Зарядное устройство для автомобильного аккумулятора на примере контроллера BQ2031

Аккумуляторная батарея (АКБ) является важной частью автомобильного электрооборудования, это традиционный буферный накопитель электроэнергии на средствах транспорта.

Периодический заряд АКБ вне бортовой сети автомобиля с помощью зарядных устройств является для нее необходимой процедурой эксплуатации.

Для реализации различных способов заряда АКБ необходимо зарядное устройство, т.е. вторичный источник электропитания, преобразующий напряжение сети промышленной частоты в постоянный ток в соответствии с алгоритмом заряда. Современные автоматические зарядные устройства обычно управляются специализированными микросхемами (контроллерами заряда). О них и пойдет речь в этой статье.

Ведущие производители электронных компонентов Texas Instruments, Maxim, Dallas, Toshiba, "Ситроникс" (Зеленоград) и другие выпускают специализированные микросхемы для зарядных устройств различных аккумуляторов и при выборе контроллера разумно воспользоваться их опытом. Для этого обратимся, например, на сайт корпорации Texas Instruments. Поисковая машина на сайте потребует указать тип аккумулятора и силового преобразователя зарядного устройства. Выберем свинцово-кислотную АКБ (Lead-acid), как наиболее распространенную на автомобилях, и импульсную топологию силового блока (Switch-mode topology) для обеспечения высокого КПД. В этом случае Texas Instruments рекомендует микросхемы BQ2031, UC3909 и BQ24105.

В качестве примера рассмотрим реализацию схемы управления зарядного устройства для свинцово-кислотных АКБ на микросхеме BQ2031 [1, 2], одной из лучших в своем классе. Микросхема BQ2031 поддерживает три алгоритма заряда и индикацию текущего состояния зарядного устройства. На рис. 1 представлена типовая принципиальная электрическая схема зарядного устройства на базе BQ2031, силовой преобразователь на этом рисунке показан упрощенно.

Рис. 1.  Принципиальная электрическая схема зарядного устройства на базе контроллера BQ2031

Рассмотрим запрограммированную последовательность операций, которую реализует контроллер во время заряда, более подробно.

Мониторинг температуры аккумулятора

После подачи питания VCC (+5 В) контроллер BQ2031 (DA1), прежде всего, начинает мониторинг температуры АКБ, не прекращающийся во время всего зарядного цикла. Для измерения температуры используется терморезистор RT, размещенный на батарее.

Контроллер прекращает заряд, когда АКБ нагревается до температуры Т и возобновляет его при остывании батареи до температуры Т2. Заряд запрещен также при температуре батареи ниже Т3. Texas Instruments рекомендует [2] пороговые значения температуры: Т₁ = 45°С, Т₂ = 42°С, Т₃ = 5°С.

Для мониторинга температуры контроллер BQ2031 анализирует напряжение V_T между входами TS (выв. 8) и SNS (выв. 7), которое сравнивается с пороговыми значениями, установленными производителем. Температуре Т₁ соответствует уровень V_t = 0,4·V_CC, а температурам Т₂ и Т₃ - уровни V₂ = 0,44·V_CC и V₃ = 0,6·V_CC соответственно.

В [2] рекомендуется совместно с BQ2031 использовать терморезистор номиналом 10...12 кОм с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, например 2333-640-63103 фирмы Philips.

Для преобразования сопротивления терморезистора в напряжение, согласованное с предустановленными пороговыми значениями напряжениями V_t, V₂ и V₃, применим резистивный делитель RT RT1 RT2 (рис. 1), который можно точно настроить в двух точках. Сделаем это для температур Т₁ = 45°С и Т₃ = 5°С, сопротивление терморезистора Philips 2333-640-63103 при этом принимает значения соответственно 4,67 кОм и 29,4 кОм.

Для температуры 5°С запишем уравнение для делителя:

      0,6·V_CC = ((RT2·RT₃)/(RT1·RT₃+RT1·RT2+RT2·RT₃))·V_CC                          (1)

Аналогичное уравнение получим для температуры 45°С, когда ток заряда течет через шунт. При этом напряжение V_SNS на шунте R_SNS, используемом для измерения тока заряда, должно иметь величину 0,25 В [1].

