Mikroprocesorowy prostownik - desulfator akumulatorów cz 3

Rzeźbienie algorytmu

 59 PLN do wydania Biedronce? Oczywiście
Tyle kosztuje mikroprocesorowy prostownik wykonany chińskimi rączkami. A ja tu odkrywam Amerykę. I wcale nie jestem pewien, że efekt będzie lepszy. Że drożej - to mam jak w banku, czy lepiej - zobaczymy.

Jakiś cel należy obrać. W pierwszym przybliżeniu chciałbym zrobić prostownik z automatycznym odsiarczaniem. Jak to miałoby działać? Podłączam do mojego prostownika akku z objawami zasiarczenia. Prostownik ocenia pierwotną kondycję akumulatora i przystępuje do procedury ładowania/regeneracji. Jeśli efekt jest pozytywny - następuje poprawa parametrów akumulatora - procedura jest powtarzana aż do ustabilizowania się tych parametrów. Na koniec dostaję naładowany maksymalnie akumulator i informacje o stopniu jego naprawy. Proces całkowicie automatyczny i bezobsługowy ale z pełną informacją online w aplikacji BLYNK w  telefonie i z możliwością zmian, korekt czy zatrzymania procesu.

Tyle opis ogólny. Resztę się wyklepie.
 
Dotychczasowa lektura nt akumulatorów raczej zachęca do eksperymentów. Układ testowy prostownika też działa nie najgorzej. No to do roboty....

Układ mocy

Transformator i mostek diodowy mam ze starego prostownika. Do sterowania napięciem/prądem daję MOSFET-P kluczowany tranzystorem Q1. A w zasadzie dwa MOSFETy by odciąć diodę pasożytniczą w MOSFET  w kierunku zasilania.  Tranzystor Q1 jest sterowany bezpośrednio z Arduino. By nie utrudniać sobie pracy do regulacji prądu/napięcia na wyjściu wykorzystuję PWM. Częstotliwość bazowa PWM w NANO (w Atmega 328) to 500Hz rozdzielczość 255 kroków. To daje 5 kluczowań na połówkę sinusoidy z prostownika z rozdzielczością ok 0,5%

Tak to powinno mniej więcej wyglądać na ekranie oscyloskopu (przebieg zasymulowany w ciekawym i darmowym programie LTspice IV) kiedy obciążeniem zamiast akumulatora byłby opornik

 Taka regulacja jest wyjątkowo prosta do sterowania  w programie jednym rozkazem a dodatkowo akumulator zasilany jest mocno impulsowo co powinno korzystnie wpłynąć na możliwość jego regeneracji. Jedyny problem to taki, że mój transformator daje tylko 13,5V napięcia skutecznego (to to co mierzy miernik) co oznacza że napięcie maksymalne to  13,5 x 1,41 = 19V. Odejmując spadek na diodach prostownika mam do dyspozycji jedynie około 17,5V. To niewiele jak na potrzeby regeneracji akumulatora. Zobaczymy w działaniu czy to wystarczy. Mam jeszcze możliwość podwyższenia tego napięcia o 0,7V rezygnując pełnego mostka na rzec jednej diody prostowniczej i ograniczając prostowanie do napięcia jednopołówkowego.

Za pomocą tego prostego układu mam możliwość realizacji następujących "programów" i funkcji prostownika. W pierwszych wersjach  przewiduję ręczne wprowadzenie pojemności akumulatora  C (Ah) do programu. Na tej podstawie program określi inne parametry ładowania.

1. Zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją baterii i zwarciem zacisków i iskrzeniem

Przed uruchomieniem klucza tranzystorów MOSFET program sprawdza czy napięcie  na wyjściu prostownika jest większe od 2V. Brak tego napięcia może oznaczać
 - brak akumulatora
- zwarcie zacisków
W tym przypadku mikroprocesor nie rozpocznie procedury ładowania. Istniej możliwość, że do zacisków zostanie dołączony całkowicie rozładowany akumulator z napięciem poniżej 2V. W programie będzie opcja ręcznego uruchomienia ładowania.

Napięcie na akumulator zostanie podane po kilku sekundach od stwierdzenia przez program obecności baterii - zapobiegnie to iskrzeniu przy zakładaniu klem.

2. Wstępne impulsowe ładowanie (WIL) całkowicie rozładowanych akumulatorów U akku < 10,5V

W tej fazie prostownik podaje na akumulator bardzo wąskie impulsy napięcia powodujące przepływ prądu o średnim natężeniu 0,01-0,02 C. Cyklicznie program sprawdza czy napięcie na akumulatorze się podnosi. Brak jakiejkolwiek zmiany po czasie 1 h traktowane jest jako niemożność naładowania akku i procedura ładowania jest wstrzymywana.
Faza wstępna kończy się gdy akumulator naładuje się do napięcia 10,5 V
Czas fazy wstępnej ograniczony jest do 10 h (zmienna do ustawienia z aplikacji). Jeśli po tym czasie napięcie nie narośnie do 10,5 zgłaszany jest błąd ładowania a procedura jest wstrzymywana.

