ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΑΓΓΕΛΟΥ Ε. ΗΛΙΑΚΙΔΗ Α.Μ.: ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΤΗΡΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΩΝ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Ν ο /2017 Πάτρα, Μάρτιος 2017

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Άγγελος Ηλιακίδης 2017 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Άγγελο Ηλιακίδη, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Υλικό που περιέχεται στην εργασία, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνεται πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., ο συγγραφέας έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για τη συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

3

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2017 ΤΙΤΛΟΣ: "ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΤΗΡΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΩΝ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Άγγελος Ηλιακίδης του Ευστρατίου Δρ.-Μηχ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας, Επίκουρος Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Η συγκεκριμένη εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη των επιμέρους κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Τα παραπάνω συστήματα παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον και είναι απαραίτητα για τη λειτουργία των συσσωρευτών κάτω από ασφαλείς συνθήκες. Ειδικότερα, η μη επίβλεψη των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών ιόντων λιθίου μπορεί να επιφέρει καταστροφικά αποτελέσματα. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκε να μελετηθεί και να κατασκευαστεί ένα σύστημα όπως αυτό που αναφέρεται, το οποίο θα επιβλέπει τους συσσωρευτές ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος τύπου buggy. Αρχικά, έγινε παρουσίαση των χαρακτηριστικών των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Στη συνέχεια αναλύθηκαν τα βασικότερα μέρη από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα επίβλεψης αυτών. Επίσης, αναφέρθηκαν τα μεγέθη των οποίων η γνώση είναι αναγκαία και εντοπίστηκε η ανάγκη ύπαρξης ενός κυκλώματος ισοστάθμισης της ενέργειας των κελιών. Στη συνέχεια, αναλύθηκαν οι διάφοροι μέθοδοι μέτρησης των τάσεων μίας συστοιχίας έξι κελιών και μελετήθηκαν τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε μεθόδου. Έπειτα, επιλέχθηκε η καταλληλότερη μέθοδος και κατασκευάστηκε πλακέτα για να δοκιμαστεί το ολοκληρωμένο μέτρησης τάσεων BQ76PL536A-Q1. Σε επόμενη φάση, μελετήθηκαν οι κυριότερες τοπολογίες ισοστάθμισης της ενέργειας των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και αναπτύχθηκαν τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μίας. Ακολούθησε η επιλογή της καταλληλότερης τοπολογίας και η προσομοίωση της λειτουργίας της μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink. Μετά από ορισμένες αλλαγές στη διάταξη και εκ νέου προσομοιώσεις, κατασκευάστηκε πλακέτα, για να ελεγχθεί η ορθότητα της λειτουργίας της. Τέλος, κατασκευάστηκε το ολοκληρωμένο σύστημα επίβλεψης, το οποίο είναι ικανό να συγκεντρώνει κάθε φορά τα απαραίτητα δεδομένα για τη λειτουργία των συσσωρευτών κάτω από ασφαλή όρια. Μία ακόμη αρμοδιότητά του είναι ο υπολογισμός της στάθμης φόρτισης κάθε κελιού, με στόχο τη εξισορρόπηση της ενέργειας των συσσωρευτών. Επιπρόσθετα, κάθε πλακέτα είναι κατασκευασμένη με τέτοιο τρόπο, ώστε να μπορεί να επικοινωνεί με όμοιες της, οι οποίες επιβλέπουν υψηλότερα ή χαμηλότερα στη συστοιχία κελιά. Με αυτό τον τρόπο, είναι δυνατόν να επιβλέπουμε τους συσσωρευτές ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος με τη χρήση ενός μόνο μικροελεγκτή. Στο τέλος της παρούσας διπλωματικής εργασίας επιβεβαιώνεται η θεωρητική ανάλυση των επιμέρους κυκλωμάτων, με μία σειρά από πειραματικά αποτελέσματα.

6 Abstract This diploma thesis focuses on the analysis and construction of a Battery Management System (BMS). The thesis was elaborated at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion in the department of Electrical and Computer Engineering of School Engineering at University of Patras. The purpose of this thesis is to study all the individual circuits that compounds a Battery Management System. These types of systems are of particular interest and there are necessary for the safe operation of the batteries. Specifically, lithium ion batteries can cause disastrous results, if a BMS is not being used. For this reason, it was chosen to study and construct a BMS which will oversee the battery pack of an electric vehicle. First of all, the characteristics of batteries were presented. Moreover, the inquiry of the main parts of a BMS took place. Furthermore, the measurements, whose knowledge is necessary, were reported. Also, from the above analysis, it is obvious that a balancing circuit is needed in order to equalize the batteries state of charge of the battery pack. In addition, the various methods of measuring voltages of a six-cell battery pack were analyzed. Thinking of the advantages and disadvantages of each voltage measuring method, the most appropriate one was selected and constructed. By this, we managed to communicate with the voltage measuring IC, BQ76PL536A-Q1. The next step of this project is the presentation of the most important cell balancing topologies, along with the advantages and disadvantages of each one. One of these topologies was selected and simulated in Matlab/Simulink. The results of the simulation forced us to change some things in the topology. After the simulation of the new topology, this was constructed in order to verify its correct operation. Finally, the BMS circuit, which is able to gather the necessary data, was constructed. These data guide the BMS to take decisions, in order to operate under safe conditions. One more thing that it was necessary was to compute the state of charge of each cell. The main purpose of this was to transfer energy from the most charged cells to the weakest. Furthermore, each PCB was created in such a way that can allow communication with others, which oversee higher or lower in the pack, battery cells. In this way, it is possible to supervise the batteries the batteries of an electric vehicle using a single microcontroller. At the end of this diploma thesis, the theoretical analysis of the individual circuits was confirmed by a series of experimental results.

7 Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας (ΕΗΜΕ) του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενο της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη και κατασκευή ενός συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών με στόχο την εφαρμογή του σε ηλεκτροκίνητο όχημα. Συγκεκριμένα, ένα ολοκληρωμένο σύστημα επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών πρέπει να αποτελείται από δύο διαφορετικά κυκλώματα, το κύκλωμα εξισορρόπησης ενέργειας και το κύκλωμα μετρήσεων. Το πρώτο αποτελεί το κύκλωμα ισχύος του συστήματος και είναι υπεύθυνο για την εξισορρόπηση της στάθμης φόρτισης των κελιών. Το δεύτερο είναι υπεύθυνο για τη μέτρηση στοιχειωδών μεγεθών, όπως η τάση και η θερμοκρασία κάθε κελιού, με στόχο την ασφαλή λειτουργία του συστήματος. Ύστερα από μία εκτενέστερη ανάλυση των παραπάνω, κατασκευάζεται το σύστημα επίβλεψης και εξετάζονται, πειραματικά, τα αποτελέσματα της λειτουργίας του. Αναλυτικά, στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στην ανάγκη στροφής προς την ηλεκτροκίνηση και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά της, έναντι της χρήσης συμβατικών οχημάτων. Επίσης, παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι ηλεκτροχημικών συσσωρευτών που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτροκίνητα οχήματα, ξεχωρίζοντας τα κελιά τύπου LiFePO4 που χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία του ηλεκτρικού οχήματος του ΕΗΜΕ (e-buggy). Στο τέλος του κεφαλαίου, γίνεται αναφορά στην ανάγκη ύπαρξης ενός συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και στα χαρακτηριστικά που αυτό πρέπει να έχει. Στο Κεφάλαιο 2, γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των μεθόδων απομόνωσης της τάσης κάθε κελιού, ώστε να μπορεί το σύνολό τους να διαβαστεί από το μικροελεγκτή. Στη συνέχεια, επιλέγοντας τη μέθοδο που θα ακολουθηθεί, κατασκευάζεται δοκιμαστική πλακέτα και ελέγχεται η ορθή λειτουργία της διάταξης. Παράλληλα αναφέρονται οι βασικές αρχές προγραμματισμού ενός ειδικού ολοκληρωμένου (BQ76PL536A-Q1) που είναι υπεύθυνο για την ανάγνωση των τάσεων μιας συστοιχίας έξι κελιών.

8 Πρόλογος Στο Κεφάλαιο 3, γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των μεθόδων ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και επιλέγεται η πλέον κατάλληλη για εφαρμογή. Έπειτα, προσομοιώνεται με τη βοήθεια του λογισμικού ανάλυσης ηλεκτρικών κυκλωμάτων Simulink/Matlab, η παραπάνω τοπολογία και γίνονται οι κατάλληλες αλλαγές για να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα που προέκυψαν. Ακολουθεί μία σειρά από προσομοιώσεις, όπου γίνεται πλήρως κατανοητή η λειτουργία της νέας τοπολογίας. Επίσης, κατασκευάζεται πλακέτα που υλοποιεί το κύκλωμα ισοστάθμισης, ώστε να ελεγχθεί η ορθότητα της λειτουργίας του. Στο Κεφάλαιο 4, αναφέρεται λεπτομερώς η σχεδίαση και κατασκευή της πλακέτας του ολοκληρωμένου συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Επιπρόσθετα, αναλύονται τα επιμέρους κυκλώματα που χρησιμοποιήθηκαν και αναπτύσσεται ο τρόπος λειτουργίας των ψηφιακών θερμομέτρων για τη μέτρηση της θερμοκρασίας κάθε κελιού. Στο Κεφάλαιο 5, περιγράφεται ο μικροελεγκτής STM32F429ZI, όπως και το περιβάλλον προγραμματισμού του. Ακόμη, αναλύεται η λογική του κώδικα εκτέλεσης του μικροελεγκτή, για τη λειτουργία του συστήματος επίβλεψης που κατασκευάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Στο Κεφάλαιο 6, παρατίθενται τα αποτελέσματα από τις πειραματικές δοκιμές της διάταξης ισοστάθμισης της ενέργειας και συγκρίνονται με τα αντίστοιχα θεωρητικά. Επίσης, γίνεται μία εκτίμηση της απόδοσης του συστήματος. Στη συνέχεια, συγκρίνονται οι μετρούμενες τιμές των τάσεων των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών με τις αντίστοιχες πραγματικές, ώστε να εξακριβωθεί η ακρίβεια μέτρησης τους. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται οι βασικότερες σελίδες από τα φυλλάδια κατασκευαστών των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν, ο κώδικας προγραμματισμού του μικροελεγκτή, καθώς και τα τυπωμένα σχέδια των πλακετών (PCB).

9 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία με τίτλο «Μελέτη και κατασκευή συστήματος επιτήρησης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών» είναι αποτέλεσμα εκτενούς αναζήτησης και έρευνας. Με την εκπόνησή της ολοκληρώνεται ένα σημαντικό κεφάλαιο της ακαδημαϊκής μου πορείας και αισθάνομαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που με βοήθησαν στη διαδρομή αυτή. Πρώτο απ όλους θέλω να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας, Επίκουρο Καθηγητή Επαμεινώνδα Μητρονίκα, για την πολύτιμη καθοδήγησή του και την εμπιστοσύνη και εκτίμηση που μου έδειξε. Στη συνέχεια θα ήθελα να ευχαριστήσω τον συνεξεταστή Εμμανουήλ Τατάκη για τις χρήσιμες συμβουλές του σε κάθε φάση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου, Στράτο και Γεωργία, την αδελφή μου Λαμπροθέα,τους φίλους και την κοπέλα μου που με υπομονή και κουράγιο πρόσφεραν την απαραίτητη ηθική συμπαράσταση για την ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας.

10

11 Πίνακας Περιεχομένων Πίνακας Περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΣΗ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΟΙ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Εισαγωγή Ηλεκτροκίνηση Η αξία της ηλεκτροκίνησης στις μέρες μας Η δομή ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος Τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της ηλεκτροκίνησης Το ηλεκτροκίνητο όχημα τύπου buggy του ΕΗΜΕ Οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές ως σύστημα αποθήκευσης ενέργειας Δομή και αρχή λειτουργίας ενός κελιού ηλεκτροχημικού συσσωρευτή Τύποι και χαρακτηριστικά ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές του ηλεκτροκίνητου οχήματος του EHME Σύστημα επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών (Battery Management System BMS) Μετρούμενες ποσότητες Χαρακτηριστικά συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών της παρούσας διπλωματικής εργασίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗΣ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΚΑΘΕ ΚΕΛΙΟΥ Εισαγωγή Διατάξεις απομόνωσης της τάσης κάθε κελιού Υποβιβασμός τάσης με αντιστάσεις Υποβιβασμός τάσης με πυκνωτές Υποβιβασμός Τάσης με αντιστάσεις και διόδους Zener Μέτρηση τάσης με γραμμικό οπτοζεύκτη (Linear Optocoupler) Μέτρηση τάσης με ψηφιακό απομονωτή (Digital Isolator) Μέτρηση τάσης με χρήση του ολοκληρωμένου BQ76PL536A-Q Επιλογή μεθόδου απομόνωσης της τάσης κάθε κελιού Σχεδίαση και κατασκευή κυκλώματος απομόνωσης της τάσης κάθε κελιού... 44

12 Πίνακας Περιεχομένων 2.5 Επικοινωνία του ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1 με τον μικροελεγκτή Θεωρητική ανάλυση του πρωτόκολλου επικοινωνίας SPI Επικοινωνία μεταξύ δύο διαφορετικών BQ76PL536A-Q Επικοινωνία μεταξύ BQ76PL536A-Q1 και μικροελεγκτή Μορφή πακέτων επικοινωνίας Αλγόριθμος ελέγχου κυκλικού πλεονασμού (Cyclic Redundancy Check CRC) Επικοινωνία με το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q Διευθυνσιοδότηση συσκευών Προγραμματισμός καταχωρητών λειτουργίας του BQ76PL536A-Q Ανάγνωση των τάσεων των κελιών ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΩΝ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ Εισαγωγή Διατάξεις ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Διατάξεις παθητικής ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Διατάξεις ενεργητικής ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Επιλογή κατάλληλης διάταξης ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Προσομοίωση επιλεγμένης διάταξης μέσω του λογισμικού Matlab/Simulink και εξαγωγή συμπερασμάτων Θεωρητική ανάλυση βελτιωμένης διάταξης ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Προσομοίωση του κυκλώματος ισοστάθμισης μέσω του λογισμικού MATLAB/SIMULINK Σχεδίαση και κατασκευή κυκλώματος ισοστάθμισης μιας συστοιχίας τριών κελιών ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΕΠΙΒΛΕΨΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΩΝ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ Εισαγωγή Επιλογή διακοπτικών ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Επιλογή ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος

13 Πίνακας Περιεχομένων Επιλογή διόδου ισχύος Επιλογή μαγνητικών στοιχείων της διάταξης Επιλογή επαγωγών Επιλογή μετασχηματιστή για το μετατροπέα Flyback Υπολογισμός συστήματος απαγωγής θερμότητας (Ψυκτικού) Κύκλωμα παλμοδότησης ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Επιλογή οπτοζεύκτη οδηγού πύλης Τροφοδοσία οπτοζεύκτη οδηγού πύλης Ολοκληρωμένο κύκλωμα παλμοδότησης Κύκλωμα τροφοδοσίας Μέτρηση θερμοκρασίας κελίων Ανάγνωση της τιμής της θερμοκρασίας με τη χρήση του πρωτοκόλλου I2C Σχεδίαση κυκλώματος μέτρησης της θερμοκρασίας Σχεδίαση και κατασκευή ολοκληρωμένης διάταξης επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ο ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ ΚΑΙ Η ΛΟΓΙΚΗ ΤΟΥ ΕΚΤΕΛΕΣΙΜΟΥ ΚΩΔΙΚΑ Εισαγωγή Δομή μικροελεγκτή Πρόγραμμα δημιουργίας κώδικα μικροελεγκτή Λογική του κώδικα εκτέλεσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εισαγωγή Παλμογραφήσεις κυκλώματος ισοστάθμισης γειτονικών κελιών Παλμογραφήσεις κυκλώματος ισοστάθμισης ακριανών κελιών Μεταφορά ενέργειας μεταξύ δύο κελιών Μετρήσεις ολοκληρωμένου BQ76PL536A-Q Συμπεράσματα και προοπτικές ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

14 Πίνακας Περιεχομένων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Σχηματικά και Τυπωμένα Κυκλώματα Πλακετών (PCB) στο Πρόγραμμα KiCad ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ B Κυριότερες σελίδες από τα φυλλάδια κατασκευαστών

15 Κεφάλαιο 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΣΗ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΟΙ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ 1.1 Εισαγωγή Το κεφάλαιο αυτό, αποτελεί μία εισαγωγή στην ηλεκτροκίνηση και τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές. Αρχικά, αναλύεται η επιτακτική ανάγκη αντικατάστασης των παρόντων συμβατικών οχημάτων, με αντίστοιχα ηλεκτρικά. Η στροφή από τα συμβατικά καύσιμα στον ηλεκτρισμό, θα οδηγήσει σε βελτίωση του φυσικού περιβάλλοντος και μείωση της μόλυνσής του, ενώ ο άνθρωπος θα συνεχίσει να ζει με τις ανέσεις που έχει έως και σήμερα. Για να ικανοποιηθεί η ανάγκη αυτή, γίνεται προσπάθεια ανακάλυψης αποδοτικότερων και ασφαλέστερων μεθόδων αποθήκευσης ενέργειας, ώστε να μπορεί ένα ηλεκτροκίνητο όχημα να χαρακτηρίζεται από ασφάλεια και αυτονομία. Άλλωστε, η τεχνολογία κάνει τεράστια άλματα στις μέρες μας, με αποτέλεσμα να μπορούμε να πούμε με σιγουριά, ότι στις επόμενες δεκαετίες η χρήση συμβατικών καυσίμων θα είναι η ελάχιστη δυνατή. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, αναπτύσσονται οι βασικές έννοιες ενός ηλεκτροχημικού συσσωρευτή καθώς και η αρχή λειτουργίας του. Μία εκτενέστερη ανάλυση γίνεται στα διάφορα είδη ηλεκτροχημικών συσσωρευτών που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτροκίνητα και υβριδικά οχήματα. Ιδιαίτερη έμφαση όμως δίνεται στους συσσωρευτές ιόντων λιθίου, οι οποίοι χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε εφαρμογές ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Ακόμη, παρουσιάζονται τα προβλήματα που δημιουργούν τέτοιου είδους συσσωρευτές και η ανάγκη για τη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου συστήματος ελέγχου τους. Ειδικότερα, στην παρούσα διπλωματική εργασία, το όχημα του οποίου καλούμαστε να κατασκευάσουμε ένα ολοκληρωμένο σύστημα επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, χρησιμοποιεί κελιά τύπου LiFePO4. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, ακολουθεί μία μικρή εισαγωγή στα παραπάνω συστήματα, αναλύοντας τη βασική τους λειτουργία και τις μετρούμενες ποσότητες. Τέλος, αναφερόμαστε στην υπό κατασκευή διάταξη, στις δυνατότητες που πρέπει να έχει και θέτουμε τους στόχους της παρούσας διπλωματικής εργασίας. 1

16 Κεφάλαιο 1 ο 1.2 Ηλεκτροκίνηση Στο υποκεφάλαιο αυτό, γίνεται μία γενική περιγραφή της ηλεκτροκίνησης, εστιάζοντας στη σημασία που έχει στις μέρες μας και στο πόσο σημαντική είναι η στροφή προς αυτή. Στη συνέχεια, αναλύονται τα κύρια τμήματα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος και παρουσιάζεται το όχημα τύπου BUGGY που κατασκευάστηκε στα πλαίσια διπλωματικής εργασίας του ΕΗΜΕ. Τέλος, αναφέρονται τα κύρια χαρακτηριστικά των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών που χρησιμοποιεί το τελευταίο, η γνώση των οποίων είναι απαραίτητη για την εκπλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας Η αξία της ηλεκτροκίνησης στις μέρες μας Η ευρεία και συνεχώς αυξανόμενη χρήση των συμβατικών οχημάτων με κινητήρα εσωτερικής καύσεως, η οποία παρατηρείται κατά την διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, έχει οδηγήσει σε δύο μεγάλα προβλήματα που χρήζουν άμεσης αντιμετώπισης. Το πρώτο αφορά τις συνέπειες της χρήσης συμβατικών καυσίμων στο περιβάλλον. Συγκεκριμένα, μέσα από τη χρήση των συμβατικών καυσίμων, εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα ουσίες όπως μονοξείδιο του άνθρακα (CO), διοξείδιο του άνθρακα (CO2), οξείδια του αζώτου (ΝΟx), διοξείδιο του θείου (SO2) και διάφορα είδη υδρογονανθράκων (CmHn). Οι εκπομπές αυτές έχουν άμεση σχέση με την καταστροφή του περιβάλλοντος, ενώ παράλληλα είναι επιβλαβείς για την υγεία των ανθρώπων. Στο σχήμα 1.1 φαίνεται το νέφος στο Λονδίνο που οφείλεται στην κυκλοφορία μεγάλου αριθμού συμβατικών οχημάτων (φωτοχημικό νέφος). Το δεύτερο μεγάλο πρόβλημα, αφορά την ενεργειακή κρίση που φαίνεται να πλησιάζει όλο και περισσότερο, καθώς οι απαιτήσεις της ανθρωπότητας για πετρέλαιο και των παραγώγων του, ολοένα και αυξάνονται. Το πετρέλαιο εξάλλου, είναι αναλώσιμο και με τον παρόντα ρυθμό κατανάλωσής του, τα αποθέματα της γης θα εξαντληθούν σε βάθος μερικών δεκαετιών. 2

17 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1. 1: Το νέφος στο Λονδίνο [1]. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας έχει βοηθήσει αρκετά στον περιορισμό των εκπεμπόμενων ρύπων των συμβατικών αυτοκινήτων. Με τη βοήθεια καταλυτικών μετατροπέων τα καυσαέρια μετατρέπονται σε λιγότερο επικίνδυνα αέρια τόσο για το περιβάλλον όσο και για την υγεία του ανθρώπου. Έτσι, το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) μετατρέπεται σε διοξείδιο του άνθρακα (CO2), οι υδρογονάνθρακες (CmHn) σε υδρατμούς (H2O) και τα οξείδια του αζώτου (ΝΟx) σε καθαρό άζωτο (Ν2). Ωστόσο, παρά τη βελτίωση της τεχνολογίας των συμβατικών οχημάτων, η κατάσταση του περιβάλλοντος χειροτερεύει διαρκώς. Το γεγονός αυτό, καθιστά απαραίτητη την εξεύρεση μιας λύσης με άμεσα και διαχρονικά αποτελέσματα. Η ηλεκτροκίνηση, αποτελεί μία πολλά υποσχόμενη λύση αφού εξαλείφει τα παραπάνω προβλήματα αντικαθιστώντας τα συμβατικά οχήματα. Τα νέα οχήματα χρησιμοποιούν για την κίνησή τους, είτε αποκλειστικά ηλεκτρική ενέργεια (ηλεκτρικά οχήματα), είτε συνδυασμό αυτής και συμβατικού καυσίμου (υβριδικά οχήματα). Στην πραγματικότητα, τα οχήματα αυτά δεν λύνουν το πρόβλημα αλλά το μεταθέτουν στο τόπο παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας. Στην περίπτωση που η παραγωγή γίνεται από συμβατικές μορφές ενέργειας, η μείωση των ρύπων καθίσταται ευκολότερη (π.χ μέσω φίλτρων). Από την άλλη 3

18 Κεφάλαιο 1 ο πλευρά, εάν η παραγωγή γίνεται από ΑΠΕ (Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας), τότε η ενέργεια είναι εντελώς καθαρή. Ήδη, οι μεγαλύτερες εταιρίες αυτοκινητοβιομηχανίας έχουν προωθήσει στην αγορά μοντέλα και των δύο παραπάνω κατηγοριών, με χαμηλή ή και μηδενική εκπομπή ρύπων στην ατμόσφαιρα. Στα σχήματα 1.2 και 1.3 παρουσιάζονται δύο παραδείγματα τέτοιων οχημάτων. Σχήμα 1. 2: Ηλεκτροκίνητο όχημα (Tesla Model S) [2]. Σχήμα 1. 3: Υβριδικό όχημα (Volkswagen Golf GTE) [3]. 4

