Программируемые зарядные устройства для заряда литиевых и свинцово-кислотных аккумуляторных батарей от MEAN WELL
Аккумуляторные батареи (АКБ), как одно из наиболее простых и доступных решений для хранения электроэнергии, приобретают все большую популярность в последние годы. Так, сейчас аккумуляторные батареи используются не только в персональной (носимой) электронике, автомобилях и источниках бесперебойного питания (UPS), но и в электротранспорте и системах хранения электроэнергии от возобновляемых источников. В тоже время, различие в характеристиках разных типов батарей требуют дополнительных знаний от пользователей и инженеров для выбора непосредственно АКБ и зарядных устройств.
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи являются одним из самых популярных типов химических источников тока, и имеют долгую историю. Достоинства таких АКБ: большой допуск уровня зарядного напряжения, большая емкость, широкий диапазон рабочей температуры и низкая цена, что делает успешным их применение в автомобилях, погрузчиках и системах бесперебойного питания. Однако такие недостатки как высокий уровень саморазряда и относительно небольшое количество циклов заряда-разряда не позволяют успешно применять свинцово-кислотные АКБ в системах хранения электроэнергии.
В сравнении со свинцово-кислотными АКБ, литиевые аккумуляторные батареи имеют высокий уровень циклов заряда/разряда, низкий уровень саморазряда и высокую плотность хранения электроэнергии на единицу объема, что делает литиевые АКБ более лучшим кандидатом для долговременного хранения электроэнергии. Единственным существенным недостатком литиевых АКБ является то, что превышение температуры использования может вызвать возгорание батареи и она может стать причиной возникновения пожара. Поэтому литиевые батареи требуют более осторожного подхода при заряде или разряде.
Номинальное напряжение одной ячейки свинцово-кислотного АКБ составляет 1.8-2.3В с рекомендованным максимальным током заряда 0.3*С (где С – емкость аккумуляторной батареи, на практике ток заряда должен быть порядка 0.1*С, что обеспечивает более щадящий режим заряда). Большинство коммерческих аккумуляторов содержат несколько ячеек, соединенных последовательно и параллельно для обеспечения высокой емкости АКБ, и, соответственно, имеют номиналы для практического использования 12В, 24В и 48В. Важно понимать, что это указано номинальное напряжение, а фактическое напряжение на батарее будет определяться ее текущей емкостью («уровнем заряда» — в бытовом понимании). Для примера, уровень напряжения на свинцово-кислотном аккумуляторе типа AGM (при измерении на разомкнутой цепи) может быть от 10.8В (30% остаточной емкости батареи) до 13.8В (100% емкости).
Из-за высокого уровня саморазряда для заряда свинцово-кислотных АКБ наиболее применима кривая заряда, состоящая из 3-х стадий:
Рисунок 1. Кривая заряда АКБ из трех стадий.
Подробнее мы уже рассматривали эту кривую в новости про управление зарядом аккумуляторных батарей.
Литиевые батареи обычно имеют номинальное напряжение от 3.2В до 4.4В с максимальным током заряда до 1*С (где С – емкость аккумуляторной батареи). Хотя все литиевые батареи имеют сходный химический состав (для одного типа), однако для различных производителей могут быть различны как нормированные напряжения АКБ, так и токи заряда. В отличие от свинцово-кислотных АКБ, литиевые батареи не допускают высокого напряжения заряда, и не требуют тока подразрядки (Float) для поддержания уровня заряда. Поэтому, наиболее часто литиевые АКБ заряжают с использованием зарядных устройств с кривой из 2-х стадий заряда, без третьей стадии поддержания заряда:
Рисунок 2. Кривая заряда АКБ из 2-х стадий
Одной из существенных проблем банков литиевых батарей является дисбаланс ячеек в составе банка. Из-за производственных допусков, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) литиевых ячеек не соответствует полностью друг другу. Различия между ячейками приводят к тому, что ячейки в составе одного банка могут заряжаться различным напряжением или током. Ячейки с низким ESR будут заряжаться первыми, и, соответственно, будут раньше деградировать и выходить из строя. Также дисбаланс между ячейками не только снижает срок службы батареи, но и может стать потенциальным источником возгорания из-за температурного перегрева. Для решения этой задачи, крупные банки литиевых батарей комплектуются системой управления батарей (BMS), основной функцией которой является мониторинг состояния заряда и балансировка ячеек пассивным или активным способом. Пассивная BMS балансирует ячейки за счет разряда перезаряженных ячеек через баластные резисторы. Это надежный и простой способ, но не эффективный. С другой стороны, активная BMS заряжает ячейки в составе банка индивидуально с оценкой состояния заряда. Поскольку активная BMS контролирует процесс заряда каждой ячейки, некоторые банки литиевых батарей с активной BMS требуют для заряда источники питания только постоянного напряжения (Constant Voltage, CV) в качестве зарядных устройств.