3. Łagodne ładowanie (LL) 10,5V < U akku <12,6V

W tej fazie rozpoczyna się ładowanie akumulatora niewielkim (0,01-0,02 C) prądem. Faza
trwa do osiągnięcia napięcia 12,6V. Jeśli po czasie 10 h napięcie jest niższe zgłaszany jest błąd ładowania a procedura wstrzymywana (najprawdopodobniej zwarta/zwarte cele w akumulatorze )

4. Ładowanie główne (LG) 12,6 < U akku < 14,4* (*napięcie modyfikowane)

To podstawowa faza ładowania. Prostownik daje maksymalny prąd (nie większy niż 0,25C). Maksymalny czas ładowania jest kalkulowany na 100% naładowania. Faza ta wymaga pomiaru prądu ładowania. Jeśli po czasie obliczonym przez program napięcie jest niższe  niż 14,4 zgłaszany jest błąd ładowania a procedura wstrzymywana (najprawdopodobniej zwarta/zwarte cele w akumulatorze). Napięcie górne fazy 14,4* jest modyfikowane współczynnikiem temperaturowym -30mV/oC w zależności od temperatury zewnętrznej mierzonej przez NANO.

5. Faza absorpcji  (FA) U akku < 14,4V*  I > 0,01-0,02 C

 Faza malejącego prądu ładowania. Prostownik utrzymuje napięcie na akumulatorze w granicach 14,4 -14,8V (modyfikowane temperaturą) zmniejszając wielkość prądu ładowania. Zakończenie fazy po zmniejszeniu prądu do 0,01-0,02C lub po czasie 10h.

6. Faza desulfatora (FD) U akku < 14,8V* lub 15,6V

  W tej fazie akumulator jest bombardowany wąskimi impulsami napięciowymi przez możliwie długi czas. Czas określany jest na podstawie kryterium ładunku wprowadzonego do akumulatora = 130-180%C. Do decyzji pozostaje próg napięciowy jakiego nie powinien przekroczyć akumulator w czasie ładowania(14,8, 15,5 a może 16V). Alternatywnym algorytmem jest wprowadzenie fazy rozładowania akumulatora po przekroczeniu napięcia granicznego i powtórne uruchomienie FD
Faza uruchamiana  na żądanie.

7. Rozładowanie kontrolne (RK)

 Rozładowanie kontrolne może służyć do
- pomiaru napięcia w trakcie faz ładowania. - Chwilowe obciążenie akumulatora pozwala na dokładniejszy pomiar rzeczywistego napięcia na akku bez konieczności czekania 24h
- oszacowania rezystancji wewnętrznej. Dokonanie pomiaru przy dwóch poziomach obciążenia dla tego samego poziomu napięcia akumulatora pozwala sprawdzić stan akumulatora a przede wszystkim ocenić czy procedura desulfatora poprawia parametry akumulatora czy nie.
- przedłużenia czasu procedury desulfatora. Jeżeli w czasie procedury FD napięcie wzrośnie ponad dopuszczalną granicę a z kalkulacji wynikać będzie że odpowiedni ładunek nie został wprowadzony do akumulatora to nastąpi czasowe rozładowanie akumulatora by umożliwić ciąg dalszy procedury odsiarczania
- pomiar rzeczywistej pojemności akumulatora. Obciążając akumulator znanym prądem i mierząc czas spadku napięcia do poziomu rozładowania (10,5 - 11V) można z zadowalającą dokładnością określić rzeczywistą pojemność akku. Procedura niesie ryzyko zwiększenia zasiarczenia akumulatora i skrócenia żywotności.
Po fazie rozładowania następuje pełen cykl ładowania akumulatora
Faza uruchamiana  na żądanie

8 Faza spoczynku (FS) 12,6V < akku > 13,6V

 W tym cyklu akumulator jest odłączony od napięcia a mikroprocesor mierzy jego napięcie. Spadek napięcia poniżej 12,6V uruchamia procedurę impulsowego doładowywania do napięcia 13,5-13,8V maksymalnym prądem nie większym niż 0,25C i ponowne przejście  fazę FS

To są dosyć rozbudowane funkcje prostownika więc trzeba nieco rozbudować blok mocy

 Do poprzedniego schematu doszedł kolejny MOSFET do kontrolowanego sterowania sztucznym obciążeniem akumulatora i  halotronowy czujnik prądu. Mam zamiar dodać też kondensator by zwiększyć prąd upychany do akku - napięcia zasilającego już nie podwyższę. MOSFET sterowany bezpośrednio z Arduino. Nie są to optymalne warunki pracy polówki (za małe napięcie bramki by otworzyć go całkowicie) ale dam jakiś wysokoprądowy tranzystor i przy 5 V sterowania powinienem bez problemu przepuścić przez niego kilka A.

Tyle teorii elektronicznej - czas na sprawdzenie pomysłów w praktyce .........