Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2015 ZAŘÍZENÍ PRO KOMPLETNÍ ÚDRŽBU A TESTOVÁNÍ OLOVĚNÝCH AKUMULÁTORŮ Martin HLAVIZNA Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně Fakulta aplikované informatiky Nad Stráněmi 4511 760 05 Zlín Česká republika 23. dubna 2015 FAI UTB ve Zlíně
Klíčová slova: MOSFET, měnič, desulfatace, akumulátor, mikroprocesor Anotace: Práce prezentuje zařízení navržené pro kompletní testování a údržbu autobaterií. Toto zařízení má sloužit k měření reálné kapacity akumulátorů, stupni nabití akumulátoru, velikosti nabíjecího proudu, výkonu a taktéž bude schopno obnovit kapacitu starších akumulátorů se sulfatovanými deskami. Pro obnovu kapacity starších akumulátorů je využito vysokofrekvenčních impulsů se zvýšenou hodnotou napětí. Tím dochází k obnově činného povrchu olověných desek a obnově elektrolytu akumulátoru. Měření proudu je provedeno s minimálními ztrátami s využitím lineárního proudového senzoru na principu hallova jevu. Zařízení využívá pro přesné řízení svých funkcí mikroprocesoru. 2
Obsah 1. Výroba plošného spoje...4 2. Konstrukce zařízení...4 2.1 Měření proudu...4 2.2 Nabíjecí režimy...5 2.3 Popis zařízení...5 2.4 Parametry nabíjecího zařízení...6 3. Obnova akumulátorů...6 3.1 Princip obnovy kapacity...6 3.2 Ověření funkce desulfatace...7 4. Schéma zapojení...9 5. Závěr...10 3
1. Výroba plošného spoje Výroba plošného spoje byla zvolena metodou osvícení světlocitlivého plošného spoje. Vyvolání bylo provedeno v roztoku NaOH (hydroxid sodný) viz obr. 1 (vlevo). Po vyvolání desky následovala lázeň v leptacím roztoku chloridu železitém viz obr. 1 (vpravo). 2. Konstrukce zařízení 2.1 Měření proudu Obr. 1 Výroba plošného spoje. Měření proudu je provedeno pomocí obvodu ACS712ELCTR-20A (Obr.2), který umí měřit proud v rozmezí ±20 A. Jedná se o senzor, jež pracuje na principu Hallova jevu, který měří galvanicky oddělený proud. Senzor má velmi nízký vnitřní odpor (asi 1,2 mω), díky kterému měří proud s minimálními ztrátami a tím přispívá k vysoké účinnosti při nabíjení. Obr. 2 Měření proudu. 4
2.2 Nabíjecí režimy Udržovací režim (konstantní napětí U Konst = 14 V, proud I MAX = 0,5 A) Rychlé a šetrné nabíjení (U MAX = 14,3 V, I Konst = C/10 A) Obnova kapacity (desulfatační režim, vhánění pulzů do akumulátoru ) Rychlé měření kapacity (odhad, měřeno U BAT se zátěží) Pomalé měření kapacity (skutečná kapacita, vybíjení plné kapacity proudem I Konst =C/20 A) 2.3 Popis zařízení LCD displej 2*16 znaků 5 programovatelných tlačítek 3 signalizační diody (1x programovatelná) 2x žárovka pro měření kapacity (35 W) 2x Step down měnič napětí - Nabíjení akumulátoru - Vybíjení akumulátoru (zjištění kapacity) 1x Step up měnič napětí (impulzy pro obnovu kapacity) 2x měření proudu pomocí Hallova senzoru (snímáno 10 bit A/D převodníkem) Napěťový dělič měření výstupního napětí (snímání 10 bit A/D převodníkem) 2x NTC termistor pro snímání teploty na chladiči a na DPS Řízení a generování 3x PWM signálu je prováděno pomocí mikropočítače Obr. 3 Osazená deska plošného spoje. 5
2.4 Parametry nabíjecího zařízení Nabíjecí proud I NAB = 0 8 A Napájecí napětí U = 19,5 V z frekvenčního notebookového zdroje Vybíjecí proud I VYB = 0 5 A Maximální nabíjecí výkon cca P = 110 W Účinnost Zdroj + nabíječka cca 75 % 3. Obnova akumulátorů 3.1 Princip obnovy kapacity Obr. 4 Finální vzhled nabíjecího zařízení. Zařízení je určeno také pro tzv. desulfatační režim, který slouží k obnově kapacity olovněných akumulátorů. K obnově dochází odstraněním usazeného síranu olovnatého PbSO4 (neboli sulfátu, proto desulfatační) z elektrod akumulátoru vlivem vhánění pulzů do akumulátoru. Zařízení tedy generuje pulzy pracující s frekvencí f = 6 khz, což odpovídá periodě T= 170 µs, ale doba nabíjení cívky, na které dochází ke zvýšení napětí je asi 15 µs a po této době se puls vybije do akumulátoru během 0,2 µs (Obr. 5). Puls vytvořen tímto způsobem dosahuje hodnoty napětí až 80 V a proudu 30 A. 6
