Memilih catu daya dan konverter DC-DC untuk perangkat bertenaga baterai melibatkan lebih dari sekadar mencocokkan peringkat tegangan dan daya. Tegangan baterai berubah saat pengisian dan pengosongan, sementara peralatan mungkin menarik arus yang jauh lebih besar saat dinyalakan daripada saat beroperasi normal. Konverter yang tampak cocok di atas kertas mungkin akan kesulitan saat baterai hampir habis, dan catu daya dengan tegangan keluaran yang tepat mungkin masih tidak cocok untuk mengisi daya baterai.
Proses pemilihan dimulai dengan rentang tegangan aktual baterai dan kebutuhan daya beban, kemudian berlanjut ke tahap selanjutnya. persyaratan pengisian daya, peringkat konverter, dan pengujian tingkat sistem. Paket LiFePO4 12.8 V memberikan contoh praktis bagaimana faktor-faktor ini memengaruhi pemilihan komponen.
1. Tetapkan persyaratan baterai dan beban.
Mulailah dari perilaku sebenarnya dari kelompok tersebut dan kebutuhan beban yang sebenarnya:
- Rentang tegangan. Gunakan rentang penuh antara batas pemutusan BMS dan tegangan pengisian penuh, bukan angka nominal. Penurunan tegangan saat beban membuat batas bawah semakin rendah.
- Batasan pengisian daya. Perhatikan tegangan terminasi, arus pengisian maksimum, dan rentang suhu pengisian yang diizinkan.
- Profil beban. Pasokan daya yang berkelanjutan memang penting, tetapi waktu start-up yang singkat atau permintaan puncak biasanya yang memberi tekanan pada sistem.
Kemudian ajukan pertanyaan yang dapat menghilangkan satu komponen: dapatkah peralatan tersebut menerima rentang tegangan penuh dari baterai secara langsung? Jika ya, Anda mungkin tidak memerlukan konverter sama sekali, yang menghilangkan biaya, kerugian, dan titik kegagalan.
Jika tidak memungkinkan, hitung arus yang harus diberikan oleh baterai. Arus tertinggi terjadi ketika tegangan baterai terendah, dan hal ini memengaruhi BMS, sekering, dan pilihan kabel.
Dalam contoh tersebut, Isi dan perlengkapan yang dibawa adalah:
| Barang | Anggapan |
|---|---|
| pak | Baterai LiFePO4 4 sel, tegangan nominal 12.8 V, kapasitas 20 Ah (sekitar 256 Wh) |
| Rentang tegangan | Sekitar 10 V (batas BMS, 2.5 V per sel) hingga 14.4 V (pengisian penuh, 3.6 V per sel) |
| Pengisian | Hingga 10 A (0.5C), arus konstan kemudian tegangan konstan pada 14.4 V. |
| Beban | Tegangan 12 V yang diatur: 60 W kontinu (5 A), 15 A (180 W) selama 200 ms pada saat startup. |
Dengan asumsi efisiensi konverter 90%, arus kontinu pada 10 V adalah 60 ÷ (0.9 × 10) = 6.7 A, dibandingkan dengan 4.6 A pada 14.4 V. Lonjakan arus saat start-up pada 10 V adalah 180 ÷ (0.9 × 10) = 20 A. Baterai, BMS, sekering, kabel, dan input konverter semuanya harus mampu menahan beban tersebut pada tegangan paket terendah.
Catatan mengenai kapasitas: 256 Wh adalah energi teoretis pada tegangan nominal. Waktu pengoperasian sebenarnya lebih rendah, tergantung pada batas pengosongan, efisiensi konverter, suhu, penuaan sel, dan pengaturan BMS.
2. Sesuaikan sumber pengisian daya dengan baterai.
Baterai bukanlah beban yang menerima tegangan apa pun yang Anda berikan. Paket baterai lithium mengharapkan profil pengisian daya yang telah ditentukan: fase pembatasan arus, kemudian fase tegangan konstan pada tegangan terminasi yang ditentukan pabrikan, dengan arus dijaga dalam batas yang diizinkan oleh sel dan BMS. Pengisian daya harus tetap berada dalam batas suhu yang ditentukan oleh pabrikan sel atau paket baterai, dengan perlindungan pengisian daya suhu rendah jika diperlukan, dan BMS tidak boleh diasumsikan menyediakan perlindungan tersebut. Suhu pengisian daya minimum berbeda antara sel, desain BMS, dan paket baterai, jadi ikuti kisaran yang ditentukan oleh pabrikan baterai Anda daripada mengasumsikan angka umum.
