niedziela, 5 lutego 2017

Mikroprocesorowy prostownik - desulfator akumulatorów cz 4

Teoria teorią a praktyka sobie

Poskładany prototyp gotowy do testów.



Pomny doświadczeń z płytką stykową wszystko jest elegancko polutowane. No może z tą elegancją to przesada ale co mogłem to przytwierdziłem na stałe.
W międzyczasie uległ lekkim przeobrażeniom schemat prostownika.



Zrezygnowałem z pomiaru napięcia lupą napięciową - to pomiar via dioda zenera powinienem otrzymać 3 x większą dokładność pomiaru napięcia. Niestety nieliniowość diody zenera była na tyle duża, iż nie dało się tego zgrabnie wykalibrować w zakresie 11- 16V. Dokładniejszy okazał się pomiar całego napięcia akumulatora podawanego na wejście analogowe NANO  (Uwy_full) poprzez dzielnik. Nie ma też dużych kondensatorów filtrujących na tym dzielniku pomimo impulsowego zasilania akumulatora poza niewielkim kondensatorem rzędu nF do przejęcia ewentualnych szpilek przepięciowych jakie mogą pojawiać się w stanach nieustalonych.   Akumulator okazał się najskuteczniejszym kondensatorem filtrującym a kilku-woltowe skoki napięcia mierzone przez NANO uśredniam programowo - to całkowicie wystarcza do określenia w miarę poprawnych napięć na akumulatorze. By dokładnie określić napięcie naładowania baterii i tak trzeba będzie wyłączyć MOSFETem ładowanie a wtedy żadnych impulsów na akumulatorze nie będzie.
Odzyskane wejście analogowe przełączyłem na LEDa  wejściowego prostownika. Tym sposobem będę mógł stwierdzić czy prostownik podłączony jest do sieci i czy podawane jest napięcie zasilające MOSFETy.
Trzecie wejście analogowe służy do pomiaru prądu z układu ACS720. Niestety bracia Chińczyki dali plamę i zamiast 5A czujnika ACS przysłali mi 20A przez co czułość pomiaru spadła mi niemal dwukrotnie - miałem mieć 180 mV/A a mam 100 mV/A. Teoretycznie mógłbym mierzyć prąd 1A z dokładnością 5 mV (5V/1024) czyli 5% ale w praktyce zakłócenia od impulsowej pracy układu skutkują dokładnością na poziomie 20 - 30% a a w zakresie prądów 0,1 - 0,2  nawet 50% błędu. Trochę mało by mierzyć np. zmianę oporu wewnętrznego akumulatora po zaaplikowaniu mu uzdrawiającej procedury odsiarczania. Trzeba będzie wymyślić inny sposób badania skuteczności naprawy  akku. Dla uśrednienia mocno impulsowych przebiegów prądu z przetwornika Halla zastosowałem filtr dolno-przepustowy zasymulowany w SpiceLT (poprzedni post). Działa znakomicie.

Program jest w powijakach więc nie ma czego opisywać. Ale odczytywanie wszystkich istotnych pomiarów w telefonie za pomocą BLYNKa - bezcenne. Praktycznie nie muszę używać miernika by określić co dzieje się ładowanym akumulatorem. Dwie diody na wejściu i wyjściu prostownika to wszystko co zastosuję w docelowym rozwiązaniu jako wskaźniki - resztą zajmie się BLYNK.



