Development of the Scheme of Controlling the Charge of the Ultracapacitor Module and Definition of Its Workability by Modeling

Starodubtseva V.A., Shklyaev M.O.

Abstract


The paper considers the problem of development of a hybrid battery based on lithium batteries and ultracapacitors that would keep its serviceability at low temperatures. This issue is based on solving the problem of the module charge of ultracapacitors. The device is to be developed, that could perform the preliminary charging the module of ultracapacitors and keep the voltage in it at a definite level. In order to solve this problem, characteristics of accumulator batteries and ultracapacitors were analyzed. The opinion was proved that ultracapacitors have much better temperature characteristics and the characteristics of the number of “charge-recharge” cycles. The structural scheme of a hybrid battery was developed and its operation was described. The paper considers the processes of development of specific units of this scheme such as the device for preliminary charging of the ultracapacitor module and the device for controlling the direct voltage transducer that connects the accumulator battery and the module of ultracapacitors. The paper contains the calculation of main parameters of the scheme and description of choosing the applied devices. The paper also comprises the description of such an auxiliary device as the adaptor of voltage transformation which serves for its distant control. The workability of all the described above developed schemes is checked by means of modeling in the software media Multisim. Based on the data obtained at modeling, the workability of the obtained schemes is analyzed. To substantiate the obtained results, a general scheme for charging the ultracapacitor module is assembled. Results of modeling prove the workability of the general scheme, therefore, the conclusion is made on possibility to apply this scheme in practice. Application of ultracapacitors in hybrid accumulator batteries has a number of problems, but they can be solved by control schemes, for example, similar to the scheme that is considered in the paper.

