Зарядное устройство для автомобильного (кислотного) АКБ (Часть 1)

Опубликовано 01.03.202201.03.2022 автором Moldik

Есть у меня такое зарядное устройство, ничего общего с BOSH я так понимаю оно не имеет, потому, что даже для зарядного это очень громко сказано. Однако со своей функцией оно кое как справляется — что-то заряжает. Внутри этого «устройства» находится хилинький трансформатор, в обмотку которого внедрен самовостанавливающийся термопредохранитель, амперметр, который показывает ОЧЕНЬ приближенное значение, потому как трансформатор который там стоит в принципе не может выдать не способен выдать более 2-х ампер — размер маловат, и да, там есть еще обыкновенный предохранитель, который находится в нижней части корпуса. Но есть интересный нюанс, тот самый предохранитель никуда не подключен, просто в колечко, сам на себя, видимо защищает от каких-то аномальных флуктуационных токов)) По этой причине задумался я или как-то его усовершенствовать или сделать что-то другое, в хозяйстве без зарядного нельзя.

Пойдем от простого к сложному.

1. Простое зарядное устройство

реклама

Зарядное устройство, схема

Объяснять особо тут нечего, одна проблема — мощный резистор, он будет греть вселенную ограничивая собой ток заряда

2. Можно поступить по другому: Ограничить напряжение на входе трансформатора и тем самым ограничить ток на заряжаемом АКБ.

Зарядное устройство, схема

Схема тоже очень простая и легкая в повторении. Но это уже устройство, которое может автоматически отключить ваш АКБ от зарядного после достижения определенного напряжения на нем. При всей своей простоте такое зарядное с лихвой удовлетворит запросы подавляющего большинства автолюбителей. Подключаем АКБ (обязательно с правильной полярностью), нажимаем кнопку «Пуск», галетным переключателем выбираем необходимый нам ток заряда и наслаждаемся. С помощью переменного резистора R4 можно выставить напряжение при котором сработает реле К2 и отключит зарядное от сети. И вот это самый классный момент, отключение именно от сети!

реклама

3. Еще одно простое зарядное устройство, но уже с плавной регулировкой тока:

Это зарядное устройство дает возможность плавной регулировки тока заряда, если его еще и дополнить частью схемы предыдущего устройства, оно научится отключатся от сети по завершению заряда. Нужно иметь ввиду, что можно использовать террорист рабочий ток которого попадает в пределы тока заряда.
Можно немного усовершенствовать схему регулируя напряжение сети до трансформатора, тем самым уменьшить бесполезно рассеиваемую мощность на трансформаторе когда ток ограничен. К примеру так:

К стати часть схемы до трансформатора можно с успехом использовать для регулировки мощности различных устройств, к примеру обычного паяльника.
В место тиристора и диодного моста можно использовать симистор

4. Еще одно довольно простое автоматическое зарядное устройство:

В схеме присутствует ошибка, а именно: отсутствует кнопка «Пуск», она должна стоять параллельно контактам реле и иметь нормально разомкнутые контакты.
Тут отсутствует регулировка тока. Работает это устройство так: компаратор сравнивает напряжение со стабилитрона на одном входе и напряжение с резистивного делителя на другом, и при достижении второго напряжения (выставленного резистором R2) закрывает транзистор , который обесточит реле.

5. Теристорно-семисторная схема:

Тут известная уже нам схема в первичной цепи трансформатора регулирует ток, а а схема на теристоре, во вторичной цепи помогает отключить устройство от АКБ по окончании заряда. Работает это так: при включении сразу открывается теристор, через резистор R7, по мере заряда, на АКБ растет напряжение и делится резистивным делителем R10, R11 в определенный момент , когда напряжение на R10 достигает напряжения пробоя стабилитрона VD5 открывается транзистор VT2 и закрывает теристор — АКБ обесточен.

В обоих схемах встречается дефицитный сейчас уже транзистор КТ117 (хотя в эпоху моей молодости он был не особо распространен), но это не беда, его можно заменить эквивалентом по следующей схеме:

Благодаря замечанию Михаила, нашлась ошибка на схеме выше — на схеме перепутаны обозначения База1 и База2, кто будет собирать имейте это ввиду!

В следующем своем опусе я постараюсь рассмотреть более сложные зарядные устройства с возможностью десульфатации пластин акб и т. д.

Всем свежей канифоли! Жду ваших комментариев.

