Jak dopasować akumulator do odpowiedniego zasilacza i przetwornika DC-DC

Wybór zasilacza i przetwornicy DC-DC do urządzenia zasilanego bateryjnie wymaga więcej niż tylko dopasowania napięcia i mocy znamionowej. Napięcie akumulatora zmienia się podczas ładowania i rozładowywania, a urządzenie może pobierać znacznie więcej prądu podczas rozruchu niż podczas normalnej pracy. Przetwornica, która teoretycznie wygląda na odpowiednią, może mieć problemy, gdy akumulator jest prawie rozładowany, a zasilacz o odpowiednim napięciu wyjściowym może nadal nie nadawać się do ładowania akumulatora.

Proces selekcji rozpoczyna się od rzeczywistego zakresu napięcia akumulatora i zapotrzebowania mocy obciążenia, a następnie przechodzi przez wymagania dotyczące ładowania, parametry przetwornika i testy na poziomie systemu. Pakiet LiFePO4 12.8 V stanowi praktyczny przykład tego, jak te czynniki wpływają na dobór komponentów.

1. Określ wymagania dotyczące akumulatora i obciążenia

Zacznij od rzeczywistego zachowania stada i rzeczywistego zapotrzebowania na ładunek:

• Zakres napięcia. Należy używać pełnego zakresu między punktem odcięcia BMS a napięciem pełnego ładowania, a nie wartości nominalnej. Obniżenie napięcia pod obciążeniem powoduje jeszcze niższe napięcie.
• Limity ładowania. Należy zwrócić uwagę na napięcie końcowe, maksymalny prąd ładowania i dopuszczalny zakres temperatur ładowania.
• Załaduj profil. Ciągłość zasilania ma znaczenie, ale zwykle to krótki rozruch lub szczytowe zapotrzebowanie obciążają system.

Następnie zadaj pytanie, które może wyeliminować element: czy urządzenie może bezpośrednio przyjąć pełny zakres napięcia pakietu? Jeśli tak, konwerter może w ogóle nie być potrzebny, co eliminuje koszty, straty i ryzyko awarii.

Jeśli nie jest to możliwe, oblicz prąd, jaki musi dostarczyć pakiet. Jest on najwyższy, gdy napięcie pakietu jest najniższe i to on steruje systemem BMS, bezpiecznikami i doborem okablowania.

W przykładzie pakiet i ładunek to:

Przyjmując 90% sprawność przetwornicy, ciągły pobór prądu przy napięciu 10 V wynosi 60 ÷ (0.9 × 10) = 6.7 A, w porównaniu do 4.6 A przy napięciu 14.4 V. Udar rozruchowy przy napięciu 10 V wynosi 180 ÷ (0.9 × 10) = 20 A. Akumulator, BMS, bezpiecznik, okablowanie i wejście przetwornicy muszą tolerować to zapotrzebowanie przy najniższym napięciu pakietu.

Uwaga dotycząca pojemności: 256 Wh to energia teoretyczna przy napięciu nominalnym. Rzeczywisty czas pracy jest krótszy i zależy od punktu odcięcia rozładowania, sprawności przetwornicy, temperatury, starzenia się ogniw i ustawień BMS.

2. Dopasuj źródło ładowania do akumulatora

Akumulator nie jest obciążeniem, które przyjmuje dowolne napięcie. Akumulatory litowe wymagają określonego profilu ładowania: fazy o ograniczonym prądzie, a następnie fazy o stałym napięciu przy napięciu końcowym określonym przez producenta, przy czym prąd utrzymuje się w granicach dopuszczalnych przez ogniwa i system BMS. Ładowanie musi odbywać się w określonych przez producenta ogniw lub akumulatorów granicach temperatur, z zabezpieczeniem przed ładowaniem w niskiej temperaturze, tam gdzie jest to wymagane, i nie należy zakładać, że system BMS je zapewni. Minimalne temperatury ładowania różnią się w zależności od ogniw, konstrukcji systemu BMS i akumulatorów, dlatego należy kierować się zakresem określonym przez producenta akumulatora, a nie przyjmować ogólnych wartości.

