РПЗ_ХомушкуОВ_ПР_РПЗ. Промышленный контроллер систем и электрических
 Скачать 3.67 Mb.
|
|
2.1. Выбор ячейки аккумуляторной батареи из существующих Одним из самых больших производителей LiFePO 4 аккумуляторов 25 является компания A123 Systems.Они же и открыли этот новый подтип литиевых аккумуляторов. История литий-железо-фосфатного аккумулятора насчитывает всего несколько десятилетий. Впервые использование перспективного материала - фосфата литий железа в качестве катодного материала для литиевых аккумуляторных батарей было описано исследователем Техасского университета Джоном Гуденафом в 1996 году. По причине сравнительно низкой стоимости, нетоксичности, содержания природного железа, значительной термостойкости, безопасности, высокого уровня производительности литий-железо-фосфатные аккумуляторы получили мировое признание. Проблема низкой электропроводности была решена покрытием частиц LiFePO 4 шаром, проводящим материалов – алюминия, марганца или титана. В последующем технология литий-железо- фосфатных аккумуляторов была усовершенствована профессором Цзян Йе- Мином и иными сотрудниками Массачусетского технологического института, положив основы их промышленного производства. В настоящее время высококачественный LiFePO4 материал изготавливается по технологии одного из двух производственных методов: жидкофазного, позволяющего получать продукт с лучшими мощностными характеристиками, или же трехфазного, дающего продукт с лучшими емкостными характеристиками. Из каталога продукции компании нам подходит батарея емкостью 20 А·ч, номинальное напряжение ячейки 3,3 В. Ниже приведены основные характеристики ячейки: 1) Номинальное напряжение ячейки 3,3 В. 2) Максимальное напряжение ячейки 3,6 В. 3) Минимальное напряжение ячейки 2 В. 4) Номинальная емкость 20 А·ч. 5) Максимальная емкость 20,37 А·ч. 6) Емкость при номинальном напряжении 18 А·ч. 26 7) Внутреннее сопротивление < 2 мОм. 8) Номинальный разрядный ток 19,37 А. 9) Экспоненциальное напряжение 3,35 В. 10) Экспоненциальная емкость 1 А·ч. Рисунок 3 – Разрядная характеристика батареи при разных токах, и температурная характеристика. Ячейка имеет малые экспоненциальные емкость и напряжение, в следствии чего мы наблюдаем длинный линейный участок разрядной характеристики. Стабильное напряжение на выходе ячейки позволяет получать на выходе инвертора постоянную мощность, что улучшает качество регулирования электропривода. Благодаря хорошей температурной стабильности, не требуется установка дополнительных охлаждающих радиаторов, что улучшает масса-габаритные показатели. 27 Рисунок 4 – Разрядная характеристика при номинальном разрядном токе. На рисунке показана разрядная характеристика, при разных температурах, как видно, батарею можно эксплуатировать до -10°C и не получать сильные просадки напряжения, падение емкости батареи достигает лишь 20%, что является актуальным для автономного электротранспорта в зимних условиях. Математическая модель ячейки батареи 28 Рисунок 5 - Схема математической модели ячейки Matlab-Simulink На рисунке изображена модель заряда ячейки аккумуляторной батареи, от идеального источника напряжения. Блок Controlled Voltage Source подает на аккумуляторную ячейку постоянное напряжения, выступает в виде идеального зарядного устройства постоянного напряжения. В нашем случае для заряда LiFePo4 ячейки достаточно подать константу 5, на выходе ЗУ (зарядное устройство) появится напряжение амплитудой 5 В. Резистор R1 – замещает модель сопротивления проводов между ЗУ и аккумуляторной ячейкой. Элемент Scope1 показывает напряжение источника через датчик напряжения, и ток заряда батареи, через датчик тока. На осциллографе Scope7 можно увидеть: емкость ячейки SOC %; ток заряда (Current A); напряжение ячейки (Voltage V). 