}w!"#$%&'(),-./05<ya Masarykova univerzita Fakulta informatiky Distribuovaný univerzální nabíječ LiPol, NiMh, NiCd článků s centrálním řízením Diplomová práce Miroslav Macek Brno, 0
Prohlášení Prohlašuji, že tato diplomová práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj. Miroslav Macek Vedoucí práce: Ing. Zbyněk Bureš, Ph.D. ii
Poděkování Na tomto místě bych velmi rád poděkoval panu Ing. Zbyňku Burešovi, Ph.D. za odbornou pomoc při vypracování této diplomové práce. Také děkuji panu prof. Ing. Václavu Přenosilovi, CSc. za umožnění hardwarové realizace. Dále děkuji Martině Trnkové a Markétě Nečasové za povzbuzující vliv během dní strávených v knihovně při psaní této práce. Nakonec děkuji rodině za podporu a trpělivost. iii
Shrnutí První část této práce detailně popisuje vlastnosti lithiových a niklových typů akumulátorů. Následuje rozbor variant návrhu funkčních bloků nabíječe. Z uvedených možností jsou vybrány konkrétní způsoby řešení a popsán obecný návrh systému. Další kapitoly popisují navržený hardware a software modulů systému. iv
Klíčová slova LiIon, LiPol, NiMH, NiCd, Akumulátor, Nabíječ, Metody nabíjení, Vnitřní odpor v
Obsah Úvod.................................. 5 Vlastnosti akumulátorů....................... 6. Obecné vlastnosti......................... 6.. Napětí........................... 6.. Kapacita.......................... 6.. Nabíjecí a vybíjecí proud................. 7.. Teplotní rozsah...................... 7..5 Vnitřní odpor....................... 8..6 Samovybíjení....................... 9..7 Životnost......................... 9. Metody nabíjení.......................... 0.. Nabíjení konstantním proudem............. 0.. Nabíjení konstantním napětím................ Pulzní nabíjení....................... NiCd.................................. Charakteristika........................ Nabíjení NiCd......................... Metody pro ukončení nabíjení............... NiMH............................... 7.. Charakteristika...................... 7.. Nabíjení NiMH...................... 9.5 LiIon................................ 9.5. Charakteristika...................... 0.5. Nabíjení LiIon........................6 Primární baterie...........................6. Zinkové...........................6. Lithiové.......................... Požadavky na systém nabíječe.................. 6 Analýza funkčních bloků...................... 7. Nabíječ............................... 7.. Lineární regulátor..................... 7.. Spínaný regulátor..................... 8. Balancér.............................. 0. Vybíječ................................ Měření napětí a proudu.......................5 Měření teploty baterií........................6 Měření vnitřního odporu......................7 Komunikace mezi moduly.....................8 Komunikace s řídícím zařízením................. 5 5 Návrh systému nabíječe...................... 7
5. Master modul........................... 7 5. Modul nabíječe.......................... 7 6 Návrh hardwaru........................... 0 6. Modul nabíječe.......................... 0 6.. Nabíjecí obvod...................... 0 6.. Vybíjecí obvod...................... 6.. Obvod měření U a I................... 6.. Komunikace mezi mikrokontroléry............ 6..5 Komunikace s Master zařízením............. 6..6 MCU............................ 6..7 Způsob připojení akumulátorů.............. 6. Master modul........................... 7 Návrh software............................ 7. Hlavní smyčka programu MCU................. 7. Obsluha INA0 a ADC..................... 5 7. Stav CHARGING......................... 5 7. Stav DISCHARGING....................... 6 7.5 Stav RESISTANCE MEASURING............... 6 7.6 Měření času............................ 7 7.7 Meziprocesorová komunikace (INTBUS)............ 7 7.8 Komunikace mezi moduly.................... 9 7.9 Master modul........................... 9 8 Závěr.................................. 60 A Seznam elektronických příloh................... 6 B Elektrická schémata......................... 65
Seznam obrázků. Schéma modelu vnitřního odporu akumulátoru 9. Vybíjecí charakteristika NiCd článku s druhým vybíjecím stupněm a bez něj. [6]. Nabíjecí charakteristika NiCd a NiMH článků proudem I t se znázorněním metod pro ukončení nabíjení. 7. Vybíjecí charakteristika běžných lithium-kobaltových článků s různými hodnotami proudů..5 Nabíjecí charakteristika LiIon článků.. Lineární regulátor napětí s LM7 řízený PWM signálem.[] 8. Synchronní snižující měnič napětí. 9. Zvyšující měnič napětí. 9. Pasivní balancér s odpory..5 Způsob měření vnitřního odporu střídavým proudem.[9] 5. Blokové schéma systému distribuovaného nabíječe s centrálním řízením. 9 7. Tok programu jednoho nabíjecího obvodu nabíječe. 7. Stavový automat systému nabíječe ovládaný příkazy cmd. 5 7. Algoritmus stavu nabíjení niklových článků. 50 7. Algoritmus stavu nabíjení lithiových článků. 5 7.5 Algoritmus detekce V. 5 7.6 Regulace napětí a proudu. 5 7.7 Algoritmus nabíječe ve stavu měření vnitřního odporu a vybíjení. 5 7.8 Část stavového automatu komunikačního Master smyčky main(). 55 7.9 Část stavového automatu komunikačního Master v obsluze přerušení RX UART rozhraní. 55 7.0 Část stavového automatu komunikačního Master v obsluze přerušení TX UART rozhraní. 56 7. Část stavového automatu komunikačního Slave smyčky main().[] 57 7. Část stavového automatu komunikačního Slave v obsluze přerušení RX UART rozhraní.[] 58 7. Část stavového automatu komunikačního Slave v obsluze přerušení TX UART rozhraní.[] 58 7. 59 B. Schéma zapojení Master modulu. 66 B. Schéma zapojení okruhu [U A ] modulu nabíječe. 67
B. Schéma zapojení okruhu [U B ] modulu nabíječe. 68 B. Schéma zapojení okruhu [U C ] modulu nabíječe. 69 B.5 Schéma zapojení okruhu [U D ] modulu nabíječe. 70
Úvod Nabíjecí elektrické akumulátory jsou v dnešním digitálním věku služebníkem téměř každého člověka začleněného do civilizovaného světa. Na druhou stranu jsou nepostradatelným vybavením také při návštěvě zeměpisných oblastí mimo dosah civilizace, popřípadě vesmíru. Akumulátor sám o sobě ztrácí svůj smysl, pokud nemá k dispozici nabíječ, jenž jej dokáže opakovaně uvést do nabitého stavu. Právě návrh takového nabíječe je smyslem této práce. Ačkoliv je na trhu k dispozici široká škála nabíječů, uživatel znalý hlubší problematiky akumulátorů začne dříve či později postrádat některé funkce nabízených produktů, popřípadě není spokojen s jejich parametry. Právě toto byla motivace k návrhu vlastního nabíječe, který bude umožňovat široké nastavení parametrů, bude dimenzovaný na požadovaný výkon a umožní budoucí rozšiřování počtu nabíjených článků. To je vhodné například pro hromadné testování velkého počtu akumulátorů. Tato práce bude brát v úvahu hermeticky uzavřené bezúdržbové akumulátory typu LiIon, NiCd a NiMH. Po jejich důkladné analýze přijde na řadu analýza funkčních bloků nabíječe, zodpovědných za poskytnutí zjištěných nároků akumulátorů. Završení práce bude spočívat v návrhu konkrétních elektrických obvodů hardwaru a návrh implementace řídícího softwaru celého systému nabíječe. 5
Vlastnosti akumulátorů Začít s návrhem nabíječe akumulátorů bez znalosti jejich vlastností a charakteristik by vedlo pravděpodobněji ke konstrukci spolehlivého ničitele akumulátorů. V horším případě k výrobě vražedné zbraně. Obsahem této kapitoly bude shrnutí důležitých vlastností akumulátorů obecně a dále zevrubnější popis specifických charakteristik těch typů, pro které bude nabíječ navrhován.. Obecné vlastnosti.. Napětí Napětí elektrických akumulátorů se relativně významně liší v závislosti na použitých materiálech elektrod. Je třeba brát v úvahu hned několik napěťových hodnot: Jmenovité napětí hodnota napětí akumulátoru se v průběhu jeho vybíjení zátěží mění (klesá). Každý typ akumulátoru má proto definované jmenovité napětí, jenž odpovídá průměrné hodnotě svorkového napětí akumulátoru během celého procesu jeho vybíjení v mezích využitelné kapacity. Nabíjecí napětí jedná se o maximální přípustnou hodnotu napětí, jemuž může být akumulátor vystaven a při kterém stále nedochází k závratnému poškozování vnitřní struktury článku. U některých typů akumulátorů (LiIon) překročení tohoto napětí zásadně zvyšuje tlak uvnitř hermeticky uzavřené konstrukce a pokud není tento článek vybaven přetlakovou pojistkou, může dojít k explozi. Vybíjecí napětí minimální napětí akumulátoru na konci vybíjení, platí pro velikost napětí při připojené vybíjecí zátěži. Tato hodnota závisí na velikosti vybíjecího proudu - s rostoucím proudem zpravidla klesá. Pokles napětí pod tuto hodnotu značně snižuje životnost akumulátorů. Dále hrozí jejich přepólování, jež pro ně bývá často osudné... Kapacita Jeden z nejdůležitějších parametrů akumulátoru je jeho kapacita. Jedná se o velikost elektrického náboje, jenž je schopen nabitý akumulátor odevzdat zátěži. V praxi se používá jednotka Ah, případně mah, vyjadřující velikost proudu, jakou je akumulátor schopen dodat zátěži po dobu jedné hodiny. Hodnota kapacity je však závislá na vybíjecím proudu, teplotě okolí, stáří baterie a dalších faktorech, proto výrobci v dokumentacích uvádějí hodnotu 6
