Výkonová nabíječka olověných akumulátorů

Transkript

1 Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: Výkonová nabíječka olověných akumuláorů Power charger of lead-acid accumulaors Josef Kadlec, Miroslav Paočka, Dalibor Červinka, Pavel Vorel xkadle22@feec.vubr.cz, paocka@feec.vubr.cz, cervinka@feec.vubr.cz, vorel@feec.vubr.cz Fakula elekroechniky a komunikačních echnologií VU v Brně. Absrak: Nabíječka je realizována jako jednočinný propusný měnič pracující na kmioč5khz a je určena pro nabíjení olověných akumuláorů o jmenoviém napěí 6 nebo 12V. Z regulačního hlediska se jedná o regulaci na konsanní výsupní napěí (7,2 nebo 14,4V) s proudovým omezením. Proudové omezení je nasavielné ve čyřech úrovních: 1A, 5A, 15A, 5A. Celé zařízení s maximálním výkonem 72W je vesavěno do objem,8 liru (měrný výkon 4W/l). Absrac: his charger is realized as a forward converer which works wih frequency 15 khz. he charger is deermined by charging of lead accumulaors wih nominal volage 6 or 12V. he regulaion principle is based on regulaion o consan volage (7.2 or 14.4 V) wih curren limiaion: 1A, 5A, 15A, 5A. he full device wih maximal power 92W is fied o dimension of 1.8 l (he power densiy is abou 4W/l).

2 211/ VOL.13, NO.2, APRIL 211 Výkonová nabíječka olověných akumuláorů Josef Kadlec, Miroslav Paočka, Dalibor Červinka, Pavel Vorel Fakula elekroechniky a komunikačních echnologií VU v Brně xkadle22@feec.vubr.cz, paocka@feec.vubr.cz, cervinka@feec.vubr.cz, vorel@feec.vubr.cz Absrak Nabíječka je realizována jako jednočinný propusný měnič pracující na kmioč5khz a je určena pro nabíjení olověných akumuláorů o jmenoviém napěí 6 nebo 12V. Z regulačního hlediska se jedná o regulaci na konsanní výsupní napěí (7,2 nebo 14,4V) s proudovým omezením. Proudové omezení je nasavielné ve čyřech úrovních: 1A, 5A, 15A, 5A. Celé zařízení s maximálním výkonem 72W je vesavěno do objem,8 liru (měrný výkon 4W/l). 1 Úvod Případ b) ukazuje skuečné průběhy ovlivněné příomnosí kapaci C DS. Případ c) ukazuje yéž průběhy při uměle zvýšeném magneizačním proudu (proud ekoucí cívkou L1). V současné době je žádoucí řeši nabíječky jako spínané zdroje pracující na vysokém kmioču. Díky omu jsou rozměry a hmonos výkonového impulsního ransformáoru podsaně menší než u nabíječek se síťovým ransformáorem. o je důležié především u elekromobilů, keré musí obsahova vesavěnou nabíječku, aby nebyly závislé na mísě nabíjení. Nároky na malé rozměry a hmonos zde hrají velkou roli. V následujících kapiolách bude popsáno nezvyklé úsporné řešení magneického obvodu ransformáoru a lumivky, zvlášní obvodové řešení výkonové čási měniče a konsrukční řešení chladicí sousavy. a) i µ 2 Výkonové obvody měniče Jádro silové čási voří jednočinný propusný měnič s ransformáorem, viz Obrázek 2. Pracovní kmioče 15 khz umožňuje realizova výkonový ransformáor R1 s nízkou hmonosí. Vlasnosi ranzisorů jsou popsány v [1]. Přídavná indukčnos L1 a dioda D3 jsou připojeny paralelně k primárnímu vinuí proo, aby vzrosl proud ekoucí oběma ranzisory. Proud je pouze jalový, udíž nemá vliv na energeickou bilanci měniče. Pouze zvěšuje celkový kolekorový proud ranzisoru I D, ak aby se při vypnuí rychleji přebila paraziní kapacia C DS mezi elekrodami D a S ranzisorů MOS-FE. Zkráí se proo doba c, po kerou eče demagneizační proud ve savu naprázdno. Při zaížení se vlivem velkého pracovního proudu doba demagneizace zkráí auomaicky. Siuaci znázorňuje Obrázek 1 a Obrázek 3. Kapacia se přebíjí se srmosí du U = 2 d c d I = C D DS, (1) b) i µ c) i µ +i L1 c c I D kde I D je celkový kolekorový proud ranzisoru v okamžiku vypínání. Na Obrázk jsou znázorněny průběhy primárního napěí ransformáoru i magneizačního proudu. Případ a) zachycuje idealizované průběhy bez vlivu paraziních kapaci. Obrázek 1: Vliv paraziních kapaci C DS na demagneizační děj v ransformáoru. 15 1