29 Рисунок 6 – Схематическое изображение математической модели ячейки LiFePo4. Элемент Battery, изображенный на рисунке 6, реализует общую динамическую модель для представления наиболее популярных типов аккумуляторных батарей. Блок батарей реализует общую динамическую модель для представления наиболее популярных типов аккумуляторных батарей. Эквивалентная схема батареи приведена ниже. Рисунок 7 – Эквивалентная схема ячейки 30 Параметры эквивалентной схемы могут быть изменены, чтобы показать конкретный тип батареи, на основе его характеристик разряда. Типичная кривая разряда состоит из трех секций, как показано на следующем рисунке: Рисунок 8 – Типовая разрядная характеристика Первая секция представляет собой экспоненциальное падение напряжения, когда батарея заряжается. В зависимости от типа аккумулятора, эта область, более или менее широкая. Вторая секция представляет собой заряд, который может быть потрачен из батареи до тех пор, пока напряжение не упадет ниже номинального напряжения батареи. Третья часть представляет собой полный разряд батареи, когда напряжение быстро падает. Когда ток батареи отрицательный, то батарея будет заряжаться, следуя характеристике заряда. 31 Рисунок 9 – Типовая зарядная характеристика Свинцовая и литиевая. Рисунок 10 – Типовая зарядная характеристика NiMH и NiCD. Следует отметить, что параметры модели выводятся из характеристик разряда и предполагаются одинаковыми для зарядки. Как видно из графика заряда, характеристики заметно отличаются. 32 Рисунок 11 – Экспоненциальная зона для свинцово-кислотного, никель- кадмиевого и никель-металл-гидридного аккумуляторов Функция передачи Exp(s) имеет гистерезис для свинцово-кислотных, никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов, во время циклов заряда и разряда. Экспоненциальное напряжение возрастает, когда батарея заряжается, независимо от емкости батареи. Когда батарея разряжается, экспоненциальное напряжение уменьшается сразу. 33 Диалоговое окно и параметры. Рисунок 12 – Просмотр диалогового окна. 34 Вкладка параметры обеспечивает изменение параметров ячейки: 1) Тип батареи предоставляет набор заранее определенного поведения заряда для четырех типов батареи: Свинцово-кислотный; Литий-ионный; Никель-кадмиевый; Никель-металлгидридный. 2) Номинальное напряжение представляет конец линейной зоны характеристик разряда, В; 3) Номинальная емкость батареи измеряется в ампер-часах, А·ч; 4) Начальное состояние заряда, %; 5) Начальное состояние заряда (SOC) батареи. 100% указывает на полностью заряженный аккумулятор и 0% указывает на пустую батарею. Этот параметр используется в качестве начального условия для моделирования и не влияет на кривую разряда (при использовании опции Plot характеристики разряда); 6) Используем параметры на основе значений типа батарей; 7) Загружаем соответствующие параметры в записях диалогового окна, в зависимости от выбранного типа батареи, номинальное напряжение и номинальную емкость; 8) Когда предустановленная модель используется, подробные параметры не могут быть изменены. Если вы хотите изменить кривую разряда, выберите нужный тип батареи, чтобы загрузить параметры по умолчанию, а затем снимите флажок Используйте параметры в зависимости от типа батареи и номинальных значений, чтобы получить доступ к 35 подробным параметрам; 9) Максимальная теоретическая емкость (Q), когда наступает максимальное напряжение батареи. Это значение, как правило, равно 105% от номинальной емкости; 10) Полное напряжение заряженной батареи для заданного тока разряда. Следует отметить, что полностью заряженная батарея – это не напряжение без нагрузки, В; 11) Номинальный ток разряда для которого была измерена кривая разряда. Например, типичный ток разряда для батареи 1,5 А·ч NiMH составляет 20% от номинальной емкости: (0,2 * 1,5 А· ч / 1ч = 0,3A), А; 12) Внутреннее сопротивление. Если предустановленная модель используется, то общее значение загружается, что соответствует 1% от номинальной мощности (номинальное напряжение - номинальная емкость батареи). Сопротивление должно быть постоянным во время заряда и разряда циклов и не меняется в зависимости от амплитуды тока, Ом; 13) Емкость при номинальном напряжении. Пропускная способность (Q ном ) берется из батареи, пока напряжение не падает ниже номинального значения. Это значение должно быть между Exp и Q max , А·ч; 10) Экспоненциальная зона [Напряжение (В), емкость (А·ч)]. Напряжение (U exp ) и