АКБ, В авто, Зарядное

авто, АКБ, зарядное, схема

Схема зарядного устройства для автомобильного аккумулятора своими руками

При нормальных условиях эксплуатации, электрическая система автомобиля самодостаточна. Речь идет об энергоснабжении – связка из генератора, регулятора напряжения, и аккумуляторной батареи, работает синхронно и обеспечивает бесперебойное питание всех систем.

Это в теории. На практике, владельцы автомобилей вносят поправки в эту стройную систему. Или же оборудование отказывается работать в соответствии с установленными параметрами.

Например:

1. Эксплуатация аккумуляторной батареи, которая исчерпала свой ресурс. Элемент питания «не держит» заряд
2. Нерегулярные поездки. Длительный простой автомобиля (особенно в период «зимней спячки») приводит к саморазряду АКБ
3. Автомобиль используется в режиме коротких поездок, с частым глушением и запуском мотора. АКБ просто не успевает подзарядиться
4. Подключение дополнительного оборудования увеличивает нагрузку на АКБ. Зачастую приводит к повышенному току саморазряда при выключенном двигателе
5. Экстремально низкая температура ускоряет саморазряд
6. Неисправная топливная система приводит к повышенной нагрузке: автомобиль заводится не сразу, приходится долго крутить стартер
7. Неисправный генератор или регулятор напряжения не позволяет нормально заряжать аккумулятор. К этой проблеме относятся изношенные силовые провода и плохой контакт в цепи заряда
8. И наконец, вы забыли выключить головной свет, габариты или музыку в автомобиле. Для полного разряда аккумулятора за одну ночь в гараже, иногда достаточно неплотно закрыть дверь. Освещение салона потребляет достаточно много энергии.

Любая из перечисленных причин приводит к неприятной ситуации: вам надо ехать, а батарея не в силах провернуть стартер. Проблема решается внешней подпиткой аккумулятора: то есть, зарядным устройством.

Во вкладке четыре проверенных и надежных схем зарядных устройств для автомобиля от простой до самой сложной. Выбирай любую и она будет работать.

Простая схема зарядного устройства на 12В.

Зарядное устройство с регулировкой тока зарядки.

Регулировка от 0 до 10А осуществляется изменением задержки открывания тринистора.

Схема зарядного устройства для аккумулятора с самоотключением после зарядки.

Для заряда аккумуляторов емкостью 45 ампер.

Схема умного зарядного устройства, которое предупредит о не правильном подключении.

 

Любая схема автомобильного зарядного устройства состоит из следующих компонентов:

• Блок питания.
• Стабилизатор тока.
• Регулятор силы тока заряда. Может быть ручным или автоматическим.
• Индикатор уровня тока и (или) напряжения заряда.
• Опционально – контроль заряда с автоматическим отключением.

Любой зарядник, от самого простого, до интеллектуального автомата – состоит из перечисленных элементов или их комбинации.

Схема простого зарядного устройства для автомобильного аккумулятора

Формула нормального заряда простая, как 5 копеек – базовая емкость батареи, деленная на 10. Напряжение заряда должно быть немногим более 14 вольт (речь идет о стандартной стартерной батарее 12 вольт).

Простая принципиальная электрическая схема зарядного устройства для автомобиля состоит из трех компонентов: блок питания, регулятор, индикатор.

Классика — резисторный зарядник

Блок питания изготавливается из двух обмоточного «транса» и диодной сборки. Выходное напряжение подбирается вторичной обмоткой. Выпрямитель – диодный мост, стабилизатор в этой схеме не применяется.
Ток заряда регулируется реостатом.

Важно! Никакие переменные резисторы, даже на керамическом сердечнике, не выдержат такой нагрузки.

Проволочный реостат необходим для противостояния главной проблеме такой схемы – избыточная мощность выделяется в виде тепла. Причем происходит это очень интенсивно.

Разумеется, КПД такого прибора стремится к нулю, а ресурс его компонентов очень низкий (особенно реостата). Тем не менее, схема существует, и она вполне работоспособна. Для аварийной зарядки, если под рукой нет готового оборудования, собрать ее можно буквально «на коленке». Есть и ограничения – ток более 5 ампер является предельным для подобной схемы. Стало быть, заряжать можно АКБ емкостью не более 45 Ач.

Гасящий конденсатор

Принцип работы изображен на схеме.

Благодаря реактивному сопротивлению конденсатора, включенного в цепь первичной обмотки, можно регулировать зарядный ток. Реализация состоит из тех же трех компонентов – блок питания, регулятор, индикатор (при необходимости). Схему можно настроить под заряд одного типа АКБ, и тогда индикатор будет не нужен.

Если добавить еще один элемент – автоматический контроль заряда, а также собрать коммутатор из целой батареи конденсаторов – получится профессиональный зарядник, остающийся простым в изготовлении.

