Автоматичний зарядний пристрій для автомобільних акумуляторів

У статті описується ЗУ, що забезпечує одночасно заряд і десульфатацию автомобільного акумулятора протягом заданого періоду часу.При експлуатації електромобіля акумуляторна батарея рано чи пізно все одно розрядиться. Заряд акумуляторної батареї здійснюють, як правило, одним з двох методів: постійним струмом або постійною напругою. У першому випадку заряд проводиться постійним струмом 0,1 З (0,1 від номінальної ємності батареї). Для батареї ємністю 55 А·год струм заряду становить 5,5 А. Фактично, зарядний пристрій являє собою регульований стабілізатор струму.

При заряде постоянным напряжением степень заряженности аккумуляторной батареи напрямую зависит от величи­ны зарядного напряжения. Полностью зарядить батарею мож­но при напряжении зарядного устройства 16,3…16,5 В. В первый момент включения тока его величина может дости­гать до 50 А и более, в зависимости от внутреннего сопро­тивления батареи. По мере заряда напряжение на ее выво­дах приближается к напряжению зарядного устройства, вели­чина зарядного тока соответственно снижается и приближа­ется к нулю в конце заряда. Критерием заряда в подобном случае является достижение напряжения на выводах АКБ рав­ного 14,4 ±0,1 В.

Принципова схема зарядного пристрою (далі пристрою) показана на рис.1.

Пристрій забезпечує імпульсний зарядний струм до 10 А. Для заряду і одночасної десульфатации АКБ доцільно встановлювати імпульсний зарядний струм 5 А.

Пристрій містить три основних функціональних сайту:

• стабілізатор струму, виконаний на транзисторі VT5;
• таймер на мікроконтролері DD1;
• стабілізатор напруги на мікросхемі DA1 для харчування таймера.

Заряд аккумулятора осуществляется положительными им­пульсами тока с обмотки II трансформатора Т1, в течение половины периода сетевого напряжения, когда напряжение на клеммах ХТ3, ХТ4 превысит напряжение на аккумулято­ре. В течение второго полупериода диоды VD, VD5 закрыты, и аккумулятор разряжается через нагрузочное сопротивле­ние R22. Величина разрядного тока определяется номиналом данного сопротивления. Значение зарядного тока устанавли­вается вращением движка резистора R22 по амперметру, подключаемого к клеммам ХТ1, ХТ2. Учитывая, что при за­рядке батареи часть тока протекает и через резистор R19, то показание амперметра должно быть 1,8…2 А (для импульс­ного зарядного тока 5 А), так как амперметр показывает ус­редненное значение тока за период, а заряд осуществляет­ся в течение половины периода.

Джерелом опорного напруги служить стабілітрон VD10. Опорне напруга через дільник R17R18 надходить на базу транзистора VT5.

Мережеве напруга надходить на обмотку I трансформатора T1 через запобіжники FU1, FU2 і мережевий вимикач SA1. Лампочка H1 дозволяє візуально контролювати наявність мережного напруги. Основні технічні характеристики зарядного пристрою наведені в таблиці.

В схемі передбачена захист акумулятора від неконтрольованого розряду у випадку зникнення напруги мережі. У цьому випадку реле К1 своїми контактами відключить ланцюг розряду акумулятора. Для захисту від короткого замикання на виході в пристрої передбачений запобіжник FU3. Джерело живлення +5 В включає В себе випрямляч на діодах VD6-VD9 і стабілізатор напруги DA1. Напруга надходить на випрямляч з обмотки III трансформатора Т1. Індикатор HL2 дозволяє візуально контролювати напругу +5 Ст.

Таймер

Таймер зі зворотнім відліком часу виконаний на мікроконтролері DD1. Задається час від 1 до 999 хв з дискретністю завдання 1 хв. Передбачена подача (тривалістю 60 с) звукового сигналу в момент закінчення відліку заданого часу. Робоча частота мікроконтролера задається генератором із зовнішнім резонатором ZQ1 з частотою 10 МГц.

Роботою реле К1 управляє транзистор VT4, на який надходить сигнал з виводу 11 мікроконтролера DD1. П'єзоелектричний випромінювач ВА1 підключений до висновку 8 мікроконтролера DD1. Індикатор HL1 включається з виведення 9 мікроконтролера DD1.