Keywords


Multisim; ultracapacitor; hybrid battery; modeling; Multisim

Full Text

Аккумуляторные источники электропитания имеют ряд недостатков - ограничение возможности их нормального функционирования при отрицательных температурах, ограничение глубины разряда, малое количество циклов заряда-разряда. Кроме того, их утилизация сопряжена с риском нанесения экологического вреда окружающей среде. Все это приводит к тому, что необходимо найти альтернативу аккумуляторным батареям. Одним из альтернативных вариантов является гибридный аккумулятор. Для решения задачи по разработке гибридного аккумулятора применены суперконденсаторы. Суперконденсатор - электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Главное достоинство суперконденсаторов - это на несколько порядков большая емкость, чем у любых других классов конденсаторов. Суперконденсаторы по удельной энергии и удельной мощности занимают промежуточное положение между химическими источниками тока (аккумуляторами) и электролитическими конденсаторами, но в отличие от аккумуляторов сохраняют работоспособность в широком температурном диапазоне от -50 до +85 °С при числе циклов заряда-разряда до 106, их емкость составляет тысячи фарад. В отличие от аккумуляторов суперконденсаторы не нуждаются в каком-либо обслуживании в течение всего срока эксплуатации. Сравнительные характеристики суперконденсаторов и аккумуляторов приведены в табл. 1. Таблица 1. Сравнительные характеристики суперконденсаторов и аккумуляторов распространенных типов Тип накопителя Аккумуляторы Суперконденсаторы Показатели Кислотные Щелочные Литий-ионные Промышлен-ные Уд. энергия, Вт×ч/кг 20…40 15…80 80…220 2…10 Уд. мощность, Вт/кг 100…300 500…1300 800…3000 1200…1500 Число циклов 100…400 300…2000 300…500 1000000 Диапазон рабочих тем-ператур, °С -20…+40 -50…+85 Уникальным свойством суперконденсатора является очень длительное время сохранения заряда из-за нелинейной зависимости тока саморазряда от напряжения. Так, после снижения напряжения на суперконденсаторе до ~70 % от номинального срок хранения заряда резко увеличивается от нескольких суток до нескольких лет вследствие снижения тока саморазряда [1]. Гибридный аккумулятор, выполненный на базе двух накопителей энергии - суперконденсаторе и аккумуляторе, может быть использован в качестве источника питания радиостанций и квадрокоптеров. Для подсоединения к внешнему зарядному устройству имеются клеммы, к которым через диоды развязки параллельно подключены аккумулятор (аккумуляторная батарея) и суперконденсатор (сборка суперконденсаторов). Источник электропитания также содержит устройство управления зарядом суперконденсатора. Обогрев аккумуляторной батареи, который связан с датчиком температуры данной батареи. Также для стабилизированного напряжения на выходе установлен преобразователь напряжения с широким диапазоном входного напряжения. Преимущества: высокая надежность схемы электропитания за счет использования резервного источника энергии в виде аккумулятора кроме ионистора, а также простота исполнения схемы управления; при этом обеспечивается высокая энергоэффективность блока суперконденсатор-аккумулятор за счет более полного использования запасенной энергии в широком диапазоне температур. Также за счет параллельной работы суперконденсатора и аккумуляторной батареи увеличивается срок службы последней. На рис. 1 представлена структурная блок-схема стабилизированного комбинированного источника питания. Рис. 1. Структурная схема гибридного аккумулятора на основе суперконденсаторов Аккумулятор (аккумуляторная батарея) 3, например сборка из литий-полимерных аккумуляторов LP103454LС-PCM-NTC-LD, и блок суперконденсаторов 10, соединены параллельно и подключены к клеммам для подключения внешнего источника питания 1 через диоды развязки 2 и 4. Последовательно между аккумуляторной батареей и блоком суперконденсаторов включены устройство предварительного заряда и первый преобразователь напряжения, управление которым осуществляется за счет устройства управления преобразователем напряжения 7. Параллельно блоку суперконденсаторов подключен нагревательный элемент 11 через датчик температуры 9 и тумблер 8. На выходе установлен преобразователь напряжения с диапазоном входных напряжений от 9 до 16,8 В. Работа источника питания осуществляется следующим образом. В исходном состоянии при включении зарядного устройства происходит заряд аккумулятора 3 и заряд блока суперконденсаторов 10 через устройство предварительного заряда 5. При достижении напряжения на блоке суперконденсатора 10 10,35 В устройство предварительного заряда 5 отключается, и при этом устройство управления преобразователем напряжения 7 подает команду на включение первого преобразователя напряжения 6. Когда напряжение на блоке суперконденсаторов достигнет 15 В, устройство управления преобразователем напряжения 7 отключает первый преобразователь напряжения. Зарядное устройство также заряжает аккумуляторную батарею 3 до напряжения 16,8 В. При разряде блока суперконденсаторов 10 ниже 15,0 В устройство управления преобразователем напряжения 7 снова включает первый преобразователь напряжения, и происходит разряд аккумуляторной батареи 3. При пониженной температуре, порядка -40 °С, токовые характеристики аккумуляторной батареи 3 резко падают, хотя данные батареи и рассчитаны для работы в данных условиях, чтобы вернуть прежние характеристики, необходимо прогреть аккумуляторную батарею до - 20 °С. Для этого используется нагревательный элемент 11, который потребляет энергию, запасенную на блоке суперконденсаторов 10. В случае если блок суперконденсаторов разряжен - он принимает слаботочный заряд от аккумуляторной батареи 3. Обогрев аккумуляторной батареи включается с помощью тумблера 8, при достижении температуры -20 °С срабатывает датчик температуры 9 и отключает цепь нагревателя. Таким образом, предлагаемый источник питания обеспечивает параллельную работу аккумуляторной батареи и блока суперконденсаторов, тем самым уменьшая нагрузку на аккумуляторную батарею, что положительно сказывается на ее сроке службы. Также в случае аварийного режима, например током свыше 5 А, поддерживается его работоспособность на время разряда блока суперконденсаторов. За счет прогрева аккумуляторной батареи появляется возможность более полного использования запасенной энергии. Задача