Polnilec pogonskih baterij – Izdelava

Posted on Posted in Predelava e-Punto

POZOR!

PRI IZDELAVI POLNILCA JE PRISOTNA VISOKA NAPETOST, ZATO MORATE UPOŠTEVATI VARNOSTNE PREDPISE ZA DELO Z VISOKO NAPETOSTJO.
ZA MOREBITNE POŠKODBE ALI MATERIALNO ŠKODO NE ODGOVARJAMO.

Po dolgem času mi je uspelo izdelati delujoč polnilec za akumulatorje. Ta polnilec je najprimernejši za svinčene akumulatorje, vendar omogoča tudi polnjenje LiFePo4 (ni pa idealen za polnjenje LiFePo4). Sam sem začel z izgradnjo tega polnilca, ker sem v začetku nameraval uporabiti svinčene akumulatorje, vendar sem na dolgi rok preračunal, da so litijevi ugodnejši, ker imajo veliko več polnilnih ciklov in niso tako občutljivi na temperaturo, kakor svinčeni. Tako, da bom za začetek uporabil ta polnilec, potem pa si bom izdelal nekaj primernejšega za LiFePo4 baterije.

FUNKCIJE POLNILCA:

  • do 5 različnih režimov polnjenja (Nastavitev tokovnih in napetostnih mej v petih različnih nivojih)
  • pred polnjenje gladilnih kondenzatorjev (polnjenje kondenzatorjev preko upora, katerega po nekaj sekundah premosti rele)
  • zagon polnilca ob vklopu v električno energijo (možnost vklopa in izklopa opcije v meniju)
  • omogoča polnjenje do 300V (nima najnižje omejitve, vendar zaradi regulacije visoke vhodne napetosti, pri nizkih polnilnih napetostih nima najbolj konstantne napetosti. Priporočam za uporabo nad 70V)

SLABE LASTNOSTI POLNILCA:

  • sekundno merjenje napetosti accu (polnilec vsako sekundo prekine polnjenje accu in pomeri vrednost napetosti na accu. To stalno vključevanje polnilca pa povzroči utripanje luči v hišni napeljavi.)
  • polnilec ni galvansko ločen od vhodne napetosti (načeloma to ni problem, ker večina teh polnilcev deluje na tak princip. Je pa potrebna kompletna izolacija baterijskega seta od karoserije avta in zaščita vseh vodnikov pred dotikom z roko, kar pa je tako ali tako zapisano v zakonu o električnih vozilih.)

DOBRE LASTNOSTI POLNILCA:

  • poceni izdelava (močnostne dele se lahko dobi na odpadu v starih UPS napravah)
  • kompatibilnost (zaradi narave nastavitev omogoča veliko režimov polnjenja)

IZDELAVA POLNILCA:

Kompletna shema polnilca:

Polnilec_accu_celotni

 

 

 

 

 

 

 

RAZLAGA MOČNOSTNEGA DELA:

Pri izdelavi je pomembno, da pred polnilec vežemo varovalko. Sam sem vezal inštalacijski odklopnik za hišno inštalacijo B16A( na shemi prikazano F1). Ker je dovolj hiter v primeru kakšne okvare polnilca. Za dodatno varnost lahko na vhod električne napeljave v avto montirate tudi FID enofazno zaščitno stikalo (na shemi prikazano S1), kar vam varnost zelo poveča. Na vhodu polnilca imamo močnostni upor 22ohm 10W (R14), kateri služi za pred polnjenje gladilnih kondenzatorjev. Po nekaj sekundah upor R14 premosti rele K3 in polnilec je pripravljen za delovanje. Sam sem montiral rele 230V s kontakti 2x 16A, katere sem vezal vzporedno za povečanje moči releja. Za uporom je vezan usmerniški mostič (B1), ki mora biti vsaj dvakratne moči polnjenja. V mojem primeru sem izbral 35A 600V. Za usmerniškem mostičem pride na vrsto gladilni kondenzator (C5), vrednosti 3x 680uF/400V. Namesto tranzistorja Q1 in diode D8 sem uporabil dvojni IGBT z notranjo zaporno diodo moči 75A. Prvi IGBT sem uporabil kot tranzistor, drugi pa kot diodo. Za uporabo v namenu diode moramo kratko skleniti G in E krmilni kontakt na IGBT. Tuljavo L1 sem vzel iz stare UPS naprave. Tuljava je toroid vrednosti 1mH. Na koncu imamo še zaporno diodo D8 (27A), za zaščito polnilca proti napačni polariteti in izhodni rele K4. Izhodni rele je enak kot za pred polnjenje kondenzatorjev. V primeru, da izdelujete polnilec za večje tokove, morate tokovom primerno izbirati tudi močnostne elemente.