19 Κεφάλαιο 1 ο Η δομή ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος Ένα ηλεκτροκίνητο όχημα απαρτίζεται από διάφορα επιμέρους τμήματα, καθένα από τα οποία επιτελεί μία συγκεκριμένη λειτουργία. Όλα μαζί συνθέτουν ένα ολοκληρωμένο σύστημα το οποίο είναι σε θέση να τροφοδοτήσει τους τροχούς με την απαραίτητη μηχανική ροπή και το όχημα τελικά να κινηθεί. Παρά το γεγονός ότι κάθε όχημα είναι διαφορετικό, τα κυριότερα τμήματα παραμένουν ίδια, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.4. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, ακολουθεί μία εκτενέστερη ανάλυση κάθε τμήματος με στόχο να γίνει κατανοητός ο τρόπος λειτουργίας τους. Σχήμα 1. 4: Δομή ηλεκτροκίνητου οχήματος [4]. Ηλεκτροχημικοί Συσσωρευτές: Οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές αποτελούν τη βασική μονάδα τροφοδοσίας του οχήματος. Τα περισσότερα ηλεκτροκίνητα οχήματα χρησιμοποιούν μπαταρίες ιόντων λιθίου. Οι μπαταρίες αυτού του τύπου, έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σε σχέση με άλλες [7]. Στα πλεονεκτήματά τους έρχονται να προστεθούν η ασφάλεια, η ανθεκτικότητα και το χαμηλό τους κόστος. Ωστόσο, πρέπει να βρίσκονται μέσα σε ασφαλή όρια θερμοκρασίας και τάσης για να λειτουργούν με 5

20 Κεφάλαιο 1 ο ασφάλεια και αποδοτικότητα. Στο σχήμα 1.5 παρουσιάζεται μία συστοιχία ηλεκτροχημικών συσσωρευτών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Σχήμα 1. 5: Συστοιχία ηλεκτροχημικών συσσωρευτών της Tesla Motors [5]. Σύστημα Επίβλεψης Ηλεκτροχημικών Συσσωρευτών: Η μονάδα αυτή αποτελείται από ειδικά σχεδιασμένα κυκλώματα, τα οποία συνδέονται με κάθε κελί. Κύρια αρμοδιότητα του συστήματος, είναι ο έλεγχος και η προστασία των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, ώστε λειτουργούν κάτω από ασφαλή όρια τάσης και θερμοκρασίας. Ακόμη, λαμβάνοντας υπόψη δεδομένα, όπως είναι η θερμοκρασία των κελιών, η τάση τους και οι συνθήκες περιβάλλοντος, υπολογίζονται δευτερευούσης σημασίας μεταβλητές, όπως η στάθμη φόρτισης και η γήρανση κάθε κελιού ξεχωριστά. Τέλος, λαμβάνονται αποφάσεις εξισορρόπησης της ενέργειας των κελιών, ανεξάρτητα από τη μέθοδο υλοποίησής της (ενεργητική ή παθητική ισοστάθμιση). Στο σχήμα 1.6 φαίνεται ένα παράδειγμα συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών που εφαρμόζεται σε ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο. 6

21 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1. 6: Σύστημα επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών του Model S της Tesla Motors [6]. Καλώδιο Μεταφοράς Ισχύος: Το καλώδιο αυτό είναι υπεύθυνο για την μεταφορά της ισχύος από τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές προς τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος. Η διατομή του πρέπει να είναι τέτοια που να αντέχει τα υψηλά ρεύματα που το διαρρέουν. Επίσης, περιβάλλεται από μονωτικό υλικό ικανό να αντέχει τις υψηλότερες τάσεις της συστοιχίας των κελιών σε σχέση με παλαιότερες αντίστοιχες εφαρμογές. Ηλεκτρονικός Μετατροπέας Ισχύος: Το τμήμα αυτό, λαμβάνει συνεχή τάση από τους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές και τη μετατρέπει σε κατάλληλη μορφή, με στόχο την τροφοδοσία του κινητήρα, με ελεγχόμενο αριθμό στροφών και ροπής. Η επιλογή του είδους ηλεκτρονικού μετατροπέα που χρησιμοποιεί κάθε όχημα, έχει άμεση σχέση με τον κινητήρα που καλείται να τροφοδοτήσει. Ειδικότερα, για κινητήρες συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιούνται μετατροπείς DC/DC τύπου Chopper, ενώ για κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος έχουμε μετατροπείς DC/AC. Οι τελευταίοι, μπορούν να οδηγούν τους κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος είτε με διαμόρφωση του εύρους των παλμών (σύγχρονος κινητήρας, ασύγχρονος κινητήρας), είτε με τετραγωνικούς παλμούς (κινητήρας τύπου Brushless) [7]. 7

22 Κεφάλαιο 1 ο Ηλεκτρικός Κινητήρας: Ο ηλεκτρικός κινητήρας αποτελεί το βασικότερο τμήμα ενός αυτόνομου ηλεκτροκίνητου οχήματος. Είναι επιφορτισμένος με τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική και μέσω του συστήματος μετάδοσης κίνησης επιτρέπει στο όχημα να κινηθεί. Από τη μεγάλη γκάμα ηλεκτρικών κινητήρων που υπάρχουν, οι συχνότερα χρησιμοποιούμενοι σε εφαρμογές ηλεκτροκίνητων οχημάτων είναι : Ο τριφασικός ασύγχρονος βραχυκυκλωμένου κλωβού Ο τριφασικός σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ) μόνιμου μαγνήτη Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος (Σ.Ρ) με διέγερση σειράς Ο κινητήρας τύπου Brushless Η επιλογή του καταλληλότερου κινητήρα γίνεται κάθε φορά με βάση τις απαιτήσεις του οχήματος. Ωστόσο, ο τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας βραχυκυκλωμένου κλωβού είναι αυτός με το μεγαλύτερο ποσοστό χρήσης. Τέλος στο σχήμα 1.7 φαίνεται ένα παράδειγμα κινητήρα ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος. Σχήμα 1. 7: Ηλεκτρικός κινητήρας του Model S της Tesla Motors [8]. Σύστημα Μετάδοσης Κίνησης: Αποτελεί το μηχανολογικό σύστημα του οχήματος, το οποίο είναι υπεύθυνο για τη μετάδοση της κίνησης από τον κινητήρα στους τροχούς. Επίσης, το σύστημα αυτό προσαρμόζει τόσο τη ροπή όσο και την ταχύτητα του ηλεκτροκίνητου οχήματος. 8

23 Κεφάλαιο 1 ο Τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της ηλεκτροκίνησης Από την ανάλυση των επιμέρους τμημάτων που προηγήθηκε, είμαστε πλέον σε θέση να διακρίνουμε τα διάφορα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζουν τα ηλεκτροκίνητα οχήματα, έναντι των αντίστοιχων συμβατικών [9]. Πλεονεκτήματα Τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν μηδενικές εκπομπές ρύπων προς την ατμόσφαιρα σε αντίθεση με τους αρκετά ρυπογόνους κινητήρες εσωτερικής καύσης. Οι ηλεκτροκινητήρες παράγουν πολύ χαμηλά επίπεδα θορύβου, με αποτέλεσμα να μην υφίσταται το πρόβλημα της ηχορύπανσης. Σε αντίθεση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι ηλεκτροκινητήρες δεν χρησιμοποιούν οξυγόνο. Το γεγονός αυτό, τους καθιστά ιδανικούς για διαστημικές και υποθαλάσσιες εφαρμογές. Η απόδοση ενός ηλεκτροκινητήρα μπορεί να αγγίξει ή και να ξεπεράσει το 90%, ποσοστό αδιανόητο για τους κινητήρες συμβατικών αυτοκινήτων, οι οποίοι δεν ξεπερνούν το 50% για κινητήρες πετρελαίου και το 30% για βενζινοκινητήρες. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες προσφέρουν πολλαπλές και αυξημένες δυνατότητες αυτομάτου ελέγχου, μετρώντας τα ηλεκτρικά και μηχανικά τους μεγέθη. Αντίθετα, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης ελέγχονται μόνο μέσω της ποσότητας καυσίμου που εισάγεται σε αυτούς. Με τη βοήθεια κυκλωμάτων ανάκτησης ενέργειας μέσω πέδησης, οι ηλεκτρικοί κινητήρες μπορούν να μετατραπούν σε γεννήτριες και να αποθηκεύσουν ενέργεια στους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές. Με αυτόν τον τρόπο, η ενέργεια που απαιτείται τελικά είναι μικρότερη. Οι ηλεκτροκινητήρες, παρουσιάζουν υψηλή ροπή κατά την εκκίνηση, σε αντίθεση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, το κιβώτιο ταχυτήτων και το σύστημα του συμπλέκτη να μην είναι απαραίτητα και πολλές φορές να παραλείπονται. Οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος μπορούν να φορτιστούν με ενέργεια, η οποία μπορεί να παραχθεί με πολλούς και διαφορετικούς τρόπους. Αντίθετα, τα συμβατικά οχήματα προϋποθέτουν την ύπαρξη συμβατικών 9

24 Κεφάλαιο 1 ο καυσίμων, πράγμα το οποίο τα καθιστά ευάλωτα σε περίπτωση εξάντλησης των φυσικών πόρων. Αντίθετα με τα συμβατικά οχήματα, τα οποία καταναλώνουν καύσιμο όταν βρίσκονται στάσιμα με τον κινητήρα σε λειτουργία, ο κινητήρας των ηλεκτρικών οχημάτων δεν τροφοδοτείται εν στάσει. Έτσι, δεν καταναλώνεται άσκοπα ενέργεια. Κατά τη διάρκεια στάσης των ηλεκτροκίνητων οχημάτων, οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές μπορούν να προσφέρουν ισχύ στο δίκτυο, καλύπτοντας τα φορτία αιχμής. Η ενέργεια είναι δυνατόν να επιστραφεί σε αυτούς κατά τη διάρκεια της νύχτας, όπου η κατανάλωση ισχύος είναι πολύ μικρή. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται με πολύ χαμηλό κόστος. Έτσι, η διαφορά κόστους μεταφοράς ανάμεσα στα δύο οχήματα είναι τεράστια. Για παράδειγμα, μία απόσταση 4.000km θα μπορούσε να διανυθεί από ένα ηλεκτροκίνητο όχημα με κόστος μόλις $56. Αντίθετα, ένα συμβατικό όχημα θα χρειαζόταν να πληρώσει $336 σε καύσιμα. Ωστόσο, τα παραπάνω εξαρτώνται άμεσα από το κόστος της παραγόμενης kwh. Μειονεκτήματα: Οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές έχουν συγκεκριμένο χρόνο ζωής. Μετά από έναν πεπερασμένο αριθμό κύκλων φόρτισης είναι ανάγκη να αντικατασταθούν. Η αντικατάσταση τους αποτελεί ένα μεγάλο ποσοστό του συνολικού κόστους του οχήματος. Ο χρόνος φόρτισης ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος είναι πολλαπλάσιος του χρόνου που χρειάζεται ένα συμβατικό όχημα για ανεφοδιασμό. Τα συμβατικά καύσιμα έχουν πολύ υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας από κάθε είδους ηλεκτροχημικό συσσωρευτή. Επομένως, προσφέρουν περισσότερα χιλιόμετρα αυτονομίας σε έναν ανεφοδιασμό. Ένα ηλεκτροκίνητο όχημα, για να διανύσει τα ίδια χιλιόμετρα θα χρειαστεί να φορτιστεί αρκετές φορές. 10

25 Κεφάλαιο 1 ο Το ηλεκτροκίνητο όχημα τύπου buggy του ΕΗΜΕ Το 2012, στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, έγινε μετατροπή ενός οχήματος τύπου buggy από συμβατικό, εξ ολοκλήρου σε ηλεκτρικό, στα πλαίσια διπλωματικών εργασιών [10][11]. Συγκεκριμένα, πρόκειται για το μοντέλο FA-G300 της εταιρίας Buyang Vehicles τα χαρακτηριστικά του οποίου φαίνονται στον πίνακα 1.1. Τα βασικά πλεονεκτήματα ενός οχήματος τύπου buggy, είναι το μικρό του βάρος και ο μικρός του όγκος, γεγονός που το καθιστούν παρόμοιο σε χαρακτηριστικά με ένα αυτοκίνητο πόλης. Επομένως, το ηλεκτρικό του σύστημα μπορεί να αξιολογηθεί πλήρως σε συνθήκες πόλης ως προς την ταχύτητα που μπορεί να αναπτύξει, την αυτονομία του και τη δυνατότητα για ελιγμούς [10]. Στον πίνακα 1.2 παρουσιάζονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος, ενώ στο σχήμα 1.8 φαίνεται το ηλεκτρικό όχημα μετά τη μετατροπή. Πίνακας 1. 1: Τεχνικά χαρακτηριστικά μοντέλου Buggy FA-G300 της εταιρίας Buyang [11]. Μέγιστη Ταχύτητα 60 km/h Σύστημα φρένων εμπρός/πίσω Υδραυλικό χωρίς υποβοήθηση Απόσταση ακινητοποίησης 7m στα 30 km/h Ακτίνα στροφής 3800mm Μέγιστο φορτίο 156kg Ελαστικά εμπρός 185/88-12 Ελαστικά πίσω 270/60-12 Τύπος τροχών Κράμα αλουμινίου Διαστάσεις (ΜxΠxΥ) 2700mm x 1470mm x 1440mm Μετατρόχιο 2005mm Ύψος καθίσματος 500mm Απόσταση από το έδαφος 250mm Βάρος 370kg Πίνακας 1. 2: Τεχνικά χαρακτηριστικά ηλεκτρικού κινητήριου συστήματος [11]. Ισχύς κινητήρων 60 km/h Μέγιστη ροπή κινητήρων Υδραυλικό χωρίς υποβοήθηση Τάση λειτουργίας κινητήρων 7m στα 30 km/h Μέγιστο ρεύμα κινητήρων 3800mm Χωρητικότητα συσσωρευτών 156kg Τάση συσσωρευτών 185/88-12 Ρεύμα συσσωρευτών 270/60-12 Μέγιστο ρεύμα συσσωρευτών Κράμα αλουμινίου Σχέση μετάδοσης 2700mm x 1470mm x 1440mm Βάρος 2005mm 11

26 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1. 8: Το ηλεκτροκίνητο όχημα e-buggy του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, του Πανεπιστημίου Πατρών. 1.3 Οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές ως σύστημα αποθήκευσης ενέργειας Ένα από τα βασικότερα στοιχεία ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος, είναι η πηγή της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του κινητήρα, με άμεσο αποτέλεσμα την κίνηση του οχήματος. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η ενέργεια αυτή βρίσκεται αποθηκευμένη σε μπαταρίες, οι οποίες είναι εγκατεστημένες πάνω στο όχημα. Κάθε τύπος μπαταρίας, έχει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και βάσει αυτών πλεονεκτεί ή μειονεκτεί έναντι των υπολοίπων. Παρακάτω, γίνεται μία εισαγωγή στην έννοια των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και παρουσιάζονται οι βασικοί τους τύποι. Επίσης, γίνεται μία εκτενέστερη ανάλυση στους συσσωρευτές τύπου LiFePO4 που χρησιμοποιεί το e-buggy του EHME. Οι συγκεκριμένοι συσσωρευτές, θα μας απασχολήσουν καθ όλη τη διάρκεια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, καθώς αποτελούν το κύριο αντικείμενο ενασχόλησής μας. 12

27 Κεφάλαιο 1 ο Δομή και αρχή λειτουργίας ενός κελιού ηλεκτροχημικού συσσωρευτή Ο συσσωρευτής είναι μία διάταξη η οποία αποτελείται από μονάδες κελιών συνδεδεμένες σε σειρά, παράλληλα ή σε συνδυασμό αυτών. Κύριο χαρακτηριστικό του είναι η μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική (και το αντίστροφο σε περιπτώσεις επαναφορτιζόμενων συσσωρευτών) μέσω μίας ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Στο σχήμα 1.9 φαίνεται η δομή ενός κελιού, το οποίο αποτελείται από τα εξής τέσσερα μέρη: Το θετικό ηλεκτρόδιο, το οποίο είναι κατασκευασμένο από τέτοιο υλικό που κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, έχει την ικανότητα να προσελκύει ηλεκτρόνια, από το εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα στο οποίο είναι συνδεδεμένη η μπαταρία. Το αρνητικό ηλεκτρόδιο, το οποίο είναι κατασκευασμένο από μεταλλικό υλικό και κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης τροφοδοτεί το εξωτερικό κύκλωμα με ηλεκτρόνια. Ο ηλεκτρολύτης, ο οποίος είναι ένα μη αγώγιμο υλικό μέσω του οποίου γίνεται η μεταφορά ιόντων μεταξύ αρνητικού και θετικού ηλεκτροδίου. Ο μονωτής, ο οποίος είναι το υλικό που διαχωρίζει τα δύο ηλεκτρόδια ώστε να μην έρθουν σε επαφή και να μη συμβεί βραχυκύκλωμα. Επίσης, προσφέρει μηχανική υποστήριξη στη δομή της μπαταρίας. Σχήμα 1. 9: Σχηματική αναπαράσταση ηλεκτροχημικού συσσωρευτή [12]. 13

28 Κεφάλαιο 1 ο Έχοντας αναλύσει τη δομή ενός ηλεκτροχημικού συσσωρευτή, είμαστε σε θέση να κατανοήσουμε με μεγαλύτερη ευκολία την αρχή λειτουργίας ενός κελιού μπαταρίας. Στη συνέχεια, θα αναλυθούν οι δύο διαφορετικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα σε ένα κελί, η φόρτιση και η εκφόρτισή του. Όταν το κελί συνδεθεί σε ένα εξωτερικό φορτίο, τότε ηλεκτρόνια μεταφέρονται, μέσω του φορτίου, από την άνοδο, η οποία οξειδώνεται, προς την κάθοδο, η οποία υφίσταται χημική αναγωγή. Επίσης, στο εσωτερικό του κελιού έχουμε ροή ανιόντων (αρνητικών ιόντων) και κατιόντων (θετικών ιόντων) προς την άνοδο και την κάθοδο αντίστοιχα. Με αυτό τον τρόπο, το κελί εκφορτίζεται αποδίδοντας την ενέργεια που έχει αποθηκεύσει στο φορτίο. Στο σχήμα 1.10 φαίνεται παραστατικά η διαδικασία της εκφόρτισης ενός κελιού. Σχήμα 1. 10: Ηλεκτροχημική λειτουργία ενός κελιού κατά την εκφόρτιση [12]. Αντίθετη είναι η ροή του ρεύματος κατά την επαναφόρτιση ενός κελιού. Συγκεκριμένα, ηλεκτρόνια κατευθύνονται από το θετικό προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο, με αποτέλεσμα το μεν πρώτο να υφίσταται οξείδωση το δε δεύτερο χημική αναγωγή. Επειδή η άνοδος εξ ορισμού είναι εκείνη που οξειδώνεται και η κάθοδος αυτή που ανάγεται, το θετικό ηλεκτρόδιο τώρα θα είναι η άνοδος και το αρνητικό η κάθοδος. Το σχήμα 1.11 προσφέρει μία σχηματική απεικόνιση της παραπάνω διαδικασίας. Τέλος, τα κελιά και κατ επέκταση οι μπαταρίες διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες, τις μη επαναφορτιζόμενες (primary cells) και τις επαναφορτιζόμενες (secondary cells). Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι μπαταρίες μιας χρήσης, οι οποίες δεν μπορούν να επαναφορτιστούν και ύστερα από μία πλήρη εκφόρτιση τίθενται σε αχρηστία. Οι 14

29 Κεφάλαιο 1 ο συσσωρευτές που ανήκουν σε αυτή τη κατηγορία είναι συσσωρευτές με κυψέλες ψευδαργύρου-άνθρακα (Zn-C), αλκαλίων-μαγγανίου και λιθίου. Η δεύτερη κατηγορία αναφέρεται σε μπαταρίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν πάνω από μία φορά, αφού έχουν τη δυνατότητα επαναφόρτισης. Σε αυτή τη κατηγορία ανήκουν οι συσσωρευτές μολύβδουοξέος (lead-acid), νικελίου-καδμίου (Ni-Cd), νικελίου-μετάλλου-υβριδίου (NiMH) και ιόντων λιθίου (Li-ion). Σχήμα 1. 11: Ηλεκτροχημική λειτουργία κελιού κατά τη φόρτιση [12] Τύποι και χαρακτηριστικά ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Η ραγδαία τεχνολογική εξέλιξη των τελευταίων δεκαετιών, έχει οδηγήσει στην ανακάλυψη και δημιουργία διαφόρων τύπων ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, καθένας από τους οποίους έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του. Η χρήση διαφορετικών υλικών για τη δημιουργία τους, είναι αυτή που τους προσδίδει διαφορετικά χαρακτηριστικά. Στη συνέχεια, θα αναλυθούν οι πιο αξιοσημείωτοι και διακεκριμένοι στο τομέα της ηλεκτροκίνησης, τύποι ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Συσσωρευτές μολύβδου-οξέος Οι συσσωρευτές μολύβδου-οξέος αποτελούν τον παλαιότερο και πιο διαδεδομένο τύπο ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Κατά την κατασκευή των συγκεκριμένων συσσωρευτών χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης διάλυμα θειικού οξέος με πυκνότητα 1,18 1,29 gr/cm 3 15

30 Κεφάλαιο 1 ο και ως ηλεκτρόδια το διοξείδιο του μολύβδου (PbO2) και ο σπογγώδης μόλυβδος. Κατά την εκφόρτιση γίνεται η αντίδραση: PbO Pb 2H SO 2PbSO 2H O (0.1) ενώ η τάση και η πυκνότητα του ηλεκτρολύτη ελαττώνονται. Οι μέσες τάσεις είναι κατά την εκφόρτιση 1,98V και κατά τη φόρτιση 2,4V. Στο σχήμα 1.12 παρουσιάζεται αναλυτικά η δομή ενός συσσωρευτή μολύβδου οξέος [13]. Σχήμα 1. 12: Δομή συσσωρευτή μολύβδου-οξέος [14]. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των συσσωρευτών μολύβδου-οξέος συγκεντρώνονται στον παρακάτω πίνακα. 16

31 Κεφάλαιο 1 ο Πίνακας 1. 3: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συσσωρευτών μολύβδου-οξέος [7]. Πλεονεκτήματα Υψηλή ανθεκτικότητα Ικανότητα λειτουργίας σε υψηλά ρεύματα (κατάλληλοι για εκκίνηση κινητήρων) Υψηλή τάση του ηλεκτροχημικού στοιχείου (μεγαλύτερη από 2V) Εύκολη ανακύκλωση ηλεκτροχημικών στοιχείων Χαμηλό κόστος Μειονεκτήματα Περιορισμένη ενεργειακή πυκνότητα (30-40Wh/kg) Μεγάλο βάρος συσσωρευτή. Ενδέχεται να είναι το 25-50% του βάρους του ηλεκτρικού οχήματος Πτωχές επιδόσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες Σχετικά λίγοι κύκλοι ζωής ( κύκλοι) Μεγάλη τοξικότητα. Εκπέμπουν οξυγόνο, θείο και υδρογόνο κατά τη φόρτισή τους Μεγάλος κίνδυνος διαρροής ηλεκτρολύτη Χρησιμοποιούν μόλυβδο που είναι τοξικός για το περιβάλλον και τον άνθρωπο Τα μειονεκτήματα των συσσωρευτών μολύβδου-οξέος, περιορίζουν τα χιλιόμετρα αυτονομίας και αυξάνουν το βάρος του ηλεκτροκίνητου οχήματος. Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιούνται αποκλειστικά σε οχήματα που διανύουν μικρές αποστάσεις και η αυτονομία του οχήματος δεν είναι σημαντικός παράγοντας επιλογής συσσωρευτή. Συσσωρευτές νικελίου-καδμίου (NiCD) Σε αυτού του τύπου ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές, το θετικό ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από υδροξείδιο του νικελίου, ενώ το αρνητικό από κάδμιο. Ο ηλεκτρολύτης, μπορεί να διαφέρει ανάλογα με τη θερμοκρασία στην οποία προορίζεται για λειτουργία η μπαταρία. Εάν ο συσσωρευτής πρόκειται να λειτουργήσει σε χαμηλές θερμοκρασίες, τότε χρησιμοποιείται υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου, ενώ εάν πρόκειται να λειτουργήσει σε υψηλές προτιμάται το υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου. Τα κελιά είναι σχεδιασμένα να περιέχουν μεγάλη ποσότητα ηλεκτρολύτη, καθώς σε περίπτωση διαρκούς υπερφόρτωσής τους σημειώνονται απώλειες νερού. Στο σχήμα 1.13 παριστάνεται η δομή ενός συσσωρευτή νικελίου-καδμίου, ενώ στο πίνακα 1.4 παρουσιάζονται συνοπτικά τα πλεονεκτήματά και τα μειονεκτήματά του. 17

