Batteriladdare med buck converter

[jesse]

Då var det dags att bygga en batteriladdare för ett gäng 100 Ah LiFePo-celler av typen Thundersky.

Ska börja i "liten" skala och ladda bara 12 celler, för att senare kanske bygga en för fler celler i serie.
Det jobbiga med dessa celler är att spänningen varierar kraftigt: från 2.1 till 4.2 volt! Så att ladda 12 celler innebär det 25 till 50 volt.

Jag har tillgång till en trafo på 800 VA och 2 x 50 volt. Jag vill gärna kunna få ut upp till 10 A DC om det går med den trafon.

Vet inte om jag ska parallellkoppla trafon och använda en brygga på gammalt hederligt vis:

eller om jag ska köra den här varianten med två dioder:


Förstår att båda varianterna har olika för- och nackdelar, men förstår inte tillräckligt för att veta vilken som är bäst här. Det har ju också talats om att sätta en induktans i serie (före likriktaren?) för att minska förlusterna i trafon, men den vet jag inte heller hur jag räknar på, eller hur jag eventuellt tillverkar.

Frågan är också om glättning behövs eller om den behöver vara så värst effektiv - man kan ju ladda batterier med varierande ström. Frågan är väl hur mycket variation cellerna tål och om man kan mäta den exakta mängden ström som går i cellerna på ett vettigt sätt. Jag tänker köra strömbegränsare på det hela, och om det ripplar för mycket då så kommer strömmen att gå ner mot noll vid varje period (strömregeringen sätts ur spel). Kanske dumt. Får köpa många µF i så fall...

Men till den egentliga frågan : strömbegränsningen: denna skall så småningom styras av en processor, men just nu räcker det med en fast nivå. Den ska kunna klara upp till 10A (gärna 20A för framtida behov/annan trafo), 5A och ner till 1A och sedan stänga av.

Funderade först att bara bränna bort överskottet genom bioplära transistorer , men det blir ju så mycket effekt. Antag att jag kör 10A och cellspänningarna ligger på 2.1 volt: Trafon kan tänkas ge upp till 70 volt(?) i topparna, cellerna sänker med 25 volt - jag ska alltså köra 10 A och sänka 45 volt genom ett gäng transistorer. Det blir 450 watt!

SÅ finns det alternativ? Givetvis tänker jag på PWM. Men för att få en jämn ström vid PWM bör jag väl ha en induktans i serie med cellerna? Måste jag ha en jämn ström? Nja, jag har ju en BMS som kollar cellspänningarna vid laddning , dessa kommer ju att variera vilt om jag ska PWM:a utan någon som helst utjämning och det blir antagligen svårt att avgöra när laddningen ska avslutas.

Och i så fall en frihjulsdiod som klarar 10 A? Att PWM:a 10 A och blockera upp till 50 volt verkar i alla fall vara en baggis jämfört med att bränna 450 watt energi genom ett gäng bipolära transistorer?

Så jag vill ha lite hjälp med hur jag ska bygga strömbegränsaren....Var mäter jag lämpligast strömmen vid pwm? Det kunde vara över MOSFETEN när den är i "on"-läge - då ser jag spänningsfallet, och kan multiplicera med dutycykelns %. Men Ron varierar med temperatur osv... viket gör att det inte blir så noggrannt. Så ett 0.1 ohms motstånd mellan source och GND? Skulle ge 1 volt vid 10 A. Kör man med en bra induktans bör man väl kunna räkna med att den strömmen är kontinuerlig under hela perioden och ungefär samma?

(kommer snart med en del bilder med förklaringar när jag loggat in på en annan dator - postar detta så länge)

[blueint]

Du kanske bör sikta in dig på en buck converter.

[limpan4all]

Du "bör" nog redan nu fundera över laddningsutjämnare så att ingen enskild cell kommer över de magiska 4,2V.
Om en cell bara har 3V medans en annan ligger på 5,4 så är de tillsammans 8,4V och du har vid 10A laddström troligen ett explosivt förlopp...

[jesse]

Laddningsutjämnare och BMS har jag redan. Det är en laddare jag behöver fixa.

[jesse]

Blueint: En buck converter är väl normalt avsedd att reglera till en viss spänning? I det här fallet ska jag ha en viss ström. Men det kanske inte är så stort problem att ordna? Ser ju intressant ut. Undrar bara vilka komponenter jag ska välja för att klara 75 volt och 10A ???

Men när jag tittar på det förenklade schemat över en typisk "buck konverter" så slår det mig att det är exakt det jag tänkte bygga, fast jag har switchen på GND-sidan istället för på plus-sidan.... borde inte ha nån betydelse för principen:

Buck converter enligt wikipedia:


EDIT: Så här var min idé från början:


Likheten är slående, även om jag kallade det PWM och du kallar det Buck Converter!

Men tack för tipset! Jag ska läsa på om Buck Converters - där får jag nog reda på allt jag behöver veta om hur jag beräknar tider etc.

[jesse]

Har ritat en början till en buck converter för batteriladdning:

(röd kurva = U efter likriktning relativt GND. Grön kurva = I induktans. D=75%

Lite testande visar att spänningen över lasten (i det här fallet - batteripacken) är proportionell mot D (duty cycle). Så för att reglera till en viss ström måste strömmen mätas och D justeras efter det resultatet.

Strömmen är nära noll så länge man inte kommit upp i packets vilospänning - så fort man kommer över den så beror I på cellernas interna resistans. Så den kan skjuta i höjden ganska fort om man ökar D för fort. Så här gäller det att vara försiktigt.