. Vlastnosti akumulátorů jmenovité kapacity pro daný vybíjecí proud nového akumulátoru. Skutečnou kapacitou je kapacita článku naměřená při odběru požadovaného proudu, zohledňuje okolní teplotu, způsob předchozího nabíjení, kondici akumulátoru atd. Původní teoretická kapacita se dále může dělit na: využitelnou kapacita energie, kterou je zátěž schopna využít ke svému účelu. Jinými slovy je to kapacita, jež akumulátor vydá z plně nabitého stavu do vybitého omezeném vybíjecím napětím. zbytkovou množství náboje zbývajícího v článku po vybití na úroveň vybíjecího napětí. Část této kapacity je stále možno využít snížením proudového odběru zátěže. nevyužitelnou tzv. mrtvá kapacita je důsledkem snižující se kvality akumulátoru. Ten postupem času ztrácí schopnost elektrochemickými procesy vstřebat původní množství kapacity a tím se využitelná kapacita snižuje. Postupný nárůst nevyužitelné kapacity je přirozený proces stárnutí akumulátoru, lze jej ovšem samozřejmě urychlit, např. přebíjením, podvybíjením, vystavováním vysokým teplotám atd... Nabíjecí a vybíjecí proud Aby se akumulátor těšil co nejdelší životnosti, je třeba dodržovat jeho maximální přípustné proudy stanovené výrobcem - jak při nabíjení, tak vybíjení. Aby se pro každý akumulátor z řady různých kapacit nemusela uvádět různá hodnota proudu, používá se nejčastěji relativní násobek vztažený k jeho kapacitě C: I [A] = n C [Ah]. (.) Jelikož je toto vyjádření nesprávné kvůli udávání veličiny proudu v Ah, zavedly technické normy novější vyjádření zkušebním referenčním proudem I t []: I t [A] = C n [Ah]. (.) [h] Kde C n je jmenovitá kapacita uvedená výrobcem a n časová základna v hodinách, pro kterou je tato kapacita deklarována... Teplotní rozsah Laickými uživateli jsou často ignorovány teplotní limity pro užívání akumulátorů. Různé intervaly teplot prostředí, ve kterém akumulátor pracuje jsou výrobci nejčastěji uváděny pro tyto případy: 7
. Vlastnosti akumulátorů Teplota při nabíjení akumulátorům obecně (vyjma speciálních typů) neprospívají teploty pod bodem mrazu. Na horní teplotní hranici jsou články zpravidla nejnáročnější při nabíjení. Nejčastěji se tato hodnota pohybuje okolo 0 C. Před nabíjením by měl být akumulátor umístěn do prostředí s nejlépe pokojovou teplotou a sám být na tuto teplotu aklimatizován. Vyšší počáteční teploty článku mohou zmást, či úplně funkčně vyřadit techniky ukončování nabíjení pomocí měření teploty. Sám akumulátor se během nabíjení zahřívá úměrně s velikostí protékajícího proudu vlivem probíhajících elektrochemických reakcí, vnitřního odporu, přechodových odporů na svorkách baterie atd. Teplota při vybíjení k procesu vybíjení se akumulátory staví mírně benevolentněji než-li v případě nabíjení. Hodnota pro maximální teplotu okolí je typicky kolem 50 C. K zahřívání akumulátorů během vybíjení dochází vzhledem k procesu jejich nabíjení až při vyšších proudech I t. Často tedy při používání (vybíjení) trpí především vinou okolí, než-li produkcí vlastního tepla - např. jsou-li vystaveny přímému slunečnímu světlu nebo umístěny blízko hřející elektroniky. Skladovací teplota tento parametr zohledňuje především chemické a fyzikální procesy, jenž by mohly zásadně ovlivňovat životnost akumulátorů. Často jsou výrobci ve specifikacích uváděny teploty i pod 0 C. Maximální teploty se liší v závislosti na předpokládané době skladování. Při vyšších teplotách vykazují články vyšší míru samovybíjení, proto je jejich skladování bez provedení údržby (nabití) možné po kratší dobu. K zohledňování interakce teploty okolí s teplotou akumulátoru je třeba brát též na vědomí, že nitro akumulátoru je díky elektrolytu mezi vrstvami elektrod a materiálu pláště relativně dobře tepelně izolováno od jeho povrchu, na kterém dochází ke snímání teploty. Proto by se doba aklimatizace horkého/podchlazeného článku měla pohybovat v řádech hodin...5 Vnitřní odpor Ačkoliv jsou akumulátory relativně tvrdým zdrojem napětí, od toho ideálního se v reálném světě liší. Pojem vnitřní odpor se zpravidla užívá pro celkovou impedanci článku, jeho hodnotou je Ohm [Ω]. Obrázek. znázorňuje náhradní schéma vnitřku akumulátoru s jeho impedanční charakteristikou. Rezistor R vyjadřuje odpor všech vodivých kovů použitých v akumulátoru - elektrod, vývodů, vnitřních propojení, dále také odpor kladený nosičům náboje během elektrochemických reakcí. Přítomnost elektrického náboje mezi galvanicky izolovanými elektrodami znázorňuje kondenzátor C. Tato kapa- 8
. Vlastnosti akumulátorů cita má význam zvláště při zátěži pulzním proudem. Parazitní odpor elektrolytu mezi elektrodami vystihuje rezistor R.[] Vnitřní odpor se začne významně projevovat při vyšších proudech procházejících akumulátorem. Pro výkonové spotřebiče jsou proto články s vysokou hodnotou vnitřního odporu nepoužitelné, neboť dochází už v akumulátoru k značnému úbytku napětí. Ten tak brzy způsobí dosažení vybíjecí napěťové meze, ačkoliv může být nabit na téměř plnou kapacitu. Výkonové ztráty způsobené vlivem této vlastnosti se též významně projevují při generování tepla uvnitř článku. Ačkoliv s rostoucí teplotou mírně klesá velikost vnitřního odporu, nejedná se o spásnou vazbu. Akumulátorová baterie tvořená z článků zapojených v sérii má velikost vnitřního odporu rovnou jejich součtu. R C U R - Obrázek.: Schéma modelu vnitřního odporu akumulátoru..6 Samovybíjení Vyjma vybíjením přes připojenou zátěž se akumulátor vybíjí sám během skladování. Rychlost samovybíjení klesá exponenciálně v čase. Často se udává procentuální vyjádření ztracené energie po hodinách a dále po měsících po posledním úplném nabití. Závisí na použité chemii konstrukce článku, roste stářím a se zvyšující se teplotou. Kvůli této vlastnosti je třeba akumulátorům poskytovat pravidelnou údržbu v podobě jejich dobíjení i když jsou bez využití skladovány. Pokud dojde vlivem samovybíjení k poklesu napětí pod vybíjecí hranici, může dojít k zrychlené degradaci kvality článku...7 Životnost Akumulátory pro komerční využití mají v podstatě charakter spotřebního zboží. Výrobci používají pro vyjádření životnosti většinou počet nabíjecích 9
. Vlastnosti akumulátorů cyklů, po kterých využitelná kapacita akumulátoru klesne na stanovenou mez. Je to však velmi orientační hodnota, zásadním rozhodčím o osudu akumulátoru jsou způsoby s jeho zacházením. V extrémních případech může být životnost stejného akumulátoru několik cyklů (silné přebíjení, vysoká teplota, následované hlubokým podvybitím) v kontrastu s tisícovkami cyklů při šetrném zacházení (např. použití pro umělé družice). Pojem cyklus může být v praxi těžko měřitelný (dobíjení z části vybitého akumulátoru). V takovém případě by připadalo v úvahu sčítat celkový náboj, jaký je akumulátor schopen během svého života poskytnout.. Metody nabíjení Jak se jednotlivé typy akumulátorů liší ve svém chemickém složení, tak se různí i požadavky pro jejich nabíjení. Při nabíjení je nejdůležitější nepřekračovat maximální povolený nabíjecí proud a napětí. To je řešeno připojením zdroje proudu nebo napětí, případně obou těchto typů postupně, podle fáze nabíjecího procesu... Nabíjení konstantním proudem Tento způsob nabíjení je používán u všech typů akumulátorů, zaručuje maximální a konstantní velikost proudu procházejícího akumulátorem. Doporučený nabíjecí proud je závislý na kapacitě a proto bývá nejčastěji uváděn jako násobek zkušebního referenčního proudu I t. S rostoucí velikostí nabíjecího proudu je nutné brát zřetel na okolní teplotu a teplotu článku samotného. Většinou je povolená teplota přísněji ohraničena jak shora, tak zdola. Často bývají v dokumentacích akumulátorů uvedeny hodnoty proudů, povolený teplotní rozsah pro tyto proudy a způsoby proudového nabíjení: Standardní jedná se o nabíjení proudem 0, I t po dobu 6 hodin. Tento způsob je k akumulátorům velice šetrný. Umožňuje nabití na maximální kapacitu, články se nadměrně nezahřívají a snášejí bez újmy i dlouhodobější přebíjení (v případě NiCd a NiMH ). Ukončení nabíjení je hlídáno časovačem, který po stanovené době odpojí akumulátor od zdroje. Tento triviální způsob vnáší problém s nabíjením vyšších kapacit, než pro které je nabíječ navržen - akumulátory jsou odpojeny před dosažením plné kapacity. Zrychlené nabíjecí proud má v tomto případě hodnotu 0, 0,5 I t. Jedná se kompromis mezi standardním a rychlým nabíjením, kdy nabíječe mohou zůstat hloupé (odpojovat akumulátor pouze časovačem) a doba nabíjení se zkrátí na 8 hodin. Problém může nastat při nabíjení článků menší kapacity, než pro jakou je nabíječ konstruován - 0
. Vlastnosti akumulátorů akumulátory rychle dosáhnou plné kapacity a následné dlouhotrvající přebíjení je nadměrně přehřívá. Některé mírně chytřejší nabíječe při tomto režimu ukončují navíc nabíjení dosažením teplotního limitu. Jiné například zrychleně nabíjí pouze pár prvních hodin, načež sníží proud na standardní. Rychlé s dostupností levných integrovaných obvodů (především mikrokontrolérů) začala být běžná i cenová dostupnost inteligentních nabíječů. Rychlé nabíjení umožní akumulátoru dosáhnout plné kapacity během hodin proudem odpovídajícím 0,5 I t. Při tomto způsobu již nestačí spoléhat se na ukončení nabíjení časovačem, ani teplotním limitem. V případě lithium-iontových článků není nutno tento problém řešit. Ovšem v případě NiCd a NiMH akumulátorů je nutné detekovat jejich plné nabití a zabránit následnému přebíjení, jež je zvláště při uvedených proudech může značně poškodit. Používané metody pro ukončení tohoto způsobu nabíjení jsou např. Peak Voltage Detection, Negative Delta V ( V ) nebo Second Derivative of the Voltage time ( d V ). Tyto metody využívají té vlastností akumulátorů, při které jejich napětí na počátku přebíjení a následnou rostoucí teplotou klesá. dt Uvedené metody budou detailněji popsány v textu níže. Velmi rychlé tato metoda je určena především pro specializované akumulátory určené pro velké protékající proudy. Ty zároveň musí být v dobré kondici a většinou jsou při nabíjení chlazeny alespoň ventilátorem. Nabíjení probíhá proudy o velikosti 0 I t. Baterie tak mohou být nabity během deseti minut, což je vyváženo jejich menší životností. Také řídicí algoritmy nabíječe se musí při ukončování nabíjení rozhodovat podle širší škály kritérií, což se promítá do jejich komplexnějšího provedení. Kromě metod používaných při rychlém nabíjení se sleduje i vývoj teploty a některé nabíječe snímají dokonce i tlak uvnitř článku (ten to však musí umožňovat). Trvalé způsob připojení k nabíjecímu obvodu, kdy proud prochází článkem nepřetržitě. Většinou se jedná o zálohovací akumulátory počítačových systémů, RTC obvodů, nouzových osvětlení, vojenského vybavení atd. Velikost nabíjecího proudu je nízká, pohybuje se od 0,0 do 0,05 I t. Konzervační přichází až po fázi úplného nabití jako prevence před relativně rychlým počátečním samovybíjením NiCd a NiMH článků. Velikost tohoto proudu bývá často uváděna výrobcem, pohybuje se v rozpětí 0,0 0, I t. Tato metoda by měla být aplikována maximálně v řádech dní. Nové typy niklových akumulátorů snášejí i rok nepřetržitého přebíjení proudem 0, I t [].