      0,4·V_CC = ((RT2·RT₁)/(RT1·RT₁+RT1·RT2+RT2·RT₁))·(V_CC - V_SNS)               (2)

Подставив числовые значения напряжений и сопротивлений терморезистора для режимов Т₁ = 45°С и Т₃ = 5°С в (1) и (2), решим эту систему уравнений: RT1 = 3,93 кОм, RT2 = 7,42 кОм, выбираем ближайшие стандартные номиналы: 3,9 кОм и 7,5 кОм.

Если напряжение VT на входе TS (выв. 8) находится вне разрешенной зоны (температура аккумулятора вне нормы, терморезистор не подключен), контроллер переходит в режим ожидания, приостанавливая заряд или тестирование аккумулятора. В этом случае светодиод VD11 начинает мигать на частоте 0,15 Гц.

Если контроль температуры аккумулятора не применяется, на вход TS BQ2031 подается напряжение из разрешенного диапазона (0,44 ÷ 0,6)·V_CC. Для этого используют резисторы RT1 и RT2 с одинаковыми сопротивлениями, например, по 100 кОм [1].

Режим тестирования

При нормальной температуре аккумулятора, когда сигнал на входе TS BQ2031 находится в допустимых пределах, контроллер проверяет наличие подключения АКБ к выходным клеммам (рис. 1) зарядного устройства "+Б" и "-Б". Напряжение между входами контроллера SNS (выв. 7) и BAT (выв. 3), пропорциональное напряжению на аккумуляторной батарее, должно находиться в разрешенном диапазоне V_MIN1 ÷ V_MAX, где V_MIN1 = 0,8 В и V_MAX = 0,6·V_CC. Для контроллера это означает, что батарея подключена и примерно через 500 мс начинается ее тестирование. В противном случае силовой блок отключается низким уровнем на выходе ШИМ MOD (выв. 14) и светодиод VD11 начинает светиться. Для потребителя это сигнал о включении зарядного устройства.

Тестирование реализовано в виде двух процедур. Сначала BQ2031, управляя силовым преобразователем, подает на аккумулятор напряжение (V_FLT + 0,25 B), где V_FLT - напряжение компенсирующего (струйного) заряда. Для АКБ с номинальным напряжением 12 В V_FLT = 13,7 В при температуре 25°С [4]. Контроллер определяет время, за которое зарядный ток достигает 20% максимального значения. Максимально допустимый зарядный ток I_MAX определяется величиной сопротивления шунта R_S (рис. 1). BQ2031 ограничивает напряжение на шунте на уровне 0,25 В, поэтому I_MAX = 0,25/R_S.

Рекомендуется на начальной стадии заряжать АКБ током I_MAX, численно равным 0,1 емкости [4]. Например, для аккумулятора емкостью 60 А·час I_MAX = 6 А, и R_S = 0,042 Ом.

Если зарядный ток не нарастает до уровня I_COND = 20% I_MAX за время TQ1 (например, в цепи батареи имеется разрыв), BQ2031 индицирует наличие неисправности включением светодиода VD11, силовой преобразователь блокируется низким уровнем на выходе ШИМ MOD. Контроллер будет находиться в этом состоянии, пока не будет заменен аккумулятор или не выключено и вновь включено напряжение питания V_CC.

При успешном прохождении первого теста выполняется второй - контроллером формируется ток заряда АКБ величиной I_COND. ИМС определит батарею как неисправную, если напряжение на ней не достигнет уровня V_MIN = 0,34·V_CC за время T_Q2. В этом случае BQ2031 индицирует наличие неисправности включением светодиода VD11, силовой преобразователь блокируется низким уровнем на выходе MOD. Контроллер будет находиться в этом состоянии пока не заменят аккумулятор или не выключат и вновь включат напряжение питания V_CC.

После прохождения второго теста контроллер начинает заряд аккумулятора.

Режимы заряда

Разработчик зарядного устройства конфигурирует ВQ2031 для реализации одного из трех алгоритмов заряда. Алгоритмы являются вариантами комбинированного метода заряда. Зарядное устройство работает часть времени в режиме стабилизации тока заряда, часть времени в режиме стабилизации напряжения на АКБ, обеспечивая заряд без перегрева батареи и газовыделения.