Схема контроля заряда и автоматического отключения, в комментариях не нуждается. Технология отработана, один из вариантов вы видите на общей схеме. Порог срабатывания устанавливается переменным резистором R4. Когда собственное напряжение на клеммах аккумуляторной батареи достигает настроенного уровня, реле К2 отключает нагрузку. В качестве индикатора выступает амперметр, который перестает показывать ток заряда.

Изюминка зарядного устройства – конденсаторная батарея. Особенность схем с гасящим конденсатором – добавляя или уменьшая емкость (просто подключая или убирая дополнительные элементы) вы можете регулировать выходной ток. Подобрав 4 конденсатора для токов 1А, 2А, 4А и 8А, и коммутируя их обычными выключателями в различных комбинациях, вы можете регулировать ток заряда от 1 до 15 А с шагом в 1 А.

При этом никакого паразитного нагрева (кроме естественного, выделяющегося на диодах моста), коэффициент полезного действия зарядника высокий.

Схема самодельного зарядного устройства для аккумулятора на тринисторе

Если вы не боитесь держать в руках паяльник, можно собрать автомобильный аксессуар с плавной регулировкой тока заряда, но без недостатков, присущих резисторной классике.

В качестве регулятора применяется не рассеиватель тепла в виде мощного реостата, а электронный ключ на тиристоре. Вся силовая нагрузка проходит через этот полупроводник. Данная схема рассчитана на ток до 10 А, то есть позволяет без перегрузок заряжать АКБ до 90 Ач.

Регулируя резистором R5 степень открытия перехода на транзисторе VT1, вы обеспечиваете плавное и очень точное управление тринистором VS1.

Схема надежная, легко собирается и настраивается. Но есть одно условие, которое мешает занести подобный зарядник в перечень удачных конструкций. Мощность трансформатора должна обеспечивать троекратный запас по току заряда.

То есть, для верхнего предела в 10 А, трансформатор должен выдерживать длительную нагрузку 450-500 Вт. Практически реализованная схема будет громоздкой и тяжелой. Впрочем, если зарядное устройство стационарно устанавливается в помещении – это не проблема.

Схема импульсного зарядного устройства для автомобильного аккумулятора

Все недостатки перечисленных выше решений, можно поменять на один – сложность сборки. Такова сущность импульсных зарядников. Эти схемы имеют завидную мощность, мало греются, располагают высоким КПД. К тому же, компактные размеры и малый вес, позволяют просто возить их с собой в бардачке автомобиля.

Схемотехника понятна любому радиолюбителю, имеющему понятие, что такое ШИМ генератор. Он собран на популярном (и совершенно недефицитном) контроллере IR2153. В данной схеме реализован классический полу мостовой инвертор.

При имеющихся конденсаторах выходная мощность составляет 200 Вт. Это немало, но нагрузку можно увеличить вдвое, заменив конденсаторы на емкости по 470 мкФ. Тогда можно будет заряжать аккумуляторы емкостью до 200 Ач.

Собранная плата получилась компактной, умещается в коробочку 150*40*50 мм. Принудительного охлаждения не требуется, но вентиляционные отверстия надо предусмотреть. Если вы увеличиваете мощность до 400 Вт, силовые ключи VT1 и VT2 следует установить на радиаторы. Их надо вынести за пределы корпуса.

В качестве донора может выступить блок питания от системника ПК.

Важно! При использовании блока питания АТ или АТХ, возникает желание переделать готовую схему в зарядное устройство. Для реализации такой затеи необходима заводская схема блока питания.

Поэтому просто воспользуемся элементной базой. Отлично подойдет трансформатор, дроссель и диодная сборка (Шоттки) в качестве выпрямителя. Все остальное: транзисторы, конденсаторы и прочая мелочь – обычно в наличии у радиолюбителя по всяким коробочкам-ящичкам. Так что зарядник получается условно бесплатным.

Стоимость же заводского импульсника на 300-500 Вт – не менее 50 долларов (в эквиваленте).

Вывод:

Собирайте и пользуйтесь. Хотя разумнее поддерживать вашу аккумуляторную батарею «в тонусе».

Повышение производительности батареи с помощью расширенной зарядки

Участники могут загрузить эту статью в формате PDF.

Что вы узнаете:

• Важность правильной зарядки аккумулятора.
• Две основные схемы зарядки аккумулятора.
• Как разработать зарядное устройство CCCV.
• Результаты испытаний конструкции на основе CCCV.
  