З порту Р1 мікроконтролер DD1 опитує клавіатуру (кнопки S1-S3) і управляє динамічною індикацією на транзисторах VT1-VT3 і цифрових семисегментних індикаторах HG1-HG3.

Для функціонування клавіатури задіяний також висновок 7 мікроконтролера DD1. Цифрова частина принципової схеми (таймера) гальванічно розв'язана від мережі 220 В/50 Гц і аналогової частини (стабілізатора струму).

У інтерфейс пристрою входять клавіатура (кнопки S1-S3), індикатор HL1, лампочки H1, H2 і блок індикації (дисплей) з трьох цифрових семисегментних індикаторів HG1-HG3. Інтерфейс досить компактний, зручний і має хорошу читаність. Кнопки клавіатури мають наступне призначення:

• S1 ( Д ) – увеличение на единицу значения при установ­ки времени в минутах, при удержании данной кнопки в на жатом состоянии более 4 с, значение времени, индицируе­мое на дисплее, увеличивается на 5 единиц за 1 с;
• S2 ( С ) – уменьшение на единицу значения каждого при установке времени часов, работает аналогично кнопке S1;
• S3 ( C ) – кнопка включения/выключения выпрямителя, данная кнопка подтверждения заданных параметров и нача­ло работы, с нажатием данной кнопки начинается работа таймера – идет обратный отсчет заданного времени, включает­ся реле К1 (лампочка Н2), включается также индикатор HL1.

Технічні характеристики	Параметр
Мережеве напруга живлення, В	220 ± 10%, 50 Гц
Споживана потужність, ВА, не більше	170
Задається імпульсний зарядний струм, А	до 10
Габаритні розміри, мм	245 х 115 х 110
Маса, кг не більше	5
Задається максимальний час заряду, хв	999
Дискретність завдання, хв	1

Розряди індикації інтерфейсу мають наступне призначення:

• разряд (индикатор HG1) – «единицы минут»;
• разряд (индикатор HG2) – «десятки минут»;
• разряд (индикатор HG3) – «сотни минут».

Відразу після подачі живлення на виводі 1 мікроконтролера DD2 через ланцюг R3C1 формується сигнал системного апаратного скидання мікроконтролера DD1. При ініціалізації п'єзоелектричний випромінювач ВА1, індикатор HL1, транзистор VT4 відключені. На індикатори HG1-HG3 відображаються нулі. Точка h індикатора HG3 включена. Для переведення пристрою в робочий режим необхідно кнопками S1 (Д), S2 (З) встановити потрібний інтервал часу. При встановленні часу, в таймері забороняється відлік часу. Далі необхідно натиснути кнопку S3 (С), при цьому вмикається індикатор HL1, лампочка Н2, на виводі 11 мікроконтролера встановиться лог. «1». Транзистор VT4 відкриється, і напруга з випрямляча на діодах VD6-VD9 включить реле К1, яке своїми контактами замкне ланцюг підключення акумулятора. Починається процедура зарядки акумуляторної батареї. Встановлений час заноситься в пам'ять мікроконтролера DD1.

Час, діагностуємих на індикатори HG1-HG3, декрементіруется з кожною хвилиною. Точка h індикатора HG3 блимає з періодом 1 с. Якщо необхідно зупинити заряд і змінити час, то для цього необхідно натиснути кнопку S3 (С), при цьому виключається індикатор HL1, лампочка Н2 і реле К1, яке своїми контактами розімкне ланцюг підключення акумулятора. Потім кнопками S1 (Д), S2 (З) встановити необхідний інтервал часу і натиснути кнопку S3 (С).

Програмне забезпечення мікроконтролера повністю забезпечує реалізацію алгоритму роботи електронних годинників. Формування точних часових інтервалів тривалістю 1 с, вирішено з допомогою переривань від таймера TF0 і лічильник на регістрі R3. Лічильник на регістрі R4 формує інтервал в одну хвилину. Таймер TF0 формує запит на переривання через кожні 3400 мкс. Лічильники на даних регістрах, підраховують кількість переривань, і через кожну хвилину встановлюється прапор (pusk1), і поточний час декрементіруется.

Коригування поточного часу відбувається кожні десять хвилин. Інтервал таймера TF0 3400 мкс обраний невипадково. Через кожні 3400 мкс відбувається відображення розрядів в динамічної індикації пристрою.

