Автоматическое зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов

В статье описывается ЗУ, обеспечивающее одновременно заряд и десульфатацию автомобильного аккумулятора в течение заданного периода времени.При эксплуатации электромобиля аккумуляторная бата­рея рано или поздно все равно разрядится. Заряд аккуму­ляторной батареи осуществляют, как правило, одним из двух методов: постоянным током или постоянным напряжением. В первом случае заряд производится постоянным током 0,1С (0,1 от номинальной емкости батареи). Для батареи емкос­тью 55 А·ч ток заряда составляет 5,5 А. Фактически, заряд­ное устройство представляет собой регулируемый стабили­затор тока.

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.

Принципиальная схема зарядного устройства (далее уст­ройства) показана на рис.1.

Устройство обеспечивает импульсный зарядный ток до 10 А. Для заряда и одновременной десульфатации АКБ це­лесообразно устанавливать импульсный зарядный ток 5 А.

Устройство содержит три основных функциональных узла:

• стабилизатор тока, выполненный на транзисторе VT5;
• таймер на микроконтроллере DD1;
• стабилизатор напряжения на микросхеме DA1 для пита­ния 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.

Источником опорного напряжения служит стабилитрон VD10. Опорное напряжение через делитель R17R18 поступа­ет на базу транзистора VT5.

Сетевое напряжение поступает на обмотку I трансфор­матора T1 через предохранители FU1, FU2 и сетевой вы­ключатель SA1. Лампочка H1 позволяет визуально контро­лировать наличие сетевого напряжения. Основные техни­ческие характеристики зарядного устройства приведены в таблице.

В схеме предусмотрена защита аккумулятора от некон­тролируемого разряда в случае пропадания сетевого напря­жения. В этом случае реле К1 своими контактами отключит цепь разряда аккумулятора. Для защиты от короткого замы­кания на выходе в устройстве предусмотрен предохранитель FU3. Источник питания +5 В включает в себя выпрямитель на диодах VD6-VD9 и стабилизатор напряжения DA1. Напря­жение на выпрямитель поступает с обмотки III трансформа­тора Т1. Индикатор HL2 позволяет визуально контролировать напряжение +5 В.

Таймер

Таймер с обратным отсчетом времени выполнен на микро­контроллере DD1. Задаваемое время от 1 до 999 мин с дис­кретностью задания 1 мин. Предусмотрена подача (длительно­стью 60 с) звукового сигнала в момент окончания отсчета за­данного времени. Рабочая частота микроконтроллера задается генератором с внешним резонатором ZQ1 с частотой 10 МГц.

Работой реле К1 управляет транзистор VT4, сигнал на который поступает с вывода 11 микроконтроллера DD1. Пьезоэлектрический излучатель ВА1 подключен к выводу 8 микроконтроллера DD1. Индикатор HL1 вклю­чается с вывода 9 микроконтроллера DD1.

С порта Р1 микроконтроллер DD1 опрашивает кла­виатуру (кнопки S1-S3) и управляет динамической ин­дикацией на транзисторах VT1-VT3 и цифровых семи­сегментных индикаторах HG1-HG3.

Для функционирования клавиатуры задействован также вывод 7 микроконтроллера DD1. Цифровая часть принципи­альной схемы (таймера) гальванически развязана от сети 220 В/50 Гц и аналоговой части (стабилизатора тока).

В интерфейс устройства входят клавиатура (кнопки S1-S3), индикатор HL1, лампочки H1, H2 и блок индикации (дис­плей) из трех цифровых семисегментных индикаторов HG1-HG3. Интерфейс достаточно компактен, удобен и име­ет хорошую читаемость. Кнопки клавиатуры имеют следую­щее назначение:

• 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.

Технические характеристики	Параметр
Сетевое напряжение питания, В	220 ± 10%, 50 Гц
Потребляемая мощность, ВА, не более	170
Задаваемый импульсный зарядный ток, А	до 10
Габаритные размеры, мм	245 х 115 х 110
Масса, кг не более	5
Задаваемое максимальное время заряда, мин	999
Дискретность задания, мин	1

Разряды индикации интерфейса имеют следующее назна­чение:

