MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR. Szakdolgozat

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Szakdolgozat Többcellás LiFePo4, LiIon és LiPo akkumulátortöltő cellafelügyelettel, beállítható cellánkénti töltőárammal Jaskó László IV. éves villamosmérnök hallgató Konzulens: Dr. Kovács Ernő egyetemi docens Miskolc, 2015

2 Tartalom 1 Bevezetés Lítium alapú akkumulátorok áttekintése Lítium-Ion (Li-Io/ Li-Ion) Lítium-vasfoszfát (Li-FePO4 vagy Li-Fe) Lítium-polimer (Li-Po) A lítium-ion akkumulátorok töltése Csepptöltés Balanszírozás (cellakiegyenlítés) A jelenleg piacon lévő akkumulátortöltők Akkumulátortöltő tervezése Lítium akkumulátortöltő építése Vázlat a töltő felépítéséről Kapcsolóüzemű tápegységek Primer oldali kapcsolóüzemű tápegységek Az akkumulátortöltő főbb paramétereinek meghatározása Konverter kiválasztása Záróüzemű tápegység (flyback converter) Nyitóüzemű (gerjesztő átalakító) tápegység (1T Forward converter) Végleges konverter kiválasztása T forward konverter tervezése Adatok BLACKBOX Transzformátor tervezése Transzformátor tekercselése Kimeneti tároló-szűrő induktivitás Kondenzátorok... 36

3 9 Vezérlőegység Feszültségmérés Árammérés MOSFET vezérlés, és primer oldali nyáklap Szekunder oldali nyáklap Hűtőborda méretezés Vezérlőpanel Kijelző Program Tesztelés Összefoglalás Summary Irodalomjegyzék Ábrajegyzék... 58

4 1 Bevezetés 12 éve foglalkozom RC (Radio controlled) modellezéssel. Hobbimból adódóan többféle cellaszámú, kapacitású, kémiai összetételű, de lítium alapú akkumulátort is használok, melyhez 8 éve vettem egy speciális töltőt. Ez a töltő 50W-os teljesítménnyel tud tölteni 1-6 cella LíPo és LiFePo4 akkumulátorokat (tud más típust is), és képes az egyes cellák feszültségét az akkumulátorból kivezetett balancer csatlakozón (egyes cellák közötti összeköttetések kivezetése) keresztül kiegyenlíteni. Ez azért fontos, mert ezeken az akkumulátorokon a tömeg és méret csökkentése érdekében nincs beépített BMS (Battery Management System), azaz cellakiegyenlítő, és ezek az akkumulátorok különösen érzékenyek a túlmerítésre, és túltöltésre, olyannyira, hogy ha nem megfelelő módon van töltve, akkor kigyulladhat, de akár fel is robbanhat. Eddig többnyire csak 1-2 Ah-s LiPo és LiFePo4 akkumulátorokat használtam, azonban 2 éve vettem egy 16 Ah-s 4 cellás LiFePo4 akkumulátort, és ekkor jött elő a töltőmnek az a hátránya, hogy a cellakiegyenlítő áram mindössze 0,1-0,2 A, ami a töltési időt a sokszorosára növelte. Azért csak 0,1-0,2 A a cellakiegyenlítő áram, mert a túltöltött cellára egy műterhelést kapcsol a töltő, így a töltőáram ezen keresztül folyik, illetve az adott cellát is meríti. A fenti okok miatt választottam azt, hogy szakdolgozatomban tervezek egy olyan töltőt, amely a cellakiegyenlítést nem a cellák merítésével, hanem az alacsonyabb feszültségű cellák további töltésével, illetve a túltöltött cella töltőáramának csökkentésével végzi el, így nagyobb cellakiegyenlítő áramot tudok használni, továbbá a teljesítményét is megnövelem, így a kb. 20 órás töltési idő 1-2 órára csökkenhet. Kétségtelen, hogy ez a megoldás költségesebb, mint a cella kiegyenlítésen alapuló megoldás, azonban az akkumulátorok élettartama szempontjából optimálisabb töltési környezetet eredményezhet. 2 Lítium alapú akkumulátorok áttekintése A lítium bázisú akkumulátorok egyre inkább felváltják, az eddig a modellezésben legelterjedtebb, Ni-Cd, Ni-Mh akkumulátorokat. Köszönhető ez, a nyilvánvaló technikai előnyök mellett (sokkal nagyobb energiasűrűség, nagyobb terhelhetőség, hosszabb élettartam, könnyebb kezelhetőség) az elérhetővé vált áraknak. A lítium akkumulátorokk vélt veszélyessége egyre kevesebbeket rettent el attól, hogy modelljeikben használják azokat. Ez

5 az aggodalom, furcsamódon nem merül fel a telefonokban, laptop-ban, fényképezőgépben használt akkumulátorokkal kapcsolatban. Ez annak köszönhető, hogy e készülékekben a gyártók különböző biztonsági elektronikák alkalmazásával ki tudják küszöbölni az emberi tényezőt. A modell akkumulátorok felhasználási módja kizárja az ilyen áramkörök használatát, lehetőséget adva az emberi tévedésre. A baleseti statisztikákat megvizsgálva kiderül, hogy ezeket, gyakorlatilag kizárólag, a felhasználó szélsőséges hibája okozta. Ne féljünk tehát a lítium akkumulátortól, azok önmagukban nem okoznak balesetet, inkább tanuljuk meg megfelelően használni azokat [1] Alapvetően három típust különböztethetünk meg (mivel ez az akkumulátorfajta egyre nagyobb népszerűségnek örvend, ezért a fejlesztése folyamatos, új és újabb megoldások születnek, pl. a LiS akkumulátorok, de az alábbiakban csak a gyakorlatban már most is hozzáférhető, és a célfeladat szempontjából jelentős akkumulátorokat tárgyalom): 2.1 Lítium-Ion (Li-Io/ Li-Ion) Jellemzően laptopokban, telefonokban, egyéb elektronikus készülékekben találkozunk vele. Névleges feszültsége 3,6 V, maximális töltőfeszültsége 4,1 V. A nagy kisütési áramokat nem bírják. [1] A Li-Ion akkumulátorok folyékony szerves anyagot használnak elektrolitként. Az elektrolit felelős az ioncseréért az elektródák között (anód és katód) ugyanúgy, mint bármelyik akkumulátornál. Ez a szerves anyagú elektrolit meglehetősen gyúlékony és ez az, amiért a Liion akkumulátorok veszélyesebbek, és könnyebben lángra kaphatnak vagy felrobbanhatnak, mint a hagyományosak. A Li-Ion akkumulátorokat (1. ábra Li-Ion cella) általában kemény fémdobozba (úgy, mint az általános akkumulátorokat) csomagolják, amely súlynövekedést, valamint alak- és méretbeli megszorításokat von maga után. [2] 1. ábra Li-Ion cella [3]

6 2.2 Lítium-vasfoszfát (Li-FePO4 vagy Li-Fe) Hengeres fémtokozású akkumulátorok, robusztus felépítésűek, jól viselik a nagy áramú töltést és kisütést egyaránt. Töltési végfeszültsége 3,6 V, névleges feszültsége 3,2-3,3 V. Ezekben az akkumulátorokban is alkohol tartalmú elektrolitot használnak, mely C-on felforr. Vigyázni kell, hogy az akkumulátorban ez ne történjen meg, mert az visszafordíthatatlanul károsodik, azonban az akkumulátor végén kialakított biztonsági szelep miatt felrobbanni nem tud.[1] Az alábbi ábra (2. ábra) jobb oldalán látható kék hengerek a bevezetésben említett 16 Ah LiFePo4 akkumulátorcellák beépítve az általam megvalósított berendezésbe. 2. ábra LiFePo4 akkumulátor A LiFePo4 egyik továbbfejlesztett változata a LiFeYPO4 (Lítium-Vas-Yttrium-Foszfáttetraoxid). Az ittriumot a vas helyettesítésére használják, mert lényegesen korrózióállóbb elem. [4] 2.3 Lítium-polimer (Li-Po) A vegyi felépítése hasonló a Li-Ion akkumulátoréhoz, de az elektródákat egy porózus, vékony, elektrolittal átitatott polimer fólia választja el egymástól. Mivel ez rugalmas, az akkumulátort változatos formájúra lehet készíteni. A legjellemzőbb a lapos, rugalmas műanyag tokba csomagolt, téglalap alakú forma. Töltési végfeszültsége 4,2 V, névleges feszültsége 3,7 V, melyet jól tart nagy áramoknál is. [1]