. Vlastnosti akumulátorů.. Nabíjení konstantním napětím Poněvadž jsou některé typy akumulátorů (LiIon) velmi choulostivé na překročení svého maximálního pracovního napětí, je nutné při jejich nabíjení hlídat dosažení této meze. Většinou tato metoda následuje po předchozím nabíjení konstantním proudem. Růst napětí se zastaví a zůstane konstantní, díky tomu započne klesání nabíjecího proudu. Konec nabíjení je vyhodnoceno při poklesu proudu pod stanovenou mez, často 0,05 0, I t... Pulzní nabíjení Kromě nabíjení konstantním proudem (napětím) se někdy využívá pulzní regulace. Ve spotřebitelské oblasti je hlavním důvodem větší jednoduchost konstrukce nabíječe, kdy není potřeba použít filtrační kondenzátor na vyhlazení usměrněného napětí transformátoru. Jiný případ je ten, že nabíječ přepíná sekvenčně nabíjecí proud do několika článků. Zdroj proudu je tak při jejich libovolném počtu zatížen stále stejným odběrem, samozřejmě za cenu delší doby nabíjení. Šířkovou pulzní modulací lze také regulovat střední hodnotu proudu, například pro akumulátory s nižší kapacitou, než pro jaké je nabíjecí proud nastaven. Jiný důvod k použití pulzního nabíjení je rekonvalescence olověných akumulátorů, jejichž elektrody podlehly procesu sulface. Pulzy vysokého proudu mohou krystaly síranu olovnatého usazeného na elektrodách rozbít a donutit jej opět účastnit se elektrochemických reakcí při provozu akumulátoru.[]. NiCd Složení elektrod se u akumulátoru, díky reverzibilním elektrochemickým reakcím různí s ohledem na jejich stav nabití. Jeden z nejstarších masově rozšířených akumulátorů využívá ke své činnosti niklu a kadmia. V nabitém stavu je záporná elektroda tvořena kovovým kadmiem, kladná oxid-hydroxidem niklitým. Alkalickým elektrolytem je zde hydroxid draselný.[5].. Charakteristika Jmenovité napětí NiCd článků je, V. Během celého vybíjení si drží svorkové napětí blízko jmenovitému, až při dosažení stavu vybití napětí prudce klesne na vybíjecí limit 0,9 V. Tyto články se vyznačují nízkým vnitřním odporem, hojně se tedy používaly např. jako pohonné akumulátory modelů, elektromobilů, v akumulátorovém nářadí atd. Dalšími výhodami je jejich tolerance k nešetrnému zacházení (zvláště při nabíjení), dlouhá životnost, spolehlivost - předurčení pro použití v družicích, letectví, vojenské technice a lékařském vybavení. NiCd články se nepotýkají s problémy degradace vnitřní
. Vlastnosti akumulátorů chemie při skladování ve vybitém stavu, snášejí rychlé i velmi rychlé nabíjení a použití v teplotách pod bodem mrazu. Nejen kvůli nízké měrné kapacitě ale i kvůli jedovatosti kadmia je výroba těchto článků značně omezena a spotřebitel se s jejich komerční dostupností prakticky nesetká. Další znatelnou nevýhodou je poměrně rychlé samovybíjení, kdy standardní NiCd článek může ztratit cca 0 % své kapacity během jednoho dne po svém nabití. Jedním z rozšířených mýtů ohledně NiCd akumulátorů je fenomén zvaný paměťový efekt. Distributoři často doporučovali před každým nabitím niklové články vybít, což jim obecně snižuje životnost více, než při částečném vybíjení. Tato skutečnost je přínosná snad pouze obchodníkům. Důsledek zmíněného efektu měl spočívat v tom, že akumulátor si pamatuje úroveň svého nabití na počátku nabíjení a během dalšího vybíjení na této úrovni přestane poskytovat uchovaný náboj - sníží se kapacita. Zdroj tohoto mýtu byla patrně objevená vlastnost niklových článků, přesněji pojmenovaná jako druhý vybíjecí stupeň. Ten se může objevit ze dvou důvodů: Prvním je případ, kdy dochází opakovaně po sobě k malému částečnému vybití na přesně stejnou úroveň zbytkové kapacity. Druhým, častějším případem je četné přebíjení malým proudem za vyšších teplot, kdy se krystaly kadmia, tvořící zápornou elektrodu, začnou formovat do větších celků. To následně způsobuje snížení kontaktní plochy elektrody s elektrolytem a dojde tak, v určité fázi vybíjení, k poklesu napětí. Tento jev je v porovnání s nepostiženým článkem vyjádřen na grafu.. Úspěšné odstranění tohoto jevu lze dosáhnout pomalým hlubokým vybitím akumulátoru na 0, 0,6 V, kdy by mělo dojít k rozbití větších krystalů na menší segmenty. Akumulátor je nejdříve standardně vybíjen proudem I t na V a následně proudem mnohem menším několik hodin na 0, V. Sklony k formování velkých krystalů mohou v extrémním případě vést k protržení elektrolytu a tím působit zkratování elektrod. Houževnatost NiCd akumulátorů však umožňuje pokusit se tento fatální problém zvrátit, jelikož by těmto článkům nemělo příliš škodit ani podvybití na 0 V. Vystavení vadného NiCd akumulátoru několika krátkým a velkým proudovým pulzům ve směru vybíjení způsobí přerušení elektrické vodivosti perforujících krystalů. I v případě úspěšné obnovy článku by se měla zvážit jejich výměna, neboť se takový akumulátor již nedá považovat za spolehlivý... Nabíjení NiCd Běžné niklo-kadmiové akumulátory se nabíjejí konstantním proudem. Jeho možná velikost je u drtivé většiny dnešních článků alespoň I t. Kvalitním nabíječem je možné využít i velmi rychlého nabíjení (> I t ), pokud to specifikace výrobce dovolí. NiCd články během nabíjení neprodukují příliš tepla, dokonce povahou vnitřní chemie jej v malém množství vstřebávají. Rapidní změna ovšem na-
. Vlastnosti akumulátorů NiCd bez. vyb. st. NiCd s. vyb. st. pokles napětí 5-50 mv Napětí Stupeň vybití Obrázek.: Vybíjecí charakteristika NiCd článku s druhým vybíjecím stupněm a bez něj. [6] stane po dosažení plné kapacity, kdy se veškerá přijatá elektrická energie proměňuje na teplo. Z tohoto důvodu je při rychlejším způsobu nabíjení (> 0, I t ) nutno měřit teplotu článku, nejlépe pak využít další metody pro ukončení nabíjecího procesu... Metody pro ukončení nabíjení Ideální nabíjecí proces se ukončí právě ve chvíli, kdy se akumulátor nabije na svoji maximální kapacitu. V reálném světě ovšem nemůžeme nahlédnout do akumulátorového článku a analyzovat složení každé jeho molekuly, abychom tuto chvíli správně určili. Zbývá nám tedy pokusit se tento okamžik dostatečně včas detekovat. Dobrým způsobem je například měření napětí, teploty a analýza jejich průběhu. Dále můžeme odměřovat nabíjecí čas a náboj, který akumulátorem prošel. Nejpoužívanějšími ukončujícími metodami jsou: Voltage Cut-off (V CO ) nabíjení se ukončí při dosažení předem definované hodnoty napětí. Tato hodnota může být dána výrobcem článku v jeho dokumentaci. Jedná o metodu poněkud nepřesnou. Nejen, že je použitelná pouze na konkrétní typ článku ale samotný vývoj napětí při nabíjení je velmi závislý na teplotě akumulátoru. V nižších teplotách by byl článek odpojen předčasně, při vyšších by docházelo k přebíjení. Inteligentnější algoritmy zavádějí teplotní korekce, kdy s každým teplotním stupněm snižují konečnou hranici o několik desítek milivoltů. S různou délkou stáří si však další korekce neporadí. Z toho důvodu je tato metoda vhodná především jako záložní detekce
. Vlastnosti akumulátorů dosažení maximálního povoleného napětí NiCd článku, při kterém by mohlo docházet k plynování elektrolytu a tím nárůstu tlaku. Negative Delta Voltage ( V ) zřejmě nejpoužívanější metoda během rychlého nabíjení. Využívá té vlastnosti niklových článků, kdy jejich svorkové napětí klesá s rostoucí teplotou generovanou při nabíjení. Toto teplo vzniká právě tehdy, když akumulátor dosáhl plné kapacity a další příchozí elektrická energie jej jen zahřívá. Velikost poklesu tohoto napětí činí u NiCd nejčastěji 0 0 mv. Algoritmus si tedy pamatuje nejvyšší dosažené napětí během celého nabíjení a pokud je nově naměřená hodnota nižší alespoň o 0 mv, článek je odpojen. V lze použít pouze při nabíjení proudem > 0,5 I t, neboť při nižších proudech uvedený pokles napětí nenastane ale zastaví se na konstantní hodnotě. Jelikož je tato metoda založena na obranné reakci článku, jenž již určitý čas další náboj nevstřebává, nelze se v tomto případě vyhnout přebíjení akumulátoru. Další nevýhodou tohoto algoritmu je reakce na vlastnost dlouho skladovaných niklových článků. Ty mají dočasně zvýšený svůj vnitřní odpor, což se projeví počátečním vyšším nabíjecím napětím. Po několika minutách se vlivem zahřátí chemie článku vnitřní odpor sníží a napětí poklesne. Výskyt této vítané anomálie však může nabíjení předčasně ukončit. Proto ji důmyslnější algoritmy očekávají a prvních 5 0 minut na pokles napětí nereagují tzv. Hold-off time. Peak Voltage Detection (PVD) ukončovací způsob velmi podobný předchozí detekci poklesu napětí o definovaný rozdíl. Detekce napěťové špičky (maxima) je prakticky možná jen při naměření napětí nižšího, než je globální maximum. Tato metoda v porovnání s V redukuje trvání přebíjení akumulátoru. Však kvůli nižší toleranci poklesu napětí je náchylnější na chyby měření A/D převodníku, elektromagnetické rušení i na teplotní změny. Second Derivative of the Voltage time ( d V dt ) zatímco předchozí metoda ukončuje nabíjení při nulové derivaci napětí dle času dv = 0, (.) dt tato využívá jeho druhou derivaci d V dt = 0. (.) Poněvadž je zaznamenání tohoto inflexního bodu poměrně náročné, je často nahrazeno detekcí zpomalování růstu napětí v čase [7] d V dt < 0. (.5) 5
. Vlastnosti akumulátorů Popisovaná metoda nezpůsobí přebíjení akumulátoru ale, jak je patrné z grafu., ukončí nabíjení těsně před dosažením plné kapacity. To lze kompenzovat např. přidáním pevné doby prodlevy před skutečným ukončením nebo snížit nabíjecí proud na standardní. Stejně jak je důležité vyvarovat se falešné detekci nabitého článku u předchozích metod, při detekci druhé derivace je navíc nutné brát v úvahu i kladné změny růstu napětí (zrychlování vs. zpomalování). Tento jev je typický na začátku nabíjecího procesu, proto by mělo být opět dostatečné tuto detekci aktivovat až po jistém časovém intervalu (Hold-off). Thermal Cut-off (T CO ) nabíjení je ukončeno při dosažení stanovené teploty článku. Teplotní limit bývá běžně v rozmezí 0 50 C. Tato metoda je silně závislá na teplotě prostředí. Při nízké okolní teplotě by k ukončení nemuselo dojít a článek by se nadměrně přebíjel. Vliv vyšší okolní teploty by zase mohl způsobit předčasné ukončení nabíjení, případně i jeho znemožnění. Z tohoto důvodu se tato metoda využívá jako pojistka jiných ukončovacích mechanismů. Rate of Temperature time ( T ) využívá zrychlující se nárůst teploty při dosažení plné kapacity akumulátoru. Běžně užívaná hodnota je t C za minutu. Jelikož zde není tolik podstatná teplota okolí, metoda je často užívána v nabíječích s proudem > 0,5 I t. Problém správné detekce může nastat, pokud je nabíjení přerušeno ve fázi nárůstu teploty (výpadek elektřiny) nebo je článek od počátku zahřátý. Růst teploty může být pozvolnější i když je akumulátor nepatřičně horký vhodné kombinovat s předchozí metodou. časový limit běžný mechanismus u nabíječů standardní rychlostí (0, I t ). Nastavený nabíjecí proud musí odpovídat přibližně desetině kapacity akumulátoru a ten je pak nabíjen po dobu 6 hod. (často uvedeno v dokumentaci). Tento způsob selhává při výpadku proudu, kdy časovač začne počítat časovou periodu od začátku nebo pokud nabíjíme nevybitý akumulátor. Přebíjení proudem 0, I t není pro články kritické, u vyšších proudů je tuto metodu vhodné použít jen jako pojistku. kapacitní limit pokud je řízení nabíječe schopno měřit procházející proud akumulátorem, může jeho integrací podle času určit velikost dodané kapacity. Je-li však proud po celý proces nabíjení konstantní, je tato metoda zaměnitelná s časovým limitem. Sdílí s ním i případy selhání, to z něj činí dalšího kandidáta na pozici hlídače primárních algoritmů. 6