предварительного заряда заключается в ограничении тока в начале заряда модуля суперконденсаторов до 5 А. Поскольку модуль суперконденсаторов имеет очень малое внутреннее сопротивление, в начальный момент времени необходимо добавить резисторы в цепь заряда для ограничения тока. Для ограничения тока в цепь предварительного заряда последовательно включены три резистора с сопротивлением 1 Ом мощностью рассеяния 25 Вт и один резистор сопротивлением 0,36 Ом мощностью рассеяния 10 Вт. Для коммутации данной цепи предварительного заряда использован полевой транзистор с р-каналом. Необходимо разработать схему управления данным транзистором. Для решения данной задачи необходимо устройство, которое будет следить за уровнем напряжения заряда модуля суперконденсаторов. Выбор остановлен на использовании компараторов на основе операционных усилителей. Наиболее распространенный тип операционных усилителей, которые удовлетворяют электрическим характеристикам, - это LM158, LM258, LM358. После изучения технических характеристик других типов усилителей выбран операционный усилитель LM158, т. к. он соответствует диапазону рабочих температур (-55 … +125 °С). Также для стабильной работы необходимо обеспечить гистерезис, чтобы при напряжении отключения предварительного заряда обеспечить устойчивое переключение ключа. Для этого взята схема триггера Шмитта. Рассчитаем схему предварительного заряда. Схема триггера Шмитта, выбранная для расчета, представлена на рис. 2. Рис. 2. Схема триггера Шмитта на операционном усилителе Входные данные: В - напряжение питания; В - необходимое напряжение срабатывания; В - максимальное напряжение на выходе (принимается на 1-2 В меньше ); В - минимальное напряжение на выходе (принимается 0,3…1 В). Для расчета задаемся следующими значениями: В - гистерезис; Ом; определяется по формуле Ом. (1) Для расчета задаемся, что Ом. Смещение рабочей точки переключения определяется по формуле В. (2) определяется по формуле Ом. (3) Рассчитаем напряжение срабатывания и отпускания по формулам (4) и (5) соответственно: В, (4) В, (5) где - скорость переключения операционного усилителя [2]. Но полевой транзистор с р-каналом открывается при напряжении на его затворе меньшем, чем на истоке и закрывается при практически равных напряжениях на затворе и истоке. Следовательно, для правильной коммутации цепи предварительного заряда необходимо использовать инвертор, приведенный на рис. 3. Но для надежной работы инвертора недостаточно замкнуть неинвертирующий вход на землю, как это показано на рис. 3. Необходимо на неивертирующий вход подать низкий потенциал с помощью резистивного делителя напряжения. Рис. 3. Схема инвертора на операционном усилителе [3] На основе приведенных расчетов построим модель в программной среде Multisim, представленную на рис. 4. В ходе моделирования использован конденсатор меньшей емкости, так как, используя большую емкость конденсатора, программа выдает ошибку. В данной схеме на канал А подается напряжение с конденсатора. На канал В подается напряжение затвор-исток полевого транзистора. Для определения гистерезиса схемы после того, как транзистор закрылся, подключаем конденсатор к нагрузке R11. Осциллограмма напряжений представлена на рис. 5. Рис. 4. Модель предварительного заряда модуля суперконденсаторов Рис. 5. Осциллограмма напряжений каналов А и В На рис. 5 (канал B) - это напряжение на модуле суперконденсаторов; - напряжение затвор-исток полевого транзистора. Как видно из осциллограммы, в момент времени, когда напряжение на модуле суперконденсаторов достигает значения 10,31 В, напряжение, подаваемое на затвор транзистора, равняется нулю, а так как модуль суперконденсаторов имеет заряд, то к затвору приложено обратное напряжение, равное заряду модуля. Во время разряда при напряжении на модуле 9,92 В транзистор снова открывается. Гистерезис схемы равняется примерно 0,39 В. Отклонение напряжений, полученных при моделировании, от расчетных значений, возможно, обусловлено идеальными параметрами операционного усилителя, заданными программной средой Multisim. Для управления преобразователем постоянного напряжения (далее DC\DC-преобразователь) рассмотрим принцип его включения и выключения на основе преобразователя напряжения UWE-15/5-Q12PB-C фирмы Murata. Схема управления включением и отключением преобразователя напряжения представлена на рис. 6. На данной схеме для управления DC/DC-преобразователем использована оптопара. При протекании тока через светодиод транзистор переходит в открытое состояние, тем самым замыкая управляющий контакт на землю. В этот момент DC/DC-преобразователь выключен. Когда светодиод отключен, транзистор закрыт. Образуется разрыв между управляющим контактом и землей, и DC/DC-преобразователь включается. Данный способ наиболее подходящий для подключения DC/DC-преобразователя в цепь, потому что при отсутствии необходимости отключения преобразователя управляющий контакт не используется [4]. Рис. 6. Схема управления включением и отключением преобразователя напряжения Для создания описываемой схемы будут использованы два параллельно включенных полевых транзистора с n-каналом. Поскольку необходимо включать DC/DC-преобразователь, когда напряжение на модуле суперконденсаторов находится в диапазоне от 10 до 14,8 В, график напряжения, подаваемого на затворы полевых транзисторов, должен выглядеть следующим образом (рис. 7). Рис. 7. График зависимости напряжения затвор-исток первого и второго полевых транзисторов от уровня напряжения заряда модуля суперконденсаторов Необходимо учитывать условие, что выключение предварительного заряда должно происходить после включения DC/DC-преобразователя для непрерывности заряда модуля суперконденсаторов. В случае если предварительный заряд отключится раньше, прекратится заряд модуля, а DC/DC-преобразователь не включится. Для реализации графика напряжений, приведенного на рис. 7, также использованы операционные усилители. Для управления напряжением, которое подается на затвор первого транзистора, использована схема триггера Шмитта, расчет которой аналогичен расчету, приведенному выше. Для управления напряжением, которое подается на затвор второго транзистора, использованы два операционных усилителя, первый собирается в схему триггера Шмитта, а второй - в схему инвертора. Для подтверждения