Как отмечено выше, аккумуляторные батареи с разным химическим составом и разных производителей могут иметь разные характеристики. Также рекомендуется (особенно для литиевых АКБ) применять зарядное устройство с кривой заряда оптимальной для конкретной батареи для обеспечения надежности, продолжительности эксплуатации и безопасности. Компания MEAN WELL выпустила ряд программируемых зарядных устройств, управляемых интеллектуальным программатором заряда SBP-001, с гибким и интуитивно-понятным интерфейсом программного обеспечения для настройки кривой заряда.
В качестве примера используем HEP-1000-48. По умолчанию, HEP-1000-48 является блоком питания постоянного тока с выходным напряжением 48В и максимальной выходной мощностью 1008Вт. Подключив к HEP-1000-48 программатор заряда SBP-001, включаем режим заряда в блоке питания. По умолчанию, установлена кривая заряда из 3-х стадий для свинцово-кислотных АКБ с напряжением 57.6В заряда и 55.2В напряжения подзаряда. Зарядные напряжение и ток могут быть легко отрегулированы в диапазоне 36-60В и 3.5-17.5А для различных типов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.
Рисунок 3. Базовые настройки кривой заряда HEP-1000-48
Путем выбора кривой заряда из 2-х стадий, HEP-1000-48 также может использоваться для заряда литиевых батарей в похожем диапазоне значений. Например, для заряда литиевой батареи LiFePO4 емкостью 20А*ч с максимальным напряжением заряда 56В, настройки режимов постоянного напряжения (CV) и постоянного тока (CC) могут быть установлены как 56В и 17.5А для ускоренной зарядки:
Рисунок 4. Настройки кривая заряда для литиевой батареи в HEP-1000-48
Аналогично можно легко установить более низкий уровень зарядного тока для предотвращения повышения температуры и/или установить более низкий уровень напряжения заряда во избежание возможности перезаряда. Таким образом, путем несложных настроек можно задать параметры кривой заряда для других типов литиевых батарей.
Источник
Автоматическое ЗУ для Герметичной Кислотно-Свинцовой АКБ
Статья посвящена самостоятельному изготовлению полностью автоматического зарядного устройства для зарядки 12 -вольтной свинцово-кислотной необслуживаемой батареи с гелиевым электролитом. Оно может быть также использовано и для зарядки негерметичных, в том числе автомобильных аккумуляторных батарей. Причём зарядка производится по алгоритму, рекомендованному фирмами-изготовителями и состоит из трёх этапов.
На первом этапе, когда батарея частично или полностью разряжена, допустимо проводить зарядку относительно большим током, достигающим 0,1…0,2С , где С — численное значение емкости аккумулятора в ампер-часах. Однако зарядный ток должен быть ограничен сверху указанным значением или стабилизирован. По мере накопления заряда возрастает напряжение на клеммах батареи. Это напряжение должно быть под контролем. В момент достижения уровня 14,4. 14,6 В первый этап завершен.