. Vlastnosti akumulátorů Nabíjecí chrakteristika NiCd článků i se znázorněním aktivace uvedených metod pro ukončení nabíjení je v grafu.. Čas Napětí NiMH Napětí NiCd Teplota NiMH Teplota NiCd Ukončení nabíjení d V/dt Vco PVD časový limit V Napětí Tco Teplota Hold-off T/ t Přebíjení Přijatá kapacita [%] 00 Obrázek.: Nabíjecí charakteristika NiCd a NiMH článků proudem I t se znázorněním metod pro ukončení nabíjení.. NiMH Novějším typem akumulátorů, částečně vycházejících z NiCd, jsou nikl-metal hydridové články. Složení jejich záporné elektrody je stejné jako u NiCd jsou tvořeny oxid-hydroxidem niklitým. Přesná složení kladné elektrody mají výrobci patentována a typ od typu článku se liší. Aktivní prvek při elektrochemických reakcích je v tomto případě vodík. Ten je vázán na použitou slitinu kovů a tvoří s nimi určitý hydrid. Nejčastěji se používají sloučeniny některých z těchto prvků: Lathanu, ceru, titanu, vanadu, neodymu, hořčíku, hliníku, zirkonia atd.[8] Elektrolyt je zásaditý a opět shodný s použitím v NiCd roztok hydroxidu draselného... Charakteristika Další podobností s NiCd akumulátory je především shodné jmenovité napětí u NiMH článků je také, V. Obecnými rozdíly vůči NiCd jsou především: Kapacita dosahuje více než dvojnásobku oproti NiCd. Vnitřní odpor obecně se NiMH potýká s vyšším vnitřním odporem. 7
Vybíjecí limit napětí by neměl klesnout pod V.. Vlastnosti akumulátorů Operační teplota pohybující se pod 0 C velmi omezuje elektrochemické reakce a článek tak není schopen dodat svůj běžný výkon. Rychlost samovybíjení je obecně vyšší. Nižší vybíjecí proudy (u standardních typů). Nižší odolnost k extrémním teplotám. Ekologičnost NiMH neobsahuje jedovaté kadmium. Paměťový efekt (druhý vybíjecí stupeň) by již neměl doprovázet nové typy NiMH akumulátorů. Naproti tomu dlouhodobé skladování způsobuje zlenivění, kdy články nechtějí dodávat jmenovitý proud. Tento stav lze zvrátit jejich cvičením, jenž spočívá v několika cyklech nabití a vybití. Ačkoliv se dle předchozího výčtu může zdát, že NiMH trpí mnoha nešvary, skutečnost není tak černo-bílá. Postupem vývoje bylo vyvinuto množství různých typů NiMH článku pro použití v různých aplikacích. Negativní parametry, jenž by byly s ohledem na obecné vlastnosti NiMH článků pro daný systém kritické, mohou být výběrem vhodného typu eliminovány. Následuje přehled vyráběných specializovaných NiMH akumulátorů s jejich světlejšími a temnějšími stránkami: [9] Standardní Vysoká kapacita Vyšší samovybíjení, nižší proudy Pro extrémní proudy Nízký vnitřní odpor, extrémně vysoké vybíjecí a nabíjecí proudy, tvrdý zdroj napětí Vyšší samovybíjení, nižší kapacita Se zvýšenou kapacitou Velmi vysoká kapacita Vysoké samovybíjení, nízké vybíjecí proudy Záložní (pro trvalé dobíjení a vysoké teploty) Odolnost vůči přebíjení, vyšší nabíjecí teploty, nižší samovybíjení 8
. Vlastnosti akumulátorů Nižší kapacita, nevhodné pro rychlé nabíjení, omezený počet cyklů S nízkým samovybíjením (Ready to Use) Nízké samovybíjení, delší životnost Nižší kapacita Pro rychlé nabíjení Možnost velmi rychlého nabíjení Nižší životnost, vysoké samovybíjení Komerční Náhrada používaných primárních článků Nezaručené parametry.. Nabíjení NiMH Většinu NiMH akumulátorů lze nabíjet konstantním proudem až do velikosti I t, vždy je ale potřeba se podívat do specifikace výrobce. Jak je znázorněno na grafu., průběh nabíjení má podobný charakter, jako v případě NiCd článků. Viditelných rozdílů je ovšem několik, pro přehlednost budou opět uvedeny výčtem: Teplota pozvolna roste už od začátku nabíjení, od počátku přebíjení je nárůst strmější. Pokles napětí způsobený prudkým zvýšením teploty ke konci nabíjení je nižší, udává se hodnota 5 0 mv, proto nemůže být použit nabíječ určený pouze pro NiCd. Pokles napětí zpravidla nastává i při proudech 0, I t, proto je možné použít ukončovací metodu V i při standardním nabíjení. Ovšem s jištěním časovače. T t je spolehlivou ukončovací metodou (při proudech > 0, I t ), spolu s T CO je dostatečná pro nabíjení při pokojové teplotě..5 LiIon Nejnovější typ masově rozšířených akumulátorů jsou lithium-iontové. Od niklových se zásadně liší, mají zcela odlišné parametry a způsob nabíjení. LiIon je souhrnné označení pro poměrně bohatou skupinu akumulátorů, jenž pro přenos elektrického náboje skrz elektrolyt využívají ionty lithia. Tento 9
. Vlastnosti akumulátorů prvek je velmi reaktivní kov, proto vedl ke konstrukci velmi nebezpečných, nevyzpytatelných akumulátorů. Nahrazením lithia oxidem lithiové sloučeniny s dalšími prvky pro výrobu kladné elektrody vedlo ke značné chemické stabilizaci. Dnes se tak tento typ akumulátorů těší stále větší oblibě. Prvky záporné elektrody jsou nejčastěji z amorfního uhlíku nebo grafitu. Elektrolytem je lithiová sůl rozpuštěná v organickém rozpouštědle..5. Charakteristika Hodnota jmenovitého napětí LiIon akumulátorů je závislá na použitých sloučeninách vnitřní chemie. Nejčastěji se jedná o,6 V, dále je možno setkat se s, V, V,, V a,5 V[0]. Vybíjecí charakteristika je (graf.), oproti niklovým článkům, více klesající během celé fáze vybíjení. S tím musí napájené spotřebiče počítat, např. využitím DC-DC měničů. Výhodou postupného snižování napětí je dobrý odhad zbývající kapacity akumulátoru. Lithiové články se ve srovnání s niklovými obecně potýkají s vyšším vnitřním odporem a jsou velmi náchylné na přebíjení a podvybití. Zatímco pokles napětí pod povolenou hodnotu způsobuje trvalé poškození článku, přebíjení může v extrémních případech způsobit explozi nebo požár. Z tohoto důvodu bývá často součástí akumulátorů elektronický obvod, který v případě překročení povoleného rozpětí napětí článek odpojí. Teplotní charakter chování LiIon umožňuje použití i v desítkách stupňů Celsia pod bodem mrazu výhoda proti NiMH. Nevýhoda provázející LiIon je jejich stárnutí (zhoršování parametrů) časem, bez ohledu na používání. Uvádí se, že skladování ve 00% nabitém stavu způsobuje rychlejší stárnutí a je proto doporučeno při nepoužívání akumulátor vybít na cca 50 %. Rychlost samovybíjení se pohybuje kolem 5 % kapacity za měsíc. Nejvyráběnějšími typy LiIon většinou nesou název podle oxidu chemických prvků použitých na výrobu kladné elektrody[]: Lithium-kobaltový (LiCoO ) nejčastější využití ve spotřební elektronice (notebooky, mobilní telefony) a to díky vysoké měrné kapacitě. Potýkají se však s horší teplotní stabilitou, nízkou zatižitelností ( I t ) a relativně krátkou životností. Lithium-manganový (LiMn O ) díky svému nízkému vnitřnímu odporu a struktuře tolerují vysoké zátěžové i nabíjecí proudy (0 0 I t, špičkově ještě více). Spolu s dobrou teplotní stabilitou a lepší bezpečností nalézají uplatnění jako zdroj energie v elektromobilech, modelech, aku-nářadí atd. Odpovídající nevýhodou vůči lithium-kobaltovým článkům je asi o třetinu nižší kapacita. Lithium-železo-fosfátový (LiF ep O ) články s nižším jmenovitým napětím, V. Z toho plynoucí nižší uchovatelná energie je vyvá- 0
. Vlastnosti akumulátorů žena vysokou bezpečností, dobrou teplotní stabilitou, odolností vůči nešetrnému zacházení, nízkým vnitřním odporem a velkou cyklickou životností. Lithium-nikl-mangan-kobaltový (LiNiMnCoO ) vyznačují se vysokou měrnou kapacitou nebo vysokou proudovou zatižitelností, záleží na způsobu využití a poměru jednotlivých prvků. Jedná se o relativně bezpečné akumulátory s dlouhou životností užívané pro elektrický pohon. Lithium-nikl-kobalt-hliníkový (LiNiCoAlO ) další typ určený především pro pohon elektromobilů a výkonných spotřebičů. Jeho vlastnosti slibují vysokou měrnou kapacitu, zatižitelnost a životnost. Stále pokračuje odstraňování nešvarů spojených s bezpečností. Záporné elektrody: Lithium-titanový (Li T i 5 O ) uhlík na místě záporné elektrody nahradila sloučenina lithium-titanu. Kvůli jmenovitému napětí, V má tento akumulátor nižší měrnou energii v porovnání s ostatními typy. Naopak však dovoluje nabíjení proudem až 0 I t, těší se dlouhé životnosti, je velmi bezpečný, uchovává si dobré vlastnosti při velmi nízkých teplotách. Elektrolytu: LiIon-polymerové zkráceně LiPol mohou být založeny na jakémkoliv dříve uvedeném typu. Typická obchodnická manýra využívající matení zákazníka vryla do širého povědomí domněnku, že se jedná vedle LiIon článků o nový typ akumulátorů s lepšími parametry a tím pádem i vyšší cenou. K tomu byl dále zneužit rozdíl v normách, kdy v evropských je jmenovité napětí LiIon definováno jako,6 V, kdežto v amerických,7 V. Skutečnost je taková, že jediný rozdíl mezi LiIon a LiIon-polymerovými je v použití mikro-porézního polymerového separátoru elektrolytu namísto běžného porézního. Navýšení měrné kapacity je způsobeno možností tenčího provedení článku a vynechání jeho obalu, jenž udržuje vnitřek akumulátoru pod tlakem. Dále je možné polymerové články tvarovat do libovolných tvarů a rozměrů. Zvláštností je anomálie projevující se nafouknutím LiPol akumulátorů, renomovaní výrobci elektroniky by s tím tedy při konstrukci elektronických zařízení měli počítat nebo použít LiPol v pevném pouzdře. []
. Vlastnosti akumulátorů, Napětí LiIon při 0, It Napětí LiIon při 0,5 It Napětí LiIon při It Napětí LiIon při It Napětí [V],0 00 50 Zbývající kapacita [%] 0 Obrázek.: Vybíjecí charakteristika běžných lithium-kobaltových článků s různými hodnotami proudů..5. Nabíjení LiIon Nabíjení je zpravidla rozděleno do dvou fází. Během první je akumulátor nabíjen konstantním proudem, u rozšířených lithium-kobaltových o velikosti 0,5 I t. Ve chvíli, kdy článek dosáhne maximálního nabíjecího napětí (, V u LiCoO ), nabíječ přepne režim na konstantní napětí. S přibývající kapacitou klesá nabíjecí proud, jehož hodnota v konečné fázi rozhoduje o ukončení nabíjení. Uvedený typ akumulátoru má tuto hodnotu stanovenou typicky jako I nabíjení < 0, 0 0, 05 I t, přesné hodnoty je však nutné vyhledat v dokumentaci výrobce. Na rozdíl od niklových akumulátorů se LiIon při správném nabíjení znatelně nezahřívají. Oproti tomu však nelze jejich nabíjení urychlit kvůli omezenému maximálnímu napětí. Útěchou však může být skutečnost, že během nabíjení konstantním proudem akumulátor dokáže vstřebat cca 80 % kapacity, přičemž tato fáze při I t trvá přibližně hodinu. Zbylých cca 0 % článek pojme během asi dvou hodin. Obecně se uvádí, že vystavovat LiIon maximálnímu napětí při fázi konstantního napětí je dobré provádět po co nejkratší dobu, to lze ovlivnit nižšími proudy nabíjení konstantním proudem. Nejpoužívanější ukončovací metodou je již zmíněný pokles proudu na 0,0 0,05 I t, někdy také pevný časový interval pro fázi konstantního napětí. To je ovšem vhodné u nabíječe pro konkrétní typ a kapacitu, jinak může být akumulátor nepřiměřeně napěťově namáhán. Některé nabíječe spoléhají pouze na
