2.Технічна частина

2.1 Розробка структурної схеми та її опис

Розробку нашого пристрою починаємо з розробки структурної схеми. Структурно, наш блок буде складатися з двох частин. Це стабілізований за струмом блок живлення та безпосередньо блок інверторів.

Блок живлення підключений до мережі через вхідний спрямовувач. Вхідний спрямовувач перетворює змінний струм з мережі 220V і 50Гц у постійний. Спрямовувач разом з сигнальним блоком являє собою напів-мостовий інвертор, також спрямовувач навантажений блоком вихідних ключів.

Сигнальний блок являє собою блок завдання якого є виробіток імпульсів котрі через блок оптичних драйверів задає роботу блоку вихідних ключів. Блок вихідних ключів навантажений блоком трансформатора.

Блок трансформатора призначений для передачі напруги з силової частини пристрою на вихід . а також для гальванічної розв’язки між силовою та слабкострумовою частиною пристрою. На виході блоку трансформатора розташований блок вихідного спрямовувача котрий із змінного струму формує постійний струм для живлення наших акумуляторів. На виході блоку вихідного спрямовувача розташований блок вихідних фільтрів призначення якого невілювання пульсацій струму та напруги на виході схеми.

Для захисту схеми від стрибків струму при підключенні дуже розрядженого акумулятора введений в схему блок шунта, більш детально роботу якого розглянемо при опису роботи принципової схеми пристрою. Для стабілізації вихідної напруги в пристрої передбачений блок зворотного зв’язку в завдання якого входить контроль вихідної напруги для підтримання її стабільного рівня при будь яких дозволених навантаженнях

Балансир нашого пристрою складається з п’яти ідентичних секцій. Секції з’єднані між собою. Перша секція приєднана до вихідного фільтра. П’ята до шунта. При цьому кожна секція у режимі роботи буде під’єднана до акумулятора який потрібно зарядити. Одна секція містить у собі чотири блоки:

1) Блок компаратора.

2) Дільник.

3) Управляючий транзистор.

4) Силовий ключ.

Блок компаратора через дільник керує блоком управляючого транзистора котрий в свою чергу керує роботою силового ключа на який буде навантажена батарея.

2.2Розробка принципової схеми та її опис

2.2.1 Балансир для зарядки літіонних акумуляторів

Перш, ніж описувати власне балансир, необхідно коротко пояснити його призначення.

Суть ось у чому – літієві акумулятори, найчастіше, використовуються у вигляді послідовного сполучених окремих секцій. Це необхідно, щоб отримати необхідну вихідну напругу. Кількість складових акумулятор секцій, коливається в дуже широких межах – від кількох одиниць до кількох десятків. Є два основних способи зарядки таких акумуляторів. Послідовний спосіб, коли зарядка здійснюється від одного джерела живлення з напругою, рівним повному напрузі акумулятора. І паралельний спосіб, коли здійснюється незалежна зарядка кожній секції від спеціального зарядного пристрою, що складається з великої кількості гальванічно не пов'язаних один з одним джерел напруги, і індивідуальних для кожної секції, пристроїв контролю.

Найбільше поширення, зважаючи більшої простоти, отримав послідовний спосіб зарядки. Балансир, про який йде мова, не використовується в паралельних системах зарядки, тому паралельні системи зарядки в рамках даної статті розглядатися не будуть.

При послідовному способі зарядки, одне з головних вимог, що необхідно забезпечити, наступне – напруга на жодній секції заряджає літієвого акумулятора, при зарядці, не повинно перевищити певної величини (величина цього порогу залежить від типу літієвого елемента). Забезпечити виконання цієї вимоги, при послідовній зарядці, не прийнявши спеціальних заходів, неможливо...Причина очевидна – окремі секції акумулятора не ідентичні, тому досягнення максимально допустимого напруги на кожній з секцій при зарядці, відбувається в різний час. Складається ситуація, коли ми зобов'язані зарядку припинити, так як напруга на частини секцій вже досягло максимально допустимого порогу. У той же час, частина секцій залишаються недозарядженными. Це погано головним чином тому, що в результаті знижується загальна ємність акумулятора, так нам доведеться припинити розряд акумулятора в той момент, коли напруга на самої «слабкої» (недозарядженний) секції, досягне свого мінімально допустимого порогу.

Щоб не допустити підвищення напруги при зарядці, вище певного порогу, і служить балансир. Його завдання досить проста – стежити за напругою на окремій секції, і, як тільки напруга на ній при зарядці досягне певної величини, дати команду на включення силового ключа, який підключить паралельно зарядженої секції баластний резистор. При цьому, якщо залишковий струм зарядки (а він, ближче до кінця зарядки, вже досить малий, із-за малої різниці потенціалів між напругою на заряджаємому акумуляторі і напругою на виході зарядного пристрою) буде менша (або дорівнює) струму протікає через баластний резистор, то підвищення напруги на секції батарей – припинитися. При цьому зарядка інших секцій, напруга на яких ще не досягло максимально допустимих значень – продовжитися. Закінчиться процес заряду тим, що спрацюють балансири всіх секцій акумулятора. Напруга на всіх секціях буде однаковим і рівним того порога, на які налаштовані балансири. Струм зарядки буде дорівнює нулю, так як напруга на акумуляторі і напруга на виході зарядного пристрою будуть рівні (немає різниці потенціалів – немає струму зарядки). Буде протікати лише струм через баластні резистори. Його величина визначається величиною послідовно з'єднаних баластних резисторів і напругою на виході зарядного пристрою.

