Prosta ładowarka akumulatorów o dużej funkcjonalności

Na rynku są też aplikacje zasilane z paneli PV współpracujących z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi (SLA) i bateriami litowymi. Przykłady to światła obrysowe dla pieszych, przenośne systemy głośnikowe, zgniatarki śmieci, a nawet morskie światła przeszkodowe na bojach. Ten ostatni przykład doskonale ilustruje stale rosnące wykorzystanie szczelnych i odpornych akumulatorów Pb-Acid o żywotności min. 10 lat w sprzęcie profesjonalnym.

Zainteresowanie akumulatorami SLA o dużej pojemności wynika z ich dobrych parametrów. Ogniwa te są niedrogie i mogą dostarczać prąd o wysokim natężeniu przez krótki czas, dzięki czemu doskonale nadają się do zastosowań w samochodach i nie tylko. Rozważmy system lokalizacji GPS używany jako środek chroniący przed kradzieżą. Jest on zasilany za pomocą liniowej ładowarki o typowym napięciu wejściowym 12 V obniżanym do poziomu wymaganego dla 2 ogniw litowo-jonowych połączonych szeregowo (typowo 7,4 V). Niemniej umożliwienie działania w szerszym zakresie może być cenne dla tej aplikacji, bo umożliwi wykorzystanie w ciężarówkach, gdzie mamy 24-woltową sieć pokładową. Zaawansowana ładowarka jest tutaj podstawą zapewnienia funkcjonalności.

Dostępne rozwiązania scalonych ładowarek obejmują tylko fragment z wielu możliwych i potrzebnych kombinacji napięcia wejściowego, napięcia ładowania i prądu. Co więcej, wszystkie nietypowe wersje obsługiwane są z reguły za pomocą nieporęcznych układów zawierających układy scalone i elementy dyskretne. Dopiero w 2011 roku firma Analog Devices dokonała wyłomu w tej regule, wypuszczając na rynek popularne 2-chipowe rozwiązanie ładowania akumulatora składające się z kontrolera LTC4000 współpracującego z zewnętrzną przetwornicą DC-DC.

Dobra ładowarka

Układy scalone do ładowania akumulatorów o tradycyjnej topologii liniowej były często cenione za prostotę i mały koszt realizacji. Jednak do dużych prądów wyjściowych kiepsko się one nadają z uwagi na ogromną ilość traconej mocy. Stąd mają one ograniczony zakres dopuszczalnego napięcia wejściowego i ogólnie małą sprawność. Tych wad nie mają ładowarki impulsowe, ale te są niestety droższe i bardziej skomplikowane, np. wymagają użycia dławików indukcyjnych. Zajmują też więcej miejsca na PCB i generują zaburzenia EMI. W nowych rozwiązaniach wady te są coraz mniej istotne.

Źródłem napięcia wejściowego może być zasilacz wtyczkowy dostarczający od 5 V do 19 a nawet 24 V, sieć zakładowa 24 V_AC, panele PV o dużej impedancji wewnętrznej itd. Ogniwem może być bateria litowa w wielu wariantach (Li-Ion, Li-Polimer, LiFePO₄ i inne), co powoduje, że stworzenie uniwersalnego projekt jest jeszcze bardziej zniechęcające.

Ze względu na dużą złożoność istniejące układy ładowania akumulatorów są przede wszystkim ograniczone do konwerterów obniżających napięcie (step-down, buck) lub bardziej złożonych topologii SEPIC. Zwykle ładowarki współpracują z jednym ogniwem, te, które są w stanie ładować pakiety, są w zdecydowanej mniejszości. Wydaje się, że produkt, który zaspokoiłby obecne potrzeby rynku w tym zakresie, powinien mieć następujące cechy:

• szeroki zakres obsługiwanego napięcia wejściowego,
• szeroki zakres napięcia wyjściowego do obsługi baterii w pakietach (2S-6S),
• elastyczność – możliwość ładowania wielu typów chemii ogniw,
• prosta konstrukcja i autonomiczna praca z wbudowanym zakończeniem procesu ładowania,
• algorytmy (bez konieczności użycia mikroprocesora),
• duży prąd ładowania zapewniający szybkie ładowanie i obsługę ogniw o dużej pojemności,
• możliwość ładowania z użyciem panelu słonecznego, • zaawansowana obudowa zapewniająca dużą wydajność termiczną i oszczędność miejsca na PCB.

Kiedy firma ADI opracowała popularny kontroler ładowania akumulatora LTC4000 (który działa w połączeniu z zewnętrznym konwerterem DC-DC), zbudowanie ładowarki uniwersalnej stało się o wiele łatwiejsze, ale nadal wymagany był mikrokontroler i trochę elementów dyskretnych. Za całkowicie współczesne rozwiązanie można natomiast postrzegać układy ładowarek LTC4162 i LTC4015, które stanowią rozwiązanie jednoukładowe o dużej funkcjonalności.

Ładowarka akumulatorów LTC4162

LTC4162 to układ scalony ładowarki akumulatorów obsługujący różne typy chemiczne bazujący na synchronicznej przetwornicy obniżającej napięcie ze sterowaniem i monitoringiem oraz opcjonalnym śledzeniem maksymalnego punktu mocy w panelach PV (MPPT) za pomocą PowerPath. Pozwala na zasilanie napięciem 4,5–35 V, ładuje prądem do 3,2 A i dokonuje oceny stanu akumulatora, a mikrokontroler jest wymagany jedynie, gdy konieczny jest dostęp do zaawansowanych funkcji (interfejs I²C) (rys. 1).

 

 

Rys. 1. Schemat aplikacyjny LTC4162-L

LTC4162 zawiera precyzyjny 16-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), za pomocą którego monitorowane są wszystkie parametry ładowania, w tym napięcie wejściowe, prąd wejściowy, napięcie i prąd akumulatora, napięcie wyjściowe, temperatura ogniw i rezystancja szeregowa baterii (BSR). Wartości te mogą być monitorowane (odczytywane) przez I²C, z możliwością programowania progów alertów. Wbudowany algorytm śledzenia maksymalnego punktu mocy wybiera punkt pracy i napięcie wejściowe, aby zmaksymalizować pobór mocy z paneli słonecznych i innych źródeł o dużej rezystancji wewnętrznej. Dzięki PowerPath napięcie wyjściowe kontrolera jest oddzielone funkcjonalnie od baterii, co umożliwia uruchomienie ładowania w warunkach bardzo niskiego napięcia akumulatora (całkowite rozładowanie).

 

Rys. 2. Wydajność ładowania akumulatora litowo-jonowego w funkcji napięcia wejściowego liczby ogniw pakietu

Profile ładowania dostępne w LTC4162 zostały zoptymalizowane pod kątem różnych chemii, w tym Li-Ion/Polimer, LiFePO₄ i LA. Napięcie ładowania i prąd ładowania mogą być automatycznie regulowane na podstawie temperatury ogniw, aby zachować zgodność z wytycznymi JEITA lub ograniczeniami aplikacyjnymi. Dostępny jest też derating parametrów związany z temperaturą chipu ładowarki.

LTC4162 jest umieszczony w 28-pinowej obudowie QFN 4×5 mm z metalową wkładką zapewniającą kontakt termiczny. Zakres temperatur pracy układu to od –40 do + 125°C, co pozwala na wykorzystanie w aplikacjach profesjonalnych. Na rysunku 2 pokazano wydajność ładowania litowo-jonowego za pomocą LTC4162-L.

A jeśli potrzebny jest większy prąd ładowania?

Do tego celu przeznaczony jest układ LTC4015. Jest to wysokonapięciowa, multichemiczna, synchroniczna ładowarka akumulatorów obniżająca napięcie z wbudowanymi funkcjami telemetrycznymi (monitoringu). W odróżnieniu od poprzednika współpracuje z zewnętrznymi tranzystorami mocy MOSFET, co pozwala na zapewnienie wyższego prądu ładowania (do 20 A lub więcej). Ładowarka zapewnia zaawansowane funkcje monitorowania i zarządzania procesem ładowania, w tym liczenie kulombów baterii i określanie "stanu zdrowia" ogniw. Użycie mikrokontrolera jest opcjonalne. Główne funkcje ładowania produktu można ustawić rezystorami i stanami na pinach. Dokładność regulacji prądu ładowania w zakresie do 20 A wynosi ±2%, a napięcia ładowania ±1,25%. Chip działa z napięciem wejściowym 4,5 do 35 V.

 

Rys. 3. Zasilana z 12 V 2-ogniwowa ładowarka Li-Ion 8 A

LTC4015 zawiera dokładny 14-bitowy ADC i precyzyjny licznik kulombów. ADC w sposób ciągły monitoruje napięcie i prąd wejściowy, napięcie i prąd baterii, temperaturę baterii i rezystancję szeregową. Pozwala to na raportowanie stanu ogniw i stopnia naładowania. Komunikacja wykorzystuje 2-przewodowy I²C. Można ustawiać i maskować alarmy oraz profile ładowania.

Zarówno napięcie ładowania, jak i prąd ładowania mogą być automatycznie dostosowywane na podstawie temperatury. LTC4015 jest dostarczany w obudowie QFN 5×7 mm z wkładką metalową (rys. 3).

Oszczędność miejsca, elastyczność i więcej

 

Rys. 4. Wydajność ładowania akumulatora kwasowo-ołowiowego za pomocą LTC4015

Dla takiego samego poziomu mocy (na przykład 3 A), dzięki zintegrowanym tranzystorom MOSFET w LTC4162 można zaoszczędzić do 50% miejsca na PCB w porównaniu do LTC4015. Oba układy mają podobne funkcje, stąd LTC4015 powinien być używany, gdy prądy ładowania przekraczają 3,2 A. Żaden z konkurencyjnych rozwiązań scalonych do ładowania akumulatorów nie zapewnia tak dużej integracji ani też takiego poziomu mocy. Te, które mają zbliżony prąd ładowania (2–3 A), współpracują tylko z jednym ogniwem lub mają napięcie wejściowe ograniczone do ok. 13 V. LTC4162 wymaga o ok. 40% mniej elementów zewnętrznych w porównaniu do podobnych rozwiązań, co zawsze jest mile widziane w projektach (rys. 4).

Ładowanie z użyciem paneli słonecznych

Istnieje wiele sposobów zasilania z panelu słonecznego przy maksymalnej mocy (MPP). Jedną z najprostszych metod jest podłączenie baterii do panelu PV przez diodę, co sprawdza się gdy moc jest bardzo mała (w przybliżeniu poniżej kilkudziesięciu miliwatów). W innym przypadku wymagany jest na wejściu konwerter o szerokim zakresie napięć wejściowych sterowany tak, aby ładowanie wyszukiwało maksymalny prąd ładowania. Napięcie wejściowe odpowiadające maksymalnemu prądowi ładowania może się zmieniać np. od 12 do 18 V, gdy prąd panelu zmienia się o 2 lub więcej rzędów wielkości. Algorytm MPPT znajduje i śledzi wartość napięcia panelu, która zapewnia maksymalny prąd ładowania. Przy słabym oświetleniu tryb niskiego poboru mocy umożliwia ładowarce dostarczenie małego prądu ładowania, nawet jeśli nie ma wystarczającej ilości światła do działania funkcji MPPT.

Steve Knoth, Analog Devices

Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com