Устройство импульсного заряда/разряда АКБ на МК PIC (Эх, заряжу - 01)

Редакция 1.06. (после обсуждения и дополнительных размышлений в схему и программу внесены изменения, в тексте они выделены подчеркиванием

Каждый тип аккумуляторов (далее просто АКБ) требует своего алгоритма и параметров заряда и разряда. В Интернете десятки схем ЗУ, которые, как правило, не отвечают достаточно строгим требованиям к процедуре заряда. И это при том, что такие требования многократно описаны.

Цели разработки устройства:

• Максимально простая аппаратная часть (HW)
• Максимум функций возлагается на программную часть (SW).
• Универсальность, гибкость, минимум деталей, благодаря применению контроллера
• Параметры заряда и разряда должны соответствовать требованиям производителей и ГОСТу
• Реализация импульсного метода заряда и разряда 
• Реализация функции десульфатации
• Реализация функции восстановления

Многие авторы утверждают, что заряд и/или разряд импульсами тока благотворно сказывается на состоянии сульфатированных аккумуляторов (а это практически все АКБ с возрастом более 1 года). 
Например, исследования немецкого института промэлектроники (см. 7).
Многие промышленные ЗУ имеют режим десульфатации (см. 4).
Важность своевременного заряда АКБ показывает график:

Основные технические характеристики

• БП:  Uвых=18-20 В, Iвых до 10 А
• Емкость АКБ:  30,40,50,60,70,80,90,100 А*ч (при измерительном резисторе 0,2 Ом х 10 Вт)
• Режимы работы:  Заряд, разряд, десульфатация, восстановление, калибровка
• Напряжение заряда:  определяется типом АКБ, температурой, фазой заряда
• Ток заряда:  определяется емкостью АКБ, фазой заряда
• Ток разряда:  согласно ГОСТ_959-2002
• Защита от переполюсовки АКБ
• Защита от КЗ, программная и аппаратная
• Реле защиты включается при Uакб >= 2в (т.е. возможна работа с аккумуляторами от 2 в и выше).
• Опознавание отсоединения (потери контакта) АКБ
• Предупреждение срабатывания реле защиты при десульфатации "убитых" аккумуляторов, 
• когда импульс разряда снижает напряжение АКБ до 2В (ограничение тока разряда при падении напряжения АКБ до 3 В)
• Учет температуры АКБ при выборе контрольных напряжений заряда (Umax и Ustandby) (продувка вентилятором для выравнивания температур внутри и снаружи корпуса перед расчетом коэффициентов термокомпенсации).
• Работа при температуре от -20 до +60 (для расширения диапазона просто добавить значения в таблицу термокомпенсации).
• Плавный старт заряда/разряда

Принципиальная схема

Описание работы принципиальной схемы

Блок питания в принципе любой, в т.ч. импульсный, выдающий напряжение >16 В. У меня на трансформаторе от ИБП Иппон, первичная обмотка включена так, чтобы на вторичной стороне выдавалось не 12, а 16 В. (некоторые товарищи утверждают и доказывают на практике, что чем больше импульс тока, тем лучше идет десульфатация: см.  "Десульфатация автомобильного аккумулятора, http://shyza.ru/forum/viewtopic.php?f=15&t=50".

Поэтому БП может выдавать и еще большее напряжение (ограничение только по макс. пиковому току выпрямительных диодов и транзистора заряда).
Токоизмерительный резистор R_izm (0,1+0,1 Ом 10 Вт) используется при заряде и разряде.
*Если БП будет выдавать больше 20 В, то надо пересчитать входные делители для АЦП и соответствующие коэф-ты в программе.

Простота аппаратной части обеспечена благодаря применению метода импульсного (ШИМ-) заряда и разряда - ключ напрямую коммутирует БП на АКБ без применения каких-либо емкостей или индуктивностей. В результате на АКБ поступает короткий, но мощный импульс тока (до 20-30 А). Затем импульсы тока приобретают синусоидальную форму с частотой 100 Гц.

HW состоит из БП, двух ключей, измерительного и нагрузочного резисторов, контроллера, индикатора и 4 кнопок.
Остальное (вентилятор, зуммер, 2 светодиода) в принципе необязательны.
После включения выполняется инициализация начальных параметров.
После подключения АКБ необходимо кнопками Up/Dn выбрать емкость АКБ.
Если в течение 2 мин не будет нажата ни одна кнопка, то включается авто-режим и выполняется режим по умолчанию = Заряд последней использованной АКБ..
Далее выбирается режим работы (заряд, десульфатация, разряд, восстановление, калибровка).
Далее МК проверяет, подключена ли АКБ - если U<2v, то выдается звуковой сигнал и требование: "Connect Battery!"

