Come abbinare un pacco batterie all'alimentatore e al convertitore DC-DC giusti

La scelta di un alimentatore e di un convertitore DC-DC per un dispositivo alimentato a batteria va oltre la semplice corrispondenza di tensione e potenza. La tensione della batteria varia durante i cicli di carica e scarica, e l'apparecchiatura potrebbe assorbire molta più corrente all'avvio rispetto al normale funzionamento. Un convertitore che sembra adatto sulla carta potrebbe avere difficoltà quando la batteria è quasi scarica, e un alimentatore con la giusta tensione di uscita potrebbe comunque risultare inadatto alla ricarica del pacco batteria.

Il processo di selezione inizia con l'intervallo di tensione effettivo della batteria e le richieste di potenza del carico, quindi procede attraverso requisiti di ricarica, valori nominali del convertitore e test a livello di sistema. Un pacco batterie LiFePO4 da 12.8 V fornisce un esempio pratico di come questi fattori influenzino la selezione dei componenti.

1. Stabilire i requisiti della batteria e del carico

Parti dal comportamento reale dello zaino e dalle reali esigenze di carico:

• Intervallo di tensione. Utilizzare l'intero intervallo tra la tensione di interruzione del BMS e la tensione di carica completa, non il valore nominale. Il calo di tensione sotto carico abbassa ulteriormente il valore minimo.
• Limiti di ricarica. Annotare la tensione di terminazione, la corrente di carica massima e l'intervallo di temperatura di carica consentito.
• Profilo di carico. L'alimentazione continua è importante, ma di solito sono le brevi fasi di avvio o i picchi di domanda a mettere sotto stress il sistema.

Quindi, ponetevi una domanda che possa eliminare un componente: l'apparecchiatura è in grado di accettare direttamente l'intera gamma di tensione del pacco batterie? In tal caso, potreste non aver bisogno di un convertitore, eliminando così un costo, una perdita e un potenziale punto di guasto.

Se non è possibile, calcola la corrente che il pacco deve erogare. Questa è massima quando la tensione del pacco è minima e determina la scelta del BMS, del fusibile e del cablaggio.

Nell'esempio, Il pacco e il carico sono:

Ipotizzando un'efficienza del convertitore del 90%, l'assorbimento continuo a 10 V è di 60 ÷ (0.9 × 10) = 6.7 A, contro 4.6 A a 14.4 V. Il picco di spunto all'avvio a 10 V è di 180 ÷ (0.9 × 10) = 20 A. La batteria, il BMS, il fusibile, il cablaggio e l'ingresso del convertitore devono tutti essere in grado di sopportare tale richiesta alla tensione minima del pacco batterie.

Nota sulla capacità: 256 Wh è l'energia teorica alla tensione nominale. L'autonomia effettiva è inferiore e dipende dalla soglia di scarica, dall'efficienza del convertitore, dalla temperatura, dall'invecchiamento delle celle e dalle impostazioni del BMS.

2. Abbinare la fonte di ricarica alla batteria

Una batteria non è un carico che accetta qualsiasi tensione le venga applicata. I pacchi batteria al litio richiedono un profilo di carica ben definito: una fase a corrente limitata, seguita da una fase a tensione costante alla tensione di terminazione specificata dal produttore, con la corrente mantenuta entro i limiti consentiti dalle celle e dal BMS. La carica deve avvenire entro i limiti di temperatura specificati dal produttore delle celle o del pacco batteria, con protezione contro le basse temperature ove necessario, e non si deve presumere che il BMS fornisca tale protezione. Le temperature minime di carica variano a seconda delle celle, dei modelli di BMS e dei pacchi batteria, quindi è importante attenersi all'intervallo specificato dal produttore della batteria anziché basarsi su un valore generico.

Ecco perché un alimentatore la cui tensione di uscita "sembra corretta" può comunque essere difettoso, ed ecco perché tre cose che vengono spesso confuse dovrebbero essere tenute separate:

• Alimentatore CA-CC: Fornisce un'uscita in corrente continua, ma non include necessariamente il controllo della carica della batteria o la logica di terminazione.
• Caricabatterie: Controlla la tensione di carica, la corrente e la terminazione in base alle esigenze della batteria.
• Alimentatore e regolatore di carica adeguato: Può anche essere un progetto valido, a seconda di come viene realizzato.

Prima di dimensionare l'alimentatore, verificare quale componente regola il profilo di carica e interrompe la carica, e quali protezioni fornisce il BMS. Non dare per scontato che il BMS sostituisca un caricabatterie progettato per i limiti di tensione, corrente e temperatura richiesti dalla batteria. I problemi più comuni sono un adattatore regolato con una tensione troppo bassa per caricare completamente la batteria, oppure un alimentatore ad alta tensione senza limite di corrente che immette corrente in una batteria scarica, provocando l'intervento del BMS o sovraccaricandola in caso di guasto della protezione.

Solo a quel punto si può calcolare la potenza nominale: tensione di carica massima × corrente di carica massima, più l'eventuale carico assorbito dall'apparecchiatura durante la ricarica.