Na razie zaimplementowałem dwie procedury ładowania - stałym prądem ( a w zasadzie stałym wypełnieniem) ustawianym górnym suwakiem i stałym napięciem określonym przez dolny suwak. Oba poziomy I i U ustawiane oczywiście z BLYNKa w telefonie.
Przy ładowaniu stałym prądem (stałym wypełnieniem) MOSFETy są otwierane na stałą uzależnioną od pojemności akumulatora wartość wypełnienia - najczęściej jest to maksymalna wartość prądu jaką udaje się wycisnąć z prostownika. Transformator ze starego prostownika ma dobrze dobrane napięcie wtórne samoograniczające prąd ładowania do wielkości 8-10 A dla typowych akku samochodowych, które zmniejsza się samoistnie przy wzroście napięcia na baterii. Nie ma więc zagrożenia przeładowania ale dodałem dodatkową funkcję - ograniczenia napięcia ładowania ustawianego dolnym suwakiem. Gdy napięcie ładowania przy stałym wypełnieniu osiągnie założony poziom program automatycznie zmniejsza krokowo wypełnienie tak by utrzymać napięcie na akumulatorze na określonym poziomie.
Procedura ładowania stałym napięciem działa podobnie ale prostownik ma możliwość zmiany wypełnienia w górę i w dół. Program sukcesywnie zwiększa prąd (wypełnienie) ładowania od 0 do maksimum ustawionym na górnym suwaku a potem tak reguluje wypełnienie w górę i w dół by utrzymać napięcie ładowania na stałym określonym poziomie
Procedura przy stałym wypełnieniu służy także do formowania wstępnego głęboko rozładowanych akumulatorów  oraz do procedury odsiarczania po ich całkowitym naładowaniu.
Dla mocno rozładowanych akumulatorów ustawiam wypełnienie od 1/255 do 5/255 i katuję taki akumulator do skutku aż napięcie podniesie się do około 12,6 V.
Właśnie na warsztacie eksperymentuję z niewielkim akumulatorem żelowym, 12 V 7Ah, który przeleżał się kilka ładnych dobrych lat na dworze i miał posłużyć jako element wymienny przy zakupie nowego akumulatora (30 zł taniej bo bez kaucji). Ale o dziwo wciąż wykazywał szczątkowe napięcie na poziome ok 6 V.  Jest wiec szansa, że nie ma zwartej celi co wykluczyłoby go kompletnie z prób reanimacji.



Po pierwszym naładowaniu akumulatorka do napięcia 14 V przyłączona żarówka 20 W świeciła się około 10 sek po czym zdechła a napięcie ponownie spadło do 6-7 V. Po pięciu dniach formatowania impulsami prądowymi o wypełnieniu 2/255 i średnim prądem ok 100-200 mA żarówka świeciła się  już przez kilka min przy spadku napięcia do 9V a po odłączeniu obciążenia napięcie na baterii wraca do 12,6 V. Chyba jednak akku ma jakieś wewnętrzne zwarcie na celi. Potrzymam to jeszcze kilka dni podnapięciem może coś się zmieni.
Przy okazji formatowania tego akumulatora ukazała się dobitnie nieprzyjemna cecha tranzystorów MOSFET - duża wejściowa pojemność bramki. Zmieniając wypełnienie z 1/255 na 10/255 prąd ładowania zamiast wzrosnąć dziesięciokrotnie wzrastał mi zaledwie o 50%. W zastosowanych w układzie tranzystorach IRF 9540 pojemność bramki nie jest jeszcze tak wielka - wynosi "tylko" 1,8nF. Ale to w połączeniu z rezystorem 10 k jaki zastosowałem do polaryzacji bramki daje stałą czasową przy wyłączaniu tranzystora na poziomie 20 - 40 us. Podczas gdy szerokość impulsu generowanego przez PWM wynosi 8-10 us (2ms/255)! A to oznacza, że czas wyłączenia MOSFETa jest większy od szerokości impulsu. Horror. Ratuję sytuację dziesięciokrotne zmniejszając rezystancję polaryzującą MOSFETY. Teraz jasnym się staje czemu do sterowania MOSFETami stosuje się specjalne układy przełączające mające możliwość przenoszenia dużych impulsowych szpilek prądu pochodzących z ładowanej/rozładowywanej wejściowej pojemności. O choćby taki układ
 

 Przy czym tranzystory we wtórniku powinny mieć obciążalność ok 1A by uzyskać czasy przełączania rzędu dziesiątek czy setek ns. I kto tu mówi o napięciowym sterowaniu MOSFETami?
Zmniejszyłem szybko rezystor bramki z 10k do 300 om. I prąd dla wypełnienia 1/255 radykalnie zmalał. W układzie docelowym trzeba więc przewidzieć dwa dodatkowe tranzystory do sterowania MOSFETem. Jakby nie mogli tego od razu zaimplementować w tranzystorze. A tranzystory IGBT potrafili zrobić (to połączenie MOSFET na wej i bipolarny na wyjściu). Te uwagi odnoszą się jedynie do sytuacji kluczowania MOSFETa częstotliwościami powyżej kilkuset Hz. Jeśli jest on załączany sporadycznie pojemność bramki nie ma znaczenia dla poprawności pracy układu czy strat mocy.