После этого выполняется продувка корпуса вентилятором, пока не стабилизируется температура.
Это необходимо для измерения температуры внешнего воздуха, примерно равной температуре АКБ.
Затем рассчитывается индекс температурной поправки для режима заряда (U_max и U_stand-by).
Из EEPROM считываются нужные параметры и начинается работа.
МК рассчитывает среднее напряжение и средний ток и корректирует скважность импульса согласно текущей фазе заряда или разряда.
Зарядный ключ выполнен на T3 (BC338) и T1 (IRF9540N). Разрядный ключ на T2 (IRLZ34N).
T1 и T2 установлены на небольшие радиаторы (прим. 70*40*10) и практически не греются (сейчас при Токр <15).
На радиатор Т1 приклеен датчик температуры DS18B20 (для измерения внешней температуры и температуры транзистора).
Резисторы R_A0.1, R_A0.2 и R_A1.1, R_A1.2 - делители напряжения для АЦП (резисторы надо подобрать, чтобы обеспечить соотношение 3:1).
Резистор R_razr это 3 параллельных 10 Ом х 25Вт   (раньше ставил 3 автолампочки по 21 Вт, но 2 из них быстро сгорели - не выдержали ШИМ-режима).

Описание ПО

  - Основной цикл (как заряда, так и разряда) 1 секунда (утверждается, что такая частота лучше, чем 50 Гц и выше, так как после воздействия очередного импульса есть время на химические реакции)
  - В каждом цикле на определенное время открывается один из ключей (заряда или разряда)
  - В каждом цикле делается 1000 измерений напряжения на АКБ (после R_izm), напряжения перед R_izm и делается расчет нужных сумм и разниц. 
  - Измерения выполняются по прерыванию таймера (Т=1 мс), что очень важно для получения правильных результатов расчета средних и других значений.
  - Измерения выполняются с задержкой ~50 мкс после включения ключа.
  - По окончанию основного цикла накопленные суммы сбрасываются в промежуточные переменные, 
  - Цикл начинается сначала и в это время в фоновом режиме выполняются все нужные расчеты, контроль и вывод информации.
  - Один раз в 3 минуты контролируется температура на радиаторе транзистора: при Т>50 вентилятор охлаждения включается, при Т<40 выключается.
  - В каждом цикле проверяется, не "оторвалась" ли АКБ.
  - В режиме разряда вентилятор постоянно включен для охлаждения нагрузочных резисторов 
  - Программа написана на С (CCS C), ИСХОДНЫЙ ТЕКСТ ОТКРЫТ.
  - Использованы библиотеки Flexlcd и ds1820, причем последняя изменена:сделан режим 9-битного преобразования (точность 0,5 гр., время измерения 94 мс), чтобы устранить задержку до 750 мс на процесс измерения при 12-битном разрешении.
  - Чтобы не использовать громоздкие п/программы форматированного вывода (printf) были написаны небольшие свои п/программы.

РЕЖИМЫ:

РЕЖИМ ЗАРЯДА 4-х этапный:
   Этап 1 - Soft Start: Пока напряжение АКБ < 12В заряд током 0,05С
   Этап 2 - Bulk: Пока напряжение АКБ < Umax(t) заряд током 0,1С (т.е. максимально допустимым током с учетом температуры АКБ)
   Этап 3 - Absorption: Пока ток > 0,01С поддержание напряжения АКБ= Umax(t) (режим "насыщения" с учетом температуры АКБ)
   Этап 4 - Float: Поддержание напряжения АКБ=Ustandby(t) (режим "подпитки" с учетом температуры АКБ)
   *все конкретные значения приведены в программе и могут меняться.
   Рассчитываются и выводятся:
   - значение Ампер*часов, полученных АКБ
   - отношение Umax/Usr как показатель сульфатации АКБ
   - Usr, Isr

РЕЖИМ РАЗРЯДА:
   - Разряд выполняется согласно ГОСТ_959-2002, т.е. разряд средним током 0,05С до напряжения 10,5 +- 0,05 В при 25 гр.
   Рассчитываются и выводятся:
   - значение Ампер*часов, "изъятых" из АКБ
   - время разряда ЧЧ:ММ
   - Usr, Isr

РЕЖИМ ДЕСУЛЬФАТАЦИИ:
   - Является комбинацией заряда и разряда, т.е.
   - Цикл заряда ==> Этап 3 режима заряда
   - Цикл разряда ==> разряд током 0,05С
   - повторить, если время десульфатации < 2 часов
   Рассчитываются и выводятся:
   - Usr, Isr для фазы заряда
   - время десульфатации ЧЧ:ММ (время задано в программе, сейчас 2 часа)
   - Usr, Isr для фазы разряда

РЕЖИМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ:
   - Автоматический режим (бесконечный) для восстановления сульфатированных аккумуляторов
   - Заряд==>Десульфатация==>Разряд==>Заряд.... (можно легко изменить этот порядок в программе)

РЕЖИМ КАЛИБРОВКИ:
  - Вместо АКБ необходимо подсоединить резистор 5-10 Ом
  - Программа выдает напряжение, измеренное на "левом" (по схеме) конце R_izm. 
  - Кнопками Up/Down надо приблизить это значение к показанию мультиметра. 
  - Далее аналогично для "правого" конца R_izm (на АКБ). 
  - И затем подстраивается ток заряда (последовательно с АКБ надо включить амперметр).    Значения сохраняются в EEPROM после нажатия ENTER.

  Калибровка позволяет применять R_izm = 0-255 Ом. Для калибровки лучше использовать БП (например от ПК) на 12в, так как сетевое напряжение постоянно меняется.
  12В надо подключить на выход диодного моста. Для измерения тока надо перемкнуть контакты реле: соединить +Bat и правый вывод R_izm.

ИНТЕРФЕЙС:
   - КНОПКИ: ENTER (SET), UP, DOWN, RESET -назначение понятно из названия
   - LCD-ИНДИКАТОР 16х2
   - Зуммер активный (с внутренним генератором)
   - 2 светодиода "Заряд" и "Разряд" -горят при открытых транзисторах заряда или разряда.

Настройка устройства

ПОРЯДОК НАСТРОЙКИ:
   - все спаяли, МК не ставим, АКБ не подключаем,

Если дым не пошел:
   - проверяем наличие 19в на C1, R5, LM7805
   - проверяем наличие 19/4в на контактах Панелька.2 и П.3
   - проверяем наличие 5в на П.20
   - подаем 5в с П.20 на П.25 - должен гореть  LED ZAR
   - подаем 5в с П.20 на П.26 - должен гореть  LED RZR
   - подаем 5в с П.20 на П.7 - должен пищать зуммер
   - подаем 5в с П.20 на П.10 - должен заработать вентилятор
   - подсоединяем АКБ -должно щелкнуть реле, на П.2 и П.3 д.б. напряжение АКБ/4
   - подаем 5в с П.20 на П.4 (включаем силовой транзистор заряда) - на R_izm д.появиться напряжение (или АКБ включить через амперметр)
   - подаем 5в с П.20 на П.5 (включаем силовой транзистор разряда) - на R_izm д.появиться напряжение обратного знака (или АКБ включить через амперметр)
   - если все ОК, выключаем и ставим МК
   - проверяем работу программы во всех режимах.

Испытания
ИСПЫТАНИЯ "НА МАКЕТКЕ"

Общий вид:

Испытание на АКБ 60АЧ:

- форма импульса зарядного тока:

виден короткий импульс ~ 18A длительностью около 5-10мс
далее синусоида, обусловленная разрядом-зарядом сглаживающих конденсаторов (8*2200х25в)
расчетный средний ток 4А
скважность 410/1000=0,4 (т.е. схема может выдавать средний ток около 10А)

Максимальный импульсный ток:

   - при среднем токе ок.5.5 А пиковый ток= 23А длительностью ок. 5мс
   - хорошо видны "синусоиды" разряда-заряда сглаживающих конденсаторов
   - можно увеличить емкость этих конденсаторов, а можно и оставить, 
   так как известны схемы десульфатации положительными полупериодами сетевого напряжения (не 220 конечно).

LCD-индикатор:

- слева-направо: 55-выбранная емкость АКБ
Z3-фаза заряда 3
02.72 - закачанные Ампер*часы
1.10 - соотношение Umax/Usr как индикатор степени сульфатации АКБ (не уверен, что это так...)
Us=14.53 - среднее напряжение на АКБ
Is=4.17  - средний зарядный ток
- При температуре окр. среды ок. 17 градусов (на "балконе") температура радиатора силового транзистора (по датчику) 
не превышает 50 гр. (вентилятор не включается)
- Сильнее всего греется трансформатор (почти до 70 гр., пишут что для Класса В это нормально 
- многие говорят о том, что трансформаторы в ИБП Иппон сильно греются).

Испытания на реальных АКБ:

Прибор испытан на нескольких аккумуляторах 7а*ч, 55 и 60а*ч (в т.ч. 01.02.14 при - 20 градусах…). Полет нормальный...

