Як підібрати акумуляторну батарею з правильним блоком живлення та перетворювачем постійного струму

Вибір блоку живлення та перетворювача постійного струму (DC-DC) для пристрою з живленням від батареї передбачає більше, ніж просто узгодження напруги та потужності. Напруга батареї змінюється під час заряджання та розряджання, тоді як обладнання може споживати набагато більше струму під час запуску, ніж під час нормальної роботи. Перетворювач, який на папері виглядає придатним, може мати проблеми, коли батарея майже розряджена, а блок живлення з правильною вихідною напругою все ще може бути непридатним для заряджання акумулятора.

Процес вибору починається з фактичного діапазону напруги акумулятора та потреб навантаження в потужності, а потім проходить через вимоги до заряджання, номінали перетворювачів та тестування на рівні системи. 12.8-вольтовий LiFePO4 акумулятор є практичним прикладом того, як ці фактори впливають на вибір компонентів.

1. Визначте вимоги до акумулятора та навантаження

Почніть з реальної поведінки зграї та реального попиту на вантаж:

• Діапазон напруги. Використовуйте повний діапазон між напругою відсічення BMS та напругою повного заряду, а не номінальне значення. Просідання під навантаженням ще більше знижує низькі частоти.
• Ліміти заряджання. Зверніть увагу на напругу завершення, максимальний струм зарядки та допустимий діапазон температур зарядки.
• Завантажити профіль. Безперервне живлення має значення, але короткочасний запуск або пікове навантаження зазвичай створюють навантаження на систему.

Потім задайте питання, яке може виключити компонент: чи може обладнання безпосередньо приймати повний діапазон напруги блоку? Якщо так, вам може взагалі не знадобитися перетворювач, що усуває витрати, втрати та точку відмови.

Якщо це неможливо, розрахуйте струм, який має видавати блок живлення. Він найвищий, коли напруга блоку живлення найнижча, і він визначає роботу системи управління будівлею (BMS), запобіжників та варіантів підключення.

У прикладі, упаковка та вантаж:

Припускаючи ККД перетворювача 90%, безперервне споживання при 10 В становить 60 ÷ (0.9 × 10) = 6.7 А, порівняно з 4.6 А при 14.4 В. Пусковий сплеск при 10 В становить 180 ÷ (0.9 × 10) = 20 А. Акумулятор, система управління будівлею, запобіжник, проводка та вхід перетворювача повинні витримувати це навантаження при найнижчій напрузі акумулятора.

Примітка щодо ємності: 256 Вт·год – це теоретична енергія за номінальної напруги. Реальний час роботи нижчий, залежно від граничного значення розряду, ефективності перетворювача, температури, старіння елементів та налаштувань BMS.

2. Підберіть джерело зарядки відповідно до акумулятора

Акумулятор – це не навантаження, яке приймає будь-яку напругу, яку ви йому подаєте. Літієві акумулятори очікують певний профіль заряду: фаза обмеження струму, потім фаза постійної напруги при напрузі завершення виробника, при цьому струм підтримується в межах, що дозволяють елементи та система управління акумуляторною батареєю (BMS). Заряджання має залишатися в межах температурних меж, зазначених виробником елемента або акумулятора, із захистом від низьких температур, де це необхідно, і не слід вважати, що BMS забезпечує його. Мінімальні температури заряджання відрізняються залежно від елемента, конструкції BMS та акумулятора, тому дотримуйтесь діапазону, зазначеного виробником вашого акумулятора, а не припускайте загального значення.

Ось чому джерело живлення, вихідна напруга якого «виглядає правильною», все одно може бути неправильним, і саме тому слід розрізняти три речі, які часто плутають:

• Джерело живлення змінного/постійного струму: забезпечує вихід постійного струму, але не обов'язково включає керування зарядом акумулятора або логіку завершення.
• Зарядний пристрій: контролює напругу заряду, струм та завершення заряду відповідно до вимог акумулятора.
• Блок живлення плюс відповідний контролер заряду: також може бути дійсним дизайном, залежно від того, як він побудований.

Перш ніж вибирати розмір джерела живлення, перевірте, який компонент регулює профіль заряджання та припиняє заряджання, а також які засоби захисту забезпечує BMS. Не думайте, що BMS замінює зарядний пристрій, розроблений для необхідних обмежень напруги, струму та температури акумулятора. Типовими невідповідностями є регульований адаптер, напруга якого занадто низька для заповнення акумулятора, або джерело вищої напруги без обмеження струму, яке примусово подає струм у розряджений акумулятор і вимикає BMS, або перезаряджає його, якщо захист не спрацьовує.

Тільки після цього визначте номінальний розмір: максимальна напруга заряду × максимальний струм заряду плюс будь-яке навантаження, яке споживає обладнання під час заряджання.