Электронные устройства с батарейным питанием стали одним из ключевых элементов повседневной жизни, и использование перезаряжаемых батарей более практично и экономично, чем те, которые требуют частой замены. Зарядные устройства являются важной частью системы управления питанием таких устройств. Процесс зарядки аккумулятора эволюционировал, включая процедуру зарядки аккумулятора и схему реализации этой процедуры.

Для питания электронных устройств доступны несколько аккумуляторных элементов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Однако этот портфель типов батарей сокращается при рассмотрении портативных устройств, которые также должны быть легкими. С учетом этого ограничения литий-ионные, литий-полимерные (LiPo) и LiFePO4 батареи являются наиболее часто используемыми элементами в реальных приложениях, а батареи LiPo находятся в верхней части списка.

Литий-полимерные батареи — это перезаряжаемые батареи, в которых используется литий-ионная технология с полимерным электролитом вместо жидкого электролита. Полимерный электролит состоит из полутвердого вещества (геля) с высокой проводимостью, что позволяет изготавливать аккумуляторы этого типа практически любого размера и формы. Батареи LiPo обеспечивают более высокую удельную энергию, чем другие типы литиевых батарей. Они имеют номинальное напряжение элемента 3,7 В, которое преобразуется в стандартное напряжение для аккумуляторных приложений. Когда требуется более высокое напряжение, например 7,4 В, два элемента LiPo соединяются последовательно.

Вторым обычно анализируемым параметром является емкость аккумулятора. Емкость аккумулятора — мера (обычно в ампер-часах) заряда, сохраняемого аккумулятором, — определяется массой активного материала, содержащегося в аккумуляторе. Аккумуляторы LiPo были разработаны для различных емкостей: от 80 мАч для малогабаритных маломощных приложений до 8 Ач для портативных устройств с двигателем, таких как дроны и автомобили с дистанционным управлением.

Одной из ключевых функций, которую необходимо контролировать для повышения производительности батареи с точки зрения доступной емкости и срока службы батареи, является процесс зарядки. Процесс зарядки эволюционировал для повышения производительности, а аппаратное обеспечение было миниатюризировано для создания зарядных устройств меньшего размера, которые можно включать в портативные устройства без значительного увеличения веса и размера. Здесь мы разработаем процесс зарядки и блок питания зарядного устройства для аккумуляторов Li-ion, LiPo и LiFePO4, используя устройство смешанного сигнала HVPAK SLG47105 и пассивные компоненты, чтобы создать небольшое монолитное зарядное устройство для аккумуляторов.

Схемы зарядки аккумуляторов

Аккумуляторы можно заряжать с помощью различных процессов, включающих различные регулировки тока и напряжения, которые обычно называются схемами зарядки. Для аккумуляторов на основе лития в реальных приложениях применяются две основные схемы: схема импульсной зарядки и схема постоянного тока постоянного напряжения (CCCV). Эти схемы предназначены для продления срока службы батареи.

В ходе многих электрохимических реакций внутренняя структура батареи постепенно истощается, что сокращает срок службы батареи. Кроме того, каждый цикл зарядки нагружает структуру батареи и приводит к ее ухудшению. Это накладывает ограничение на количество циклов перезарядки. Чтобы увеличить количество циклов перезарядки, различные схемы зарядки аккумуляторов соответствуют профилю, разработанному для обеспечения безопасности и длительного срока службы без ущерба для производительности.

Схема импульсной зарядки

Простейшей схемой зарядки является импульсная зарядка, при которой к аккумуляторной батарее подается кратковременный импульс тока с высоким пиком. Высокий уровень тока изначально создает всплеск напряжения батареи, превышающий номинальное максимальное напряжение батареи. Напряжение батареи восстанавливается до нормального уровня, когда она может полностью поглотить введенный заряд, после чего напряжение батареи достигает уровня выше, чем до подачи пикового тока.

Процесс повторяется несколько раз, пока напряжение батареи не достигнет номинального значения. Эта последовательность показана на рис. 1 .

Схема импульсной зарядки является одной из самых популярных схем из-за простоты и экономичности реализации. Однако импульсная схема также имеет много недостатков. Например, скачки напряжения батареи обычно ниже максимального напряжения, которое батарея может выдержать без повреждений. Это всегда справедливо для таких аккумуляторов, как свинцово-кислотные, но не всегда для литиевых версий. Аккумуляторы на основе лития очень чувствительны к напряжению, поэтому всплески могут повредить их.

Кроме того, импульсы высокого пикового тока могут генерировать чрезмерное тепло, вызывая температурные перегрузки. Это может быть довольно опасно — аккумулятор может взорваться или загореться. Таким образом, импульсная схема зарядки для литиевых аккумуляторов нежелательна.