7 LiPo LiPo Hibrid A hagyományos LiPo akkumulátor folyékony elektrolit helyett száraz elektrolit-polimert használ, amely egy vékony műanyag filmre hasonlít. Ez a film szendvicsként (valójában laminálva) kerül az akkumulátor anódja és a katódja közé, így teszi lehetővé az ioncserét. Innen kapták a nevüket: Lítium-polimer. Ezen eljárás miatt a nagyon vékony cellák különféle alakra és méretre formálhatóak. [2] A probléma az ilyen LiPo cella kialakítással az, hogy az ioncsere a száraz polimer miatt lassú, ezért nagymértékben lecsökken a töltés és a kisütés sebessége. Ez némileg orvosolható a cella melegítésével, amely gyorsítja a polimeren keresztüli ioncserét az anód és a katód között, de legtöbbször a melegítés nem megvalósítható. [2] Ha képesek lennének megoldani ezt a problémát, akkor a LiPo akkumulátorok biztonsági kockázata nagymértékben lecsökkenne. Mivel az elektromos autók részéről igen nagy a nyomás ez irányban, ezért nincs kétség, hogy nagy fejlesztések mennek majd végbe az ultra könnyű száraz LiPo akkumulátorokk területén az elkövetkező néhány évben. [2] LiPo hibridek Jelenleg a piacon lévő összes LiPo akkumulátor lítium polimer hibrid. A pontos megnevezése ezeknek az akkumulátoroknak lítium-ion polimer, de a világon mindenki egyszerűen csak lítium polimernek hívja, annak ellenére, hogy ezek nem valódi száraz LiPo akkumulátorok. [2] A gélesített elektrolit polimerbe ágyazásával az ioncsere sebessége nagymértékben nőtt. Mivel az elektrolit gél állagú, így a szivárgás esélye lecsökkent, de ettől még az gyúlékony maradt. A LiPo hibridek már nem annyira veszélyesek, mint a Li-Ion akkumulátorok, de képesek kigyulladni vagy felrobbanni túltöltéskor, rövidzár esetén, vagy ha kilyukadnak. [2] Amikor megjelentek, a LiPo akkumulátorok még drágábbak voltak, mint a Li-ion-ok, azért mert bonyolultabb volt az előállításuk. Azonban az árak azóta lényegesen csökkentek, és legalább annyira-, vagy még inkább népszerűbb lett a LiPo mint a Li-Ion technológia. Ez kifejezetten igaz az elektromos RC repülőkre, de a valós érdek a LiPo akkumulátor kutatásfejlesztés mögött a hordozható kommunikációs- és szórakoztató eszközök voltak. [2]

8 A LiPo hibridek ugyanazt a lapos cella elrendezést használják, mint a száraz társaik. Ez azt jelenti, hogy ugyanolyan könnyen alakíthatók különleges méretre és alakra, ezáltal váltak tökéletessé az RC modellekben való használatra. [2] 3. ábra LiPo akkumulátor [2] Majdnem minden LiPo akkumulátor cella fólia tasakban kerül csomagolásra, ezért is hívják ezeket tasak-celláknak. A képen (3. ábra) egy tipikus, kétcellás LiPo akkumulátorpakk látható. [2] A tasak cellák tökéletesen alkalmasak több cellás akkumulátorok építésére, mivel a lapos tasak cella egymás mellé illeszthető különösebb hely veszteség nélkül, ellentétben a hengeres kialakítású akkumulátorpakkokkal. Természetesen, mivel a LiPo könnyű tasakot használ fémborítás helyett, így a LiPo válik a legjobb választássá a Li-Ion-on túl az RC repülőknél, ahol a súly megfontolandó. [2] 4. ábra 5000 mah-s LiPo akkumulátor cella kiterítve [2]

9 A felső képen (4. ábra) egy fóliatasakos LiPo cellát láthatunk felnyitva, és kiterítve. Egy hosszú műanyag film (a polimer), vékony szén bevonatú anód és katóddal váltakozó mintázatban a polimer film elő- és hátoldalán.[2] Ez a hosszú film (több mint 2 méter egy 5000 mah-s cella esetén) harmonikára van hajtogatva. A teljes cella egy lezárt fóliatasakban kerül elhelyezésre a zsír állagú gél/folyadék elektrolittal. [2] Érdekes jellegzetesség a hibrid LiPo akkumulátor és a száraz párjával kapcsolatban, hogy az ioncsere hatásfoka mind a kettőnél megnövekszik, amikor felmelegszenek. [2] 3 A lítium-ion akkumulátorok töltése A Li-ion töltők hasonlóak a feszültséghatárolás elvén működő zselés akkumulátor töltőkhöz. A különbség a nagyobb cellafeszültségben, a szigorúbb feszültségtűrésben, valamint a teljes feltöltődés után alkalmazott csepp- és lebegőtöltés elhagyásában mutatkozik meg. Amíg a zselés akkumulátorok megengednek némi rugalmasságot a terhelés alatti feszültségesés szempontjából, addig a Li-ion cellák gyártói nagyon szigorúan írják elő a pontos feszültséget.[5] Amikor a Li-ion akkumulátort elkezdték gyártani, a grafitrendszer 4,1 V/cella feszültséget határozott meg. A magasabb feszültségek nagyobb energiasűrűséget biztosítanak, de a cella oxidációja erősen behatárolta a kezdeti, 4,1 V/cella fölé feltöltött Li-ion cellák élettartamát. Ezt a hatást kémiai adalékanyagokkal küszöbölték ki. A legtöbb, kereskedelemben kapható Li-ion cella 4,2 V feszültségű, és a tűrése minden esetben szigorúan 0,05 V. [5] Az ipari és katonai Li-ion akkumulátorokat maximális ciklusélettartamra tervezték, és a töltési végfeszültségük körülbelül 3,9 V/cella. Ezek az akkumulátorok alacsonyabban helyezkednek el a wattóra/kilogramm skálán, de hosszú életutat ígér a magas energiasűrűségük és kis méretük. Minden Li-ion akkumulátor töltési ideje 3 óra körül alakul, 1 C kezdeti töltőárammal töltve. A cella a töltés alatt hideg marad. A teljes feltöltöttséget jelzi, ha a feszültség a felső, tartási határértéken marad, miközben a töltőáram a kezdeti érték 3%-a alá csökken. A töltőáram növelése a Li-ion töltőnél nem sokkal rövidíti le a töltési időt. Bár hamarabb érjük el a feszültségcsúcsot, az utána következő záró töltés hosszabb lesz.[5]

10 'C'- ráta: A kapacitást az úgynevezett 'C'- ráta is jellemzi. Néhány akkumulátorforgalmazó javasolja a töltési és kisütési áram maghatározását a 'C'- számhoz viszonyítani. Egy akkumulátor '1 C' árama ugyan azt jelenti, mint az akkumulátor kapacitása ma-ben vagy A- ben kifejezve. Egy 600mAh-ás akkumulátor 1C áram értéke 600mA, és 3C áram értéke (3x600mA) 1800mA vagy 1,8A. Az 1 C áramérték egy 3200 mah-ás akkumulátornál 3200 ma (3,2 A). [6] Az alábbi ábra (5. ábra) mutatja a töltő feszültség és áramgörbéit, amikor a Li-ion cella a töltés első, majd második fázisába lép.[5] 5. ábra Li-Ion cella töltési fázisai [5] Folyamatos vonallal a cellákra vezetett feszültséget ábrázolták, míg a szaggatott vonal az aktuális töltési áramot mutatja. Az ábrán látszik, hogy a cellákat először nagy töltőárammal és viszonylag gyorsan emelkedő feszültséggel töltik (ez a töltés első órája), majd a feszültség szinten tartása, illetve kismértékű emelése mellett, de egyre kevesebb bevezetett árammal töltik (ez a maradék 2-3 órában jellemző). [7] Egyes gyorstöltők egy óra, vagy még rövidebb idő alatt töltik fel a Li-ion akkumulátort. Az ilyen töltő kihagyja a második fázist és rögtön készet jelez, miután először éri el a feszültség a maximális értéket az első fázis végén. Ekkor a tényleges töltöttségi fok 70%. A záró töltés tipikusan kétszer addig kell, hogy tartson, mint a kezdeti töltés! [5]

