Hoe combineer je een accupack met de juiste voeding en DC-DC-omvormer?

Bij het kiezen van een voeding en DC-DC-omvormer voor een apparaat op batterijen is meer nodig dan alleen het afstemmen van de spanning en het vermogen. De batterijspanning verandert tijdens het laden en ontladen, en het apparaat kan bij het opstarten veel meer stroom verbruiken dan tijdens normaal gebruik. Een omvormer die op papier geschikt lijkt, kan problemen ondervinden wanneer de batterij bijna leeg is, en een voeding met de juiste uitgangsspanning is mogelijk nog steeds ongeschikt om de batterij op te laden.

Het selectieproces begint met het werkelijke spanningsbereik van de batterij en de stroombehoefte van de belasting, en gaat vervolgens verder met... oplaadvereisten, convertervermogens en systeemtesten. Een 12.8 V LiFePO4-accupakket biedt een praktisch voorbeeld van hoe deze factoren de componentkeuze beïnvloeden.

1. Bepaal de vereisten voor de batterij en de belasting.

Ga uit van het werkelijke gedrag van het pakket en de werkelijke belasting:

• Spanningsbereik. Gebruik het volledige bereik tussen de BMS-uitschakelspanning en de volledig opgeladen spanning, niet de nominale waarde. Bij belasting daalt de ondergrens nog verder.
• Laadlimieten. Let op de uitschakelspanning, de maximale laadstroom en het toegestane temperatuurbereik tijdens het laden.
• Laadprofiel. Continue stroomvoorziening is belangrijk, maar het is meestal de korte opstarttijd of de piekbelasting die het systeem belast.

Stel jezelf vervolgens een vraag die een onderdeel overbodig kan maken: kan de apparatuur het volledige spanningsbereik van het accupakket direct accepteren? Zo ja, dan heb je mogelijk helemaal geen omvormer nodig, wat kosten, verliezen en een potentieel storingspunt elimineert.

Als dat niet mogelijk is, bereken dan de stroom die het accupakket moet leveren. Deze is het hoogst wanneer de accuspanning het laagst is en bepaalt de keuze van het batterijbeheersysteem (BMS), de zekering en de bedrading.

In het voorbeeld, De verpakking en lading zijn:

Uitgaande van een omvormerrendement van 90%, bedraagt ​​de continue stroomafname bij 10 V 60 ÷ (0.9 × 10) = 6.7 A, tegenover 4.6 A bij 14.4 V. De opstartpiek bij 10 V is 180 ÷ (0.9 × 10) = 20 A. De batterij, het batterijmanagementsysteem (BMS), de zekering, de bedrading en de ingang van de omvormer moeten deze stroomvraag bij de laagste accuspanning aankunnen.

Een opmerking over de capaciteit: 256 Wh is de theoretische energie bij nominale spanning. De werkelijke gebruiksduur is lager en hangt af van de ontladingsuitschakeling, het rendement van de omvormer, de temperatuur, de veroudering van de accucellen en de instellingen van het batterijbeheersysteem (BMS).

2. Stem de laadbron af op de batterij.

Een batterij is geen belasting die elke spanning accepteert die je erop zet. Lithiumbatterijen vereisen een gedefinieerd laadprofiel: een stroombegrensde fase, gevolgd door een fase met constante spanning op de door de fabrikant opgegeven eindspanning, waarbij de stroom binnen de grenzen blijft die de cellen en het batterijbeheersysteem (BMS) toelaten. Het laden moet binnen de door de cel- of batterijfabrikant gespecificeerde temperatuurlimieten blijven, met indien nodig bescherming tegen te lage temperaturen tijdens het laden. Het BMS mag hier niet automatisch voor zorgen. De minimale laadtemperaturen verschillen per cel, BMS-ontwerp en batterijpakket, dus volg het door uw batterijfabrikant gespecificeerde bereik in plaats van een algemene waarde aan te nemen.