32 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1. 13: Δομή συσσωρευτή νικελίου-καδμίου [15]. Πίνακας 1. 4: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συσσωρευτών νικελίου-καδμίου [7]. Πλεονεκτήματα Ενεργειακή πυκνότητα που κυμαίνεται μεταξύ 40-60Wh/kg Αρκετά καλή απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες Μεγάλη διάρκεια ζωής Ιδιαίτερα υψηλός βαθμός εκφόρτισης (70-90%) και γρήγορη επαναφόρτιση Δυνατότητα μη χρήσης σε οποιαδήποτε στάθμη φόρτισης για μεγάλο χρονικό διάστημα, χωρίς κίνδυνο βλάβης του Χαμηλές απαιτήσεις σε συντήρηση ως προς το κόστος και τη συχνότητα Μειονεκτήματα Υψηλό κόστος, λόγω σπανιότητας του καδμίου Μείωση τάσης ή εμφάνιση φαινομένου μνήμης Υψηλό επίπεδο τοξικότητας, λόγω της παρουσίας του καδμίου Παροδική πτώση τάσης σε υψηλές θερμοκρασίες Λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής και του υψηλού αριθμού κύκλων ζωής, οι συσσωρευτές νικελίου-καδμίου συναντώνται συχνά σε εφαρμογές ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Ωστόσο, το φαινόμενο μνήμης που εμφανίζουν τους καθιστά μη ιδανικούς. 18

33 Κεφάλαιο 1 ο Συσσωρευτές νικελίου-μετάλλου-υδριδίου (NiMH) Σους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές νικελίου-μετάλλου-υδριδίου, το θετικό ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από υδροξείδιο του καλίου, ενώ το αρνητικό από μέταλλο ή κράμα μετάλλων που περιέχει υδρογόνο. Το τελευταίο, είναι ικανό να απορροφά ή να απορρίπτει υδρογόνο εναλλάξ, καθώς η μπαταρία φορτίζεται και εκφορτίζεται. Το κύριο συστατικό του ηλεκτρολύτη είναι ένα υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου, ενώ ως μονωτής χρησιμοποιείται υδρόφιλο προπυλένιο με σκοπό να αποτρέπεται η αυτοεκφόρτιση του κελιού. Οι περισσότεροι συσσωρευτές NiMH είναι κλειστού τύπου και μόνο ένα μικρό μέρος του ηλεκτρολύτη χρησιμοποιείται. Το υπόλοιπο απορροφάται από τον διαχωριστή και τα ηλεκτρόδια. Στο σχήμα 1.14 φαίνεται η εσωτερική δομή ενός τέτοιου συσσωρευτή. Επίσης, στον πίνακα 1.5 παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα μιας μπαταρίας NiMH. Σχήμα 1. 14: Δομή συσσωρευτή νικελίου-μετάλλου-υδριδίου [16]. 19

34 Κεφάλαιο 1 ο Πίνακας 1. 5: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συσσωρευτών νικελίου-μετάλλου-υδριδίου [7]. Πλεονεκτήματα Υψηλή χωρητικότητα Ενεργειακή πυκνότητα μεταξύ 30-80Wh/kg Φιλικότητα προς το περιβάλλον. Δεν περιλαμβάνει τοξικά υλικά Μεγάλη διάρκεια ζωής. Αντοχή πάνω από χίλιους κύκλους ζωής. Δεν χρειάζονται συντήρηση (κλειστού τύπου) Ικανότητα γρήγορης επαναφόρτισης Μειονεκτήματα Υψηλή αυτοεκφόρτιση (4-5% ανά ημέρα) Μέτριο φαινόμενο μνήμης Χαμηλός βαθμός απόδοσης Υψηλό κόστος αρνητικών ηλεκτροδίων Χαμηλότερη ικανότητα σε υψηλά ρεύματα από τους NiCD Ευαίσθητες σε υπερφορτίσεις Οι συσσωρευτές NiMH κλειστού τύπου χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές, όπου βασικό κριτήριο θεωρείται το κόστος. Συνήθως δεν συναντώνται σε εφαρμογές ηλεκτροκίνητων οχημάτων, λόγω του χαμηλού βαθμού απόδοσης και της υψηλής τους αυτοεκφόρτισης. Συσσωρευτές ιόντων-λιθίου (Li-ion) Οι επαναφορτιζόμενοι συσσωρευτές ιόντων λιθίου αποτελούνται από ηλεκτροχημικά στοιχεία, τα οποία χρησιμοποιούν μεταλλικά οξείδια για το θετικό ηλεκτρόδιο και άνθρακα για το αρνητικό. Καθώς η μπαταρία φορτίζεται και εκφορτίζεται, θετικά ιόντα λιθίου ανταλλάσσονται μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. Συγκεκριμένα, το θετικό ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από μεταλλικό οξείδιο λιθίου, ενώ το αρνητικό από ενώσεις γραφίτη. Τα υλικά αυτά, είναι συνδεδεμένα με ένα μεταλλικό φύλλο συλλογής ρεύματος με συνδετικό υλικό και με ένα αγώγιμο αραιωτικό, συνήθως μαύρο άνθρακα ή γραφίτη μεγάλης επιφάνειας. Τα ηλεκτρόδια μονώνονται ηλεκτρικά με τη βοήθεια μικροπορώδους πολυαιθυλαινικού ή πολυπροπυλενικού διαχωριστικού φύλλου, το οποίο περιέχει υγρό ηλεκτρολύτη και ένα στρώμα πολυμερών σε μορφή gel ή ένα στρώμα ηλεκτρολύτη, ανάλογα με τον τύπο του συσσωρευτή. Στο σχήμα 1.15 παριστάνεται η εσωτερική δομή ενός συσσωρευτή αυτού του τύπου. 20

35 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1. 15: Δομή συσσωρευτή ιόντων λιθίου [17]. Τα κελιά ιόντων λιθίου βρίσκονται σε κατάσταση μηδενικής φόρτισης κατά την κατασκευή τους. Έτσι, είναι απαραίτητο να φορτιστούν πριν την χρήση τους. Ο συνήθης τρόπος φόρτισής τους είναι αρχικά μέσω σταθερού ρεύματος, ο οποίος στη συνέχεια μετατρέπεται σε φόρτιση σταθερής τάσης. Οι συσσωρευτές ιόντων λιθίου παρουσιάζουν μεγάλη ευαισθησία, καθώς υποβαθμίζονται ανεπανόρθωτα από τυχόν υπερφόρτιση ή εκφόρτιση πέραν του επιτρεπτού. Για το λόγο αυτό, απαιτούνται ειδικά συστήματα διαχείρισης και ελέγχου των συσσωρευτών με στόχο την ασφαλή τους λειτουργία. Στον πίνακα 1.6 παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου. Πίνακας 1. 6: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συσσωρευτών ιόντων λιθίου [7]. Πλεονεκτήματα Δεν απαιτείται συντήρηση (κλειστού τύπου) Δεν παρουσιάζουν φαινόμενα μνήμης Χαμηλός ρυθμός αυτοεκφόρτισης Ικανότητα εκφόρτισης σε μεγάλα ρεύματα και μεγάλη ισχύ Υψηλή απόδοση ενέργειας Υψηλή ενεργειακή πυκνότητα (~150Wh/kg) Πολλοί κύκλοι ζωής Δεν χρειάζονται συντήρηση (κλειστού τύπου) Ικανότητα γρήγορης επαναφόρτισης Μειονεκτήματα Απαιτείται κύκλωμα ελέγχου και προστασίας συσσωρευτών Απώλεια χωρητικότητας και θερμική διαφυγή κατά την υπερφόρτιση Διαφυγή αερίων ή θερμική διαφυγή εάν συνθλιβούν Μέτριο αρχικό κόστος Χημική αλλοίωση σε υψηλές θερμοκρασίες 21

36 Κεφάλαιο 1 ο Συσσωρευτές λιθίου-πολυμερούς (LiPO) Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου πολυμερούς (LiPO) αποτελούν έναν τύπο συσσωρευτών ιόντων λιθίου. Στα στοιχεία λιθίου-πολυμερούς, το πορώδες διαχωριστικό φύλλο έχει αντικατασταθεί από ένα φύλλο συμπαγούς πολυμερούς υλικού, το οποίο δεν είναι αγώγιμο στον ηλεκτρισμό αλλά επιτρέπει τη διέλευση ιόντων [18]. Το ηλεκτρόδιο καθόδου είναι κατασκευασμένο από λίθιο, ενώ το ηλεκτρόδιο ανόδου από γραφίτη. Στο σχήμα 1.16, φαίνεται η δομή ενός τέτοιου ηλεκτροχημικού στοιχείου. Οι συσσωρευτές λιθίουπολυμερούς, παρέχουν τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των συσσωρευτών ιόντων λιθίου, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής ειδικής ενέργειας και ενεργειακής πυκνότητας, σε λεπτή δομή. Το γεγονός αυτό, επιτρέπει την κατασκευή πολύ λεπτών και ελαφριών ηλεκτροχημικών στοιχείων αποκλείοντας τον κίνδυνο έκρηξης, αφού δεν μπορεί να αναπτυχθεί μεγάλη πίεση στο εσωτερικό του στοιχείου. Ωστόσο, υφίσταται ο κίνδυνος ανάφλεξης του συσσωρευτή σε μη ασφαλείς συνθήκες λειτουργίας. Σχήμα 1. 16: Δομή συσσωρευτή λιθίου-πολυμερούς [19]. Οι μπαταρίες αυτού του τύπου, παρουσιάζουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που φαίνονται στον πίνακα 1.7. Τα θετικά χαρακτηριστικά των συσσωρευτών λιθίου-πολυμερούς οδήγησαν ολοένα και περισσότερες εταιρίες κατασκευής ηλεκτρικών οχημάτων, να τις χρησιμοποιούν. Το κόστος ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος με τέτοιου τύπου συσσωρευτές, 22

37 Κεφάλαιο 1 ο παραμένει ιδιαίτερα υψηλό αλλά καθώς αυξάνεται η παραγωγή και εξελίσσεται η τεχνολογία, το κόστος των συσσωρευτών λιθίου-πολυμερούς θα μειωθεί. Η Hyundai Motor Company χρησιμοποιεί τέτοιες μπαταρίες σε μερικά από τα μοντέλα ηλεκτροκίνητων οχημάτων που παράγει. Επίσης, τον Οκτώβριο του 2010 ένα Audi A2 κάλυψε την απόσταση των 600km, από το Μόναχο της Γερμανίας με κατεύθυνση το Βερολίνο, χωρίς επαναφόρτιση των συσσωρευτών. Πίνακας 1. 7: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συσσωρευτών λιθίου-πολυμερούς [7]. Πλεονεκτήματα Στιβαρή κατασκευή Αντέχουν σε αναταραχές και μηχανικές παραμορφώσεις Υψηλή ενέργεια και ενεργειακή πυκνότητα Χαμηλός ρυθμός αυτοεκφόρτισης Ικανότητα εκφόρτισης σε μεγάλα ρεύματα και μεγάλη ισχύ Μεγάλη διάρκεια αποθήκευσης Ευκολία κατασκευής συσσωρευτών σε επιθυμητές διαστάσεις (πολύ λεπτή δομή στοιχείων) Υψηλή ανθεκτικότητα σε κακή φυσική ή ηλεκτρική καταπόνηση Μειονεκτήματα Απαιτείται κύκλωμα ελέγχου και προστασίας συσσωρευτών αφού σε περίπτωση υπερφόρτισης ή αύξησης της θερμοκρασίας τους παίρνουν φωτιά Υψηλότερο κόστος κατασκευής σε σχέση με τους συσσωρευτές ιόντων λιθίου Συσσωρευτές λιθίου-σιδήρου-φωσφόρου (LiFePO4) Οι συσσωρευτές λιθίου-σιδήρου-φωσφόρου είναι ένα είδος επαναφορτιζόμενων συσσωρευτών ιόντων λιθίου, οι οποίοι χρησιμοποιούν LiFePO4 ως στοιχείο καθόδου. Οι μπαταρίες αυτού του τύπου, έχουν μικρότερη πυκνότητα ενέργειας συγκριτικά με τις πιο συνηθισμένες μπαταρίες λιθίου-οξειδίου του κοβαλτίου (LiCoO2), αλλά προσφέρουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος και μεγαλύτερη ασφάλεια [20]. Το εύρος εφαρμογών των συσσωρευτών λιθίου-σιδήρου-φωσφόρου είναι αρκετά μεγάλο περιλαμβάνοντας εφαρμογές σε ηλεκτροκίνητα οχήματα και συστήματα εφεδρικής παροχής ενέργειας. Επίσης, εξαιτίας της παρόμοιας χημικής σύστασής τους με τους συσσωρευτές Li- 23

38 Κεφάλαιο 1 ο ion και LiPO, παρουσιάζουν παρόμοια χαρακτηριστικά και η διαδικασία φόρτισής τους είναι η ίδια. Στο σχήμα 1.17 φαίνεται η δομή ενός συσσωρευτή LiFePO4, ενώ στον πίνακα 1.8 παρουσιάζονται τα κυριότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ενός τέτοιου στοιχείου. Σχήμα 1. 17: Δομή συσσωρευτή λιθίου-σιδήρου-φωσφόρου [21]. Πίνακας 1. 8: Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συσσωρευτών λιθίου-σιδήρου-φωσφόρου. Πλεονεκτήματα Σχεδόν σταθερή τάση καθ όλη τη διάρκεια εκφόρτισης του συσσωρευτή Χαμηλή εσωτερική αντίσταση Χαμηλός ρυθμός αυτοεκφόρτισης Ικανότητα εκφόρτισης σε μεγάλα ρεύματα και μεγάλη ισχύ Μεγάλη διάρκεια αποθήκευσης Υψηλός κύκλος ζωής Υψηλή ανθεκτικότητα σε κακή φυσική ή ηλεκτρική καταπόνηση Μειονεκτήματα Απαιτείται κύκλωμα ελέγχου και προστασίας συσσωρευτών αφού σε περίπτωση υπερφόρτισης ή αύξησης της θερμοκρασίας τους παίρνουν φωτιά Παρά το γεγονός ότι τα υλικά τους θεωρούνται φθηνότερα, στην αγορά δεν αποτυπώνεται αυτό Χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σε σχέση με τους συσσωρευτές LiCoO2 (περίπου 14% χαμηλότερη) 24

39 Κεφάλαιο 1 ο Οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές του ηλεκτροκίνητου οχήματος του EHME Οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές που επιλέχθηκαν να τοποθετηθούν, κατά τη μετατροπή του οχήματος από συμβατικό σε ηλεκτρικό, είναι κατασκευής της εταιρίας WINSTON battery. Πιο συγκεκριμένα, αναφερόμαστε στο μοντέλο LFP090AHA με συσσωρευτές τύπου LiFePO4, ονομαστικής τάσης 3,2V και χωρητικότητας 90Ahr/συσσωρευτή. Στο σχήμα 1.18 φαίνονται οι διαστάσεις ενός τέτοιου συσσωρευτή, ενώ στον πίνακα 1.9 το σύνολο των τεχνικών του χαρακτηριστικών. Επίσης, στα σχήματα 1.19 και 1.20 παρουσιάζονται δύο χαρακτηριστικές καμπύλες. Σχήμα 1. 18: Διαστάσεις ηλεκτροχημικού συσσωρευτή LFP090AHA [22]. 25

40 Κεφάλαιο 1 ο Πίνακας 1. 9: Τεχνικά χαρακτηριστικά κελιού LFP090AHA της εταιρίας WINSTON battery [22]. Μέγεθος Χαρακτηριστικά Σχόλια Ονομασία Μοντέλου Ονομαστική Τάση LFP090AHA 3,2 V Παλαιότερες ονομασίες TS- LFP90AHA, TS-LYP90AHA Η τάση λειτουργίας υπό φορτίο είναι 3,0 V Χωρητικότητα 90 AH +/- 5% Τάση Λειτουργίας Τάση βαθειάς εκφόρτισης Τάση μέγιστης φόρτισης max 4,0 V min 2,8 V 2,5 V 4 V Σε στάθμη φόρτισης 80% Το κελί υφίσταται βλάβη αν η τάση πέσει κάτω από αυτό το επίπεδο Το κελί υφίσταται βλάβη αν η τάση ξεπεράσει αυτό το επίπεδο Βέλτιστο ρεύμα εκφόρτισης < 45 A 0,5C Μέγιστο ρεύμα εκφόρτισης Μέγιστη κορυφή ρεύματος εκφόρτισης < 270 A < 900 A 3C, συνεχόμενα για 15min ξεκινώντας από πλήρη φόρτιση 20C, μέγιστος χρόνος 5s για κάθε λεπτό Βέλτιστο ρεύμα φόρτισης < 45 A 0,5C Μέγιστο ρεύμα φόρτισης Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας < 270 A 80 o C < 3C με την προϋπόθεση επίβλεψης της θερμοκρασίας Ανώτατο όριο για οποιεσδήποτε συνθήκες Διαστάσεις 143 x 218 x 61 +/- 2 mm Βάρος 3 kg +/- 150 g 26

41 Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1. 19: Χαρακτηριστική καμπύλη εκφόρτισης κελιού [23]. Σχήμα 1. 20: Χαρακτηριστική καμπύλη αυτοεκφόρτισης κελιού [23]. Οι συσσωρευτές τύπου LiFePO4 είναι πλέον κατάλληλοι για εφαρμογές ηλεκτροκίνητων οχημάτων, αφού συνδυάζουν μικρό βάρος και όγκο με μεγάλη διάρκεια ζωής και υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Το γεγονός αυτό, οδήγησε στην επιλογή του συγκεκριμένου ηλεκτροχημικού στοιχείου. Σε αντίθετη περίπτωση, θα οδηγούμασταν σε κινητήρες 27

42 Κεφάλαιο 1 ο μεγαλύτερης ισχύος και κόστους, αφού το βάρος των συσσωρευτών και κατά συνέπεια και του οχήματος θα ήταν πολλαπλάσιο. Για την τροφοδοσία του κινητήρα χρησιμοποιήθηκαν 24 συσσωρευτές των 3,2V, επιτυγχάνοντας συνολική ονομαστική τάση λειτουργίας της διάταξης αποθήκευσης ενέργειας ίση με 24 3,2V 76,8 V. Έτσι, η χωρητικότητα των συσσωρευτών προκύπτει ίση με: 76, 8V 90 Ahr 6, 912kWh (0.2) Με αυτούς τους συσσωρευτές, το όχημα έχει αυτονομία 92km. Τέλος, στο σχήμα 1.21 παρουσιάζεται το σύνολο της διάταξης των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, τοποθετημένων επάνω στο ηλεκτροκίνητο όχημα. Σχήμα 1. 21: Η συστοιχία των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών τοποθετημένη πάνω στο ηλεκτροκίνητο όχημα. 1.4 Σύστημα επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών (Battery Management System BMS) Στις μέρες μας, οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες χρησιμοποιούνται κατά κόρον, σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, λόγω των πλεονεκτημάτων που διαθέτουν. Οι συσσωρευτές, υπόκεινται σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, μεταβάλλοντας με αυτό τον τρόπο τα 28

43 Κεφάλαιο 1 ο χαρακτηριστικά τους, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Έτσι, ανάλογα με τον τύπο των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών που χρησιμοποιούνται είναι αναγκαία η λειτουργία τους κάτω από κάποιους συγκεκριμένους περιορισμούς, ώστε να διασφαλιστεί η μέγιστη απόδοση και ασφάλεια του συστήματος. Το γεγονός αυτό, απαιτεί τη δημιουργία και τη χρήση ενός συστήματος επίβλεψης της λειτουργίας των μπαταριών. Το σύστημα αυτό θα πρέπει να είναι σε θέση, παίρνοντας ορισμένες μετρήσεις, να δίνει πληροφορίες στο χρήστη και να ελέγχει κάθε κελί ξεχωριστά με κύριο στόχο την ασφαλή και αποδοτικότερη λειτουργία ολόκληρης της συστοιχίας. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται κάποιος τύπος συσσωρευτή ιόντων λιθίου, το πρόβλημα γίνεται μεγαλύτερο. Σε αυτού του τύπου τους συσσωρευτές, η τάση και η θερμοκρασία δεν πρέπει να ξεπεράσει ορισμένα όρια, διότι σε διαφορετική περίπτωση έπεται σταδιακή υποβάθμιση του συσσωρευτή και υπάρχει πιθανότητα μόνιμης βλάβης ή ακόμη και καταστροφής του. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, αναλύονται οι διάφορες μετρούμενες ποσότητες που ένα ολοκληρωμένο σύστημα επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών καλείται να διαχειριστεί. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, καλούμαστε να κατασκευάσουμε ένα τέτοιο σύστημα, το οποίο θα χρησιμοποιηθεί μελλοντικά στο ηλεκτροκίνητο όχημα του EHME. Έτσι, θα γίνει μία εισαγωγή στα χαρακτηριστικά αυτού του συστήματος και θα παρουσιαστούν οι στόχοι της υπό κατασκευή διάταξης Μετρούμενες ποσότητες Με μία ολοκληρωμένη διάταξη επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, πρέπει να μετρώνται τρείς βασικές ποσότητες, η τάση κάθε κελιού, η θερμοκρασία του και το ρεύμα της συστοιχίας. Αρχικά, η τάση κάθε κελιού είναι απαραίτητο να μετρείται για λόγους ασφαλείας. Κανένα κελί δεν πρέπει να ξεπεράσει τα όρια τάσης που έχουν τεθεί από τον κατασκευαστή του. Σε διαφορετική περίπτωση, το κελί μπορεί να υποστεί βλάβη και να είναι αναγκαία η αντικατάσταση του, πράγμα το οποίο επιβαρύνει οικονομικά την εφαρμογή και την καθιστά αναξιόπιστη. Ένας ακόμη λόγος μέτρησης της τάσης, είναι η εξισορρόπηση της ενέργειας κάθε κελιού, όταν αυτά βρίσκονται συνδεδεμένα σε σειρά. Κατά τη φόρτιση μίας συστοιχίας συσσωρευτών, υπάρχει περίπτωση ένα κελί να φορτιστεί πιο γρήγορα από ένα άλλο, λόγω των διαφορετικών χαρακτηριστικών τους. Το γεγονός αυτό, θα οδηγήσει σε λήξη της 29