Схема зарядки CCCV

Схема зарядки CCCV основана на четырех фазах (рис. 2) . Первая фаза, обычно называемая фазой непрерывного заряда, предназначена для проверки правильности работы батареи или ее повреждения без подачи напряжения или тока, которые в противном случае могли бы быть опасными. Это достигается путем подачи постоянного зарядного тока на батарею до тех пор, пока напряжение батареи не достигнет минимального уровня, обычно называемого V 9.0074 bat_short . Уровень постоянного тока, используемый в этой фазе (I _{bat_short} ), обычно составляет 5% от полного зарядного тока (называемого I _chg ), чтобы избежать чрезмерного нагрева в случае повреждения батареи.

После того, как аккумулятор продемонстрирует нормальную работу, увеличив свое напряжение выше V _{bat_short} , начнется вторая фаза зарядки, предварительная зарядка. Уровень постоянного тока I _prechg , используемый на этой фазе, обычно составляет 10 % от полного зарядного тока I _{chg 9.0075 . Эта фаза продолжается до тех пор, пока напряжение батареи не достигнет минимального рабочего напряжения, называемого V bat_low , что обычно соответствует примерно 70% номинального напряжения батареи.}

Когда напряжение батареи превышает В _{bat_low} , запускается фаза постоянного тока или быстрой зарядки, применяя ток быстрой зарядки (I _chg ) для достижения 100% емкости батареи. Постоянный ток подается до тех пор, пока напряжение батареи не увеличится до напряжения регулирования батареи (V _батрег ). Это делается для того, чтобы избежать применения фазы высокого постоянного тока, которая может привести к увеличению напряжения батареи выше максимального номинального уровня, что приведет к повреждению батареи и чрезмерному нагреву.

При достижении напряжения регулирования батареи фаза быстрой зарядки прекращается и начинается четвертая фаза — фаза постоянного напряжения. В этой фазе подается постоянное напряжение, равное номинальному регулирующему напряжению батареи.

В этом случае батарея автоматически регулирует свой ток, поглощая столько заряда, сколько необходимо для продолжения процесса зарядки. По мере того, как аккумулятор продолжает заряжаться, его ток начинает уменьшаться. Когда ток падает до уровня тока предварительной зарядки (10 % от I _chg ), фаза регулирования напряжения завершается, и аккумулятор можно считать полностью заряженным.

Когда аккумулятор заряжен, зарядное устройство может автоматически контролировать его напряжение. Когда напряжение падает до напряжения подзарядки V _{bat_rchg} , обычно 96% от номинального напряжения, процесс зарядки начинается снова.

Благодаря фазам постоянного тока и постоянного напряжения эта схема зарядки называется CCCV. Точный контроль напряжения и тока делает эту схему очень популярной для аккумуляторов, чувствительных к уровню напряжения и тока, таких как батареи на основе лития.

Схема зарядки CCCV включает несколько фаз с разными начальными и конечными условиями и разными уровнями тока или напряжения, поэтому она требует более сложной реализации. Эта схема зарядки реализована в нескольких коммерческих ИС от разных производителей. Обычно для них требуется несколько внешних компонентов не только для конфигурации и регулирования напряжения и тока, но и для реализации выходного каскада мощности.

В этой статье мы будем использовать эту схему для монолитного зарядного устройства с интегрированным выходным каскадом. Это зарядное устройство настраивается извне, поэтому все напряжения и токи выбираются пользователем.

Схема устройства зарядного устройства

Монолитное зарядное устройство с использованием SLG47105 показано на рис. 3 . Питание от батареи генерируется высокочастотным широтно-импульсным модулятором (ШИМ), переключающим внутренние высоковольтные GPIO SLG47105, сконфигурированные как полумост. В качестве драйверов тока для процесса зарядки аккумулятора эти контакты переключают выходную катушку индуктивности для создания желаемого регулируемого выходного напряжения.

ШИМ, генерируемый внутренним модулем ШИМ микросхемы HVPAK, управляется внутренне на основе обратной связи по напряжению и току через аналоговые компараторы и модули измерения тока. Опорные значения напряжения и тока для регулирования контролируются внутренним образом, генерируя опорный уровень для соответствующей фазы зарядки.

Весь процесс, включая все этапы схемы начисления платы CCCV, контролируется внутренними таблицами поиска (LUT) и счетчиками пульсаций, сконфигурированными для реализации конечного автомата, генерирующего все необходимые сигналы. Блок-схема на рис. 3 представлена ​​на принципиальной схеме, показанной на на рис. 4 . Он включает в себя необходимые внешние компоненты для настройки уровня напряжения и тока, а также выходные фильтры для зарядки аккумулятора.

