Приборы и техника эксперимента, 2022, № 2, стр. 57-60

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются наиболее распространенными накопителями электрической энергии, при этом их эксплуатационные характеристики, такие как емкость, количество циклов заряда–разряда и т.д., ухудшаются с течением времени. Это связано с происходящими в батареях электрохимическими процессами, которые приводят к образованию сернокислого свинца на пластинах аккумулятора [1]. Уменьшение объема сульфатации и частичное восстановление емкости аккумуляторов может осуществляться восстановительными зарядно-разрядными циклами, формируемыми чередующимися с низкой частотой интервалами заряда и разряда аккумулятора, в результате чего образуется ассиметричный зарядный ток [2–4]. Такой режим заряда позволяет существенно продлить эксплуатационный срок батареи, повысить ее надежность. Целью работы является разработка зарядного устройства для заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей асимметричным током.

Разработанное зарядное устройство состоит из трех основных узлов: корректора коэффициента мощности на микросхеме UCC28180 [5], преобразующего однофазную сеть переменного тока 220 В/50 Гц в напряжение 400 В постоянного тока; двойного активного моста и системы управления на микроконтроллере STM32 (рис. 1).

Рис. 1.

Схема зарядного устройства пульсирующего тока. T₁–T₄ – STPS57N65M5, T₅–T₈ – CSD1953KCS; L – 100 мкГн, сердечник RM14, феррит N87, зазор g = 1.9 мм, w = 25 витков/0.66 мм², провод ЛЭЛО 0.1 × 84; Tр – сердечник EILP 38/8/25, феррит N87, w₁ = 8 витков/0.66 мм², провод ЛЭШО 0.1 × 84, w₂ = 1 виток/2 мм²_, медная шина; C₁ – K73-17, 630 В, 4.7 мкФ, C₂ – K73-17, 63 В, 2.2 мкФ; PA₁ – датчик тока ACS711ELCTR-25AB-T; АБ – аккумуляторная батарея.

Силовая часть зарядного устройства построена на двунаправленной топологии двойного активного моста DAB (Dual Active Bridge). Данная топология состоит из высоковольтного инвертора на транзисторах T₁–Т₄ и низковольтного активного выпрямителя на транзисторах T₅–Т₈, связанных между собой дросселем переменного тока L. Для согласования напряжений аккумуляторной батареи и шины постоянного тока в схему включен высокочастотный трансформатор Tр.

Эффективное формирование асимметричного двуполярного тока аккумулятора требует именно двунаправленного преобразователя, имеющего интервал рекуперации с отрицательным (разрядным) током (рис. 2а). В этой связи необходим активный выпрямитель, и топология DAB является фактически безальтернативным решением построения силовой части. Классическим способом регулирования выходного тока в таких преобразователях является фазовое регулирование [6–8], основанное на фазовом сдвиге напряжений инвертора и выпрямителя на угол α. Зависимость выходного тока от угла относительно его максимального значения описывается выражением

Рис. 2.

Характеристики зарядного устройства: а – восстановительный зарядно-разрядный цикл; б – регулировочная характеристика; в – диаграммы при формировании максимального зарядного тока аккумуляторной батареи.

Характеристика (рис. 2б) показывает, что преобразователь имеет широкий диапазон изменения угла α при регулировании зарядного тока аккумулятора, при этом зарядный ток фактически не зависит от напряжения U_АБ.

При формировании асимметричного тока на такте управления задается положительный угол α₁, определяющий ток зарядного интервала аккумуляторной батареи (рис. 2в), и отрицательный угол α₂, определяющий ток разрядного интервала. Изменением соотношения длительностей указанных интервалов можно регулировать среднее значение зарядного тока, сохраняя неизменными уровни асимметричного тока. При этом, во избежание возникновения аварийного режима, ампер-секундная площадь импульса заряда должна превышать площадь разрядного. Учитывая низкую частоту следования импульсов ассиметричного тока 10 Гц, смена угла регулирования происходит итерационно в течение 20 периодов работы зарядного устройства.

Система управления зарядного устройства построена на базе контроллера STM32F334R8T6. Управляющее воздействие формируется в виде сдвинутых по фазе последовательностей управляющих импульсов транзисторов инвертора и выпрямителя. Формирователь управляющих импульсов вычисляет требуемые углы управления в зависимости от заданных значений тока зарядного и разрядного интервалов. Ввиду неидеальности элементов преобразователя, рассчитанный по выражению (1) угол регулирования не обеспечивает требуемую точность стабилизации зарядного тока, поэтому в устройстве реализуется коррекция угла управления регулятором обратной связи. Коррекция происходит по сигналу усилителя ошибки, который сравнивает опорный сигнал с оцифрованным сигналом датчика тока PA₁, нормированным относительно напряжения питания микроконтроллера 3.3 В. Измерение проводится датчиком тока на эффекте Холла ACS711ELCTR-25AB-T. Среднее значение зарядного тока задается программно и определяется длительностями зарядного и разрядного интервалов.