11 3.1 Csepptöltés A csepptöltést a lítium-ion akkumulátorok nem tolerálják, mert nem tűrik a túltöltést. Ha mégis töltőn hagyjuk az akkumulátort, és a töltő 4,05 Volt/cellával tölti, az lítium-darabkák leválását eredményezheti, ami instabilitást okoz, és ez veszélyes. A túltöltés az akkumulátor olyan mértékű melegedéséhez vezethet, melynek eredményeképpen ki is gyulladhat. A teljes töltést javasolt 20 naponta végrehajtani. [8] Mivel a túlmerítést is meg kell akadályozni, a beépített áramkör akkor is leold, ha a terheletlen feszültség kevesebb, mint 2,5 Volt/cella. Ilyen értékeknél már olyan mértékben kisült az akkumulátor, amiről hagyományos töltővel már nem hozható vissza. Vannak biztonsági megoldások a túlmerülés megelőzésére, például elektromosan szét kell választani a cellákat, ha a cellafeszültség a 2,7-3,0 Volt/cella alá csökken. [8] Mi történik, ha egy akkumulátort túltöltenek? A Li-ion akkumulátorok felépítése biztosítja, hogy normál üzemi feszültségen biztonságosan működjenek, de mindinkább bizonytalanná válnak, ha magasabb feszültségre töltjük őket. Egy több mint 4,30 V-ra feltöltött cellában lítium csapódik ki az anódra, a katódról elindul egy oxidációs folyamat, melynek folyamán a cella elveszti stabilitását, és oxigén képződik. A túltöltés a cella felmelegedését okozza. [5] A Li-ion akkumulátorok biztonságára sok figyelmet fordítottak. A kereskedelemben kapható Li-ion akkumulátorok tartalmaznak egy védőáramkört, ami megakadályozza, hogy a cellafeszültség a töltés során túl nagy értéket vegyen föl. A megadott feszültséghatár 4,3 V/cella. [5] A hőmérsékletérzékelő lekapcsolja a töltést, ha a belső hőmérséklet megközelíti a 90 C-ot. Sok cella egy mechanikai nyomáskapcsolót is tartalmaz, ami végérvényesen megszakítja a töltőáramot, ha a nyomás meghaladja a biztonsági határértéket. A belső feszültségfigyelő áramkörök kiiktatják a telepet az alsó és a felső feszültség-határértékeknél. [5] Kivételt képeznek ez alól az egy vagy két kis cellát tartalmazó mangánoxid alapú akkumulátorok. Ezek a kémiai anyagok a túltöltés során minimális lítium kicsapódást okoznak az anódon, mert a legtöbb lítium leválik a katódról a normál töltés alatt. A katód anyaga stabil marad, és nem fejlődik oxigén, hacsak nincs kitéve a cella magas hőhatásnak. [5]

12 3.2 Balanszírozás (cellakiegyenlítés) A cellák nagyobb feszültségszinten történő alkalmazásához azokat sorba kell kötni. Ebből kifolyólag azokat sorosan kell tölteni is. Azonban a gyártók nem garantálják, hogy két cella tökéletesen egyforma. Tehát ha az egyik cella már feltöltött, de szomszédjai még nem, akkor a töltőáram nem fog jelentősen visszaesni. Azonban mint fentebb olvasható a cella túltöltése annak tönkremeneteléhez, kigyulladásához vezet. [9] Ezt elkerülendő, töltés során minden cella feszültségét figyelni kell, hogy a megengedett határon belül maradjon, igény esetén a magasabb feszültségű cellát ki kell kerülni egy műterhelésen keresztül, vagy az alacsonyabb feszültségű cellát kell jobban tölteni. Balanszírozási módszerek: Cella kikerülés (Cell Bypass): [11] o Az áramkör figyeli az egyes cellák feszültségét o Amikor a cella közelít a teljes töltöttséghez, egy műterhelést kapcsol a cellára, hogy kikerülje a töltőáram a cellát o Ez korlátozza a töltési áramot a többi celláknál, így lassabban töltődik fel a többi cella o Kiegyenlítés csak a teljes feltöltés után, a töltés végén lehetséges + Általánosan alkalmazott IC-vel megvalósítható + Amennyiben néhány cella túltöltött, a hatásfok nem túl rossz - A kikerült cella áramát hővé alakítja - Amennyiben néhány cella alultöltött, rossz a hatásfoka, a töltési energia nagy részét hővé alakítja - Külön cellamonitorozás szükséges 6. ábra Cella "kikerülés" (cell bypass) [11]

13 Elkülönített, cellánkénti töltés: [11] o Cellánként egy-egy elkülönített töltő o Konstans áram/konstans feszültség töltés (CC/CV) - Magas alkatrészszám magas költség - Magas alkatrészszám kisebb megbízhatóság + Magas hatásfok - Külön cellamonitorozás szükséges 7. ábra Elkülönített, cellánkénti töltés [11] 3.3 A jelenleg piacon lévő akkumulátortöltők Manapság szinte az összes töltőt cella kikerüléses módon építik meg az alacsony alkatrészszám, és a megbízhatóság miatt, azonban nagy hátrányuk, hogy mivel a fentebb említett hődisszipáció erősen bekorlátozza a kiegyenlítő áramot, így csak néhány 100 ma a kiegyenlítő áram, amely csak kisebb kapacitású akkumulátoroknál nem jelent gondot. Ilyen töltők például: - Hiperion EOS 0606i, Általam is használt, 50 W-os töltő, kiegyenlítő áram: ma [ - Imax B6, 50 W-os, kiegyenlítő áram: 200 ma. [ - Accucell 6, 50 W-os, kiegyenlítő áram: 300 ma [

14 Hosszas keresés után is csak egyetlen olyan töltőt találtam, aminek néhány 100 ma-nál nagyobb a töltőárama, valószínűleg ebben is az említett módszert alkalmazzák, nagyobb műterheléssel. - ICharger 4010 DUO 2 kw, kiegyenlítő áram 1,2 A, szinkronban 2,4 A [ 4 Akkumulátortöltő tervezése A töltővel szemben meghatározott elvárásaim - Mikrokontrollerrel vezérelt - Cellánként tölt a beállított áramerősséggel, a maximális töltőáram 20A-ig állítható (kiegyenlítő áram azonos a beállított töltőárammal) - Beállítható a cellánkénti töltőfeszültség a különböző akkumulátor típusokhoz - Cellánkénti töltőfeszültség és áramerősség kijelzés - Visszatöltött kapacitás kijelzés - Beállítható cellaszám (1-4 cella) - Biztonsági funkciók (kapacitás és idő túllépés esetén) - Automatikus töltés lekapcsolás - Tápellátás: 12V DC 5 Lítium akkumulátortöltő építése 5.1 Vázlat a töltő felépítéséről A nagy kiegyenlítő áram elérését kevés hődisszipációval a cellánként elkülönített töltővel tudom megvalósítani. Az egyes cellák kiegyenlítését az egyesével szabályozott konverterekkel tudom megvalósítani. A töltési görbe (konstans feszültség/konstans áram) megvalósításához minden konverternél figyelnem kell a feszültséget és áramerősséget, azonban a sorba kötött cellák miatt a földpont minden cellánál eltolódik, ezért a tervezés során folyamatosan figyelnem kell a földfüggetlenség megtartására.

15 Az egyes konverterek feszültségét és áramát (feszültséggé alakítva) analóg-digitális átalakító (ADC) segítségével mérem meg a mikrovezérlővel, melyhez szintén elszigetelt árammérőt, és a földpotenciálról leválasztott feszültségmérőt kell alkalmaznom, és mindemellett a feszültségszinteket az ADC bemenetéhez kell skáláznom. 8. ábra Vázlat a töltő felépítéséről A prototípus elkészítéséhez anyagi okok miatt - ebből két ágat valósítottam meg, de a terveket a teljes töltőre készítettem el. 5.2 Kapcsolóüzemű tápegységek Az analóg lineáris tápegységek nagy hátránya az alacsony hatásfok, előnye a nagy linearitás, búgófeszültség és zavarelnyomás. A kapcsolóüzemű tápegységek (switching mode power supply-smps) jó hatásfokú tápegységek, de működési elvükből következően a kimeneti jel váltakozó áramú komponense nagyobb, mint az analóg lineáris tápegységeké. Sokkal

16 magasabb követelményeket állítanak a félvezetőkkel szemben a kapcsolgatásból származó tranziensek (du/dt és di/dt) miatt és üresjárási tulajdonságaik is kedvezőtlenebbek, mint analóg társaiké. Míg a lineáris analóg tápegységek üresjárásban a legstabilabbak, addig a kapcsolóüzemű tápegységek üresjárásban általában nem tudják tartani kimeneti feszültségüket, tehát egy minimális terhelést igényelnek. Nem hanyagolható el a kapcsolóüzemű tápegységek zavarhatása (EMI, EMC) a környezetre, amely a vezetett zavarok esetén szűrést, sugárzott zavarok esetén árnyékolást igényelnek. A kapcsolóüzemű tápegységeket alapvetően az különbözteti meg az analóg lineáris tápegységektől, hogy a be-és kimenet közötti kapcsolat a teljes működési periódus alatt nem folyamatos. Attól függően, hogy a betáplálási oldal felöl, vagy a fogyasztói oldal felöl működtetjük őket lehetnek: Primer oldali kapcsolóüzemű tápegységek (más elnevezéssel transzformátoros leválasztású) Szekunderoldali kapcsolóüzemű tápegységek (más elnevezéssel transzformátor nélküli) A szekunder oldali kapcsolóüzemű tápegységek egy szokásos elnevezése: DC/DC konverterek. A tápegységekben alkalmazott kapcsoló félvezetők vezérlése történhet: a) impulzus-szélesség modulációval (PWM) b) impulzus-frekvencia modulációval (PFM) A kétfajta vezérlés eltérő dinamikai és zavar problémákkal rendelkezik. A PWM és a PFM modulációval a félvezetőket vezéreljük, de ugyanakkor egyben a kimeneti teljesítményt is szabályozzuk. A PWM elve és tulajdonságai A PWM elve: A kapcsolgatás frekvenciája állandó (T állandó), a bekapcsolási időt (t be ) és ezzel a kitöltési tényezőt (γ) változtatjuk, elvileg 0-100% tartományban. γ > t be T