. Vlastnosti akumulátorů bezpečnostní elektroniku a napětí vůbec neregulují, což rozhodně není čisté řešení. Průběh nabíjení lithium-kobaltových článků je zaznamenán v grafu.5. Limitní hodnoty napětí pro jiné druhy chemie obsahuje tabulka.. Napětí LiIon Proud LiIon Kapacita LiIon Ukončení nabíjení Napětí [V] Proud [I t ],0 V 0,8 I t, V 0 80 % 60 I < 0,05 I t Čas [min] 0 časový limit 00 Kapacita [%] Obrázek.5: Nabíjecí charakteristika LiIon článků. Typ Jmenovité napětí Min. napětí Max. napětí LiCoO LiMn O LiNiMnCoO,6 V,0 V, V LiNiCoAlO LiP ol LiF ep O, V,0 V,8 V Li T i 5 O, V,8 V,8 V Tabulka.: Orientační napěťové limity některých druhů LiIon akumulátorů..6 Primární baterie Ačkoliv se tato práce zabývá nabíječem akumulátorů, je vhodné pro přehled uvést i základní rozdělení a vlastnosti článků primárních. Tyto jednorázové baterie nelze nabíjet, s vybitím končí i jejich užitečnost coby zdroj elektrické
. Vlastnosti akumulátorů energie. Oproti akumulátorům mají výhodu v mnohem nižší míře samovybíjení, což z nich dělá ideální zdroje napájení pro nízkoodběrové spotřebiče (hodiny, dálkové ovladače, měřící přístroje). Narozdíl od akumulátorů je jim ovšem vlastní i vyšší hodnota vnitřního odporu, proto nemusí uspokojit nároky zátěží s vyšším proudovým odběrem. Složení primárních baterií se liší použitými chemickými prvky elektrod a použitým elektrolytem. Většinou řada různých typů baterií sdílí stejný materiál záporné elektrody a liší se provedením elektrody kladné, popř. pouze sloučeninou elektrolytu. Běžný spotřebitel se nejčastěji dostane do styku s níže uvedenými bateriemi, rozdělenými dle materiálu záporné elektrody..6. Zinkové Zinko-uhlíkové kladná elektroda je tvořena oxidem manganičitým, chlorid amonný je zde na místě elektrolytu. Uhlík je v názvu obsažen díky jeho roli proudového kolektoru. Jedná se o relativně starý typ baterií, jenž trpí nepříjemným neduhem častého vytékání elektrolytu. To je způsobeno zapojením materiálu obalu článku do elektrochemických reakcí. Jejich kapacita není nikterak závratná, jde o nejlevnější typ článků, dnes na trhu zřídka dostupný. Zinko-chloridové téměř totožný s předchozím typem, elektrolyt je z velké části nahrazen chloridem zinečnatým, což značně snížuje pravděpodobnost vytečení článku. Dále vyniká nižším vnitřním odporem a delší dobou skladovatelnosti. Levné baterie, laicky popsatelné jako obyčejné, standardní. Alkalické zatímco v předchozích typech byl použit kyselý elektrolyt, u alkalických baterií, jak jejich název napovídá, se jedná o elektrolyt zásaditý hydroxid draselný. Jádro článků tvoří záporná elektroda, obal kladná. Jelikož se tedy pouzdro článku neúčastní oxidace, nehrozí u alkalických baterií jejich vytečení. V porovnání s předchozími typy mají obecně vyšší kapacitu a nižší vnitřní odpor, též jejich cena je příznivá. Stříbro-oxidové kladnou elektrodou je zde oxid stříbrný. Užití drahého stříbra činí výrobu těchto baterií cenově nákladnou. Proto se v civilní oblasti lze s tímto typem článků nejčastěji setkat pouze ve formě knoflíkových baterií. Oproti alkalickým článkům mají vyšší kapacitu, nižší vnitřní odpor a delší dobu skladovatelnosti..6. Lithiové Baterie s použitým kovovým lithiem na pozici záporné elektrody umožňují vytvořit velmi kvalitní elektrochemický zdroj. V kombinaci s použitou che-
. Vlastnosti akumulátorů mií pro kladnou elektrodu a elektrolyt existuje široká škála těchto článků s různými úrovněmi napětí a dalšími charakteristikami. Časté je užití baterií s napětím,6 V pro přístroje s minimálním odběrem, kde má tento zdroj životnost i přes deset let. Knoflíkové články s napětím V jsou hojně využity v drobné elektronice a jako zálohy obvodů reálného času. Existují i náhrady za zinkové baterie s napětím,55 V, jež na rozdíl od alkalických článků snášejí vysoké proudové zatížení. Také jejich využitelná kapacita s růstem proudu příliš neklesá, největší nevýhodou těchto baterií je proto jejich poměrně vysoká cena. 5
Požadavky na systém nabíječe Předchozí kapitola (Kap. ) detailněji shrnula vlastnosti akumulátorů, pro které bude navrhovaný nabíječ určen. Myšlenku konstrukce nového nabíječe podpořily nedostatky komerčních zařízení, zejména kvůli omezení se na jeden článek (baterii článků), nízké vybíjecí proudy pro měření kapacity, pasivní balancování, nemožnost širší konfigurace a jiné. Dále je velmi užitečná funkce měření vnitřního odporu akumulátorů, což většina nabíječů neumožňuje. Motivací je realizovat nabíječ výkonově dostatečný pro modelářské pohonné a běžné akumulátory ve spotřební elektronice, proto budou při návrhu uvažovány akumulátory s kapacitou maximálně cca 8 Ah. S ohledem na zadání diplomové práce a konzultované podrobnosti jsou stěžejními parametry navrhovaného nabíječe: Nabíjení LiPol, NiMH a NiCd článků ze skupiny lithium-iontových akumulátorů těch s jmenovitým napětím,6 a, V. Nabíjecí proud 0 A. Vybíjecí proud 0 A. Měření kapacity článků. Měření vnitřního odporu článků. Měření teploty článků. Nezávislé nabíjení až čtyřech akumulátorů. Možnost nabíjení akumulátorových baterií s až čtyřmi články v sérii. Modularita možnost rozšiřovat počet samostatně nabíjených akumulátorů. Centrální řízení výkonových modulů jeden ovládací prvek bude řídit moduly určené pro nabíjení akumulátorů. 6
Analýza funkčních bloků Prvním krokem ke splnění požadavků stanovených v předchozí kapitole (Kap..7) je shrnutí možných variant pro řešení jednotlivých funkčních bloků. Jak je známo z kapitoly o akumulátorech (Kap. ), nabíječ se neobejde bez regulovatelného zdroje napětí a proudu. Schopnost řízeného vybíjení, ať už pro určení kapacity nebo zotavení článků, zajistí speciální elektronický obvod. Regulace těchto dvou bloků se neobejde bez dalšího, kterým bude analogově digitální převodník. Přenos dat mezi moduly bude zprostředkovávat některé ze standardizovaných komunikačních rozhraní. Uvedené funkční bloky, předpovídající netriviální způsob vzájemné komunikace, přímo vybízejí k použití vhodného mikrokontroléru (angl. zkratka MCU ), jenž svým programem zajistí požadovanou funkčnost celého nabíječe. Analýza dalších funkcí, jakými jsou měření vnitřního odporu a teploty budou taktéž obsahem této kapitoly.. Nabíječ Jelikož bude nabíječ univerzální pro více typů akumulátorů a má umožňovat svobodnou konfiguraci nabíjecích parametrů, jsou speciální nabíjecí obvody ze začátku zavrženy. Opačný přístup využití nejprostšího řešení nabízí hned dvě záhy uvedené varianty regulátoru. Aby mohl mít velikost výstupního napětí v režii mikrokontrolér, musí být regulátor schopen reagovat na PWM signál, popř. napětí digitálně analogového převodníků. Těmito funkcemi jsou často mikrokontroléry pro obecné použití vybaveny... Lineární regulátor Široká nabídka nastavitelných integrovaných lineárních regulátorů napětí umožňuje jejich využití jako zdroj pro navrhovaný nabíječ. Jejich předností je nejen relativně nízký počet potřebných součástek pro požadovanou činnost ale také svým principem nejsou zdrojem rušení a jejich výstupní napětí je velmi stabilní. Velikou nevýhodou je skutečnost, že veškerý rozdíl mezi vstupním a výstupním výkonem je přeměněn na ztrátové teplo. Pokud bychom nabíječ (tedy vstup stabilizátoru) napájeli už jen napětím 5 V, ztrátový výkon při nabíjení vybitého NiCd článku proudem A by byl přibližně (5, ) =, W. Příklad obvodu zdroje napětí s regulátorem LM7 je na schématu.. Minimální dosažitelné napětí uvedené v dokumentaci stabilizátoru je, V[], proto by pro nabíjení niklových akumulátorů bylo potřeba použít typ s nižším úbytkem napětí. 7
. Analýza funkčních bloků V V R IC LM7 IN OUT ADJ R,-V 0 PWM GND R M C 00n R5 7 8 V IC LM7P 6 5 R 0k Obrázek.: Lineární regulátor napětí s LM7 řízený PWM signálem.[].. Spínaný regulátor Regulace založená přímo na pulzech PWM signálů dovoluje za použití tlumivky vstupní napětí jak snížit, tak zvýšit. Zpravidla se neobejde bez použití rozměrnějších součástek dimenzovaných na požadovaný proud, jakými jsou výkonový spínací tranzistor, tlumivka, filtrační kondenzátor a usměrňovací diody. Potřebná velikost indukčnosti a kapacity je závislá na spínací frekvenci, s jejím růstem se mohou hodnoty zredukovat. Snižující měnič napětí jak je vidno ze schématu., délka otevření tranzistoru Q je úměrná k velikosti výstupního napětí. Díky procházejícímu proudu vznikne kolem cívky L magnetické pole a kondenzátor C se nabíjí. Po rozepnutí Q je napětí na výstupu udržováno nábojem C a také L převezme roli zdroje proudu díky přeměně magnetické energie zpět na elektrickou. Obvod uzavírá dioda D. Při poklesu napětí na výstupu se opět otevře tranzistor Q a cyklus se opakuje. Tento způsob regulace má vysokou účinnost (cca 90 %), neboť ztráty jsou způsobeny pouze neideálními vlastnostmi součástek. Největší podíl na ztrátách v tomto obvodu má dioda D, proto se může překlenout dalším spínacím tranzistorem Q a vytvořit tak synchronní snižující měnič. Tento tranzistor je řízen opačnou polaritou PWM, nežli Q a nahradí tedy funkci D, přičemž tak může zvednout účinnost o několik procent. Ne vždy se ovšem synchronní varianta vyplatí. Velký rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím a relativně malé výstupní zatížení může zvýhodnit nesynchronní variantu[5]. 8
. Analýza funkčních bloků Vin L Vout < Vin C Q Q D C PWM PWM Obrázek.: Synchronní snižující měnič napětí. Zvyšující měnič napětí drobnou změnou předchozího obvodu lze dosáhnout opačného efektu, jímž je zvyšování vstupního napětí. Zatímco ve snižujícím měniči (.) tlumivka nahrazovala v rozepnutém stavu Q zdroj proudu, zde (.) je se vstupním zdrojem napětí spojena sériově. Při sepnutém Q tlumivka akumuluje energii do svého magnetického pole. Rozepnutí tranzistoru Q způsobí změnu polarity cívky a C se tak nabije na napětí V out = V in V L V D. Dioda D zamezuje zpětnému vybíjení C. Vin L D Vout > Vin C PWM Q C Obrázek.: Zvyšující měnič napětí. Zvyšující-snižující měnič napětí kombinací těchto dvou typů měničů lze i za použití jedné tlumivky dosáhnout napětí jak většího, tak nižšího oproti vstupnímu. Je zapotřebí dvou signálů: P W M a P W M. P W M je aktivní pro získání nižšího napětí, zatímco Q je v rozepnutém stavu. Pokud je požadováno napětí V out > V in, aktivuje se P W M pro Q a Q je trvale sepnut. Mikrokontrolér nemůže zaručit PWM signálem požadované napětí výstupu regulátoru bez zpětné vazby. Hodnota napětí tedy musí být snímána 9