емкость (Q exp ), соответствует концу экспоненциальной зоны. Напряжение должно быть между V ном и полным. Емкость должна быть между 0 и Q norm 36 Просмотр характеристик разряда. Рисунок 13 – Диалоговое окно характеристики заряда Участок характеристики разряда. Чтобы построить фигуру, содержащую два графика. Первый график имеет кривую разряда (при номинальном токе разряда), а второй график представляет кривые разряда при заданных токах. Параметр разрядный ток позволяет задавать различные значения тока разряда. Разрядные характеристики этих токов представлены во второй части графика. Единицы измерения. Нужно выбрать время или ампер-часы для просмотра по оси Х. 37 Временные диаграммы батареи. Время переходного процесса (95% от конечного значения). Рисунок 14 – Временные диаграммы батареи В этом примере, постоянная времени 30 секунд. Внесем параметры нашей LiFePO 4 ячейки в диалоговое окно. Для получения заданной характеристики заряда-разряда нам нужны ключевые параметры. Ниже приведем их данные: 1) Номинальное напряжение 3,3 В; 2) Номинальная емкость 20 А·ч; 3) Максимальная емкость 20,37 А·ч – определяется по разрядной характеристике батареи; 38 4) Напряжение полностью заряженной ячейки 3,6 В; 5) Номинальный ток разряда батареи 19,37 В; 6) Внутреннее сопротивление ячейки 0,001 Ом; 7) Емкость при номинальном напряжении 18 А·ч определяется по графику заряда-разряда, в нашем случай при 3,3 В; 39 Рисунок 15 – Параметры заданной LiFePo4 ячейки Моделирование процесса заряда LiFePo4 ячейки Рисунок 16 – Моделирование процесса заряда LiFePo4 ячейки На рисунке выше изображен процесс заряда ячейки аккумуляторной батареи. Ее заряд проходит током, близким к 1С при напряжении 4 В. Как видно из рисунка, время, затраченное на полный процесс заряда ячейки, емкостью 20А·ч составило 2900 секунд или 48 минут. Если процесс заряда не остановить, напряжение ячейки продолжит возрастать до напряжения источника. Но это показала нам модель, на практике ячейка выйдет из строя, это в лучшем случае, в худшем, самовоспламениться и может привести к пожару, и потере всего автономного транспортного средства. 40 Номинальная характеристика разряда LiFePo4 ячейки Рисунок 17 – Разрядная характеристика при токе разряда 19.37 А. График разряда ячейки при токе 1С, 2С, 10С. По графику видно, что просадки даже при очень высоких токах разряда в пределах допустимого, и мощность будет постоянной вплоть до 90 % разряда ячейки. 2.2. Математическая модель батареи Для современных автономных инверторов, чтобы обеспечить высокий КПД и минимальные потери при преобразовании необходимо минимум 48 В. Чтобы получить такое напряжение нам необходимо соединить 16 ячеек в последовательную цепь. 41 Рисунок 18 – Схема математической модели батареи, состоящей из 16 последовательно соединенных ячеек. Для обеспечения процесса заряда, на вход контролируемого источника напряжения подается сигнал константы равный 60. 42 Рисунок 19 – Процесс заряда аккумуляторной батареи Заряд проходит током, близким к номинальному значению 1С. На начало заряда, суммарное напряжение ячеек U нач =54 В. Это означает, что напряжение на выходе инвертора будет постоянным, что позволит получать бесперебойно питание для двигателя [2]. 43 3. Схемотехническая часть 3.1. Электрическая принципиальная и функциональная схемы Электрическая принципиальная схема системы управления аккумуляторной батареей представлена на рисунке 20. Рисунок 20 - Электрическая принципиальная схема. 44 Рисунок 21 - Функциональная схема. В разрабатываемой системе управления аккумуляторной батареей (Battery management system) структурно можно выделить основные функциональные блоки: 1) Контроллер защиты, HY2110-CB. 2) Микросхема балансировки, HY2213-BB3A. 3) Силовые транзисторы (для отключения нагрузки). 4) Транзисторная логика управления силовыми ключами (транзисторами). 5) Преобразователь уровней и сумматор сигналов. 6) Шунтирующие резисторы (для определения тока/балансировки аккумуляторов) [5]. 