 

RAZLAGA KRMILNEGA DELA:

Elektronika polnilca je sestavljena iz treh delov. Prvi je modul z procesorjem atmega 128, LCD prikazovalnikom in 5 tipk, katere služijo za nastavitev režima polnjenja. Vezalno shemo vidite na sliki spodaj.

Polnilec_atmega128_modul

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Drugi del je napajalnik, kateri zagotavlja galvansko ločeno napajanje za elektroniko polnilca (12V) in krmilno napajanje regulacije IGBT tranzistorja (24V). Shemo napajalnika vidite na sliki spodaj.

Polnilec_accu_napajalnik

 

 

 

 

 

Spisek elementov za napajalniški modul:

ELEMENT VREDNOST OPIS
B1 B80C1500 GRETZ
B2 B80C1500 GRETZ
C1 1000uF/50V ELKO
C2 1000uF/50V ELKO
C3 100uF/35V ELKO
C4 100uF/35V ELKO
C5 100nF/35V FOLIJSKI
C6 100nF/35V FOLIJSKI
F1 0,5-2A VAROVALKA
IC1 LM7812 REGULATOR 12V
IC2 LM7824 REGULATOR 24V
TR1 230V/12V 5VA TRAFO
TR2 230V/2×12 1,6VA TRAFO

 

Tretji del pa je osnovna plošča, na kateri se nahaja merilni del za galvansko ločeno merjenje napetosti ni toka, krmilnik za krmiljenje IGBT tranzistorja ter krmilni releji za pred polnjenje gladilnih kondenzatorjev ter izhodnega polnilnega releja. Shemo vidite na sliki spodaj.

Polnilec_accu_osnovna_plosca

 

 

 

 

 

 

 

 

Seznam elementov za osnovno ploščo:

ELEMENT VREDNOST OPIS
C1 100uF/35V
C2 100uF/35V
C3 10uF/35V
C4 10uF/35V
D1 18V
D2 18V
D3 15V
D4 BYV27
D5 5V1
D6 1N4148
D7 1N4148
DC1 IN12V/OUT +-15V DC/DC PRETVORNIK
DC2 IN12V/OUT +-9V DC/DC PRETVORNIK
IC1 ISO124 GALVANSKA LOČITEV NAPETOSTI
IC3 HCPL 3120 IGBT DRIVER
J1 6 PIN KONEKTOR MOLEX
J2 10 PIN KONEKTOR MOLEX
J3 4 PIN KONEKTOR MOLEX
J4 3 PIN KONEKTOR MOLEX
J5 20MM PREVEZ
J6 10MM PREVEZ
K1 12V RELE
K2 12V RELE
R1 10E 1W
R2 33E 1W
R3 2K2
R4 100K 1%
R5 2K2 1%
R6 2K2 1%
R7 2K2
R8 10K  trimer 10 obratni
R9 2K2
R10 2K2 1%
R11 2K2 1%
R12 2K2
R13 2K2
T1  BC337
T2  BC337
TR1 TELCON HTP 50 TOKOVNI MERILNI TRAFO

 

Prenos električnih shem in tiskanih vezij

Vse sheme in tiskana vezja so narisani z programom Eagle v 5.10

 

SESTAVLJANJE POLNILCA:

Najprej sem očistil hladilnik, katerega sem vzel iz stare UPS naprave.

Izdelava_polnilca_1

 

 

 

 

 

 

 

 

Na hladilnik sem montiral vse močnostne elemente, katere je potrebno hladiti. Gretzov mostič, IGBT, izhodno diodo. Vse elemente je potrebno namazati z temperaturno prevodno pasto. Najlažji postopek za nanašanje paste je, da jo natanko razmažemo z kakšno odsluženo plačilno kartico in nato z gobico narahlo “potapkamo” po celi površini elementa. Tako je pasta enakomerno nanesena po celi površini in je temperaturna prevodnost optimalna.

Izdelava_polnilca_2

 

 

 

 

 

 

 

 

Če želimo polnilec montirati nekje zunaj avta, ga je potrebno hermetično zatisniti. Tu nam je v pomoč silikonski kit, ki pa mora biti temperaturno obstojen. Prav tako moramo izbrati takšno ohišje, da ima odprtine zatesnjene proti vstopu vode.

Izdelava_polnilca_3

 

 

 

 

 

 

 

 

Ko imamo zatesnjeno ohišje, se lahko lotimo vezave močnostnega dela našega polnilca.

