых свинцово-кислотных аккумуляторов. Дополнительным преимуществом является то, что литий-ионные батареи могут обеспечивать постоянную емкость независимо от подключенной нагрузки. Доступная емкость свинцово-кислотной батареи уменьшается в случае более высоких разрядных токов. Литий-ионные аккумуляторы могут быть разряжены до 80 % без ущерба для их срока службы, в то время как свинцово-кислотные аккумуляторы более подвержены глубокому разряду.

Работает дольше

По сравнению с традиционными открытыми или свинцово-кислотными батареями литий-ионные батареи предлагают еще больше преимуществ, таких как гораздо большая удельная мощность и более длительный срок службы. И поскольку литий является самым легким металлом, литий-ионные батареи также более легкие. Их также можно заряжать в любое время, в то время как никель-кадмиевые батареи требуют полной разрядки для оптимальной работы и предотвращения эффекта памяти. Кроме того, ионно-литиевые аккумуляторы можно заряжать очень высоким током, до 100 % емкости, что приводит к очень короткому времени зарядки и отсутствию эффекта памяти.

Система управления батареями

Литий-ионные батареи Mastervolt оснащены системой управления батареями. Система сохраняет все отдельные ячейки идеально сбалансированными, что приводит к более высокой емкости и более длительному сроку службы.

De Полутяговая батарея

Полутяговая батарея имеет меньшее количество пластин, но более толстых в каждой ячейке. Эти батареи обеспечивают относительно меньший пусковой ток, но могут разряжаться чаще и в большей степени (от 200 до 600 полных циклов). Аккумулятор такого типа отлично подходит для комбинированной функции стартерной и сервисной батареи.

Залитая тяговая батарея

(Мастервольт не имеет этого типа батарей в своем ассортименте)

У этого типа батареи еще меньше, но очень толстые, плоские или цилиндрические пластины. Поэтому его можно разряжать много раз и достаточно полностью (1000-1500 полных циклов). Вот почему залитые тяговые батареи часто используются в вилочных погрузчиках и небольшом электрическом оборудовании, таком как промышленные уборочные машины. А вот залитые тяговые батареи требуют особого способа заряда. Поскольку эти батареи в основном высокие, они чувствительны к накоплению серной кислоты на дне контейнера батареи. Это явление называется расслоением и происходит потому, что серная кислота тяжелее воды. Кислотность увеличивается в нижней части батареи, локально усиливая коррозию пластин, и снижается в верхней части, снижая емкость.