работоспособности предложенной схемы построена модель в Multisim, показанная на рис. 8. В схеме добавлен светодиод LED1 для визуализации включения и выключения преобразователя напряжения. Когда светодиод горит, управляющий контакт замкнут на землю и преобразователь напряжения отключен. В тот момент, когда светодиод гаснет, образуется разрыв между управляющим контактом и землей, преобразователь напряжения включен. Для определения уровня напряжений модуля суперконденсаторов, при которых происходят данные включение и выключение, приведена осциллограмма напряжений, подаваемых на затворы первого и второго транзисторов (рис. 9). Как видно из рис. 9, включение преобразователя напряжения (оба транзистора закрыты) происходит при напряжении модуля суперконденсаторов 9,97 В, выключение (один из транзисторов открыт) - 14,83 В. Для определения гистерезиса снимем показания осциллографа при разряде (рис. 10). Рис. 8. Модель управления включением и отключением преобразователя напряжения Рис. 9. Осциллограммы напряжений при заряде: (канал А) - напряжение на затворе первого транзистора. (канал В) - напряжение на затворе второго транзистора. (канал С) - напряжение на модуле суперконденсаторов Как видно из рис. 10, закрытие второго транзистора происходит при напряжении 14,52 В, а включение первого транзистора при напряжении 9,62 В. Гистерезис схемы равняется примерно 0,3 В. Вследствие того, что напряжение аккумуляторной батареи падает при разряде, необходима стабилизация напряжения на входе резистивных делителей, которые задают уровни напряжений переключений выше приведенных схем. Поскольку в схеме управления допустимы отклонения, использован недорогой стабилитрон 1N4735A, а для повышения КПД схемы использована схема с биполярным транзистором (рис. 11) [5]. При пониженном напряжении на входе стабилизатора отклонение составляет 13 мВ, что является допустимым отклонением (рис. 12). Рис. 10. Осциллограммы напряжений при разряде Рис. 11. Стабилизатор напряжения Рис. 12. Стабилизатор напряжения при пониженном напряжении Коэффициент стабилизации определяется по формуле 6. , (6) где - входное напряжение, - напряжение стабилизации. Поскольку опорное напряжение стало ниже рассчитанного до этого, необходимо снимать напряжение с модуля суперконденсаторов через резисторный делитель. Проверить с помощью приведенного выше расчета новые параметры схемы и в случае необходимости заменить элементы. В случае использования преобразователя напряжения, который не имеет функции дистанционного управления, требуется адаптер, чтобы схема управления оставалась неизменной. Логика дистанционного управления описана выше. Предлагаемая модель адаптера представлена на рис. 13. Рис. 13. Модель адаптера преобразователя напряжения Для коммутации цепи преобразователя напряжения выбран полевой транзистор с р-каналом. Для визуализации включения преобразователя напряжения в схему добавлен светодиод LED1 с токоограничивающим резистором R1. Зажигание светодиода свидетельствует о включении преобразователя напряжения. Ключ S1 эквивалентен схеме управления преобразователем напряжения, разобранной выше. Рассмотрим работу адаптера с помощью осциллограммы, показанной на рис. 14. Рис. 14. Осциллограмма напряжения на выходе адаптера При запуске моделирования ключ S1 замкнут, транзистор закрыт, и на выходе адаптера отсутствует напряжение. На промежутке времени от 0,4 до 0,8 с ключ S1 находился в разомкнутом состоянии, транзистор находился в открытом состоянии, т. е. на выходе адаптера имеется напряжение. В момент времени 0,8 с ключ S1 переведен в замкнутое положение, и на выходе адаптера напряжение вновь отсутствует. Данная схема поможет использовать уже разработанную схему в случае, если возникнет необходимость использовать другой DC/DC-преобразователь. Для комплексного анализа схемы промоделирована общая схема управления зарядом модуля суперконденсаторов, приведенная на рис. 15. При моделировании больших емкостей Multisim выявляет ошибку моделирования. Для исключения ошибки в ходе моделирования использован конденсатор меньшей емкости. Вместо DC/DC-преобразователя использован источник постоянного напряжения 15 В с токоограничивающим резистором, т. к. при моделировании схемы преобразователя Multisim обнаруживает ошибку. Коммутирование преобразователя происходит с помощью ключа. Для наблюдения процесса разряда в схему добавлен резистор, который включается с помощью ключа. По данной электрической схеме собран макет. При проверке его функционирования установлено, что все параметры соответствуют заявленным. Но при отключении питания замечен высокий ток саморазряда модуля суперконденсаторов через цепь предварительного заряда. Этот ток обусловлен наличием обратного диода полевого транзистора. Для уменьшения данного тока саморазряда в цепь последовательно включены диоды D1 и D2, которые не пропускают обратный ток. Для проверки характеристик сняты осциллограммы напряжений при заряде (рис. 16) и разряде (рис. 17). (канал C) отображает напряжение, подаваемое на затвор транзистора, который коммутирует цепь предварительного заряда. (канал A) - напряжение, подаваемое на первый транзистор цепи управления включением и выключением DC/DC-преобразователя. (канал B) - напряжение, подаваемое на второй транзистор цепи управления включением и выключением DC/DC-преобразователя. (канал D) - уровень напряжения заряда конденсатора. Как видно из представленных осциллограмм, данная схема соответствует требованиям и может быть использована на практике. В процессе разработки схемы управления зарядом модуля суперконденсаторов в гибридном аккумуляторе проведен анализ структурной схемы гибридного аккумулятора на основе суперконденсаторов, разработаны и промоделированы схема предварительного заряда модуля суперконденсаторов, схема управления включением и отключением преобразователя напряжения, схема стабилизатора, схема адаптера преобразователя напряжения. Промоделирована общая схема управления зарядом модуля суперконденсаторов в гибридном аккумуляторе. Данные моделирования показали работоспособность разработанной схемы управления. Возможно использование данной схемы на практике. Рис. 15. Модель общей схемы управления зарядом модуля суперконденсаторов Рис. 16. Осциллограммы напряжений при заряде Рис. 17. Осциллограммы напряжений при разряде
References References

