Rok / Year: 2011
Svazek / Volume: 13
Číslo / Number: 2
Výkonová nabíječka olověných akumulátorů Power charger of lead-acid accumulators Josef Kadlec, Miroslav Patočka, Dalibor Červinka, Pavel Vorel
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.
Abstrakt: Nabíječka je realizována jako jednočinný propustný měnič pracující na kmitočtu 150kHz a je určena pro nabíjení olověných akumulátorů o jmenovitém napětí 6 nebo 12V. Z regulačního hlediska se jedná o regulaci na konstantní výstupní napětí (7,2 nebo 14,4V) s proudovým omezením. Proudové omezení je nastavitelné ve čtyřech úrovních: 1A, 5A, 15A, 50A. Celé zařízení s maximálním výkonem 720W je vestavěno do objemu 1,8 litru (měrný výkon 400W/l).
Abstract: This charger is realized as a forward converter which works with frequency 150 kHz. The charger is determined by charging of lead accumulators with nominal voltage 6 or 12V. The regulation principle is based on regulation to constant voltage (7.2 or 14.4 V) with current limitation: 1A, 5A, 15A, 50A. The full device with maximal power 920W is fitted to dimension of 1.8 l (the power density is about 400W/l).
2011/15 – 28. 3. 2011
VOL.13, NO.2, APRIL 2011
Výkonová nabíječka olověných akumulátorů Josef Kadlec, Miroslav Patočka, Dalibor Červinka, Pavel Vorel Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email:
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected]
Abstrakt – Nabíječka je realizována jako jednočinný propustný měnič pracující na kmitočtu 150kHz a je určena pro nabíjení olověných akumulátorů o jmenovitém napětí 6 nebo 12V. Z regulačního hlediska se jedná o regulaci na konstantní výstupní napětí (7,2 nebo 14,4V) s proudovým omezením. Proudové omezení je nastavitelné ve čtyřech úrovních: 1A, 5A, 15A, 50A. Celé zařízení s maximálním výkonem 720W je vestavěno do objemu 1,8 litru (měrný výkon 400W/l).
Případ b) ukazuje skutečné průběhy ovlivněné přítomností kapacit CDS. Případ c) ukazuje tytéž průběhy při uměle zvýšeném magnetizačním proudu (proud tekoucí cívkou L1).
u1 0
Ud
1 Úvod
Ud
V současné době je žádoucí řešit nabíječky jako spínané zdroje pracující na vysokém kmitočtu. Díky tomu jsou rozměry a hmotnost výkonového impulsního transformátoru podstatně menší než u nabíječek se síťovým transformátorem. To je důležité především u elektromobilů, které musí obsahovat vestavěnou nabíječku, aby nebyly závislé na místě nabíjení. Nároky na malé rozměry a hmotnost zde hrají velkou roli. V následujících kapitolách bude popsáno nezvyklé úsporné řešení magnetického obvodu transformátoru a tlumivky, zvláštní obvodové řešení výkonové části měniče a konstrukční řešení chladicí soustavy.
T
t
T
t
T
t
T
t
T
t
T
t
a) iµ 0
u1 0
2 Výkonové obvody měniče b) Jádro silové části tvoří jednočinný propustný měnič s transformátorem, viz Obrázek 2. Pracovní kmitočet 150 kHz umožňuje realizovat výkonový transformátor TR1 s nízkou hmotností. Vlastnosti tranzistorů jsou popsány v [1]. Přídavná indukčnost L1 a dioda D3 jsou připojeny paralelně k primárnímu vinutí proto, aby vzrostl proud tekoucí oběma tranzistory. Proud je pouze jalový, tudíž nemá vliv na energetickou bilanci měniče. Pouze zvětšuje celkový kolektorový proud tranzistoru ID, tak aby se při vypnutí rychleji přebila parazitní kapacita CDS mezi elektrodami D a S tranzistorů MOS-FET. Zkrátí se proto doba tc, po kterou teče demagnetizační proud ve stavu naprázdno. Při zatížení se vlivem velkého pracovního proudu doba demagnetizace zkrátí automaticky. Situaci znázorňuje Obrázek 1 a Obrázek 3. Kapacita se přebíjí se strmostí
du 2U d I = = D , dt tc CDS
(1)
kde ID je celkový kolektorový proud tranzistoru v okamžiku vypínání. Na Obrázku 1 jsou znázorněny průběhy primárního napětí transformátoru i magnetizačního proudu. Případ a) zachycuje idealizované průběhy bez vlivu parazitních kapacit.
