Po několika letech provozu elektrovrtulníku padesátkové třídy na deset lipol článků jsem se rozhodl pro konstrukci vlastního nabíječe. Účelem je nabíjení pouze na letišti a to z předem nabitého 12V Pb akumulátoru o kapacitě 110Ah. Tento velký akumulátor vozím stále v autě a je dobíjen provozem ve voze za pomoci asistenční elektroniky. Vzhledem k dnešním lipol akumulátorům, které je možno nabíjet velkými proudy řádově až 5C, jsem se dostal k myšlence vlastního výkonného nabíječe a používat tak pouze jeden akumulátor v modelu.

První verze bude nejspíš s pevně nastaveným výstupním napětím 42.00V pro 10S lipol sadu. V pozdějších verzích programu bude možné měnit počet nabíjených lipol od 1 do max 10 článků. Nabíjecí proud bude v první verzi nastaven na pevno pro konkrétní sadu 10S 3350mA na 3C tedy 10.05A. Později již bude plně nastavitelné nabíjení v krocích po cca 100mA a maximální nabíjecí proud může teoreticky dosahovat 20A, ale pro nižší počet nabíjených článků. Vlastní nabíjecí výstupní výkon se předpokládá kolem 500W. Nabíječ bude zobrazovat dobu nabíjení, dobitou kapacitu do aku, samozřejmně se zobrazením napětí a proudu dobíjené baterie.
Měřit a zobrazovat vstupní napětí a proud společně se spotřebovaným nábojem ze zdroje v Ah.

K omezení nabíjecího výkonu dojde při dosažení několika přednastavených limitů. Jako základní omezení je výstupní napětí pro aku a maximální nabíjecí proud, zároveň za hlídání doby nabíjení a dobitého náboje což je již standartem.

K dalším omezením nabíjecího výkonu bude sledování maximálního nabíjecího proudu 20.0A a limit 58.8V na výstupu. Jako samotné maximum nabíječe. Sledovat se bude maximální proud na vstupu, který bude programem omezen na maximální hranici 60.0A. K omezení výkonu bude dosažení hranice 75% pro plnění střídy DC/DC měniče. Zde ale tento limit ještě snížím asi na 60-65% dle výsledné účinnosti. Výkon bude rovněž omezen při dosažení hranice výstupního výkonu 500W, což odpovídá téměř 12A nabíjecího proudu při 42V/10lipol článků. Pro 6S lipol/25.2V bude nabíjecí proud dosahovat až bezmála 20A. Dalším limitem bude sledování vstupního napětí co se týče minimální hranice. Většina nabíječů při poklesu vstupního napětí vypíná nabíjecí proces. Já jsem požadoval pouze omezení nabíjecího výkonu na takovou hranici, kdy se odběr ze zdroje bude držet na hranici při níž nedojde k poklesu napětí na zdroji pod 10.5V. To umožní ještě poslední dobití nabíjené sady i za podmínky kdy je 12Pb aku již vybitá a není schopna dodat vysoký proud, ale již jen menší který postačí pro poslední nabití. Pokud by však výkon zdroje (12VPb aku) nebyl schopen dodat alespoň 50W, tak bude nabíjení přerušeno. A jako poslední omezení nabíjecího výkonu bude minimální hranice účinnosti měniče, kterou jsem stanovil na 80% jako minimum.

Z toho vyplývá, že se bude měřit napětí, proud a kapacita na vstupu a výstupu, teplota chladiče nabíječe, příkon/výkon a z toho vycházející účinnost.
Ventilátory budou spínány při teplotě chladiče nad 35.0°C a při nabíjecím výkonu větším jak 50W.

K ukončení nabíjení dojde při poklesu výstupního proudu pod 100mA stanovené jako minimum nabíječe. Hranice se ale bude moci zvednout až na 1.0A. Jako reálné ukončení nabíjení považuji při poklesu proudu pod 10% skutečné kapacity nabíjené sady.

Základem je uvedený 8-bit Microchip obsahující 10bit AD převodník, PMW výstup s řízením 10bit pro regulaci měniče. Frekvence a střída měniče bude nastavena dle požadovaného napětí a proudu na výstupu s ohledem na co nejvyší účinnost nabíječe a nepřekročení některých limitů. K ovládání nabíječe bude sloužit šest ovládacích tlačítek pod displejem. Displej bude klasický s LED podsvětlením o 20x4 znacích. Nabíječ bude disponovat chladícím ventilátorem řízeným PIC dle teploty umístěným na chladiči nabíječe. Mosfety měniče a shottky diody budou chlazeny pasivním chladičem na zadní straně nabíječe.