Obr. 5 Zobrazení napěťového pulzu na osciloskopu. 3.2 Ověření funkce desulfatace Funkčnost desulfatace můžeme ověřit na libovolném typu olověného akumulátoru s jmenovitým napětím 12 V. Jelikož kapacita akumulátoru je dána závislostí vybíjecího proudu za čas, kapacitu akumulátoru zjistíme, budeme-li vybíjet plně nabitý akumulátor konstantním proudem o velikosti Ivyb = C/20 (C = jmenovitá kapacita akumulátoru). Vybíjecí charakteristika byla změřena před desulfatací a následně po desulfataci (Obr. 6), z čehož byly provedeny výpočty kapacit (Tab. 1). U [V] 13,0 12,5 Desulfatace akumulátoru 60 Ah Před desulfatací Po desulfataci 12,0 11,5 11,0 10,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Obr. 6 Vybíjecí charakteristiky akumulátoru 60 Ah při I vyb = 3,4 A. t [h] Kapacita vybíjením I vyb [A] t [h] C [Ah] Před desulfataci 3,4 7,50 25,5 Po desulfataci 3,4 10,67 36,2 Obnovená kapacita 10,7 Tab. 1. Vypočtené hodnoty akumulátoru 60 Ah. 7
Jelikož testovaný akumulátor umožňoval přístup k elektrolytu jednotlivých článků, bylo provedeno v průběhu desulfatace měření aktuální hustoty jednotlivých článků. Z obr. 7 je zřejmé, že hustota elektrolytu po čas pěti dnů se zvyšovala a po čas dalšího dne již hustota elektrolytu zůstala stejná, což značí konec procesu desulfatace, protože již se všechen síran olovnatý uvolnil. Konečná hustota článků není 1,28 g/cm3, což by byl ideální případ, ale asi 1,23 g/cm3, jelikož zbylý síran olovnatý se uvolnil z destiček a usadil se na dně akumulátoru a to je již nevratný děj. 1,24 Průběh obnovení akumulátoru 74 Ah 1.čl (-) 2.čl 3.čl 4.čl 5.čl 6.čl (+) Hustota [g/cm 3 ] 1,23 1,22 1,21 1,20 1,19 1,18 1,17 1,16 1,15 1,14 1,13 0 1 2 3 4 5 6 Čas [den] Obr. 7 Průběh hustoty elektrolytu při desulfatačním procesu. 8
STOČ 2015 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 4. Schéma zapojení Obr. 8 Schéma zapojení. 9
5. Závěr Ve své práci jsem se zabýval konstrukcí nabíjecího zařízení, které by mělo zvládnout veškerou údržbu olověných akumulátorů. Provedl jsem návrh schématu a desky plošného spoje, ze které jsem vyhotovil dané zařízení. Schématický návrh byl proveden s ohledem na dobrou účinnost při nabíjení, kterou by mělo zajistit měření proudu pomocí Hallova senzoru se zanedbatelným odporem 1,2 mω a také spínací unipolární tranzistor s indukovaným kanálem typu N, jež má při sepnutém stavu a správném buzení velmi malý odpor. Dále jsem provedl výzkum vlivu vysokofrekvenčních pulzů o zvýšeném napětí na olověné akumulátory, které již vykazovaly známky snížené kapacity. U testovaných akumulátorů došlo ke zvýšení kapacity většinou okolo 10 Ah, což však závisí na míře poškození a kapacitě akumulátoru. Zařízení však obsahuje hardwarovou chybu na DPS, která vznikla špatným propojením zpožďovacího členu. Také zařízení mělo obsahovat softwarovou část, skrze kterou by si uživatel mohl zvolit činnost prováděnou na akumulátoru a zároveň monitorovat aktuální dění při nabíjení, avšak z časových důvodů a hardwarových problémů na plošné desce se nepodařilo tuto uživatelskou část provést v termínu. 10