Izdelava_polnilca_5

 

 

 

 

 

 

 

 

Pri izdelavi tiskanega vezja mi je kislina preveč razjedla vezje, zato sem kompletno vezje pocinil in s tem preprečil slabe spoje na vezju. Ker pa bo polnilec večinoma zunaj na vlažnem, je potrebno vezje zaščititi pred korozijo. To lahko storimo na sledeč način. Sam imam že nekaj časa doma vrečko kolofonije (verjetno se jo dobi kje v kakšni kmetijski trgovini). Kolofonijo raztopimo v etilnem alkoholu (špirit), tako da dobimo malo gostejšo tekočo zmes. To zmes nanesemo na naše tiskano vezje, ko že imamo prispajkane vse elemente z slikarskim čopičem. Potem samo še počakamo nekaj časa, da se zadeva posuši. V primeru okvare vezja, po tem premazu še vedno lahko zamenjamo okvarjene elemente, saj je kolofonija topna z spajkalnikom.

Izdelava_polnilca_7

 

 

 

 

 

 

 

 

Postopek za izdelavo tiskanega vezja si lahko ogledate na spodnji povezavi:

Povezava: Izdelava tiskanega vezja

 

In že smo pri končanem polnilcu.

Izdelava_polnilca_8 Izdelava_polnilca_9

 

 

 

 

 

 

 

 

V nadaljevanju pa si bomo ogledali kako vpisati program v procesor in kako nastaviti polnilec za pravilno delovanje.

Najprej si moramo izdelati programator za vpisovanje programa v procesor. Programator je zelo enostaven za izdelavo. Vse o izdelavi boste našli v naslednji povezavi: Programator za procesorje

Za testiranje elektronskega dela polnilca vam priporočam uporabo anti statične zapestnice, ker vam v nasprotnem primeru lahko ob dotiku statična elektrika uniči del elektronike, kar pa vam zada dodatne stroške za popravilo.

 

VPISOVANJE PROGRAMA V PROCESOR ATMEGA128

Najprej priključimo naš programator z 10 pinskim konektorjem v ICSP konektor na našem atmega128 modulu. Za programiranje je potrebno pripeljati napajanje na atmega128 modul. Če programiramo že izdelan polnilec in imamo priključen na omrežje tudi močnostni del, potem moramo iz osnovne plošče razkleniti konektor J4 z katerim preprečimo vklop izhodnega releja in z tem preprečimo poškodbo polnilca. Za nadaljevanje je potreben prenos programa, katerega lahko prenesete iz povezave:

Prenos programa za polnilec

 

V naslednjem posnetku pa si oglejte postopek programiranja:

 

UMERJANJE NAPETOSTI IN TOKA V POLNILCU

Če želimo da nam bo polnilec prikazoval točne vrednosti toka in napetosti moramo le tega umeriti. Prvo je potrebno umerjanje napetosti. Napetost moramo umeriti s pomočjo programa, katerega vpisujemo v procesor. Tako se izognemo zunanjemu trimer potenciometru, kateri imajo visoka tolerančna odstopanja. Tako je za meritev uporabljen uporovni delilnik z 1% upori. S tem dobimo natančnejšo meritev napetosti. Program je napisan v računalniškem programu “Mikrobasic pro for AVR verzija 1.5”, kateri je plačljiv za uporabo, vendar mislim da nam proizvajalci ne bodo zamerili, če ga za nastavitev ene pozicije v roku 5 minut vzamemo iz “travnika”. Ga vsaj ne uporabljamo za komercialne namene. Napetost umerjamo na najvišji napetosti, katero bomo dosegali s polnilcem na baterijah. Le tako dosežemo največjo točnost. Kako se izvede kalibracija pa je prikazano v posnetku spodaj:

 

Postopek na posnetku ponavljamo dokler ni napetost na polnilcu enaka, kot smo jo izmerili z univerzalnim merilnikom. Ko imamo napetost umerjeno, se lotimo umerjanja toka. Ta postopek je malo lažji, ker nam pri tem ni potrebno programirati. Za nastavitev uporabimo trimer potenciometer (R8). Pri umerjanju toka potrebujemo breme, zato je potrebno priključiti prazne baterije. Med breme in polnilec vežemo univerzalni merilnik. Običajno imajo univerzalni merilniki območje do 10A. Merjenje z tokovnimi kleščami je nenatančno, zato se takemu merjenju izogibajte. Na polnilcu nastavimo tok polnjenja na 9,5A in pričnemo spolnjenjem. Ker polnilec polni impulzno, tok vedno niha, zato je merjenje malce oteženo. Vendar sem sam z analognim merilnikom uspel približno umeriti zadevo. Tokovna omejitev ni problem, če se spreminja za kakšen amper, tako ne moremo doseči max polnilnega toka, saj imamo v hišnih instalacijah max 16A varovalke.