Vzhledem k přesnosti celého nabíječe budou pro měření napětí použity 16bit AD převodníky. Pro měření proudu budou použity rovněž 16bit AD převodníky měřící proud z lineárních hall senzorů pro měření proudu firmy ALEGRO s velmi nízkým vnitřním odporem v řádu miliohmů. Výsledky měření bude zpracovávat PIC za pomoci 16bit matematiky. Nabíječ bude kalibrován na napětí a proud a v EEPROM budou uloženy kalibrační hodnoty. Rovněž budou v EEPROM uloženy data pro nabíjenou sadu - max. proud, napětí, kapacita. Pro první verzi předpokládám pouze jednu uloženou paměť pro nabíjenou sadu.

Jako ochrana vstupu budou použity čtyři paralelně zapojené mosfety chránící vstup proti přepolování. Výstup bude rovněž chráněn mosfety, ale jen dvěma. Po připojení nabíjené sady na výstup nabíječe dojde ke změření napětí sady a pokud bude napětí odpovídat rozsahu 3.0V-4.2V na článek, pak dojde k připojení sady k měniči uvnitř nabíječe a spojení s filtračnímy kondezátory měniče. Zároveň se povolí možnost spustit nabíječ do režimu nabíjení.

DC/DC měnič bude v režimu STEP-DOWN řízen PWM signálem o rozlišení 8bit s 255 kroky. OFF při stand-by sežimu nabíječe a ON v režimu STEP-UP kdy PWM signál bude v rozlišení 8bit. Dle použité frekvence měniče bude možné rozlišení až 9bit, kdy maximální střída v režimu step-up nepřesáhne cca 60-70%.

Veškeré funkce nabíječe upřesním až po dokončení konstrukce a naprogramování první funkční verze nabíječe, která bude schopna plně automatického nabíjení.

Zdroj informací. Informace o spínaných zdrojích čerpám z literatury s názvem Napájecí zdroje I, II a III díl z vydavatelství BEN.
Jak na PIC čerpám info z literatury Mikrokontroléry PIC16F87X, rovněž z nakladatelství BEN.

Celá inspirace pro vývoj vlastního nabíječe vznikla od používání Schulze isl 8-936g Chamaleon.

1.9.2010 - Návrh vlastního schema nabíječe. Výběr vhodných součástek pro výkonnou část nabíječe. Navinutí indukční cívky spínaného zdroje. Přiřazení I/O portů microprocesoru k jednotlivým okruhům nabíječe.

2.10.2010 - Jedna z prvních etap kontrukce nabíječe zahrnuje rozvržení ovládacích prvků nabíječe, umístění LCD displeje, ventilátorů a upevnění chladiče. Displej je přišroubován na víko kovové krabičky ve které je vyříznutý otvor pro část dipleje, která zobrazuje informace. Pod displejem je instalováno šest mikrotlačítek pro ovládání nabíječe. Na zadní straně je připevněn velký pasivní alu chadič. Na čelním panelu jsou dva ventilátory s mřížkama. Jeden vhání vzduch dovnitř a druhý ven. Přišla mi tato varianta lepší než zhotovovat několik chladících otvorů v plechové krabičce. Přední panel má uprostřed hlavní výstupní svorky pro plus a mínus pol a otočný pocenciometr pro účely testování měniče a budoucí požadavky. Vedle něj je pak konektor cannon 9 pro možnost upgrade firmware. Lépe řečeno ICSP konektor pro programování interního PIC. Uvnitř nabíječe jsou dva plošné spoje. V pravo menší pro desku s mikroprocesorem a vlevo deska pro filtrační kondenzátory, indukční cívku, spínané mosfety, shottky diody a hallovy snímače proudu. V další fázi kontrukce nabíječe bude výroba modulu plošného spoje s mikroprocesorem. Třetí fáze bude výroba výkonnové části nabíječe a poslední fází bude samotné naprogramování nabíječe a jeho funkcí.

31.10.2010 - Sestavení provizorní desky výkonové části měniče. Osazení spínacích mosfetů, shottky diod, filtračních kondenzátorů a indukční cívky měniče. První testy proběhly až na drobné nedostatky úspěšně. Dosáhl jsem na výstupní výkon až 600W. Účinnost měniče je však základem celého zařízení a dost záleží na cca čtyřech parametrech. Podařilo ze mi dosáhnout až na 90% účinnost při výstupním výkonu 250W. Při výkonech kolem 400-450 však byla účinnost nižší kolem 70%.