Den högra mosfeten är en strömmätare - den går "on" under en kortare tid än huvudmosfeten, då den samplar spänningen över huvudmosfeten - simulering visade att kapacitansen i högra mosfeten sabbade mätvärdet - när den är off så blir det ju plötsligt 70 volt över den - ska man då mäta i storleksordningen 175 mV (Ron = 0.035, I = 5A) så påverkar det en del, men det var lätt att filtrera bort med en 10 µF konding.

Det jag INTE kan är att välja rätt induktans-typ. Den ska klara minst 10A DC utan att "bottna" eller "mättna" eller vad det kan kallas. Tips på typ av induktor mottages tacksamt. 10mH verkade ju funka ihop med 50kHz PWM så det värdet tror jag att jag kan vara nöjd med.

Något jag inte heller är så säker på är valet av frihjulsdiod. Vilken snabbhet som krävs / vore lämplig? Sen om medelströmmen i L är 10A och D är 50% så borde väl I(diod) bli 50% av 10A i medeltal , så dioden ska inte behöva klara 10A... och när D minskar till 25% (och strömmen genom dioden går 75% av tiden) så har ju antagligen strömmen minskat till under 5A ändå...

[bose]

Jag skulle rekommendera dig att kolla på synkron likriktning (synchronous rectification) för detta projekt annars kommer du bränna massa effekt i dioden. Själv skulle jag satt MOSFETen på den höga sidan och använt mig av en high side driver, då kanske en med både high side och low side drivers och inbyggd dödtid så att den synkrona likriktningen kan implementeras enkelt.

Sen en fråga: Vad ska du med batteripacket till? 100Ah är ju ganska saftigt

[kimmen]

Det är ju bara någon watt som bränns bort i dioden så det är knappt värt besväret. Vid låga utspänningar, säg 5V eller så lönar det ju sig ofta å andra sidan, men sällan vid 50V!

Jag rekommenderar att köra diodbrygga för då går det att få ut mer effekt från samma transformator. Drygt 9A DC med brygga eller 7A DC för varianten med två dioder borde det gå att ta ut. Men detta är ju före regulatorn och vid c:a 65-70V någonting. Det borde gå att få ut 10A vid 50V då, strömmen in i regulatorn blir ju lägre än ut.

10mH låter som alldeles för mycket, några hundra mikrohenry eller där i kring borde det bli. C:a 20% pk-pk strömrippel av DC-induktorströmmen är ett ganska vanligt designvärde. Ett problem i din simulering är att du har konstant pulsförhållande vilket gör att strömmen varierar kraftigt med inspänningen. Då måste drosseln vara jättestor eftersom att den måste ha ansenlig impedans vid rippelfrekvensen 100Hz. Med strömreglering så blir det inte så. Glöm inte att ta hänsyn till kärnförlusterna i buck-spolen heller för det är inte bara mättningsströmmen som spelar roll. Du skulle kunna prova programmet från micrometals för att räkna på sånt här:
http://micrometals.com/software_index.html

Om du vill få en strömbegränsning som är någorlunda konstant så är det lättast med ett motstånd eller liknande för att mäta. MOSFET:ars Rdson varierar kraftigt med temperaturen.

[bearing]

Här finns några tumregler för val av induktans, och även förslag på hur den kan lindas.

http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html

[jesse]

hmm... det här var inte lätt... har aldrig hållit på med höga effekter innan, och inte alls med induktanser, så det här är nytt för mig.

kimmen: 10mH tror jag att jag hittade i ett exempel någonstans, men 50 - 100 µH skulle kanske passa bättre. Och det stämmer nog att 50Hz ripplet kan pareras bra med strömregleringen, så då behöver jag bara ha koll på att inspänningen inte blir för låg. Jag kan tänka mig att höja frekvensen till mellan 100 och 200 kHz - högre än så så blir jag osäker när det gäller switchförlusterna.

Så en vanlig diodbrygga skulle vara bättre, om jag parallellkopplar de två 50V sekundärerna på trafon? Hm. ja.

bearing: bra länk, tack!

EDIT: simulerar nu vid 143kHz / 22µH och det verkar fint. Borde kanske dubbla induktansen ändå för ripplet vid låg ström ligger på 0.5A vid 2A medelström men ligger bara på 0.3A vid 12A ström.

[bearing]

Om du ska ha transistorn på låga sidan blir strömavkänningen lite knepig. Med transistorn på höga sidan räcker det ju motstånd mellan batteriet och jord.

Ett sätt att få till strömavkänningen med transistorn på låga sidan är kanske att använda en Allegro hallströmsensor
http://www.allegromicro.com/en/Products ... sensor.asp

[jesse]

bra poäng. Det är ju inte så svårt att skaffa en "high side mosfet driver".

Jag har allegrosensorer hemma - grymt bekväma - men 20A sensorn som jag ville ha finns inte på farnell (som jag just nu tänkte beställa grejerna ifrån) - det får väl bli en 50A sensor i så fall... upplösningen lär ju inte vara något problem.

[bearing]

Jag har läst att dioden måste vara grymt snabb när man ska switcha så här hög ström i så här hög frekvens. I PFC-applikationer är diodvalet därför kritiskt.

För dig blir det nog enklare, eftersom att det finns vanliga schottkydioder som klarar spänningen. Tänk på att schottkydioder leder en betydande ström baklänges när spänningen är nära backgränsen, så välj en schottky som klarar spänningen med stor marginal.

[jesse]

frågan är väl kanske hur onödigt det är att använda en superstor trafo för 230V 50Hz för att sedan hacka det i 100000Hz... Kanske skulle bli betydligt billigare att hacka på 230V sidan direkt och köra genom en liten högfrekvenstrafo - men sådana har jag inte heller någon koll på

[jesse]

...men då ska man ha likriktning och glättningskondingar , transistor etc... för 350 volt.... ... hur man än vänder sig...