45 3.2. Основные функциональные блоки Микросхема защиты аккумуляторной батареи Нормальный режим работы. Эта микросхема контролирует напряжение батареи, подключенной между контактом VDD и контактом VSS, и разность напряжений между контактом CS и контактом VSS для управления зарядкой и разрядкой. Когда напряжение батареи находится в диапазоне от напряжения сверхразрядки (VDL) до напряжения сверхзарядки (VCU), а напряжение контакта CS находится в диапазоне от напряжения зарядного устройства (VCHA) до напряжения обнаружения сверхтока разрядки (VDIP), микросхема включает управление зарядкой и разрядкой MOSFET. Это условие называется обычным состоянием. При таких условиях зарядка и разгрузка могут осуществляться свободно. Режим сверхзарядки. При нормальном состоянии, как только напряжение батареи становится выше, чем напряжение уровня избыточного заряда (VCU) во время зарядки, и это продолжается дольше, чем время задержки уровня избыточного заряда (TOC), микросхема HY2110 выключает управление зарядкой MOSFET (контакт OC), чтобы остановить зарядку. Режим сверхзарядки может быть снят в следующих двух случаях: 1) Напряжение аккумуляторного элемента равно или понижается по сравнению с избыточным разрядным напряжением (VCR) из-за саморазряда. 2) При подключении нагрузки напряжение батареи падает ниже напряжения защиты от перегрузки (VCU). Режим сверхразрядки. 46 Когда напряжение батареи падает ниже, чем напряжение уровня сверхразрядки (VDL) во время разряда в нормальном состоянии, и этот уровень держится дольше, чем время задержки сверхразрядки (TOD), серия HY2110 выключает контроллер разряда MOSFET (контакт OD), чтобы остановить разрядку. Когда MOSFET выключен, напряжение контакта CS подается резистором на VDD, в это время потребляемая мощность снижается до самого низкого уровня. Пример подключения микросхемы защиты аккумулятора на рисунке 22. Рисунок 22 - Подключение микросхемы защиты [5]. Контроллер балансировки Балансировка собрана на базе HY2213-BB3A, номинальное напряжение балансировки 4,20 В. Ток балансировки фиксированный 42мА (4,20В/100Ом=42мА) 47 Балансировка работает постоянно и независимо от схемы защиты. Пока напряжение на любом из аккумуляторов превышает 4,20 В, к нему подключается нагрузочное сопротивление 100 Ом до тех пор, пока он не разрядится до 4,20 В. Эта микросхема продолжает контролировать напряжение батареи, подключенной между VDD и VSS для управления балансом заряда. Когда напряжение батареи выше, чем напряжение уровня перегрузки (VCU), ножка OUT выводит сигнал для управления P-MOSFET или выводит высоко потенциальный сигнал для управления N-MOSFET. Когда напряжение батареи ниже избыточного разрядного напряжения (VCR), ножка OUT выдает высокий потенциал для управления P-MOSFET или низкий потенциала для выключения N-MOSFET. Пример подключения показан на рисунке 23. 48 Рисунок 23 - Пример подключения микросхемы балансировки заряда аккумулятора [5]. Силовые ключи Они собраны на базе полевых транзисторов AOD514 для отключения нагрузки. Транзисторная логика управления силовыми ключами (транзисторами) 49 На n-p-n транзисторах Q7-Q9 собрана транзисторная логика управления силовыми ключами Q7 отпирается при переразряде любого аккумулятора до напряжения ниже 2,40 В, восстановление происходит при напряжении свыше 3,0В (после снятия нагрузки либо подключения к зарядке). Q8 обеспечивает защёлкивание защиты после её срабатывания до момента полного снятия нагрузки. Одновременно, на нём организована быстродействующая защита при коротком замыкании нагрузки, когда ток прыгает свыше 100А. Q9 отпирается при перезаряде любого аккумулятора до напряжения свыше 4,28 В, восстановление происходит под нагрузкой при напряжении ниже 4,08 В. При этом силовые ключи не препятствуют протеканию разрядного тока. Преобразователь уровней и сумматор сигналов На p-n-n транзисторах Q1-Q6 собран преобразователь уровней и сумматор сигналов с HY2210. Шунтирующие резисторы Для определения тока/балансировки аккумулятора. Измерение падения напряжения на резисторе с низким сопротивлением и большой мощностью. В BMS не нужно точное измерение, важен лишь переход падения напряжения через определённый порог. Как только событие наступает, контроллер сразу же отключает нагрузку при помощи транзисторов. Алгоритм зарядки. Зарядка литиевых аккумуляторов происходит в 2 этапа: CC (constant current, постоянный ток) и CV (constantvoltage, постоянное напряжение). В течение первого этапа зарядное устройство постепенно поднимает напряжение таким образом, чтобы заряжаемый элемент брал заданный ток (рекомендованное значение равно 1 ёмкости аккумулятора). Когда напряжение достигает 4 В, зарядка переходит на второй этап и поддерживает напряжение 4,2 В на батарее. Когда элемент практически перестанет брать ток, он считается заряженным. 