15 – 1
iµ 0
tc u1 0
c) iµ+iL1
ID
0
tc
Obrázek 1: Vliv parazitních kapacit CDS na demagnetizační děj v transformátoru.
2011/15 – 28. 3. 2011
VOL.13, NO.2, APRIL 2011
Napájení řídicích obvodů
Obrázek 2: Základní zapojení silové části nabíječky.
CDS
Iµ U1
Ud
IL1
CDS
Obrázek 3: Interakce cívky L1 s parazitními kapacitami CDS.
V úvodu uvedené úsporné řešení magnetických obvodů spočívá v tom, že výstupní tlumivka L2 je navinuta na výkonový transformátor TR1 tak, aby siločáry obou magnetických prvků byly navzájem kolmé (Obrázek 4). Magnetická pole obou prvků se proto neovlivňují, navíc se plně využívá magnetického materiálu. Pro oba magnetické obvody se tedy použije jediné feritové jádro. To je tvořeno šesticí dílčích toroidních jader JLT 2010/ CF138. Přídavná indukčnost L4 úmyslně zvětšuje rozptylovou indukčnost transformátoru TR1. Díky tomu se sníží zotavovací ztráty sekundárního usměrňovače. Usměrňovací dioda D7 i nulová dioda D8 jsou Schottkyho diody se zotavovací dobou trr = 40ns (viz lit. [2]). Obě jsou vybaveny RC-členem, který omezuje napěťový překmit vznikající na konci zotavovacího děje.
Ψtr
3 Budiče výkonových tranzistorů
Ψtl
Obrázek 4: Princip konstrukčního provedení výkonového transformátoru a tlumivky. Legenda barev: Tlumivka; Transformátor: primární vinutí, sekundární vinutí, sekundární vinutí pomocné (napájení), toroidy; středicí vložky.
Obvodové řešení budičů je znázorněno na Obrázku 5. Při sepnutí horního tranzistoru v koncovém stupni integrovaného obvodu UC3845 se současně sepne i externí tranzistor T5. Tím se připojí napájecí napětí Ucc na primární vinutí transformátoru TR4. Primární proud transformátoru tedy poteče přes horní tranzistor v UC3845 a přes MOS-FET T5. Jakmile řídicí obvod vypne horní tranzistor v koncovém stupni, vypne se i dolní externí tranzistor T5. Transformátor se tudíž demagnetuje skrze diody D13 a D14 do napájecího napětí Ucc. Sepnutí spodního tranzistoru v koncovém stupni urychluje vybití vstupní kapacity G-S tranzistoru T5, tedy i jeho vypnutí. Horní tranzistor v koncovém stupni, tranzistor T5, diody D13, D14 tedy pracují jako jednočinný propustný měnič, z něhož je napájen primár oddělovacího transformátoru TR4. Sekundární část budiče se skládá ze dvou stejných obvodů. Oba obvody musejí být galvanicky oddělené jak od sebe navzájem, tak od řídicích obvodů, neboť emitory obou výkonových tranzistorů se nacházejí na odlišných potenciálech. Další výklad bude zaměřen na horní obvod, kterým je řízen tranzistor T1. V době sepnutí tranzistoru T5 se napětí Ucc transformuje na sekundár s převodem 1 : 2. Kapacita CGS výkonového tranzisto-
15 – 2
2011/15 – 28. 3. 2011
VOL.13, NO.2, APRIL 2011
ru T1 je nabíjena přes obě diody D15, D16. Kapacitní proud je omezen odpory R19, R20. Velikostí odporů je optimalizována rychlost zapínacího děje. Ztrátový výkon odporů lze určit podle rovnice
PR = f
1 2 CGSU GS , 2
(2)
kde UGS = 15V, CGS ≅ 1nF, f = 150kHz. Buzení tranzistorů MOS-FET na vysokém kmitočtu tedy není zcela nevýkonové. Při vypnutí je kapacita CGS tranzistoru T1 rychle vybíjena přes emitorový sledovač T3. Vysokoohmový odpor R3 slouží pouze k preventivnímu udržení tranzistoru T1 ve vypnutém stavu, a to v případě poškození budiče.