При реализации алгоритма двухступенчатого заряда со стабилизацией напряжения (Two-step voltage algorithm) [1] ВQ2031 после тестирования формирует зарядный ток АКБ величиной I_MAX, пока напряжение на батарее не достигнет V_BLK. Во избежание газовыделения в АКБ напряжение на его зажимах стабилизируется на уровне V_BLK, пока зарядный ток не уменьшится до величины I_MIN (рис. 2). После этого контроллер переходит в режим компенсирующего заряда, стабилизируя напряжение на батарее на уровне V_FLT.

Рис. 2. Алгоритм двухступенчатого заряда со стабилизацией напряжения

При реализации алгоритма двухступенчатого заряда со стабилизацией тока (Two-step current algorithm) [1] ВQ2031 формирует зарядный ток аккумулятора величиной I_MAX (рис. 3), пока напряжение на батарее не достигнет V_BLK  или резко не уменьшится из расчета 8 мВ на элемент, что является признаком перезаряда (метод ΔV-заряда).

Рис. 3. Алгоритм двухступенчатого заряда со стабилизацией тока

Фаза компенсирующего заряда реализуется подачей на батарею широтно-модулированного тока I_COND со средним значением I_MIN и периодом Т.

Для АКБ с номинальным напряжением 12 В V_BLK = 14,4 В при температуре 25°С [4]. В [2] напряжения V_FLT и V_BLK определяют из расчета соответственно 2,25 В и 2,45 В на один аккумулятор в батарее.

I_MIN - это зарядный ток, при котором контроллер переходит к компенсирующему заряду. Величина I_MIN и период Т конфигурируются сигналом на управляющем входе IGSEL 6 ВQ2031 (таблица 1).

Таблица 1. Конфигурирование зарядного тока I_MIN

При реализации алгоритма заряда пульсирующим током (Pulsed current algorithm) [1] контроллер ВQ2031 формирует зарядный ток АКБ величиной I_MAX (рис. 4), пока напряжение на батарее не достигнет величины V_BLK.

Рис. 4. Алгоритм заряда пульсирующим током

В последующей компенсирующей фазе заряда контроллер периодически подает в аккумулятор ток I_MAX, так что напряжение на батарее поддерживается в пределах V_FLT ÷ V_BLK.

Режимы заряда и индикации конфигурируются разработчиком подачей соответствующих комбинаций сигналов на управляющие двунаправленные выводы контроллера LED1/TSEL (выв. 15), LED2/DSEL (выв. 16) и LED3/QSEL (выв. 10). Уровень лог. "1" обеспечивается подключением соответствующего входа через резистор сопротивлением 10 кОм (R2, R4, R6) к шине V_СС. Уровень лог. "0" на входе обеспечивается подключением резистора к общей шине. В таблице 2 приведены комбинации сигналов на управляющих входах для выбора режима заряда.

Таблица 2. Управляющие сигналы

Индикаторные светодиоды VD9-VD11 (рис. 1) подключены к выходам контроллера через резисторы R3, R5, R7 сопротивлением 1 кОм, этого достаточно, так как рабочий ток маломощного светодиода не превышает 5 мА.

Сигнал на входе DSEL управляет режимами индикации, они представлены в таблице 3. 

Таблица 3. Режимы индикации

В схеме на рис. 1 ВQ2031 сконфигурирован для реализации двухступенчатого заряда со стабилизацией напряжения, использован второй режим индикации.

При реализации первых двух алгоритмов заряда контроллер стабилизирует напряжение на батарее на уровнях V_FLT и V_BLK соответственно в фазах компенсирующего и основного зарядов. В режиме стабилизации напряжения ВQ2031 управляет силовым блоком, поддерживая на своем входе ВАТ (выв. 3) постоянное напряжение 2,2 В при 25°С с температурной компенсацией -3,9 мВ/°С [1]. Этот вход подключен к зажимам батареи (Рис.1) через делитель напряжения с изменяемой структурой R9, R10, R11. Вход FLOAT 2 ВQ2031 подключен к истоку полевого транзистора внутри контроллера, который замыкает этот вход с выводом SNS (выв. 7), подключая резисторы R9 и R11 параллельно. Таким образом, контроллер стабилизирует напряжение на зажимах АКБ на уровне V_FLT, когда резистор R9 отключен, и на уровне V_BLK, когда R9 подключен:

                                      (3)                 

Численные значения сопротивлений R9, R10, R11 должны удовлетворять системе (3).