Inilah mengapa catu daya yang tegangan keluarannya "terlihat benar" masih bisa salah, dan mengapa tiga hal yang sering disalahartikan harus dipisahkan:
- Catu daya AC-DC: menyediakan output DC, tetapi tidak selalu mencakup kontrol pengisian daya baterai atau logika penghentian pengisian.
- Pengisi baterai: Mengontrol tegangan pengisian, arus, dan penghentian sesuai dengan kebutuhan baterai.
- Catu daya ditambah pengontrol pengisian daya yang sesuai: juga bisa menjadi desain yang valid, tergantung pada bagaimana cara pembuatannya.
Sebelum menentukan ukuran sumber daya, pastikan komponen mana yang mengatur profil pengisian daya dan menghentikan pengisian daya, serta perlindungan apa yang diberikan oleh BMS. Jangan berasumsi bahwa BMS menggantikan pengisi daya yang dirancang untuk batas tegangan, arus, dan suhu yang dibutuhkan oleh baterai. Ketidaksesuaian yang umum terjadi adalah adaptor teregulasi yang tegangannya terlalu rendah untuk mengisi baterai, atau catu daya tegangan lebih tinggi tanpa batas arus yang memaksa arus masuk ke baterai yang kosong dan memicu BMS, atau mengisi daya berlebih jika perlindungan gagal.
Barulah kemudian tentukan ukuran daya: tegangan pengisian maksimum × arus pengisian maksimum, ditambah beban apa pun yang ditarik peralatan saat pengisian daya.
Pada batas pengisian daya yang ditentukan, 14.4 V × 10 A sama dengan 144 W. Sumber daya 150–180 W mungkin memberikan daya yang cukup, tetapi karakteristik keluarannya, kontrol pengisian daya, dan peringkat termalnya juga harus memenuhi persyaratan desain. Jika peralatan beroperasi saat mengisi daya, kebutuhan dayanya harus disertakan dalam perhitungan ukuran.
3. Pilih topologi dan rating DC-DC yang tepat
Topologi tersebut didasarkan pada posisi tegangan paket relatif terhadap tegangan keluaran selama seluruh proses pengosongan:
| Topologi | Berfungsi saat | Keterbatasan umum |
|---|---|---|
| Buck (turun tangga) | Input selalu lebih tinggi daripada output ditambah dropout. | Output akan keluar dari pengaturan jika tegangan baterai turun mendekati atau di bawah tegangan output. |
| Boost (peningkatan) | Input selalu lebih rendah daripada output. | Tidak dapat mengatur ketika paket berada di atas tegangan keluaran. |
| Dorongan uang | Input bisa berada di atas atau di bawah output. | Efisiensi bervariasi tergantung pada desain dan titik operasi; periksa kurva lembar data di seluruh rentang input dan beban. |
Dengan rentang tegangan baterai 10–14.4 V dan output 12 V yang teregulasi, tegangan input melintasi tegangan output. Oleh karena itu, konverter buck dapat kehilangan regulasi menjelang akhir pengosongan, sebelum BMS mencapai batas tegangan rendahnya. Konverter buck-boost mencakup seluruh rentang, yang menjadikannya pilihan yang tepat di sini. Kesimpulan tersebut berlaku untuk pasangan input dan output ini, bukan untuk setiap sistem.
Setelah topologi dipilih, periksa item-item lembar data berikut:
- Rentang input dengan margin. Rentang tersebut harus mencakup batas pemutusan BMS, penurunan tegangan saat terbebani, dan kelebihan tegangan pengisian. Dalam contoh ini, kira-kira 9–16 V.
- Arus kontinu sesuai kondisi Anda. Gunakan nilai daya yang diturunkan pada suhu dan aliran udara sekitar Anda, bukan angka pada suhu 25 °C. Beban kontinu 5 A membutuhkan margin untuk penurunan daya termal dan permintaan transien, jadi verifikasi nilai daya yang dibutuhkan terhadap spesifikasi pabrikan, bukan hanya arus yang tertera.
- Perilaku kelebihan beban. Apakah batas arus menahan output, atau apakah konverter mati dan mencoba lagi (mode tersendat)?
