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

Uniwersalny kontroler ładowarki akumulatorów

ghost666 10 Cze 2019 13:49 1311 1
  • Pierwszym krokiem w projektowaniu ładowarki do akumulatora jest wybór scalonego kontrolera. Na rynku dostępnych jest wiele rozwiązań tego typu. Aby wybrać odpowiedni układ, zespół projektantów musi najpierw ustalić parametry ogniwa (rodzaj, ilość ogniw, napięcie etc.) oraz źródła zasilania (panel fotowoltaiczny, gniazdo USB itp.). Następnie trzeba dobrać taki kontroler, który spełnia obie grupy wymagań.

    Podczas selekcji inżynierowie przeglądają setki kart katalogowych kontrolerów ładowania, by wybrać taki element, który najlepiej spełnia zdefiniowane wymagania. Wtedy można zabrać się do projektowania danej aplikacji. Wszystko działa super, aż do momentu, w którym zmieni się wymagania co do kontrolera, a to oznacza powrót do poszukiwania elementu, który je spełnia.

    Gdyby można było jakoś wyeliminować ten pierwszy krok, to projektowanie ładowarek akumulatorów byłoby z pewnością szybsze i prostsze, a w konsekwencji także tańsze. Łatwo jest sobie wyobrazić moduł w postaci zamkniętego pudełka, wokół którego projektuje się uniwersalną ładowarkę, a zawartość pudełka zmienia się w zależności od wymagań konkretnej aplikacji. Tak zaprojektowaną ładowarkę wystarczyłoby uzupełnić odpowiednim ‘pudełkiem’ – układem scalonym – na etapie finalizacji projektu, co dostosowywałoby go do zadanych parametrów pracy. I tak samo przy każdej kolejnej zmianie parametrów układu. Co więcej, wszystko to bez konieczności selekcji układu spośród setek innych, przeglądania dokumentacji etc.

    Zilustrujmy to jednym prostym przykładem – dwoma zespołami inżynierów, którzy mają do czynienia z zupełnie różnymi układami:

    Zespół A otrzymał zadanie zaprojektowania solarnej ładowarki dla akumulatora ołowiowego. Ładowarka taka musi działać samodzielnie, bez konieczności sterowania z poziomu mikrokontrolera, ale dobrze, aby była na tyle uniwersalna, by umożliwić podłączanie kilku rodzaju ogniw fotowoltaicznych. Zespół ma na to tydzień.

    Z kolei zespół B stoi przed bardziej złożonym projektem. W ich systemie pojedyncze ogniwo litowo-jonowe ma być ładowane z zasilacza USB o napięciu 5 V. Ogniwo ładowane ma być prądem 1,3 A do napięcia 4,1 V (napięcie zakończenia ładowania). Jednakże, gdy ogniwo osiągnie 47°C lub więcej, konieczne jest zredukowanie napięcia I prądu ładowania do, odpowiednio 4 V i 0,5 A. W projektowanym systemie znaleźć ma się mikrokontroler, który kontroluje ładowarkę i musi móc odczytywać parametry, takie jak napięcie baterii, pobierany prąd, stan naładowania ogniwa i jego temperaturę. Na ten projekt inżynierowie także mają jeden tydzień.

    Okazuje się, że istnieje układ scalony, który może być kontrolerem ładowarki w obu tych przypadkach. Pozwala to na wyeliminowanie opisanych na początku artykułu problemów, osiągając jednocześnie bardzo dobre parametry pracy ładowarki.

    W poniższym artykule nazywa zajmiemy się opisem unikatowego kontrolera ładowarki LTC 4162 firmy Analog Devices.

    Uniwersalny kontroler ładowarki akumulatorów
    Czy dwie różne ładowarki mogą być skonstruowane w oparciu o ten sam scalony kontroler?


    Dobre rzeczy przychodzą w małych opakowaniach

    Omawiany układ scalony to monolityczna ładowarka typu buck, zintegrowana z elementami mocy o prądzie do 3,2 A. Kontroler ten łączy w sobie prostotę z uniwersalnością. Może on pracować samodzielnie lub pod nadzorem np. mikrokontrolera. Ładowarka oparta o ten układ scalony może pracować z minimum niezbędnych funkcji lub jako bardzo rozbudowany kontroler.