Al limite di carica specificato, 14.4 V × 10 A equivalgono a 144 W. Una sorgente da 150-180 W può fornire un margine di potenza sufficiente, ma le sue caratteristiche di uscita, il controllo della carica e la classificazione termica devono soddisfare anche i requisiti di progettazione. Se l'apparecchiatura funziona durante la ricarica, il suo consumo energetico deve essere incluso nel dimensionamento.

3. Scegliere la topologia e le caratteristiche del convertitore DC-DC più adatte.

La topologia deriva dalla posizione della tensione del pacco batterie rispetto alla tensione di uscita durante l'intera scarica:

Con un intervallo di tensione della batteria compreso tra 10 e 14.4 V e un'uscita regolata a 12 V, la tensione di ingresso incrocia la tensione di uscita. Un convertitore buck potrebbe quindi perdere la regolazione verso la fine della scarica, prima che il BMS raggiunga la sua soglia di bassa tensione. Un convertitore buck-boost copre l'intero intervallo, il che lo rende la soluzione ideale in questo caso. Questa conclusione si applica a questa specifica coppia di ingresso e uscita, non a tutti i sistemi.

Una volta scelta la topologia, verificare i seguenti elementi della scheda tecnica:

• Intervallo di input con margine. L'intervallo dovrebbe includere la tensione di interruzione del BMS, il calo di tensione sotto carico e qualsiasi sovratensione di carica. Nell'esempio, qualcosa come 9–16 V.
• Corrente continua alle vostre condizioni. Utilizzare il valore nominale ridotto alla temperatura ambiente e al flusso d'aria effettivi, non il valore misurato a 25 °C. Un carico continuo di 5 A necessita di un margine per la riduzione termica e la domanda transitoria, quindi verificare il valore nominale richiesto rispetto alle specifiche del produttore anziché basarsi solo sulla corrente nominale.
• Comportamento di sovraccarico. Il limite di corrente mantiene costante l'uscita o il convertitore si spegne e riprova (modalità a singhiozzo)?
• Efficienza su tutta la gamma. Leggete la curva al vostro carico e a entrambe le estremità della tensione, non il singolo valore di picco.
• Blocco per sottotensione e isteresi. Questi parametri determinano quando il convertitore si spegne e si riaccende (vedere la Sezione 5).

Confronta questi dati con le cifre del tuo carico e del tuo imballaggio. L'unico test affidabile per un candidato è verificare se la sua scheda tecnica corrisponde ai tuoi valori.

Quando si seleziona un convertitore DC-DC, verificare che la sua gamma di tensione di ingresso copra l'intera gamma operativa della batteria e che la sua potenza di uscita continua e la capacità di sovraccarico possano gestire sia il normale funzionamento che le richieste di avviamento. Esaminando le specifiche dei prodotti disponibili da Casa con elettricità può aiutare a restringere il campo dei candidati idonei.

4. Tenere conto dei carichi di avviamento e dei limiti termici

Un convertitore con una potenza nominale continua sufficiente può comunque guastarsi all'avvio. Motori, pompe e trasmettitori radio possono assorbire per un breve periodo una corrente pari a diverse volte la loro corrente di funzionamento. La corrente di picco sul lato di uscita non può essere valutata confrontandola solo con la potenza nominale continua. La questione è se il convertitore specifico supporti esplicitamente quel picco, per quella durata, alla temperatura di esercizio, e cosa faccia quando viene raggiunto il limite: mantenga l'uscita, riduca la potenza o entri in modalità di avvio graduale. Le opzioni includono un convertitore con una potenza nominale di picco dichiarata, una potenza nominale continua maggiore o un avvio graduale del carico. Una maggiore capacità di uscita può compensare un picco di corrente, ma introduce una propria corrente di spunto all'avvio.

Anche il lato pacco batterie ha dei limiti. La sovratensione sul lato ingresso deve rientrare nella corrente di intervento per sovracorrente del BMS e, altrettanto importante, nel suo ritardo di intervento. Anche la resistenza è importante: ogni 10 mΩ di resistenza di celle, BMS, fusibili e cablaggi costa 0.2 V a 20 A. Un pacco batterie a riposo a 11 V può apparire al convertitore come se avesse 10 V durante la sovratensione, il che potrebbe attivare prematuramente il blocco per sottotensione.

Il calore è il terzo elemento da verificare. La perdita del convertitore è pari alla potenza di uscita × (1 ÷ efficienza − 1) e, in un contenitore sigillato, si traduce in un reale aumento di temperatura che riduce la potenza nominale continua. Verificare la curva di declassamento e il comportamento in caso di sovratemperatura, poiché un convertitore che si spegne e si riavvia per raffreddamento può causare il malfunzionamento dell'apparecchiatura.

Il picco di spunto di 15 A all'avvio del carico a 12 V rappresenta 180 W per 200 ms. Con un'efficienza del 90%, per erogare tale picco da un ingresso della batteria di 10 V sarebbero necessari circa 20 A dal pacco batterie, supponendo che il convertitore sia in grado di mantenere la potenza in uscita durante il picco. Un carico continuo di 60 W dissipa circa 6.7 ​​W nel convertitore con un'efficienza del 90%, che sale a 10.6 W all'85%. Questi valori aiutano a definire le specifiche da verificare; non stabiliscono che un particolare convertitore sia in grado di gestirle.