- Efisiensi di seluruh rentang. Bacalah kurva pada beban Anda dan pada kedua ujung tegangan, bukan angka puncak tunggal.
- Penguncian tegangan rendah dan histeresis. Ini menentukan kapan konverter mati dan hidup kembali (lihat Bagian 5).
Bandingkan item-item ini dengan angka-angka dari muatan dan kemasan Anda sendiri. Satu-satunya uji yang dapat diandalkan untuk suatu kandidat adalah apakah lembar data produknya sesuai dengan angka-angka Anda.
Saat memilih konverter DC-DC, pastikan rentang tegangan inputnya mencakup rentang operasi penuh baterai dan peringkat output kontinu serta kemampuan beban berlebihnya dapat menangani operasi normal dan kebutuhan saat memulai. Tinjau spesifikasi produk yang tersedia dari Rumah Listrik dapat membantu mempersempit pilihan kandidat yang sesuai.
4. Memperhitungkan beban awal dan batasan termal
Konverter dengan rating kontinu yang cukup pun masih dapat gagal saat dinyalakan. Motor, pompa, dan pemancar radio dapat menarik arus beberapa kali lipat dari arus operasinya dalam waktu singkat. Arus puncak pada sisi keluaran tidak dapat dinilai hanya dengan membandingkannya dengan rating kontinu saja. Pertanyaannya adalah apakah konverter spesifik tersebut secara eksplisit mendukung arus puncak tersebut, untuk durasi tersebut, pada suhu Anda, dan apa yang dilakukannya ketika batas tercapai: menahan keluaran, mengurangi arus, atau memasuki mode tersendat. Pilihannya meliputi konverter dengan rating puncak yang dinyatakan, rating kontinu yang lebih besar, atau soft-start pada beban. Kapasitansi keluaran ekstra dapat mengatasi lonjakan arus, tetapi menambahkan arus masuknya sendiri saat dinyalakan.
Sisi paket juga memiliki batasan. Lonjakan tegangan di sisi input harus sesuai dengan arus trip arus berlebih BMS dan, yang sama pentingnya, penundaan trip-nya. Resistansi juga penting: setiap 10 mΩ resistansi sel, BMS, sekering, dan kabel akan mengurangi tegangan sebesar 0.2 V pada arus 20 A. Paket yang berada pada tegangan 11 V dapat terlihat seperti 10 V bagi konverter selama lonjakan tegangan, yang dapat memicu penguncian tegangan rendah lebih awal.
Panas adalah pemeriksaan ketiga. Kerugian konverter adalah daya keluaran × (1 ÷ efisiensi − 1), dan dalam wadah tertutup, hal itu menjadi kenaikan suhu nyata yang menurunkan daya keluaran kontinu. Periksa kurva penurunan daya dan perilaku suhu berlebih, karena konverter yang mati dan hidup kembali saat mendingin dapat menyebabkan peralatan mengalami siklus berulang.
Lonjakan arus awal beban sebesar 15 A pada tegangan 12 V menghasilkan daya 180 W selama 200 ms. Dengan efisiensi 90%, menghasilkan daya puncak tersebut dari input baterai 10 V akan membutuhkan sekitar 20 A dari baterai, dengan asumsi konverter dapat mempertahankan output selama lonjakan arus. Beban kontinu 60 W akan menghilangkan daya sekitar 6.7 W pada konverter dengan efisiensi 90%, dan meningkat menjadi 10.6 W pada efisiensi 85%. Angka-angka ini membantu menentukan peringkat yang perlu diperiksa; angka-angka ini tidak membuktikan bahwa konverter tertentu akan mampu menangani beban tersebut.
5. Periksa bagaimana baterai, pengisi daya, konverter, dan BMS bekerja bersama-sama.
Setiap bagian memiliki logika perlindungannya sendiri, dan logika tersebut dapat saling bertentangan. Empat interaksi ini perlu mendapat perhatian khusus selama integrasi sistem.
Startup memicu BMS. Jika lonjakan arus melebihi batas arus berlebih BMS, paket daya akan terputus, input konverter akan mati, dan peralatan akan direset. Beberapa desain BMS tetap mati hingga pengisi daya terhubung atau reset diterapkan. Pilih arus trip dan penundaan di atas lonjakan arus, dan konfirmasikan perilaku penyambungan kembali.