A nyní na čem záleží. V první řadě na rychlosti spínacích mosfetů a co nejnižší kapacitě hradla a jejich spínacím vnitřním odporu. Ten je třeba mít co nejnižší. Zárověň je nutné jejich ryhlé řízení a k tomu jsou speciální mosfet budiče. Které mají budící proud až 1.5A s napětím pro řízení GATE až 18V. To je ta druhá věc, třetí je cívka samotná. Je třeba ji dimenzovat na trvalý proud na vstupu. Což je v mém případě cca 50-60A. Špičkový proud cívkou může být až čtyřnásobek cca 240A a k tomu je třeba dimenzovat spínané mosfety. IFRP 4110 jsou na proud až 120A/100V trvale. A jejich vnitřní odpor je kolem 3.7mOhm. Vzhledem k účinnosti měniče jsem se rozhodl pro použití dvou mosfetů paralelně. Jsou dvě cesty. Navinout cívku silným drátem cca 2.00mm a dát tři vinutí vedle sebe. Což je ale problém. Drát velmi špatně obepíná jádro cívky a vznikají velké ztráty. Proto další cívka bude s drátem 1.50mm a vinutí budou čtyři. Což je už řešitelný úkol. Ale nakonec jsem se rozhodl použít ještě větší jádro. Cívka o vnějším průměru 57.2mm, vnitřní průměr 35.7mm a výškou 14mm. Amidon je železoprachové jádro pro spínané měniče s pracovní frekvencí 0-100kHz. Někde se uvádí až 1MHz. Cívku jsem navinul pěti vinutíma paralelně drátem průměru 1.32mm. Celkem má cívka šestnáct závitů a změřená indukčnost je cca 30uH. Pracovní frekvenci zvolím až podle dalších výsledků měření. Minimálně asi 40kHz a maximálně 80kHz. Další věc je řízení buzení mosfetů co se týče frekvence a střídy PWM signálu. Střída by neměla přesáhnout cca 60-65%. Jako mezní hranici pro testy zvolím 75% plnění střídy. Pak účinnost výrazně klesá. Pokud by výkon měniče nestačil při plnění této střídy, je třeba zvýšit frekvenci měniče. Při nižší frekvenci cca 20kHz nejsou třeba žádné velké nároky na řízení mosfetů. U frekvence kolem 70-80kHz je třeba mít vše podstatně přesné a rychlé. Jinak nelze zajistit správný pravoúhlý signál pro řízení mosfetů.

Zatím se však ukázalo, že dosáhnout na výstupní výkon cca 250W pro napětí cca 42V je snadný úkol. Velmi záleží na cívce měniče. Je třeba aby vinutí obepínalo cívku co nejtěsněji. Pokud je mezi vinutím a jádrem cívky vzduchová mezera, pak se vinutí nadměrně zahřívá. Jen pro představu cívka měniče nabíječe Schulze ISL 8-936g má vinutí 4x1.0mm o cca 14 závitech, proud odebíraný ze zdroje dosahuje až 35A s výstupním výkonem cca 320W při 42V a frekvenci cca 40kHz. Při jednom z testů jsem dosáhl příkonu 900W na vstupu s proudem cca 90A a výstupním výkonem 600W avšak s velmi nízkou účinností měniče.


9.11.2010 - Výroba druhého prototypu měniče. V první verzi bylo několik zásadních nedostatků a nebylo zohledněno odpojování výstupu z měniče na terminál pro aku, měnič již od začátku nebyl navržen na možnost snižujícího měniče, ale jen zvyšujícího. A třetí nedostatek byla nevyřešená vstupní ochrana proti přepólování napájení.


11.1.2011 - Vzhledem k neustálým změnám v návrhu nabíječe jsem pozastavil vývoj výkonnové části měniče a zaměřil se na procesorovou část. Nyní navrhuji zapojení procesoru s okolím jako je komunikace s LCD, klávesnicí, teplotním čidlem chladiče, spínání ventilátoru, pípák pro signalizaci, analogový trim na jedné desce plošného spoje plus terminál pro připojení s výkonnovou částí, kde je PWM výstup 1 pro řízení STEP-DOWN části měniče a výstup 2 pro řízení STEP-UP části měniče spolu s komunikací 4x AD 16 bit převodníkem pro měření napětí a proudu na vstupu a výstupu nabíječe.