3 211/ VOL.13, NO.2, APRIL 211 Napájení řídicích obvodů Obrázek 2: Základní zapojení silové čási nabíječky. Obrázek 3: Inerakce cívky L1 s paraziními kapaciami C DS. Ψ r C DS U 1 Obrázek 4: Princip konsrukčního provedení výkonového ransformáoru a lumivky. Legenda barev: lumivka; ransformáor: primární vinuí, sekundární vinuí, sekundární vinuí pomocné (napájení), oroidy; sředicí vložky. I µ I L1 Ψ l C DS V úvodu uvedené úsporné řešení magneických obvodů spočívá v om, že výsupní lumivka L2 je navinua na výkonový ransformáor R1 ak, aby siločáry obou magneických prvků byly navzájem kolmé (Obrázek 4). Magneická pole obou prvků se proo neovlivňují, navíc se plně využívá magneického maeriálu. Pro oba magneické obvody se edy použije jediné feriové jádro. o je vořeno šesicí dílčích oroidních jader JL 21/ CF138. Přídavná indukčnos L4 úmyslně zvěšuje rozpylovou indukčnos ransformáoru R1. Díky omu se sníží zoavovací zráy sekundárního usměrňovače. Usměrňovací dioda D7 i nulová dioda D8 jsou Schokyho diody se zoavovací dobou rr = 4ns (viz li. [2]). Obě jsou vybaveny RC-členem, kerý omezuje napěťový překmi vznikající na konci zoavovacího děje. 3 Budiče výkonových ranzisorů Obvodové řešení budičů je znázorněno na Obrázku 5. Při sepnuí horního ranzisoru v koncovém supni inegrovaného obvodu UC3845 se současně sepne i exerní ranzisor 5. ím se připojí napájecí napěí U cc na primární vinuí ransformáoru R4. Primární proud ransformáoru edy poeče přes horní ranzisor v UC3845 a přes MOS-FE 5. Jakmile řídicí obvod vypne horní ranzisor v koncovém supni, vypne se i dolní exerní ranzisor 5. ransformáor se udíž demagneuje skrze diody D13 a D14 do napájecího napěí U cc. Sepnuí spodního ranzisoru v koncovém supni urychluje vybií vsupní kapaciy G-S ranzisoru 5, edy i jeho vypnuí. Horní ranzisor v koncovém supni, ranzisor 5, diody D13, D14 edy pracují jako jednočinný propusný měnič, z něhož je napájen primár oddělovacího ransformáoru R4. Sekundární čás budiče se skládá ze dvou sejných obvodů. Oba obvody musejí bý galvanicky oddělené jak od sebe navzájem, ak od řídicích obvodů, neboť emiory obou výkonových ranzisorů se nacházejí na odlišných poenciálech. Další výklad bude zaměřen na horní obvod, kerým je řízen ranzisor 1. V době sepnuí ranzisoru 5 se napěí U cc ransformuje na sekundár s převodem 1 : 2. Kapacia C GS výkonového ranziso- 15 2