При зазначеній межі заряджання 14.4 В × 10 А дорівнює 144 Вт. Джерело потужністю 150–180 Вт може забезпечити достатній запас потужності, але його вихідні характеристики, керування заряджанням та теплова потужність також повинні відповідати проектним вимогам. Якщо обладнання працює під час заряджання, його споживана потужність має бути врахована при визначенні розмірів.

3. Виберіть правильну топологію постійного струму та номінали

Топологія випливає з того, де знаходиться напруга пакета відносно вихідної напруги протягом усього розряду:

З діапазоном напруги акумулятора 10–14.4 В та регульованим виходом 12 В вхідна напруга перетинає вихідну. Тому понижувальний перетворювач може втратити регулювання ближче до кінця розряду, до того, як BMS досягне свого низького рівня відсікання напруги. Понижувально-підвищувальний перетворювач охоплює весь діапазон, що робить його відповідним варіантом у цьому випадку. Цей висновок стосується цієї пари вхід-вихід, а не кожної системи.

Після вибору топології перевірте ці елементи таблиці даних:

• Вхідний діапазон з полем. Діапазон повинен включати відсічення BMS, просідання напруги під навантаженням та будь-яке перевищення заряду. У прикладі це приблизно 9–16 В.
• Безперервний струм за ваших умов. Використовуйте знижений номінальний струм за температури навколишнього середовища та потоку повітря, а не показник 25 °C, отриманий за лабораторного випробування. Постійне навантаження 5 А потребує запасу на теплове зниження номінальних характеристик та перехідні процеси, тому перевірте необхідний номінальний струм відповідно до специфікацій виробника, а не лише за номінальним струмом.
• Поведінка перевантаження. Чи обмеження струму утримує вихідний сигнал, чи перетворювач вимикається та повторює спробу (режим гикання)?
• Ефективність у всьому діапазоні. Зчитуйте криву при вашому навантаженні та на обох кінцях напруги, а не число одного піку.
• Блокування за зниженою напругою та гістерезис. Вони визначають, коли перетворювач вимикається та знову вмикається (див. Розділ 5).

Порівняйте ці пункти з показниками з вашого власного вантажу та упаковки. Єдиним надійним критерієм перевірки кандидата є те, чи відповідає його паспорт даних вашим показникам.

Вибираючи перетворювач постійного струму, перевірте, чи діапазон його вхідної напруги охоплює весь робочий діапазон акумулятора, а також чи його номінальна потужність безперервної вихідної напруги та здатність до перевантаження можуть задовольнити як нормальний режим роботи, так і вимоги до запуску. Переглядаючи характеристики продуктів, доступних від Енергія вдома може допомогти звузити коло відповідних кандидатів.

4. Враховуйте пускові навантаження та теплові обмеження

Перетворювач з достатнім номіналом тривалого струму все ще може вийти з ладу під час запуску. Двигуни, насоси та радіопередавачі можуть споживати струм, що в кілька разів перевищує їхній робочий струм, протягом короткого часу. Піковий струм на вихідній стороні не можна оцінити, порівнюючи його лише з номіналом тривалого струму. Питання полягає в тому, чи підтримує конкретний перетворювач цей пік протягом певного періоду часу за вашої температури, і що він робить, коли досягнуто межі: утримує вихідний сигнал, знижує потужність або переходить у режим зупинки. Варіанти включають перетворювач із зазначеним піковим номіналом, більшим номіналом тривалого струму або плавним пуском навантаження. Додаткова вихідна ємність може витримувати стрибок напруги, але додає власний пусковий струм під час запуску.

Сторона акумулятора також має обмеження. Перенапруга на стороні входу повинна відповідати струму спрацьовування за струмом перевантаження BMS та, що не менш важливо, його затримці спрацьовування. Опір також має значення: кожні 10 мОм опору елемента, BMS, запобіжника та проводки коштують 0.2 В при 20 А. Акумулятор, що знаходиться під напругою 11 В, може виглядати як 10 В для перетворювача під час перенапруги, що може призвести до передчасного блокування через знижену напругу.

Тепло – це третя перевірка. Втрати перетворювача дорівнюють вихідній потужності × (1 ÷ ККД − 1), і в герметичному корпусі це призводить до реального підвищення температури, яке знижує тривалий номінальний струм. Перевірте криву зниження номінальних характеристик та поведінку при перегріві, оскільки перетворювач, який вимикається та перезапускається під час охолодження, може циклічно запускати та запускати обладнання.

Пусковий сплеск навантаження 15 А при 12 В становить 180 Вт протягом 200 мс. При ККД 90% для забезпечення такого піку від вхідного живлення від батареї 10 В знадобиться приблизно 20 А від акумулятора, за умови, що перетворювач може підтримувати вихідний сигнал під час сплеску. Постійне навантаження потужністю 60 Вт розсіює близько 6.7 Вт у перетворювачі при ККД 90%, зростаючи до 10.6 Вт при 85%. Ці цифри допомагають визначити номінали для перевірки; вони не підтверджують, що конкретний перетворювач впорається з цим завданням.