    Kontroler wyposażony jest w interfejs I²C, który zapewnia możliwość sterowania zarówno jego pracą, jak i realizację zaawansowanej telemetrii. Pozwala to na monitorowanie parametrów baterii i zmianę parametrów ładowania ogniwa na bieżąco. Układ ten dostępny jest w wielu wariantach, a każdy z nich charakteryzuje się swoim zestawem programowalnych parametrów.

    Dodatkowo, kontroler posiada wbudowany algorytm śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT), który pozwala na optymalne pobieranie mocy ze źródła o wysokiej impedancji, takiego jak np. ogniwo fotowoltaiczne. Niuanse algorytmu MPPT dobrane są do wymagań konkretnego rodzaju ogniwa (LiFe, LiPol czy ołowiowe), jakie ładowane jest przez kontroler.

    Wszystkie te funkcje zamknięto w miniaturowej obudowie QFN o wymiarach zaledwie 4 mm x 5 mm. Cały moduł, w oparciu o ten kontroler, zmieścić można na obszarze około 10 mm x 20 mm.

    Uniwersalny kontroler ładowarki akumulatorów


    Ogromna moc w niepozornej obudowie

    Niech miniaturowy rozmiar tego układu Was nie zmyli. Wykorzystując tylko zintegrowane klucze MOSFET układ LTC4162 jest w stanie wysterować do 60 W mocy w czasie ładowania. Układ jest w stanie monitorować swoją temperaturę, co pozwala na regulowanie prądu ładowania tak, że nawet w najciaśniejszej obudowie i wysokiej temperatury otoczenia nie grozi mu uszkodzenie na skutek przegrzania.

    Dzięki zastosowaniu tranzystorów produkowanych w technologii PowerPath do sterowania torem mocy, na wyjściu systemu (VOUT) zawsze dostępne jest napięcie do zasilania reszty układu. Pochodzi ono z wejścia zasilania (VIN) lub z baterii, jeżeli VIN jest odłączne. Wykorzystanie zewnętrznych tranzystorów FET z kanałem typu N zapewnia tor o niskich stratach bez ograniczenia poziomu prądu, jaki płynąć może przez system.

    Telemetria i kontrola

    Jakkolwiek LTC4162 może pracować bez kontroli przez zewnętrzny mikrokontroler, w wielu przypadkach chcemy, aby był on kontrolowany i zarządzany poprzez port I²C dostępny w systemie. Dzięki systemom telemetrii, mikrokontroler może odczytywać w czasie rzeczywistym parametry systemu – napięcie i prąd baterii, wyznaczać poziom jej naładowania czy monitorować parametry, takie jak temperatura kontrolera ładowania lub ogniwa w celach bezpieczeństwa.

    Uniwersalny kontroler ładowarki akumulatorów
    Dodatkowo, w omawianym kontrolerze, skonfigurować można rozmaite alarmy etc, które będą aktywowały się na prekonfigurowanych poziomach np. temperatury czy prądu lub też konkretnych momentach cyklu ładowania. Dzięki temu mikrokontroler nie musi w sposób ciągły odpytywać układu, by kontrolować jego parametry pracy – układ sam zaalarmuje, jeżeli którykolwiek z nich zostanie przekroczony. W takiej sytuacji mikrokontroler może odpytać ładowarkę o przyczynę alarmu i odpowiednio się zachować, na przykład przejść w stan uśpienia lub bezpiecznie wyłączyć system.

    System telemetrii jest w stanie monitorować parametry, takie jak szeregowa rezystancja ogniwa, co pozwala na oszacowanie stanu zdrowia baterii, a co za tym idzie np. jej maksymalnej pojemności. Pomiar tego parametru realizowany jest automatycznie. Możliwe jest ustawienie alarmu dla mikrokontrolera w momencie, gdy rezystancja ta przekroczy ustalony próg, system jest informowany o awarii baterii i informuje użytkownika, że ogniwa zasilające urządzenie muszą być wymienione.

    W momencie, gdy od LTC4162 odłączane jest zewnętrzne zasilanie i cały system pobiera prąd z baterii to telemetria zostaje domyślnie wyłączona. Ma to za zadanie oszczędzanie energii w systemie, gdy zasilany jest on z baterii. W momencie, gdy potrzebny jest pomiar któregoś z parametrów, moduł telemetryczny może zostać zdalnie włączony przez mikrokontroler. Przy zasilaniu bateryjnym jednakże pomiar ten działa domyślnie wolniej, by zredukować pobór prądu – pomiary robione są co 5 sekund. Jeśli to nie wystarcza, to można je przyspieszyć do dowolnej osiąganej przez układ częstotliwości odświeżania pomiarów (aż do okresu pomiędzy pomiarami równego 11 ms).

