Главная Проекты Идеи Soft О авторе
 

Микропроцессорное зарядное устройство для необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Рис. 1 Устройство со снятой крышкой.
Увеличить

План.

       1) Обратная связь.
       2) Введение.
       3) Что же такое простейшая автоматика?
       4) А как же улучшить ситуацию?
       5) Подходим к вопросу: "А что же хотел пользователь"?
       6) Недостатки конструкций, найденных в Интернете.
       7) Создание собственной системы.
       8) Поиск подходящего БП.
       9) Подготовительный этап (сборка аналоговой части).
       10) Установка в корпус и переподключение трансформатора.
       11) Сборка цифровой части.
       12) Методика прошивки и Fuse биты.
       13) Что нужно пользователю видеть на верхнем уровне?
       14) Финальное тестирование.
       15) Как в последующем обновлять прошивку?
       16) Алгоритм автономной работы.
       17) Прошивка и программа контроля.
       18) А что можно почитать по данному вопросу?

Обратная связь.

       Так как в конце статьи ссылку на ветку форума по данной теме никто не видит, то выношу эту ссылку в самый верх. То есть если у Вас есть вопросы или предложения по данной теме, то Вам на наш форум. Или пишите на адрес электронной почты указанный В САМОМ низу страницы.

Введение.

       После выхода на нашем сайте двух статей о переделке и модернизации UPS под нужды системы видеонаблюдения , мы много раз сталкивались с проблемой зарядки и тестирования необслуживаемых свинцовых аккумуляторных батарей (они же lead acid battery или, по простому, аккумуляторы из UPS). К моменту написания этой статьи у автора уже был опыт создания и двухлетней эксплуатации "автоматического" зарядного устройства, сделанного из компьютерного ATX блока питания (в свою очередь собранного на ШИМ контроллере TL494 ). Вот документация на TL494 и ее аналог KA7500B.

Что же такое простейшая автоматика?

       Ну начнем с определения. В большинстве найденных в Интернете схем простейших "автоматических" зарядных устройств, под автоматикой понималось ограничение тока заряда (обычно около 1-2А) до некоторого порогового напряжения (обычно около 13.8-14.5В), а потом переход на стабилизацию напряжения.

Рис. 2 Блок схема TL494.

       Измерение напряжения проводится через делитель напряжения, подключенный к 1ой и 2ой ногам TL494, а ограничитель тока, отключением выходных ключей микросхемы TL494 по средствам подачи +5В на 4 ногу TL494. По-другому, берем ATX блок питания на TL494 или его аналоге, создаем токоизмерительную цепь из сопротивления 1Ом 5Вт и оптопары, выходы оптопары заводим в обратную связь по току (4 ногу TL494), организуем делитель напряжения (для 1ой и 2ой ног TL494) для ограничения напряжения на выходе, ну и на последок организуем питание вентилятора - вот и все работы. Для наглядности приведу схему переделки под простой вариант.
       Если выкопировка из схемы моего блока питания отлична от вашей, то прикладываю архив с 28 разными схемами ATX блоков питания, собранных на TL494 и их аналогах.
       Самый ближайший аналог схемы под мой блок питания вот вот.
       Если схем блоков питания разных вагон, а нужной как всегда нету, то придется срисовывать схему самому. Отсутствие унификации связанно с тем, что дешевые блоки питания собирают "на коленке", по принципу как есть, все кому не лень, включая школьников.
       Но, вернемся к нашим ба... блокам питания: к сожалению, такое простое и красивое решение имеет ряд технологических недостатков. Как было написано на одном сайте со схожей тематикой: 'Есть такая наука - ХИМИЯ. И все, что происходит в аккумуляторных батареях, подчиняется законам Химии. Все "умные советы бывалых", которые не ложатся на химию - вредны по определению' (С) adopt-zu-soroka.
       От себя хочу добавить, что аккумулятор находится на стыке ФИЗИКИ и ХИМИИ, то есть, кроме химических процессов есть конвенция раствора активной массы, иссыхание пластин и нагрев, которые рассмотрены в физике.