Testowe obciążanie formatowanego akumulatorka 7Ah żarówką 20 W wykazało ogromną przydatność tej funkcji dla pełnej automatyzacji naprawiania zasiarczonych akumulatorów.
  1. Po naładowaniu akumulatora do pełnego napięcia  krótkie załączenie obciążenia szybko stabilizuje  napięcie baterii i nie trzeba odczekiwać 12- 24 h by odczytać rzeczywisty poziom naładowania
  2. Po naładowaniu do full akku przyłączenie obciążenia pokazuje jednoznacznie czy nie ma w nim zwartej/zwartych cel. Jeśli napięcie nie spada gwałtownie poniżej 12 V a po odłączeniu obciążenia wraca do poziomu 12,4 - 12,6 V jest duża szansa na prawidłowe działanie wszystkich cel.
  3. Po pełnym naładowaniu przyłączenie obciążenia pozwala na kontrolowane rozładowanie akumulatora i ponowne uruchomienie procedury ładowania. Wg opisów pozwala to na zwiększenie zdolności magazynowania energii w naprawianym akumulatorze.
  4. Po pełnym naładowaniu obciążenie znaną opornością pozwala b. dokładnie określić rzeczywistą pojemność. Wystarczy czas pomiaru do chwili gdy napięcie spadnie do wartości granicznej 10,2-10,5V pomnożyć przez prąd obciążenia. Proste
  5. Przeprowadzanie procedury odsiarczania akumulatora tj. po pełnym naładowaniu traktowanie go impulsami prądowymi o średniej wartości prądu 0,1xI10 (1/100 pojemności) powoduje wzrost napięcia powyżej 15 - 15,5V. Trzeba więc okresowo obniżać stan naładowania akku by móc kontynuować procedurę odsiarczania a może ona trwać nawet kilka tygodni.
  6. Przyłączanie obciążenia o znanej wartości pozwala z dużym przybliżeniem określić rezystancję wejściową akumulatora. A w zasadzie dwu jednakowych obciążeń 

Procedura pomiaru oporności wewnętrznej.
- mierzymy napięcie bez obciążenia - powinno być >= 12,6 V - jeśli jest mniejsze akumulator należy doładować
- obciążamy akumulator jednym znanym obciążeniem. Mierzymy napięcie pod obciążeniem
- obciążamy dodatkowo drugim obciążeniem. Mierzymy napięcie z dwoma obciążeniami
Jeżeli jako obciążenie stosuję dwie żarówki o mocy 20W każda przybliżona rezystancja wewnętrzna to

                U1 - U2
Rwew = -------------  zakładając że I2 = 2 x I1  i  I1 = 20W/12V = 1,6 to Rwew = 0,6 (U1-U2) [om]
                I2 - I1

To wyliczenie jest ze sporym przybliżeniem w określaniu prądu (rezystancji) obciążenia. Jednak wyznaczenie Rwew z dokładnością 20-25% jest całkowicie wystarczające do oceny skuteczności (lub nieskuteczności) procedury odsiarczania.
No to czas do pracy nad programem  inteligentnego prostownika ......

cd pewnie musi nastąpić.

5 komentarzy:

  1. Witam
    Mógłbyś zamieścić lub udostępnić kompletny schemat prostownika?
    Rozumiem, że na jednej płytce jest arduino i ESP a na drugiej prostownik, jednak w żaden sposób patrząc na te schematy, nie mogę dojść jak to ze sobą połączyć.