44 Κεφάλαιο 1 ο διαδικασίας φόρτισης της συστοιχίας παρά την ύπαρξη μη φορτισμένων κελιών. Ένα κύκλωμα ισοστάθμισης έρχεται να λύσει αυτό το πρόβλημα είτε καταναλώνοντας την περίσσεια ενέργεια (παθητική ισοστάθμιση), είτε μεταφέροντάς τη σε άλλο κελί (ενεργητική ισοστάθμιση). Όμοιο πρόβλημα υφίσταται και κατά την εκφόρτιση των κελιών, όπου η εκφόρτιση του ενός κελιού της συστοιχίας θα σημάνει και τη λήξη τροφοδοσίας στο φορτίο. Ωστόσο, μόνο η ύπαρξη ενεργητικής ισοστάθμισης μπορεί να λύσει το παραπάνω πρόβλημα. Η μέτρηση της στάθμης φόρτισης κάθε κελιού, γίνεται σε μεγάλο βαθμό από τη μέτρηση της τάσης του, με αποτέλεσμα αυτή να αποτελεί το κυριότερο στοιχείο βάση του οποίου θα γίνει η ισοστάθμιση. Ακόμη, η μέτρηση της θερμοκρασίας κάθε κελιού, εγγυάται τη σωστή λειτουργία ολόκληρης της διάταξης. Ορισμένοι τύποι συσσωρευτών είναι ανάγκη να λειτουργούν μέσα σε αυστηρά όρια θερμοκρασίας, καθώς σε διαφορετική περίπτωση μπορεί να υποστούν βλάβες. Τα ίδια προβλήματα θα προκύψουν και σε περίπτωση που ξεπεραστούν τα όρια ρεύματος. Αυτή τη φορά όμως, υπάρχει κίνδυνος έκρηξης ή αυτανάφλεξης ανάλογα με τον τύπου του συσσωρευτή που χρησιμοποιείται. Τέλος, εκτός από τα παραπάνω, ένα σύστημα επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών πρέπει να είναι σε θέση, παίρνοντας τις κατάλληλες μετρήσεις, να μπορεί να υπολογίζει την στάθμη υγείας ενός κελιού(state of Health SOH). Με αυτό τον τρόπο, θα είναι σε θέση να ειδοποιεί τον χρήστη για τυχόν βλάβες στους συσσωρευτές ή ακόμα και να προβλέπει τη βλάβη λίγες μέρες προτού συμβεί Χαρακτηριστικά συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών της παρούσας διπλωματικής εργασίας Το σύστημα επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών που αποφασίστηκε να κατασκευαστεί, κατά τη διάρκεια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, περιλαμβάνει μέτρηση της τάσης και της θερμοκρασίας κάθε κελιού, όπως επίσης και μέτρηση του ρεύματος ολόκληρης της συστοιχίας. Τα δεδομένα αυτά, γίνονται ορατά από το χρήστη, ο οποίος είναι σε θέση να διαπιστώσει ανά πάσα στιγμή κάποιο σφάλμα που συνέβη στη συστοιχία. Επίσης, ο μικροελεγκτής αναλαμβάνει να επεξεργαστεί τα παραπάνω δεδομένα ώστε να εξάγει χρήσιμα συμπεράσματα. Ένα από αυτά, είναι οι αποφάσεις για το ποια κελιά της συστοιχίας είναι αυτά που χρειάζονται να εκφορτιστούν και ποια αυτά που πρέπει να 30

45 Κεφάλαιο 1 ο φορτιστούν, ώστε να γίνει η σωστή ισοστάθμισή τους. Η διάταξη ισχύος όπου λαμβάνει χώρα η διαδικασία της ισοστάθμισης, κατασκευάστηκε στην ίδια πλακέτα με τα μετρητικά, η οποία προσαρμόστηκε επάνω στις μπαταρίες, με στόχο όσο το δυνατόν λιγότερες απώλειες και ελάχιστη καλωδίωση. Τέλος, στα κεφάλαια που ακολουθούν, θα φανούν τα στάδια που ακολουθήθηκαν μέχρι την κατασκευή της τελικής διάταξης επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών του ηλεκτρικού οχήματος του EHME. 31

46

47 Κεφάλαιο 2 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗΣ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΚΑΘΕ ΚΕΛΙΟΥ 2.1 Εισαγωγή Όπως παρουσιάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση ενός κελιού LiFePO4 είναι 4.0V. Στη συστοιχία που ελέγχεται υπάρχουν έξι κελιά συνδεδεμένα σε σειρά. Αυτό σημαίνει, ότι η τάση της συστοιχίας σε κατάσταση πλήρους φόρτισης είναι 24V. Η πλειοψηφία των μικροελεγκτών και μικροεπεξεργαστών που υπάρχουν, δέχεται τάσεις από 0V έως 5V. Έτσι, οι τάσεις δεν μπορούν να μετρηθούν άμεσα από τις αναλογικές εισόδους του μικροελεγκτή και είναι αναγκαία η απομόνωση ή ο υποβιβασμός της τάσης κάθε κελιού. Με αυτό τον τρόπο, ο μικροελεγκτής, καθορίζει, ανάλογα με την τάση κάθε κελιού, τις ενέργειες που πρέπει να γίνουν. Οι ενέργειες αυτές αφορούν κατά κύριο λόγο στη λειτουργία των κελιών στα ασφαλή όρια τάσης και στην επιλογή του ζεύγους κελιών που θα λάβει χώρα η ανταλλαγή ενέργειας (Battery Balancing). Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζονται οι διάφοροι δυνατοί τρόποι απομόνωσης της τάσης κάθε κελιού και η επιλογή της καταλληλότερης διάταξης για την κατασκευή του BMS. Στη συνέχεια, ακολουθεί η σχεδίαση και η κατασκευή της πλακέτας ώστε να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία της, με άμεσο στόχο την προσαρμογή της στο τελικό κύκλωμα. Τέλος, αναφέρονται τα κυριότερα στάδια προγραμματισμού για την ορθή λειτουργία του ολοκληρωμένου BQ76PL536A-Q Διατάξεις απομόνωσης της τάσης κάθε κελιού Υποβιβασμός τάσης με αντιστάσεις Ο απλούστερος τρόπος υποβιβασμού της τάσης είναι με τη χρήση αντιστάσεων (βλ. Σχήμα 2.1). Με την κατάλληλη επιλογή των τιμών τους, η τάση του κάθε κελιού υποβιβάζεται σε τιμές τέτοιες που ο μικροελεγκτής μπορεί να αντέξει. Με αυτόν τον τρόπο, μέσω των 33

48 Κεφάλαιο 2 ο αναλογικών εισόδων του μικροελεγκτή, υπολογίζεται η εκάστοτε τιμή της τάσης κάθε κελιού, αφού η μετρούμενη τιμή δεν υπερβαίνει τα 5V. Ωστόσο, η διάταξη αυτή, παρά την απλοϊκότητά της, εμφανίζει πολλά προβλήματα. Βασικό πρόβλημα αποτελεί η συνεχής κατανάλωση ισχύος. Οι αντιστάσεις διαρρέονται συνεχώς από ρεύμα, ακόμα και όταν οι μπαταρίες δεν χρησιμοποιούνται. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη σταδιακή εκφόρτιση των κελιών, ακόμα και όταν η τάση τους πέσει κάτω από τα επιτρεπτά όρια με άμεση συνέπεια την καταστροφή τους. Το πρόβλημα αυτό θα μπορούσε να ξεπεραστεί με τη χρήση ενός δικτύου αντιστάσεων, το οποίο θα συνδέει κάθε φορά το κελί που πρέπει να μετρηθεί με την αναλογική θύρα του μικροελεγκτή. Ένα ακόμη μειονέκτημα της διάταξης αποτελεί η μικρή ακρίβεια τάσης που έχουμε ειδικά για τα υψηλότερα στη συστοιχία κελιά. Το μειονέκτημα αυτό γίνεται ακόμα σημαντικότερο όταν μιλάμε για κελιά τύπου LiFePO4, όπου οι διαφορές στις τάσεις από κελί σε κελί είναι συνήθως μερικές δεκάδες mv [24]. R10 Vcell6 R8 R11 Vcell5 R6 R9 Vcell4 R4 R7 Vcell3 R2 R5 Vcell2 R3 Vcell1 R1 Gnd Σχήμα 2. 1: Δίκτυο υποβιβασμού τάσης με τη χρήση αντιστάσεων. 34

49 Κεφάλαιο 2 ο Υποβιβασμός τάσης με πυκνωτές Η λογική του υποβιβασμού της τάσης με τη χρήση πυκνωτών είναι η ίδια με αυτή των αντιστάσεων. Με τη χρήση πυκνωτών μειώνεται σημαντικά η κατανάλωση ισχύος, που είχαμε στην προηγούμενη περίπτωση, αφού το ρεύμα που διαρρέει τους πυκνωτές περιορίζεται στο ρεύμα διαρροής αυτών. Ωστόσο, παραμένει το πρόβλημα της ακρίβειας μέτρησης της τάσης, ειδικά στα υψηλότερα στη συστοιχία κελία. Παρόλο που οι δύο μέθοδοι υποβιβασμού της τάσης μοιάζουν αρκετά, υπάρχει μια σημαντική διαφορά μεταξύ τους. Στην περίπτωση χρήσης πυκνωτών, πριν τη μέτρηση της τάσης του αντίστοιχου κελιού, απαιτείται η σύνδεση των δυο άκρων του διαιρέτη. Το ένα άκρο πρέπει να συνδεθεί στη γη και το άλλο στο κελί που θέλουμε να μετρήσουμε την τάση του. Αυτό συμβαίνει, διότι μετρώντας την τάση πάνω στον πυκνωτή καταναλώνουμε ενέργεια από αυτόν, με αποτέλεσμα η τάση του τελικά να πέφτει στα 0V. Έτσι κατά τη νέα μέτρηση ο πυκνωτής πρέπει να φορτιστεί και πάλι. Συνεπώς, είναι απαραίτητη η χρήση ενός επιπλέον διακοπτικού κυκλώματος που θα συνδέει, κάθε φορά, το υπό μέτρηση κελί με την αναλογική θύρα του μικροελεγκτή. Τα παραπάνω συνοψίζονται στο Σχήμα 2.2 που ακολουθεί [25]. Sw1 C1 C1 C1 C2 C2 ADC ADC (α) (β) (γ) Σχήμα 2. 2: (α) Υποβιβασμός τάσης με τη χρήση πυκνωτών. (β) Μέτρηση τάσης με ADC. (γ) Κύκλωμα μετά από χρόνο t όπου ο πυκνωτής C2 έχει εκφορτιστεί πλήρως. 35

50 Κεφάλαιο 2 ο Υποβιβασμός Τάσης με αντιστάσεις και διόδους Zener Ένας ακόμη τρόπος υποβιβασμού της τάσης των κελιών της συστοιχίας, είναι με τη χρήση αντιστάσεων και διόδων Zener (Σχήμα 2.3). Με τον τρόπο αυτό, η τάση που πέφτει πάνω στην αντίσταση μειώνεται κατά μία σταθερή τιμή, την τάση Zener (Vzener). Έτσι, προκύπτει ότι : Vres Vcell Vzener (1.1) Ωστόσο, η μέθοδος αυτή παρουσιάζει το μειονέκτημα ότι η τάση που πέφτει στη δίοδο Zener στην πραγματικότητα δεν είναι σταθερή, αλλά κυμαίνεται γύρω από την τιμή Vzener,nom. Η διακύμανση της τιμής, οφείλεται στη μικρή ακρίβεια των διόδων Zener. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη μη ακριβή μέτρηση της τάσης των κελιών. Τέλος, όσο υψηλότερα στη συστοιχία βρίσκεται το κελί, τόσο μικρότερη η ακρίβεια μέτρησης της τάσης του [25]. Z1 Vcelln R1 Vcell1 Gnd Σχήμα 2. 3: Υποβιβασμός τάσης με τη χρήση αντιστάσεων και διόδων Zener. 36

51 Κεφάλαιο 2 ο Μέτρηση τάσης με γραμμικό οπτοζεύκτη (Linear Optocoupler) Μία πιο ιδιαίτερη μέθοδος μέτρησης της τάσης, είναι με τη χρήση ενός γραμμικού οπτοζεύκτη για κάθε κελί. Ένα παράδειγμα τέτοιου οπτοζεύκτη είναι ο IL300, η δομή του οποίου φαίνεται στο Σχήμα 2.4. Σχήμα 2. 4: Εσωτερική δομή του IL300 [26]. Οι optocoupler αυτού του είδους, αποτελούνται από ένα LED και δύο φωτοδιόδους. Το LED και οι φωτοδίοδοι συνδέονται εξωτερικά με τελεστικούς ενισχυτές, ώστε να εξασφαλίζεται η γραμμικότητα της λειτουργίας τους (Σχήμα 2.5). Όταν εφαρμοστεί τάση στην αντίσταση εισόδου του τελεστικού ενισχυτή, που βρίσκεται στην πλευρά υψηλής τάσης, ρέει ρεύμα και ο τελεστικός ενισχυτής ξεκινά να οδηγεί το LED του IL300. Αυτό με τη σειρά του, ενεργοποιεί τη φωτοδίοδο στην πλευρά υψηλής τάσης, η οποία είναι συνδεδεμένη στην αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού ενισχυτή (αρνητική ανατροφοδότηση), «ακυρώνοντας» έτσι το ρεύμα εισόδου. Αυτό σημαίνει, ότι ο τελεστικός ενισχυτής οδηγεί το LED με τρόπο τέτοιον, ώστε το ρεύμα της φωτοδιόδου στην πλευρά υψηλής τάσης, να είναι το ίδιο ακριβώς με το ρεύμα εισόδου του τελεστικού ενισχυτή (το οποίο είναι ανάλογο της τάσης εισόδου). Όμως, οι αναλογικοί optocoupler αυτού του είδους είναι έτσι κατασκευασμένοι, ώστε οι δύο δίοδοι να έχουν την ίδια ακριβώς συμπεριφορά στο LED. Επομένως, επειδή ο τελεστικός ενισχυτής U1 οδηγεί το LED ώστε το ρεύμα Ιp1 να είναι σωστό και γραμμικά συνδεδεμένο με την τάση εισόδου, το ρεύμα της φωτοδιόδου στην έξοδο είναι το ίδιο. Ο τελεστικός ενισχυτής U2, δέχεται αυτό το ρεύμα και το μετατρέπει και πάλι σε τάση (Vout) [27]. Στην περίπτωση 37

52 Κεφάλαιο 2 ο που οι αντιστάσεις R1 και R2 είναι ίδιες, η τάση εξόδου είναι η ίδια με την τάση εισόδου. Διαφορετικά, η τάση εξόδου δίνεται από την εξίσωση 2.2. Vin R R V Vin (1.2) V R R out 1 2 out 2 1 Σχήμα 2. 5: Σχηματικό λειτουργίας IL300 [27]. Το κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι η γαλβανική απομόνωση εισόδου-εξόδου που προσφέρει. Η μετρούμενη τάση εισόδου είναι απομονωμένη και προσαρμοσμένη στην τάση που μπορεί να δεχτεί μία αναλογική θύρα ενός μικροελεγκτή. Η προσαρμογή γίνεται με την επιλογή των κατάλληλων αντιστάσεων R1 και R2. Ωστόσο, είναι απαραίτητη η χρήση ενός optocoupler και δύο τελεστικών ενισχυτών για κάθε κελί, πράγμα το οποίο αυξάνει το κόστος και την πολυπλοκότητα της κατασκευής. 38

53 Κεφάλαιο 2 ο Μέτρηση τάσης με ψηφιακό απομονωτή (Digital Isolator) Ένας παρόμοιος τρόπος μέτρησης της τάσης είναι με τη χρήση ενός ψηφιακού απομονωτή για κάθε κελί. Ένας απομονωτής αυτού του είδους είναι ο ACPL-C87x, η δομή του οποίου φαίνεται στο Σχήμα 2.6. Σχήμα 2. 6: Εσωτερική δομή ACPL-C87x [28]. Στο σχήμα 2.7 παρουσιάζεται το κύκλωμα λειτουργίας του ψηφιακού απομονωτή ACPL- C87x. Για τη λειτουργία του, η τάση εισόδου υποβιβάζεται μέσω ενός διαιρέτη τάσης, ώστε να μην ξεπερνά τη μέγιστη τιμή της τάσης εισόδου του απομονωτή. Στη συνέχεια, η υποβιβασμένη τάση φιλτράρεται με ένα anti-aliasing φίλτρο που σχηματίζεται από τα στοιχεία R2 και C1. Η φιλτραρισμένη πλέον τάση οδηγείται στην είσοδο του απομονωτή. Η έξοδος του ACPL-C87x είναι γαλβανικά απομονωμένη και ανάλογη της τάσης εισόδου (Σχήμα 2.8). Έτσι, η διαφορική τάση εξόδου (VOUT+, VOUT-) μπορεί να συνδεθεί στην είσοδο ενός τελεστικού ενισχυτή ώστε να μετατραπεί σε σήμα μίας γραμμής, το οποίο μπορεί με τη σειρά του να συνδεθεί με την αναλογική θύρα του μικροελεγκτή. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην επιλογή του τελεστικού ενισχυτή, ο οποίος πρέπει να είναι υψηλής ακρίβειας, ώστε να μην δημιουργεί μεγάλο offset, και το εύρος ζώνης μαζί με το ρυθμό σάρωσής του να είναι αρκετά μεγάλα ώστε να μην επηρεάζουν αρνητικά την ταχύτητα απόκρισης του όλου κυκλώματος. Τέλος, οι πυκνωτές C4 και C5 μαζί με τις αντίστοιχες αντιστάσεις, συντελούν χαμηλοδιαβατά φίλτρα και σκοπός τους είναι η μείωση του θορύβου στην έξοδο του ψηφιακού απομονωτή. 39

54 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2. 7: Σχηματικό Λειτουργίας ACPL-C87x [29]. Σχήμα 2. 8: Διαφορική έξοδος ACPL-C87x σε σχέση με την είσοδο [29]. Η μέτρηση της τάσης με τη χρήση ψηφιακού απομονωτή προσφέρει υψηλή ακρίβεια, γαλβανική απομόνωση εισόδου-εξόδου και απλότητα κατασκευής. Τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι τα ίδια με αυτά του υποβιβασμού της τάσης με τη χρήση αντιστάσεων αφού και σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιείται ο διαιρέτης τάσης. Σε αυτά πρέπει να συνυπολογίσουμε και το κόστος ενός ψηφιακού απομονωτή και ενός τελεστικού ενισχυτή υψηλής ακρίβειας για κάθε κελί. Επομένως, σε αυτή την περίπτωση το κόστος της κατασκευής αυξάνεται αρκετά. 40

55 Κεφάλαιο 2 ο Μέτρηση τάσης με χρήση του ολοκληρωμένου BQ76PL536A-Q1 Η χρήση ειδικά σχεδιασμένων ολοκληρωμένων, αποτελεί μία πιο εξειδικευμένη μέθοδο μέτρησης της τάσης των κελιών μια συστοιχίας μπαταριών. Ένα παράδειγμα ενός τέτοιου ολοκληρωμένου είναι το BQ76PL536A-Q1 της Texas Instruments, η δομή του οποίου φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 2. 9: Εσωτερική δομή του ολοκληρωμένου BQ76PL536A-Q1 [31]. 41

56 Κεφάλαιο 2 ο Το BQ76PL536A-Q1 είναι ένα αυτόνομο ολοκληρωμένο που παρακολουθεί και προστατεύει τρία έως έξι εν σειρά συνδεδεμένα κελιά ιόντων λιθίου. Ενσωματώνει τελεστικούς ενισχυτές υψηλής ακρίβειας, μαζί με έναν μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC) των 14-bit, που είναι απαραίτητος για την ακριβή μέτρηση των τάσεων. Ένας ξεχωριστός ADC χρησιμοποιείται για τη μέτρηση δύο εξωτερικών θερμοκρασιών. Εκτός από τη μέτρηση της θερμοκρασίας, τα κελιά παρακολουθούνται διαρκώς για σφάλματα, όπως τάσεις έξω από τα επιθυμητά όρια. Τα σφάλματα αυτά γίνονται ορατά από το σήμα FAULT. Με τον τρόπο αυτό, έχουμε τη δυνατότητα παρακολούθησης έως και 192 κελιών συνδεδεμένων εν σειρά. Τα διάφορα ολοκληρωμένα συνδέονται σειριακά μεταξύ τους και επικοινωνούν με το πρωτόκολλο επικοινωνίας SPI (Serial Peripheral Interface). Όμοια επικοινωνεί και το πρώτο στην στοίβα ολοκληρωμένο με τον μικροελεγκτή, ο οποίος γράφει ή διαβάζει έναν από τους 48 registers, ανταλλάσσοντας πακέτα δεδομένων, η μορφή των οποίων θα αναλυθεί παρακάτω. Δώδεκα από αυτούς (από 0x03 έως 0x0E) χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση των τάσεων (δύο για κάθε κελί). Διαβάζοντας τους registers -που αντιστοιχούν στο κελί του οποίου την τάση θέλουμε να μετρήσουμε- υπολογίζουμε την τάση σε mv σύμφωνα με τη σχέση: mv (REG 256 REG ) 6250 MSB LSB (1.3) Συνοψίζοντας, η παραπάνω μέθοδος προσφέρει μεγάλη ακρίβεια στη μέτρηση της τάσης (της τάξεως μερικών mv), χωρίς να απαιτούνται επιπλέον στοιχεία. Επίσης, η κατανάλωση του ολοκληρωμένου είναι ελάχιστη (μόλις 12μΑ σε κατάσταση Sleep και 45μΑ σε κατάσταση αναμονής). Στα πλεονεκτήματα θα μπορούσε να συμπεριληφθεί και ο τρόπος επικοινωνίας μεταξύ των ολοκληρωμένων, καθώς δεν είναι απαραίτητη η χρήση επιπλέον βαθμίδας απομόνωσης. Ακόμη, το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1 διαθέτει έξι εξόδους, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξισορρόπηση των κελιών της συστοιχίας και δύο εισόδους για μέτρηση θερμοκρασίας. Ωστόσο, ο προγραμματισμός του ολοκληρωμένου και η επικοινωνία με αυτό απαιτεί περισσότερη δουλειά σε σχέση με όλες τις προηγούμενες μεθόδους [32]. 42

57 Κεφάλαιο 2 ο 2.3 Επιλογή μεθόδου απομόνωσης της τάσης κάθε κελιού Με γνώμονα την όσο το δυνατόν ακριβέστερη μέτρηση τάσης και την περαιτέρω ανάπτυξη της κατασκευής (για τη μέτρηση των κελιών ενός ηλεκτροκίνητου οχήματος) επιλέχθηκε η χρήση της τελευταίας μεθόδου. Στον πίνακα 2.1 που ακολουθεί, παρουσιάζονται συνοπτικά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μεθόδων απομόνωσης που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Πίνακας 2. 1: Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα μεθόδων απομόνωσης τάσης κελιού Μέθοδοι Απομόνωσης Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Υποβιβασμός Τάσης με Αντιστάσεις Απλότητα κατασκευής Μικρός αριθμός στοιχείων Χαμηλό κόστος Συνεχής κατανάλωση ισχύος Μικρή ακρίβεια μέτρησης της τάσης Υποβιβασμός Τάσης με Πυκνωτές Υποβιβασμός Τάσης με Αντιστάσεις και Διόδους Zener Μέτρηση Τάσης με Linear Optocoupler Μέτρηση Τάσης με Ψηφιακό Απομονωτή Μέτρηση Τάσης με χρήση του Ολοκληρωμένου BQ76PL536A-Q1 Απλότητα κατασκευής Μικρός αριθμός στοιχείων Μικρή κατανάλωση Χαμηλό κόστος Απλότητα κατασκευής Χαμηλό κόστος Γαλβανική απομόνωση εισόδου εξόδου Προσαρμογή της τάσης εξόδου από το λόγο R 2 R1 για είσοδο σε μ/ε Απλότητα κατασκευής Γαλβανική απομόνωση εισόδου εξόδου Απλότητα κατασκευής Μικρός αριθμός στοιχείων Υψηλή ακρίβεια μέτρησης Μέτρηση τάσης έως 192 σειριακά συνδεδεμένων κελιών Διαθέτει δύο εισόδους μέτρησης θερμοκρασίας Διαθέτει έξι εξόδους για εξισορρόπηση κελιών Χαμηλό κόστος Μικρή ακρίβεια μέτρησης της τάσης Απαραίτητη η χρήση επιπλέον διακοπτικού κυκλώματος Μικρή ακρίβεια μέτρησης της τάσης Συνεχής κατανάλωση ισχύος Μικρή ακρίβεια μέτρησης της τάσης Απαραίτητη η χρήση εξωτερικών στοιχείων Υψηλή πολυπλοκότητα Μικρό εύρος τάσης εξόδου Συνεχής κατανάλωση ισχύος (υποβιβασμός τάσης με αντιστάσεις) Υψηλό κόστος Απαιτητικός ο προγραμματισμός του, χωρίς την χρήση ειδικού εξοπλισμού της Texas Instruments 43

58 2.4 Σχεδίαση και κατασκευή κυκλώματος απομόνωσης της τάσης κάθε κελιού Κεφάλαιο 2 ο Μετά την επιλογή του κατάλληλου κυκλώματος μέτρησης της τάσης των κελιών, θεωρήθηκε απαραίτητη η σχεδίαση και κατασκευή δοκιμαστικής πλακέτας για τον έλεγχο της ορθής λειτουργίας της διάταξης. Μέσω της πλακέτας αυτής, κατανοήθηκε η λογική προγραμματισμού του ολοκληρωμένου και επιτεύχθηκε η μέτρηση της τάσης έξι εν σειρά συνδεδεμένων κελιών ιόντων λιθίου. Τα κελιά που χρησιμοποιήθηκαν για τις δοκιμές απεικονίζονται στην εικόνα 2.1 και τα βασικά τους χαρακτηριστικά στην εικόνα 2.2. Σχήμα 2. 10: Μπαταρία ιόντων λιθίου τύπου [33]. Σχήμα 2. 11: Χαρακτηριστικά συσσωρευτή που χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή [34]. 44

59 Κεφάλαιο 2 ο Στο σχήμα 2.13, φαίνεται το σχηματικό διάγραμμα της πλακέτας που κατασκευάστηκε. Σε κάθε είσοδο VCn (VC1 VC6), προστέθηκε ένα φίλτρο anti-aliasing το οποίο αποτελείται από μία εν σειρά αντίσταση 1kΩ (1%) και από έναν πυκνωτή 100nF. Η αντίσταση πρέπει να έχει τουλάχιστον 1% ακρίβεια αφού προκαλεί μικρό σφάλμα στη μέτρηση, δημιουργώντας διαιρέτη τάσης με την εσωτερική αντίσταση του ολοκληρωμένου. Το ολοκληρωμένο είναι ρυθμισμένο να αναιρεί αυτό το σφάλμα. Επίσης, προστέθηκαν στο κύκλωμα τρία jumper ώστε να μπορεί να μετρηθεί η τάση τριών, τεσσάρων, πέντε ή έξι κελιών ανάλογα με τη θέση τους. Συγκεκριμένα, για τη μέτρηση της τάσης τριών κελιών τα P3, P4 και P5 είναι βραχυκυκλωμένα, για τη μέτρηση τεσσάρων κελιών τα P3 και P4 είναι βραχυκυκλωμένα, για τη μέτρηση πέντε κελιών το P3 είναι βραχυκυκλωμένο, ενώ για τη μέτρηση των έξι κελιών όλα τα jumper είναι ανοικτοκυκλωμένα. Για παράδειγμα, η συνδεσμολογία που προκύπτει για τη μέτρηση τεσσάρων κελιών είναι αυτή του σχήματος Σχήμα 2. 12: Σχηματικό διάγραμμα πλακέτας μέτρησης τάσης. 45

60 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2. 13: Συνδεσμολογία για την μέτρηση τεσσάρων κελιών [32]. Τέλος, προστέθηκε ένα Led για την οπτική ένδειξη ότι το ολοκληρωμένο τροφοδοτείται κανονικά και μία σειρά bypass πυκνωτών στα σημεία που ήταν απαραίτητο. Στο σχήμα 2.15 που ακολουθεί, παρουσιάζεται η κάτοψη της πλακέτας. Σχήμα 2. 14: Κάτοψη πλακέτας μέτρησης τάσεων. 46

61 2.5 Επικοινωνία του ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1 με τον μικροελεγκτή Κεφάλαιο 2 ο Η παραμετροποίηση του BQ76PL536A-Q1 έγινε με χρήση του πρωτόκολλου SPI καθώς και η επικοινωνία μεταξύ ολοκληρωμένου και μικροελεγκτή. Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε είναι ο STM32F429ZIT6 και βρίσκεται ενσωματωμένος πάνω στο STM32F429I - Discovery Board, για το οποίο θα γίνει εκτενέστερη ανάλυση στο Κεφάλαιο 4. Παρακάτω, γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του πρωτόκολλου SPI και παρουσιάζεται ο τρόπος εφαρμογής του στην περίπτωση του BQ76PL536A-Q Θεωρητική ανάλυση του πρωτόκολλου επικοινωνίας SPI Το Serial Peripheral Interface, ή όπως είναι ευρέως γνωστό SPI, είναι ένα πρωτόκολλο full-duplex, το οποίο χρησιμοποιεί τέσσερις γραμμές επικοινωνίας, τις SCLK (Serial Clock), MISO (Master In Slave Out), MOSI (Master Out Slave In) και SS (Slave Select). Μία συσκευή (Master) ελέγχει όλες τις υπόλοιπες (Slave). Σε κάθε περίπτωση, μία μόνο συσκευή μπορεί να είναι Master (που συνήθως είναι ο μικροελεκτής), ενώ Slaves μπορεί να είναι πολλές. Όταν δεδομένα στέλνονται από τον Master προς τον Slave, αυτά μεταφέρονται μέσω της γραμμής MOSI. Εάν o Slave χρειάζεται να στείλει μία απάντηση στον Master, ο Master θα συνεχίσει να παράγει έναν προκαθορισμένο αριθμό clock (ανάλογο με τα δεδομένα της απάντησης) και τα δεδομένα θα αποσταλούν μέσω της γραμμής MISO. Έτσι, ο Master θα πρέπει να γνωρίζει πότε ένας Slave χρειάζεται να στείλει δεδομένα και από πόσα byte αποτελούνται αυτά. Ακόμη, πρέπει να γνωρίζουμε ότι ο δίαυλος SPI έχει ξεχωριστές γραμμές για αποστολή και λήψη δεδομένων (full-duplex) και ως εκ τούτου είναι δυνατόν να αποστέλλουμε και να λαμβάνουμε δεδομένα την ίδια ακριβώς στιγμή. Η γραμμή SS είναι αυτή που μας δείχνει σε ποιόν Slave «μιλάει» ο Master ανά πάσα στιγμή. Συνήθως κρατείται σε λογικά υψηλή στάθμη, πράγμα το οποίο αποσυνδέει τον Slave από το δίαυλο. Λίγο πριν αποσταλούν τα δεδομένα στο Slave, η γραμμή πέφτει σε λογικά χαμηλή στάθμη και ο Slave είναι έτοιμος να λάβει δεδομένα. Μετά το πέρας της επικοινωνίας, η γραμμή επιστρέφει και πάλι στην αρχική της κατάσταση. Ο δίαυλος SPI έχει τέσσερις τρόπους λειτουργίας. Οι τρόποι αυτοί ρυθμίζουν το πώς τα δεδομένα συγχρονίζονται προς και από τη συσκευή και καθορίζονται από δύο παραμέτρους. Οι παράμετροι αυτές, είναι ο έλεγχος πολικότητας του clock (CPOL) και η φάση εισαγωγής 47

62 Κεφάλαιο 2 ο των δεδομένων σε σχέση με το clock (CPHA). Αυτές δημιουργούν τέσσερις διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας, όπως φαίνεται στο σχήμα Οι συσκευές που μετέχουν στο δίαυλο πρέπει να λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο. Συνεπώς, χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή κατά τη ρύθμιση του διαύλου. Σχήμα 2. 15: Οι τέσσερις διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας του διαύλου SPI [35]. Στην περίπτωση που υπάρχουν πάνω από ένας Slave, υπάρχουν δύο δυνατοί τρόποι σύνδεσής τους με τον δίαυλο. Αυτοί είναι: 1. Κάθε Slave χρειάζεται ξεχωριστή γραμμή SS (Σχήμα 2.17). Για την επικοινωνία με έναν συγκεκριμένο Slave, θα πρέπει η γραμμή SS αυτού να πέσει σε λογικά χαμηλή στάθμη και οι υπόλοιπες να παραμείνουν σε λογικά υψηλή στάθμη (για να αποκλείσουμε το ενδεχόμενο να ενεργοποιηθούν δύο Slave την ίδια στιγμή). Σχήμα 2. 16: Σύνδεση πολλών Slave με ξεχωριστές γραμμές SS [36]. 48

63 Κεφάλαιο 2 ο Ένας μεγάλος αριθμός από Slaves συνεπάγεται και μεγάλο αριθμό γραμμών SS. Αυτό μπορεί να δημιουργήσει πρόβλημα, όταν δεν έχουμε αρκετές εξόδους ελεύθερες στον μικροελεγκτή. Ωστόσο, το πρόβλημα μπορεί εύκολα να λυθεί με την προσθήκη ενός αποπλέκτη [36]. 2. Από την άλλη πλευρά, για μερικά ολοκληρωμένα προτιμάται η λειτουργία σε αλυσίδα (Σχήμα 2.18). Η γραμμή MISO του ενός Slave συνδέεται με τη γραμμή MOSI του επόμενου. Στην περίπτωση αυτή, όλοι οι Slaves μοιράζονται την ίδια γραμμή SS. Όταν όλα τα δεδομένα αποσταλούν, η γραμμή SS ανυψώνεται και κρατείται σε λογικά υψηλή στάθμη, με αποτέλεσμα όλοι οι Slaves να απενεργοποιούνται ταυτόχρονα. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στο γεγονός, ότι τα δεδομένα μεταφέρονται από τον ένα Slave στον επόμενο. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να μεταδοθούν αρκετά δεδομένα, ώστε να φτάσουν σε όλους τους Slaves. Επίσης, το πρώτο πακέτο δεδομένων που θα μεταδοθεί θα καταλήξει στον τελευταίο Slave [36]. Σχήμα 2. 17: Αλυσιδωτή σύνδεση Slave με μία γραμμή Slave [36]. Συνοψίζοντας, το πρωτόκολλο SPI είναι ένα από τα απλούστερα πρωτόκολλα επικοινωνίας. Για το λόγο αυτό, η ταχύτητά του μπορεί να φτάσει σε πολύ υψηλά επίπεδα και συνήθως περιορίζεται μόνο από τις συσκευές που το χρησιμοποιούν. Ένα ακόμη πλεονέκτημα είναι ότι μπορεί να υποστηρίξει παραπάνω από ένα Slave. Από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιεί περισσότερες γραμμές επικοινωνίας απ ότι άλλες μέθοδοι και η επικοινωνία πρέπει να είναι καλώς ορισμένη (δεν μπορεί να αποστέλλεται τυχαίος αριθμός 49

64 Κεφάλαιο 2 ο δεδομένων όποτε θελήσουμε). Σε αυτά, έρχεται να συμπληρωθεί ο μεγάλος αριθμός των γραμμών SS που χρειάζεται συνήθως όταν οι Slaves είναι πολλοί Επικοινωνία μεταξύ δύο διαφορετικών BQ76PL536A-Q1 Η επικοινωνία μεταξύ δύο διαφορετικών ολοκληρωμένων γίνεται με έναν ιδιαίτερο τρόπο μεταφοράς δεδομένων, ο οποίος προσφέρει γαλβανική απομόνωση μεταξύ της γης του ενός και της γης του άλλου. Αυτός ο κάθετος δίαυλος (Vertical Bus) επικοινωνίας, αποτελείται από τους ακροδέκτες με τις καταλήξεις _N (North Bus) και _S (South Bus). Προσφέρει υψηλή ταχύτητα, τόσο για τον δίαυλο SPI, όσο και για τους I/O ακροδέκτες CONV και DRDY. Η μεταφορά των δεδομένων γίνεται μέσω ρεύματος και όχι τάσης, με αποτέλεσμα να ελαχιστοποιείται η επίδραση των παρασιτικών χωρητικοτήτων των γραμμών. Οι ακροδέκτες που καταλήγουν σε _S (South Facing) συνδέονται με την ακριβώς προηγούμενη συσκευή στη συστοιχία των BQ76PL536A-Q1, η οποία λειτουργεί σε χαμηλότερο δυναμικό γης. Από την άλλη μεριά, οι ακροδέκτες που καταλήγουν σε _N (North Facing) συνδέονται με την ακριβώς επόμενη συσκευή, η οποία λειτουργεί σε υψηλότερο δυναμικό γης. Οι ακροδέκτες _Ν της υψηλότερης στο σωρό συσκευής, θα πρέπει να συνδεθούν στον ακροδέκτη BAT1(2), για την ορθή λειτουργία της συστοιχίας. Αντίθετα, οι ακροδέκτες _S της χαμηλότερης στο σωρό συσκευής, θα πρέπει να συνδεθούν στον ακροδέκτη VSS. Το σχήμα 2.19 δείχνει γραφικά την συνδεσμολογία που αναφέρθηκε [32] Επικοινωνία μεταξύ BQ76PL536A-Q1 και μικροελεγκτή Η επικοινωνία μεταξύ της πρώτης στο σωρό συσκευής και του μικροελεγκτή γίνεται μέσω των ακροδεκτών που έχει κάθε ολοκληρωμένο για το σκοπό αυτό. Σε αντίθεση με τα προηγούμενα, η μεταφορά των δεδομένων γίνεται μέσω τάσης που είναι και το σύνηθες. Έτσι, γίνεται απλή η σύνδεση του ολοκληρωμένου με έναν μικροελεγκτή και η ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ τους. Ο μικροελεγκτής θα πρέπει να ρυθμιστεί, ούτως ώστε η επικοινωνία να γίνεται σε SPI mode 1, όπου CPOL = 0 και CPHA = 1. Όπως αναλύθηκε προηγουμένως, αυτό σημαίνει ότι η πολικότητα του clock πρέπει να είναι σε λογικά χαμηλή στάθμη. Επίσης, στις ανερχόμενες παρυφές του clock γίνεται αλλαγή των δεδομένων, αλλά δειγματοληψία στις κατερχόμενες. 50

65 Κεφάλαιο 2 ο Τέλος, ο ακροδέκτης HSEL (Host interface enable pin) του ολοκληρωμένου βάσης, θα πρέπει να συνδεθεί στο VSS, ώστε να καταστεί δυνατή η επικοινωνία με τον μικροελεγκτή. Αντίθετα, στις υπόλοιπες συσκευές, το HSEL είναι συνδεδεμένο με τον ακροδέκτη LDOD μέσω μίας αντίστασης των 100kΩ. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, οι ακροδέκτες _Η του αντίστοιχου ολοκληρωμένου, να οδηγούνται στη λογικά χαμηλή στάθμη και να παραμένουν ασύνδετοι [32]. Η συνδεσμολογία με τον μικροελεγκτή παρουσιάζεται στο σχήμα Σχήμα 2. 18: Συνδεσμολογία ολοκληρωμένων μεταξύ τους και με τον μικροελεγκτή [32] Μορφή πακέτων επικοινωνίας Πακέτο για ανάγνωση δεδομένων Όταν ένα συγκεκριμένο BQ76PL536A-Q1 επιλεγεί [το CS_S (ή το CS_H για το πρώτο ολοκληρωμένο) ενεργοποιηθεί και η συσκευή έχει διευθυνσιοδοτηθεί] και γίνει αίτημα προς ανάγνωση, τα δεδομένα μεταφέρονται από τον ακροδέκτη SDO_S στον ακροδέκτη SDO_N του αμέσως χαμηλότερου ολοκληρωμένου στο σωρό. Αυτό συνεχίζεται μέχρι τα δεδομένα 51

66 Κεφάλαιο 2 ο τελικά να φτάσουν στο πρώτο ολοκληρωμένο στο σωρό, από όπου μεταφέρονται στο μικροελεγκτή μέσω του ακροδέκτη SDO_H [32]. Η συσκευή που στέλνει τα δεδομένα προς ανάγνωση, δημιουργεί ένα τελευταίο byte προς αποστολή, το οποίο ονομάζεται CRC (Cyclic Redundancy Check). Ο τρόπος με τον οποίο δημιουργείται το CRC byte θα αναφερθεί στη συνέχεια του κεφαλαίου. Στα σχήματα 20 και 21 παρουσιάζεται συνοπτικά η δομή των πακέτων που αποστέλλονται στο ολοκληρωμένο βάσης για την ανάγνωση δεδομένων. Αυτή έχει ως εξής: Αρχικά, αποστέλλεται ένα byte το οποίο αποτελείται από τη διεύθυνση της συσκευής (BQ76PL536A-Q1), της οποίας τα δεδομένα θέλουμε να διαβάσουμε, (6-bit) ακολουθούμενη από ένα μηδενικό (1-bit). Στη συνέχεια, αποστέλλεται η διεύθυνση του πρώτου register (8-bit) απ όπου θα ξεκινήσει η ανάγνωση. Η ανάγνωση θα συνεχίσει μέχρι το σημείο που θα της επιτραπεί από το τρίτο byte που θα λάβει το ολοκληρωμένο. Αυτό περιέχει το πλήθος των register που καλούνται προς ανάγνωση. Τέλος, αποστέλλεται (εφόσον δεν έχει προγραμματιστεί η μη αποστολή του) το CRC byte για να επιβεβαιωθούν τα δεδομένα που διάβασε ο μικροελεγκτής. Σχήμα 2. 19: Δομή πακέτου ανάγνωσης από BQ76PL536A-Q1 [32]. Σχήμα 2. 20: Λεπτομερέστερη δομή ανάγνωσης από BQ76PL536A-Q1 [32]. 52

67 Κεφάλαιο 2 ο Πακέτο για εγγραφή δεδομένων Όταν ένα συγκεκριμένο BQ76PL536A-Q1 επιλεγεί [το CS_S (ή το CS_H για το πρώτο ολοκληρωμένο) ενεργοποιηθεί και η συσκευή έχει διευθυνσιοδοτηθεί] και γίνει αίτημα προς εγγραφή, τα δεδομένα λαμβάνονται από τον ακροδέκτη SDΙ_S, που είναι συνδεδεμένος με τον ακροδέκτη SDO_Ν του αμέσως χαμηλότερου ολοκληρωμένου στο σωρό. Για το πρώτο στο σωρό ολοκληρωμένο, τα δεδομένα εισέρχονται στον ακροδέκτη SDI_H, από τον μικροελεγκτή. Από εκεί, μεταφέρονται στο σωρό προς τα επάνω και συγκεκριμένα από τον ακροδέκτη SDI_S στον ακροδέκτη SDI_N του αμέσως υψηλότερου ολοκληρωμένου στο σωρό. Εάν το BQ76PL536A-Q1 είναι ενεργοποιημένο, τότε ελέγχει το CRC byte που περιμένει να είναι το τελευταίο byte του πακέτου. Εάν αυτό είναι σωστό, δεν λαμβάνεται καμία ενέργεια. Διαφορετικά, εάν το CRC byte είναι λανθασμένο ή δεν αποσταλεί, η συσκευή ενεργοποιεί το σήμα ALERT_S, το οποίο μεταφέρεται κάτω στο σωρό ενεργοποιώντας τον ακροδέκτη ALERT_H της πρώτης συσκευής. Επίσης, τα δεδομένα θεωρούνται ως λανθασμένα και η ενέργεια εγγραφής τελικά απορρίπτεται. Ο μικροεπεξεργαστής είναι αυτός που καλείται να εκκαθαρίσει το συμβάν [32]. Στα σχήματα 22 και 23 παρουσιάζεται συνοπτικά η δομή των πακέτων, που αποστέλλονται στο ολοκληρωμένο βάσης για την εγγραφή δεδομένων. Αυτή έχει ως εξής: Αρχικά, αποστέλλεται ένα byte το οποίο αποτελείται από τη διεύθυνση της συσκευής (BQ76PL536A-Q1), στην οποία θέλουμε να γράψουμε (6-bit) ακολουθούμενη από έναν άσσο (1-bit). Στη συνέχεια, αποστέλλεται η διεύθυνση του register (8-bit) που θέλουμε να γράψουμε. Το τρίτο byte που καλούμαστε να στείλουμε αποτελείται από τα προς εγγραφή δεδομένα στον register που προηγήθηκε. Τέλος αποστέλλεται, εφόσον δεν έχει προγραμματιστεί η μη αποστολή του, το CRC byte για να επιβεβαιωθούν τα δεδομένα που διάβασε το ολοκληρωμένο. Σχήμα 2. 21: Δομή πακέτου εγγραφής register του BQ76PL536A-Q1 [32]. 53

68 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2. 22: Λεπτομερέστερη δομή εγγραφής register του BQ76PL536A-Q1 [32] Αλγόριθμος ελέγχου κυκλικού πλεονασμού (Cyclic Redundancy Check CRC) Ο αλγόριθμος ελέγχου κυκλικού πλεονασμού (CRC) είναι ένας αλγόριθμος που χρησιμοποιείται στις ψηφιακές επικοινωνίες και στόχο έχει την εύρεση σφαλμάτων κατά τη μετάδοση δεδομένων. Ο CRC αποτελείται από ένα byte και αποστέλλεται κάθε φορά στο τέλος του πακέτου μετάδοσης. Υπεύθυνος για την αποστολή του CRC-byte είναι η συσκευή που αποστέλλει δεδομένα πριν τη μετάδοση αυτού. Συγκεκριμένα, κατά την εγγραφή δεδομένων το CRC-byte αποστέλλεται από τον μικροελεγκτή, ενώ κατά την ανάγνωση από το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1. Κάθε μεταφορά δεδομένων στο δίαυλο, προϋποθέτει τον υπολογισμό του CRC-byte από πομπό και δέκτη. Ο υπολογισμός αυτός γίνεται από την πολυωνυμική εξίσωση 2.7, λαμβάνοντας υπόψη τη σειρά με την οποία μεταδίδονται τα bit (πρώτα το περισσότερο σημαντικό bit). Στον υπολογισμό συμμετέχουν όλα τα byte που έχουν μεταδοθεί, συμπεριλαμβανομένου της διεύθυνσης του ολοκληρωμένου, της εντολής ανάγνωσης ή εγγραφής και των δεδομένων. Όταν διαβάζουμε από το BQ76PL536A-Q1, το CRC-byte δημιουργείται από τη διεύθυνση αυτού, τον πρώτο καταχωρητή, το πλήθος των προς ανάγνωση καταχωρητών και των ίδιων των δεδομένων. Τα byte που αποστέλλονται μέχρι να εξαχθούν τα δεδομένα από το ολοκληρωμένο, δε λαμβάνονται υπ όψιν στον υπολογισμό του CRC-byte [32] C( x) x x x 1 (1.4) Η επαλήθευση του CRC-byte εκτελείται στο δέκτη όταν η γραμμή CS_x πέφτει στη λογικά χαμηλή στάθμη, αναγνωρίζοντας με αυτόν τον τρόπο το τέλος της μετάδοσης. Εάν η 54

69 Κεφάλαιο 2 ο επαλήθευση αποτύχει, τα δεδομένα απορρίπτονται και η γραμμή FAULT ενεργοποιείται μέχρι να διαβαστεί και να εκκαθαριστεί το σφάλμα από τον μικροελεγκτή. 2.6 Επικοινωνία με το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1 Για να βρεθούμε στη θέση να μπορούμε να διαβάσουμε τις τάσεις των κελιών, χρησιμοποιώντας το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1, είναι αναγκαίο να προηγηθούν δύο στάδια προγραμματισμού της συσκευής. Αρχικά, όλες οι συσκευές πρέπει να διευθυνσιοδοτηθούν. Έπειτα, απαιτείται ο προγραμματισμός των καταχωρητών της μνήμης OTP-EPROM, που είναι υπεύθυνοι για τη λειτουργία της κάθε συσκευής. Στη συνέχεια, γίνεται εκτενέστερη ανάλυση των παραπάνω, καθώς και του τρόπου με τον οποίο διαβάζουμε τελικά τις τάσεις των κελιών Διευθυνσιοδότηση συσκευών Κάθε ολοκληρωμένο, από τα σειριακά συνδεδεμένα στο σωρό, χρειάζεται τη δική του διεύθυνση ώστε να επιτραπεί η επικοινωνία με αυτό. Επίσης, κάθε BQ76PL536A-Q1 έχει από έναν ακροδέκτη CS_S και CS_N, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για τη διευθυνσιοδότηση των συσκευών. Όταν αυτή γίνει, η λειτουργία των γραμμών CS_S και CS_N είναι να βρίσκονται σε λογικά υψηλή στάθμη κατά τη μεταφορά δεδομένων. Έτσι, όλα τα ολοκληρωμένα διαβάζουν τα δεδομένα που στέλνονται από τον μικροελεγκτή, αλλά μόνο αυτό με τη σωστή διεύθυνση (η οποία αποτελεί το πρώτο byte κάθε μεταφοράς) ανταποκρίνεται. Όταν γίνει reset του BQ76PL536A-Q1, σβήνει το flag DEVICE_STATUS[AR] (Address Request), ο register που περιέχει τη διεύθυνση μνήμης της συσκευής λαμβάνει την τιμή 0x00 και ο ακροδέκτης ALERT_S ενεργοποιείται, μεταφέροντας το σήμα στο σωρό. Σε αυτή τη περίπτωση, όπου η διεύθυνση του ολοκληρωμένου έχει την τιμή 0x00, το σήμα CS_N παραμένει ανενεργό (το CS δεν περνάει στην επόμενη συσκευή όταν η διεύθυνση είναι η 0x00). Επομένως μετά από ένα reset, είναι βέβαιο ότι η μόνη συσκευή που θα ανταποκριθεί στην διεύθυνση 0x00 είναι η πρώτη. Μετά τη διευθυνσιοδότηση της πρώτης συσκευής, η συσκευή που θα ανταποκριθεί στην διεύθυνση 0x00 είναι η επόμενη στο σωρό συσκευή. Με τον τρόπο αυτό, διευθυνσιοδοτούνται όλα τα ολοκληρωμένα του σωρού. Η παραπάνω διαδικασία παρουσιάζεται στο διάγραμμα ροής του σχήματος