. Analýza funkčních bloků A/D převodníkem. Pokud bude MCU schopen měřit i zátěžový proud, lze přizpůsobováním napětí těchto regulátorů získat i zdroj proudu.. Balancér Akumulátorové baterie obsahující sériově zapojené články se mohou potýkat s problémy, pokud nemají totožné parametry. Zejména liší-li se svojí kapacitou, vnitřním odporem a stavem nabití. Poněvadž v reálném světě nastávají běžně všechny tyto stavy, je potřeba při konstrukci baterie používat články se stejnými jmenovitými parametry a typicky i kusy ze stejné výrobní série. Během užívání baterie se postupem času začnou parametry stále více diferencovat, proto je vhodné udržovat stav nabití každého článku v rovnováze s ostatními. Nejslabší akumulátor v sérii trpí při nabíjení tím, že nestihne (má nejvyšší vnitřní odpor) nebo nedokáže (jeho kapacita je nejnižší) pojmout tolik energie, jako ostatní. Z toho důvodu dosáhne při vybíjení jako první vybíjecího napětí a je dále podvybíjen což opět zhorší jeho parametry. Bateriím složených z niklových článků se ve spotřební oblasti (modelářství, spotřební elektronika) tomuto luxusu obvykle nedostává. Je to díky tomu, že při nabíjení dochází většinou k přebíjení a zatímco zdravější články již mění procházející proud na teplo, pomalejší mají ještě čas pro vstřebávání náboje. Jiná situace ovšem nastává u baterií z lithium-iontových akumulátorů. Ty přebíjení netolerují a proto musí být jejich nabíjení ukončeno, jakmile první z nich dosáhne nabitého stavu. Stejně tak musí být ukončeno vybíjení, pokud nejslabší článek dosáhne vybíjecího napětí. Z tohoto důvodu komplexní nabíjecí obvody ovlivňují nabíjecí proud pro každý článek nebo jsou k nabíječi použity externí obvody obstarávající tuto funkci balancéry. Balancování jednotlivých článků může probíhat při nabíjení, vybíjení i nečinnosti baterie. Existují dva přístupy k chování balancérů: Aktivní používá se v aplikacích, kde je potřebné maximálně využít energii dodanou akumulátorové baterii. Během nabíjení je energie určená pro články s nižší kapacitou delegována článkům silnějším. Vybíjecí procedura naopak využívá mechanismu, kdy silnější články dodávají energii za slabší a celková energie baterie je tak mnohem lépe využitelná. Tyto mechanismy ovšem vyžadují složitá a nákladná zařízení, využívají se např. u modernějších elektromobilů. Pasivní jednotlivé články si energii mezi sebou nepředávají, jde především o to, aby dosáhly stejné úrovně nabití. Často se využívá odporových balancérů, jak je znázorněno ve schématu.. Pokud některý z článků dosáhne maximálního nabíjecího napětí, sepne se odpovída- 0
. Analýza funkčních bloků jící tranzistor, který proud přemostí přes paralelně připojený rezistor. Dále se může postupovat podle několika scénářů. Plně nabitý článek může být rezistorem vybit na úroveň slabšího a následně se pokračovat v nabíjení celé baterie. To způsobuje zbytečné vybíjecí cykly. Jiný způsob může být ten, že je nabíjecí proud baterie přes paralelní rezistor přemostěn a až napětí plného článku klesne o stanovenou mez, je opět zařazen do nabíjecí série. Toto řešení zbytečně dlouho vystavuje akumulátor maximálnímu napětí, což neprospívá jeho životnosti. Vyvarovat se tomu lze například průběžným vyrovnáváním hladin napětí všech článků, tím se však nabíjecí čas relativně hodně prodlužuje. Také překlenovací rezistory musí být dimenzovány na dostatečný ztrátový výkon, což se často obchází snížením nabíjecího proudu na pár stovek miliampér. Jiný přístup může, místo maření energie na odporech, nabitý článek prostě odpojit a pokračovat v nabíjení ostatních. Případně nabíjet každý článek zvlášť dle jeho potřeb. Tato šetrná a rychlá metoda skýtá nevýhodu ve větší komplexnosti a nákladnosti. B- B S S S Q Q Q R R R Obrázek.: Pasivní balancér s odpory.. Vybíječ Nejjednodušší vybíjející zátěží by mohl být rezistor. Ovšem i možnost spínání několika odporových zátěží by velmi redukovalo počet použitelných vybíjecích proudů. Se snižujícím se napětím vybíjeného článku by též klesal vybíjecí proud. To nereflektuje charakter mnoha elektronických spotřebičů, které pokles napětí kompenzují vyšším odběrem proudu (DC-DC měniče). Vzhledem k požadavku konstantního vybíjecího proudu by mohl být použit zdroj proudu za použití operačního zesilovače. Regulace je možná díky integračnímu RC článku, jenž zajistí nastavitelnou úroveň napětí dle PWM signálu MCU. Toto napětí bude OZ porovnáváno s úbytkem napětí na snímacím rezistoru a tranzistor připojený na výstup bude regulovat vybíjecí proud akumulátoru.
. Měření napětí a proudu. Analýza funkčních bloků Díky použití MCU je nezbytné pro měření napětí využít A/D převodníku. Většina mikrokontrolérů má tento převodník integrovaný. Příklad takového MCU je ATmega od firmy Atmel. Jeho převodník má rozlišení 0 bitů. Pokud bychom chtěli měřit napětí v rozsahu 0 V, získali bychom rozlišení 0,0 V, což vzhledem k choulostivosti LiIon akumulátorů a nutnosti detekce poklesu napětí o 5 mv u NiMH je za hranicí použitelnosti. Dosažení vyššího rozlišení je možné použitím externího A/D převodníku za cenu vyšší složitosti nabíječe, zejména kvůli nutnosti datové komunikace mezi čipy. Jelikož je potřeba měřit i proud, převodník musí být alespoň dvoukanálový. Na trhu existuje široká škála A/D převodníků, jenž využívají různé metody konverze analogové veličiny na data. Mezi nejrozšířenější typy patří Successive-approximation, Sigma-delta a Pipelined ADC. Pro návrh nabíječe jsou nejpodstatnějšími parametry rozlišení a rychlost konverze. Stanoveným kritériím alespoň bitového převodníku, rychlosti minimálně 000 vzorků za sekundu (Samples Per Second SPS) a přítomnosti dvou kanálů vyhovuje několik kandidátů v tabulce.. Typ Rozlišení [b] Rychlost [ksps] Cena [Kč] [6] MCP0 00 87 AD799 88 0 ADS08, 9 ADS05, 95 Tabulka.: Porovnání A/D převodníků. Měření proudu bude pro jednoduchost založena na snímacím rezistoru, jehož úbytek napětí bude úměrný protékajícímu proudu. Je žádoucí, aby hodnota tohoto rezistoru byla co nejmenší. Aby bylo možné jedním A/D převodníkem měřit napětí akumulátoru, jenž bude řádově vyšší než úbytek napětí na snímacím rezistoru, je potřeba tento úbytek pro dostatečné rozlišení měření zesílit. K tomu se využívá operačních zesilovačů s nastavením potřebného zesílení. Jelikož se však zesílení nastavuje rezistory, tolerance jejich hodnot se výrazně promítá do chyb měření. Proto pro tento účel existují speciální integrované obvody, jejichž výstupní napětí lze přímo měřit A/D převodníkem. Několik takových obvodů určených pro obousměrný proudový tok je v tabulce.. Existují i obvody přímo určené k měření proudu a napětí. Není potřeba jim nastavovat externí referenci a obsahují i zesilovač bočníkového napětí. Takovým obvodem je např. INA9 (65 Kč) nebo INA0 (8 Kč).
Typ Zesílení [V/V] Cena [Kč] [6] AD88 0 78 AD86 8 AD80 0 0 AD806 0 9 AD805 50 75 INA0 00 INA 50 57 INA 00. Analýza funkčních bloků Tabulka.: Zesilovače napětí snímacího rezistoru..5 Měření teploty baterií K převodu teploty na elektrickou veličinu se nejčastěji využívá odporových nebo polovodičových čidel. Obyčejné odporové čidlo, nejčastěji s negativním teplotním koeficientem, je zapojeno jako odporový dělič s pevným rezistorem. Výstup tohoto děliče je přiveden na vstup A/D převodníku, jenž umožní získat číselnou hodnotu. Více sofistikovanější teplotní čidla obsahují integrované elektrické obvody, které mají napěťový výstup s definovanou hodnotou napětí na jeden stupeň Celsia. Taktéž jsou připojeny na A/D převodník. Poněkud komplexnější jsou integrované obvody, jenž analogovou veličinu samy konvertují na data a ty je možno vyčíst datovou sběrnicí. Tyto senzory mají výhodu, že nemusí být kalibrovány. Také díky adresovatelným komunikačním sběrnicím může být několik těchto čidel připojeno k MCU i jedním vodičem např. sběrnice -Wire..6 Měření vnitřního odporu Vnitřní odpor akumulátoru se v praxi měří dvěmi metodami[7]: Stejnosměrným proudem akumulátor je po dobu několika sekund vybíjen nižším proudem I (např. 0,5 I t ), přičemž je měřeno jeho napětí U. Následně je proud zvýšen na I ( I t ) a odečteno napětí U. Výsledný odpor článku R se vypočítá jako podíl rozdílů naměřených hodnot R = U U I I [Ω].[8] (.) Nastavitelný proud umožňuje dříve zmíněný obvod vybíječe, proto není potřeba přidávat další elektroniku.
. Analýza funkčních bloků Střídavým proudem standardizovaný způsob měření, jenž nejčastěji využívá střídavý proud o frekvenci khz. Hodnotu odporu naměřeného touto metodou výrobci často uvádějí v dokumentacích akumulátorů. Schéma.5 znázorňuje způsob měření. R vybíjí akumulátor konstantním proudem, přičemž cívka L brání průchodu střídavé složky proudu [9]. C brání průchodu stejnosměrného proudu do akumulátoru ze zdroje a zpět. Voltmetr i ampérmetr musí být určeny pro střídavé napětí o frekvenci khz. Výsledná impedance akumulátoru se pak vypočítá Z = U I [Ω], (.) kde U je napětí naměřené voltmetrem V a I je proud odečtený z ampérmetru A. Realizace této metody s použitím MCU a A/D převodníku je poměrně komplikovaná. Také by bylo nutné nabíječ vybavit zdrojem signálu sinusového průběhu. Realivně jednoduchý zdroj je možný zhotovit vhodným zapojením operačních zesilovačů ve funkci pásmové propusti [0]. A C L khz V R Obrázek.5: Způsob měření vnitřního odporu střídavým proudem.[9].7 Komunikace mezi moduly Předchozí kapitola zmínila požadavek na modularitu systému. Z toho plyne nutnost zabývat se způsobem, jakým se jednotlivé moduly spolu dorozumějí. Horní hranice množství komunikujících zařízení se předpokládá kolem deseti. Vzdálenost mezi jimi bude řádově v metrech. První myšlenka vybízí k použití sdílené sériové sběrnice, v průmyslu je velmi rozšířená RS-85. Jedná se o poloduplexní dvouvodičovou sběrnici vycházející z RS-. Hlavním rozdílem,
. Analýza funkčních bloků kromě odlišných napěťových úrovní, je reprezentace logické úrovně diferencí napětí oproti jeho polaritě. RS-85 je snadné integrovat s využitím USART rozhraní mikrokontrolérů stačí použít signálový převodník. Poměrně novým typem sběrnice je LIN (Local Interconnect Network). Využívá se nejčastěji v automobilovém průmyslu ale najde uplatnění všude, kde není potřeba vysokých přenosových rychlostí. Jedná se o jednovodičovou sběrnici, jejíž protokol lze implementovat USART rozhraním MCU. Jelikož LIN je mimo definice fyzické vrstvy i protokol linkový, musí mikrokontrolér USART řídit netriviálním programem. Existují i MCU obsahující LIN rozhraní. Další sběrnicí původně určenou pro automobilovou diagnostiku je CAN (Controller Area Network). Jedná se o robustní sběrnici určenou speciálně do podmínek vysoké úrovně rušení a z toho plyne její komplexnost a cenová nákladnost. Její použití vyžaduje speciálních integrovaných obvodů nebo mikrokontrolérů, jenž její rozhraní obsahují. Aby byl pohled na možnosti mezimodulové komunikace širší, není potřeba se omezovat pouze na metalické propojení. Existuje celá řada obvodů umožňující přenos dat v různých frekvenčních pásmech bezdrátové komunikace. Jedním takovým je nrfl0 od firmy Nordic Semiconductor. Obvod využívá frekvenční pásmo, GHz, operuje výkonem až 0 dbm a cena jeho modulů je velmi atraktivní (cca 0 Kč/ks). Následuje tabulka. se srovnáním některých parametrů uvedených komunikačních řešení. Typ Rychlost Počet uzlů Vzdálenost Cena RS-85 0 Mb/s (0 m) 8 00 m Nízká LIN 0 kb/s 6 > 0 m Střední CAN Mb/s 8 00 m Vysoká nrfl0 Mb/s > 8 > 5 m Nízká Tabulka.: Porovnání parametrů komunikačních sběrnic..8 Komunikace s řídícím zařízením Pokud by řídící prvek tvořil speciálně navržený modul, komunikoval by s výkonnými moduly nabíječů některou z výše uvedených sběrnic. Využití PC pro centrální řízení omezuje výběr na tyto dvě rozhraní: USB výhoda spočívá v rozšířenosti této sběrnice prakticky na všech osobních počítačích. Nevýhodou je vyšší cena specializovaného obvodu umožňující komunikaci přes USB. 5