Выполнение любой из фаз процесса заряда, кроме фазы струйного заряда, ограничено временем T_MTO с помощью таймера. Таймер настраивается подбором номиналов R1 и С3, подключенных к выводу Т_МТО (выв. 1) контроллера: T_MTO = 0,5·R1·C3 (час). Например, для T_MTO = 5 час можно использовать С3 = 0,1 мкф и R1 =100 кОм.

Таймер обнуляется после успешного завершения тестирования. Во всех трех алгоритмах заряда подача максимального зарядного тока в аккумулятор прекращается при выполнении условий признака конца заряда или таймером по истечении времени T_MTO. Другие временные задержки, необходимые для выполнения алгоритмов тестирования и заряда, определены в долях T_MTO: максимальное время ожидания в тесте 1 T_Q1 = 0,02·T_MTO; максимальное время ожидания в тесте 2 T_Q2 = 0,16·T_MTO; шаг дискретизации для ΔV заряда T_DV = 0,008·T_MTO.

Заряд постоянным током старой АКБ может вызвать на начальном этапе кратковременный выброс напряжения на ней, который будет ложно истолкован системой управления зарядом в режимах теста 2 или основного заряда. Эти ложные срабатывания блокируются введением задержки на отключение в начале основного заряда T_HQ1 = 0,002·T_MTO и задержки на отключение в начале теста 2 T_HQ2 = 0,015·T_MTO.

Источником электроэнергии для зарядного устройства является сеть 50 Гц 220 В. В качестве силового блока зарядного устройства разумно использовать бестрансформаторный импульсный преобразователь (рис. 1). Контроллер BQ2031 подключен к этому преобразователю через оптрон DA2 для обеспечения гальванической развязки. Контроллер своим выходом MOD (выв. 14) управляет через оптрон и драйвер силовым транзистором VT1, который регулирует количество энергии от сети 220 В к аккумуляторной батарее.

Среди контроллеров заряда свинцово-кислотных АКБ ИМС ВQ2031 является наиболее сложной, реализующей наибольшее число режимов заряда и диагностики.

Другие контроллеры заряда свинцово-кислотных АКБ, например UC3906, BQ24105, BQ24450 производства Texas Instruments, или MAX1909, MAX8725, выпущенные Maxim Integrated Products, и т.д. конфигурируются аналогичным образом:

• величина максимального стабилизируемого тока в зарядном устройстве определяется сопротивлением шунта (RS на рис. 1);
• временные параметры определяются внешней RC-цепью (R1 и С3 на рис. 1);
• величина стабилизуемого на зажимах АКБ напряжения определяется резистивным делителем. Делитель имеет перестраиваемую структуру, если алгоритм заряда предусматривает два уровня стабилизируемого напряжения (R9, R10, R11 на рис. 1).

Освоив конфигурирование ВQ2031, можно проектировать схему управления зарядным устройством и на другом зарядном контроллере.

Выводы

Специализированные контроллеры заряда очень удобны для реализации системы управления современных зарядных устройств. В отличие от микроконтроллеров в них уже имеются несколько готовых программ управления процессом заряда. Разработчик должен только выбрать удовлетворяющий его алгоритм заряда и сконфигурировать его параметры с помощью внешних пассивных компонентов. Нет необходимости программировать самостоятельно.

Недостатки схем управления зарядными устройствами на базе специализированных контроллеров по сравнению микроконтроллерным вариантом: меньшая гибкость из-за фиксированного набора реализуемых алгоритмов и отсутствие режимов разряда.

Литература и интернет-источники

1. Сайт корпорации Texas Instruments - www.ti.com

2. Using the BQ2031 to charge lead-acid batteries. Annotation note U-510. Texas Instruments, 1999. - 15 pp.

3. BQ2031 lead-acid fast charge IC. Texas Instruments, 1999. - 14 pp

4. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учеб. Для студентов вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 2007. 320 с.

Автор: Вадим Яковлев (г. Самара)

Источник: Ремонт и сервис