70 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2. 23: Διάγραμμα ροής του αλγορίθμου διευθυνσιοδότησης των συσκευών BQ76PL536A-Q1 [32]. 56

71 Κεφάλαιο 2 ο Με την ολοκλήρωση της παραπάνω διαδικασίας, τα σήματα CS_N λειτουργούν κανονικά και ακολουθούν το σήμα CS_H ή το CS_S μεταδίδοντάς το επάνω στο σωρό. Έγκυρες διευθύνσεις θεωρούνται αυτές που βρίσκονται μεταξύ 0x01 και 0x3E και μόνο. Επίσης, η διεύθυνση 0x00 χρησιμοποιείται για την αναζήτηση συσκευών που δεν έχουν διευθυνσιοδοτηθεί, ενώ η 0x3F αναφέρεται σε όλες τις συσκευές του σωρού. Τέλος, στο σχήμα 2.25 παρουσιάζεται η διευθυνσιοδότηση ενός BQ76PL536A-Q1, μετά την υλοποίηση του αλγορίθμου που αναλύθηκε. Όπως βλέπουμε στη καρτέλα Annotations, η διευθυνσιοδότηση ενός ολοκληρωμένου κρατάει μόλις 0,298msec. Σχήμα 2. 24: Διευθυνσιοδότηση BQ76PL536A-Q1 πειραματικής διάταξης Προγραμματισμός καταχωρητών λειτουργίας του BQ76PL536A-Q1 Το BQ76PL536A-Q1 έχει ένα μπλοκ, OTP-EPROM (One Time Programmable EPROM) μνήμης, το οποίο αποτελείται από δώδεκα καταχωρητές. Ο προγραμματισμός της μνήμης EPROM, γίνεται κατά την πρώτη σύνδεση της συσκευής και απαιτεί έναν παλμό των 7V (Vpp) στους ακροδέκτες προγραμματισμού. Το ολοκληρωμένο χρησιμοποιεί έναν εσωτερικό συγκριτή ώστε να συγκρίνει την τάση αυτή. Αρχικά ο χρήστης γράφει στους καταχωρητές της μνήμης EPROM (Group3 Registers), τα δεδομένα που επιθυμεί. Εφόσον έχει προηγηθεί η τροφοδοσία τον ακροδεκτών LDOD1 και LDOD2 με 7V, τα δεδομένα εγγράφονται στους καταχωρητές με τη σωστή διεύθυνση. Στη συνέχεια, εκτελείται ο προγραμματισμός γράφοντας στον καταχωρητή EE_EN (με διεύθυνση 0x3F) την τιμή 0x91. Μετά από χρόνο μεγαλύτερο των 1500μsec, η τροφοδοσία των 7V αφαιρείται. Συνήθως, η διάρκεια του παλμού τάσης είναι περίπου 2-3msec. Εάν ο παλμός παραμείνει για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή της συσκευής. Στο διάγραμμα ροής του σχήματος 2.26, φαίνεται αναλυτικά η παραπάνω διαδικασία. 57

72 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2. 25: Διάγραμμα ροής προγραμματισμού μνήμης EPROM [32]. Από την άλλη πλευρά, μπορούμε να αντικαταστήσουμε προσωρινά τους καταχωρητές αυτούς, χρησιμοποιώντας μία ιδιαίτερη εντολή εγγραφής. Με αυτόν τον τρόπο, οι καταχωρητές παίρνουν την τιμή που τους δίνουμε μέχρι να συμβεί νέα αντικατάσταση ή να αρχικοποιηθούν μέσω της εντολής reset. Για να συμβεί αυτό, κάθε φορά που θέλουμε να αντικαταστήσουμε έναν καταχωρητή της μνήμης EPROM, γράφουμε την τιμή 0x35 στον καταχωρητή SHDW_CONTROL. Αμέσως μετά ακολουθεί η εντολή εγγραφής του καταχωρητή. Εάν παρεμβληθεί οποιαδήποτε άλλη εντολή εγγραφής, ο καταχωρητής της μνήμης EPROM δεν αντικαθίσταται. 58

73 Κεφάλαιο 2 ο Λόγω του πειραματικού σταδίου της κατασκευής, προτιμήθηκε η προσωρινή αντικατάσταση των καταχωρητών της μνήμης EPROM, γεγονός που μας επιτρέπει ελευθερία δοκιμών. Τελικά, οι τιμές που δόθηκαν στους καταχωρητές φαίνονται στον πίνακα 2.2, ενώ η διαδικασία αντικατάστασης αυτών παρουσιάζεται στο σχήμα Πίνακας 2. 2: Τιμές καταχωρητών μνήμης EPROM. Καταχωρητής FUNCTION_CONFIG IO_CONFIG CONFIG_COV CONFIG_COVT CONFIG_CUV CONFIG_CUVT CONFIG_OT CONFIG_OTT USER1 USER2 USER3 USER4 Τιμή Καταχωρητή 0x40 0x00 0x27 0x81 0x12 0x81 0x44 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 Σχήμα 2. 26: Ανάγνωση των τάσεων της συστοιχίας από το ολοκληρωμένο Ανάγνωση των τάσεων των κελιών Με την προϋπόθεση ότι οι δύο παραπάνω ενέργειες ολοκληρώθηκαν σωστά, είμαστε σε θέση να μπορούμε να διαβάσουμε, τις τάσεις των έξι εν σειρά συνδεδεμένων κελιών της διάταξης. Ωστόσο, πριν γίνει αυτό έχουν προτεραιότητα μια σειρά από ενέργειες. Αρχικά θα πρέπει να προγραμματιστεί κατάλληλα ο ADC του ολοκληρωμένου, ώστε να γνωρίζει εξ αρχής ποιες εισόδους θα διαβάσει. Αυτό γίνεται μέσω του καταχωρητή 59

74 Κεφάλαιο 2 ο ADC_CONTROL (με διεύθυνση 0x30). Στην περίπτωση μας, για τη μέτρηση μόνο των έξι τάσεων των κελιών και για συνεχή λειτουργία του υποσυστήματος ADC του ολοκληρωμένου, γράφουμε στον καταχωρητή την τιμή 0x45. Στη συνέχεια, πρέπει να ξεκινήσει η διαδικασία της δειγματοληψίας. Για το σκοπό αυτό, υπάρχει ο καταχωρητής ADC_CONVERT (με διεύθυνση 0x34), στον οποίο πρέπει να εγγραφεί η τιμή 0x01. Γράφοντας την παραπάνω τιμή στον καταχωρητή, ξεκινάει ένας νέος κύκλος μετρήσεων και ο ADC δειγματοληπτεί όλες τις εισόδους που έχουν προγραμματιστεί από τον προηγούμενο καταχωρητή (ADC_CONTROL). Η τιμή του καταχωρητή ADC_CONVERT, γίνεται και πάλι μηδέν όταν η δειγματοληψία ολοκληρωθεί. Ο χρόνος που απαιτείται για αυτό, είναι σταθερός και ανάλογος των μετρήσεων που λαμβάνουν χώρα στον ADC. Η συνολική διάρκεια της μέτρησης δίνεται από την εξίσωση 2.8. T 6 num _channels 6 ( sec) (1.5) total Παρόλα αυτά, για να μη δημιουργούμε χρονικές καθυστερήσεις στον αλγόριθμό μας και για μεγαλύτερη ασφάλεια, επιλέγουμε να ανακαλύψουμε το τέλος της δειγματοληψίας με άλλο τρόπο. Αυτό, συνεπάγεται τη διαρκή ανάγνωση του καταχωρητή DEVICE_STATUS (με διεύθυνση 0x00) μέχρι το λιγότερο σημαντικό bit αυτού να γίνει 1, πράγμα το οποίο σημαίνει ότι όλες οι μετρήσεις τελείωσαν. Στα σχήματα 2.28 και 2.29, φαίνεται ο προγραμματισμός των δύο προηγούμενων καταχωρητών και ο χρόνος που περιμένουμε διαβάζοντας τον καταχωρητή DEVICE_STATUS. Σχήμα 2. 27: Προγραμματισμός καταχωρητών ADC. 60

75 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2. 28: Χρόνος αναμονής για την επιτυχή ολοκλήρωση της δειγματοληψίας. Τέλος, τα δεδομένα που παράγονται από τον ADC αποθηκεύονται απευθείας σε διαφορετικούς καταχωρητές του ολοκληρωμένου. Συγκεκριμένα, οι μετρήσεις των τάσεων των κελιών αποθηκεύονται στους καταχωρητές VCELLx, όπου x είναι ο αριθμός του κελιού. Οι καταχωρητές αυτοί είναι των 16 bit και επομένως o κάθε ένας διαθέτει δύο διευθύνσεις των 8 bit. Στις μονές διευθύνσεις βρίσκονται τα περισσότερο σημαντικά bit, ενώ στις άρτιες τα λιγότερο σημαντικά. Οι διευθύνσεις αυτών των καταχωρητών εκτείνονται από την 0x03 έως την 0x0E με σειρά από το χαμηλότερο προς το υψηλότερο κελί. Τελικά, οι τάσεις των κελιών σε mv προκύπτουν από την εξίσωση 2.6. Τα παραπάνω, επαναλαμβάνονται κάθε φορά που θέλουμε να μετρήσουμε εκ νέου τις τάσεις των κελιών. Στο σχήμα 2.30 φαίνεται η επικοινωνία με το ολοκληρωμένο για την επιτυχή ανάγνωση των τάσεων ενώ στο σχήμα 2.31 παρουσιάζεται ολόκληρη η διάταξη σε λειτουργία. Σχήμα 2. 29: Ανάγνωση των τάσεων της συστοιχίας από το ολοκληρωμένο. 61

76 Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2. 30: Διάταξη μέτρησης τάσεων, έξι εν σειρά συνδεδεμένων κελιών, σε λειτουργία. 62

77 Κεφάλαιο 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΩΝ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ 3.1 Εισαγωγή Σε αυτό το κεφάλαιο θα γίνει προσπάθεια να διερευνηθεί η λειτουργία των βασικότερων τοπολογιών ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Συγκρίνοντας τις τοπολογίες αυτές, θα επιλεγεί η πλέον κατάλληλη και θα γίνει μία εκτενέστερη θεωρητική ανάλυση της λειτουργίας της. Στη συνέχεια, ακολουθεί η προσομοίωση της διάταξης. Με αυτό τον τρόπο, θα γίνει κατανοητή η λειτουργία και οι ιδιαιτερότητές της σε βάθος. Οι παραπάνω προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του Simulink, λογισμικού προσομοίωσης που περιλαμβάνεται στο πρόγραμμα Matlab. Μέσω των δυνατοτήτων που παρέχει το Simulink μετρήθηκαν διάφορα μεγέθη της διάταξης και διαστασιολογήθηκαν όλα τα στοιχεία της. Στο τέλος του κεφαλαίου, παρουσιάζεται η σχεδίαση και η κατασκευή δύο διαφορετικών πλακετών ισχύος, μία για κάθε ξεχωριστή λειτουργία της τοπολογίας που επιλέχθηκε. Με αυτό τον τρόπο, ελέγχτηκε η ορθότητα της λειτουργίας της διάταξης και εντοπίστηκαν όλα τα σημεία που έπρεπε να προσεχθούν κατά τη κατασκευή της τελικής πλακέτας. 3.2 Διατάξεις ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Οι διατάξεις ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών είναι δυνατόν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο που γίνεται η εξισορρόπηση της τάσης των κελιών. Οι κατηγορίες αυτές είναι : Διατάξεις παθητικής ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Διατάξεις ενεργητικής ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών 63

78 Κεφάλαιο 3 ο Στη συνέχεια, θα παρουσιαστούν τα διάφορα είδη τοπολογιών των παραπάνω κατηγοριών και θα αναλυθεί περαιτέρω η λειτουργία τους Διατάξεις παθητικής ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Οι διατάξεις παθητικής ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών χρησιμοποιούν αντιστάσεις, με στόχο την απαγωγή ενέργειας από τα κελιά υψηλής φόρτισης. Η ενέργεια αυτή, μετατρέπεται σε θερμότητα και απελευθερώνεται στο περιβάλλον. Σαν αποτέλεσμα, οι τοπολογίες αυτής της κατηγορίας παρουσιάζουν προβλήματα διαχείρισης θερμότητας και μικρό συντελεστή απόδοσης. Ωστόσο, αποτελούν την απλούστερη και οικονομικότερη λύση ισοστάθμισης Ισοστάθμιση με τη χρήση μόνιμων αντιστάσεων Ένας τρόπος παθητικής ισοστάθμισης κελιών είναι με τη χρήση μόνιμων αντιστάσεων παράλληλα προς αυτά, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.1. Η χρήση μόνιμων αντιστάσεων, δημιουργεί ένα μόνιμο δρόμο παράκαμψης για το ρεύμα όλων των κελιών και περιορίζει την τιμή της τάσης τους. Όμως, η παραπάνω διάταξη χρησιμοποιείται μόνο σε κελιά τύπου Leadacid και Nickel, τα οποία μπορούν να υπερφορτιστούν χωρίς αυτό να οδηγήσει απαραίτητα στην καταστροφή τους [37]. Vcell n R n Vcell n-1 R n-1 Vcell 1 R 1 Gnd Σχήμα 3. 1: Διάταξη ισοστάθμισης με χρήση μόνιμων αντιστάσεων. 64

79 Κεφάλαιο 3 ο Ισοστάθμιση με τη χρήση διακοπτικά ελεγχόμενων αντιστάσεων Η χρήση διακοπτικά ελεγχόμενων αντιστάσεων, αποτελεί έναν ακόμη τρόπο εξισορρόπησης των τάσεων, μιας συστοιχίας κελιών. Κάθε κελί συνδέεται παράλληλα με έναν κλάδο ο οποίος συνίσταται από ένα διακοπτικό στοιχείο και μία αντίσταση συνδεδεμένα σε σειρά. Η διάταξη που προκύπτει παρουσιάζεται στο σχήμα 3.2. Vcelln Rn Sw n-1 Vcelln-1 Rn-1 Sw 1 Vcell1 R1 Gnd Σχήμα 3. 2: Διάταξη ισοστάθμισης με χρήση διακοπτικά ελεγχόμενων αντιστάσεων. Όταν ένα κελί βρίσκεται σε υψηλότερη στάθμη φόρτισης από τα υπόλοιπα, στέλνεται σήμα από τον μικροελεγκτή στο αντίστοιχο ημιαγωγικό στοιχείο, με αποτέλεσμα αυτό να γίνεται βραχυκύκλωμα. Έτσι, η αντίσταση διαρρέεται από ρεύμα εκφορτίζοντας το εκάστοτε κελί και μειώνοντας με αυτό τον τρόπο την τάση του. Αν η τιμή της αντίστασης επιλεχθεί ώστε το ρεύμα να είναι μικρό (<10mA), το φυσικό της μέγεθος και αυτό του ημιαγωγικού στοιχείου δύναται να είναι μικρό. Μία αντίσταση που διαρρέεται από ρεύμα 10mA/Ah μπορεί να αντισταθμίσει τα υψηλής φόρτισης κελιά με ένα ρυθμό της τάξεως του 1% ανά ώρα. Αν λειτουργεί συνεχώς, μία τέτοια τεχνική θα μπορούσε να εκφορτίσει ολόκληρη την συστοιχία σε μερικές ημέρες. 65

80 Κεφάλαιο 3 ο Η ισοστάθμιση μέσω απαγωγής ενέργειας μπορεί να λειτουργεί συνεχώς, με τις αντιστάσεις να τίθενται εντός και εκτός σύνδεσης, όπως απαιτείται κάθε φορά. Η αποτελεσματικότητα της τεχνικής μπορεί να βελτιωθεί με την εφαρμογή κατάλληλου αλγορίθμου για τον έλεγχο των ημιαγωγικών διακοπτών. Η τεχνική της ισοστάθμισης με απαγωγή ενέργειας είναι κατάλληλη για εφαρμογές υβριδικών αυτοκινήτων (HEV). Τα πλεονεκτήματά της είναι το χαμηλό κόστος και η μικρή πολυπλοκότητα της διάταξης. Ωστόσο η μικρή απόδοσή της, την καθιστά απαγορευτική σε περιπτώσεις διαχείρισης υψηλής ισχύος, όπως είναι οι εφαρμογές σε ηλεκτροκίνητα οχήματα (EV) [37] Διατάξεις ενεργητικής ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Οι διατάξεις ενεργητικής ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών χρησιμοποιούν κατά βάση επαγωγές ή χωρητικότητες. Σε αντίθεση με τα προηγούμενα είδη διατάξεων, η ενέργεια δεν δαπανάται, αλλά μεταφέρεται από το ένα κελί στο άλλο. Με την εφαρμογή κατάλληλου αλγορίθμου, επιλέγονται τα κελιά που θα λάβει χώρα η ανταλλαγή ενέργειας. Έτσι, επιτυγχάνεται η μεγαλύτερη δυνατή απόδοση κατά τη διαδικασία εξισορρόπησης της στάθμης φόρτισης των κελιών Μεταφορά ενέργειας με τη μέθοδο flying capacitor και με χρήση ενός πυκνωτή Ο μηχανισμός μεταφοράς ενέργειας με τη μέθοδο flying capacitor, συνιστά μία από τις δημοφιλέστερες μεθόδους μεταφοράς φόρτισης. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται ένας πυκνωτής, αυτός αφαιρεί ενέργεια από ένα επιλεγμένο κελί, αποθηκεύει αυτή την ενέργεια και στη συνέχεια τη μεταφέρει σε ένα άλλο κελί. Η διάταξη αυτή παρουσιάζεται στο σχήμα 3.3. Έστω για παράδειγμα ότι θέλουμε να μεταφέρουμε ενέργεια από το κελί Β1 προς το κελί Β2. Για να γίνει αυτό, το κύκλωμα ελέγχου κλείνει τους κατάλληλους διακόπτες έτσι ώστε να φορτίσει τον πυκνωτή (C) μέσω του κελιού Β1. Όταν ο πυκνωτής φορτιστεί, οι διακόπτες ανοίγουν. Στη συνέχεια, οι διακόπτες κλείνουν κατά τέτοιο τρόπο ώστε να συνδέσουν τον πυκνωτή C στα άκρα του κελιού Β2. Με αυτόν τον τρόπο, ο πυκνωτής μεταφέρει ενέργεια στο κελί Β2, ανάλογη της διαφοράς τάσης που υφίσταται μεταξύ των κελιών Β1 και Β2. Η ενέργεια που μεταφέρεται, μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση 3.1 που ακολουθεί: 66

81 Κεφάλαιο 3 ο Ch arg e C VB 1 C VB2 (3.1) 2 2 Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία, ο πυκνωτής συνδέεται με τα κελιά Β3, Β4,,Βn. Τα κελιά με την υψηλότερη φόρτιση θα φορτίσουν τον πυκνωτή C, ενώ τα κελιά με την χαμηλότερη φόρτιση θα φορτιστούν από αυτόν. Έτσι, μεταφέρεται ενέργεια από τα υψηλής φόρτισης κελία προς τα κελιά χαμηλής φόρτισης. Ο μοναδικός ηλεκτρονικός έλεγχος που απαιτείται για την λειτουργία της διάταξης, είναι η ανάπτυξη του αλγορίθμου που θα ανοίγει και θα κλείνει τους κατάλληλους, κάθε φορά, διακόπτες. C Sw 1 Sw 2 Sw 3 Sw 4 Sw n Vcell 1 Vcell 2 Vcell 3 Vcell n Σχήμα 3. 3: Διάταξη flying capacitor με χρήση ενός πυκνωτή για ολόκληρη τη συστοιχία. Η παραπάνω μέθοδος, μπορεί να γίνει πιο αποτελεσματική με την κατάλληλη επιλογή των κελιών, που πρέπει να γίνει η ανταλλαγή ενέργειας, μέσω του αλγορίθμου. Στη περίπτωση αυτή ο πυκνωτής φορτίζεται από τα υψηλότερης φόρτισης κελιά και εκφορτίζεται επιλεκτικά στα χαμηλότερης φόρτισης. Η μέθοδος αυτή, μπορεί να μειώσει δραματικά το χρόνο φόρτισης και ισοστάθμισης της συστοιχίας των κελιών, ειδικά στη περίπτωση που το υψηλότερης και το χαμηλότερης φόρτισης κελί βρίσκονται στις δύο άκρες της συστοιχίας. Ωστόσο, απαιτείται επιπλέον έλεγχος για να επιλεχθούν τα κατάλληλα κελιά [37]. Το κύριο μειονέκτημα της συγκεκριμένης μεθόδου ισοστάθμισης είναι ο μεγάλος αριθμός διακοπτικών στοιχείων (n+5), τα οποία θα πρέπει να αντέχουν το μέγιστο ρεύμα φόρτισης 67

82 Κεφάλαιο 3 ο του πυκνωτή C. Για ένα ιδανικό σύστημα (με μηδενική εσωτερική αντίσταση πυκνωτή και μηδαμινές απώλειες), με μεγάλες ανομοιομορφίες στις τάσεις των κελιών (έστω Β1 = 3.0V και B2 = 4.0V), η μέθοδος του flying capacitor θα μπορούσε να ισοσταθμίσει αυτά τα κελιά με ένα ρυθμό 1Αh ανά ώρα ανά 1000μF χωρητικότητας (με διακοπτική συχνότητα 1kHz και με μέση τιμή ρεύματος 1A). Σκεπτόμενοι την εσωτερική αντίσταση του πυκνωτή και τις διακοπτικές απώλειες, η σταθερά χρόνου φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή αυξάνεται δραματικά. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του συνολικού χρόνου ισοστάθμισης. Ακόμη, όσο μεγαλύτερης χωρητικότητας είναι ο πυκνωτής που χρησιμοποιείται, τόσος περισσότερος χρόνος απαιτείται για να μεταφερθεί η ζητούμενη φόρτιση. Μία μεγάλη συστοιχία κελιών θα χρειαζόταν μια συσκευή ισοστάθμισης με ένα πολύ μεγάλο πυκνωτή και μεγάλα διακοπτικά ρεύματα. Μία σημαντική ποσότητα ενέργειας δαπανάται σε απώλειες θερμότητας στα διακοπτικά στοιχεία και στο πυκνωτή (λόγω της εσωτερικής του αντίστασης), με αποτέλεσμα ένα ποσοστό της ισοστάθμισης να επιτυγχάνεται λόγω αυτών των απωλειών και όχι της μεταφοράς φόρτισης Μεταφορά ενέργειας με την μέθοδο flying capacitor και με χρήση n πυκνωτών Μία παρόμοια μέθοδος ισοστάθμισης, χρησιμοποιεί έναν πυκνωτή για κάθε ζευγάρι κελιών της συστοιχίας. Ο πυκνωτής αυτός, συνδέεται στο κελί υψηλότερης φόρτισης αφαιρώντας ενέργεια από αυτό, την οποία αποθηκεύει. Στη συνέχεια, αποσυνδέεται και συνδέεται με το κελί χαμηλότερης φόρτισης, στο οποίο διοχετεύει την ενέργεια αυτή. Ο κάθε πυκνωτής, απαιτεί έναν απλό έλεγχο των διακοπτικών του στοιχείων. Στο σχήμα 3.4 παρουσιάζεται η υλοποίηση της παραπάνω μεθόδου ισοστάθμισης σε δύο κελία. C Sw 1 Sw 2 Vcell 1 Vcell 2 Σχήμα 3. 4: Διάταξη flying capacitor με χρήση ενός πυκνωτή για κάθε ζευγάρι κελιών. 68