17 Az impulzus szélesség moduláció lehet: unipoláris bipoláris A tápegységeknél általában az unipoláris megoldás a szokásos. Unipoláris PWM elve ellenállás terhelés esetén. 9. ábra PWM - Ellenállás terhelés 10. ábra PWM - jellemző jelalakok Az ábrán három különböző kapcsolási állapotot ábrázoltunk. A kimeneti jel átlagértéke (lineáris középértéke) 0-Ube tartományban változtatható: U be = 1 T T be U be dt 0 = U be t be T = U be γ A valóságban a félvezetők kapcsolási ideje miatt csak egy γ min -γ max <100% tartományban lehet a be- és kikapcsolás idejét változtatni. A kapcsolással csak egy térnegyedben (U be -U ki karakterisztika) lehet teljesítményt szabályozni.

18 A PWM szabályzók előnye: Állandó kapcsolási frekvencia miatt egyszerűbb szűrés, alacsonyabb felharmonikus tartalom. A kapcsoló félvezetők is stabilabban dolgoznak az optimális kapcsolási tartományukban. Hátránya: Lassú (különösen nagy teljesítmények esetén, amikor a kapcsolási frekvencia alacsony), mert addig nem tud a szabályozó beavatkozni, amíg egy periódus le nem zajlott. A PFM elve Ezzel a modulációval is lehet unipoláris és bipoláris teljesítményszabályozást megvalósítani. Az unipoláris PFM elve R ellenállás terheléssel: Jellemző: a bekapcsolási idő (t be ) állandó, a kapcsolgatás frekvenciája változik. Az ábrán három különböző állapotot ábrázoltunk. 11. ábra PFM - Ellenállás terhelés 12. ábra PFM - Jellemző jelalakok A kitöltési tényezőt (γ) változtatjuk, elvileg 0-100% tartományban. γ = t be T x

19 A kimeneti jel átlagértéke (lineáris középértéke) 0-Ube tartományban változtatható: U ki = U be t be T x = U be γ A valóságban a félvezetők kapcsolási ideje miatt itt is csak egy γ min -γ max <100% tartományban lehet a be- és kikapcsolás idejét változtatni. A kapcsolással csak egy térnegyedben lehet teljesítményt szabályozni. A PFM előnye: gyors szabályozás megoldhatósága Hátránya: Az állandóan változó frekvencia miatt nehezen szűrhető. Magasabb követelmények a félvezetőkkel szemben. [10] 5.3 Primer oldali kapcsolóüzemű tápegységek A primer oldali kapcsolóüzemű tápegységek általában nagyfrekvenciás transzformátort tartalmazó áramkörök, amelyeknél a beavatkozás a transzformátor primer oldalán történik. Gyakran alkalmazott megoldás, hogy a kapcsolás külön hálózati transzformátort nem tartalmaz (off-line converter), hanem közvetlenül egyenirányítva a hálózati feszültséggel tápláljuk a konvertert, mivel az életvédelmi leválasztást a nagyfrekvenciás transzformátor megoldja. A nagyfrekvenciás transzformátor lényegesen kisebb mérete miatt az áramkör mérete is csökken (a transzformátor mérete és az alkalmazott frekvencia között fordított arányosság létezik). Alacsonyabb DC bemeneti feszültségű kapcsolóüzemű tápegységhez természetesen hálózati transzformátoros egyenirányító szükséges. Általános blokkvázlatuk: 13. ábra Primer oldali SMPS - Általános blokkvázlat

20 A blokkséma elemei: A. hálózati oldali egyenirányító B. szűrő-simító C. teljesítmény-kapcsoló (tranzisztor vagy MOSFET) D. nagyfrekvenciás vasmagos transzformátor E. nagyfrekvenciás egyenirányító F. nagyfrekvenciás simító-szűrő kapcsolás G. Szabályozó egység: általában impulzus szabályzások (PWM vagy PFM). Leválasztás: transzformátoros vagy optocsatolós, lehet a szabályozó előtt vagy után, attól függően, hogy a szabályozó megtáplálása melyik oldalról történik. A kimenet lehet: egyenáramú (DC) vagy bizonyos feladatokra váltakozó áramú (AC) is. A primer oldali kapcsolóüzemű tápegységeket a nagyobb kimeneti teljesítmény és a leválasztás miatt- általában ipari elektronikai célokra használják (motor hajtások tápjai, nagyteljesítményű tápegységek, nagyfeszültségű tápegységek, többszörös-kimenetű tápegységek, stb.) A primer oldali (transzformátoros) kapcsolóüzemű tápegységek (mindkét működési elvű) lehetnek: Együtemű Záróüzemű Nyitóüzemű Kétütemű Ellenütemű Félhíd kapcsolású Hídkapcsolású Minden konverternek (a szekunderoldaliaknak is) három alapvető üzemmódja van aszerint, hogy az energiatároló elem (tekercs vagy transzformátor) energiamentessé válik-e működés közben: folyamatos üzemmód (mindig van tárolt mágneses energia) szaggatott üzemmód (minden kapcsolási periódusban vannak időszakaszok, amikor energiamentes az energiatároló) kritikus üzemmód (egyetlen pillanatra energiamentes csak minden kapcsolási periódusban)

21 Az egyes konverterek eltérően működnek a három üzemmódban, de majdnem mindegyiket valamelyik üzemmódra tervezzük, de működés közben előfordul, hogy egy másik üzemmódba kerül. A tápegységek szokásos angol elnevezéseit is megadtuk a könnyebb eligazodás érdekében, mivel nagyon sok egységet nem a magyar elnevezésével illetnek. [10] 6 Az akkumulátortöltő főbb paramétereinek meghatározása - Bemeneti feszültség: A tápfeszültség értékének kiválasztásakor fontos szempont, hogy terepen, 12V-os autóakkumulátorról, és otthon, elsősorban 12V-os tápegységről is lehessen használni. Ez alapján a minimum bemeneti feszültséget 11V-nak választottam, mellyel elkerülöm az autóakkumulátor mélykisütését, és a terhelés alatt beeső tápfeszültség sem jelent gondot. A maximumot pedig 15V-nak választottam, így a teljesen feltöltött autóakkumulátor, vagy egy kicsit magasabb feszültségű tápegység sem tesz kárt a töltőben. V in(nom) =12 V V in(min) =11 V V in(max) =15 V - Kimeneti feszültség A kimeneti feszültség LiPo akkumulátornál a legmagasabb, 4,2 V. A biztonság kedvéért ezt az értéket 4.3 V-nak választom, tehát V out =4.3 V - Kimeneti áram A töltőt elsősorban 4 cella, 16 Ah LiFePo4 akkumulátorral fogom használni. 1 C töltéssel ez 16 A-es töltőáramot jelent. Biztonsági tartalékként a maximális töltőáramot 20 A-nek választom. A töltés akkor tekinthető befejezettnek, amikor a töltőáram kb. 5-10%-ra csökken. A minimális töltőáram ez alapján került meghatározásra. I out =20 A I out(min) =1 A - Kapcsolási frekvencia A frekvencia kiválasztásánál számomra fontos szempont volt, hogy az emberi fül hallástartományán kívül essen, ennek felső határa ~ 20 khz. A frekvenciát 100 khz-nek választom. f=100 khz

