Переносной походный аккумулятор Манул

Автор: Evgeny1
Опубликовано 07.09.2015
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2015!"

С Днем Рождения ДОРОГОЙ КОТ!

Доброго времени суток дамы и господа! 

 Сегодня я хочу вам рассказать о том как сделать переносной аккумулятор для питания различных мощных (и не очень мощных) нагрузок в том месте, где доступа к электросети нет. 

Краткое ТЗ: 

1-устройство должно выдавать самые обычные 5В с током 3-5А;

2-должно давать 12В с током до 10-15А (вдруг радиостанцию запитать или например инвертор на 220В);

3-должна быть индикация тока и напряжения;

4-должно весить не очень много и занимать не больше четверти рюкзака;

5-иметь емкость 20А-ч;

6-батарея должна иметь защиту от глубокого разряда и КЗ;

7-все должно быть красиво и солидно, как и положено правильным котам и кошкам.

 И так начинаем!

Как-то не так давно подвернулись мне несколько аккумуляторов

вот таких 

Они имеют емкость 5А-ч, три ячейки лития с напряжением 10-12,6В (10В - полностью разряжен, 12,6В - полностью заряжен)

+ко всему у этих аккумуляторов встроен балансир! а этого я эще не разу не встречал ни в одном ноутбучном аккумуляторе, обычно там просто контроль напряжения на каждой банке и если оно выходит за некоторые пределы, то контроллер отключает батарею от нагрузки. А тут балансир на трех резисторах которые подключаются к банкам через полевички (если контроллер решит, что батарее может быть нехорошо и пора выравнивать напряждение на банках)

Корпус имеем вот такой 

В него идеально влезает 4 таких батареи и остается еще немного места для необходимой электроники.

А 4 таких аккумулятора вместе это 20А-ч емкости. Учитывая, что разряжать данные батареи (без вреда для их здоровья) можно током в 1С, а заряжать током в 0,5С получаем, что 4 батареи параллельно можно разряжать током в 20А и заряжать током в 10А.

Заряжать будем от стандартного ноутбучного БП 19,5В 3,9А это грубо говоря 75Вт.

Сначала я планировал использовать для заряда микросхемку MM1332F, я ее много где применял уже и она хорошо себя показала.

Но у нее есть две существенные проблемы:

1-Это линейный регулятор со всемы вытекающими из этого последствиями;

2-У нее максимальное входное напряжение питание 17В.

И если с первым недостатком еще можно было как-то смириться (конечно скрепя зубами и когтями), а вот то, что питание максимум 17В это совсем плоховато.

Было решено делать импульсную зарядку из того, что есть под руками.

Это должен быть импульсный DC-DC преобразователь со входным напряжением 19В (ну или 15-24В) и выходным 12,6В с ограничением тока на уровне 5А и максимально возможным КПД - это чтоб ничего не грелось.

Током в 5А четыре аккумулятора соединенные параллельно зарядятся чуть больше чем за 4 часа. 

В корпусе конечного устройства не должно быть никаких ввентиляционных отверстий, чтоб не забивалось пылью, и сильного нагрева тоже быть не должно, ибо высокая температура для li-ion аккумуляторов крайне не полезна.

В ходе экспериментов получилась такая схема 

понижающий синхронный DC-DC преобразователь.

Сердцем данной схемы является мелкосхемка IR2111 это полумостовой драйвер полевых и IGBT транзисторов.

 ШИМ контроллер можно использовать любой например UC384x или TL494, я использовал LM2576 (он конечно дороже, но их у меня оказалось больше всего в наличии). Плюс ко всему он требует меньше всего обвязки по сравнению с другими микросхемами, по сути он вообще никакой обвязки не требует. Подал питание, завел обратную связь и снимай сигнал.

По схеме

 На пятой ноге lm2576 резистор-перемычка 0 Ом подтягивает к земле - этот резистор только для того чтобы если понадобится отпаять его и ввести электронное включение/выключение преобразователя.

Конденсаторы

С1, С2 и С14, С15 электролитичекие, 

С3, С4, С5, С7, С10, С11, С12, С13, С18 танталовые, остальные керамические.

Схема нуждается в настройке, а именно в подстройке выходного няпряжения и тока.

Так как данный преобразователь будет заряжать литий-ионные батареи которые крайне критично относятся к повышению напряжения, подстроечные резисторы было решено не ставить, ибо нефиг! один раз выставил напряжение точно и нечего крутить там больше!

Напряжение устанавливается резистором R7 его сопротивление у меня получилось 6,7к.

Номинал этого резистора напрямую зависит от применяемых диодов в цепи обратной связи. VD2, VD3 они могут быть любыми, главное одинаковыми и чтоб падение напряжения на них было минимальное.

Необходимо точно выставить напряжение на уровне 12,6В (можно чуть меньше) но никак не больше!

Под R7 для точной настройки предусмотрено два посадочных места на плате. 