На втором этапе необходимо поддерживать постоянным достигнутое напряжение и контролировать зарядный ток, который будет снижаться. В момент, когда батарея наберет не менее 80 % заряда и зарядный ток упадет до 0,02С , необходимо перейти к третьему, заключительному этапу: уменьшить напряжение и поддерживать его на уровне не выше 13,8 В . Зарядный ток, снижаясь достигает значения 0,002-0,001 С и стабилизируется на этом уровне. Такой ток для батареи не опасен, считают, что он компенсирует саморазрядку, а поддерживаемый уровень напряжения не допустит перезарядки. В таком режиме батарея может находиться неограниченное время без вреда для себя и всегда готова к применению. Все указанные уровни напряжения соответствуют температуре батареи 20 °С . Во время зарядки батареи по этому алгоритму к ней не должна быть подключена нагрузка.
Принцип работы схемы
Схема ЗУ показана на рисунке выше. По существу, устройство представляет собой комбинированный стабилизатор тока и напряжения. Батарею заряжает выходной ток микросхемы DA1 — стабилизатора напряжения. Для изменения выходного напряжения стабилизатора между выводом 2 DA1 и общим проводом устройства включена цепь диодов VD7-VD18 и подстроечный резистор R13 . Резисторы R11, R6 и R2 — датчики тока для первого, второго и третьего этапов зарядки соответственно. На первом этапе большой зарядный ток протекая по датчикам тока вызывает падение напряжения на них, достаточное для открывания транзисторов VT1, VT2 и VT5. Транзисторы VT3 и VT6 также открыты. Только транзистор VT4 закрыт. Все светодиоды VD1 , VD3 и VD5 включены. Транзисторы VT5 , VT6 и микросхема DA1 стабилизируют зарядный ток на уровне 0,6 B/R11 . По мере зарядки батареи напряжение на ней возрастает, а ток через транзистор VT6 уменьшается. Когда транзистор VT6 будет закрыт устройство выйдет из режима стабилизации тока. С этого момента зарядный ток начнет уменьшаться, транзистор VT5 закроется, светодиод VD5 погаснет, сигнализируя о завершении первого и начале второго этапов зарядки.
В начале второго этапа зарядки транзисторы VT1-VT3 открыты, a VT4-VT6 закрыты. Зарядка батареи осуществляется при постоянном напряжении, равном сумме напряжения стабилизации микросхемы DA1 , падения напряжения на диодной цепи VD7-VD18 и резисторе R13 . Это суммарное напряжение должно быть в пределах 14,4. 14,6 В . Ток зарядки плавно уменьшается. Когда его значение становится недостаточным для того чтобы падение напряжения на датчике тока — резисторе R6 поддерживало транзистор VT2 в открытом состоянии, этот транзистор закрывается, транзистор VT3 также закрывается, а транзистор VT4 открывается и входит в насыщение. Светодиод VD3 гаснет, сигнализируя о завершении второго этапа зарядки.
На третьем этапе зарядки открытый транзистор VT4 шунтирует диод VD7 , поэтому напряжение скачком уменьшается до суммы напряжении стабилизации микросхемы DA1 , падения напряжения на диодах VD8-VD18 и резисторе R13 , которая не должна превышать 13,8 В . Зарядный ток также скачком уменьшается и продолжает уменьшаться далее. Когда ток зарядки становится недостаточным для того, чтобы падение напряжения на датчике тока — резисторе R2 поддерживало транзистор VT1 в открытом состоянии, этот транзистор закрывается, светодиод VD1 гаснет, сигнализируя о завершении третьего этапа и процесса зарядки в целом. Батарея может и далее безопасно находиться во включенном зарядном устройстве неограниченное время.
Аккумулятор имеет отрицательный температурный коэффициент напряжения, равный — 4 мВ/°С . ТКН прямосмещенного диода также отрицательный -2 мВ/°С . Поэтому цепь из диодов автоматически обеспечивает температурную компенсацию батареи.