24.1.2011 - Vyrobena a osazena deska s procesorem. Připojení LCD a klávesnice s šesti tlačítky. Rychlé připojení digitálního čidla teploty pro test komunikace. Zkouška funkce ventilátorů a pípáku na desce. Po osazení desky s procesorem a její nainstalování do dna plechové skříňky jsem mohl přejít na samotné psaní úvodního programu pro PIC. Nastavení PORTů A-E, PWM, ADC. Naprogramování základní smyčky, inicializace LCD, čtení tlačítek, ovládání ventilátorů a komunikace s DS čidlem. Vše fungovalo na první zapnutí. Návrh plošného spoje byl tedy úspěšný.

Naprogramoval jsem základní rozvržení dat na displeji, ovládání tlačítky, měření AD, ovládání PWM a komunikace s teplotním čidlem. Nabíječ připravuji pro test DC/DC měniče a prozatím na LCD zobrazuji napětí/proud na vstupu a výstupu, teplotu chladiče, polohu trimu od 0-100% v krocích po desetinách. Pro testy bude probíhat měření intením ADC 10bit. Je připraven časovač pro měření doby nabíjení. Čas je zajištěn pod přerušením s časovačem TIMER1.

V pozdějších verzích programu přibude výpočet pro příkon, výkon, účinnost a kapacita odebraná ze zdroje plus kapacita dodaná do výstupu. Po napsání tohoto základního programu přejdu na návrh výkonnové části měniče. Ta bude ale jen v testovací verzi, kdy budu testovat účinnost a po dosažení rozumných výsledků dojde na výrobu finální výkonnové desky DC/DC měniče s osazením 4x ADC 16bit.

24.4.2011 - Testy měniče hotovy. Prototypová deska měniče vyrobena a funkční. V této verzi ještě stále využívám ADC v PIC s externí napěťovou referencí. Proto je na hlavní desce měniče vyveden slot s důležitými piny pro měření a komunikaci s PIC. Na tento slot je také připojen jakýsi prozatimní bastl s RC členy a napěťovými děliči pro měření. Zapojení je připraveno jak pro použití ADC v PIC, tak pro případný upgrade na externí 4x ADC ADS8320, kdy se jen překonfigurují PINy v PIC a upraví se program pro komumikaci s ADC. Celý vývoj měniče se zdržel na obtížnosti měření veličin. Při práci měniče s většímy proudy, jak na vstupu tak i na výstupu, docházelo k velkému kolísání naměřených hodnot vlivem zvlnění průběhu napětí. Proto jsem musel víceméně zkusmo vyladit RC filtr pro vstupy ADC v PIC, tak aby bylo napětí filtrováno a zároveň ještě měření rychle reagovalo na změnu napětí. Ale i tak je kolísání na vstupech 10bit ADC v rámci 1-3LSB, to budu ale řešit sčítáním čtyř hodnot po sobě a jejich průměrováním přímo v programu. Tak dojde k ustálení hodnot na displeji. Abych nemluvil jen teoreticky, tak jsem dosáhl pro mě velmi pěkného výsledku výstupního výkonu cca 500W při napětí 42V a cca 12A. Reálných je cca 550-600W, ale zde je nutné již aktivně ofukovat chladič nabíječe ventilátorem a sledovat teplotu cívky měniče, která dosahuje teplot 75-85°C. Vzhledem k použitým filtračním kondenzátorům na výstupu měniče s nízkým ESR, jsem zvedl praktický počet nabíjených lipol článků na 14. S nabíjecím výkonem kolem 350-400W nejsou žádné potíže s nadměrným zahříváním součástek. U nabíjecího výkonu 500-600W je již nutno chladit především cívku měniče a při delším provozu na vysokém výkonu i chladit chladič nabíječe, který se po pěti minutách zahřeje na více jak 40°C. Jako největší zdroj tepla jsou schottkyho diody. Nyní bych volil tři dvojité diody na 30A. Frekvenci měniče jsem zvolil 40kHz. Při 20kHz byl jeho celkový výkon nižší a nebo již klesala účinnost měniče. Účinnost jsem zatím neměřil nijak přesně, ale podle prvních měření jsem u cca 250W byl na 91% a s výkonem 400W na účinnosti cca 88% a při 500W kolem 86%. Po odladění programu nabíječe pro testování se bude účinnost měniče zobrazovat přímo na displeji s nabíjecím výkonem a bude průběh prarametrů možno vidět okamžitě. Zahřívání mosfetů měniče a shottkyho diod se výrazně podílí na snížení účinnosti měniče. Proto jsem změnil chladící podložky polovodičů ze silikonových na klasické slídové podložky s teplovodivou pastou. Účinnost rázem vyskočila o 3-5% nahoru.