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

Сразу после подачи питания на выводе 1 микроконтрол­лера DD2 через цепь R3C1 формируется сигнал системного аппаратного сброса микроконтроллера DD1. При инициали­зации пьезоэлектрический излучатель ВА1, индикатор HL1, транзистор VT4 отключены. На индикаторах HG1-HG3 инди­цируются нули. Точка h индикатора HG3 включена. Для перевода устройства в рабочий режим необходимо кнопками S1 (Д), S2 (С) установить нужный интервал времени. При установке времени, в таймере запрещается отсчет текущего времени. Дальше необходимо нажать кнопку S3 (С), при этом включится индикатор HL1, лампочка Н2, на выводе 11 мик­роконтроллера установится лог. «1». Транзистор VT4 откро­ется, и напряжение с выпрямителя на диодах VD6-VD9 вклю­чит реле К1, которое своими контактами замкнет цепь подключения аккумулятора. Начинается процедура зарядки ак­кумуляторной батареи. Установленное время заносится в па­мять микроконтроллера DD1.

Время, индицируемое на индикаторах HG1-HG3, декре­ментируется с каждой минутой. Точка h индикатора HG3 ми­гает с периодом 1 с. Если необходимо остановить заряд и из­менить время, то для этого необходимо нажать кнопку S3 (С), при этом выключится индикатор HL1, лампочка Н2 и реле К1, которое своими контактами разомкнет цепь подключения ак­кумулятора. Потом кнопками S1 (Д), S2 (С) установить необ­ходимый интервал времени и нажать кнопку S3 (С).

Программное обеспечение микроконтроллера полностью обеспечивает реализацию алгоритма работы электронных ча­сов. Формирование точных временных интервалов длитель­ностью 1 с, решено с помощью прерываний от таймера TF0 и счетчика на регистре R3. Счетчик на регистре R4 форми­рует интервал в одну минуту. Таймер TF0 формирует запрос на прерывание через каждые 3400 мкс. Счетчики на дан­ных регистрах, подсчитывают количество прерываний, и че­рез каждую минуту устанавливается флаг (pusk1), и текущее время декрементируется.

Корректировка текущего времени происходит каждые де­сять минут. Интервал для таймера TF0 3400 мкс выбран не­случайно. Через каждые 3400 мкс происходит отображение разрядов в динамической индикации устройства.

Программа состоит из трех основных частей: инициали­зации, основной программы, работающей в замкнутом цик­ле, и подпрограммы обработки прерывания от таймера TF0.

Конструкция и детали

Транзистор VT5 следует установить на радиаторе. Площадь эффективной поверхности радиатора не менее 200 см². Мик­росхема DA1 также устанавливается на радиаторе. Площадь эффективной поверхности радиатора для нее не менее 20 см².

Вилка Х1 входит в состав сетевого 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%.

Конденсаторы С1-С3 типа К50-35. Конденсатор С4 типа К10-17а. Данный конденсатор устанавливается между цепью +5 В и общим проводником микроконтроллера DD1 непосред­ственно возле ИМС.

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 выполнен на магнитопроводе ШЛ 32х40 (материал Э310 толщиной 0,35 мм). Первичная обмотка I содержит 554 витка провода ПЭТВ-2 0,8. Обмотка II содер­жит 132 витка провода ПЭТВ-2 1,6, с отводом от 66 витка. Обмотка III содержит 30 витков провода ПЭТВ-2 0,8. Между обмотками прокладывают три слоя лакоткани ЛМШС-105-0,12 ГОСТ 2214-78, катушку оборачивают также тремя слоями вы­шеуказанной лакоткани.

Данный трансформатор можно заменить любым другим с параметрами:

• Максимальная выходная мощность, не менее …. 200 Вт;
• Напряжение вторичной обмотки II:

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

• Напряжение вторичной 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.

Отметим, что потребление тока по каналу напряжения +5 В составляет не более 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.

Работа с устройством

Целесообразно проверить устройство на резистивной нагрузке. Для этого необходимо к клеммам ХТ3, ХТ4 подклю­чить резистивную нагрузку 6 ±1 Ом (Р_рас=60 Вт, I=6 А), по­дойдет реостат типа РСП 15 ±10% Ом, 6,5 А. К клеммам ХТ1, ХТ2 подключить амперметр (любой с пределом измере­ния тока до 10 А). Включить выключатель SA1 и установить, вращая движок резистор R18, ток по амперметру 1,8 А (для импульсного зарядного тока 5 А, так как амперметр показы­вает усредненное значение тока за период).

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: Сергей Шишкин, г. Саров
Источник: журнал Электрик №10, 2014