Как показано на принципиальной схеме, выход системы, подключенный к батарее, фильтруется катушкой индуктивности 10 мкГн и неполярным конденсатором 100 мкФ. Эти значения выбраны для фильтрации высокочастотной составляющей 9Выход ШИМ 8,04 кГц.

Схема в Рисунок 5 (сеть Iref) используется для настройки тока непрерывной зарядки I _{bat_short} , тока предварительной зарядки I _prechg и тока быстрой зарядки I _chg .

Значения трех резисторов определяются следующими уравнениями:

При выборе этих резисторов можно настроить все уровни тока для зарядки аккумулятора, чтобы зарядное устройство могло адаптироваться к требованиям зарядки аккумулятора. Зарядное устройство может работать до 2 А. Аналогичные концепции могут применяться для обратной связи по напряжению батареи. Обратная связь по напряжению батареи управляется зарядным устройством для достижения условий каждой фазы зарядки и, наконец, на последнем этапе, для ее регулирования.

Для реализации этого управления системе требуется сигнал напряжения, который должен быть получен с помощью цепи резистор-делитель, показанной на рис. 6 . Сеть, показанная на рис. 5 , также позволяет пользователю настроить номинальное напряжение батареи.

Напряжение заряда аккумулятора настраивается по следующему уравнению:

Резистор R1 _{— это резистор верхнего плеча от аккумулятора к контакту обратной связи по току, а R2 — резистор нижнего плеча от контакта обратной связи к GND. Рекомендуемое значение резистора R2 составляет 200 кОм или ниже. Кроме того, для получения наилучшего разрешения обоим резисторам требуется точность 1% или выше. Контакт состояния — это цифровой выход, показывающий состояние зарядки. Когда на этом выводе высокий уровень, батарея заряжается. Когда он низкий, батарея заряжена, и процесс завершен. Результатом этой реализации является зарядное устройство с характеристиками, указанными в таблице} .

Монолитное зарядное устройство реализовано на SLG47105V. Эта схема содержит внутренние ШИМ-генераторы, аналоговые компараторы, датчики тока и высоковольтные встроенные функции двойного Н-моста/счетверенного полумоста. Их можно использовать для генерирования зарядного напряжения и тока, необходимых для зарядки аккумулятора, с соответствующими сигналами для регулирования напряжения и тока.

Управление фазой CCCV осуществляется с помощью внутреннего счетчика пульсаций и сигналов обратной связи по напряжению и току (рис. 7) . Фаза непрерывного заряда представлена ​​внутри как нулевое состояние счетчика пульсаций и является первым состоянием элемента управления. В этом состоянии ACMP1H непрерывно контролирует напряжение батареи, пока оно не упадет ниже V _{bat_rchg.} Когда это условие выполнено, 3-битный LUT5 управления запуском позволяет всей системе начать процесс зарядки, а также активирует выход напряжения.

Каждая фаза имеет LUT, расположенную в верхней части рисунка, ожидающую заранее определенных условий, которые должны быть достигнуты для перехода к следующей фазе. Эти условия зависят от уровней напряжения или тока, которые сравниваются с компараторами ACMP0H и CCMP1.

Например, когда зарядное устройство находится в первой фазе, напряжение должно увеличиться выше V _{bat_short} , чтобы перейти к фазе предварительной зарядки. Это делается с помощью импульса, генерируемого 3-битным LUT0, который устанавливает высокий уровень только тогда, когда счетчик равен нулю, а напряжение обратной связи выше, чем опорное напряжение, подключенное к ACMP0H.

В этом состоянии сгенерированный импульс увеличивает счетчик пульсаций до следующего шага, и 3-битный LUT1 берет на себя управление. Эта динамика повторяется в течение всего цикла зарядки. Конфигурацию аналоговых компараторов и датчика тока можно увидеть на рисунках 8, 9 и 10 .

Как упоминалось ранее, зарядное напряжение батареи генерируется и регулируется ШИМ, подключенным к высоковольтным GPIO HVPAK, сконфигурированным как полумост. Такая конфигурация необходима для получения желаемого напряжения с большим выходным током без преобразования батареи с плавающим зарядом (как это было бы, если бы использовался Н-мост). Это требование отключает возможность использования датчика тока, подключенного к порту HV GPIO, используемому для батареи, поскольку ток не мог быть обнаружен в ответвлении полумоста.

Поскольку для его регулирования необходимо измерять ток, используется датчик тока второго HV GPIO SLG47105. Второй порт был настроен в High-Z; таким образом, по нему нет тока, и внешний шунтирующий резистор его датчика тока можно использовать в качестве шунтирующего резистора тока батареи. Подключения и конфигурации порта HV GPIO показаны на рисунках 11, 12 и 13 .

Для формирования сигнала ШИМ для регулирования напряжения и тока используется модуль ШИМ0. ШИМ настроен на 98,04 кГц, которые могут генерироваться высокочастотным внутренним генератором 25 МГц. Контроль рабочего цикла сконфигурирован как счетчик рабочего цикла; его можно увеличивать или уменьшать с помощью внешнего управляющего сигнала.

Этот управляющий сигнал поступает от датчиков напряжения и тока. Поэтому, в зависимости от текущей фазы зарядки, один из этих сигналов управляет выходом. Когда ток должен регулироваться, выход компаратора датчика тока определяет, должен ли рабочий цикл ШИМ быть выше или ниже, чтобы регулировать желаемый ток.

Когда необходимо регулировать напряжение, аналоговый компаратор таким же образом управляет ШИМ. ШИМ подключен к HV OUT0 для управления выходом полумоста. На рис. 14 показана конфигурация модуля PWM0.

Как показано ранее, управление напряжением осуществляется с помощью аналогового компаратора ACMP0H, подключенного к обратной связи по напряжению и внешнему опорному напряжению. Для генерации эталона модуль PWM1 фильтруется внешним RC-фильтром нижних частот первого порядка. Модуль PWM 1 настроен на генерацию 9Выходной сигнал ШИМ 8,04 кГц с настраиваемым рабочим циклом из внутреннего регистрового файла.

Каждый раз, когда система переходит к следующей фазе, ШИМ получает управляющий импульс для увеличения указателя регистра, чтобы генерировалось следующее требуемое опорное напряжение. Выход ШИМ подключается к контакту 15, фильтруется и подключается к контакту 3 в качестве опорного входного напряжения. Подключение как PWM 0, так и PWM1, а также конфигурация модуля PWM1 показаны на рисунках 15 и 16 .

Аналогичные идеи управления опорным напряжением могут быть применены к управлению опорным током. Управление током реализовано с помощью компаратора измерения тока CMP1, подключенного к шунтирующему резистору, и внешнего опорного напряжения, связанного с уровнями тока.

Для создания эталона используются три резистора, подключенные к цепи резисторов (снова рис. 5) . Каждый раз, когда система переходит к следующей фазе, система подключает соответствующий резистор, активируя соответствующий контакт (PIN 2, PIN 14 или PIN 20) и настраивая остальные как High-Z.

В этой реализации один из трех резисторов подключен к цепи резистор-делитель, а остальные отключены. Для этого необходимо, чтобы контакты, указанные выше, были сконфигурированы как цифровой ввод/вывод, при этом вывод данных должен быть подключен к GND, а вход разрешения вывода управляется внутренней логикой системы. На рисунках 17 и 18 показано подключение каждого контакта и конфигурация контакта 2. Полная схема реализации зарядного устройства представлена ​​на рисунке 19 . .

Тесты и выводы

Для проверки реализации система была собрана и проанализирована с помощью регистратора сигналов для анализа тока и напряжения батареи. Использовалась полностью разряженная батарея LiPo. Аккумулятор с номинальным напряжением 4,1 В заряжался током быстрой зарядки 1 А.

Для этой конфигурации R1 и R2 сети обратной связи по напряжению были 560 кОм и 200 кОм соответственно, а R _ichg , R _iprechg и R _{ibat_short} составляли 2482 Ом, 242,7 Ом и 84,7 Ом соответственно. Всю систему можно увидеть на рис. 20 .

Для анализа результатов мы записали кривую напряжения и тока на аккумуляторе, выходное опорное напряжение, используемое для регулирования напряжения на разных фазах заряда, и рабочий цикл ШИМ-выхода.

На рис. 21 показано опорное выходное напряжение, генерируемое HVPAK, которое сравнивается с обратной связью по напряжению батареи, полученной от резисторной делительной сети в Рисунок 6 . На рис. 22 показан рабочий цикл выходного сигнала ШИМ для зарядки батареи CCCV.

Обратите внимание, что всплеск рабочего цикла соответствует переходу от фазы быстрой зарядки к фазе постоянного напряжения, а зарядное устройство переходит от регулирования постоянного тока к регулированию постоянного напряжения. Эти изображения показывают ожидаемую динамику обоих сигналов для зарядного устройства на основе CCCV. На рисунках 23 и 24 показано выходное напряжение, подаваемое на аккумулятор, и его ток. Выходное напряжение и ток имеют ожидаемую форму схемы зарядки CCCV.