83 Κεφάλαιο 3 ο Με τη χρήση πολλαπλών όμοιων μονάδων, η παραπάνω διάταξη μπορεί να επεκταθεί, με αποτέλεσμα την ισοστάθμιση μιας συστοιχίας κελιών υψηλής τάσης (Σχήμα 3.5). Επειδή τα κελιά B3, B4,,Bn-1 μοιράζονται τους πυκνωτές μεταφοράς ενέργειας με τα δύο γειτονικά τους κελιά, η ενέργεια αυτή μπορεί να μεταφερθεί από το ένα άκρο της συστοιχίας στο άλλο. Όμως, για να γίνει αυτό απαιτείται πολύς χρόνος καθώς η ενέργεια θα έπρεπε να περάσει από κάθε κελί μέχρι να καταλήξει στο αντίθετο άκρο της συστοιχίας. Για τον ίδιο λόγο, η απόδοση μιας τέτοιας περίπτωσης μεταφοράς θα ήταν πάρα πολύ μικρή. C 1 C 3 Sw 1 Sw 2 Sw 5 Sw 6 Vcell 1 Vcell 2 Vcell 3 Vcell 4 Sw 3 Sw 4 Sw 7 Sw 8 C 2 C 4 Σχήμα 3. 5: Διάταξη flying capacitor με χρήση n πυκνωτών. Παρόλα αυτά, η παραπάνω τοπολογία παρουσιάζει ένα βασικό πλεονέκτημα. Για κάθε δύο κελιά, το κύκλωμα ελέγχου, η τροφοδοσία και ο πυκνωτής μπορούν να ομαδοποιηθούν σε μία ενιαία μονάδα η οποία τροφοδοτείται από τα κελιά τα οποία ισοσταθμίζει. Έτσι κατά την προσθήκη νέων κελιών στη συστοιχία, το μόνο που θα έπρεπε να γίνει είναι η προσθήκη μιας τέτοιας μονάδας. Μία τέτοια τεχνική, έχει περιορισμένη χρησιμότητα σε εφαρμογές υβριδικών οχημάτων. Όπως μελετήθηκε στο 1 ο Κεφάλαιο, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μας δίνουν σχεδόν επίπεδες χαρακτηριστικές τάσης ανοικτού κυκλώματος, σε μέσο επίπεδο φόρτισης (μεταξύ 40% - 80%). Δύο κελιά με υψηλή διαφορά επιπέδου φόρτισης (State Of Charge SOC), δεν έχουν 69

84 Κεφάλαιο 3 ο σημαντική διαφορά τάσης, εκτός από την περίπτωση που το υψηλής φόρτισης κελί βρίσκεται πάνω από το 90% του SOC ή το χαμηλής φόρτισης κελί, κάτω από το 20% του SOC. Ωστόσο, οι μπαταρίες των υβριδικών οχημάτων λειτουργούν συνήθως σε ένα μέσο επίπεδο φόρτισης με αποτέλεσμα η χρήση της παραπάνω μεθόδου να περιορίζεται σημαντικά σε τέτοιες εφαρμογές. Από την άλλη πλευρά, οι μπαταρίες των ηλεκτρικών οχημάτων συνήθως φορτίζονται πλήρως. Έτσι, η διαφορά τάσης μεταξύ ενός πλήρως φορτισμένου κελιού και ενός λιγότερο φορτισμένου είναι μεγαλύτερη, αφού βρισκόμαστε πλέον στα άκρα της καμπύλης τάσης. Το γεγονός αυτό, αυξάνει την αποτελεσματικότητα της μεθόδου. Παρόλα αυτά χάνεται πολύτιμος χρόνος, καθώς η ισοστάθμιση αρχίζει ουσιαστικά να συμβαίνει κατά το τελικό στάδιο της φόρτισης των κελιών [38] Μεταφορά ενέργειας με χρήση μιας επαγωγής Εκτός από τη χρήση πυκνωτών, η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί από κελί σε κελί με τη βοήθεια επαγωγών. Ένα τέτοιο είδος τοπολογίας, το οποίο χρησιμοποιεί μία μόνο επαγωγή, φαίνεται στο σχήμα 3.6. Η λειτουργία του είναι αρκετά απλή παρά το μεγάλο αριθμό διακοπτικών στοιχείων που χρησιμοποιεί. Συγκεκριμένα, για την υλοποίηση του κυκλώματος ισοστάθμισης n κελιών απαιτούνται: (2n 2) ημιαγωγικοί διακόπτες ισχύος (2n 2) δίοδοι ισχύος ένα πηνίο ισχύος Το σύστημα ελέγχου, καταγράφει τις τάσεις όλων των κελιών και επιλέγει τα δύο κελιά μεταξύ των οποίων θα λάβει χώρα η μεταφορά ισχύος. Έτσι, κλείνουν οι κατάλληλοι διακόπτες ισχύος και το πηνίο φορτίζεται από το κελί με την υψηλότερη στάθμη φόρτισης. Η ενέργεια που απορροφάει, εξαρτάται άμεσα από το τετράγωνο του ρεύματος που το διαρρέει και δίνεται από την παρακάτω εξίσωση. 1 Ch arg e L I 2 2 (3.2) 70

85 Κεφάλαιο 3 ο Μόλις το πηνίο φτάσει το σημείο φόρτισης που επιθυμούμε, δίνεται σήμα στους κατάλληλους διακόπτες και το πηνίο συνδέεται στα άκρα του κελιού με τη χαμηλότερη στάθμη φόρτισης. Με αυτό τον τρόπο, η ενέργεια που έχει αποθηκεύσει μεταφέρεται στο κελί φορτίζοντας το. Κύριο μειονέκτημα της παραπάνω μεθόδου ισοστάθμισης, αποτελεί ο μεγάλος αριθμός ημιαγωγικών στοιχείων που απαιτείται. Ακόμη, όλα τα στοιχεία πρέπει να αντέχουν το μέγιστο ρεύμα φόρτισης των κελιών κατά την ισοστάθμιση. Σε εφαρμογές ηλεκτροκίνητων οχημάτων, το ρεύμα αυτό είναι συνήθως μεγάλο με αποτέλεσμα η διάταξη αυτή να γίνεται απαγορευτική. Τέλος, η υψηλή πολυπλοκότητα του κυκλώματος οδήγησης παλμών έρχεται να συμπληρώσει τα σημαντικά μειονεκτήματα της μεθόδου [39]. Vcelln Vcelln-1 Vcell3 Vcell2 Vcell1 L Σχήμα 3. 6: Διάταξη ισοστάθμισης με τη χρήση ενός πηνίου για ολόκληρη τη συστοιχία. 71

86 Κεφάλαιο 3 ο Μεταφορά ενέργειας με τη χρήση n-1 επαγωγών Η μέθοδος ισοστάθμισης με χρήση περισσότερων της μίας επαγωγής, αποτελεί μία από τις σημαντικότερες μεθόδους εξισορρόπησης μιας συστοιχίας κελιών. Για να γίνει ευκολότερα κατανοητή η λειτουργία της διάταξης, θα αναλυθεί, σε αρχικό στάδιο, η ισοστάθμιση μεταξύ δύο κελιών και στη συνέχεια η ανάλυση θα επεκταθεί σε περισσότερα κελιά. Ένα mosfet, μία δίοδος και μία επαγωγή ισχύος συγκροτούν ένα μετατροπέα buck-boost, ο οποίος μεταφέρει ενέργεια μεταξύ ενός ζεύγους κελιών, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.7. Η μεταφορά της ενέργειας είναι αμφίδρομη, μπορεί δηλαδή να γίνει και προς τις δύο κατευθύνσεις. Εάν για παράδειγμα, ο αλγόριθμος εξισορρόπησης των κελιών δείξει ότι το επάνω κελί Ν χρειάζεται να μεταφέρει ενέργεια στο κάτω, το mosfet SN παλμοδοτείται. Έτσι, όταν το σήμα SN γίνεται θετικό, η τάση του επάνω κελιού (VCELLN) πέφτει στην επαγωγή, με αποτέλεσμα το ρεύμα της να αυξάνεται γραμμικά στο χρόνο. Η ενέργεια που αποθηκεύεται στην επαγωγή, είναι ανάλογη της συχνότητας παλμοδότησης του mosfet SN [40]. VcellN C N L D N S N VcellN-1 C N-1 D N-1 S N-1 Σχήμα 3. 7: Διάταξη ισοστάθμισης με τη χρήση περισσότερων της μιας επαγωγής για δύο κελιά. 72

87 Κεφάλαιο 3 ο Όταν το σήμα SN μηδενισθεί, το mosfet SN σταματάει να άγει και η ενέργεια που έχει αποθηκεύσει η επαγωγή παίρνει τη μέγιστη τιμή της. Επειδή το ρεύμα της επαγωγής δεν μπορεί να σταματήσει να ρέει απότομα, δημιουργείται τάση εξ επαγωγής στο πηνίο πολώνοντας ορθά την δίοδο DN-1. Η τάση που πέφτει στο πηνίο σε αυτή τη χρονική στιγμή είναι ίση με την τάση του κελιού Ν-1 (VCELLN-1), πράγμα το οποίο οδηγεί σε σταδιακή μείωση του ρεύματος πηνίου και φόρτιση του κάτω κελιού. Όταν το ρεύμα της επαγωγής μηδενισθεί, όλη η ενέργεια που είχε αποθηκευτεί σε αυτή έχει μεταφερθεί πλήρως στο κάτω κελί και η δίοδος πολώνεται και πάλι ανάστροφα. Από την άλλη πλευρά, εάν το κελί Ν-1 βρίσκεται σε υψηλότερη στάθμη φόρτισης από το Ν, παλμοδοτείται το mosfet SN-1 και ενέργεια αποθηκεύεται στην επαγωγή L. Όταν ο ημιαγωγικός διακόπτης SN-1 σβήσει, τότε η ενέργεια που αποθηκεύτηκε στην επαγωγή στο προηγούμενο χρονικό διάστημα, μεταφέρεται στο επάνω κελί μέσω της διόδου DN. Κατά τη διαδικασία αυτή, έχουμε ελάχιστες απώλειες ισχύος, οι οποίες οφείλονται στην εν σειρά αντίσταση του πηνίου, στην αντίσταση αγωγής των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και στις διακοπτικές τους απώλειες. Με αυτή την τεχνική, μπορεί να επιτευχθεί συνολική απόδοση έως 90% για την ισοστάθμιση των κελιών. Το ρεύμα ισοστάθμισης, καθορίζεται από τον χρόνο αγωγής του mosfet και μπορεί να είναι αρκετά μεγαλύτερο από το αντίστοιχο ρεύμα στην παθητική ισοστάθμιση. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι η εξισορρόπηση των κελιών μπορεί να γίνει οποιαδήποτε στιγμή και είναι ανεξάρτητη από την εκάστοτε τάση των κελιών. Έτσι, η παραπάνω τοπολογία θεωρείται ιδανική σε εφαρμογές ηλεκτρικών και υβριδικών οχημάτων. Στο σχήμα 3.8 παρουσιάζεται η τοπολογία ενεργητικής ισοστάθμισης κελιών με χρήση της παραπάνω μεθόδου για μια συστοιχία Ν κελιών. Από αυτό το σχήμα, μπορεί να γίνει εύκολα κατανοητό ότι ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί μόνο προς τα γειτονικά κελιά. Έτσι, εάν για παράδειγμα χρειαστεί να μεταφερθεί ενέργεια από το πρώτο προς το τελευταίο κελί στη συστοιχία, αυτή θα πρέπει να πρώτα να διασχίσει όλα τα κελιά στο σωρό [40]. 73

88 Κεφάλαιο 3 ο VcellN C N L N D N S N VcellN-1 C N-1 D N-1 L N-1 S N-1 VcellN-2 C N-2 L N-2 D N-2 S N-2 VcellN-3 C N-3 D N-3 L N-3 S N-3 Σχήμα 3. 8: Διάταξη ισοστάθμισης με τη χρήση περισσότερων της μιας επαγωγής για Ν κελιά Μεταφορά ενέργειας με τη χρήση n-1 επαγωγών και μετατροπέα flyback Μία βελτιωμένη εκδοχή της παραπάνω μεθόδου ισοστάθμισης χρησιμοποιεί ένα επιπλέον κύκλωμα ισχύος. Αυτό αποτελείται από έναν μετατροπέα τύπου flyback, ο οποίος προσφέρει απομόνωση εισόδου-εξόδου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά ενέργειας από το πρώτο στο τελευταίο κελί της συστοιχίας. Η διάταξη αυτή παρουσιάζεται στο σχήμα 3.9 που ακολουθεί. 74

89 Κεφάλαιο 3 ο VcellN C N L N D N S N VcellN-1 C N-1 D N-1 L N-1 S N-1 D L 1 Vcell1 C 1 D 1 S 1 T S Σχήμα 3. 9: Μεταφορά ενέργειας με μετατροπέα flyback. Όταν το τρανζίστορ S άγει, η τάση του πρώτου κελιού πέφτει πάνω στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή, το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα τη γραμμική αύξηση του ρεύματος σε αυτό. Σε αυτή τη φάση, η ενέργεια αποθηκεύεται στον πυρήνα του μετασχηματιστή και το δευτερεύον τύλιγμα δε διαρρέεται από ρεύμα, αφού η δίοδος D το μπλοκάρει. Από την άλλη, όταν το τρανζίστορ βρίσκεται στην αποκοπή, το πρωτεύον ρεύμα διακόπτεται και οι τάσεις στο μετασχηματιστή αντιστρέφονται, λόγω του νόμου του Faraday. Η δίοδος άγει και ενέργεια μεταφέρεται από το μετασχηματιστή μέσω της διόδου στο τελευταίο στη συστοιχία κελί. Με αυτό τον τρόπο, η ενέργεια που μπορεί να συσσωρευτεί στο πρώτο κελί της συστοιχίας διαθέτει εύκολο δρόμο μεταφοράς προς το τελευταίο κελί, χωρίς να είναι ανάγκη πλέον να περάσει από όλα τα προηγούμενα. Ο μόνος περιορισμός μιας τέτοιας μεθόδου ενεργητικής ισοστάθμισης, είναι ότι η ενέργεια μπορεί να ανταλλάσσεται μόνο μεταξύ γειτονικών κελιών και όχι ανάμεσα σε οποιαδήποτε κελιά. Επίσης, σε μεγάλες συστοιχίες, η ενέργεια που μεταφέρεται μεταξύ δύο απομακρυσμένων κελιών είναι πολύ μικρή, εξαιτίας της απόδοσης 75

90 Κεφάλαιο 3 ο των μετατροπέων σε κάθε στάδιο μεταφοράς. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η μέθοδος ενεργητικής ισοστάθμισης καθίσταται απαγορευτική, αφού έχει περισσότερες απώλειες από τις αντίστοιχες παθητικές μεθόδους. Για τον παραπάνω λόγο, προτιμάται ο διαχωρισμός των κελιών μίας συστοιχίας σε ομάδες. [40] Ισοστάθμιση με χρήση μετατροπέα flyback μονόδρομης μεταφοράς ενέργειας Ένας ακόμη τρόπος ισοστάθμισης των κελιών μιας συστοιχίας, μπορεί να προκύψει από τη χρήση της λογικής του μετατροπέα flyback. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3.10, η διάταξη αποτελείται από έναν μετασχηματιστή, ο οποίος διαθέτει έναν μαγνητικό πυρήνα και πολλά δευτερεύοντα πηνία, και από ένα ελεγχόμενο διακοπτικό στοιχείο ισχύος. Επίσης, απαιτείται μία δίοδος ισχύος σε κάθε δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή. Dn Vcell n N SN D n-1 Vcell n-1 N SN-1 N P D 2 Vcell 2 N S2 D 1 Vcell 1 N S1 S P Σχήμα 3. 10: Διάταξη μετατροπέα flyback μονόδρομης μεταφοράς ενέργειας. 76

91 Κεφάλαιο 3 ο Παλμοδοτώντας το τρανζίστορ Sp, λαμβάνει χώρα η ισοστάθμιση των κελιών ολόκληρης της συστοιχίας. Συγκεκριμένα, κατά τη θετική ημιπερίοδο του παλμού, το τρανζίστορ άγει και η τάση ολόκληρης της συστοιχίας πέφτει πάνω στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή (Νp). Έτσι, το ρεύμα σε αυτό αυξάνεται γραμμικά και ενέργεια αποθηκεύεται στο μαγνητικό πυρήνα, μέχρι ο διακόπτης Sp να ανοίξει. Όταν συμβεί αυτό, η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο πυρήνα διοχετεύεται στα κελιά μέσω των διόδων και των δευτερευόντων τυλιγμάτων του μετασχηματιστή. Επομένως, περνάει ρεύμα από το σύνολο των δευτερευόντων τυλιγμάτων, φορτίζοντας με αυτό τον τρόπο όλα τα κελιά ταυτόχρονα. Ωστόσο, το δευτερεύον με την υψηλότερη επαγωγική αντίδραση (λόγω της χαμηλής τερματικής αντίστασης του κελιού), θα έχει το υψηλότερο επαγόμενο ρεύμα. Συνεπώς, κάθε κελί φορτίζεται με ρεύμα αντιστρόφως ανάλογο του επιπέδου φόρτισής του. Τέλος, η διάταξη του σχήματος 3.10 διαθέτει μόνο ένα ελεγχόμενο ημιαγωγικό στοιχείο, στο πρωτεύον του μετασχηματιστή. Επίσης, κατά τη λειτουργία της διάταξης δεν απαιτείται έλεγχος κλειστού βρόχου. Ένα ακόμη πλεονέκτημα της παραπάνω τοπολογίας είναι ότι μπορεί να ισοσταθμίσει αρκετά γρήγορα μια συστοιχία κελιών με ελάχιστες απώλειες ισχύος. Αντίθετα, στα μειονεκτήματα της μεθόδου μπορούν να συμπεριληφθούν τα πολύπλοκα μαγνητικά μέρη της διάταξης και η ανάγκη για την εξ αρχής γνώση του αριθμού των κελιών, καθώς η προσθήκη επιπλέον δευτερευόντων τυλιγμάτων είναι δύσκολη [37] Ισοστάθμιση με χρήση μετατροπέα flyback αμφίδρομης μεταφοράς ενέργειας Το κύριο μειονέκτημα όλων των μεθόδων ενεργητικής ισοστάθμισης, είναι η αδυναμία μεταφοράς ενέργειας σε μη γειτονικά κελιά. Ο μετατροπέας flyback αμφίδρομης μεταφοράς ενέργειας, που φαίνεται στο σχήμα 3.11, εξαλείφει το παραπάνω μειονέκτημα, με αποτέλεσμα να μοιάζει ιδανικός για την εξισορρόπηση των κελιών. Έστω για παράδειγμα ότι το δεύτερο κελί έχει τη χαμηλότερη στάθμη φόρτισης στη συστοιχία και χρειάζεται να φορτιστεί. Τότε, σε πρώτο χρόνο το τρανζίστορ Sp ξεκινάει να άγει και η συνολική τάση της συστοιχίας πέφτει πάνω στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή. Έτσι, ενέργεια αποθηκεύεται στο μαγνητικό του πεδίο μέχρι να ανοίξει ο διακόπτης Sp. Όταν συμβεί αυτό, το τρανζίστορ που βρίσκεται στο δεύτερο κελί, που είναι και το πιο αδύναμο, ξεκινάει να άγει. Στη φάση αυτή, η ενέργεια που είχε αποθηκευτεί στο μαγνητικό πυρήνα, αποδίδεται τώρα στο δεύτερο κελί της συστοιχίας. Αυτό μπορεί να αυξήσει δραματικά το χρόνο που θα μπορεί η συστοιχία να τροφοδοτεί το φορτίο, αφού το 77

92 Κεφάλαιο 3 ο κελί με τη χαμηλότερη στάθμη φόρτισης θα φορτίζεται συνεχώς. Κατά τον ίδιο τρόπο, μπορεί να μεταφερθεί ενέργεια από τη συστοιχία προς οποιοδήποτε κελί. Vcell n N SN S N Vcell n-1 N SN-1 S N-1 N P Vcell 2 N S2 S 2 Vcell 1 S 1 N S1 S P Σχήμα 3. 11: Διάταξη μετατροπέα flyback αμφίδρομης μεταφοράς ενέργειας. Από την άλλη πλευρά, όταν ένα κελί φτάσει το μέγιστο της φόρτισης του είναι αναγκαίο να εκφορτιστεί ώστε να μην σταματήσει η διαδικασία της φόρτισης για τα υπόλοιπα κελιά. Η τοπολογία του σχήματος 3.11 προσφέρει αυτή τη δυνατότητα, καθώς οποιοδήποτε κελί 78

93 Κεφάλαιο 3 ο μπορεί να μεταφέρει ενέργεια στη συστοιχία. Έστω για παράδειγμα ότι το κελί Ν-1 είναι αυτό με την υψηλότερη στάθμη φόρτισης και πρέπει να εκφορτιστεί. Τότε, το τρανζίστορ SN-1 ξεκινάει να άγει. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, πάνω στο τύλιγμα, που συνδέεται με το κελί Ν-1, να πέφτει η τάση του τελευταίου και ενέργεια να αποθηκεύεται στον πυρήνα του μετασχηματιστή. Όταν το τρανζίστορ SN-1 σταματήσει να άγει, δίνεται σήμα στο τρανζίστορ Sp, που είναι συνδεδεμένο με το πρωτεύον τύλιγμα, ώστε να ξεκινήσει να άγει. Έτσι, η ενέργεια που έχει αποθηκευτεί στον μαγνητικό πυρήνα του μετασχηματιστή, μεταφέρεται πίσω στη συστοιχία μέσω του πρωτεύοντος τυλίγματος. Η ίδια διαδικασία ακολουθείται όταν θέλουμε να μεταφέρουμε ενέργεια από οποιοδήποτε κελί προς ολόκληρη τη συστοιχία. Η παραπάνω διαδικασία ισοστάθμισης είναι η πιο ευέλικτη από αυτές που έχουμε εξετάσει μέχρι στιγμής. Επίσης, η διαδικασία ελέγχου των ημιαγωγικών στοιχείων είναι αρκετά απλή. Ωστόσο, για την υλοποίηση της διάταξης απαιτούνται (n+1) διακοπτικά στοιχεία, αριθμός ο οποίος είναι αρκετά υψηλός. Ακόμη, σε αυτή όπως και στην προηγούμενη τοπολογία, είναι αρκετά δύσκολο να βρεθεί στην αγορά μετασχηματιστής ο οποίος να έχει τα χαρακτηριστικά που απαιτούνται κι έτσι είναι αναγκαία η κατασκευή του. Αυτό, αποτελεί και το βασικό μειονέκτημα αυτής της τοπολογίας [40] Ισοστάθμιση κελιών με χρήση της μεθόδου πολλών μετασχηματιστών Σε αντίθεση με τη διάταξη της προηγούμενης μεθόδου, η οποία χρησιμοποιεί έναν μετασχηματιστή με πολλά δευτερεύοντα τυλίγματα, η διάταξη του σχήματος 3.12 χρησιμοποιεί πολλούς, ξεχωριστούς μετασχηματιστές. Συγκεκριμένα, στη μέθοδο αυτή απαιτείται η χρήση ενός μετασχηματιστή για κάθε κελί. Τα πρωτεύοντα όλων των μετασχηματιστών είναι συνδεδεμένα παράλληλα. Επομένως, η λειτουργία της διάταξης είναι η ίδια ακριβώς με αυτή του σχήματος Το βασικό πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου, είναι ότι κάθε κελί έχει τον δικό του μαγνητικό πυρήνα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η πρόσθεση επιπλέον κελιών στη συστοιχία να γίνεται πολύ εύκολα και χωρίς να απαιτούνται μεγάλες αλλαγές στο κύκλωμα. Όμως, το βασικό μειονέκτημα της χρήσης μετασχηματιστών παραμένει, με αποτέλεσμα να απαιτείται και πάλι η κατασκευή τους. Τέλος, η χρήση πολλών μετασχηματιστών οδηγεί στην αύξηση του συνολικού βάρους της τελικής κατασκευής [39]. 79

94 Κεφάλαιο 3 ο D n Vcell n T N D 3 Vcell 3 D 2 T 3 Vcell 2 D 1 T 2 Vcell 1 T 1 Σχήμα 3. 12: : Διάταξη μετατροπέα flyback μονόδρομης μεταφοράς ενέργειας με χρήση πολλών μετασχηματιστών Επιλογή κατάλληλης διάταξης ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Στον πίνακα 3.1 που ακολουθεί, παρουσιάζονται συνοπτικά οι διατάξεις που προαναφέρθηκαν με τα κυριότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους. Με γνώμονα την όσο το δυνατόν αποδοτικότερη μεταφορά ενέργειας και την απλοϊκότητα της κατασκευής, επιλέχθηκε να προσομοιωθεί η τοπολογία του σχήματος 3.9. Έτσι, κάθε κελί μπορεί να εκφορτιστεί, μεταφέροντας ενέργεια προς το αμέσως χαμηλότερο του. Τα δύο κελιά, όπου συμβαίνει η ανταλλαγή ενέργειας, είναι αναγκαστικά γειτονικά. Επίσης, ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί από το χαμηλότερο στη συστοιχία κελί προς αυτό που βρίσκεται υψηλότερα από 80

