Uniwersalna ładowarka akumulatorów LiFePo4

Uniwersalna ładowarka akumulatorów LiFePo4
Pobierz PDF Download icon
Przedstawiony w artykule układ ładowarki przystosowany jest do ładowania szeregowej baterii LiFePO4 1...4S prądem do 1,5 A.

Schemat ideowy ładowarki pokazany na rysunku 1. Układ U1 BQ24620RVA, jest sterownikiem obniżającej przetwornicy impulsowej, przystosowanej do ładowania akumulatorów LiFePO4. Zasilanie ładowarki doprowadzone jest do złącza DC i powinno zawierać się w zakresie 17-22 V, przy obciążalności 1,5 A (dla pakietu 4S), wymagania doskonale spełniają zasilacz impulsowy z laptopa lub prosty prostownik mostkowy z filtrem, zasilany z typowego napięcia przemiennego 16-18VAC, jakie stosowane jest w ładowarkach i zasilaczach systemów alarmowych. Dioda D1 zapobiega odwrotnemu doprowadzeniu zasilania oraz chroni przed rozładowaniem akumulatora przy zaniku zasilania sieciowego. Elementy R1A/B, C1, DZ, R2, C4 stanowią filtr przepięciowy, zabezpieczający U1 przed przekroczeniem dopuszczalnego napięcia zasilania, podczas podłączania zasilania i mogacych wystąpić na długich doprowadzeniach oscylacji i przepięć. C2, C3 fliltrują napięcie wejściowe, C10, C11 napięcie wyjściowe ładowarki.

Tranzystory Q1, Q2 są elementami kluczującymi przetwornicy, C6, C7, D2 wchodzą w skład obwodu polaryzacji tranzystorów kluczujących. Napięcie końcowe ładowania ustalane jest dzielnikiem R12/R12A/R13, dokładną wartość określa wzór Vacc = 1,8 × (1+ (R12||R12A)/R11) [V]. W modelu Vacc ustalono na 14,35 V (LiFePo4 4S), nieco poniżej standardowego 3,6 V dla jednego akumulatora. Napięcie może zostać skorygowane poprzez zmianę rezystorów R12||R12A dla dostosowania napięcia ładowarki do ilości szeregowo połączonych cel. Należy zwrócić uwage na poprawny dobór napięcia łądowania, gdyż jest to czynnik krytyczny, nie tylko dla trwałość ale i bezpieczeństwa eksploatacji, typowo akumulatory LiFePO4 maja ustalone napięcie ładowania na 3,6 V dla jednej celi. Jako R12/R12A/R11 (W modelu R12=692 kV, R12=NC, R11=100 kV). Należy zastosować rezystory o tolerancji 1%.

Wbudowane zabezpieczenie wyłącza sterowanie tranzystorów, gdy napięcie wyjściowe przekroczy 108% ustalonego napięcia Vacc. W przypadku przekroczenia napięcia zasilania 32 V, aktywowany zostaje układ zabezpieczający OVP wyłaczający układ U1, w modelu nie dopuszcza do takiego wzrostu transil DZ. U1 posiada także zabezpieczenie podnapięciowe VLO działające przy napięciu zasilania <3,85 V. Bocznik R10 jest elementem obwodu pomiaru i stabilizacji prądu łądowania, C8, C9 filtrują pomiar. Sugerowana wartość bocznika to 0,01 V/1 W, jako kompromis pomiędzy stratami mocy, a dokładnością układu pomiaru. Za ustalenie dokładnej maksymalnej wartości prądu ładowania odpowiada dzielnik R6/R7 dołączony do wyprowadzeńia ISET, zgodnie ze wzorem Iacc = Viset / (20 × R10) [A]. Gdzie: Viset, napięcie na wyprowadzeniu ISET pochodzace z dzielnika R6/R7, dzielnik zasilany jest z wyprowadzenia VREF, typowa wartość napięcia VREF to 3,3 V. Napięcie Viset = Vref × R7 / (R6 +R7) [A]. W modelu, odpowiednio: R6=100 kV, R7=10 kV, Viset=0,3 V, Iacc=1,5 A.

Wbudowane zabezpieczenie wyłączy tranzystory kluczujące, gdy prąd przekroczy 160% prądu Iacc, np. w przypadku uszkodzenia akumulatora lub zwarcia wyjścia.

Proces ładowania przebiega w trzech fazach:

1. Detekcja akumulatora, U1 testuje obecność akumulatora obciążając go i mierząc napięcie, w zależności od wyniku pomiaru, ładowanie zostaje wyłączone lub ładowarka przechodzi do drugiego kroku.
2. Ładowanie prądem wstępnym Iacc/10, jeżeli napięcie Uvfb jest mniejsze od 0,35 V, proces trwa 30 minut, jeżeli po tym czasie napięcie nie wzrośnie, akumulator uznawany jest za uszkodzony i proces jest zakończony, jeżeli napięcie wzrośnie >0,35 V, U1 przechodzi do trzeciego kroku.
3. Ładowanie szybkie CC/CV, prądem znamionowym Iacc odbywa się, gdy zakończy się krok wcześniejszy lub napięcie Uvfb jest większe od 0,35 V po detekcji akumulatora.

Wbudowany timer (5 godzin) zabezpiecza akumulator, jeżeli w tym czasie nie osiągnie on napięcia końcowego, ładowanie jest przerywane i sygnalizowana jest awaria. Wbudowane timery mają czasy określone fabrycznie, należy zwrócić uwagę na poprawny dobór prądu ładowania, aby nie dopuścić do sytuacji, gdy sprawny akumulator ładowany zbyt małym prądem uznawany jest za uszkodzony z powodu przekroczenia czasu ładowania.

Proces ładowania zależny jest od temperatury, pomiar dokonywany jest termistorem NTC o charakterystyce 103AT-2 podłączonym do złącza TH. Termistor powinien być umieszczony bezpośrednio pomiędzy ogniwami akumulatora. Progi temperaturowe określa dzielnik R8/R8A, R9 dołączony do wyprowadzenia TS. Jeżeli temperatura mieści się w ustalonym przedziale, utrzymywane są parametry znamionowe procesu ładowania, jeżeli temperatura przekroczy progi (73,5% Vref dla „niskiej” i 37% Vref dla „wysokiej” temperatury), ładowarka wyłącza się i czeka do powrotu temperatury do zadanego zakresu. Progi mają histerezę zapobiegającą przypadkowemu przełączeniu. BQ24620 posiada wbudowany czujnik temperatury struktury, wyłączającej układ przy przekroczeniu 145°C. Wejście CE aktywuje ładowanie, w modelu aktywne jest stale. Diody PG i STAT sygnalizują status ładowarki. PG sygnalizuje poprawność napięcia zasilania (DC>LVO), dioda STAT aktywny proces ładowania, miganie STAT sygnalizuje zadziałanie zabezpieczeń ładowarki, zgaszenie przy święcącej PG sygnalizuje zakończenie ładowania.

Dla osób, które chcą dostosować parametry ładowarki do własnego układu, np.: poprzez zmianę napięcia, prądu lub progów temperaturowych, Texas Instruments dostarcza darmowy arkusz kalkulacyjny bqstroller calculation tools_V1.5.xls ułatwiający szybie wyliczenie wymaganych wartości elementów. Arkusz zostanie dołączony do materiałów źródłowych.

Układ zmontowany jest na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej – rozmieszczenie elementów przedstawia rysunek 2. Montaż układu nie wymaga opisu. Należy zwrócić uwagę na poprawne przylutowanie padów termicznych U1, Q1,2.

Adam Tatuś, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
styczeń 2017
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów