Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
BotlandBotland
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Ograniczenie prądu mosfetem - ładowanie/rozładowywanie ogniw

23 Mar 2019 20:45 399 13
  • Poziom 3  
    Witam.

    Przeszukałem forum pod tym kątem, ale nie znalazłem wątku, który jednoznacznie by rozwiał moje wątpliwości.

    Czy mogę użyć tranzystora n-MOSFET przełączającego się z dużą częstotliwością, aby ograniczyć prąd ładowania/rozładowywania ogniwa Li-Ion nawet bez żadnego obciążenia rezystancyjnego?

    Dla przykładu niech prąd zwarcia baterii 18650 wynosi 100A.
    Jeżeli mój tranzystor będzie sterowany w taki sposób, aby przewodzić taki prąd przez 5% czasu, a 95% nie przewodzić, to czy przy częstotliwości rzędu kilku kHz lub więcej praktycznie prąd płynący z baterii wyniesie 5A? Czy prąd zwarcia płynący przez te mikrosekundy uszkodzi ogniwo czy można w tym wypadku spokojnie traktować prąd 5A jako ten płynący z baterii?

    Czy można stosować takie ograniczenie prądowe jako część "Constant Current" w cyklu ładowania ogniw Li-Ion CC/CV?

    Pozdrawiam.
  • BotlandBotland
  • Pomocny post
    Poziom 1  
  • Poziom 3  
    Kraniec_Internetów napisał:
    Prawie kolego Ci się udało. Jeżeli za ogniwem będzie tranzystor, to szeregowo między tranzystorem a odbiornikiem musi znaleźć się cewka o odpowiedniej indukcyjności i na odpowiedni prąd. Wtedy potrzebujesz jeszcze szybkiej diody włączonej jedną nóżką między tranzystor a cewkę, a drugą do drugiego bieguna baterii. Jest to tzw. buck converter. Tutaj prosta strona która Ci to policzy:
    http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps_e/abw_smps_e.html
    Oczywiście tranzystor sterujesz układem mierzącym parametry wyjściowe (prąd lub napięcie lub oba).


    Dziękuję bardzo! Tak właśnie myślałem, że brakuje jakichś elementów stabilizujących. Jak dobrać odpowiednie wartości kondensatorów wejściowego i wyjściowego? Dziękuję za pomoc.
  • Pomocny post
    Poziom 1  
  • BotlandBotland
  • Poziom 3  
    A w przypadku gdy taki układ jest na przykład ograniczneniem prądowym w zasilaczu, i miałbym zasilać nim jakiś układ elektroniczny? W takim wypadku jak największa wartość pojemności, aby tętnienie prądu było jak najmniejsze, dobrze myślę?
  • Poziom 1  
  • Poziom 43  
    GrzesiekB. napisał:
    Czy mogę użyć tranzystora n-MOSFET przełączającego się z dużą częstotliwością, aby ograniczyć prąd ładowania/rozładowywania ogniwa Li-Ion nawet bez żadnego obciążenia rezystancyjnego?
    Zakładając małą Rds(on)
    główną rezystancją w obwodzie była by rezystancja wewnętrzna baterii i w niej musiał by się wydzielić nadmiar mocy, przyrost temperatury ogniw wpłynie negatywnie na trwałość.

    Obserwując działanie cewki w bardzo krótkim odcinku czasu zachowuje się ona jak źródło prądowe, a kondensator jak napięciowe, więc cewka przy ograniczaniu prądu jest niezbędna, kiedy na cewkę podamy napięcie prąd narasta liniowo z szybkością proporcjonalną do napięcia i odwrotnie proporcjonalną do indukcyjności, z tego wynikają dwa podstawowe sposoby stabilizacji prądu, histerezowy - załączamy napięcie i "czekamy" aż prąd przekroczy wartość progową, wtedy wyłączamy klucz napięcie na cewce zostaje odwrócone i prąd liniowo opada (płynąc przed diodę, inną drogą - bo przecież nie można go nagle przerwać - to nie możliwe) , kiedy spadnie o zadaną wartość ponownie załączamy klucz, metoda jest prosta i bardzo szybko reaguje na zmiany w obwodzie, ale częstotliwość zależy od nastawy prądu, no i tętnienia prądu/ napięcia są niezbędne aby układ działał.
    Drugi sposób to regulator który mierzy wartość średnią prądu i odpowiednio dobiera wypełnienie czyli PWM.

    Jeśli budujemy układ o charakterze źródła prądowego (do LED) kondensator wyjściowy może nie być potrzebny, jednak w zasilaczu chcielibyśmy żeby "na codzień" jak najlepiej oddawał właściwości źródła napięciowego i tylko w sytuacjach awaryjnych działał jako źródło prądowe.

    Im większa pojemność na wyjściu tym zasilacz lepiej spisuje sie jako źródło napięciowe a gorzej jako prądowe, a dokładniej trzyma stabilne napiecie przy impulsowych poborach prądu, a kiedy zdarzy sie zwarcie taki zasilacz potrzfi dokonać dużych zniszczeń w zasilanym urządzniu samą energią z kondensatora wyjściowego. Posiadam jeden fabryczny zasilacz który ma możliwość załączania/wyłączania dodatkowego wewnętrznego dużego kondensatora wyjściowego - żeby klient móg wybrać na czym mu bardziej zależy.

    Kraniec_Internetów napisał:
    Nie. Prąd regulujesz indukcyjnością cewki oraz częstotliwością przełączania klucza. Im większe to lub to tym stabilniejszy prąd.
    Trochę nieprecyzyjnie piszesz, od indukcyjności i częstotliwości zależy amplituda składowej zmiennej prądu cewki, składowa stała czyli prąd wyjściowy jest regulowana przez regulator.

    Im większa indukcyjność tym mniejsze tętnienia prądu a więc mniejsze wymagania na kondensatory, ale większe gabaryty i cena cewki, potrzebny jest jakiś kompromis, wielu notach aplikacyjnych zaleca sie pracować z amplitudą prądu ok 1/3 składowej stałej, czyli tak żeby w zasilaczu 1A prąd cewki zmieniał się od 0,84A do 1,16A.
  • Specjalista elektronik
    Przy prostym podłączeniu odbiornika do źródła zasilania napięcie na odbiorniku jest mniejsze od SEM (siły elektromotorycznej) źródła o spadek napięcia na oporności połączeń i źródła, i jeśli ten spadek napięcia ma być spory (np. przy zwarciu, albo przy zasilaniu czegoś, co już przy niskim napięciu pobierze bardzo duży prąd), to łatwo o uszkodzenie źródła zasilania (albo przewodów, bądź odbiornika) ciepłem, które się w nim wydzieli przy przepływie dużego prądu. Rzecz w tym, że różnica SEM i napięcia na odbiorniku pomnożona przez prąd przekłada się na moc, która musi zamienić się w ciepło - można wstawić po drodze opornik, czy tranzystor ograniczający prąd, ale ta moc gdzieś musi produkować ciepło i to będzie wtedy w tym oporniku, czy tranzystorze.

    Przetwornica "buck" robi to lepiej: zamiast zamieniać moc w ciepło, wykorzystuje ją do wytwarzania dodatkowego prądu, dzięki czemu odbiornik dostaje większy prąd, niż jest pobierany ze źródła - jakkolwiek moc otrzymywana przez odbiornik nadal jest mniejsza od mocy pobieranej ze źródła. Przykładowo może być tak: odbiornik potrzebuje 2A przy 2V, źródło daje 5V, można wstawić opornik 1R5, wtedy odbiornik dostaje 4W (2V*2A), ze źródła pobiera się 10W (5V*2A), w oporniku wydziela się 6W; a z przetwornicą ze źródła pobiera się prąd 1A, czyli 5W, odbiornik nadal dostaje te 4W, w przetwornicy traci się 1W (to oznacza sprawność 80% - są przetwornice o wyższej sprawności, nawet powyżej 95%, ale to już raczej nie przy takim niskim napięciu), i dużo mniej jest zbędnego ciepła.

    Idea konstrukcji przetwornicy jest taka, że prąd do odbiornika płynie przez cewkę, która na zmianę jest podłączana do źródła przez tranzystor i odłączana od niego - w czasie, gdy jest odłączona, prąd do cewki płynie z masy poprzez diodę. Te przykładowe parametry odpowiadają włączeniu tranzystora przez 50% czasu. Prąd cewki nie jest stały - on narasta w czasie połączenia ze źródłem, i maleje w czasie, gdy tego połączenia nie ma. Cewka służy jako magazyn energii: w czasie połączenia energii w cewce przybywa, po przerwaniu połączenia zmagazynowana w niej energia powoduje przepływ prądu przez diodę.

    To oczywiście jest sama idea. W praktyce np. byłoby niekorzystne dla źródła, gdyby pobierać z niego na zmianę 2A i 0A - więc po jego stronie potrzebny jest kondensator, i teraz źródło daje 1A, a z/do kondensatora płynie też 1A, dając te 2A i 0A. Na wyjściu prąd cewki nie jest dokładnie stały, tylko np. waha się między 1.5A i 2.5A, więc i tam jest potrzebny kondensator. Do tego nie nadają się typowe kondensatory - nie wytrzymałyby one takich warunków pracy - stosuje się kondensatory elektrolityczne Low-ESR (o zmniejszonej oporności) i dodatkowo np. ceramiczne Low-ESR/Low-ESL (o zmniejszonej indukcyjności).

    Poza tym, temu tranzystorowi trzeba podawać sygnał sterujący, który będzie go włączać i wyłączać w odpowiednim czasie - do tego jest układ, który dobiera te czasy np. tak, by utrzymać średnio stałe napięcie na wyjściu przetwornicy (a czasem, żeby utrzymać stały prąd, albo żeby do pewnej wartości prądu utrzymywać stałe napięcie, a po jego przekroczeniu ograniczać prąd, i to tym bardziej, im niższe jest napięcie na wyjściu - to powoduje, że prąd zwarcia jest mniejszy, niż przy normalnym obciążeniu).
  • Poziom 3  
    jarek_lnx napisał:
    Zakładając małą Rds(on)
    główną rezystancją w obwodzie była by rezystancja wewnętrzna baterii i w niej musiał by się wydzielić nadmiar mocy, przyrost temperatury ogniw wpłynie negatywnie na trwałość.


    Nawet przy ograniczeniu prądu za pomocą odpowiedniego sterowania do wartości jak w nocie katalogowej ogniwa?
  • Poziom 1  
  • Poziom 43  
    Co jakiś czas pojawiają sie takie tematy na forum, gdzie autor naiwnie sądzi że PWM w jakiś magiczny sposób zmieni właściwości układu. Przeanalizuj co sie dziaje podczas zwarcia i podczas rozwarcia, żadnej magii tu nie ma.
    Jeśli obciążamy ogniwo, a w obwodzie nie ma opornika, to gdzie wydzieli się moc? odpowiedź jest taka sama niezależnie czy zwarcie będzie na przemian przerywane czy też nie.

    Napisałem o grzaniu ogniwa bo to oczywiste, o innych efektach nie wiem to nie piszę, co nie znaczy że ich nie ma, na forum może ktoś wie a może nikt nie wie, poszukaj w sieci może znajdziesz jakieś artykuły naukowe (po angielsku) jeśli ktoś to zbadał i opisał to może się czegoś dowiesz, jeśli tylko da sie znaleźć na jakimś darmowym źródle, wielcy wydawcy czasopism naukowych raczej nie pozwolą ci przeczytać nic poza abstraktem, nawet jednej kartki, za mniej za $30, uczelnie często mają wykupiony dostęp do baz artykułów - ta wiedza może się przydać
  • Specjalista elektronik
    Możesz zrobić układ ograniczania prądu przez odpowiednie sterowanie liniowe tranzystora - wtedy to w nim wydzieli się ciepło. Jest oczywiście kwestia, jaki ma być prąd, jakie napięcie, i ile ciepła jest do zaakceptowania - czyli odprowadzenia poza układ. Przetwornica pozwala zmniejszyć wydzielanie się ciepła i uzyskać więcej energii w odbiorniku.
  • Poziom 3  
    Będę potrzebował ładowarki do pakietu Li-Ion 13s15p, 54.6V 20A. Dlatego postanowiłem, że zgłębię temat i zbuduję sobie ładowarkę 4.2V 2A, żeby zrozumieć dokładnie jak działa ograniczanie prądu podczas ładowania ogniw. Planuję użyć do sterowania arduino.

    Pytam o "zwieranie" ogniwa, ponieważ profesjonalne ładowarki mają często funkcje pomiaru pojemności ogniwa. Zrobiłem sobie taki układ korzystając z arduino i rezystorka 10W 10Ohm, ale wolałbym sterować dowolnie prądem rozładowania baterii, jeżeli jest taka możliwość. Po kilku godzinach pomiaru otrzymałem wynik zgodny z oczekiwaniami (w granicach 5% pojemności podanej przez producenta).

    Hmm, czyli jak rozumiem do ładowania baterii zwykły buck konwerter odpowiednio wysterowany aby utrzymywał stałą wartość prądu nada się do ładowania ogniwa jako stopień CC (nie znalazłem żadnej rezystancji w układach ładowarek na jakie zerknąłem), ale do rozładowania będę potrzebował odpowiedniej rezystancji roboczej lub innego elementu, ba którym będę mógł wydzielić energię z baterii.

    Dodano po 11 [godziny] 4 [minuty]:

    Zasymulowałem taki układ w falstadzie, i większość mocy wydziela się na cewce, część na diodzie.

    Jeżeli np. bateria podpięta jest do silnika który przecież jest również indukcyjnością i nie ma rezystancji jako takiej, to przecież przy nie przekraczaniu maksymalnego prądu baterii nie będzie się ona grzać bardziej, niż gdybym połączył zamiast cewki rezystację zakładając ten sam pobierany prąd. Czy czegoś nie rozumiem?
  • Poziom 43  
    GrzesiekB. napisał:
    Zasymulowałem taki układ w falstadzie, i większość mocy wydziela się na cewce, część na diodzie.
    Symulatory dają sensowne wyniki tylko w rękach ludzi którzy znają elektronikę analogową tak dobrze, że poradzili by sobie bez symulatorów.