50 Балансировка. Процесс подразумевает выравнивание напряжений на элементах батареи, соединённых последовательно для повышения общего напряжения сборки. Из- за небольших отличий в ёмкости батарей они заряжаются за немного разное время, и когда одна ячейка может уже достигнуть апогея зарядки, остальные могут ещё недобрать заряд. При разряде такой сборки большими токами наиболее заряженные элементы по закону Ома возьмут на себя больший ток (при равном сопротивлении ток будет зависеть от напряжения, которое находится в знаменателе формулы), что вызовет их ускоренный износ и может вывести элемент из строя. 51 4. Конструкторская часть Конструкторская часть дипломного проекта состоит из следующих пунктов: 1. Определение размеров печатной платы на основании конструкционных параметров. 2. Выбор электрорадиоэлементов. 3. Примерный расчет площади печатной платы. 4. Модель печатной платы с разводкой. 5. Анализ механической прочности печатной платы. 6. Проведение теплового анализа печатной платы. Определения размеров печатной платы Основным документов, которым руководствуются при разработке печатных плат является ГОСТ Р 53429-2009 «Платы печатные. Основные параметры конструкции» [3]. Настоящий стандарт распространяется на односторонние, двусторонние и многослойные печатные платы на жестком, гибком и гибко-жестком основании (далее - печатные платы) и на гибкие печатные кабели (далее - печатные кабели). Стандарт устанавливает основные параметры конструкции печатных плат и печатных кабелей: основные размеры и их предельные отклонения, размеры элементов конструкции и их предельные отклонения, позиционные допуски расположения элементов конструкции, а также основные электрические параметры - допустимые рабочие напряжения, допустимую токовую нагрузку и допустимые сопротивления печатных проводников. Положениянастоящего стандарта обязательны для применения находящимися на территории Российской Федерации 52 организациями и предприятиями, независимо от их организационно- правовых форм и форм собственности, разрабатывающими, изготавливающими, потребляющими и заказывающими печатные платы, предназначенные для использования в радиоэлектронной аппаратуре. Согласно данному ГОСТ при проектировании плат руководствуются следующими требованиями: Размеры каждой из сторон печатной платы должны быть кратными: 2,5 мм - при длине до 100 мм в ключ. Предельные отклонения сопрягаемых размеров контура печатной платы и гибкого печатного кабеля не должны быть более 12-го квалитета по ГОСТ 25347. Отклонение от перпендикулярности сторон прямоугольной печатной платы не должно быть более 0,2 мм на 100 мм длины. Рекомендуемые толщины плат: 0,8, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0 мм. Толщина плат выбирается с учетом способа изготовления исходя из механических и электрических требований, предъявляемых к конструкции изделия. Толщина односторонней или двусторонней печатной платой определяется толщиной материала основания, фольги и химико-гальванических покрытий. Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки [3]. Учитывая требования ГОСТ 10317-79 «Платы печатные. Основные размеры» и на основе анализа необходимой площади контактных площадок всех элементов примем размер печатной платы 60х50 мм [4]. Плата выполнена из двухслойного стеклотекстолита марки FR-4 толщиной 2 мм и с толщиной фольги 35/35 мкм и соответствует ГОСТ 26246.5- 89 и ТУ И03.0107. 008-94. Сборочный чертеж печатного узла приведен в приложение А, спецификация к сборочному чертежу – приложение Б. 53 |