Пат. 2488198 Российская Федерация, МПК Н01М10/00 / Галушко А. И., Гром Ю. И., Лазарев А. Н., Салихов Р. С. Стабилизированный комбинированный источник электропитания; заявитель и патентообладатель ОАО «Научно-исследовательский институт электромеханики». - № 2012121375/07; заявл. 23.05.2012. - 3 с.

Расчет триггера Шмитта на ОУ. СМИ Сайт-ПАЯЛЬНИК 1999-2016. - URL: http://cxem.net/beginner/ beginner129.php (дата обращения: 20.11.2016).

Операционный усилитель - это очень просто. СМИ Сайт-ПАЯЛЬНИК 1999-2016. - URL: http://cxem.net/beginner/beginner96.php (дата обращения: 25.11.2016)

Datasheet of the UWE Series «Eighth-Brick» DC-DC Converters. Murata Power Solutions, Inc, 2015. - URL: http://power.murata.com/datasheet?/data/power/uwe.pdf (дата обращения: 25.11.2016).

Стабилизаторы на одном транзисторе. - URL: http://bss-book.ru/page-5e9be66b7b115dac864581cbc4ec1515 (дата обращения: 29.11.2016).




DOI: http://dx.doi.org/10.22213/2410-9304-2017-2-94-104

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


Copyright (c) 2017 Стародубцева В.А., Шкляев М.О.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN 1813-7911