22 - Kimeneti teljesítmény becslése A konverter topológiájának meghatározásához szükségem van a becsült kimeneti teljesítményre. P out (max ) = U out I out = 4,3 20 = 86 W 7 Konverter kiválasztása 1. táblázat - PWM kapcsolóüzemű tápegység topológiák összehasonlítása [13] Topológia Teljesítmény DC Bemeneti Szigetelt Tipikus Relatív ár tartomány feszültség tartomány be/kimenet hatásfok Buck Nem Boost Nem Buck-boost Nem T Forward Igen Flyback Igen Push-pull Igen Half-bridge Igen Full-bridge Igen Mivel a cellákat külön-külön töltöm, ezért a kapcsok feszültsége a földhöz képest eltérő, így potenciálfüggetlen megoldást kell választanom. Ezért a Buck, Boost, és Buck-Boost konverter, továbbá az előzőekben meghatározott kimeneti teljesítmény alapján, a Push-pull, Half-bridge, és Full-bridge konverter kizárható. A két megmaradt, azaz a Flyback, és az 1T Forward konverter közül kell választanom, de ehhez először vizsgáljuk meg a működésüket. 7.1 Záróüzemű tápegység (flyback converter) 14. ábra Záróüzemű tápegység

23 Működés: A működés vizsgálatához meg kell vizsgálnunk azokat az állapotokat, amikor a félvezetős kapcsoló (tranzisztor, de még inkább MOSFET) be- illetve kikapcsolt állapotban van. A vizsgálatoknál hanyagoljuk el a félvezetőkön bekapcsoláskor keletkező veszteségeket. A kiés a bekapcsolási időt a szabályozó egység szabja meg a kimeneti feszültség függvényében. A kapcsolóelem bekapcsolt állapota: 15. ábra A kapcsolóelem bekapcsolt állapota A transzformátoron a feszültségirányok a jelöltek szerintiek. A primer tekercsen és kapcsolóelemen folyik egy áram, amelynek értéke (mivel konstans feszültség kapcsolódik a tekercsre) az idővel lineárisan nő: Az áram helyes méretezés esetén sohasem érheti el a telítési állapotot, mert akkor alapvetően megváltozna a működés és járulékos veszteség keletkezne. A szekunder tekercs feszültsége a nyíllal jelölt irányú, így a diódára záró irányú feszültség jut és a kikapcsolt dióda szétválasztja a transzformátort és a kimenetet egymástól. A kimenetet csak a kondenzátor táplálja. Ennek következtében a feszültsége csökken, amelyet érzékelünk és egy idő után kikapcsoljuk a kapcsolóelemet a primer oldalon. A kapcsolóelem kikapcsolt állapota: [10] 16. ábra A kapcsolóelem kikapcsolt állapota A kapcsolóelem kikapcsolásakor megfordul a tekercseken a feszültség (Lenz-törvény), mivel a vasban jelentős mágneses energiát tárolunk (az áram a primer tekercsen a kikapcsoláskor volt a legnagyobb). A szekunder tekercsen a megváltozott polaritású feszültség kinyitja a

24 diódát, amelyen keresztül a szekunder tekercs táplálja a kimenetet és a kondenzátort, majd ahogy csökken az áram a kondenzátor is besegít a kimenet táplálásába. Az áram itt is lineárisan csökken, mert a kimeneti feszültség konstans (erre szabályozunk), így a tekercs feszültsége is konstans, azaz az áram a tekercsen lineárisan csökken. A feszültség a primer tekercsen is megfordul, amely hozzáadódva a bemeneti feszültséghez egy jelentős záró irányú feszültséggel terheli a kapcsolóelemet. A transzformátor (folyamatos üzemben) sohasem energiamentes. A szabályozónak üresjárás esetén is van egy minimális bekapcsolási ideje, ami azt eredményezi, hogy ilyenkor a kimeneti feszültség a névleges fölé emelkedik (betáplálás van a kimeneti kondenzátorba, de nincs energia kivétel, csak ami az önkisüléssel és egyéb veszteségekkel kialakul). A kimeneti feszültség akkor szabályozható jól, ha a kimenet terhelt. Jellemző jelalakok (17. ábra) (alacsony terhelés esetén, szaggatott üzemmód): 17. ábra Jellemző jelalakok I sz a szekunder tekercs árama, I pr a primer tekercs árama, U CE a kapcsoló tranzisztor CEfeszültsége. t off a kapcsolóelem kikapcsolási ideje, t on a bekapcsolási ideje. A kapcsolóelemet különösen nagy feszültség veszi igénybe, amikor a szekunder tekercs leadja a tárolt energiáját. A terhelés növekedésével csökken az az idő, amikor a transzformátor energiamentes. A kapcsolás jelentős csúcsárammal terheli a bemenetet: I be = 5.5 P ki U be [10]

25 7.2 Nyitóüzemű (gerjesztő átalakító) tápegység (1T Forward converter) Működés (Gyakorlati kapcsolás energia visszatáplálással): A tranzisztor bekapcsolási ideje alatt a D2 dióda le van zárva a feszültségirányok miatt, a segéd tekercsben a D3-ra kapcsolódó feszültség miatt áram nem folyik. A tranzisztor kikapcsolása utána D1 lezár és az L tekercsben tárolt energia miatt indukálódott feszültség a D2 diódát kinyitja, és ezen keresztül táplálja a kimenetet (szaggatott vonal). A vasmagban felhalmozott mágneses energiát általában a kapcsoló félvezető disszipálja, azonban a segédtekercsen (amelynek menetszáma megegyezik a primer tekercs menetszámával) indukálódó feszültség miatt a D3 dióda kinyit és az energiát visszatáplálja a bemeneti tápláló áramkörbe. Ez egyben korlátozza az elektronikus kapcsolóelemre jutó záró irányú feszültség nagyságát is (2Ube). A kimeneti feszültséget a transzformátor áttétel szabja meg, mivel mindkét oldalon azonos időben folyik áram. 18. ábra 1T Forward konverter A kapcsolás bemeneti csúcsárama: n sz t be U ki = U be n pr T = U n sz be γ n pr I be = 2.8 P ki U be

26 Előny: A kimeneti feszültséget az áttétel szabja meg, ami stabilabb kimeneti feszültséget eredményez. A kimeneti feszültség hullámossága kicsi lehet. D3 alkalmazása esetén a félvezetőket jelentősen kisebb feszültség veszi igénybe záró irányban. A transzformátornak nem kell a teljes terhelés által felhasznált energiát tárolnia, ami kisebb méretet eredményez. Hátrány: A kimenet zárlata tönkre teheti a tápegységet, mivel közvetlen kapcsolat van a ki- és a bemenet között. Gondoskodni kell a zárlatvédelemről. Alkalmazás: nagyobb energiájú, de nem nagyfeszültségű tápegységekben, a kb W teljesítmény kategóriában. [10] 7.3 Végleges konverter kiválasztása A jobb hatásfok miatt toroid maggal szeretném megépíteni a konvertert. Régebbi rendelésből maradt T es toroid mag, melynek mérete a számítógép tápegységek toroid magját tekintve bőségesen elegendő lesz, és a prototípus kézi tekercseléssel is viszonylag könnyen elkészíthető. A Flyback konverter ár, és hatásfok szempontjából is jobb lenne, azonban mivel ott a transzformátornak tárolnia kell az energiát, ezért légréses mag kellene hozzá, azonban a T es mag nem ilyen, ezért az 1T Forward konvertert fogom alkalmazni, melynél a transzformátornak nem kell a teljes energiát tárolnia.. 8 1T forward konverter tervezése 8.1 Adatok A korábban meghatározott adatok: V in(nom) =12 V; V in(min) =11 V; V in(max) =15 V; V out =4.3 V; I out =20 A; I out(min) =1 A; f=100 khz; Toroid: T300-52

27 8.2 BLACKBOX A tervezési fázis első lépéseként meghatározom a konverter főbb paramétereit. Ez lehetővé teszi, hogy megrendelhessem az alkatrészeket a prototípushoz még most, a tervezés elején, és így nem kell az alkatrészekre várnom a tervezés befejezésekor. Továbbá megtudok néhány fontos paramétert, amire később, a tervezés során szükségem lesz. Ebben a fázisban a tápegységet, mint egy Fekete dobozt (Black Box) kezelem, és a becslések meghatározására csak a környezeti paramétereket, azaz a ki és bemeneti adatokat kell tudnom. A következő becslések szükségesek: - Kimeneti teljesítmény: - Bemeneti teljesítmény: - Átlag bemeneti áram: 19. ábra "Black Box" P out = V out I out = 4,3 20 = 86W P in P out Eff = 86 = 110,25 W 0,78 I in av (nom ) = P in = 110,25 = 9,19 A V in (nom ) 12 A legnagyobb átlag bemeneti áram a legkisebb megengedett bemeneti feszültségnél fordul elő. Ennek az értéknek a segítségével tudom meghatározni a primer tekercs keresztmetszetét. I in av (max ) = P in = 110,25 = A V in (min ) 11