Daarom kan een voeding waarvan de uitgangsspanning "er goed uitziet" toch onjuist zijn, en daarom moeten drie zaken die vaak door elkaar worden gehaald, gescheiden worden gehouden:

• AC-DC-voeding: Levert een gelijkstroomuitgang, maar bevat niet noodzakelijkerwijs logica voor het regelen van het opladen of het beëindigen van de batterij.
• Batterij oplader: Regelt de laadspanning, -stroom en -uitschakeling volgens de eisen van de batterij.
• Voeding plus een geschikte laadregelaar: Het kan ook een geldig ontwerp zijn, afhankelijk van hoe het gebouwd wordt.

Voordat u de juiste voedingsbron kiest, controleer dan welk onderdeel het laadprofiel regelt en het laadproces beëindigt, en welke beveiligingen het batterijbeheersysteem (BMS) biedt. Ga er niet vanuit dat het BMS een lader vervangt die is ontworpen voor de vereiste spanning, stroomsterkte en temperatuurlimieten van het accupakket. Typische voorbeelden van mismatches zijn een gereguleerde adapter met een te lage spanning om het accupakket volledig op te laden, of een voeding met een hogere spanning zonder stroombegrenzing die stroom forceert naar een leeg accupakket en het BMS uitschakelt, of het accupakket overlaadt als de beveiliging faalt.

Bepaal pas daarna de nominale waarde: maximale laadspanning × maximale laadstroom, plus het verbruik van de apparatuur tijdens het laden.

Bij de gespecificeerde laadlimiet is 14.4 V × 10 A gelijk aan 144 W. Een stroombron van 150–180 W kan voldoende vermogensreserve bieden, maar de uitgangskarakteristieken, laadregeling en thermische belasting moeten ook voldoen aan de ontwerpvereisten. Als de apparatuur tijdens het laden in werking is, moet het stroomverbruik hiervan worden meegenomen in de dimensionering.

3. Kies de juiste DC-DC-topologie en specificaties.

De topologie volgt uit de positie van de accuspanning ten opzichte van de uitgangsspanning gedurende de gehele ontlading:

Met een batterijspanning van 10–14.4 V en een gereguleerde uitgang van 12 V kruist de ingangsspanning de uitgangsspanning. Een buck-converter kan daardoor de regeling verliezen tegen het einde van de ontlading, voordat het batterijbeheersysteem (BMS) zijn uitschakeldrempel voor lage spanning bereikt. Een buck-boost-converter dekt het hele bereik, waardoor deze hier de beste oplossing is. Deze conclusie geldt voor deze specifieke ingangs- en uitgangscombinatie, maar niet voor elk systeem.

Zodra de topologie is gekozen, controleer dan de volgende gegevens in het datasheet:

• Invoerbereik met marge. Het bereik moet de BMS-uitschakelspanning, de spanningsdip onder belasting en eventuele overschrijding van de laadspanning omvatten. In het voorbeeld iets als 9–16 V.
• Continue stroom onder uw omstandigheden. Gebruik het gereduceerde vermogen bij uw omgevingstemperatuur en luchtstroom, niet de waarde bij 25 °C. Een continue belasting van 5 A vereist een marge voor thermische reductie en piekbelastingen, dus controleer het vereiste vermogen aan de hand van de specificaties van de fabrikant in plaats van alleen af ​​te gaan op de opgegeven stroomsterkte.
• Overbelastingsgedrag. Wordt de huidige limiet gehandhaafd, of schakelt de converter zichzelf uit en probeert het opnieuw (hikmodus)?
• Efficiëntie over het hele assortiment. Lees de curve af bij uw belasting en bij beide spanningsbereiken, niet alleen de piekwaarde.
• Onderspanningsbeveiliging en hysterese. Deze bepalen wanneer de omvormer uit- en weer inschakelt (zie paragraaf 5).

Vergelijk deze gegevens met de cijfers van uw eigen lading en verpakking. De enige betrouwbare test voor een kandidaat is of de specificaties op het specificatieblad overeenkomen met uw eigen cijfers.

Bij de keuze van een DC-DC-omvormer is het belangrijk te controleren of het ingangsspanningsbereik het volledige werkingsbereik van de batterij dekt en of het continue uitgangsvermogen en de overbelastingscapaciteit geschikt zijn voor zowel normaal gebruik als opstarten. Bekijk de specificaties van de producten die verkrijgbaar zijn bij... Power Home kan helpen bij het selecteren van geschikte kandidaten.