       Что это означает применительно к нашей простейшей "автоматической" зарядке:
1) Постоянный "маленький подзаряд", обеспечивающий поддержание порогового напряжения (в режиме стабилизации напряжения), сушит аккумуляторы (из них испаряется вода, долить которую в необслуживаемые аккумуляторы относительно сложно), что в свою очередь сильно снижает срок службы аккумулятора. Особенно, если аккумулятор оставляют каждую ночь на подзарядку.
2) Зарядка большим, не пульсирующим током в самом начале заряда (особенно при сильно разряженных аккумуляторах), сильно снижает оставшийся ресурс аккумулятора (оставшееся количество циклов заряд/разряд), а в некоторых случаях без раскачки аккумулятор не берет заряд.
3) Зарядка постоянным током без пульсаций, в десятые доли герца увеличивает сульфатацию и препятствует более полному использованию хим.веществ, т.к. не дает пауз на выравнивание плотности раствора активной массы.
4) Пункт 3 также относится и к тренировочному разряду, который в простейшей "автоматической" зарядке просто не реализован, а в большинстве самодельных, микропроцессорных зарядках полностью не контролируется.
5) ECR аккумулятора измеряют на относительно большой частоте, поэтому для измерения ECR желательно иметь схему тестового разряда относительно большим током малой скважности, т.е. иметь блок тестирования подключаемый без фильтровочных конденсаторов.

Подвожу итог: Для однократного использования простейшие "автоматические" зарядки вполне подходят, а при постоянной(каждодневной) зарядке одного и того же аккумулятора применение простейших зарядок сильно снижает ресурс заряжаемого аккумулятора. А в большинстве своем средств диагностики они вообще не имеют, так как при такой реализации единственный метод диагностики это проверка постоянным током РАЗРЯДНОЙ лампочкой 12В 75Вт. Но по результату такого теста можно только примерно оценить процент заряда, а определить оставшуюся емкость аккумулятора (косвенно о емкости можно сделать вывод по значению ECR) с его помощью практически невозможно. Более плотное знакомство с их программным обеспечением выявило практически поголовное отсутствие самодиагностики у самодельных устройств.
       Отходя от темы скажу, что при наладке своего устройства мной были зафиксированы случаи частичной порчи некоторых байт прошивки в микроконтроллере, т.е. при программировании он проходил верификацию, но на следующий день прошивка билась и если бы в моей системе отсутствовал блок самоконтроля целостности прошивки, то система могла вести себя неадекватно (как вариант испортить аккумулятор).

А как же улучшить ситуацию?

       Создать схему измерения токов (тока заряда и тока разряда) и напряжения в обычном и измерительном режиме, что в совокупности даст возможность подсчитать количество энергии, передаваемой в оба направления и поручить заряд ГРАМОТНО составленному алгоритму, чередующему заряд/разряд и продолжительность циклов (то есть, алгоритм, составленный с учетом физ. и хим. структуры данного типа аккумуляторов). Правда, тут надо уточнить, что грамотно составленный алгоритм составляется по имеющимся данным и к данной конкретной ситуации, а при изменении исходных данных или ситуации требуется и корректировка алгоритма.

Подходим к вопросу:
"А что же хотел пользователь"?

       Как другим - не знаю, а большинству моих пользователей нужна зарядка с простейшим управлением, которую можно будет использовать:
       1) Для зарядки необслуживаемых свинцово - кислотных необслуживаемых аккумуляторных батарей, напряжением 12В и емкостью от 12V3.3Ah до 12V18Ah. Описание свернуто в "пояснения":

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

       2) Для каждодневной (правильней сказать на всю ночь) подзарядки не полностью разряженных свинцово - кислотных аккумуляторных батарей.
       3) Для тестов определения оставшегося процента заряда и оставшейся емкости свинцово - кислотных аккумуляторных батарей.
       4) Для тестовых/тренировочных автоматических циклов заряд-разряд свинцово - кислотных аккумуляторных батарей по месту (например, отключенных от UPS батарей в серверном шкафу без их физического демонтажа из шкафа).

       При этом данная конструкция должна обеспечивать:
       1) Функцию самодиагностики основных блоков устройства и звуковую индикацию внештатных ситуаций таких как: переполюсовка клемм, подключение аккумулятора не того напряжения, внезапное отключение аккумулятора во время заряда/разряда, замыкание выходной цепи и т.д.
       2) Функцию обновления прошивки без внешнего программатора (не вскрывая корпуса устройства).
       3) Память последнего активного режима и, в случае обесточивания и повторного включения, автоматически возвращаться к прерванной операции.
       4) Достаточную точность измерительной системы, необходимость которой диктует физика и химия процесса.

Рис. 3 Зависимости срока службы от напряжения в режиме StendBy.

       Подробности по вопросам "достаточной точности измерительной системы" свернуты в "пояснения".

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Недостатки конструкций, найденных в Интернете.

       Идем в Интернет и находим несколько десятков готовых микропроцессорных зарядок. Как говорится - задача на уровне школьного кружка "сделай сам", поэтому практически каждый радиолюбитель начинает свое творчество с "изобретения" зарядки из подручных средств. Вот только, к сожалению и результат по качеству не выходит за уровень школьного кружка... Смотрим на описание устройств и их схемы и на некоторых из них обнаруживаем не очень приятные вещи:
       1) Отсутствует даже упоминание о технике безопасности работы с аккумуляторными батареями и сетью ~220В.
       2) Отсутствие точной настройки измерительной системы (измеряемого напряжения и тока). Как писалось выше, превышение или занижение параметров может привести к разрушению пластин или выкипанию раствора.
       3) Использование дорогих датчиков тока. Напомню, что датчик тока на основе эффекта Холла плюс дисплей стоят дороже всей системы вместе взятой. При том, что исходя из химии и габаритов используемых аккумуляторов (напомню мой пользователь хотел от 3,3 до 18 Ah), измерять больше нескольких ампер нам не придется. А про дисплей написано в пункте 4.
       4) Наличие кучи светодиодов, кнопок и дорогого дисплея на корпусе устройства. Вы когда-нибудь пробовали втиснуться в глубь серверного шкафа и посмотреть на расстоянии 1м что написано на дисплее размером в спичечный коробок? А без задания режима через кнопки навигации (сверяясь с надписями на дисплее), найденные конструкции не работают. Поставить дисплей побольше и вынести его вместе с кнопками на 1м кабеле? А раз выносить, то это уже два разных устройства: отдельно зарядка и отдельно дисплей.
       5) Питание вентилятора системы от напряжения заряда. То есть, или от 16В (см. пункт 5) и при этом городить понижающую часть или питать напрямик от напряжения на клеммах (где мы имеем от 9В до 14В вместо штатных 12В).
       6) Создание своей импульсной схемы стабилизации напряжения из входных 16В. То есть, история на тему, а давайте создадим еще один дополнительный ШИМ (один на TL494 уже есть в блоке питания), но на низковольтной части, что увеличит габариты схемы, потребует дополнительных силовых ключей на радиаторах и уменьшит КПД системы в целом.
       7) Разрядный алгоритм без контроля разрядного тока. А в большинстве случаев и без элементов его замера (я не про общий ток который измеряется практически везде, а про разрядный).
       8) Необходимость перемотки силового трансформатора (Ниже в подробностях свернуто 3 способа разборки и перемотки). Это конечно даст прирост тока, но этот прирост нам нужен? Со штатными обмотками трансформатор может дать 3-5А, из которых в данной конструкции мы используем максимум 1-2A (14В*2А=28Вт) и 15A нам для нашего ТЗ не надо (14.8В*15А=217Вт).

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

       9) Габариты устройства часто превышают размер стандартного ATX блока питания. За бортом чаще всего оказывается "утилизатор энергии разряда", обычно его роль выполненяет автомобильная лампочка из фары, из за чего вся конструкция начинает сильно смахивать на детский ночник. Причем как говорилось выше лампочка в "ночнике" просто включается, без какого либо контроля или стабилизации потребляемого ею тока.
       10) Отсутствие систем самодиагности и систем контроля целостности программного обеспечения (об этом я уже писал выше).

Создание собственной системы.

       Ну раз готовых подходящих разработок не наблюдается, то постараемся описать порядок изготовления подобной системы самостоятельно из того, что было под руками - "Я тебя слепила из того что было" (С) не мой.
       Хотя выше писалось, что это задача на уровне школьного кружка "сделай сам", но ее выполнение сопряжено с высоковольтными импульсными источниками питания, поэтому, если вы до этого их не разрабатывали, то лучше начать тренироваться на чем-нибудь другом, менее энергонасыщенном, более низковольтном и как следствие менее опасным... К тому же, аккумуляторы при неправильном использовании, сами по себе не безопасны и помещения аккумуляторных на всех производственных сооружениях относятся к классу "А" - как сверх пожароопасные.
       Ну и как всегда - оговорка. Про возможность пожара и поражение электрическим током при нарушении правил эксплуатации и некачественной сборке я упоминал выше. А про возможность химического поражения содержимым аккумулятора в результате замыкания его клемм и теплового разрыва корпуса, говорю сейчас. Поэтому все эксперименты с аккумуляторами и самодельными зарядными устройствами вы делаете на свой страх и риск, осознавая всю ответственность за возможные последствия.
       Ну и наше любимое ПУЭ... Электропитание осуществляется от сети переменного тока 50Гц, 220В в соответствии с "Правилами устройства электроустановок". Для обеспечения безопасности людей, электрооборудование должно быть надежно заземлено в соответствии с требованиями ПУЭ и паспортными требованиями на электрооборудование. Помещение в котором располагается оборудование должны быть оборудованы контуром - шиной защитного заземления, с которым соединяются корпуса всех устройств через розеточную сеть. Для присоединения заземляющих проводников в шину должны быть выведены винты М8. Контур - шина защитного заземления должен соединяться с заземляющим устройством. Величина заземления должна быть не более 4 Ом. Заземление внутри помещений должно соответствовать ГОСТ 12.1.030-81. Создание заземления и соответствие его стандартам обеспечиваются пользователем.
       Если Вас абзацы выше не напугали (вы с ними согласны) и вы ознакомились в интернете с техникой безопасности при работе с аккумуляторами и теорией первой медицинской помощи при химических ожогах и поражении электрическим током, а также запаслись огнетушителем для тушения возгораний класса "E" (позволяет тушить оборудование под напряжением) и выполнили все меры по улучшению безопасности, то приступим непосредственно к переделке БП в микропроцессорную зарядку.
       Причем хочу отметить, что опасны (при не соблюдении техники безопасности) в данном применении, аккумуляторы и сетевое напряжение ~220В. А сам переделываемый блок питания относится к слабогорючим (т.е. он не поддерживает горение и практически не горит если его из вне паяльной лампой не жечь...) и химически активных веществ (кислоты) в себе не содержит.
       Вывод: Данные замечания относятся практически ко всем зарядным устройствам заряжающим аккумуляторы и питающиеся от сети ~220В. Поэтому если авторы других самодельных зарядных устройств не предупреждают Вас о "побочных свойствах" в их устройстве и тонкостях его эксплуатации, то это вовсе не означает, что этих свойств и тонкостей в них нет.
       Хотя данная статья ориентирована на относительно опытных пользователей, не первый год владеющих паяльником, я ниже буду описывать все очень подробно и пошагово - как для начинающих. Такой подход позволит провести полный контроль сборки и не забыть проверить какой-либо из блоков. Т.е. ниже будет описан процесс изготовления и настройки каждого блока моей схемы.

Рис. 7 Структурная схема устройства "на пальцах".

       Подробное описание структурной схемы свернуто в "пояснения".

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Поиск подходящего БП.

       Находим рабочий компьютерный ATX блок питания на TL494, желательно с "Т" образными радиаторами. Самый простой способ поискать у друзей или наведаться в ближайшую фирму по ремонту компьютеров и купить несколько дохлых блоков питания по цене 1$ за пару.
       Как выбрать нужный по внешним признакам свернуто в "пояснения".

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Подготовительный этап
(сборка аналоговой части).

       В подготовительный этап входит проверка блока питания, настройка обратных связей операционного усилителя и сборка схемы разряда.

Рис. 8 Разрядная часть в работе.
Увеличить

       Подробности по данному пункту свернуты в "пояснения".

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Установка в корпус и переподключение трансформатора.

Рис. 13 Фильтровочные конденсаторы.
Увеличить

       В данном пункте рассматривается подключение трансформатора по новой схеме, обратные связи и фильтрация помех. Также в нем рассматривается необходимость перемотки трансформатора и приводятся доводы в пользу того, что и без перемотки тока хватит. Подробности по данному пункту свернуты в "пояснения".

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Сборка цифровой части.

       В этом пункте описано подключение микропроцессора, реле, кнопок, RS232 части и так далее. Подробности по сборке цифровой части свернуты в "пояснения".

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Рис. 16 Примерка платы в корпус.
Увеличить

Методика прошивки и Fuse биты.

       В комплекте с прошивкой идёт файл автоматизированной прошивки для PonyProg. Если вы пользуетесь другим программатором - напомню у Atmel "1" это НЕ запрограммировано, а у PonyProg наоборот, так что будьте внимательны... (в случае использования PonyProg необходимо только запустить файл и ответить "OK" для LPT-SPI программатора).

Как работать с программатором под управлением PonyProg. - тут.
А как с USB программатором 'AvrUsb500 by Petka' - тут.

Что нужно пользователю видеть на верхнем уровне?

       Пользователю в режимах разряд/заряд (о служебных и тестовых режимах поговорим отдельно) хотелось бы знать о текущем состоянии процесса (а процесс характеризуется средними токами и напряжением) с обновлением данных не реже 1 раза в 5 секунд.
       И хотелось бы знать данные о перетоках энергии и данных текущего процесса (всего залито или слито тока) для построения графика. График не в относительных единицах, поэтому данные нужны жестко 1 раз в минуту (желательно с большой точностью).

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Финальное тестирование.

       Устройство удобно тестировать на тестовой прошивке (архив с прошивками и программой ниже), которая аналогична основной за исключением того, что в нее не введены алгоритмы заряда и разряда (самостоятельно переключающие блоки). Такой подход позволяет по очередности включать блоки и тестировать их.
       Если после прошивки у вас проверка работоспособности не вызвала затруднений и все блоки работают как надо, то патрон лампочки накаливания, включенный в разрыв входного ~220В, можно отключить.

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Как в последующем обновлять прошивку?

       Загрузка обновления прошивки в процессор может осуществляться несколькими способами, но в данной ситуации самым простым является загрузка прошивки через имеющийся RS232 интерфейс. Для этого надо штатно подключить девайс к RS232 порту компьютера, потом зажать кнопку Reset, потом зажать кнопку SB1. На втором этапе отпустить кнопку Reset, а потом кнопку SB1. Далее запустить программу AVRprog и она должна найти наш девайс, после чего можно обновить прошивку в устройстве. После обновления - или нажать на Exit в программе AVRprog , или нажать кнопку Reset на устройстве. ВСЕ!!! Как видите, ничего сложного в этом нет.

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Рис. 17 Иллюстрация к алгоритму заряда.

Алгоритм автономной работы.