28 - Bemeneti csúcs áram 1T Forward konverter esetében k=2.8 I pk = k P out 2,8 110,25 = = 28,06 A V in(min ) 11 Ez az érték a flyback konverternél hasznos, forward konverternél nincs rá szükségünk, csak kiegészítő adat. - Kapcsolóelem, és egyenirányító kiválasztás Minden topológiának megbecsülhető a teljesítménykapcsoló, és a kimeneti egyenirányító feszültség és áram igénybevétele. Ezek a becslések az esetek 90 %-ban megbízhatóak. Kapcsolóelemnek MOSFET-et választok, melynek minimum értékei a következők: V DSS = 2 V in = 2 15 = 30 V I D = 1,5 P out 1,5 110,25 = = 15,03 A V in min 11 Régebbi rendelésből megmaradt IRFZ44N típusú MOSFET, melynek értékei: V DSS =55 V; I D =49 A; R DS(on) =17,5 mω alapján megfelel a feltételeknek. - Kimeneti dióda kiválasztása: A gyors kapcsolás miatt Schottky diódákat kell használom, melynek minimum értékei a következők: V R = 3 V out = 3 4,3 = 12,9 V I F = I out = 20 A Számítógép tápegységből bontottam a feltételeknek megfelelő diódákat. Típusa: S30D40C, értékei: V R = 40 V; I F = 30 A; V F = 0,55 V - Egyes részegységek becsült veszteségei: A kapcsolóüzemű tápegység egyes részegységeinek veszteségei megjósolhatók a tapasztalatokból. Ezek a veszteségi arányok természetesen függenek a tervezés folyamatától,

29 de ebben a fázisban elegendő egy jól kitalált becslés. Az alábbi táblázatban látható az 1T Forward konverter teljes veszteségének becsült arányai. 2. táblázat, 1T Forward konverter veszteségek Megnevezés: Teljes Kapcsolóelem Kimeneti Transzformátor Egyéb hatásfok (MOSFET), és vezérlője egyenirányító (Dióda) vesztesége P%= 77 % 33 % 57 % 5 % 5 % Az egyes részegységek veszteségének meghatározásához a következő képletet kell alkalmazni P loss (ckt ) = P in 1 Eff P% = 110,25 1 0,77 P% = 25,35 P% Ahol P% a tipikus veszteség az adott részegységnek, a teljes veszteség figyelembe vételével. Ezek a veszteségek jó becslések a tokozások, és az esetleges hűtőbordák meghatározásához is. - Teljes veszteség: P loss (total ) = 1 Eff = 1 77% = 23% ,25 = W - MOSFET: P loss MOSFET = 25,35 0,33 = 8,37 W - Kimeneti egyenirányító (dióda): P loss D = 25,35 0,57 = 14,45 W - Transzformátor veszteség (vas és rézveszteség): P loss T = 25,35 0,05 = 1,267 W - Egyéb veszteség: P loss Egy éb = 25,35 0,05 = 1,267 W [13]

30 8.3 Transzformátor tervezése - Maximális fluxussűrűség (B max ) meghatározása A számolást a T típusú toroid magra [15] vonatkoztatva végzem el. A maximális fluxussűrűséget két dolog befolyásolja, elsősorban a mag nem mehet telítésbe, viszont a frekvencia növelésével előtérbe kerül a magveszteség (Core loss, vasveszteség). A maximális fluxussűrűség meghatározása a telítési fluxussűrűségből: 100 khz-nél egy jó kompromisszum, ha a maximális fluxussűrűséget (B max ) a telítési fluxussűrűség (B sat ) 25 %-ának vesszük. [12] A -52 anyagú (Iron Powder) mag telítési fluxussűrűsége B sat =14000 Gauss = 1,4 Tesla [14] B max = ,4 = 0,35 T = 3500 G Az alábbi grafikonból leolvasható, hogy 3500 Gaussnál a magveszteség több mint mw/cm 3 lesz. Ezt az értéket a toroid térfogatával megszorozva megkapom a teljes magveszteséget. V = 33,4 cm 3 [15] P core loss 3500G = Core loss V = ,4 = mw = 334 W Ez az érték nem megengedhető, ugyanis a teljes teljesítmény több mint háromszorosa. 20. ábra T Core loss Bmax [15]

31 Ezért újraszámolom, a magveszteséget a Fekete doboz -ban kiszámított értéknek véve. P loss(mag) =1.267 W = 1267 mw Ebből a magveszteség mw/cm 3 -ben meghatározva: Core loss = P loss (mag ) V = ,4 = 37,9 mw/cm3 Ezt az értéket az előző grafikonba behelyettesítve leolvasható a maximális fluxussűrűség. Menetszámok meghatározása B max 130 Gauss = Tesla - Primer menetszám meghatározása [13] N pri = Ahol: V in nom 12 = = 13,7 menet 14 menet 4fB max A c ,013 0, o A c - a mag effektív keresztmetszete (m 2 ) T mag esetében A c =1,68 cm 2 = m 2 [15] o B max A maximum üzemi fluxussűrűség (T) o V in(nom) - A tipikus üzemi feszültség (V) - Szekunder menetszám meghatározása [12] N sec = 1,1N pri (V out + V fwd ) 1,1 14 4,3 + 0,55 = V in min DC max 11 0,5 = 13,58 14 menet Ahol: o V fvd = a kimeneti egyenirányító diódán eső feszültség o DC max - maximális kitöltési tényező, Forward konverter esetében =0,5 - Segédtekercs (reset) A nyitóüzemű tápegységeknél tárgyaltak alapján a segédtekercs menetszáma megegyezik a primer tekercs menetszámával, tehát: N pri = N reset = 14 Huzal keresztmetszetek meghatározása A huzalok keresztmetszeteinek meghatározását a maximális áramsűrűség alapján végzem. A megengedett áramsűrűség 2,11 A/mm 2 [13]

32 - Primer tekercs keresztmetszetének meghatározása Ez alapján, és az előzőekben kiszámított legnagyobb átlag primer áramerősség alapján a primer huzal keresztmetszete: A w primer (Imax ) = I in av (max ) 2,11 A/mm 2 = 10,02 = 4,75 mm2 2,11 A w primer (Inom ) = I in av (max ) 2,11 A/mm 2 = 9,19 = 4,35 mm2 2,11 - Szekunder tekercs keresztmetszetének meghatározása A szekunder huzal keresztmetszeténél a maximális kimeneti áramerősséget kell figyelembe venni. A w(szekunder ) = I out (max ) 2,11 A/mm 2 = 20 = 9,47 mm2 2,11 - Segédtekercs keresztmetszetének meghatározása: A segédtekercs keresztmetszete 3-4 mérettel kisebb, mint a primer huzal keresztmetszete. [12] A primer tekercs keresztmetszete alapján a 11 AWG (4,17 mm 2 ) [13] méretű huzalhoz van a legközelebb, ettől 4 mérettel a 15 AWG méretű huzal kisebb. A 15 AWG méretű huzal keresztmetszete: A w(reset) =2,01 mm 2 [13] Huzal hasznos keresztmetszetének meghatározása A huzal keresztmetszetének meghatározásánál figyelembe kell vennem a skin (bőr) hatást. 100 khz-en a behatolási mélység: 0.24 mm [16] Az ideális huzal átmérője a skin hatás alapján: 0,24 mm 2 = 0,48 mm Otthonomban találtam nagyobb mennyiségben 0,88 mm átmérőjű lakkozott huzalt, melynek a réz átmérője 0,8 mm. A prototípust ebből fogom elkészíteni, a skin hatás figyelembe vételével.