Схема стабилизации тока была нагло срисована с платки китайского DC-DС преобразователя на xl4005e

примерно такого.

Напряжение с шунта подается на прямой вход ОУ и с выхода подается на вход ОС микросхемы LM2576 через диодик VD3.

Ограничение по току устанавливается на уровне 5А подбором сопротивоения резистора R10, его сопротивление в моем случае составило 137,5к.

 Таким образом мы получаем сиабилизацию напряжения с ограничением по току.

При включении преобразователя он выдает ровно 12,6В, повышаем ток нагрузки и как он достигает уровня 5А преобразователь начинает снижать напряжение стабилизируя ток на заданном значении.

Другой ОУ (как мы помним у lm358 в корпусе 2 операционника) используется в качестве компаратора и включает светодиод VD7 в режиме ограничения тока. На плате я его развел, но в конечном устройстве так и не использовал эту индикацию.

 Вариантов схемы и платок этого преобразователя было несколько обо всех рассказывать не буду, но покажу предпоследнюю и собственно финальную.

Предпоследняя выглядела так 

Преобразователь получился нормальный, КПД от 90 до 93% в зависимости от нагрузки.
при токе 5А температура силовых ключей не больше 40гр без радиатора. Грелся только дросселек и диодная сборка VD8, при максимальном токе на ней рассеивается мощность до 1,5Вт.

 P.S. Если вам нужен просто понижающий DC-DC например чтоб в грузовике от 24В запитать например радиостанцию на 12В, то смело выкидывайте из схемы VD8, VD2 и VD3, операционник с шунтом тоже и КПД вашей понижайки получится около 95%.

P.P.S. Народ, не забывайте про защитные диоды по напряжению! и предохранители они стоят копейки, а сэкономить могут очень много!

Было решено в очередной раз переделать плату и таки добавить большой радиатор, СОВСЕМ БОЛЬШОЙ радиатор! 

хоть он по сути и нужен только выходным диодам, но хуже явно не будет. Тем более, что мне очень хотелось его применить!

Платка получилась такая 

 Диодная сборка перенесена к краю платы (напомню она нужна чтобы напряжение а батареи не подавалось на схему с обратной стороны)

Добавлены еще по одному электролиту на вход и на выход (это помимо тантала, что с обратной стороны платки)

Дроссель установлен тоже более мощный и с чуть меньшей индуктивностью.

Транзисторы греться практически вообще перестали с новым дросселем, а те полтора ватта которые греет диодная сборка перестали ощущаться после установки огроменного радиатора!

 С обратной стороны платка выглядит так ↓

 Примеряем как все это безобразие встает в корпус, еще две батареи будут закреплены на верхней крышке.

Но перед тем как окончательно поставить преобразователь в корпус проводим тестирование в жестких условиях! А именно плотно укутываем его в полотенце и даем на него максимальную нагрузку!

После того как оно проработало час в таком режиме преобразователь нагрелся до 45гр, что очень даже не плохо и не особо жарко.

Оставляем еще на час и если все хорошо, то покрываем платку 3-4мя слоями лака пластик-71 с полной просушкой каждого слоя. В итоге получается модуль полностью готовый к установке на свое постоянное место жительства!

А пока оно тестировалась я успел сделать платки для соединения АКБ параллельно через самовосстанавливающиеся пердохранители предохранители на 2,5А

и закрепить сами батареи

Разумеется прежде чем параллелить аккумуляторы нужно выровнить напряжение на них (зарядить или разрядить до одного уровня)

Закономерно  назрел следующий вопрос: А как и чем все это дело выключать и включать?

раз мы хотим снимать токи до 15А не ставить же тумблер на 15А....эту будет убожество.

В этом поможет мелкосхемка под названием BUK206-50Y 

она представляет собой эдакий ключ, выключатель питания который управляется логическими уровнями, подаем 1-включается, подтягиваем к 0-выключается. Внутри у нее полевой транзистор и схема управления для него.

Т.е. мы избавились от силового тумблера и нужно будет коммутировать только сигнальные цепи!

За одно раз уж пошла такая пьянка валерьянка, то прикрутим туда же и защиту от глубокого разряда. Для этого нужно добавить любой супервизор питания (ну не совсем любой, а на нужное напряжение) я применил нашу отечественную мелкосхемку КР1171СП10. Десять в конце означает, что она на напряжение срабатывания 10В. Вообще li-ion батареи можно разряжать до 3В на банку, но в моих аккумуляторах есть встроенный индикатор заряда в виде 5ти светодиодов, и они показывают полную разрядку на 10В т.е. 3,33В на банку. Чтож десять так десять будем эксплуатировать батареи в очень щадящем режиме:) не разряжая их до 3В.

F1 плавкий предохранитель размещенный в держателе на задней стенке прибора. 

F3 самовосстанавливающийся предохранитель на 5А.