Саму функцію контролю напруги, легко зміг би виконати будь-компаратор, з опорною напругою...Але компаратора у нас немає (точніше, він є, але використовувати його нам не зручно і не вигідно). У нас є TL431. Але компаратор з неї, чесно сказати – ніякої. Порівнювати напругу з опорним вона вміє дуже добре, але от видати чітку, однозначну команду на силовий ключ, вона не може. Замість цього, при підході до порогу, вона плавно починає заганяти силовий ключ в активний (напіввідкритий) режим, ключ починає сильно грітися, і в результаті ми маємо не балансир, а повне лайно.

Ось саме цю проблему, яка не дозволяла повноцінно використовувати TL431, – треба було перетворити TL431, тригер Шмідта. Що і було зроблено. Вийшов ідеальний балансир - точний, термостабільний, досить простий, з чіткою командою на силовий ключ. І хоча цей балансир на TL431 трохи складніше зробленого раніше балансира на мікросхемі KIA70XX, але зате і TL431, знайти набагато легше, і працює вона точніше.

Нижче - дві принципові схеми балансирів, розраховані для контролю порогів LiFePO4 і Li-ion акумуляторів (Рисунок 2.2.1.1)

Рисунок 2.2.1.1 – Принципові схеми балансирів, розраховані для контролю порогів LiFePO4 і Li-ion акумуляторів

Перетворити TL431 в тригер Шмідта, вдалося додавши в схему p-n-p транзистор Т1 і резистор R5. Працює це так - дільник R3,R4 визначається поріг контрольованого напруги. У момент, коли напруга на керуючому електроді досягає 2,5 Вольта, TL431 – відкривається, при цьому відкривається і транзистор Т1. При цьому потенціал колектора підвищується, і частина цієї напруги через резистор R5 надходить у ланцюг керуючого електрода TL431. При цьому TL431 лавино подібно входить до насичення. Схема набуває яскраво виражений гістерезис – включення відбувається при 3,6 Вольт, а вимикання - при 3,55 Вольт. При цьому в затворі силового ключа формується керуючий імпульс з дуже крутими фронтами, і потрапляння силового ключа в активний режим – виключено. В реальній схемі, при струмі через балансувальний резистор рівний 0,365 Ампер, падіння напруги на переході стік-витік силового ключа складає всього 5-6 мВ. При цьому сам ключ, завжди залишається холодним. Що, власне, і було потрібно. Цю схему можна легко налаштувати для контролю будь-якої напруги (дільник R3,R4). Величина максимального струму балансування визначається резистором R7 і напругою на секції акумулятора.

Коротко про точність. В реально зібраному балансире на п'ять секцій для акумулятора LiFePO4, напруги при балансуванні вклалися в діапазоні 3,6-3.7 Вольт (максимально допустима напруга для LiFePO4 становить 3,75 Вольт). Резистори при складанні використовувалися звичайні (не прецизійні). На мій погляд – дуже хороший результат. Вважаю, що досягти більшої точності при балансуванні, ніякого особливого практичного сенсу – ні. Але для багатьох – це швидше питання релігії, ніж фізики. І вони мають право, і мають можливість домагатися більшої точності.

Можна використовувати будь-який стабілізований блок живлення, доопрацювавши його шунтом (Рисунок 2.2.1.2).

Рисунок 2.2.1.2 – Стабілізований блок живлення

Так виглядає балансир "живцем" (Рисунок 2.2.1.3)

Рисунок 2.2.1.3 – Балансир

Балансир виконаний у вигляді окремої плати. Він підключається до балансировочному роз'єму акумулятора під час зарядки.

Пара слів про комплектуючі. TL431 і p-n-p біполярний транзистор (підійде практично будь який) в корпусах SOT23, можна знайти на материнських платах комп'ютерів. Там же можна знайти і силові ключі з "цифровими" рівнями. Я використовував CHM61A3PAPT (чи можна - FDD8447L) в корпусах TO-252A - підходять ідеально, хоча характеристики дуже надлишкові (на струми до 1А , можна знайти що-небудь по-простіше).

У сучасних пристроях контролю за літієвими батареями, описані вище функції покладені на мікроконтролер. Але це набагато більш складні для повторення пристрої та їх застосування виправдано далеко не завжди. Думаю - зовсім не погано, коли є вибір.