Dlatego zasilacz, którego napięcie wyjściowe „wygląda na prawidłowe”, może mimo to być błędny i dlatego należy rozróżnić trzy często mylone kwestie:

• Zasilanie prądem przemiennym-stałym: zapewnia wyjście prądu stałego, ale niekoniecznie obejmuje kontrolę ładowania baterii lub logikę końcową.
• Ładowarka: steruje napięciem i prądem ładowania oraz zakończeniem ładowania zgodnie z wymaganiami akumulatora.
• Zasilacz i odpowiedni regulator ładowania: może być również prawidłowym projektem, w zależności od sposobu jego zbudowania.

Przed doborem źródła zasilania należy sprawdzić, który komponent reguluje profil ładowania i przerywa ładowanie, a także jakie zabezpieczenia zapewnia system BMS. Nie należy zakładać, że system BMS zastępuje ładowarkę przeznaczoną do wymaganych limitów napięcia, prądu i temperatury pakietu. Typowe niedopasowania to regulowany zasilacz, którego napięcie jest zbyt niskie, aby naładować pakiet, lub zasilacz o wyższym napięciu bez limitu prądu, który wymusza przepływ prądu do rozładowanego pakietu i wyłącza system BMS lub przeładowuje go, jeśli zabezpieczenia zawiodą.

Dopiero wtedy określ parametry: maksymalne napięcie ładowania × maksymalny prąd ładowania plus ewentualne obciążenie pobierane przez sprzęt podczas ładowania.

Przy określonym limicie ładowania, 14.4 V × 10 A odpowiada mocy 144 W. Źródło o mocy 150–180 W może zapewnić wystarczający zapas mocy, ale jego charakterystyka wyjściowa, sterowanie ładowaniem i temperatura muszą również spełniać wymagania projektowe. Jeśli urządzenie pracuje podczas ładowania, jego zapotrzebowanie na moc musi zostać uwzględnione w doborze rozmiaru.

3. Wybierz odpowiednią topologię i parametry prądu stałego DC-DC

Topologia wynika z położenia napięcia pakietu względem napięcia wyjściowego w całym rozładowaniu:

Przy zakresie napięcia akumulatora 10–14.4 V i regulowanym napięciu wyjściowym 12 V, napięcie wejściowe przecina napięcie wyjściowe. Przetwornica obniżająca napięcie może zatem utracić stabilizację pod koniec rozładowania, zanim układ BMS osiągnie dolny próg napięcia. Przetwornica obniżająco-podwyższająca napięcie pokrywa cały zakres, co czyni ją odpowiednim wyborem. Wniosek ten dotyczy tej pary wejścia i wyjścia, a nie każdego systemu.

Po wybraniu topologii należy sprawdzić poniższe elementy arkusza danych:

• Zakres wejściowy z marginesem. Zakres powinien obejmować punkt odcięcia BMS, spadek napięcia przy obciążeniu i ewentualne przekroczenie napięcia ładowania. W tym przykładzie, około 9–16 V.
• Ciągły prąd w Twoich warunkach. Należy stosować obniżoną wartość znamionową dla temperatury otoczenia i przepływu powietrza, a nie wartość z laboratorium laboratoryjnego 25°C. Obciążenie ciągłe o natężeniu 5 A wymaga marginesu na obniżenie wartości znamionowej w warunkach termicznych i chwilowe zapotrzebowanie na prąd, dlatego należy sprawdzić wymaganą wartość znamionową pod kątem specyfikacji producenta, a nie tylko prądu znamionowego.
• Zachowanie przeciążeniowe. Czy ograniczenie prądu utrzymuje wyjście, czy też konwerter wyłącza się i próbuje ponownie (tryb hiccup)?
• Wydajność w całym zakresie. Odczytaj krzywą przy obciążeniu i dla obu końców napięcia, a nie dla pojedynczej wartości szczytowej.
• Blokada podnapięciowa i histereza. Decydują one o momencie wyłączenia i ponownego włączenia konwertera (patrz rozdział 5).

Porównaj te dane z danymi z własnego ładunku i opakowania. Jedynym wiarygodnym testem kandydata jest to, czy jego karta katalogowa pokrywa się z twoimi danymi.

Wybierając przetwornicę DC-DC, należy sprawdzić, czy zakres napięcia wejściowego pokrywa pełen zakres pracy akumulatora, a jej ciągła moc wyjściowa i przeciążalność pozwalają na obsługę zarówno normalnej pracy, jak i rozruchu. Zapoznaj się ze specyfikacjami produktów dostępnych na stronie. Moc domu może pomóc zawęzić krąg odpowiednich kandydatów.