На плате у меня еще по входу установлены два самовосстанавливающихся по 5А в параллель предохранителя, прошу пардона что-то я забыл их на схеме нарисовать.

С2-L1-C3 фильтр от ВЧ помех.

При отключения в момент разряда батареи цепочка R2-C1 задает небольшой гистерезис при переключении примерно 0,2В.

Пришло время делать заднюю стенку!

Ковыряем отверстия, смываем тонер и покрываем парой слоев пластика-71 (чтоб блестело красивее)

Далее делаем провода для подключения батарей. Просода от разъемов 2,5кв.мм. общие отходящие 4кв.мм. 

Зачем так толсто? Спросите вы.....

-Да чтоб напряжение при большой нагрузке просаживалось как можно меньше, да и для спокойствия!

Соединяем DC-DC с платкой выключателя, предохранителями и разъемом на задней стенке и всем остальным.

Пришло время поговорить о измерении напряжения и тока.

Так как в программировании я не силен (когда говорю не силен-значит вообще не бум бум..)

Применил схему которую откопал около года назад на нашем форуме, только немного ее дополнив.

При включении на экран выводится надпись 

Это по всей видимости автор прошивки! Честь ему и хвала за такой девайс!) И вообще спасибо.

Собственно схема измеряет напряжение, ток, температуру и вычисляет мощность.

 А я дополнил ее лишь сенсорным выключателем плдсветки дисплея и немного другим вариантом операционника для амперметра.

 Сенсорная кнопка для подсветки сделана на микросхеме AT42QT1012, она представляет собой готовое решегние для сенсорной кнопки с фиксацией (т.е. нажал включил, нажал еще раз и выключил) да еще к тому же может отключаться по таймеру!

 Мелкосхемка отличная всем советую купить минимум десяток:)

Сенсорная площадка представляет собой просто полигончик меди с обратной стороны панели на которой она собственно устанавливается. Я использовал ее и в других своих девайсах и опытным путем выяснено, что работает она намного стабильнее если этот сенсорный пятачек окружить земляной дорожкой.

На схеме как раз я это и показал очень наглядно.

Операционник усиливающий напряжение с шунта запитан от цепочки стабилитронов с напряжением 8,4В пробовал запитывать от 5В, пробовал операционники Rail-to-Rail, но результат везде у меня был один, а именно до 2-3А показания нормальные, а дальше либо завышает, либо занижает.

С таким вариантом обычная LM358 с питанием 8,4В наконец-то заработало нормально.

Схема нуждается лишь в подстройке правильности показаний амперметра и вольтметра по отдельному образцовому прибору, ну и в тщательной промывке платы от флюса ибо амперметр и кнопка увствительны и немножко капризны на первый взгляд.

Осталось только прикрутить DC-DC на 5В для зарядки различных девайсов и наш прибор почти готов!

Тут все просто-берем любую мелкосхемку понижайки которая есть

у меня это оказалась AOZ1014 это понижайка на 5А в корпусе СОИК-8.

схема стандартная

 Далеко не все современные девайсы начнут заряжаться если им просто дать на USB 5В
они еще должны понять что это за зарядка и какой максимальный ток можно с нее брать! Для этого установлены по паре делителей на каждый разъем.

Пришло время делать переднюю стенку. Она тоже из текстолита.

С обратной стороны расположился DC-DC на 5В для USB и сенсорная кнопка с КРЕНкой на 5В (от нее же питается и сам вольтметр).

Запаиваем, покрываем лаком (прорезаем отверстия перед этим)

 Вставляем, подключаем и ктулхизируем

там еще платка для вольтметра, что-то я забыл ее сфоткать крупным планом, но все платы я приложу архивами в конце статьи.

Ну вот видим как сначала все было красиво, а потом переплелось паутиной((

Ну вот и все готово! 

начнем с задней стенки т.к. ее делали первой.

Если подать внешнее напряжение с зарядки , то загорается зелененький светодиод через текстолит

на разъем выведены 12В и сигнал на отключение который можно подать и отключить батарею.

КРАСОТА!

Передняя панель. На круглый разъем выведено все тоже самое, что и на задний.

 Можно любые USB девайсы заряжать

А можно и серьезную нагрузку подключить !

Нажимаем на передачу 
ток 7,1А

Включаем вторую станцию на передачу

ток больше 10А и амперметр уходит в зашкал

Вот такой получился комплектик

Ну вот и все окончательно готово! (пойду пожалуй добавлю туда пищалку которая будет пищать перед отключением батареи при разряде)

Получился серьезный аккумулятор для серьезных котов!

 Мне было приятно пообщаться с Вами дорогие читатели, надеюсь вам со мой тоже:)

Даже если хоть один кусочек схемы будет полезен радиолюбителю, то значит я проделал все это не зря! 

До новых встреч, друзья!

Файлы:
Платы
плпта вольтметра
Прошивка МК и проект Proteus

Все вопросы в Форум.