Наибольшая энергетическая эффективность преобразования достигается при настройке максимального зарядного тока на угол управления α₁ → π/2, в устройстве принято α₁ = 0.4π. Это позволяет получить минимальные интервалы рекуперации в выпрямителе и минимальное действующее значение его тока. В рассматриваемом случае на частоте 200 кГц моделированием получены значения коэффициента трансформации K_тр = 8 и индуктивности дросселя L = 100 мкГн, обеспечивающие данный угол.

В данном режиме работы преобразователя реализуется ZVS (zero voltage switch – включение в нуле напряжения) транзисторов инвертора, что важно при его высоком напряжении, равном 400 В. Однако необходимо учитывать существенные значения выключаемого тока, на интервале заряда достигающие 4.5 А, что требует выбирать транзисторы с незначительными емкостями сток–исток C_ds. Для инвертора выбраны MOSFET-транзисторы – STP57N65M5 с выходной емкостью C_ds = 115 пФ. Критерии выбора транзисторов выпрямителя иные. Учитывая большой выходной ток, их выбор основан на обеспечении минимальных статических потерь. В зарядном устройстве выбраны транзисторы CSD1953KCS с малым сопротивлением открытого канала R_ds = 2.6 мОм.

Разработка согласующего трансформатора с большим выходным током имеет свои особенности. Такие трансформаторы выполняются на разрезных магнитопроводах с многослойной вторичной обмоткой (рис. 3). В этом случае конструкция позволяет получить лучшее заполнение окна магнитопровода и уменьшает последствия поверхностного эффекта. В данном устройстве применен магнитопровод ELP 38/8/25, вторичная обмотка реализована из 4 слоев медной фольги толщиной 0.1 мм с изоляцией класса B из полиэстеровой пленки. Первичная обмотка выполнена многожильным проводом литцендрат – ЛЭЛО, общим сечением 0.66 мм².

Рис. 3.

Трансформатор преобразователя номинальной мощностью 250 ВА: а – схема трансформатора с вторичной обмоткой из медной шины; б – внешний вид трансформатора; обмотка инвертора – провод ЛЭШО 84 × 0.1, обмотка выпрямителя – четырехслойная изолированная медная шина толщиной 0.1 мм.

Дроссель преобразователя индуктивностью L = 100 мкГн располагается в цепи первичной обмотки трансформатора, поэтому имеет небольшое значение тока 5 А, которое позволяет выполнить обмотку проводом ЛЭЛО 84×0.1. В дросселе используется магнитопровод RM14 с зазором g = 1.9 мм (феррит N87). Введение зазора необходимо для обеспечения амплитуды индукции сердечника 0.1 Тл, ограничивающей потери в магнитопроводе на уровне 4.2 Вт.

Результаты испытаний в режиме заряда аккумулятора AGM26-12 асимметричным током показаны на рис. 4а. Максимальное значение тока заряда составляет 19.2 А, тока разряда –7 А, длительности интервалов заряда 40 мс и разряда 60 мс, средний ток заряда аккумулятора 3.5 А.

Рис. 4.

Осциллограммы параметров зарядного устройства: а – асимметричного зарядного тока аккумуляторной батареи I_АБ (12.5 А/деление), б – на интервале заряда: ток дросселя I_L (5 А/деление), напряжения на транзисторе инвертора T₁ (200 В/деление) и транзисторе выпрямителя T₂ (10 В/деление).

Работа преобразователя на интервале заряда при U_вх = 391 В и U_АБ = 13.4 В проиллюстрирована осциллограммами тока дросселя I_L, напряжений на транзисторе инвертора ${{U}_{{{{T}_{1}}}}}$ и выпрямителя ${{U}_{{{{T}_{2}}}}}$ (рис. 4б). При угле регулирования α₁ = 0.4π зарядный ток составил 19.2 А. Видно, что интервал рекуперации энергии в выпрямителе минимален, что минимизирует статические потери. Экспериментальные результаты (рис. 4б) количественно и качественно соответствуют моделированию (рис. 2в).

Таким образом, представленное устройство позволяет задавать низкочастотные восстановительные зарядно-разрядные циклы, что реализует процесс десульфатации пластин и восстановления характеристик свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Граничный режим работы устройства при равенстве ампер-секундных площадей зарядного и разрядного интервалов позволяет формировать контрольно-тренировочные циклы без передачи энергии, т.е. делает возможным восстановление характеристик полностью заряженной аккумуляторной батареи.