Програма складається з трьох основних частин: ініціалізації, основної програми, що працює в замкнутому циклі, і підпрограми обробки переривання від таймера TF0.

Конструкція і деталі

Транзистор VT5 слід встановити на радіаторі. Площа ефективної поверхні радіатора не менше 200 см². Мікросхема DA1 також встановлюється на радіаторі. Площа ефективної поверхні радіатора для неї не менше 20 см².

Вилка Х1 входить до складу мережного шнура ШВВП-ВП2 х 0,75-250-18-6.

В устройстве применены резисторы типа С2-33Н-0,125, ре­зистор R16 – С2-33Н-2, R18 – СП5-2ВБ, R21 – С5-16МВ (ав­тор последовательно включил два резистора С5-16МВ-2Вт-0,2 и один С5-16МВ-2Вт-0,1), R22 – ПЭВ-30. Подойдут любые дру­гие с такой же мощностью рассеивания и допуском ±5%.

Конденсатори С1-С3 типу К50-35. Конденсатор С4 типу К10-17а. Даний конденсатор встановлюється між ланцюгом +5 В і загальним провідником мікроконтролера DD1 безпосередньо біля ІМС.

Стабилитрон VD10 подойдет любой, с напряжением ста­билизации от 8 до 12,2 В. Реле К1 – РЭН29 РФ0.450.016ТУ на напряжение 12 В.

Трансформатор Т1 виконаний на магнітопроводі ШЛ 32 x 40 (матеріал Э310 товщиною 0,35 мм). Первинна обмотка I містить 554 витка проводи ПЭТВ-2 0,8. Обмотка II містить 132 витка проводи ПЭТВ-2 1,6, з відведенням від 66 витка. Обмотка III містить 30 витків дроту ПЭТВ-2 0,8. Між обмотками прокладають три шари лакотканини ЛМШС-105-0,12 ГОСТ 2214-78, котушку обертають також трьома шарами вищевказаної лакотканини.

Даний трансформатор можна замінити будь-яким іншим з параметрами:

• Максимальная выходная мощность, не менее …. 200 Вт;
• Напруга вторинної обмотки II:

в режиме «холостого хода» …. 22…25 В;
в режиме номинальной нагрузки …. 21.24 В;

• Напруга вторинної обмотки III:

в режиме «холостого хода» …. 12В;
в режиме номинальной нагрузки …. 11В;

• Максимальный ток обмотки II …. 8А;
• Максимальный ток обмотки III …. 1А;
• Электрическая прочность между первичной и вторичными обмотками …. 1,5 кВ;

• Сопротивление изоляции …. 500 МОм.

Зазначимо, що споживання струму по каналу напруги +5 В становить не більше 200 мА.

Номинальный ток предохранителей FU1, FU2 – 1,1 А. Тип ВП1-1,1А (1,1 А/250 В). Держатели вставок плавких типа ДВП4-1в. Номинальный ток предохранителей FU3 – 10 А. Тип ВП1-2 (10 А /250 В). Держатель вставки плавкой типа ДВП4-2В.

Электромонтаж цепей стабилизатора тока велся сдвоен­ным проводом МГШВ-0,5. Монтаж цепей таймера проводом МГТФ-0,12, монтаж остальных цепей проводом МГШВ – 0,35.

Робота з пристроєм

Доцільно перевірити пристрій на резистивної навантаженням. Для цього необхідно до клем ХТ3, ХТ4 підключити резистивне навантаження 6 ±1 Ом (Р_рас=60 Вт, I=6 А), підійде реостат типу РСП 15 ±10% Ом, 6,5 А. До клем ХТ1, ХТ2 підключити амперметр (будь з межею вимірювання струму до 10 А). Включити вимикач SA1 і встановити, обертаючи движок резистор R18, струм по амперметру 1,8 А (для імпульсного зарядного струму 5 А, так як амперметр показує середнє значення струму за період).

Через 2…3 ч работы проверить тепловой режим работы устройства и показания амперметра. После подключения ак­кумуляторной батареи, значение зарядного тока резистором R18, по амперметру, нужно установить в пределах 1,8…2 А.

Автор: Сергій Шишкін, р. Саров
Джерело: журнал Електрик №10, 2014