Vzhledem k tomu, že jde o nabíječ velkých lipol akumulátorů a jeho přesnost a spolehlivost musí být prakticky 100%, tak se musím znovu protrasovat celým programem po řádku od začátku do konce. Je v něm spousty smyček, které lze zkrátit. Něco jde udělat jednodušeji a celkově program přerovnat. Rovněž jsou v něm části a podprogramy použité pouze za účelem testování a ladění DC měniče. Některé části především k výpočtům a časové smyčky mám zdvojené, jelikož program zasahuje již do druhé banky v paměti PIC. Tím se dá rovněž program zjednodušit a zpřehlednit. Neustálé přepínání běhu programu z banky do banky je zvyšování možnosti chyby a zbloudění programu, což je při použití měniče řízeného PWM výstupem naprosto nežádoucí a může mít destrukční charakter pro ochranný balancer nebo i samotnou nabíjenou baterii lipol.

Jednou z částí úprav programu jako je jeho reorganizace bude zpracování úvodního menu s testem napětí zdroje a následné nastavení parametrů pro nabíjení. Jednou z podmínek dalšího vývoje nabíjecí smyčky a regulace bude naprogramování samostatného menu pro kalibraci nabíječe. Z toho bude totiž následně vycházet samotné měření a výpočty příkonu, výkonu, účinnosti, přijatého náboje ze zdroje a kapacita dodaná do nabíjené aku.

1.5.2011 - Reorganizace programu již částečně proběhla. Nabíječ jsem předběžně zkalibroval, ikdyž interní ADC nevyniká nijak zvlášť velkou přesností a je rovněž velmi závislá na zatížení výstupů microprocesoru. Proto se nyní budu zabývat naprogramováním menu pro kalibraci zharnující výpočty konstant. To je velmi důležitá věc. Za pomoci konstant se vypočítává vstupní a výstupní výkon a z toho vycházející účinnost měniče. Na základě AD převodu a konstant se vypočítává náboj dodaný do výstupu a energie odebraná ze zdroje. Bylo by velmi složité provádět mnoho výpočtů pro stanovení konstant pro jednotlivé části programu měření a zapisovat je do programu v assembleru. Zde by se dalo nadělat mnoho chyb. Menu kalibrace bude tyto výpočty automaticky provádět na základě naměřených napětí a proudů a konstanty budou na pevno programem uloženy do EEPROM. Za těchto podmínek mi nic nebrání v dalším vývoji programu pro nabíječ.

29.12.2011 - Výroba zásuvného modulu s čtyřkanálovým analogově/digitálním převodníkem s differenčnímy vstupy. Pro rychlejší postup výroby a návrhu jsem se poohlédl po AD převodníku v klasickém DIP pouzdře. Což mi zjednoduší výrobu plošného spoje. Použil jsem ADC MCP3208, který má osm vstupů nebo čtyři differenční vstupy. Rovněž jsem se rozmýšlel nad rychlou a jednoduchou komunikací s microprocesorem, kterou budu schopen sám naprogramovat. Tento ADC má pro mě výhodu, že 12bit rozlišení je postačující pro rozumný výkon a přesnost a dostupnost datasheetu s popisem komunikace výrobcem. ADC pochází od výrobce Microchip a tak jsou informace volně a snadno přístupné. Deska ADC má vlastní stabilizátor napětí 5.0V s přesností 0.5% a napájí jak samotný ADC, tak oba hall senzory proudu pro měření proudu na vstupu a výstupu. ADC má externí napěťovou referenci 4.096V s přesností 0.41mV/+-20ppm. Komunikace s PIC probíhá pomocí čtyř vodičů. DATA OUT, DATA IN, CLK a CS. Komunikace začíná L na CS. CLK určuje PIC. Po sběrnici DATA IN se do ADC zapíše informace o vybraném vstupu a jeho konfuguraci. Po té se z DATA OUT čte třináct bitů z přenosu ADC na daném vstupu. První bit je START BIT. Přesnost ADC je +-1LSB ze 4095.

Dalším postupem při návrhu programu je:
- naprogramování menu pro kalibraci a výpočty konstant - AD převodu na hodnoty U a I
- naprogramování vlastní regulační smyčky pro automatické nabíjení - charakteristika nabíjecí křivky U/I
- naprogramování podprogramu pro výpočty pro omezení při nabíjení - LIMIT IN/OUT - U/I/TIME/CAP/N/P
- (označuje limit času, kapacity, účinnosti, výkonu a příkonu)
- naprogramování menu pro volbu nabíjené baterie, proud, napětí, kapacita - ruční volba nabíjené baterie