4. Houd rekening met opstartbelastingen en thermische limieten.

Een omvormer met een voldoende hoog continu vermogen kan nog steeds problemen geven bij het opstarten. Motoren, pompen en radiozenders kunnen gedurende korte tijd een stroomsterkte trekken die vele malen hoger is dan hun bedrijfsstroom. Een piekstroom aan de uitgangszijde kan niet alleen worden beoordeeld door deze te vergelijken met het continu vermogen. De vraag is of de specifieke omvormer die piekstroom expliciet ondersteunt, gedurende die tijd, bij uw temperatuur, en wat er gebeurt wanneer de limiet wordt bereikt: de uitgang vasthouden, terugschakelen of in de 'hiccup'-modus gaan. Opties zijn onder andere een omvormer met een opgegeven piekvermogen, een hoger continu vermogen of een softstart voor de belasting. Extra uitgangscapaciteit kan een stroompiek opvangen, maar zorgt wel voor een eigen inschakelstroom bij het opstarten.

Ook aan de accukant gelden beperkingen. De piekspanning aan de ingangszijde moet binnen de overstroombeveiliging van het BMS vallen en, net zo belangrijk, binnen de uitschakelvertraging. Weerstand speelt ook een rol: elke 10 mΩ aan cel-, BMS-, zekering- en bedradingsweerstand kost 0.2 V bij 20 A. Een accu die op 11 V rust, kan tijdens een piekspanning voor de omvormer aanvoelen als 10 V, wat kan leiden tot een vroegtijdige uitschakeling bij onderspanning.

Warmte is de derde controle. Het verlies van de converter is uitgangsvermogen × (1 ÷ rendement − 1), en in een afgesloten behuizing leidt dit tot een daadwerkelijke temperatuurstijging die het continue vermogen verlaagt. Controleer de deratingcurve en het gedrag bij oververhitting, want een converter die uitschakelt en weer opstart tijdens het afkoelen kan de apparatuur herhaaldelijk laten in- en uitschakelen.

De opstartpiek van 15 A bij 12 V vertegenwoordigt 180 W gedurende 200 ms. Bij een rendement van 90% zou het leveren van die piek vanuit een 10 V-batterij-ingang ongeveer 20 A van het accupakket vereisen, ervan uitgaande dat de omvormer de output tijdens de piek kan handhaven. Een continue belasting van 60 W dissipeert ongeveer 6.7 W in de omvormer bij een rendement van 90%, oplopend tot 10.6 W bij 85%. Deze cijfers helpen bij het bepalen van de specificaties die gecontroleerd moeten worden; ze garanderen niet dat een bepaalde omvormer dit aankan.

5. Controleer hoe de batterij, lader, omvormer en BMS samenwerken.

Elk onderdeel heeft zijn eigen beveiligingslogica, en deze logica kan met elkaar conflicteren. Vier interacties verdienen bijzondere aandacht tijdens de systeemintegratie.

Het opstarten activeert het gebouwbeheersysteem (BMS). Als de stroompiek de overstroomlimiet van het BMS overschrijdt, wordt het accupakket losgekoppeld, stort de ingang van de omvormer in en wordt de apparatuur gereset. Sommige BMS-systemen blijven uitgeschakeld totdat een lader is aangesloten of een reset is uitgevoerd. Kies een uitschakelstroom en vertraging die hoger zijn dan de stroompiek en controleer het herinschakelgedrag.

Geluiden die aangeven dat het apparaat uitschakelt bij een bijna lege batterij. Als het batterijbeheersysteem (BMS) onder belasting uitschakelt, valt de apparatuur midden in de werking uit. Door de onderspanningsbeveiliging van de omvormer hoger in te stellen dan de uitschakeldrempel van het BMS, kan een eerdere, ordelijke uitschakeling worden geactiveerd. De drempelwaarde moet echter worden gevalideerd onder de verwachte belasting en spanningsdaling, aangezien een te hoge waarde de apparatuur voortijdig uitschakelt. Hysterese is belangrijk omdat de accuspanning weer stijgt wanneer de belasting wordt verwijderd. Zonder voldoende hysterese start de omvormer opnieuw op, trekt de belasting de spanning weer omlaag en ontstaat er een vicieuze cirkel.