4. Weź pod uwagę obciążenia początkowe i ograniczenia termiczne

Przetwornica o wystarczającej mocy ciągłej może nadal ulec awarii podczas rozruchu. Silniki, pompy i nadajniki radiowe mogą pobierać przez krótki czas prąd kilkakrotnie przekraczający ich prąd roboczy. Prądu szczytowego po stronie wyjściowej nie można ocenić, porównując go wyłącznie z prądem ciągłym. Pytanie brzmi, czy dany przetwornica wyraźnie obsługuje ten szczyt przez taki czas, w danej temperaturze, i co robi po osiągnięciu limitu: utrzymuje moc wyjściową, zmniejsza napięcie lub przechodzi w tryb czkawki. Dostępne opcje obejmują przetwornicę o określonej mocy szczytowej, większej mocy ciągłej lub z funkcją łagodnego rozruchu. Dodatkowa pojemność wyjściowa może wytrzymać przepięcie, ale generuje własny prąd rozruchowy podczas rozruchu.

Po stronie pakietu również występują ograniczenia. Przepięcie po stronie wejściowej musi mieścić się w granicach prądu zadziałania zabezpieczenia nadprądowego BMS i, co równie ważne, jego opóźnienia zadziałania. Rezystancja również ma znaczenie: każde 10 mΩ rezystancji ogniwa, BMS, bezpiecznika i okablowania kosztuje 0.2 V przy 20 A. Pakiet pod napięciem 11 V może być postrzegany jako 10 V dla przetwornicy podczas przepięcia, co może spowodować przedwczesne wyłączenie z powodu zbyt niskiego napięcia.

Trzecim elementem kontroli jest ciepło. Straty w przetwornicy to moc wyjściowa × (1 ÷ sprawność − 1), a w obudowie szczelnej następuje rzeczywisty wzrost temperatury, który obniża ciągłą moc znamionową. Sprawdź krzywą obniżania mocy i zachowanie w przypadku przegrzania, ponieważ przetwornica, która wyłącza się i uruchamia ponownie podczas stygnięcia, może powodować cykliczne wyłączanie się urządzenia.

Początkowy udar obciążenia o natężeniu 15 A przy napięciu 12 V odpowiada mocy 180 W przez 200 ms. Przy sprawności 90%, dostarczenie takiego szczytowego prądu z akumulatora 10 V wymagałoby około 20 A z zasilacza, zakładając, że przetwornica jest w stanie utrzymać moc wyjściową podczas udaru. Ciągłe obciążenie o mocy 60 W rozprasza około 6.7 W w przetwornicy przy sprawności 90%, wzrastając do 10.6 W przy 85%. Wartości te pomagają określić wartości znamionowe do sprawdzenia, ale nie gwarantują, że konkretna przetwornica sobie z nimi poradzi.

5. Sprawdź, jak współpracują ze sobą akumulator, ładowarka, przetwornik i BMS

Każda część ma własną logikę ochrony, która może powodować konflikty. Cztery interakcje zasługują na szczególną uwagę podczas integracji systemu.

Uruchomienie systemu BMS. Jeśli przepięcie przekroczy limit prądu przeciążeniowego BMS, pakiet się rozłącza, wejście konwertera zanika, a urządzenie resetuje się. Niektóre modele BMS pozostają wyłączone do momentu podłączenia ładowarki lub zresetowania urządzenia. Wybierz prąd wyzwalający i opóźnienie powyżej przepięcia i sprawdź, czy ponowne podłączenie działa.

Dźwięki wyłączania przy niskim poziomie naładowania baterii. Jeśli BMS wyłączy się pod obciążeniem, urządzenie wyłączy się w trakcie pracy. Ustawienie blokady podnapięciowej przetwornicy powyżej wartości granicznej BMS może spowodować wcześniejsze, prawidłowe wyłączenie, ale próg musi zostać zweryfikowany przy oczekiwanym obciążeniu i spadku napięcia, ponieważ zbyt wysoka wartość powoduje przedwczesne wyłączenie urządzenia. Histereza ma znaczenie, ponieważ napięcie pakietu wzrasta po odłączeniu obciążenia. Bez wystarczającej histerezy przetwornica uruchamia się ponownie, obciążenie ponownie obniża napięcie, a system zapętla się.