В этой статье мы реализовали монолитное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов по схеме зарядки CCCV и реализовали его на HVPAK SLG47105V. Миниатюрные и эффективные зарядные устройства, подобные этому, чрезвычайно важны на современном рынке электроники. Размер всей измерительной системы меньше, чем у многих других реализаций, и это показывает, где HVPAK можно использовать для замены других коммерческих устройств.

Артикул

Полный файл проекта можно найти здесь. Он был создан в бесплатном программном обеспечении GreenPAK Designer с графическим интерфейсом, входящем в состав Go Configure™ Software Hub.

Методы зарядки аккумулятора и терминология

В первую очередь см. ниже наиболее распространенные вопросы от наших клиентов.

Что такое температурная компенсация?

Как указывалось ранее, энергия, хранящаяся в элементе батареи, является результатом электрохимической реакции, поэтому любое изменение температуры электролита влияет на скорость реакции при условии, что все другие факторы (напряжение заряда и ток), относящиеся к реакция остается постоянной.

Простейший способ поддержания скорости реакции в пределах расчетных параметров — изменение зарядного напряжения со скоростью, пропорциональной изменению температуры, т.е. уменьшение зарядного напряжения при повышении температуры выше 20-25°С и увеличение заряда напряжения при снижении температуры ниже 20-25°С. Типичное изменение зарядного напряжения составляет 3 мВ/°C. Свяжитесь с нашими инженерами для получения дополнительной информации, наши зарядные устройства имеют варианты температурной компенсации.

Термины, связанные с резервными батареями

Ач

Емкость Ач или ампер/час — это ток, который батарея может обеспечить в течение определенного периода времени, например, 100 Ач при скорости C10 до EOD 1,75 В/ячейка. Это означает, что батарея может обеспечить 10 А в течение 10 часов до конечного напряжения разряда 1,75 В на элемент. Различные производители батарей будут использовать разные значения Cxx в зависимости от рынка или области применения, для которой предназначены их батареи. Типичными используемыми скоростями являются C3, C5, C8, C10 и C20. Из-за этого важно при сравнении аккумуляторов разных производителей, имеющих одинаковую емкость Ач, подтвердить, на какой скорости Схх основана эта цифра.

Элемент

Элемент состоит из ряда положительно и отрицательно заряженных пластин, погруженных в электролит, который создает электрический заряд посредством электрохимической
реакции. Свинцово-кислотные элементы обычно производят электрический потенциал 2 В, в то время как никель-кадмиевые элементы обычно производят электрический потенциал 1,2 В.

Аккумулятор

Аккумулятор представляет собой набор элементов, соединенных вместе. Проверьте наш полный ассортимент аккумуляторов.

ДОД

Глубина разрядки. Доля общей емкости, используемой при разрядке. 0-100%.

Группа/группа

Группа или группа батарей состоит из ряда элементов/батарей, соединенных последовательно, для получения батареи или группы батарей с требуемым
используемым напряжением/потенциалом, например. 6В, 12В, 24В, 48В, 110В.

SOC

Состояние заряда. Доля общей емкости, которая еще доступна для разрядки. 0-100%.100%-DOD

Коэффициент окончания срока службы

Это коэффициент, включенный в расчет размера батареи, чтобы убедиться, что батарея способна поддерживать полную нагрузку в конце расчетного срока службы батареи, рассчитывается как
умножив Ач на 1,25.

VPC (Вольт на элемент)

Вольт на элемент, т. е. для свинцово-кислотного аккумулятора VPC составляет 2 В, поэтому 6 элементов в 12 В.

Методы зарядки

Существует три распространенных метода зарядки аккумулятора; постоянное напряжение, постоянный ток и комбинация постоянного напряжения/постоянного тока с интеллектуальной схемой зарядки или без нее.

Постоянное напряжение  позволяет подавать полный ток зарядного устройства в аккумулятор до тех пор, пока источник питания не достигнет заданного напряжения. Затем ток снизится до минимального значения, как только будет достигнут этот уровень напряжения. Аккумулятор можно оставить подключенным к зарядному устройству до тех пор, пока он не будет готов к использованию, и он будет оставаться на этом «плавающем напряжении», подзаряжаясь для компенсации нормального саморазряда аккумулятора.

Постоянный ток  – это простая форма зарядки аккумуляторов, при которой уровень тока устанавливается примерно на 10 % от максимального номинала аккумулятора.