4 Řídicí obvody Principiální zapojení řídicích obvodů je znázorněno na Obrázku 6. Základním prvkem je integrovaný obvod UC3845 (Obrázek 7). Pasivními prvky C10, R16 se nastavuje pracovní kmitočet. Napěťovým děličem R17, R18 je snímáno výstupní napětí. Pomocí bočníku R13, R14 se převádí proudový signál z proudového transformátoru TR2 na napěťový signál. Diody D10 a D19 tvoří logický člen OR. Řídicí obvod tedy reaguje stejně na přepětí i nadproud. Paralelní součástky R15, C9 tvoří v součinnosti s diodou D19 špičkový detektor. OZ1 je zapojen jako PI regulátor, jenž reguluje velikost výstupního napětí. Skupinou odporů R2 až R6 lze nastavit hodnotu tohoto napětí. Přepínačem S2 je možno nastavit hodnotu výstupního napětí na 14,4V v rozepnuté poloze, nebo na 7,2V v sepnuté poloze. Přepínačem S1 lze nastavovat proudové omezení na hodnoty 1A, 5A, 15A a 50A. Hodnota 50A slouží nikoli k nabíjení, ale jako pomoc autobaterii při těžkých startech, například v zimních měsících. Celý regulační obvod pracuje jako PI-regulátor napětí s proudovým omezením. Průběh elektrických veličin při nabíjení akumulátoru ukazuje Obrázek 8, přičemž vodorovná část proudové křivky představuje režim omezení proudu, vodorovná část napěťové křivky představuje režim regulace na konstantní napětí.
Obrázek 5: Zapojení budičů.
Obrázek 6: Zapojení řídicích obvodů.
15 – 3
2011/15 – 28. 3. 2011
VOL.13, NO.2, APRIL 2011
C2 EMC
TR1 + L2
chladič
Obrázek 7: Blokové schéma integrovaného obvodu UC3845. Převzato z [3].
Obrázek 9: Chladicí okruh nabíječky.
U U, I
6 Závěr
I
t Obrázek 8: Průběh napětí a proudu při nabíjení olověných akumulátorů.
Nabíječka byla vyrobena a odzkoušena v rámci diplomové práce, viz lit. [4]. Další činnosti budou zaměřeny na vývoj nabíječek mnohem vyšších výkonů, orientovaných především na trakční akumulátory typu Li-Ion a LiFePo4, které jsou v současnosti používány v elektromobilech. V těchto případech se jedná o nabíjecí proudy řádově v oblasti 50A při trakčním napětí asi 300V, čemuž odpovídá nabíjecí výkon přibližně 15kW.
Poděkování 5 Konstrukční řešení Elektrická část je rozdělena do dvou desek plošných spojů: • hlavní deska (HD) – obsahuje veškeré silové části, • deska regulátoru napětí (DRN) – jsou na ní umístěny řídicí obvody, ovládání a signalizace. Je tedy zřejmé, že pouhou výměnou DRN můžeme vytvořit nabíječku, která může být určená i pro jiný typ akumulátoru, než jsou právě olověné (např. Li-Ion, LiFePo4 , atd.). Chladicí okruh je naznačen na Obrázku 9. Vnitřek nabíječky je rozdělen na dvě části hlavní deskou plošného spoje (zelená barva). Chladicí okruh je úmyslně řešen tak, aby vstupní i výstupní otvory byly umístěny na stejné straně přístrojové skříňky. Metoda funguje díky žebrovaným lamelám, které jsou směrovány opačně. Chladný vzduch se nasává z jedné půlky zadní stěny a vyfukuje druhou půlku stěny opačným směrem. Průtok vzduchu zajišťují dva výkonné ventilátory, přičemž jeden tlačí, druhý saje. Ventilátory se automaticky spínají podle teploty. Přístrojová skříňka je vyrobena z plechů 1,5 a 1,0mm, čímž nabývá robustnosti a odolnosti. Její vnější rozměry jsou 125 x 62 x 235mm.
Práce byla řešena v rámci fakultního projektu FEKT-S-1017: „Mapování účinnosti střídavých elektrických pohonů“, projektu MSM 0021630516: „Zdroje, akumulace a optimalizace využití energie v podmínkách trvale udržitelného rozvoje“ a fakultního projektu FEKT „Využití nových technologií ve výkonové elektronice“.
Literatura [1] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/80111/INFINEON/SPW47N60C3.html. [2] http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectron ics/6144.pdf. [3] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/25566/ STMICROELECTRONICS/UC3845.html. [4] Kadlec J.: Nabíječka autobaterií se spínaným zdrojem, diplomová práce FEKT, Brno 2010.
15 – 4