Общий вид прибора в корпусе:

Требования к конструкции

Первым по ходу всасываемого вентилятором воздуха должны стоять радиаторы силовых ключей и только затем трансформатор, чтобы транс не обманывал датчик температуры на радиаторе.
МК установлен на панельке для удобства обновления прошивки.

В архиве принципиальная схема, схема печатной платы, прошивка (.hex), исходный код программы, схема для Proteus.

Новая версия 1.06 в архиве V1.06.rar.

ИЗМЕНЕНИЯ В ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЕ, РЕДАКЦИЯ 1.06
   Измерительный резистор заменен на 2 по 0,1 10 Вт
   Убраны подтягивающие резисторы с кнопок (используются внутренние)
ИЗМЕНЕНИЯ В ПРОГРАММЕ, редакция 1.06:
  Исправлена пара ошибок, включены подтягивающие резисторы
  Добавлено хранение/считывание информации в/из EEPROM 
  При включении предлагается к работе АКБ с емкостью, запомненной в ПЗУ   
  После пропадания-восстановления сетевого напряжения и отсутствия нажатия кнопок в течение 2 минут будет запущен заряд АКБ с емкостью, запомненной в EEPROM.
  Добавлен режим калибровки напряжений до и после измерительного резистора и калибровки тока заряда.

Были проанализированы следующие варианты улучшения точности измерения тока:

1) Дополнительный измерительный резистор (скажем 2.3 Ом, подключаемый/шунтируемый реле) последовательно с основным R_izm=0.1 Ом.
  Проработано:
   - программное определение присутствия реле
   - работа реле только в нужных режимах
   - переключение реле при определенных токах
   - переключение реле при отсутствии тока через его контакты
   - компенсация резкого изменения тока заряда после коммутации реле 
   - калибровка измерительных резисторов и сопротивления контактов реле
  Вариант ОТВЕРГНУТ:
   - контакты реле не предусмотрены для работы в качестве измерительного резистора   
   - нестабильность сопротивления контактов

2) Усилитель шунта на операционном усилителе (в верхнем плече питания!):
   - профессионалы применяют измерительные ОУ
   - обычный ОУ не подходит
   - ОУ Rail-to-Rail недостаточен
   - нужен ОУ Rail-to-Rail с малым Input Offset Voltage (напряжение смещения)
   - у меня есть т. MCP601 с Uofs до 2 мВ, что очень много.
   (погрешность измерения= погр. резисторов+ Uofs/Uizm_rez)

  Вариант ОТВЕРГНУТ:
   - чтобы овчинка стоила выделки нужен прецизионный ОУ
   - измерение тока только в одну сторону, а надо в обе стороны, что вызовет падение точности в 2 раза (диапазон АЦП надо поделить на 2 области- для +токов и -токов)

Поскольку основным (моим) требованием является сохранение простоты аппаратной части, то выбран самый простой вариант: увеличение R_izm в 2 раза до 0,1+0,1 Ом.
Конечно, решение далеко не идеальное, но сохраняет простоту схемы при увеличении точности в 2 раза, а "лампочку" 10-20 Вт на пару часов один раз в месяц мой бюджет выдержит.

ИСТОЧНИКИ:
1) cxem.net, kazus.ru
2) Pulsed-current  charging  of  lead/acid  batteries -  a  possible means  for  overcoming  premature  capacity  loss?
   Journal  of  Power  Sources  53  (1995)  215-228
   ......
   4.  Conclusions 
   •  pulsed-current  charging  techniques  can  exert  highly advantageous effects -  not only  in terms of  accelerating 
   battery  recharge  but  also  with respect  to  extending the cycle-life  performance  of  low-maintenance  batteries; 
   ....
   •  cycle  life  can  be  increased  by  a  factor  of  three  to four; 
3) Sealed Lead Acid Battery Charging Basics, www.powerstream.com
   -таблицы температурных коэффициентов
4) Описание промышленного ЗУ CTEK SWEDEN, www.ctek.com
5) CAR AND DEEP CYCLE BATTERY FAQ 2013, http://www.jgdarden.com/batteryfaq/index.htm
6) A charger for deep-cycle 12v batteries, EverydayPracticalElectronics,January2007
7) BATTERY PULSING DEVICES, http://www.caravanandmotorhomebooks.com/articles/battery-pulsing-devices.html#top
7) своя башка :-)
8) .....и мн. др.

Тема на форуме с обсуждением данной конструкции

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• DipTrace
• Proteus
• Зарядное устройство
• Микроконтроллер
• PIC
• Sprint-Layout