33 Először kiszámolom a huzal teljes keresztmetszetét, utána a huzal közepének, a vezetésben részt nem vevő huzalrész keresztmetszetét, majd kivonom egymásból, így megkapom a hasznos keresztmetszetet. A huzal teljes keresztmetszete: A w(teljes ) = r 2 π = 0,8 2 2 π = 0,5026 mm 2 A vezetésben részt nem vevő huzal keresztmetszete: A w(közép) = A huzal hasznos keresztmetszete: 0,8 (2 0,24) 2 2 π = 0,0804 mm 2 A w(asznos ) = A w(teljes ) A w(közép) = 0,5026 0,0804 = 0,4222 mm 2 Párhuzamosan kötött huzalok számának meghatározása Mivel ez az érték kevesebb, mint az előzőleg meghatározott primer, szekunder, és segédtekercs huzaljainak keresztmetszete, ezért párhuzamosan, több huzalból fogom elkészíteni a tekercseket. A párhuzamos huzalok darabszámát megkapom, ha a kívánt keresztmetszetet elosztom a huzal hasznos keresztmetszetével. - Primer tekercs párhuzamosan kötött huzaljainak száma: N uzal primer (Imax ) = A av primer (Imax ) = 4,75 = 11,25 db A w (asznos ) 0,4222 N uzal primer (Inom ) = A av primer (Inom ) = 4,35 = 10,3 db A w(asznos ) 0,4222 A két érték közük a nagyobb csak ritkán fog előfordulni, és valószínűleg akkor sem maximális terhelésen fogom használni a töltőt, ezért azt lefele, 11 db-ra kerekítem. - Szekunder tekercs párhuzamosan kötött huzaljainak száma: N uzal (szekunder ) = A av(szekunder ) = 9,47 = 22,43 23 db A w(asznos ) 0, Segédtekercs párhuzamosan kötött huzaljainak száma: N uzal (reset ) = A av(reset ) = 2,01 = 4,76 5 db A w(asznos ) 0,4222

34 Ellenőrzés A transzformátor tervezésének végeztéül ellenőrzöm, hogy a tekercselés ráfér-e a toroidra. A toroid közepén lévő lyukon át kell férnie a tekercselésnek, és a szigetelésnek egyaránt. A T es toroid mag belső átmérője ID = 49 ± 0,75 mm [15] Ebből meghatározva a belső átmérő keresztmetszetét: A winding (T300 52) = 49 0, π = 1828 mm 2 A toroid közepén átmenő huzalok teljes keresztmetszete a szigetelést is figyelembe véve: Wa = k (N (i) A w(i) = k N uzal (primer ) A av (primer ) + N uzal (szekunder ) A av(szekunder ) + N uzal (reset ) A av (reset ) [13] = 1,3 14 4, , ,01 = 295,4 mm 2 Ahol 1,2<k<1,4 a tekercselés szabálytalansága, és a szigetelés miatt. [13] Mivel a toroid közepén átmenő huzalok teljes keresztmetszete kisebb, mint a toroid közepén lévő lyuk keresztmetszete, ezért a tekercsek elférnek a toroidon. 8.4 Transzformátor tekercselése A tekercselést a következő sorrendben vittem véghez: 21. ábra Nyers mag, Szigetelt mag

35 22. ábra Primer tekercs, Primer tekercs szigetelve 23. ábra Segédtekercs, Segédtekercs szigetelve 24. ábra Szekunder tekercs, Szekunder tekercs szigetelve

36 8.5 Kimeneti tároló-szűrő induktivitás Ennek célja az energia tárolása a kimenetnek, amikor a MOSFET kikapcsolt állapotban van. Az elektromos funkciója, hogy a négyszögjelet integrálja egyenárammá. L min = V in(max ) V out T off (est ) 1,4 I out (min ) = 15 4,3 (0,3 1, ) = 22,92 uh Ahol: T off(est) a becsült bekapcsolás ideje a MOSFET-nek a legnagyobb bemeneti feszültség mellett (1/f 30%-a jó feltevés) Ez az érték a minimális értéke az induktivitásnak, amikor még a mag kiürül a minimális terhelés mellett. [13] A választott induktivitás: DTMSS-27/0,033/20-V, értékei: L=33 uh, I=20 A, R=7,2 mω 8.6 Kondenzátorok A prototípust akkumulátorról fogom tesztelni, amibe a segédtekercs vissza tudja táplálni az energiát, ezért nincs szükség a bemeneti kondenzátorra, és mivel a kimeneten is akkumulátor lesz, ezért itt sincs szükség nagy méretű kondenzátorra, a szűrés érdekében 4 db 1 uf-os kondenzátort helyezek rá. 9 Vezérlőegység A töltő vezérlőjének egy STM32F4Discovery típusú mikrovezérlőt választottam, mert ezzel van tapasztalatom, és a célnak megfelel. Mikrovezérlő főbb tulajdonságai: [17] STM32F407VGT6 típusú processzor 1 MB Flash memória 192 kb RAM LQFP100 tokozás Az összes I/O láb külső csatlakozóra kivezetve 12 bites ADC-k (Analog-Digital Converter) 16 és 32 bites időzítők PWM-hez

37 10 Feszültségmérés A mikrovezérlőben található ADC referencia feszültsége egyenlő a mikrovezérlő tápfeszültségével, ami gyárilag 3 V, ugyanis a kártyán lévő 3,3 V-os feszültség stabilizátor (a kártya tápfeszültsége 5V) után beraktak egy diódát, amin 0,3 V-os feszültség esik (nem nyit ki teljesen). Annak elkerülése érdekében, hogy nagyobb terhelés esetén a dióda jobban kinyisson, és emiatt megváltozzon a referenciafeszültségem, a diódát rövidzárral helyettesítettem, így a mikrovezérlő tápfeszültsége, és egyben az ADC referenciafeszültsége is 3,3 V lett. Az ADC-vel csak közös földpotenciálhoz képest tudok feszültséget mérni, tehát az egyes cellák feszültségeit le kell választanom egymásról, hogy elkerüljem a földpont eltolódást, másrészt pedig skáláznom is kell az akkumulátor feszültségét az ADC 3,3V-os bemenetéhez. A gyári töltőkben ezt a problémát cellánként 1-1 kivonó erősítővel oldották meg, majd a kivonó erősítők kimeneteit bevezették egy multiplexerbe, és a multiplexer kimenetét olvasták be az ADC-n. A megoldásomban a multiplexert kihagyva, csak a kivonó erősítőt fogom alkalmazni, és azt olvasom be az ADC-vel, mivel a mikrovezérlőben megvan a kellő csatorna, hogy egyesével lemérjem. A kivonó erősítővel egyben skálázni is tudom a feszültségszinteket. Kivonó erősítő Feltétel: R 1 R 2 = R 3 R 4 = α A gyakorlatban R 1 =R 3 és R 2 =R 4

38 Kimeneti feszültség: U ki = α(u be2 U be 1 )[18] Az erősítést úgy kell meghatároznom, hogy a legmagasabb kimeneti feszültség felett se kapjon 3,3 V-nál magasabb feszültséget a mikrovezérlő. α < 3, = 0,77 α = 0,75 = 4, A 0,75-ös erősítéshez R 1 = R 3 = 7,5 kω; R 2 = R 4 = 10 kω A pontosabb mérés érdekében precíziós, 0,1 % pontosságú ellenállásokat használok. Megvalósítás Kivonó erősítő 4 cellához, Kapcsolási rajz: 25. ábra Kivonó erősítő - Kapcsolási rajz

39 NYÁK-terv: A NYÁK-lap vasalás után, maratás előtt: 26. ábra Kivonó erősítő NYÁK-terv 27. ábra Kivonó erősítő NYÁK-lap Maratás, és beültetés után: - a 7,5 kω-os ellenállásból rendeléskor nem volt elegendő raktárkészlet, ezért ebből csak 6 db-ot ültettem be, így 3 celláig tudom használni, de a 2 cellás teszthez ez is elegendő. Az akkumulátor csatlakozó melletti 100 kω-os ellenállások azt a célt szolgálnák, hogy ha nincs rádugva akkumulátor, akkor a két kapcsot azonos potenciálra hozza. Így 0 V lenne a két kapocs között, azonban az egy nagyságrenddel

40 nagyobb, 100 kω-os ellenállás túl nagynak bizonyult, viszont kisebbet nem akartam beültetni, így üresen hagytam. 11 Árammérés 28. ábra Kivonó erősítő - Beültetve Az árammérést szintén földpotenciáltól függetlenül kell végeznem. Erre legalkalmasabb egy HALL elemes árammérő, mely rögtön feszültséget ad vissza a kimenetén. Erre a célra az ACS712 család 20 A-es változatát választottam. ACS712ELCTR-20A-T tulajdonságai: [19] Mérési tartomány: ±20 A Érzékenység: 100 mv/a A kimeneti feszültséget az érzékelt áramerősség függvényében az alábbi grafikon tartalmazza. 29. ábra ACS712-20A Mért áramerősség - Kimeneti feszültség

41 A külön skálázó áramkör elkerülésének érdekében negatív irányban kötöm be, így a kimeneten 0 A-nál 2.5 V-ot kapok, míg 20 A-nál 0,5 V-ot. Programon belül ezt úgy tudom skálázni, hogy a kapott feszültségből először kivonok 2,5 V- ot, majd szorzom (-10)-zel, így megkapom az áramerősséget 0-20 A-es tartományban. Az árammérő kapcsolási rajza: NYÁK-terv, és az elkészült NYÁK: 30. ábra Árammérő - Kapcsolási rajz NYÁK-lap beültetve: 31. ábra Árammérő NYÁK-terv, NYÁK-lap 32. ábra Árammérő - Beültetve