. Analýza funkčních bloků RS- výhodou je snadné propojení s mikrokontrolérem pouhým použitím signálového převodníku. Nevýhoda tkví v stále menší rozšířenosti tohoto rozhraní v základních deskách PC. Tento problém může vyřešit převodník USB RS-85. 6
5 Návrh systému nabíječe Zatímco předchozí kapitola (Kap. ) uvedla několik způsobů řešení jednotlivých požadovaných funkcí nabíječe, nyní nastal čas popsaná řešení vybrat a zakomponovat do funkčního celku. Celková filozofie navrženého nabíječe je shrnuta v blokovém schématu 5.. Primární komunikační rozhraní mezi moduly nabíječe bude realizováno použitím RF modulů s čipem nrfl0. Návrh hardwaru bude dále také uvažovat možnost metalického propojení pomocí RS-85 sběrnice. 5. Master modul Centralizované řízení distribuovaných nabíječů je řešeno master-slave topologií. Ovládání bude umožňovat PC, k němuž bude rozhraním RS- připojen modul Master. Pokud počítač nebude tímto portem vybaven, použije se převodník RS- USB. Úkolem Master modulu bude sběr dat ze všech modulů nabíječe a jejich odesílání na sériovou linku PC. Opačným směrem bude zasílat příkazy pro jednotlivé nabíjecí moduly. 5. Modul nabíječe Výkonné části distribuovaného nabíječe MN n budou realizovány vlastními moduly. Jejich počet bude prakticky omezen schopností Mastera pamatovat si adresy nabíječů, jež se využívají pro bezdrátovou komunikaci RF moduly. Největším dilematem při návrhu modulu nabíječe byl způsob nabíjení vícečlánkových akumulátorových baterií. Odporový balancér se mi nezamlouval díky pomalosti nabíjení při velké rozváženosti akumulátorů a kvůli namáhání předčasně nabitých článků. Rozhodnutí padlo na robustní řešení v podobě dedikovaného nabíjecího obvodu pro každý jednotlivý článek. Díky tomu bude možné nabíjet i různé druhy jednotlivých akumulátorů současně. Modul nabíječe bude mít schopnost současně nabíjet až čtyři články. Pokud se bude jednat o akumulátorovou baterii s konektorem pro balancování každého článku, napájení čtyřmi nezávislými zdroji bude nevyhnutelné. Na schématu 5. je jejich napětí označeno jako U A U D. Aby každý nabíjecí okruh [U A ] [U D ] nemusel kvůli nesdílené elektrické zemi komunikovat s Masterem zvlášť vlastním RF modulem, bude každý okruh skrz optrony komunikovat s lokálním masterem M CU. Ten bude mimo nabíjení obstarávat i komunikaci s Master modulem. Každý okruh bude mít vlastní obvod pro nabíjení a vybíjení řízený PWM signály MCU. Vývody a těchto obvodů značí přípojné body pro akumulátory. Napětí a proud bude snímán obvodem A/D převodníku, komunikujícím 7
5. Návrh systému nabíječe s MCU I C sběrnicí. Teplotní senzor T je určen k měření teploty článku. Poněvadž vysoká přesnost měření v této aplikaci není kritická, postačí k tomuto účelu využít A/D převodníku MCU. 8
5. Návrh systému nabíječe Modul nabíječe (MN ) ADC SPI I C RF RS-85 Master RF RS-85 _ T Nabíječ Vybíječ PWM PWM ADC UART 0 MCU (master) UART [U A ] UART MCU UART 0 RS- ADC I C RS- _ T Nabíječ Vybíječ ADC PWM PWM ADC I C UART MCU (slave) [U B ] RS-85 nebo RF RS- USB USB PC _ T Nabíječ Vybíječ PWM PWM ADC UART MCU (slave) [U C ] MN MN n ADC I C _ T Nabíječ Vybíječ PWM PWM ADC UART MCU (slave) [U D ] U A U B U C U D Obrázek 5.: Blokové schéma systému distribuovaného nabíječe s centrálním řízením. 9
6 Návrh hardwaru Sestavením obecného schématu 5. může započít návrh zapojení elektronických součástek. Smyslem této kapitoly je podrobněji popsat elektrické obvody realizující funkčnost vytyčených cílů pro celý systém nabíječe. 6. Modul nabíječe Výkonový modul pro nabíjení obsahuje co do funkčnosti tři totožné obvody (okruhy [U B ] [U D ] schéma B.) starající se každý o jeden akumulátor. Čtvrtý ([U A ] schéma B.) mimo shodnou funkcionalitu navíc zprostředkovává komunikaci s Master zařízením. Pokud nebude uvedeno jinak, názvy dále uvedených součástek se vztahují k okruhu [U A ] (B.). 6.. Nabíjecí obvod Pro nabíjení byl zvolen obvod se snižujícím měničem napětí. Lineární regulátor by byl fixován na nízké napájecí napětí nebo by bylo nutno řešit vysoké ztrátové teplo. Zvyšující zase potřebuje vyšší kmitočet PWM signálu, který by levný MCU nedokázal generovat. Výpočet součástek využíval převážně rovnice z []. Stanovené hodnoty: U in = V U out =, V I load = A f sw = 9 khz D = V out V in = 0, 5 I ripple = 0, = 0, 9 A. T = D f sw = 9 µs I = 0, 9 A U = 0, 05 V U ripple = 0, V R ESR = 0, 0 Ω. Hodnota indukčnosti tlumivky L5 se vypočítá jako D f L 5 = (U in U out ) sw (6.) I ripple L 5 = 75, 8 µh, (6.) 0
6. Návrh hardwaru a musí být dimenzována na I load I ripple =, 9 A. Kapacita výstupního kondenzátoru C: Hodnota vstupního C pak C = I T U ( I R ESR ) (6.) C = 580 µf. (6.) C = T U ripple I ripple R ESR (6.5) C = 5 µf. (6.6) Kde U in je napájecí napětí nabíječe, U out maximální výstupní napětí měniče, I load maximální nabíjecí proud, f sw spínací frekvence, D poměr sepnutí Q a I ripple proud doplňující C při sepnutí Q. Dále pak U ripple povolená hodnota zvlnění vstupního napětí a R ESR parazitní sériová impedance kondenzátoru. Spínací P-kanálový MOS-FET tranzistor Q musí být schopen propustit alespoň A, čemuž vyhovuje např. IRF7 []. Požadavkům diody D vyhovuje typ SSC5 []. Výstupní kapacitu je velmi vhodné doplnit přídavnými kondenzátory s menší impedancí ve zvoleném spínacím kmitočtu 9 khz pro potlačení napěťových špiček []. Výstup je tedy navíc filtrován tantalovým kondenzátorem C a keramickým C. Blokující dioda D zabraňuje vybíjení přípojeného akumulátoru při nečinnosti nabíjecího zdroje. Hradlo spínacího Q je vybíjeno tranzistorem Q a nabíjeno pull-up rezistorem R. 6.. Vybíjecí obvod Vybíječ akumulátoru je tvořen zdrojem proudu za použití operačního zesilovače s nízkým vstupním ofsetem MCP67 [5]. Konstantní proud je udržován zápornou zpětnou vazbou z úbytku napětí na rezistoru R0, který činí až 0, V při proudu A. Na neinvertujícím vstupu operačního zesilovače IC5 je RC článkem (R7, C) udržováno napětí úměrné délce PWM pulzů z mikrokontroléru. Toto napětí je z 5 V signálu převedeno děličem R7 a R8 na cca 0 0,6 V. Výstup OZ dle potřeby otvírá nebo přivírá výkonový tranzistor Q přes ochranný rezistor R9. Jelikož je zde Q využit jako vybíjecí zátěž, jeho ztrátový výkon při napětí, V a proudu A činí téměř W. Je tedy nutné jej vybavit dostatečně velkým chladičem. Rezistor R0 musí snést ztrátu alespoň W.
6. Návrh hardwaru 6.. Obvod měření U a I Měření napětí a proudu bude provádět monitor proudu a výkonu INA0 [6]. Za cenu nejlevnějšího A/D převodníku zde máme k dispozici již integrovaný zesilovač napětí snímacího rezistoru. Obvod snímá napětí v rozmezí ±0 mv. Programovatelným děličem lze tento rozsah zvýšit na ±60 mv, což vyhovuje použití snímacího rezistoru R = 0, 05 Ω. Rozsah měřitelného napětí je 0 6 V s rozlišením mv. Napájení obvodu je stabilizováno kondenzátory C7 a C6. R, R5 a C8 poskytují vyšší odolnost vůči rušení. Signály I C jsou přivedeny k MCU IC s potřebnými pull-up rezistory R a R5. 6.. Komunikace mezi mikrokontroléry Zasílání dat mezi galvanicky oddělenými mikrokontroléry si žádá využití k tomu určených součástek optronů. Ke komunikaci jsou využita UART rozhraní každého MCU, jež pro jednoduchost využívají poloduplexní jednovodičové sběrnice. Signál této linky operuje s elektrickým potenciálem okruhu [U A ]. Dominantní hodnotou sběrnice je logická 0, která je dosahována přes diodu D úrovní 0 TX signálu. Recesivní je získána pull-up rezistorem R6. Okruhy [U B ] [U D ] (schéma B.) čtou hodnotu sběrnice pomocí optronu OK. Recesivní udržuje tranzistor Q9 uzavřený a diodou v OK neteče proud. Dominantní 0 Q9 otevře a log. přítomna díky pull-up R5 na RX pinu je uzeměna hradlem optronu. Vysílání na sběrnici probíhá obdobně log. TX pinu ponechává diodu zhasnutou a sběrnice je v recesivním stavu. Změnou na log. 0 dioda sepne hradlo v OK a sběrnice dosáhne dominantní 0. 6..5 Komunikace s Master zařízením Řízení RF modulu vyžaduje SPI sběrnici a logické signály. Vzhledem k zakomponování možnosti využít sběrnici RS-85 je na stejné USART rozhraní připojen převodník IC6 ST85 [7]. Volba mezi aktivním zařízením je na nastavení jumperů JP JP. Režim UART vs. SPI lze zvolit programově v MCU. Napájecí napětí, V zabezpečuje stabilizátor IC typu TC05. 6..6 MCU Jak již bylo dříve zmíněno, komplexní funkčnosti nabíječe je nutné dosáhnout použitím mikrokontroléru. Výběr konkrétního typu zohledňoval nutnost přítomnosti alespoň dvou PWM kanálů, dvou UART, jednoho SPI a I C rozhraní, A/D převodníku a dostatečného počtu obecných vstup/výstupních
6. Návrh hardwaru pinů. Tento požadavek splňuje například mikrokontrolér ATmega firmy Atmel, proto byl na pozici mozku nabíječe vybrán. Pracovní frekvence je nastavena na maximální možnou (0 MHz), především kvůli zvyšujícímu měniči. Mimo výše uvedených obvodů mikrokontrolér dále měří teplotu článku termistorem T R a teplotu chladiče T R. Další vstup A/D převodníku je určen pro měření napájecího napětí modulu nabíječe. Jeden pin, potažmo PWM signál je určený pro regulaci ventilátoru spínaného tranzistorem Q. Na DPS je dále umístěn konektor CN pro programovaní mikrokontroléru a vyvedeno SPI rozhraní CN pro možnost dalšího rozšíření. Výčet součástek spojených s mikrokontrolérem zakončuje resetovací tlačítko S a indikační LED LD a LD. Napájecí napětí 5 V pro mikrokontrolér i další obvody má na starosti stabilizátor IC, jedná se o katalogové zapojení známého stabilizátoru LM7805. 6..7 Způsob připojení akumulátorů Poněvadž má býti nabíječ univerzálním, nebude obsahovat držáky a klipsy pro uchycení určitých typů konstrukcí akumulátorů. S ohledem na minimalizaci přechodových odporů budou výstupní vodiče připájeny přímo k DPS a jejich konce opatřeny pravděpodobně svorkami tzv. krokodýlky. 6. Master modul Schéma převodníku dat mezimodulové sběrnice pro osobní počítač je na obrázku B.. Připojení RF modulu, eventuálně ST85 převodníku je řešeno totožně jako v případě modulu nabíječe. Také zdroje napětí, LED indikace a konektory odpovídají stejnému provedení. Převod signálů mezi UART mikrokontroléru a RS- počítače je řešeno katalogovým zapojením obvodu IC MAX [8]. Návrh DPS počítá s umístěním samičího konektoru DE-9.