5. Перевірте, як працюють разом акумулятор, зарядний пристрій, перетворювач та BMS

Кожна частина має власну логіку захисту, і ця логіка може конфліктувати. Чотири взаємодії заслуговують на особливу увагу під час системної інтеграції.

Стартап вимикає BMS. Якщо стрибок струму перевищує ліміт перевантаження по струму BMS, блок живлення відключається, вхід перетворювача вимикається, а обладнання перезавантажується. Деякі конструкції BMS залишаються вимкненими, доки не буде підключено зарядний пристрій або не буде застосовано скидання. Виберіть струм спрацьовування та затримку вимкнення вище стрибка струму та підтвердьте поведінку повторного підключення.

Дзвінки при вимкненні через низький заряд батареї. Якщо система управління будівництвом (BMS) вимикається під навантаженням, обладнання вимикається під час роботи. Встановлення блокування перетворювача через знижену напругу вище порогового значення BMS може призвести до більш раннього та організованого вимкнення, але поріг має бути перевірений за очікуваного навантаження та просідання напруги, оскільки занадто високе значення призведе до передчасного вимкнення обладнання. Гістерезис має значення, оскільки напруга акумулятора відновлюється після зняття навантаження. Без достатньої кількості гістерезиса перетворювач перезапускається, навантаження знову знижує напругу, і система зациклюється.

Зарядка під час бігу. Зарядний пристрій бачить струм акумулятора плюс струм навантаження, тому зниження струму, яке зазвичай сигналізує про повний заряд акумулятора, може ніколи не досягти порогу завершення заряду, або ліміт струму заряду розподіляється з навантаженням. Або живити навантаження окремо від шляху заряджання, або переконайтеся, що логіка завершення заряду зарядного пристрою розроблена для розподілу навантаження.

Підключення пакету. Вхідні конденсатори перетворювача заряджаються майже миттєво, що може виглядати як коротке замикання для BMS або напружувати роз'єм. Перевірте допуск BMS до пускового струму та за потреби використовуйте схему попереднього заряду або перетворювач із плавним пуском.

6. Перевірте дизайн перед розгортанням

Розрахунки можуть виявити ймовірні невідповідності, але для підтвердження продуктивності в реальних умовах експлуатації необхідні стендові випробування. Ці чотири групи випробувань є практичною відправною точкою; вимогливі середовища або застосування з вимогами безпеки та відповідності можуть потребувати більшої кількості.

• Електричний матч. Зіставте на папері найнижчу та найвищу напругу акумулятора під навантаженням з вхідним діапазоном перетворювача, найгірший струм акумулятора з BMS, запобіжником та проводкою, а також налаштування зарядного пристрою з технічними даними на елемент живлення.
• Пікове навантаження та підвищення температури. Виміряйте реальний пусковий струм за допомогою струмового зонда та осцилографа на обох кінцях діапазону напруги, починаючи з найнижчої напруги акумулятора, де струм найвищий. Потім запустіть пристрій на повному навантаженні за найвищої очікуваної температури навколишнього середовища, доки температура не стабілізується.
• Поведінка при низькому заряді батареї. Розрядіть до відсікання BMS та переконайтеся, що після перезарядки відбудеться врегульоване вимкнення, немає вібрації та чистий перезапуск.
• Зарядка та відновлення. Зарядіть акумулятор від повного заряду до повного, з увімкненим навантаженням і без нього, і переконайтеся, що завершення заряду працює належним чином. Підключіть акумулятор до мережі та запустіть відключення BMS при піковому навантаженні, потім переконайтеся, що нічого не пошкоджено, і система відновлюється. Повторіть ключові тести за найнижчої очікуваної температури, включаючи граничну зарядку.

Що потрібно перевірити ще раз, коли змінюється упаковка або пристрій

Чотири пункти поширюються на будь-який пакет або пристрій:

• Реальна мінімальна та максимальна напруга блоку живлення під навантаженням, а також чи може обладнання працювати в цьому діапазоні без перетворювача.
• Струм на стороні блоку при найнижчій напрузі, як для постійного, так і для пікового навантаження.
• Хто контролює напругу заряду, струм, завершення та температурні обмеження, узгоджено з постачальником акумулятора.
• Чи узгоджуються між собою відключення BMS, блокування та гістерезис перетворювача, а також завершення зарядного пристрою.

Надійна система з живленням від батареї залежить не лише від вибору компонентів з відповідними номінальними характеристиками. Акумулятор, зарядний пристрій, перетворювач і навантаження повинні працювати в межах сумісної напруги, струму та температури, зокрема під час запуску та в умовах низького заряду батареї. Перевірка технічних характеристик звужує вибір; тестування в реальних умовах експлуатації підтверджує, чи працює вся система належним чином.