Opladen tijdens gebruik. De lader meet de stroom van de accu plus de stroom van de belasting. Hierdoor kan de afname die normaal gesproken een volle accu aangeeft, de drempelwaarde voor het uitschakelen van het laadproces mogelijk nooit bereiken, of wordt de maximale laadstroom gedeeld met de belasting. Voorzie de belasting daarom van stroom los van het laadcircuit, of controleer of de uitschakellogica van de lader is ontworpen voor het delen van de belasting.

Het pakket aansluiten. De ingangscondensatoren van de omvormer laden vrijwel direct op, wat voor het BMS (Battery Management System) op een kortsluiting kan lijken of de connector kan belasten. Controleer de inschakelstroomtolerantie van het BMS en gebruik indien nodig een voorlaadcircuit of een omvormer met softstart.

6. Valideer het ontwerp vóór de implementatie.

Berekeningen kunnen mogelijke afwijkingen aan het licht brengen, maar praktijktesten zijn nodig om de prestaties onder realistische bedrijfsomstandigheden te bevestigen. Deze vier testgroepen vormen een praktisch uitgangspunt; veeleisende omgevingen of toepassingen met veiligheids- en compliance-eisen vereisen mogelijk meer tests.

• Elektrische lucifer. Vergelijk op papier de laagste en hoogste spanning van het accupakket onder belasting met het ingangsbereik van de omvormer, de maximale stroomsterkte van het accupakket met het BMS, de zekering en de bedrading, en de instellingen van de lader met de gegevens in het specificatieblad van de accucel.
• Piekbelasting en temperatuurstijging. Meet de werkelijke aanloopstroom met een stroomtang en oscilloscoop aan beide uiteinden van het spanningsbereik, beginnend bij de laagste accuspanning, waar de stroom het hoogst is. Laat het systeem vervolgens op vol vermogen draaien bij de hoogst verwachte omgevingstemperatuur totdat de temperaturen stabiliseren.
• Gedrag bij een bijna lege batterij. Ontlaad de accu tot de uitschakeldrempel van het BMS en controleer of de accu ordelijk uitschakelt, zonder storingen, en of de accu na het opladen probleemloos opnieuw opstart.
• Opladen en terughalen. Laad de accu volledig op, zowel met als zonder belasting, en controleer of de uitschakeling naar behoren werkt. Sluit de accu aan terwijl de stroom is ingeschakeld (hot-plugging) en activeer een BMS-uitschakeling bij piekbelasting. Controleer vervolgens of er geen schade is en of het systeem herstelt. Herhaal de belangrijkste tests bij de laagst verwachte temperatuur, inclusief de laadlimiet.

Wat moet je controleren als de verpakking of het apparaat verandert?

Vier punten gelden voor elke rugzak of elk apparaat:

• De werkelijke minimale en maximale spanning van het accupakket onder belasting, en of de apparatuur dat spanningsbereik zonder omvormer aankan.
• Stroomsterkte aan de pakketzijde bij de laagste spanning, zowel bij continue als bij piekbelasting.
• Wie de laadspanning, stroomsterkte, uitschakel- en temperatuurlimieten beheert, dient te worden bevestigd met de batterijleverancier.
• Of de BMS-uitschakeling, de omvormervergrendeling en de hysteresis, en de beëindiging van de lader met elkaar overeenkomen.

Een betrouwbaar batterijgevoed systeem hangt van meer af dan alleen het kiezen van componenten met overeenkomende specificaties. De batterij, lader, omvormer en belasting moeten binnen compatibele spannings-, stroom- en temperatuurlimieten werken, ook tijdens het opstarten en bij een lage batterijspanning. Het raadplegen van de specificaties beperkt de mogelijkheden; testen onder realistische bedrijfsomstandigheden bevestigt of het complete systeem naar behoren werkt.