 

NAVODILA ZA UPORABO

Polnilec ima na desni strani 5 tipk, postavljene v obliki križa, za lažjo navigacijo po meniju. Kot vidimo na spodnji sliki, obstajajo tipke GOR, DOL, LEVO, DESNO in v sredini OK.

 

Polnilec_atmega128

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Na LCD prikazovalniku se nam v približnem razmerju izpišejo ukazi, kakršen pomen imajo tipke.

1. TEST

Z pritiskom na desno tipko v osnovnem meniju, zaženemo testno delovanje polnilca. Tu ni potreben priklop akumulatorjev za delovanje. V testnem režimu z tipkama GOR in DOL spreminjamo izhodno napetost. Za test lahko priključimo 230V žarnico namesto akumulatorjev in z pritiskom na tipko GOR vidimo, da se žarnica počasi razsvetljuje.

2. EDIT

S pritiskom na tipko DOL v osnovnem meniju vstopimo v nastavitveni režim v katerem nastavimo potek polnjenja accu. Z enim pritiskom DOL se nam pojavi opcija avtomatskega zagona ob vključitvi električne energije (RUN ON POWER UP?). Če te opcije ne vključimo, je vedno potreben pritisk tipke DESNO za zagon polnjenja. Opcija se vključi z 2 sekundnim pritiskom na GOR (YES), izključi pa s pritiskom na DOL (NO). V nižje nivoje nastavitvenega režima se pomikamo z tipko DESNO. Naslednji korak je omogočanje prve stopnje polnjenja (POT0). Obstaja 5 stopenj polnjenja (od POT0 do POT4) in v vsaki stopnji nastavimo željen tok (Amps:), napetost (Volts), tok (Trans A) in napetost (Trans V) ob katerem se bo polnilec prestavil v naslednjo stopnjo. V vseh stopnjah obstaja tudi nastavljiv čas (Timeout), po katerem se polnilec prestavi v naslednjo stopnjo.

Režim polnjenja accu je odvisen od tipa accu in od proizvajalca, zato je za nastavljanje polnilca potreben podatek o polnjenju, po katerem se potem nastavi polnjenje. Naj opišem kako delujejo nastavitve. Primer: Izberem opcijo POT 0 ga nastavim na YES (s tem sem omogočil prvo stopnjo polnjenja). Z tipko DESNO se pomaknem naprej. V sekciji Amps nastavim polnilni tok 15A. S tipko DESNO se pomaknem naprej. V sekciji Volts, nastavim polnilno napetost 180V. S tipko DESNO se pomaknem naprej. V sekciji Trans A nastavim minimalni tok 10A, ob katerem se bo polnilec prestavil v naslednjo stopnjo POT1.S tipko DESNO se pomaknem naprej. V sekciji Trans V, nastavim maksimalno napetost 180.5V ob kateri se bo polnilec prestavil v naslednjo stopnjo POT1. S tipko DESNO se pomaknem naprej. V sekciji Timeout pa nastavim čas 200min po katerem se bo polnilec prestavil v stopnjo POT1, v primeru da nobenih predhodnih nastavitev ne doseže. Če POT1 nimate omogočen, bo v tem primeru polnilec ob dosegu ene od nastavitev ustavil polnjenje.

3. RUN

Z pritiskom na tipko DESNO, ročno zaženemo polnilni cikel.

STROŠKI IZDELAVE:
Element Cena (€) Izvor
IGBT 0 Stara UPS naprava
Hladilno rebro 0 Stara UPS naprava
Tuljava 0 Stara UPS naprava
Izhodna dioda 0 Stara UPS naprava
Izhodni Kondenzator 0 Stara UPS naprava
Gladilni kondenzator 0 Stara UPS naprava
Telcon HTP 50 0 Stara UPS naprava
Kovinsko Ohišje 36,75 Conrad
Atmega 128 Modul 67,6 Farnel 1701521
Iso 124 12,1 Farnel
DC / DC pretvornika 13,6 Farnel
2x Trafo 9 Farnel
Hcpl 3120 2,6 Farnel
Upori, Kond. itd prb. 15 Farnel
Skupaj 157€

 

Slika testiranja izdelanega polnilca

Izdelava_polnilca_10