Wielostopniowa ładowarka akumulatorów z przetwornicą Buck-Boost

Gdy w Silicon Chip z czerwca 2022 roku (oraz w EdW ze stycznia 2025 roku) zaprezentowaliśmy projekt sterownika LED Buck-Boost o dużej mocy (siliconchip.au/Article/15340) wyjaśniliśmy, że może on również pełnić funkcję ładowarki akumulatorów, zasilanej z szerokiego zakresu napięć stałych.

Jednak w swej pierwotnej wersji urządzenie działało wyłącznie jako jednostopniowa ładowarka (bez wsparcia dla faz ładowania). Tymczasem do prawidłowego ładowania – zwłaszcza akumulatorów kwasowo-ołowiowych – niezbędne jest zastosowanie ładowarki wielostopniowej. Właśnie taką funkcjonalność zapewnia opisany poniżej prosty moduł rozszerzający.

Jedną z dodatkowych zalet szerokiego zakresu napięcia zasilania jest możliwość wykorzystania jako źródła energii tanich, a przy tym wydajnych i mocnych zasilaczy do komputerów przenośnych (zwykle o napięciu około 19 V).

Moduł ładowarki

Tę dodatkową płytkę nazywamy modułem ładowarki. W połączeniu ze wspomnianym sterownikiem zasilania LED dużej mocy tworzy on kompletny system do ładowania akumulatorów. Dzięki temu modułowi możliwe jest teraz realizowanie wszystkich etapów ładowania: wstępnego, doładowywania, podtrzymującego oraz trybu magazynowania.

Całość zachowuje szeroki zakres napięcia wejściowego, charakterystyczny dla oryginalnej przetwornicy, a także wysoką sprawność energetyczną i zdolność do pracy z dużymi prądami.

Moduł ładowarki wyposażono w niewielki wyświetlacz OLED, który informuje o bieżącej pracy układu oraz umożliwia monitorowanie stanu akumulatora i zasilania. Do jego konfiguracji służą trzy przyciski sterujące.

Ładowarka została zaprojektowana głównie z myślą o pracy z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi o napięciu 12 V i 24 V oraz ich różnymi odpowiednikami i zamiennikami, takimi jak akumulatory AGM, a nawet litowe. Dzięki możliwości regulacji wielu parametrów zarówno w samej przetwornicy, jak i w module ładowarki, możliwe jest również ładowanie innych typów ogniw. Szczególnie dobrze sprawdza się to w przypadku akumulatorów LiFePO₄, które zostały opracowane tak, aby odwzorowywać charakterystykę pracy klasycznych akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Jeśli potrzebne jest wyłącznie ładowanie podtrzymujące, wystarczy użyć samego oryginalnego sterownika LED dużej mocy. W takim przypadku należy ustawić jego napięcie wyjściowe na poziomie napięcia podtrzymującego danego akumulatora.

Dla wielu akumulatorów 12 V, zwłaszcza kwasowo-ołowiowych, wartość ta wynosi zazwyczaj 13,5 V...13,8 V. Prąd ładowania można następnie ograniczyć do poziomu odpowiedniego dla danego typu akumulatora, zastosowanego zasilacza oraz przekroju przewodów.

Ograniczenie prądu w przetwornicy sprawia, że nawet głęboko rozładowany akumulator może zostać bezpiecznie doładowany do poziomu podtrzymującego – bez ryzyka jego uszkodzenia, przeciążenia zasilacza czy przegrzania przewodów. Należy jednak pamiętać, że ładowanie wyłącznie w trybie podtrzymującym nie pozwala w pełni wykorzystać pojemności akumulatora i nie jest również najefektywniejszym pod względem czasu sposobem jego ładowania.

Podczas etapu ładowania zasadniczego do akumulatora płynie zwiększony prąd, a napięcie również utrzymywane jest na podwyższonym poziomie. Celem tego etapu jest szybkie podniesienie stopnia naładowania akumulatora do około 80% jego całkowitej pojemności.

Następnie przechodzi się do doładowywania, które polega na utrzymywaniu napięcia nieco wyższego od napięcia podtrzymującego. Dzięki temu możliwe jest dalsze doładowywanie akumulatora do poziomu około 95% pojemności.

Po zakończeniu tych dwóch faz następuje przełączenie w tryb ładowania podtrzymującego, którego zadaniem jest utrzymanie naładowania akumulatora na niemal maksymalnym poziomie, bez ryzyka przeładowania.

Aby możliwe było przeprowadzenie zarówno ładowania zasadniczego, jak i doładowywania, niezbędna jest możliwość zwiększenia napięcia wyjściowego sterownika. Konieczne jest również ciągłe monitorowanie napięcia i prądu akumulatora, aby móc ocenić jego stan i dostosować przebieg procesu ładowania.

Najlepszym rozwiązaniem byłoby wyposażenie ładowarki akumulatorów w możliwość monitorowania temperatury ogniwa i odpowiedniego dostosowywania napięcia wyjściowego. Dzięki temu można zapewnić optymalne warunki ładowania w zależności od aktualnej temperatury. Napięcie pracy akumulatora zmienia się wraz z temperaturą, dlatego stosowanie stałego napięcia ładowania w zmiennych warunkach otoczenia może prowadzić do jego niedoładowania lub przeładowania.

Ładowarka rozwiązuje ten problem, monitorując temperaturę akumulatora za pomocą termistora NTC i obliczając odpowiednie napięcie ładowania, uwzględniając współczynnik temperatury określony przez użytkownika.

Ładowarka charakteryzuje się dużą możliwością konfiguracji. Domyślne ustawienia są wystarczające do poprawnej pracy – choć niekoniecznie optymalne – w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych o napięciu 12 V, pod warunkiem odpowiedniego ustawienia ograniczenia prądu ładowania.

Należy jednak pamiętać, że istnieje możliwość zaprogramowania takich ustawień, które – przy braku znajomości zasad działania wielostopniowych ładowarek akumulatorów – mogą doprowadzić do uszkodzenia ogniwa. Warto również zaznaczyć, że ograniczenie prądu wbudowane w przetwornicę nie może zostać ustawione poniżej około 1,8 A, co sprawia, że urządzenie nie nadaje się do współpracy z małymi akumulatorami, które nie są przystosowane do ładowania z tak dużym natężeniem prądu.

Uszczelnione akumulatory kwasowo-ołowiowe o pojemności około 7 Ah – takie jak stosowane w instalacjach NBN, często oferowane jako opcjonalne źródło zasilania awaryjnego – to najmniejsze ogniwa, które zalecamy ładować za pomocą opisywanego urządzenia.

Zwykle ich maksymalny dopuszczalny prąd ładowania wynosi około 2 A. Również domyślne parametry ładowania zasadniczego – takie jak czas trwania i napięcie początkowe – zostały dobrane z myślą o akumulatorach nie mniejszych niż ten.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz