Entwerfen eines kundenspezifischen Batterieladekreises

Ich habe auf dieser Website eine Vielzahl von Batterieladekreisen entworfen und veröffentlicht. Die Leser sind jedoch häufig verwirrt, wenn sie den richtigen Batterieladekreis für ihre individuellen Anwendungen auswählen. Und ich muss jedem Leser explizit erklären, wie man die gegebene Batterieladeschaltung an seine spezifischen Bedürfnisse anpasst.

Dies wird ziemlich zeitaufwändig, da es das gleiche ist, was ich jedem Leser von Zeit zu Zeit erklären muss.

Dies zwang mich, diesen Beitrag zu veröffentlichen, in dem ich versucht habe, a zu erklären Standard-Ladegerät Design und wie man es auf verschiedene Arten an individuelle Vorlieben in Bezug auf Spannung, Strom, automatische Abschaltung oder halbautomatischen Betrieb anpasst.

Das korrekte Laden des Akkus ist entscheidend

Die drei grundlegenden Parameter, die alle Batterien benötigen, um optimal und sicher geladen zu werden, sind:

1. Konstante Spannung.
2. Konstantstrom.
3. Auto-Cutoff.

Im Grunde sind dies die drei grundlegenden Dinge, die Sie anwenden müssen, um eine Batterie erfolgreich aufzuladen und um sicherzustellen, dass die Lebensdauer der Batterie dabei nicht beeinträchtigt wird.

Einige erweiterte und optionale Bedingungen sind:

Wärmemanagement.

und Schritt aufladen .

Die beiden oben genannten Kriterien werden besonders empfohlen für Li-Ionen-Batterien , obwohl diese für Blei-Säure-Batterien möglicherweise nicht so wichtig sind (obwohl es nicht schadet, sie für dieselbe zu implementieren)

Lassen Sie uns die obigen Bedingungen schrittweise herausfinden und sehen, wie man die Anforderungen gemäß den folgenden Anweisungen anpassen kann:

Bedeutung der konstanten Spannung:

Es wird empfohlen, alle Batterien mit einer Spannung zu laden, die etwa 17 bis 18% über der gedruckten Batteriespannung liegt. Dieser Wert darf nicht stark erhöht oder schwanken.

Deshalb für a 12V Batterie beträgt der Wert ungefähr 14,2 V, was nicht wesentlich erhöht werden sollte.

Diese Anforderung wird als Konstantspannungsanforderung bezeichnet.

Mit der heutigen Verfügbarkeit einer Reihe von Spannungsregler-ICs ist die Herstellung eines Ladegeräts mit konstanter Spannung eine Frage von Minuten.

Die beliebtesten unter diesen ICs sind der LM317 (1,5 Ampere), der LM338 (5 Ampere) und der LM396 (10 Ampere). All dies sind ICs mit variablem Spannungsregler, mit denen der Benutzer jede gewünschte konstante Spannung zwischen 1,25 und 32 V einstellen kann (nicht für LM396).

Sie können den IC LM338 verwenden, der für die meisten Batterien geeignet ist, um eine konstante Spannung zu erreichen.

Hier ist eine Beispielschaltung, mit der jeder Akku zwischen 1,25 und 32 V mit einer konstanten Spannung aufgeladen werden kann.

Konstantspannung Batterieladegerät Schema

Durch Variieren des 5k-Topfes kann jede gewünschte konstante Spannung über dem C2-Kondensator (Vout) eingestellt werden, die zum Laden einer angeschlossenen Batterie über diese Punkte verwendet werden kann.

Bei fester Spannung können Sie R2 durch einen festen Widerstand ersetzen, indem Sie die folgende Formel verwenden:

V.ODER= V.REF(1 + R2 / R1) + (I.ADJ× R2)

Wo V.REFist = 1,25

Seit ichADJist zu klein, kann ignoriert werden

Obwohl eine konstante Spannung erforderlich sein kann, kann an Orten, an denen die Spannung von einem Eingangsnetz nicht zu stark variiert (ein Auf / Ab von 5% ist durchaus akzeptabel), die obige Schaltung vollständig entfernt und der konstante Spannungsfaktor vergessen werden.

Dies bedeutet, dass wir zum Laden einer Batterie einfach einen Transformator mit korrekter Nennleistung verwenden können, ohne einen konstanten Spannungszustand zu berücksichtigen, vorausgesetzt, der Netzeingang ist hinsichtlich seiner Schwankungen ziemlich zuverlässig.

Mit dem Aufkommen von SMPS-Geräten wird das oben genannte Problem heute völlig unerheblich, da SMPS alle Konstantspannungsversorgungen sind und mit ihren Spezifikationen sehr zuverlässig sind. Wenn also ein SMPS verfügbar ist, kann die oben genannte LM338-Schaltung definitiv beseitigt werden.

In der Regel wird ein SMPS jedoch mit einer festen Spannung geliefert. In diesem Fall kann die Anpassung an eine bestimmte Batterie zu einem Problem werden, und Sie müssen sich möglicherweise für die vielseitige LM338-Schaltung entscheiden, wie oben erläutert ... oder wenn Sie dies dennoch vermeiden möchten Sie können einfach Ändern Sie das SMPS Schaltung selbst zum Erfassen der gewünschten Ladespannung.

Im folgenden Abschnitt wird der Entwurf einer benutzerdefinierten Stromsteuerschaltung für eine bestimmte, ausgewählte Batterieladeeinheit erläutert.

Hinzufügen eines konstanten Stroms

Genau wie die Parameter 'Konstante Spannung' sollte der empfohlene Ladestrom für einen bestimmten Akku nicht stark erhöht oder schwanken.

Bei Blei-Säure-Batterien sollte die Laderate ungefähr 1/10 oder 2/10 des gedruckten Ah-Werts (Amperestunde) der Batterie betragen. Das heißt, wenn der Akku eine Nennleistung von beispielsweise 100 Ah hat, wird empfohlen, dass der Ladestrom (Ampere) mindestens 100/10 = 10 Ampere oder (100 x 2) / 10 = 200/10 = maximal 20 Ampere beträgt nicht vorzugsweise erhöht werden, um gesunde Bedingungen für die Batterie aufrechtzuerhalten.

Jedoch für Li-Ionen oder Lipo-Batterien Das Kriterium ist völlig anders. Bei diesen Batterien kann die Laderate so hoch sein wie die Ah-Rate. Wenn also die AH-Spezifikation eines Li-Ionen-Akkus 2,2 Ah beträgt, ist es möglich, sie mit dem gleichen Ladezustand von 2,2 Ampere zu laden rate Hier müssen Sie nichts teilen oder sich irgendwelchen Berechnungen hingeben.

Zur Implementierung eines Konstantstrom Funktion wird wieder ein LM338 nützlich und kann konfiguriert werden, um den Parameter mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu erreichen.

Die unten angegebenen Schaltungen zeigen, wie der IC für die Implementierung eines stromgesteuerten Batterieladegeräts konfiguriert werden kann.

Stellen Sie sicher, dass Schauen Sie sich diesen Artikel an Dies bietet eine hervorragende und hochgradig anpassbare Batterieladeschaltung.

Schema für CC- und CV-gesteuertes Ladegerät

Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, können Sie bei recht konstantem Eingangsnetz den rechten LM338-Abschnitt ignorieren und einfach die Strombegrenzungsschaltung auf der linken Seite entweder mit einem Transformator oder einem SMPS verwenden, wie unten gezeigt:

Bei der obigen Ausführung kann die Transformatorspannung auf dem Batteriespannungsniveau bewertet werden, aber nach der Gleichrichtung kann sie etwas über der angegebenen Batterieladespannung liegen.

Dieses Problem kann vernachlässigt werden, da die angeschlossene Stromregelungsfunktion die Spannung zwingt, die Überspannung automatisch auf den sicheren Ladespannungspegel der Batterie abzusenken.

R1 kann je nach Bedarf angepasst werden, indem die Anweisungen befolgt werden HIER

Die Dioden müssen in Abhängigkeit vom Ladestrom angemessen ausgelegt sein und sollten vorzugsweise viel höher als der angegebene Ladestrom sein.

Anpassen des Stroms zum Laden eines Akkus

In den oben genannten Schaltkreisen ist der angegebene IC LM338 für maximal 5 Ampere ausgelegt, was ihn nur für Batterien mit bis zu 50 AH geeignet macht. Möglicherweise haben Sie jedoch Batterien mit viel höherer Nennleistung in der Größenordnung von 100 AH, 200 AH oder sogar 500 AH .

Diese müssen möglicherweise mit den jeweils höheren Stromraten aufgeladen werden, die ein einzelner LM338 möglicherweise nicht ausreicht.

Um dies zu beheben, kann der IC mit mehreren parallelen ICs aktualisiert oder erweitert werden, wie im folgenden Beispielartikel gezeigt:

25 Ampere Ladeschaltung

Im obigen Beispiel sieht die Konfiguration aufgrund der Einbeziehung eines Operationsverstärkers wenig kompliziert aus. Ein wenig Basteln zeigt jedoch, dass die ICs zum Multiplizieren des Stromausgangs direkt parallel hinzugefügt werden können, vorausgesetzt, alle ICs sind über einem gemeinsamen Kühlkörper montiert siehe folgendes Diagramm:

Es kann eine beliebige Anzahl von ICs in dem gezeigten Format hinzugefügt werden, um eine gewünschte Strombegrenzung zu erreichen. Es müssen jedoch zwei Dinge sichergestellt sein, um eine optimale Reaktion des Entwurfs zu erhalten:

Alle ICs müssen über einem gemeinsamen Kühlkörper montiert werden, und alle Strombegrenzungswiderstände (R1) müssen mit einem genau passenden Wert fixiert sein. Beide Parameter sind erforderlich, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zwischen den ICs und damit eine gleichmäßige Stromverteilung über die zu ermöglichen Ausgang für die angeschlossene Batterie.

Bisher haben wir gelernt, wie man konstante Spannung und konstanten Strom für eine bestimmte Batterieladegeräteanwendung anpasst.

Ohne eine automatische Abschaltung kann ein Batterieladekreis jedoch nur unvollständig und ziemlich unsicher sein.

Soweit in unserer Akkuladung Tutorials In den folgenden Abschnitten haben wir gelernt, wie Sie die Konstantspannungsparameter beim Aufbau eines Batterieladegeräts anpassen. In den folgenden Abschnitten werden wir versuchen zu verstehen, wie eine automatische Abschaltung bei voller Ladung implementiert wird, um ein sicheres Laden der angeschlossenen Batterie zu gewährleisten.

Hinzufügen eines Auto-Cut 0ff im Ladegerät

In diesem Abschnitt werden wir entdecken wie eine automatische Abschaltung zu einer Batterie hinzugefügt werden kann Ladegerät, das einer der wichtigsten Aspekte in solchen Schaltungen ist.

Eine einfache automatische Abschaltstufe kann in eine ausgewählte Batterieladeschaltung integriert und angepasst werden, indem ein Operationsverstärkerkomparator eingebaut wird.

Ein Operationsverstärker kann so positioniert werden, dass er eine ansteigende Batteriespannung während des Ladevorgangs erkennt und die Ladespannung abschaltet, sobald die Spannung den vollen Ladezustand der Batterie erreicht.

Möglicherweise haben Sie diese Implementierung bereits in den meisten bisher in diesem Blog veröffentlichten automatischen Batterieladekreisen gesehen.

Das Konzept kann mit Hilfe der folgenden Erklärung und der gezeigten Schaltungs-GIF-Simulation gründlich verstanden werden:

HINWEIS: Verwenden Sie anstelle des angezeigten N / C den Relaiskontakt für den Ladeeingang. Dadurch wird sichergestellt, dass das Relais ohne Batterie nicht klappert. Damit dies funktioniert, müssen Sie auch die Eingangsstifte (2 und 3) gegeneinander austauschen .

Im obigen Simulationseffekt können wir sehen, dass ein Operationsverstärker als Batteriespannungssensor konfiguriert ist, um die Überladeschwelle zu erkennen und die Versorgung der Batterie zu unterbrechen, sobald dies erkannt wird.

Die Voreinstellung an Pin (+) des IC wird so eingestellt, dass bei voller Batteriespannung (hier 14,2 V) der Pin # 3 ein etwas höheres Potential erhält als der Pin (-) des IC, der mit einer Referenzspannung von fest ist 4,7 V mit einer Zenerdiode.

Die zuvor erläuterte Versorgung mit konstanter Spannung und konstantem Strom wird über den N / C-Kontakt des Relais mit dem Stromkreis und der Batterie verbunden.

Zunächst werden sowohl die Versorgungsspannung als auch die Batterie vom Stromkreis abgeschaltet.

Zunächst darf die entladene Batterie an den Stromkreis angeschlossen werden. Sobald dies geschehen ist, erkennt der Operationsverstärker ein Potential, das niedriger (10,5 V, wie hier angenommen) als der volle Ladezustand ist, und aus diesem Grund leuchtet die ROTE LED auf Dies zeigt an, dass der Akku unter dem vollen Ladezustand liegt.

Als nächstes wird die 14,2-V-Eingangsladeversorgung eingeschaltet.

Sobald dies erledigt ist, sinkt der Eingang sofort auf die Batteriespannung ab und erreicht den 10,5-V-Pegel.

Der Ladevorgang wird nun gestartet und der Akku wird aufgeladen.

Wenn die Batterieklemmenspannung im Verlauf des Ladevorgangs ansteigt, steigt auch die Pin (+) - Spannung entsprechend an.

Und sobald die Batteriespannung den vollen Eingangspegel erreicht, der 14,3 V beträgt, erreicht der Pin (+) auch proportional 4,8 V, was gerade höher ist als die Pin (-) Spannung.

Dies zwingt den Opamp-Ausgang sofort dazu, hoch zu gehen.

Die ROTE LED erlischt jetzt und die grüne LED leuchtet auf, um die Umschaltaktion anzuzeigen und um anzuzeigen, dass der Akku vollständig aufgeladen ist.

Was danach passieren kann, wird in der obigen Simulation jedoch nicht gezeigt. Wir werden es durch die folgende Erklärung lernen:

Sobald das Relais auslöst, fällt die Batterieklemmenspannung schnell ab und wird auf einen niedrigeren Wert zurückgesetzt, da eine 12-V-Batterie niemals einen 14-V-Pegel konstant hält und versucht, eine 12,8-V-Marke zu erreichen.

Aufgrund dieses Zustands fällt die Spannung des Pins (+) erneut unter den durch Pin (-) eingestellten Referenzpegel ab, wodurch das Relais erneut zum Ausschalten aufgefordert wird und der Ladevorgang erneut eingeleitet wird.

Dieses EIN / AUS-Umschalten des Relais setzt den Zyklus fort und erzeugt ein unerwünschtes Klickgeräusch vom Relais.

Um dies zu vermeiden, muss der Schaltung unbedingt eine Hysterese hinzugefügt werden.

Dies erfolgt durch Einführen eines Widerstands mit hohem Wert über den Ausgang und den (+) - Pin des IC, wie unten gezeigt:

Hysterese hinzufügen

Die Hinzufügung der oben angegebenen Hysterese Der Widerstand verhindert, dass das Relais bei den Schwellenwerten EIN / AUS schwingt, und rastet das Relais bis zu einem bestimmten Zeitraum ein (bis die Batteriespannung unter die nachhaltige Grenze dieses Widerstandswerts fällt).

Widerstände mit höherem Wert liefern niedrigere Verriegelungsperioden, während niedrigere Widerstände eine höhere Hysterese oder eine höhere Verriegelungsperiode liefern.

Aus der obigen Diskussion können wir daher verstehen, wie eine korrekt konfigurierte automatische Batteriesperrschaltung von jedem Bastler für seine bevorzugten Batterieladespezifikationen entworfen und angepasst werden kann.

Lassen Sie uns nun sehen, wie das gesamte Design des Batterieladegeräts aussehen kann, einschließlich der konstanten Spannung / des konstanten Stroms, die zusammen mit der obigen Abschaltkonfiguration eingestellt wurden:

Hier ist also die fertige kundenspezifische Batterieladeschaltung, mit der Sie jede gewünschte Batterie nach dem Einrichten laden können, wie in unserem gesamten Tutorial erläutert:

• Der Operationsverstärker kann ein IC 741 sein
• Die Voreinstellung = 10k Voreinstellung
• Beide Zenerdioden können = 4,7 V, 1/2 Watt sein
• Zenerwiderstand = 10k
• LED- und Transistorwiderstände können auch = 10k sein
• Transistor = BC547
• Relaisdiode = 1N4007
• Relais = Auswahl passend zur Batteriespannung.

Laden eines Akkus ohne eine der oben genannten Funktionen

Wenn Sie sich fragen, ob es möglich ist, eine Batterie zu laden, ohne einen der oben genannten komplexen Schaltkreise und Teile zuzuordnen? Die Antwort lautet: Ja, Sie können jeden Akku sicher und optimal aufladen, auch wenn Sie keine der oben genannten Schaltkreise und Teile haben.

Bevor Sie fortfahren, sollten Sie die wenigen wichtigen Dinge kennen, die eine Batterie zum sicheren Laden benötigt, und die Dinge, die die Parameter 'automatische Abschaltung', 'konstante Spannung' und 'konstanter Strom' so wichtig machen.

Diese Funktionen werden wichtig, wenn Sie möchten, dass Ihr Akku mit extremer Effizienz und schnell aufgeladen wird. In solchen Fällen möchten Sie möglicherweise, dass Ihr Ladegerät mit vielen erweiterten Funktionen ausgestattet ist, wie oben vorgeschlagen.

Wenn Sie jedoch bereit sind, den vollen Ladezustand Ihres Akkus zu akzeptieren, der etwas niedriger als optimal ist, und wenn Sie bereit sind, ein paar Stunden mehr für den Abschluss des Ladevorgangs bereitzustellen, benötigen Sie mit Sicherheit keine der empfohlenen Funktionen wie Konstante Strom, konstante Spannung oder automatische Abschaltung, all dies können Sie vergessen.

Grundsätzlich sollte ein Akku nicht mit Verbrauchsmaterialien aufgeladen werden, die eine höhere Nennleistung als die gedruckte Nennleistung der Batterie haben. So einfach ist das.

Angenommen, Ihr Akku ist für 12 V / 7 Ah ausgelegt. Idealerweise dürfen Sie die volle Laderate über 14,4 V und einen Strom über 7/10 = 0,7 Ampere niemals überschreiten. Wenn diese beiden Raten korrekt eingehalten werden, können Sie sicher sein, dass Ihre Batterie in sicheren Händen ist und unabhängig von den Umständen niemals beschädigt wird.

Um die oben genannten Kriterien zu gewährleisten und den Akku ohne komplexe Schaltkreise aufzuladen, stellen Sie daher sicher, dass die von Ihnen verwendete Eingangsversorgung entsprechend bewertet ist.

Wenn Sie beispielsweise eine 12-V / 7-Ah-Batterie aufladen, wählen Sie einen Transformator, der nach Gleichrichtung und Filtration etwa 14 V erzeugt und dessen Strom bei etwa 0,7 Ampere liegt. Die gleiche Regel kann proportional auch für andere Batterien angewendet werden.

Die Grundidee dabei ist, die Ladeparameter etwas niedriger als die maximal zulässige Leistung zu halten. Beispielsweise kann empfohlen werden, eine 12-V-Batterie bis zu 20% höher als ihr gedruckter Wert aufzuladen, dh 12 x 20% = 2,4 V höher als 12 V = 12 + 2,4 = 14,4 V.

Daher stellen wir sicher, dass dieser Wert bei 14 V etwas niedriger bleibt, wodurch der Akku möglicherweise nicht optimal geladen wird, aber für alles gut ist. Wenn Sie den Wert etwas niedriger halten, verlängert sich die Batterielebensdauer und es können viel mehr Lade- / Entladezyklen durchgeführt werden auf Dauer.

Wenn Sie den Ladestrom auf 1/10 des gedruckten Ah-Werts halten, wird sichergestellt, dass der Akku mit minimaler Belastung und Verlustleistung geladen wird, wodurch die Lebensdauer des Akkus verlängert wird.

Das endgültige Setup

Eine einfache Einstellung, die oben gezeigt wurde, kann universell zum sicheren und optimalen Laden eines Akkus verwendet werden, vorausgesetzt, Sie lassen eine ausreichende Ladezeit zu oder bis die Nadel des Amperemeter auf fast Null abfällt.

Der 1000uf-Filterkondensator wird, wie oben gezeigt, tatsächlich nicht benötigt, und seine Eliminierung würde die Batterielebensdauer tatsächlich verlängern.

Haben Sie weitere Zweifel? Zögern Sie nicht, sie durch Ihre Kommentare auszudrücken.

Quelle: Batterieladung