    OdpowiedzUsuń
  2. Niestety nic więcej niż to co jest w tych kolejnych postach już nie mam. Zrezygnowałem ze zrobienia własnego inteligentnego prostownika gdy w Biedronce pojawiły się procesorowe ładowarki za 50 zł z trójstopniową charakterystyką ładowania (ładowanie pełnym prądem, doładowywanie, podtrzymanie)
    To co widać na schemacie powyżej to już pełen schemat. Poszczególne wejścia / wyjścia dołączone są bezpośrednio do NANO
    Uwe - do wejścia analogowego NANO służy tylko jako wskaźnik czy podane jest napięcia na prostownik
    Uwy full - do wejścia analogowego NANO - główny pomiar napięcia na ładowanym akumulatorze
    I akku - do wejścia analogowego NANO - pomiar prądu ładowania
    Set U/I wyjście PWM z NANO służy do ustawiania charakterystyki napięcia/ prądu ładowania akumulatora poprzez zmianę wypełnienia impulsów sterujących MOSFETami
    Set R - do wyjścia cyfrowego NANO - załącza żarówkę jako obciążenie robocze akumulatora przy kontrolnym rozładowaniu i pomiarze oporności wewnętrznej
    Prostownik robiłem głównie dla potrzeb desulfatora akumulatorów (odtwarzania utraconej pojemności). Ale jak się okazało cały ten proces wymaga jedynie zasilacza ze stałym niewielkim (1/100 C) prądem z ograniczeniem napięcia do 14,8 - 15 V w czasie 20- 30 h w wyniku którego następuje wyrównanie naładowania poszczególnych cel. Dla typowych akumulatorów 48-70Ah potrzebny jest więc jedynie prosty zasilacz 20V/ 1 A z regulacją U i I wyjściowego. Ja stosuję taki z Ali https://tiny.pl/tqckf. Spisuje się bez zarzutu
    Jeśli masz konkretne pytania - pisz


    OdpowiedzUsuń
  3. Myślę, że z tym opisem dam sobie już radę.
    Pozdrawiam

    OdpowiedzUsuń
  4. Bardzo ciekawy projekt. Od jakiegoś czasu szukam projektu prostownika DIY z Arduino do sterowania. Ładowarki automatyczne z Biedronki czy Lidla mnie nie zadowalaja ponieważ laduja za niskim napięciem (max 14,8V) i nie przywracaja gestosci elektrolitu do 1,28 g/cm3 . Potrzeba tutaj tej ostatniej fazy ładowania powyżej 14,8 do 16,2V czyli 2,7V na cele. Jest rosyjski prostownik Kulon 912 który ma sterowanie przez aplikację w telefonie i możliwość indywidualnego ustawienia procesu ładowania i to wydaje mi się dobrym rozwiązaniem. Dusza majsterkowicza jednak spać nie daje i chciałbym zrobić taki prostownik sam. W temacie ładowania akumulatorów polecam kanał na YouTube mr.akumulator gdzie w bardzo przystępny sposób pokazują jak ładować akumulatory roznych typów i testują różne prostowniki.
    Jesli zdecydujesz się wrócić do projektu to chętnie zobacze efekt końcowy.

    OdpowiedzUsuń
  5. Nie wiem jakie masz doświadczenie z regeneracją akku. Ja przetestowałem metodę na kilkunastu w miarę nowych i całkiem zajechanych. Dla sprawnych całkowicie wystarcza biedronkowa ładowarka na zakresie motocykl/14,8 Po kilku takich ładowaniach odzyskuje on niemal fabryczną pojemność. Dla starych ładowanie 1/100 C w dużej mierze poprawia pojemność choć najczęstszy problem to jakoś tam uszkodzona jedna z cel, która "zaniża" wypadkową pojemność całości jak to w szeregowym połączeniu. I nic tu nie da dopakowanie pozostałych cel do maksimum jeśli ta krytyczna ma np. 2/3 pojemności. Natomiast metoda ładowania 100 C przez długi okres nieźle się spisuje dla ogólnie zaniedbanego akumulatora - gdy ktoś nie dolał wody lub stał on długo w stanie rozładowanym. To jednak sporadyczne przypadki

    OdpowiedzUsuń