       Как уже писалось выше, алгоритм составляется по имеющимся данным и к данной конкретной ситуации... Данная конструкция создавалась по принципу "как есть", по данным найденным в интернете, из параллельных веток и документации на аккумуляторы (т.е. самостоятельные исследования параметров нескольких сотен аккумуляторов от разных производителей автор не проводил). Система проверялась на нескольких имеющихся у автора аккумуляторах и показала положительный результат, поэтому с большой долей вероятности данный алгоритм подходит и к другим аналогичным аккумуляторам от других производителей.
       Поэтому, если вы в данном описании заметили какую-либо неточность или у вас есть идеи как его улучшить, то пишите на электронный адрес, указанный в самом низу страницы.
       Один философ говорил: "Верить это значит, отказываться понимать". Поэтому не повторяйте в слепую, а проверьте совместимость с вашими условиями перед повторением данной конструкции.

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Прошивка и программа контроля.

       Математическая часть проекта к простой не относится, поэтому мы пока разработали только базовую ее часть. Базовая часть умеет контролировать процессы заряда и разряда, отрабатывает все нештатные ситуации, имеет алгоритмы самодиагностики. Алгоритмы тестирования и гибкой настройки под ваiе железо (учитывающие допуски деталей) мы планируем написать позднее. Поэтому пока выкладываем файлы прошивки и программу контроля как есть (в архиве тестовый и основной набор), т.е. автор дописал систему до состояния "А у меня работает и мне все нравится!", но если вам интересно дальнейшее развитие проекта или есть идеи по улучшению, то пишите на адрес электронной почты внизу страницы... постараемся вместе, что либо придумать...
       К данной системе можно дописать:
1) Подстройку под железо с компа через RS232.
2) Загрузку подстроечных параметров в программу из железа.
3) Телепузиков и анимашек в программе контроля.
4) Алгоритм тестирования оставшейся емкости и процента заряда АК.
5) Аппаратный пульт управления - устройство логера снабженное LCD дисплеем и I2C памятью для записи логов.

А что можно почитать по данному вопросу?
(На правах списка исп. литературы)

       По вопросу самодельных зарядных устройств в интернете есть очень много разнотипной информации, но, на мой взгляд, критерием ее полезности служит ее соответствие с физикой и химией процессов в аккумуляторе. Под полезностью в данном контексте понимается отсутствие негативных последствий (вреда) для аккумуляторных батарей после применения информации на практике. Подробности и ссылки по данному пункту свернуты в "пояснения".

"Щелкните по этому тексту, чтобы развернуть пояснения"

Ограничения.

       Устройство разработано по принципу КАК ЕСТЬ и автор не несёт ответственности за явный (или не явный) ущерб, причинённый в результате повторения.

То есть все эксперименты вы делаете на свой страх и риск.

       Список часто задаваемых вопросов читайте в    FAQ.

       Если у вас возникли вопросы и предложения - пишите мне по адресу внизу страницы

       Если вы нашли на моём сайте что-либо интересное или полезное для себя и хотите видеть на этом сайте новые интересные проекты, а также поддержку, доработки существующих проектов, то все желающие могут поддержать данный проект, частично покрыть оплату хостинга, затраты на разработку и переделку проектов.

       Кошелёк для оплаты накладных расходов на сайт Z158779319858 в системе WebMoney.

       Принимаю только безвозмездную помощь :)


       Все статьи, опубликованные на этом сайте защищены Частью 4 Гражданского Кодекса Российской Федерации. Запрещено полное или частичное копирование материалов без согласия их авторов. Незаконное использование материалов сайта влечет за собой административную ответственность в виде компенсации в размере от 10.000 рублей до 5.000.000 рублей [Ст. 1301, 1250, 1252, 1253 ГК РФ]. При согласованном использовании материалов сайта обязательна активная ссылка на www.mindrunway.ru и указание авторства.



Copyright© 2007-2012 QuickWitted Почта     grani СОБАКА mindrunway РУ
Ссылки
Гостевая
Форум