42 12 MOSFET vezérlés, és primer oldali NYÁK-lap A mikrovezérlő direktben nem tudja meghajtani a MOSFET-et, ezért egy FET vezérlő áramkör közbeiktatásával vezérlem. Erre egy TC4420 típusú FET vezérlő IC-t használok, ami a mikrovezérlőből érkező jelszintet képes feldolgozni, és a FET-et meghajtani. A FET vezérlőt a hozzá tartozó alkatrészekkel a primer oldali NYÁK-lapon építettem be. Erre a NYÁK-lapra került fel a MOSFET, és a segédtekercs diódája is. A NYÁK-lapon kialakítottam 5 db bemeneti kondenzátornak is a helyét, azonban az előzőleg tárgyaltak miatt ezeket nem építem be. A tápfeszültséget, a primer, és segédtekercs kivezetéseit is erre a nyáklapra csatlakoztatom szemes saruval a NYÁK-laphoz csavarozva. Kapcsolási rajz: NYÁk-terv 33. ábra Primer oldal - Kapcsolási rajz 34. ábra Primer oldal NYÁK-terv

43 NYÁK-lap kimarva NYÁK-lap beültetve 35. ábra Primer oldal NYÁK-lap 13 Szekunder oldali NYÁK-lap 36. ábra Primer oldal - Beültetve A szekunder oldali NYÁK-lapra csatlakozik a toroid szekunder tekercselése. Erre a NYÁKlapra helyeztem el a kimeneten lévő Schottky diódákat, az L induktivitást, továbbá 4 db 1 ufos kondenzátort. A nagy áramterhelés miatt kétoldalú NYÁK-lapból készítettem el, az egyszerűsége miatt pedig mechanikusan, kézi megmunkálással alakítottam ki rajta a vezetősávokat. Kapcsolási rajz: 37. ábra Szekunder oldal - Kapcsolási rajz

44 NYÁK-terv 38. ábra Szekunder oldal NYÁK-terv Beültetve, a hűtőborda epoxi ragasztóval a NYÁK-laphoz is rögzítve: 14 Hűtőborda méretezés A hűtőborda hőellenállásának meghatározása: Ahol: 39. ábra Szekunder oldal - Beültetve R SA = T J T A P D R JC + R CS [20] - R SA a hűtőborda és a környezet közti hőellenállás - T J a szilíciumlapka maximális hőmérséklete - T A a környezet hőmérséklete - P D a disszipált teljesítmény - R JC a lapka és a tokozás közti hőellenállás - R CS a tokozás és a hűtőborda közti hőellenállás

45 A prototípushoz próbálok minél több, az otthonomban megtalálható alkatrészt felhasználni, ezért a prototípusban számítógép tápegységekből bontott hűtőbordákat használok, melyeknek ismeretlen a hőellenállása, ezért ennek a kiszámolását a végső töltő megépítésénél végzem el, amibe már gyári hűtőbordákat építek be. 15 Vezérlőpanel Az alaplapon a következő részegységeket helyeztem el: - Mikrovezérlő: STM32F4Discovery - Kezelőpanel: 6 db nyomógomb (Start, Stop, Up, Down, Scroll left, Scroll Right), és egy potenciométer a kijelző kontrasztjának állításához alfanumerikus kijelző - 5 V-os feszültség stabilizátor, és egy ellenállásokkal megvalósított feszültségosztó a tápfeszültség méréséhez Továbbá az alaplapon kiépítettem a PWM kimenetek, az ADC bemenetek csatlakozóit, a vezérlőpanel tápfeszültségének csatlakozóját, és több 5V-os kimenetet is a feszültségmérő, és árammérők számára. A vezérlőpanel alaplapja: 40. ábra Vezérlőpanel - Alaplap

46 A vezérlőpanel működés közben: 16 Kijelző 41. ábra Vezérlőpanel - Modulokkal Az adatok kijelzésére egy 1602 alfanumerikus kijelzőt használok. Ez a kijelző egyszerre két sort, soronként 16 karaktert tud megjeleníteni, azonban a memóriájában összesen 80 karaktert tud tárolni, melyek közt különböző parancsokkal lehet léptetni az aktuálisan kijelzett területet. 17 Program A program futásának ellenőrzésére a mikrovezérlőn lévő zöld LED-et fél másodperces periódusidővel villogtatom. A program elején 100 Hz-el beolvasom az ADC-k értékét (feszültség és árammérő), továbbá 0,2 másodpercenként beolvasom a gombok állapotát is. A program fő része egy switch utasítás, melyen belül 4 eset van. Az első esetben a kezdőértékek megadása lehetséges. A megadható kezdőértékek: cellaszám (1-4 cella), cellafeszültség (3-4,3 V), áramerősség (1-20 A), maximális idő (1-999 perc, segítségképp

47 mellette órában is kijelezve), maximális kapacitás (1-99 Ah). A menüben tovább lépve kiírom a be- és kimeneti feszültséget, a cellánkénti feszültségeket, és teszteléshez az áramerősségeket is. Még tovább lépve megjelenik egy Start v Stop felirat. A Start gomb megnyomására a töltés elindul, a Stop gombra visszalép az előző menüpontra. A Start, Stop, Up és Down gombok egyszerre történő lenyomásakor a program tesztelési módba lép át, ahol az 1-es csatorna kitöltési tényezőjét lehet manuálisan állítani, miközben megjelenítem a hozzá tartozó feszültséget és áramerősséget is. A teszt módból kilépni a start és stop gomb egyszerre történő lenyomásával lehetséges, A töltés elindításával a switch utasítás következő állapotába lépek, ahol a mért feszültség és/vagy áramerősség figyelembe vételével szabályozom a kitöltési tényezőt. Ennek folyamatábrája a ( 43. ábra Program folyamatábra ) ábrán látható Első lépésként megvizsgálom, hogy a cellaszámnak megfelelően az akkumulátor feszültsége a minimum (2,5 V) és a beállított cellafeszültség+tűrés (0,02 V) között van-e. Amennyiben ez a feltétel nem teljesül, hibaüzenettel továbblépek a switch utasítás következő állapotára. Ellenkező esetben megkezdődik a program legfőbb része, a kitöltési tényezők állítása. A töltési görbe megvalósításához először az áramerősség alapján szabályozok, egészen addig, amíg az adott cella feszültsége el nem éri a beállított cellafeszültség-tűrés értékét, ha kisebb az aktuális áramerősség, mint a beállított, akkor növelem a kitöltési tényezőt, ellenkező esetben csökkentem, ha egyenlő, akkor változatlan marad. A cellafeszültség-tűrés elérésekor átváltok konstans feszültség szabályzásra, ha a cella feszültsége kisebb, mint a beállított cellafeszültség, és az áramerősség nem nagyobb, mint a beállított áramerősség, akkor növelem a kitöltési tényezőt, ha a cella feszültsége kisebb, akkor pedig csökkentem. Amikor a töltőáram 1 A alá csökken, az adott cella töltését befejezem, majd amikor az összes cella feltöltött, a töltésnek vége, és Töltés vége üzenettel továbblépek a következő állapotra Töltés közben az Up és Down gombokkal lehet váltani a kiírt adatok között. A gyors futási idő megtartása érdekében csak az első 16 karakter használom, így a scroll gombok érvényüket vesztik.

48 A visszatöltött kapacitás meghatározásához másodpercenként hozzáadom a kapacitásszámlálóhoz az aktuális áramerősség 3600-ad részét, majd az adatok között cellánként kiírom. A beállított kapacitáskorlát vagy időkorlát elérésekor, a stop gomb megnyomásakor, továbbá ha a bemeneti feszültség 11-15V-os tartományon kívül esik, a töltést leállítom, és hibaüzenettel a switch utasítás következő állapotára lépek. A következő (3.) állapotban a töltés leáll, a kitöltési tényezőket nullázom, és a hiba függvényében kiírom a töltés leállásának okát. A start gomb megnyomására a következő állapotba lépek a programban. A 4. állapotban töltés végi áttekintésként kiírom a töltés alatt eltelt időt, a beállított adatokat, a visszatöltött kapacitást, és az aktuális feszültségeket, továbbá az árammérő teszteléséhez az aktuális áramerősségeket, és ellenőrzésként a kitöltési tényezőt is, aminek 0-nak kell lennie. A start és stop gomb egyszerre történő lenyomásakor nullázom a változókat, és visszalépek a switch utasítás első állapotába. A switch utasítás után állítom be az egyes PWM-ek kitöltési tényezőjét, melyek maximális értéke 49 %. A kijelző vezérléséhez a kiírandó karaktereknek/utasításoknak megfelelően állítom a kimeneteket. Az egyes karaktereknek megfelelő bináris számot egy switch utasítással választom ki, majd a kijelző bemenetével összekötött kimenetet a bináris szám alapján a megfelelő szintekre állítom. Az utasításokat külön függvénnyel hívom meg.

49 42. ábra Menürendszer