4 211/ VOL.13, NO.2, APRIL 211 r je nabíjena přes obě diody D15, D16. Kapaciní proud je omezen odpory R19, R2. Velikosí odporů je opimalizována rychlos zapínacího děje. Zráový výkon odporů lze urči podle rovnice 1 2 P R = f CGSUGS, (2) 2 kde U GS = 15V, C GS 1nF, f = 15kHz. Buzení ranzisorů MOS-FE na vysokém kmioču edy není zcela nevýkonové. Při vypnuí je kapacia C GS ranzisor rychle vybíjena přes emiorový sledovač 3. Vysokoohmový odpor R3 slouží pouze k prevenivnímu udržení ranzisor ve vypnuém savu, a o v případě poškození budiče. 4 Řídicí obvody Principiální zapojení řídicích obvodů je znázorněno na Obrázku 6. Základním prvkem je inegrovaný obvod UC3845 (Obrázek 7). Pasivními prvky C1, R16 se nasavuje pracovní kmioče. Napěťovým děličem R17, R18 je snímáno výsupní napěí. Pomocí bočníku R13, R14 se převádí proudový signál z proudového ransformáoru R2 na napěťový signál. Diody D1 a D19 voří logický člen OR. Řídicí obvod edy reaguje sejně na přepěí i nadproud. Paralelní součásky R15, C9 voří v součinnosi s diodou D19 špičkový deekor. OZ1 je zapojen jako PI reguláor, jenž reguluje velikos výsupního napěí. Skupinou odporů R2 až R6 lze nasavi hodnou ohoo napěí. Přepínačem S2 je možno nasavi hodnou výsupního napěí na 14,4V v rozepnué poloze, nebo na 7,2V v sepnué poloze. Přepínačem S1 lze nasavova proudové omezení na hodnoy 1A, 5A, 15A a 5A. Hodnoa 5A slouží nikoli k nabíjení, ale jako pomoc auobaerii při ěžkých sarech, například v zimních měsících. Celý regulační obvod pracuje jako PI-reguláor napěí s proudovým omezením. Průběh elekrických veličin při nabíjení akumuláoru ukazuje Obrázek 8, přičemž vodorovná čás proudové křivky předsavuje režim omezení proudu, vodorovná čás napěťové křivky předsavuje režim regulace na konsanní napěí. Obrázek 5: Zapojení budičů. Obrázek 6: Zapojení řídicích obvodů. 15 3

5 211/ VOL.13, NO.2, APRIL 211 EMC R1 + L2 C2 chladič Obrázek 7: Blokové schéma inegrovaného obvodu UC3845. Převzao z [3]. Obrázek 9: Chladicí okruh nabíječky. U, I Obrázek 8: Průběh napěí a proudu při nabíjení olověných akumuláorů. 5 Konsrukční řešení Elekrická čás je rozdělena do dvou desek plošných spojů: hlavní deska (HD) obsahuje veškeré silové čási, deska reguláoru napěí (DRN) jsou na ní umísěny řídicí obvody, ovládání a signalizace. Je edy zřejmé, že pouhou výměnou DRN můžeme vyvoři nabíječku, kerá může bý určená i pro jiný yp akumuláoru, než jsou právě olověné (např. Li-Ion, LiFePo 4, ad.). Chladicí okruh je naznačen na Obrázku 9. Vniřek nabíječky je rozdělen na dvě čási hlavní deskou plošného spoje (zelená barva). Chladicí okruh je úmyslně řešen ak, aby vsupní i výsupní ovory byly umísěny na sejné sraně přísrojové skříňky. Meoda funguje díky žebrovaným lamelám, keré jsou směrovány opačně. Chladný vzduch se nasává z jedné půlky zadní sěny a vyfukuje druhou půlku sěny opačným směrem. Průok vzduchu zajišťují dva výkonné veniláory, přičemž jeden lačí, druhý saje. Veniláory se auomaicky spínají podle eploy. Přísrojová skříňka je vyrobena z plechů 1,5 a 1,mm, čímž nabývá robusnosi a odolnosi. Její vnější rozměry jsou 125 x 62 x 235mm. U I 6 Závěr Nabíječka byla vyrobena a odzkoušena v rámci diplomové práce, viz li. [4]. Další činnosi budou zaměřeny na vývoj nabíječek mnohem vyšších výkonů, orienovaných především na rakční akumuláory ypu Li-Ion a LiFePo 4, keré jsou v současnosi používány v elekromobilech. V ěcho případech se jedná o nabíjecí proudy řádově v oblasi 5A při rakčním napěí asi 3V, čemuž odpovídá nabíjecí výkon přibližně 15kW. Poděkování Práce byla řešena v rámci fakulního projeku FEK-S-1-17: Mapování účinnosi sřídavých elekrických pohonů, projeku MSM : Zdroje, akumulace a opimalizace využií energie v podmínkách rvale udržielného rozvoje a fakulního projeku FEK Využií nových echnologií ve výkonové elekronice. Lieraura [1] hp://pdf1.alldaashee.com/daasheepdf/view/8111/infineon/spw47n6c3.hml. [2] hp:// ics/6144.pdf. [3] hp://pdf1.alldaashee.com/daashee-pdf/view/25566/ SMICROELECRONICS/UC3845.hml. [4] Kadlec J.: Nabíječka auobaerií se spínaným zdrojem, diplomová práce FEK, Brno