    Uniwersalny kontroler ładowarki akumulatorów
    Robi się gorąco

    Po lewej stronie widzimy wykres pokazujący standardowy profil JEITA dla ogniwa litowo-jonowego. Tego rodzaju profile potrzebne są do pracy algorytmów sterowania ładowaniem, jakie wykorzystywane są przez LTC4162. Układ może wykorzystywać np. domyślną zależność temperaturową dla ogniw opartych o lit (Li-ion oraz LiFePO4) – charakterystykę JEITA.

    Tego rodzaju charakterystyka pozwala na zdefiniowanie zakresów temperatury w przypadku których redukuje się prąd i/lub napięcie ładowania. Decyduje ona również o tym, jaka jest maksymalna i minimalna temperatura rozpoczęcia i zatrzymania procesu ładowania. W układzie preprogramowana może być domyślna charakterystyka JEITA, która doskonale sprawdza się dla większości ogniw litowych, jednakże, jeśli zachodzi taka potrzeba, obecny w systemie mikrokontroler może bez problemu przeprogramować charakterystykę zgodnie z wymaganiami mniej typowych ogniw.

    Podobne charakterystyki wykorzystywać można dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych razem lub osobno z liniowymi algorytmami kompensacji, które dobierają napięcie ładowania wraz ze wzrostem temperatury ładowanego akumulatora. System dobiera napięcie automatycznie, jednakże możliwe jest zmienianie ich poprzez interfejs cyfrowy – programować można tak offset, jak i nachylenie krzywej kompensacyjnej. Dodatkowo, możliwa jest zawsze zmiana termoopornika w układzie, by zmienić powyższe parametry.

    Stabilizacja wejścia i algorytm MPPT



    Dla uproszczenia budowy wiele układów stabilizacji napięcia z paneli słonecznych ustawia maksymalne napięcie w punkcie pracy jako stałą wartość. W rzeczywistości napięcie to dryfuje w czasie ze zmieniającymi się warunkami oświetlenia, temperaturą etc. A jeśli panel jest oświetlony częściowo, to może występować wiele maksimów mocy. Dzięki przemiataniu całego zakresu napięcia panelu podłączonego do układu ładowania, zaawansowany algorytm śledzenia maksymalnego punktu mocy (MPPT) wbudowany w LTC4162 uwzględnia wszystkie zmienne, zawsze ustalając maksymalny punkt mocy.

    Oprócz sporadycznego przemiatania napięcia z panelu fotowoltaicznego, układ LTC4162 stosuje dithering tego napięcia (proces dodawania do np. stałej wartości zmiennej losowej - szumu) podczas stabilizacji, stale szukając niewielkich zmian w napięciu maksymalnego punktu mocy. Te funkcje nie wymagają żadnego programowania układu, więc panele fotowoltaicznego mogą być łatwo podłączone do układu bez modyfikacji ładowarki.

    Korzyści ze stabilizacji napięcia wejściowego wykraczają poza źródła takie jak panele słoneczne. Na przykład wiele ładowarek USB ma znaczną impedancję szeregową, co powoduje spadek napięcia na wejściu ładowarki, gdy pobierany jest prąd. Funkcja ograniczenia prądu wbudowana LTC4162 reguluje ten prąd tak, że na wejściu utrzymuje się minimalne napięcie potrzebne do poprawnego działania systemu..

    Uniwersalny kontroler ładowarki akumulatorów
    Uniwersalny kontroler ładowarki akumulatorów
    Na wykresach po prawej stronie widzimy profil temperaturowy ładowania dla 12 V ogniwa kwasowo-ołowiowego (u góry) oraz przebieg napięcia (czerwona linia) i prądu (niebieska linia) pobieranego z ogniwa fotowoltaicznego w funkcji czasu (wykres na dole).

    Zasilanie z USB

    Opisywany kontroler kompatybilny jest ze specyfikacją dostarczania mocy przez interfejs USB. Pozwala to na pobranie do 100 W mocy przez USB-C. Wejście układu wyposażone jest w układ ograniczający pobierany prąd, dzięki czemu system nie wychodzi poza swoją specyfikację.