5. Verificare come funzionano insieme batteria, caricabatterie, convertitore e BMS.

Ogni componente ha una propria logica di protezione, e queste logiche possono entrare in conflitto. Quattro interazioni meritano particolare attenzione durante l'integrazione del sistema.

L'avvio interrompe il BMS. Se la sovracorrente supera il limite del BMS, il pacco batterie si disconnette, l'ingresso del convertitore si disattiva e l'apparecchiatura si riavvia. Alcuni modelli di BMS rimangono spenti finché non viene collegato un caricabatterie o non viene applicato un reset. Scegliere una corrente di intervento e un ritardo superiori alla sovracorrente e verificare il comportamento di riconnessione.

Avvisi di spegnimento automatico in caso di batteria scarica. Se il BMS si disattiva sotto carico, l'apparecchiatura si arresta durante il funzionamento. Impostare la soglia di blocco per sottotensione del convertitore al di sopra della soglia di interruzione del BMS può innescare uno spegnimento anticipato e ordinato, ma la soglia deve essere validata in base al carico e al calo di tensione previsti, poiché un valore troppo elevato arresta l'apparecchiatura prematuramente. L'isteresi è importante perché la tensione del pacco batterie risale quando il carico viene rimosso. Senza un'isteresi sufficiente, il convertitore si riavvia, il carico riporta la tensione al livello iniziale e il sistema entra in un ciclo.

Ricarica durante il funzionamento. Il caricabatterie rileva la corrente della batteria più la corrente di carico, quindi la diminuzione di corrente che normalmente segnala una batteria completamente carica potrebbe non raggiungere mai la soglia di terminazione, oppure il limite di corrente di carica viene condiviso con il carico. Alimentare il carico separatamente dal percorso di ricarica oppure verificare che la logica di terminazione del caricabatterie sia progettata per la condivisione del carico.

Collegamento del pacco. I condensatori di ingresso del convertitore si caricano quasi istantaneamente, il che può essere interpretato come un cortocircuito dal BMS o sollecitare eccessivamente il connettore. Verificare la tolleranza alla corrente di spunto del BMS e, se necessario, utilizzare un circuito di precarica o un convertitore con avvio graduale.

6. Convalidare il progetto prima della distribuzione

I calcoli possono identificare probabili discrepanze, ma sono necessari test di laboratorio per confermare le prestazioni in condizioni operative realistiche. Questi quattro gruppi di test rappresentano un punto di partenza pratico; ambienti o applicazioni più esigenti, con requisiti di sicurezza e conformità, potrebbero richiederne di più.

• Fiamma elettrica. Confrontare su carta la tensione minima e massima del pacco batterie sotto carico con l'intervallo di ingresso del convertitore, la corrente massima del pacco batterie con i valori di BMS, fusibile e cablaggio, e le impostazioni del caricabatterie con la scheda tecnica della cella.
• Picco di carico e aumento della temperatura. Misurare la corrente di spunto effettiva con una sonda amperometrica e un oscilloscopio a entrambe le estremità dell'intervallo di tensione, iniziando con la tensione più bassa del pacco batterie, dove la corrente è massima. Successivamente, far funzionare il sistema a pieno carico alla temperatura ambiente più elevata prevista fino a quando le temperature non si stabilizzano.
• Comportamento in caso di batteria scarica. Scaricare fino al punto di interruzione del BMS e verificare che lo spegnimento avvenga in modo ordinato, senza vibrazioni, e che il riavvio dopo la ricarica avvenga senza problemi.
• Ricarica e recupero. Caricare completamente la batteria, con e senza carico in funzione, e verificare che la terminazione si comporti come previsto. Collegare a caldo il pacco batteria e provocare una disconnessione del BMS al carico massimo, quindi verificare che non vi siano danni e che il sistema si ripristini. Ripetere i test principali alla temperatura più bassa prevista, incluso il limite di carica.

Cosa ricontrollare quando cambia il pacco o il dispositivo

Quattro punti fondamentali sono validi per qualsiasi zaino o dispositivo:

• La tensione minima e massima effettiva del pacco batterie sotto carico e se l'apparecchiatura è in grado di gestire tale intervallo senza un convertitore.
• Corrente lato pacco alla tensione più bassa, sia per carico continuo che per carico di picco.
• Chi controlla la tensione di carica, la corrente, la terminazione e i limiti di temperatura, come confermato dal fornitore della batteria.
• Verificare se l'intervento del BMS, il blocco e l'isteresi del convertitore e la terminazione del caricabatterie coincidono tra loro.

Un sistema a batteria affidabile non dipende solo dalla scelta di componenti con specifiche nominali compatibili. La batteria, il caricabatterie, il convertitore e il carico devono funzionare entro limiti di tensione, corrente e temperatura compatibili, anche durante l'avvio e in condizioni di batteria scarica. La consultazione delle schede tecniche restringe le opzioni; i test in condizioni operative realistiche confermano che l'intero sistema funziona come previsto.