Диоды VD2 и VD4 ограничивают падение напряжения на датчиках R2 и R6 во время протекания большого тока. Продолжительность этапов и всего процесса зависит от уровней тока, которые определяются сопротивлениями датчиков.
Источник питания может быть любым, обеспечивающим при максимальном токе зарядки напряжение 22…25 В , которое может быть нестабилизированным.
Конструкция, детали, наладка
Печатная плата для схемы показана на рисунке выше. В устройстве диоды VD1 и VD4 — мощные кремниевые выпрямительные рассчитанные на максимальный ток за рядки. Диоды VD7-VD18 — любые кремниевые, например, можно применить Д220, Д223, КД102, КД103, КД522 . Датчики тока — резисторы R6, R11, R2 — могут быть самодельными из отрезка нихромовой проволоки диаметром 1 мм , длину которой подбирают в процессе налаживания. Диоды VD7-VD18 необходимо разместить дальше от источников тепла. Микросхема DA1 установлена на теплоотводе площадью 150 см2 (из расчета 20 см2 на ватт рассеиваемой мощности).
Для наладки ЗУ к входу подключают блок питания, а вместо аккумуляторной батареи к выходу ЗУ через амперметр подключают реостат или иную нагрузку, сопротивление которой можно плавно регулировать. Вначале нужно подобрать сопротивление датчиков тока. При плавном уменьшении сопротивления нагрузки должны последовательно загораться светодиоды VD1, VD3, VD5 . Когда включены все светодиоды ток через нагрузку должен быть стабилизирован. Сопротивление резистора R11 подбирают так, чтобы ток стабилизации был равен максимальному току зарядки ( 0,1C ). Подбору резистора R6 препятствует скачок тока, затрудняющий точное измерение тока. Поэтому нужно временно устранить этот скачок установив замыкающую перемычку между базой и эмиттером транзистора VT4 . Далее подбирают сопротивление резистора R6 так, чтобы светодиод VD3 загорался при токе нагрузки 0,02С . После этого снимают перемычку между базой и эмиттером транзистора VT4 . В последнюю очередь подбирают сопротивление резистора R2 так чтобы светодиод VD1 включался при токе нагрузки 0,004С . Если изготовляемое ЗУ предназначено для использования с АКБ емкостью 7,5 Ач и проверкой установлено соответствие сопротивлении датчиков R2, R6, R11 значениям, указанным на схеме, этот этап налаживания можно опустить.
Затем устанавливают требуемые уровни напряжения стабилизации третьего и второго этапов зарядки. К выходу ЗУ подключают вольтметр и нагрузочный резистор сопротивлением 180-200 Ом и мощностью 2 Вт (обеспечивающий ток около 0,01 С ). Должен гореть один светодиод VD1 . Напряжение на нагрузке (третьего этапа) устанавливают движком подстроечного резистора R13 в пределах 13,7…13,8 В .
Точность напряжения второго этапа не так критична, она обычно обеспечивается автоматически включением в работу диода VD7 . Надо лишь убедиться, что напряжение находится в пределах 14,4. 14,6 В , подключив к выходу ЗУ резистор сопротивлением 30-50 Ом и мощностью 10 Вт (ток — около 0,05С светятся VD1 и VD3 ) и проверив напряжение на нем.
Максимальный выходной ток микросхемы DA1 (2 А) позволяет заряжать батареи емкостью до 20 Ач . Если необходимо заряжать батареи большей емкости следует « умощнить » микросхему DA1 внешним рnр транзистором. При использовании внешнего транзистора КТ818АМ выходной ток может достигать 15 А , что позволяет заряжать батареи емкостью до 150 Ач .
Поскольку электрохимический процесс во всех свинцово кислотных аккумуляторах один и тот же, описанное устройство можно использовать и для зарядки негерметичных аккумуляторных батареи, в том числе автомобильных.
Источник