    Gdy w systemie zadziała ograniczenie prądowe, to układ nadal będzie mógł pobierać pełną moc maksymalną, ale zredukowany zostanie prąd ładowania baterii do poziomu zależnego od tego, ile prądu pozostanie do poziomu nakładanego przez ograniczenie wynikające ze specyfikacji USB.

    LTC4162 może aktywnie dobierać prąd ładowania w zależności od tego, jaki zasilacz będzie do niego podpięty. Jeśli będzie to port USB, system zastosuje odpowiednie ograniczenie prądu, by pozostać w zakresie dozwolonym specyfikacją dostarczania mocy przez ten port.

    Niskomocowy tryb transportowy

    Urządzenia elektroniczne, które trafić mają do sklepów, często dostarczane są już z wstępnie naładowanymi ogniwami. Muszę one pokonać dosyć długą drogę i często sporo czasu spędzić w magazynie, co nie wpływa dobrze na stan ogniw. LTC4162 posiada specjalny tryb pracy – tzw tryb transportowy, w którym pobór prądu z baterii ograniczony jest zaledwie do 3,4 mikroampera, co pozwala na bezpieczne przewożenie i magazynowanie urządzeń. Możliwe jest także fizyczne odcięcie obciążenia – reszty urządzenia – od ogniwa na czas transportu.

    Dostępne warianty kontrolera

    By uprościć projektowanie i dokumentację, LTC4162 dostępny jest w szeregu różnych wariantów, dedykowanych do różnych rodzajów chemii ogniw, parametrów ładowania oraz domyślnego stanu wejścia z MPPT. W poniższej tabeli podsumowano wszystkie dostępne warianty układów scalonych LTC4162.

    Nazwa układuRodzaj baterii
    MPPT domyślnie wyłączoneMPPT domyślnie włączoneChemia ogniwaNapięcie ogniwa
    LTC4162EUFD-LADLTC4162EUFD-LADMLitowo-jonoweSterowane poprzez I2C: 4,0 V, 4,1 V lub 4,2 V
    LTC4162EUFD-L40LTC4162EUFD-L40M
    LTC4162EUFD-L41LTC4162EUFD-L41M
    LTC4162EUFD-L42LTC4162EUFD-L42M
    LTC4162EUFD-FADLTC4162EUFD-FADMLiFePO4Sterowane poprzez I2C: 3,6 V lub 3,8 V w trybie szybkiego ładowania
    LTC4162EUFD-FSTLTC4162EUFD-FSTM3.6V fixed
    LTC4162EUFD-FFSLTC4162EUFD-FFSM3.8V rapid charge
    LTC4162EUFD-SADLTC4162EUFD-SADMOłowiowo-kwasowaSterowane poprzez I2C
    LTC4162EUFD-SSTLTC4162EUFD-SSTM


    Każdy z wariantów układu jest kompatybilny z resztą wyprowadzeń, więc bez problemu można je pomiędzy sobą wymieniać nie modyfikując układu. Dzięki temu już na etapie prototypowania układu można testować go z rozmaitymi rodzajami ogniw, poziomami zasilania etc.

    Aby uprościć analizę kart katalogowych układów LRC4162, podzielone one są względem rodzaju ładowanych ogniw – osobno opisano wariant układu dla ogniw litowo-jonowych, LiFePO4 i akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

    Podsumowanie

    Jeśli pamiętamy opis dwóch zespołów z początku artykułu, to teraz widzimy jedno proste rozwiązanie dla obu – możliwe jest zastosowanie tego samego, prostego scalonego kontrolera zasilania do skrajnie różnych zastosowań. Dzięki temu redukuje się czas poświęcony na identyfikację komponentów do systemu oraz na samo projektowanie, szczególnie, iż projekty oparte o tak uniwersalny układ wykorzystywać można wielokrotnie w różnych urządzeniach.

    Źródło: https://www.analog.com/en/technical-articles/one-size-fits-all-battery-charger.html?8003

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • #2
    noel200
    Poziom 25  
    Właśnie czegoś takiego szukam. Mam panel 10W, który ma napięcie jałowe około 17V i chcę tym ładować ogniwo li-ion, czyli max 4,2V.
    Zna ktoś jakiś dostępny układ lub kompletny kontroler?
    Pozdrawiam.