Bunyi berisik akibat baterai lemah saat perangkat mati. Jika BMS (Battery Management System) mati saat beban tinggi, peralatan akan mati di tengah operasi. Menyetel penguncian tegangan rendah konverter di atas batas mati BMS dapat memicu pematian yang lebih awal dan teratur, tetapi ambang batas harus divalidasi di bawah beban dan penurunan tegangan yang diharapkan, karena jika disetel terlalu tinggi akan mematikan peralatan sebelum waktunya. Histeresis penting karena tegangan baterai akan kembali naik ketika beban dilepas. Tanpa histeresis yang cukup, konverter akan menyala kembali, beban akan menurunkan tegangan lagi, dan sistem akan berulang.
Mengisi daya sambil berlari. Pengisi daya melihat arus baterai ditambah arus beban, sehingga penurunan daya yang biasanya menandakan baterai penuh mungkin tidak pernah mencapai ambang batas penghentian, atau batas arus pengisian daya dibagi dengan beban. Berikan daya pada beban secara terpisah dari jalur pengisian daya, atau pastikan logika penghentian pengisi daya dirancang untuk berbagi beban.
Menghubungkan kelompok. Kapasitor input konverter terisi hampir seketika, yang dapat terlihat seperti korsleting bagi BMS atau memberi tekanan pada konektor. Periksa toleransi arus masuk BMS, dan gunakan sirkuit pra-pengisian atau konverter dengan soft-start jika diperlukan.
6. Validasi desain sebelum penerapan.
Perhitungan dapat mengidentifikasi kemungkinan ketidaksesuaian, tetapi pengujian di laboratorium diperlukan untuk mengkonfirmasi kinerja dalam kondisi operasi yang realistis. Keempat kelompok pengujian ini merupakan titik awal yang praktis; lingkungan atau aplikasi yang menuntut dengan persyaratan keselamatan dan kepatuhan mungkin memerlukan lebih banyak lagi.
- Korek api listrik. Cocokkan secara tertulis tegangan terendah dan tertinggi baterai saat berbeban dengan rentang input konverter, arus baterai terburuk dengan BMS, sekering dan kabel, serta pengaturan pengisi daya dengan lembar data sel baterai.
- Beban puncak dan kenaikan suhu. Ukur arus start-up sebenarnya dengan probe arus dan osiloskop di kedua ujung rentang tegangan, mulai dari tegangan paket terendah terlebih dahulu, di mana arus paling tinggi. Kemudian jalankan pada beban penuh pada suhu lingkungan tertinggi yang diperkirakan hingga suhu stabil.
- Perilaku baterai lemah. Lakukan pengosongan hingga mencapai batas BMS dan perhatikan apakah terjadi pematian yang teratur, tanpa suara berisik, dan penyalaan ulang yang bersih setelah pengisian ulang.
- Pengisian daya dan pemulihan. Isi daya dari kosong hingga penuh, dengan dan tanpa beban berjalan, dan pastikan penghentian berfungsi seperti yang diharapkan. Pasang dan lepas baterai saat sistem beroperasi (hot-plug) dan picu pemutusan BMS pada beban puncak, kemudian pastikan tidak ada kerusakan dan sistem pulih. Ulangi pengujian utama pada suhu terendah yang diharapkan, termasuk batas pengisian daya.
Apa yang perlu diperiksa ulang saat kemasan atau perangkat diganti?
Empat poin berikut berlaku untuk semua paket atau perangkat:
- Tegangan minimum dan maksimum sebenarnya dari paket tersebut saat berbeban, dan apakah peralatan tersebut dapat menangani rentang tersebut tanpa konverter.
- Arus sisi kemasan pada tegangan terendah, baik untuk beban kontinu maupun beban puncak.
- Siapa yang mengontrol tegangan pengisian, arus, penghentian, dan batas suhu, yang dikonfirmasi dengan pemasok baterai.
- Apakah trip BMS, penguncian konverter dan histeresis, serta penghentian pengisi daya saling selaras.
Sistem bertenaga baterai yang andal bergantung pada lebih dari sekadar memilih komponen dengan peringkat spesifikasi yang sesuai. Baterai, pengisi daya, konverter, dan beban harus beroperasi dalam batas tegangan, arus, dan suhu yang kompatibel, termasuk selama proses penyalaan dan kondisi baterai lemah. Pemeriksaan lembar data mempersempit pilihan; pengujian dalam kondisi operasi yang realistis memastikan apakah sistem lengkap bekerja sesuai yang diharapkan.