7 Návrh software Navržení hardwaru celého systému nabíječe (Kap. 5) je nyní nutné doplnit o návrh programů pro řízení nabíjení jednotlivých článků. Následující diagramy jsou v angličtině z důvodu lepší korespondence názvů funkcí při programovaní v jazyce C. Funkce nabíječe jsou testovány v simulátoru Proteus ISIS 7, jenž obsahuje model mikrokontroléru ATmega. 7. Hlavní smyčka programu MCU Tok hlavního programu (diagram 7.) se po počáteční inicializaci periferií v nekonečném cyklu ubírá přes fázi čtení dat z obvodu INA0, měření teploty, obsloužení komunikace a zpracování příchozích příkazů. Pokud poslední příchozí příkaz uvedl nabíječ do stavu CHARGING, DISCHARGING nebo RESISTANCE MEASURING, následuje spuštění funkcí příslušného chování nabíječe. Stav IDLE reprezentuje klidový stav nabíječe a END dokončení některé z aktivit na základě ukončovacích podmínek. Stavový automat nabíječe je na obrázku 7.. Návrh datových struktur pro uchování aktuálního stavu nabíječe a parametrů přijatých od master modulu je v tabulkách 7. a 7.. Obrázek 7.: Tok programu jednoho nabíjecího obvodu nabíječe.
7. Návrh software Obrázek 7.: Stavový automat systému nabíječe ovládaný příkazy cmd. 7. Obsluha INA0 a ADC Vyčítání napětí, proudu a výkonu z obvodu INA0 je prováděno TWI rozhraním mikrokontroléru. V duchu vyvarování se znovuvylézání kola je pro obsluhu této komunikace využita knihovna TWI_Master.c [9] přímo od výrobce Atmel. Získání hodnot veličin zajišťuje funkce INA0_read(). Jelikož pro simulátor neexistuje model INA0, byla jeho funkce zjednodušeně emulována mikrokontrolérem a generickými A/D převodníky s paralelním digitálním výstupem (ina0_emul). TWI slave rozhraní využívá knihovnu TWI_slave.c [0]. Výpočet teploty z teplotního čidla MCP9700 [] provádí na základě měření jeho napětí funkce temp_from_adc(). 7. Stav CHARGING Vývojový diagram nabíjení niklových článků je na obrázku 7.. Po počátečním testu přítomnosti článku je vyhodnoceno jeho napětí. Podvybitý článek nejdříve absolvuje šetrné vyrovnání na minimální přípustné napětí setinou normálního nabíjecího proudu. Následně je po dobu t holdon nabíjen nastaveným konstantním proudem s deaktivovanou ukončovací podmínkou. Po této době se zohlední výsledek funkce delta_voltage (diagram 7.5), jejíž pravdivá hodnota způsobí ukončení nabíjení, popř. přechod do udržovacího režimu 5
7. Návrh software chargerstatus_t uint8_t state Stav systému int6_t voltagecell Napětí článku int6_t currentcell Proud článkem int6_t powercell Aktuální výkon int8_t tempheatsink Teplota chladiče int8_t tempcell Teplota článku uint8_t termflag Příznaky aktivního stavu ukončovacích metod nabíjení uint6_t time Čas v sekundách Tabulka 7.: Datová struktura chargerstatus_t. trickle(). Nabíjení lithiových akumulátorů (diagram 7.) po dosažení maximálního napětí V charge přejde do režimu nabíjení konstantním napětím CV() a při poklesu proudu pod dvacetinu normálního je nabíjení ukončeno. Regulaci napětí snižujícího měniče pro režimy CC() a CV() znázorňuje diagram 7.6. Pro vyšší stabilitu nabíjecího napětí je do regulace přidána hystereze I hyst a V hyst. Funkce increase_pwm a decrease_pwm zvyšují, popř. snižují délku aktivní úrovně PWM cyklu. 7. Stav DISCHARGING Vybíjení (diagram 7.7) je prováděno konstantním proudem do dosažení vybíjecího napětí V disch. Pokud teplota chladiče zátěžového tranzistoru překročí mez T max, vybíjení se dočasně přeruší a nabíječ čeká na jeho částečné zchlazení. 7.5 Stav RESISTANCE MEASURING Akumulátor je nejdříve vybíjen proudem I low po dobu 0 sekund, načež je uloženo jeho napětí. Následné sekundy je zatížen vyšším proudem I high. Nakonec je vztahem. vypočtena hodnota vnitřního odporu. Algoritmus je naznačen na obrázku 7.7. 6
7. Návrh software chargerparameters_t int6_t voltagemax Max. nabíjecí napětí [mv] int6_t voltagemin Min. vybíjecí napětí [mv] uint8_t deltatemp Hodnota pro metodu T [ C/s] t uint8_t deltavoltage Hodnota pro metodu V [mv] uint6_t currentmax Max. proud [ma] uint6_t resistancelow Nižší proud pro měření vnitřního odporu [ma] uint6_t resistancehigh Vyšší proud pro měření vnitřního odporu [mv] uint_t timemax Maximální čas nabíjení [s] uint6_t capacitymax Maximální kapacita [mah] int8_t tempmax Maximální teplota článku [ C] uint8_t cmd Kód příkazu uint8_t celltype Typ akumulátoru uint8_t addrcharger Adresa modulu nabíječe uint8_t addrcircuit Adresa okruhu nabíječe (A D) uint8_t newcmd Příznak nového příkazu Tabulka 7.: Datová struktura chargerparameters_t. 7.6 Měření času Doba nabíjení je počítána časovačem TIMER. Frekvence jeho přetečení je stanovena vztahem f tim = f xtal n T OP = 0 06 0 95 = 00, 6Hz. (7.) Obsluha přerušení TIMER_COMPA_vect inkrementuje počítadlo 0 ms intervalů a z něj lze pak odvodit další časové jednotky. Měření času je kromě informačního významu doby operací potřebné také pro výpočet kapacity prošlé akumulátorem. 7.7 Meziprocesorová komunikace (INTBUS) Jelikož se zvolené jednovodičové propojení UART rozhraní mikrokontrolérů charakteristikou přenosu dat podobá sběrnici RS-85, je pro slave zařízení využito knihovny rs85libwinavr[] implementující jednoduchý protokol pro přenos zpráv. Její upravená verze pro komunikaci interní sběrnicí (INTBUS) je INTBUSslaveLibAVR.c. Funkce pro master stranu (INTBUSmasterLibAVR.c) bylo nutné vytvořit pro ATmega, původní knihovní funkce počítaly s použitím PC. 7
7. Návrh software Implementovaný protokol využívá dvou typů zpráv požadavek a odpověď. Struktura požadavku commrequestmessage je v tabulce 7.. Touto zprávou zahajuje každou komunikaci master strana, přičemž je využito funkce Multi-processor Communication mode mikrokontroléru ATmega. Tato funkce spočívá ve využití devíti datových bitů v jednom UART rámci, kde 9. bit indikuje rámec s adresou. Všechny slave MCU na sběrnici adresový rámec přijmou a pokud se adresa shoduje s jejich vlastní, deaktivují do konce přenosu zprávy funkci MPCM, aby adresovaný MCU mohl přijmout další data. Nezainteresované mikrokontroléry v MPCM módu ignorují všechny datové byty. Nejvyšší (8.) adresový bit obsahuje příznak RESP, který indikuje požadavek na odpověď od slave zařízení. Pokud RESP=, slave po přijetí celé Request zprávy odešle odpověď ve formátu commresponsemessage 7.. commrequestmessage Byte Význam Meze hodnot 0 address 0 8 command 0 55 numberofparameters 0 0 parameter[term_method] 0 0xFF...[ADDR_CIRCUIT] 0 0xFF 5 6...[TIME_MAX] 0 0x00 7 8...[CAPACITY_MAX] 0 0xFFFF 9...[TEMP_MAX] 0 0x55 0...[VOLTAGE_MAX] 0 0xFFFF...[VOLTAGE_MIN] 0 0xFFFF...[DELTA_TEMP] 0 55 5...[DELTA_VOLTAGE] 0 55 6 7...[CURRENT_MAX] 0 000 8 9...[RESISTANCE_LOW] 0 000 0...[RESISTANCE_HIGH] 0 000...[CRC] 0 0xFFFF Tabulka 7.: Formát dat zprávy commrequestmessage od Master k Slave. Stavový automat komunikace master [U A ] po INTBUS sběrnici je na obrázcích 7.8, 7.9 a 7.0. Slave mikrokontroléry se chovají dle automatu na grafech 7., 7. a 7.. Master se všemi slave mikrokontroléry komunikuje sekvenčně a cyklicky, jak je znázorněno na grafu 7.. 8
7. Návrh software commresponsemessage Byte Význam Meze hodnot 0 numberofvalues 0 0 value[status] 0 0xFFFF 5...[TIME] 0 0xFFFFFF 6 7...[VOLTAGE] 0 0xFFFF 8 9...[CURRENT] 0 0xFFFF 0...[POWER] 0 0xFFFF...[CAPACITY/RESISTANCE] 0 0xFFFF...[TEMP_CELL] 0 55 5...[TEMP_HEATSINK] 0 55 6 7...[CRC] 0 0xFFFF Tabulka 7.: Formát dat zprávy commresponsemessage od Slave k Master. 7.8 Komunikace mezi moduly Model zamýšleného RF modulu s čipem nrfl0 simulátor bohužel neobsahuje. Při pokusu o jeho emulaci, obdobně jako v případě INA0 obvodu, jsem narazil na chybné chování USART rozhraní ATmega modelu v MSPI módu. SPI master po odeslání datového rámce neukončil generování SCK signálu a další komunikace tak nebyla možná. Proto jsem se rozhodl pro simulaci využít rozhraní RS-85. Funkce pro komunikaci RF modulem jsou připraveny v rf.c a byly vyvinuty na testovacím hardwarovém obvodu. Komunikace skrz RS-85 se řídí stejným stavovým automatem (master 7.8, 7.9, 7.0, slave 7., 7. 7.) jako výše zmíněná sběrnice INT- BUS. Implementace se liší pouze ve způsobu aktivace vysílacího módu (TX). V případě INTBUS dochází přímo k deaktivaci vysílače periferie UART, obvod ST85 pro tento účel vyžaduje řízení budičů signály DE a RE. Průběh signálů při přenosu zpráv po RS-85 je zachycen v grafu 7.. 7.9 Master modul Funkce tohoto modulu spočívá v analýze textového příkazu přijatého rozhraním RS- z terminálu do číselných hodnot parametrů potřebných pro spuštění funkce nabíječe (command_read_line()). Následně jsou tyto hodnoty zaslány zprávou 7. [U A ] mikrokontroléru modulu nabíječe, který příkaz deleguje dále. Plně duplexní přenos po RS- lince využívá UART knihovny []. 9
7. Návrh software Obrázek 7.: Algoritmus stavu nabíjení niklových článků. 50
7. Návrh software Obrázek 7.: Algoritmus stavu nabíjení lithiových článků. 5
7. Návrh software Obrázek 7.5: Algoritmus detekce V. 5
7. Návrh software Obrázek 7.6: Regulace napětí a proudu. 5
7. Návrh software Obrázek 7.7: Algoritmus nabíječe ve stavu měření vnitřního odporu a vybíjení. 5
7. Návrh software Obrázek 7.8: Část stavového automatu komunikačního Master main(). smyčky Obrázek 7.9: Část stavového automatu komunikačního Master v obsluze přerušení RX UART rozhraní. 55
7. Návrh software Obrázek 7.0: Část stavového automatu komunikačního Master v obsluze přerušení TX UART rozhraní. 56