Ładowanie podczas biegu. Ładowarka mierzy prąd akumulatora i prąd obciążenia, więc spadek napięcia, który normalnie sygnalizuje pełne naładowanie akumulatora, może nigdy nie osiągnąć progu terminacji, lub limit prądu ładowania zostanie współdzielony z obciążeniem. Należy albo zasilać obciążenie oddzielnie od toru ładowania, albo upewnić się, że logika terminacji ładowarki jest zaprojektowana do współdzielenia obciążenia.

Podłączanie pakietu. Kondensatory wejściowe przetwornicy ładują się niemal natychmiast, co może być postrzegane jako zwarcie w BMS lub obciążenie złącza. Sprawdź tolerancję prądu rozruchowego BMS i w razie potrzeby zastosuj układ wstępnego ładowania lub przetwornicę z funkcją łagodnego rozruchu.

6. Zweryfikuj projekt przed wdrożeniem

Obliczenia mogą zidentyfikować prawdopodobne rozbieżności, ale do potwierdzenia wydajności w realistycznych warunkach pracy konieczne są testy laboratoryjne. Te cztery grupy testów stanowią praktyczny punkt wyjścia; wymagające środowiska lub aplikacje z wymogami bezpieczeństwa i zgodności mogą wymagać większej liczby testów.

• Zapałka elektryczna. Porównaj na papierze najniższe i najwyższe napięcie pakietu pod obciążeniem z zakresem wejściowym przetwornicy, najgorszy prąd pakietu z BMS, bezpiecznikiem i okablowaniem oraz ustawienia ładowarki z kartą katalogową ogniwa.
• Szczytowe obciążenie i wzrost temperatury. Zmierz rzeczywisty prąd rozruchowy za pomocą sondy prądowej i oscyloskopu na obu krańcach zakresu napięciowego, zaczynając od najniższego napięcia pakietu, gdzie prąd jest najwyższy. Następnie uruchom urządzenie z pełnym obciążeniem w najwyższej przewidywanej temperaturze otoczenia, aż do ustabilizowania się temperatury.
• Zachowanie przy niskim poziomie naładowania baterii. Rozładuj akumulator do punktu odcięcia BMS i sprawdź, czy wyłączenie odbyło się prawidłowo, nie było żadnych drgań oraz czy akumulator ponownie się uruchomił po naładowaniu.
• Ładowanie i odzyskiwanie. Naładuj akumulator od zera do pełna, z obciążeniem i bez, i sprawdź, czy zakończenie ładowania działa prawidłowo. Podłącz akumulator bez wyłączania i uruchom odłączenie BMS przy szczytowym obciążeniu, a następnie sprawdź, czy nic nie jest uszkodzone i czy system działa poprawnie. Powtórz kluczowe testy przy najniższej oczekiwanej temperaturze, uwzględniając limit ładowania.

Co należy ponownie sprawdzić w przypadku zmiany pakietu lub urządzenia

Cztery punkty można przenieść na dowolny pakiet lub urządzenie:

• Rzeczywiste minimalne i maksymalne napięcie pakietu pod obciążeniem oraz to, czy sprzęt wytrzymuje taki zakres bez użycia konwertera.
• Prąd w pakiecie przy najniższym napięciu, zarówno przy obciążeniu ciągłym, jak i szczytowym.
• Kto kontroluje napięcie ładowania, prąd, terminację i ograniczenia temperatury, potwierdzone u dostawcy akumulatora.
• Czy zadziałanie BMS, blokada i histereza konwertera oraz zakończenie ładowania są ze sobą zgodne.

Niezawodność systemu zasilanego bateryjnie zależy od czegoś więcej niż tylko doboru komponentów o odpowiednich parametrach. Akumulator, ładowarka, konwerter i obciążenie muszą działać w zgodnych limitach napięcia, prądu i temperatury, również podczas rozruchu i przy niskim poziomie naładowania akumulatora. Weryfikacja w karcie katalogowej zawęża zakres dostępnych opcji; testy w realistycznych warunkach pracy potwierdzają, czy cały system działa zgodnie z przeznaczeniem.