95 Κεφάλαιο 3 ο όλα. Για να επιτευχθεί αυτό, χρησιμοποιήθηκε ένας μετατροπέας τύπου flyback ο οποίος προσφέρει απομόνωση εισόδου εξόδου. Πίνακας 3. 1: Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα διατάξεων ισοστάθμισης. Μέθοδος Ισοστάθμισης Κύκλωμα τοπολογίας (Διακοπτικά Στοιχεία) Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Vcelln Rn Συνεχής κατανάλωση ισχύος Μόνιμες αντιστάσεις απαγωγής ενέργειας Vcelln-1 Vcell1 Rn-1 R1 Χαμηλό κόστος Μικρή πολυπλοκότητα Ανάγκη διαχείρισης θερμότητας σε υψηλά ρεύματα ισοστάθμισης Gnd Διακοπτικά ελεγχόμενες αντιστάσεις απαγωγής ενέργειας Vcelln Rn Swn-1 Vcelln-1 Rn-1 Sw1 Vcell1 R1 Gnd Απαιτούνται (n) διακοπτικά στοιχεία Χαμηλό κόστος Μικρή πολυπλοκότητα Υψηλές απώλειες ενέργειας Ασύμφορη η ισοστάθμιση κατά την εκφόρτιση Ανάγκη διαχείρισης θερμότητας (αύξηση μεγέθους και κόστους) C Flying Capacitor με τη χρήση ενός πυκνωτή Sw1 Sw2 Sw3 Sw4 Swn Vcell1 Vcell2 Vcell3 Vcelln Απαιτούνται (n+5) διακοπτικά στοιχεία Πολύπλοκος αλγόριθμος για τον έλεγχο των διακοπτικών στοιχείων Υψηλές απώλειες ενέργειας λόγω ESR και διακοπτικών απωλειών (απόδοση ~50%) 81

96 Κεφάλαιο 3 ο Flying Capacitor με τη χρήση n πυκνωτών Sw1 Vcell1 C1 Sw2 Vcell2 Sw3 C2 Sw5 Vcell3 Vcell4 Sw6 Sw4 Sw7 Sw8 Απαιτούνται 4(n-1) διακοπτικά στοιχεία C3 C4 Δυνατότητα ομαδοποίησης στοιχείων αφού κάθε δυο κελιά έχουμε ένα όμοιο block Λειτουργεί ικανοποιητικά στα άκρα της καμπύλης φόρτισης όπου η διαφορά τάσης είναι υψηλότερη Προτιμάται για EV Υψηλές απώλειες λόγω ESR, διακοπτικών απωλειών και συνεχούς μεταφοράς ενέργειας (απόδοση ~50%) Μεγάλος χρόνος ισοστάθμισης Δεν προτιμάται για HEV (μικρές διαφορές τάσης στο μέσο της καμπύλης φόρτισης) Ισοστάθμιση με τη χρήση μίας επαγωγής Vcelln Vcelln-1 Vcell3 Vcell2 Vcell1 L Ταχύτερη από τις προηγούμενες μεθόδους ισοστάθμισης Δυνατότητα για υψηλό ρεύμα ισοστάθμισης επιλέγοντας τα κατάλληλα στοιχεία Μεγάλος αριθμός στοιχείων, τα οποία πρέπει να αντέχουν το μέγιστο ρεύμα ισοστάθμισης Απαιτούνται 2(n-2) διακοπτικά στοιχεία Ισοστάθμιση με τη χρήση πολλών επαγωγών VcellN VcellN-1 VcellN-2 VcellN-3 CN CN-1 CN-2 CN-3 LN LN-1 LN-2 LN-3 DN DN-1 DN-2 DN-3 Απαιτούνται (n) διακοπτικά στοιχεία SN SN-1 SN-2 SN-3 Υψηλός βαθμός απόδοσης μεταφοράς ενέργειας (~90%) Δυνατότητα για μεγάλο ρεύμα ισοστάθμισης (επιλέγοντας τα κατάλληλα στοιχεία) Η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί μόνο σε γειτονικά κελιά Ασύμφορη η μεταφορά ενέργειας ανάμεσα στα ακριανά κελιά της συστοιχίας λόγω συνεχών μεταφορών της 82

97 Vcelln Vcelln-1 Vcell2 Vcell1 SN SN-1 S2 S1 NSN NSN-1 NS2 NS1 NP SP Κεφάλαιο 3 ο Ισοστάθμιση με τη χρήση πολλών επαγωγών και μετατροπέα flyback D T S VcellN VcellN-1 Vcell1 CN CN-1 LN LN-1 L1 DN DN-1 SN SN-1 C1 D1 S1 Απαιτούνται (n+1) διακοπτικά στοιχεία Υψηλός βαθμός απόδοσης (~90%) Δυνατότητα για μεγάλο ρεύμα ισοστάθμισης Μεταφορά ενέργειας μεταξύ των ακριανών κελιών (flyback) Μεγάλος αριθμός ημιαγωγικών στοιχείων. Απαιτούνται (n+1) δίοδοι ισχύος και (n+1) ημιαγωγικοί διακόπτες ισχύος Dn Ισοστάθμιση με τη χρήση flyback μονόδρομης μεταφοράς ενέργειας Vcelln Vcelln-1 Vcell2 Vcell1 Dn-1 D2 D1 Απαιτείται 1 διακοπτικό στοιχείο NSN NSN-1 NS2 NS1 NP SP Υψηλός βαθμός απόδοσης (~90%) Μόνο ένα διακοπτικό στοιχείο Χωρίς έλεγχο κλειστού βρόχου Γρήγορη ισοστάθμιση κελιών Πολύπλοκα μαγνητικά μέρη Ανάγκη για κατασκευή μετασχηματιστή Δεν υφίσταται διαδικασία εκφόρτισης κελιών Δυσκολία προσθήκης επιπλέον κελιών Ισοστάθμιση με τη χρήση flyback αμφίδρομης μεταφοράς ενέργειας Απαιτούνται (n+1) διακοπτικά στοιχεία Υψηλός βαθμός απόδοσης (~90%) Μεγάλη ελευθερία στην επιλογή των κελιών που φορτιστούν ή εκφορτιστούν Πολύπλοκα μαγνητικά μέρη Ανάγκη για κατασκευή μετασχηματιστή Δυσκολία προσθήκης επιπλέον κελιών Vcelln Dn TN Υψηλός βαθμός απόδοσης (~90%) Vcell3 D3 D2 T3 Μόνο ένα διακοπτικό στοιχείο Μεγάλος αριθμός μετασχηματιστών Ισοστάθμιση με τη χρήση πολλαπλών μετασχηματιστών Vcell2 Vcell1 D1 T2 T1 Χωρίς έλεγχο κλειστού βρόχου Γρήγορη ισοστάθμιση κελιών Υψηλή πολυπλοκότητα - Ανάγκη για κατασκευή των μετασχηματιστών Απαιτείται 1 διακοπτικό στοιχείο Ευκολία προσθήκης επιπλέον κελιών 83

98 Κεφάλαιο 3 ο 3.3 Προσομοίωση επιλεγμένης διάταξης μέσω του λογισμικού Matlab/Simulink και εξαγωγή συμπερασμάτων Μετά την επιλογή της καταλληλότερης τοπολογίας με τη βοήθεια της οποίας θα λαμβάνει χώρα η ισοστάθμιση των κελιών της συστοιχίας, σειρά έχει η προσομοίωσή της. Με τον τρόπο αυτό, θα είμαστε σε θέση να εξετάσουμε σε βάθος τη λειτουργία της διάταξης και να εντοπίσουμε τυχόν προβλήματα, προτού περάσουμε στη διαδικασία της κατασκευής. Σχήμα 3. 13: Τοπολογία επιλεγμένης διάταξης στο περιβάλλον Simulink του Matlab. 84

99 Κεφάλαιο 3 ο Η προσομοίωση της διάταξης που επιλέχθηκε, λόγω των πλεονεκτημάτων που αναφέρθηκαν στο προηγούμενο υποκεφάλαιο, έγινε στο περιβάλλον Simulink του Matlab. Στο σχήμα 3.13, που προηγήθηκε, παρουσιάζεται η τοπολογία του κυκλώματος, όπως αυτή σχεδιάστηκε. Για την ανάγκη της προσομοίωσης, χρησιμοποιήθηκε το block Battery του Simulink, με τις παραμέτρους που φαίνονται στο πίνακα 3.2. Οι παράμετροι αυτές, αντλήθηκαν από το φυλλάδιο κατασκευαστή των κελιών, στα οποία θα λαμβάνει χώρα η ισοστάθμιση. Πίνακας 3. 2: Τιμές παραμέτρων Battery block. Παράμετροι κελιού Τύπος κελιού Ονομαστική Τάση Χωρητικότητα Εσωτερική Αντίσταση Ονoμαστικό Ρεύμα Εκφόρτισης Τιμές Παραμέτρων Lithium-Ion 3.2 V 90 Ah 5 mω 45 Α Στη συνέχεια έγινε προσομοίωση της διάταξης, δίνοντας παλμό σε ένα τρανζίστορ κάθε φορά. Για κάθε επιμέρους παλμοδότηση, ελέγχθηκε η συμπεριφορά του κυκλώματος με τη βοήθεια των κυματομορφών που προέκυψαν. Στην περίπτωση του μετατροπέα flyback, χρειάστηκε να δοθεί παλμός σε δύο διακοπτικά στοιχεία (M7 και M8) ταυτόχρονα. Η αλλαγή αυτή στο κύκλωμα του μετατροπέα, μας προσφέρει χαμηλές τάσεις αποκοπής στα διακοπτικά στοιχεία ισχύος Μ7 και Μ8. Επίσης, η ενέργεια του πρωτεύοντος πηνίου διοχετεύεται πλέον στο πρώτο κελί της συστοιχίας και δεν καταναλώνεται σε παθητικά στοιχεία, όπως προηγουμένως. Στο σημείο αυτό, αξίζει να σημειωθεί ότι η συμπεριφορά της διάταξης ήταν ακριβώς αυτή που περιμέναμε. Ωστόσο η προσομοίωση έγινε με ιδανικά στοιχεία, πράγμα το οποίο δεν ισχύει στην πραγματικότητα. Για να ελέγξουμε τη λειτουργία της διάταξης σε όσο το δυνατόν πιο πραγματικές συνθήκες, προστέθηκαν πολύ μικρές επαγωγές στις γραμμές ισχύος, κυρίως δε στη γραμμή που συνδέεται με τον αρνητικό πόλο του πρώτου κελιού και στη γραμμή που συνδέεται με το θετικό πόλο του τελευταίου κελιού (στα σημεία δηλαδή που δεν υπάρχει καθόλου επαγωγή). Οι επαγωγές αυτές, προσομοιώνουν την παρασιτική επαγωγή των γραμμών και θεωρήθηκαν της τάξεως μερικών nh. Στη συνέχεια, θα παρουσιαστούν μία 85

100 Κεφάλαιο 3 ο σειρά από κυματομορφές τάσεων και ρευμάτων, όπου γίνεται φανερή η προβληματική λειτουργία της τοπολογίας. Έπειτα, θα γίνει μια προσπάθεια να εξηγηθούν τα προβλήματα αυτά, ώστε να βρεθεί μία λύση η οποία να μην τα υιοθετεί. Στα σχήματα 3.14, 3.15 και 3.16 που ακολουθούν παρατίθενται οι κυματομορφές που προέκυψαν κατά τη μεταφορά ενέργειας από το τρίτο κελί στα δύο γειτονικά του. Σχήμα 3. 14: Ρεύματα πηνίων L1 και L2. 86

101 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 15: Ρεύματα πηνίων L3, L4 και L5. 87

102 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 16: Τάση mosfet Μ3. Από τις παραπάνω κυματομορφές γίνεται κατανοητό ότι η ενέργεια που αφαιρείται από το τρίτο κελί, μοιράζεται σε όλα τα κελιά της συστοιχίας. Το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας αυτής μεταφέρεται στα γειτονικά κελιά, ενώ ένα μικρό ποσοστό καταλήγει στα υπόλοιπα. Με αυτό τον τρόπο, υπάρχει περίπτωση ενέργεια να μεταφερθεί σε κελί που δεν πρέπει και έτσι να είναι αναγκαία η εκφόρτισή του. Επομένως, ανεξάρτητα από τον αλγόριθμο ισοστάθμισης, έχουμε άσκοπη μεταφορά ισχύος και σαν συνέπεια μικρή συνολική απόδοση. Επίσης, με την προσθήκη πολύ μικρών παρασιτικών επαγωγών στο κύκλωμα (όπως εξηγήθηκε προηγουμένως), έχουμε τεράστιες πτώσεις τάσης στα τρανζίστορ και τις διόδους και ιδιαίτερα σε αυτά τα οποία παλμοδοτούνται εκείνη τη χρονική περίοδο. Έτσι, είναι αναγκαίο να επιλεχθούν ημιαγωγικά στοιχεία που να αντέχουν την τάση αυτή (τάση αποκοπής). Τα τρανζίστορ που αντέχουν αυτή την τάση, έχουν σχετικά μεγάλη αντίσταση αγωγής (περίπου 1-2Ω στην καλύτερη περίπτωση). Όμοια χαρακτηριστικά έχουν και οι δίοδοι με τόσο μεγάλη τάση αποκοπής. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η συνολική απόδοση μεταφοράς της ισχύος να είναι πολύ μικρή. Τέλος, η συχνότητα παλμοδότησης των τρανζίστορ που βρίσκονται στα ακρινά κελιά πρέπει να είναι διαφορετική σε σχέση με τα υπόλοιπα, διότι σε διαφορετική 88

103 Κεφάλαιο 3 ο περίπτωση θα εκφορτίζονται με μεγαλύτερο ρεύμα από τα δεύτερα. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην ύπαρξη ή μη δύο όμοιων επαγωγών στο δρόμο εκφόρτισης του κελιού. Εξαιτίας των προβλημάτων της διάταξης, που εξηγήθηκαν παραπάνω, αποφασίστηκε η αλλαγή της κατά έναν τρόπο, έτσι ώστε αυτά να μην υφίστανται. Για το λόγο αυτό, δημιουργήθηκε μία νέα τοπολογία, παρόμοια με αυτή που περιγράφηκε, με μόνη διαφορά την ανεξαρτητοποίηση των δρόμων ισχύος. Συγκεκριμένα, κάθε κελί μπορεί να εκφορτιστεί και να μεταφέρει ενέργεια αποκλειστικά στο κατώτερο γειτονικό του. Ο δρόμος περιλαμβάνει κάθε φορά μία επαγωγή, η οποία φορτίζεται με τη βοήθεια ενός τρανζίστορ και εκφορτίζεται μέσω μιας διόδου Schottky. Έτσι, η ενέργεια μεταφέρεται από ένα κελί σε ένα άλλο και δεν διασκορπίζεται όπως στην προηγούμενη περίπτωση. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, θα αναλυθεί περαιτέρω η τοπολογία αυτή. Τέλος, όλα τα παραπάνω έχουν σαν άμεση συνέπεια έναν υψηλότερο βαθμό απόδοσης και μία πιο ομαλή λειτουργία της διάταξης ισοστάθμισης. 3.4 Θεωρητική ανάλυση βελτιωμένης διάταξης ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Η τοπολογία της διάταξης που τελικά επιλέχθηκε να κατασκευαστεί φαίνεται στο σχήμα Αναλυτικά, η διάταξη αποτελείται από πέντε ίδια κυκλώματα ισχύος, τα οποία μεταφέρουν ενέργεια από τα επάνω κελιά στο κάτω γειτονικό τους. Κάθε κύκλωμα εμπεριέχει ένα διακοπτικό στοιχείο ισχύος, μία δίοδο Schottky και μία επαγωγή. Επίσης, για τη μεταφορά ενέργειας από το πρώτο κελί της συστοιχίας στο τελευταίο, χρησιμοποιήθηκε μία τοπολογία τύπου Flyback. Αυτή περιλαμβάνει το μετασχηματιστή, δύο διακοπτικά στοιχεία ισχύος, μία δίοδο Schottky και δύο διόδους για την επιστροφή της ενέργειας στην είσοδο του μετατροπέα. 89

104 Κεφάλαιο 3 ο Vcell 6 L 5 M 5 M 4 Vcell 5 D 5 L 4 D 4 Vcell 4 L 3 M 3 M 2 D 6 Vcell 3 D 3 L 2 D 2 Vcell 2 M 6 L 1 M 1 D 7 Vcell 1 D 1 T 1 M 7 D 8 Σχήμα 3. 17: Διάταξη ισοστάθμισης έξι ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 90

105 Κεφάλαιο 3 ο Αρχικά, θα αναλυθεί η λειτουργία των κυκλωμάτων ισχύος που χρησιμοποιούν την επαγωγή, ως στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας. Προς διευκόλυνση της ανάλυσης, παρουσιάζεται το σχήμα Στο σχήμα αυτό, φαίνεται η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ δύο γειτονικών κελιών. Συγκεκριμένα, όταν δοθεί σήμα στο τρανζίστορ ΜΝ-1, η τάση του κελιού Ν πέφτει πάνω στο πηνίο LN-1, με αποτέλεσμα το ρεύμα ΙL να αυξάνεται γραμμικά (η ροή του ρεύματος φαίνεται στο σχήμα 3.18α), σύμφωνα με τη σχέση: di di V V V VL L I dt t dt dt L L L t CellN CellN CellN on (3.3) 0 Έτσι, το πηνίο φορτίζεται μέχρι ο παλμός του τρανζίστορ MN-1 να μηδενισθεί. Όταν συμβεί αυτό, το ρεύμα που διαρρέει την επαγωγή LN-1 δεν μπορεί να μηδενισθεί ακαριαία. Έτσι, σύμφωνα με το νόμο του Faraday, δημιουργείται τέτοια τάση στα άκρα του πηνίου, ώστε να συνεχίσει να ρέει το ρεύμα προς την ίδια κατεύθυνση. Συνέπεια αυτού, είναι η δίοδος DN-1 να πολώνεται ορθά και το ρεύμα να βρίσκει δρόμο μέσω αυτής, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.18β. Σε αυτή τη φάση λειτουργίας της διάταξης, το πηνίο εκφορτίζεται στο κελί Ν-1. Η μέγιστη τιμή του κύκλου λειτουργίας (duty cycle) του τρανζίστορ είναι 0,5, καθώς εάν αυτός πάρει μεγαλύτερη τιμή, το ρεύμα του πηνίου θα συνεχίσει να αυξάνεται με αποτέλεσμα να πάρει απαγορευτικές τιμές και η διάταξη να καεί. Με αυτό τον τρόπο, είναι δυνατή η μεταφορά ενέργειας από κάθε κελί προς το γειτονικά χαμηλότερό του στη συστοιχία. Στο σχήμα 3.19 φαίνονται οι θεωρητικές κυματομορφές ρεύματος και τάσης, ώστε να γίνει πλήρως κατανοητή η λειτουργία της τοπολογίας. VcellΝ VcellΝ LΝ-1 MΝ-1 LΝ-1 MΝ-1 VcellΝ-1 DΝ-1 VcellΝ-1 DΝ-1 (α) (β) Σχήμα 3. 18: Μεταφορά ενέργειας από το κελί Ν προς το κελί Ν-1 και ροή ρεύματος (α) όταν το τρανζίστορ ΜΝ-1 άγει και (β) όταν το τρανζίστορ ΜΝ-1 δεν άγει. 91

106 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 19: Ρεύμα πηνίου και τάση ημιαγωγικών στοιχείων κυκλώματος μεταφοράς ενέργειας μέσω πηνίου. Το δεύτερο είδος μετατροπέα που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ενέργειας από το πρώτο κελί της συστοιχίας προς το τελευταίο, κάνει χρήση ενός μετασχηματιστή ως στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας. Στο σχήμα 3.20, παριστάνεται το κύκλωμα του μετατροπέα Flyback, ώστε να γίνει ευκολότερα κατανοητή η λειτουργία του μετατροπέα. Χάριν συντομίας, παραλείπονται τα στοιχεία που δεν λαμβάνουν μέρος στην μεταφορά της ενέργειας. 92

107 Κεφάλαιο 3 ο Vcell 6 Vcell 6 D 6 M 6 D 6 M 6 D 7 D 7 Vcell 1 Vcell 1 Τ 1 M 7 Τ 1 M 7 D 8 D 8 (α) (β) Σχήμα 3. 20: Μεταφορά ενέργειας από το πρώτο κελί της συστοιχίας προς το τελευταίο και κατεύθυνση ρεύματος (α) όταν άγουν τα M6 και Μ7 και (β) όταν δεν άγουν τα Μ6 και Μ7. Όταν χρειαστεί να μεταφερθεί ενέργεια από το πρώτο κελί της συστοιχίας προς το τελευταίο, ο μικροελεγκτής στέλνει σήμα στα τρανζίστορ Μ6 και Μ7 για να ξεκινήσουν να άγουν. Έτσι, η τάση του πρώτου κελιού, πέφτει πάνω στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή Τ1. Το παραπάνω έχει σαν αποτέλεσμα τη γραμμική αύξηση του ρεύματος πρωτεύοντος και την αποθήκευση ενέργειας στο μαγνητικό πυρήνα του μετασχηματιστή (σχήμα 3.20α). Στη δεύτερη φάση λειτουργίας του μετατροπέα, όπου τα τρανζίστορ δεν άγουν, το ρεύμα που είναι αποθηκευμένο στον πυρήνα του μετασχηματιστή αποδίδεται στο δευτερεύον τύλιγμά του (πράσινο, σχήμα 3.20β), φορτίζοντας με αυτόν τον τρόπο το τελευταίο στη συστοιχία κελί. Ωστόσο, το ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα δεν μπορεί να μηδενισθεί απευθείας παρά το γεγονός ότι η επαγωγική αντίδραση πρωτεύοντος είναι αρκετά μικρή. Σαν συνέπεια, η τάση του τυλίγματος μπορεί να πάρει αρκετά υψηλές τιμές για μικρό χρονικό διάστημα πράγμα το οποίο μπορεί να έχει καταστροφικά αποτελέσματα για τα τρανζίστορ Μ6 και Μ7. Η καταστολή αυτών των υπερτάσεων γίνεται με τη χρήση των διόδων D7 και D8. Οι δίοδοι αυτές, προσφέρουν έναν εύκολο δρόμο στο ρεύμα πρωτεύοντος κατευθύνοντάς το στο πρώτο κελί (κίτρινο, σχήμα 3.20β). Με αυτό τον τρόπο, αυξάνουμε την 93

108 Κεφάλαιο 3 ο συνολική απόδοση της διάταξης, αφού η ενέργεια δεν καταναλώνεται σε κάποιας μορφής παθητικό κύκλωμα καταστολής υπερτάσεων, αλλά επιστρέφει πάλι στο πρώτο κελί της συστοιχίας. Ωστόσο, η επιλογή τους πρέπει να γίνει προσεκτικά, διότι σε διαφορετική περίπτωση η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στον πυρήνα του μετασχηματιστή, μπορεί να επιστρέψει στο πρώτο κελί μέσω του πρωτεύοντος τυλίγματος. Στα σχήματα 3.21 και 3.22 φαίνονται οι θεωρητικές κυματομορφές ρεύματος και τάσης, ώστε να γίνει πλήρως κατανοητή η λειτουργία της τοπολογίας. Σχήμα 3. 21: Ρεύμα διόδου εξόδου μετατροπέα Flyback και ρεύμα διόδων εκφόρτισης πρωτεύοντος μετασχηματιστή. 94

109 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 22: Ρεύμα mosfet μετατροπέα Flyback. Σαν συμπέρασμα, θα μπορούσαμε να πούμε ότι η τοπολογία του σχήματος 3.17 δείχνει να λειτουργεί ικανοποιητικά καλά σε θεωρητικό επίπεδο. Ο μικρός αριθμός ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων, η χρήση απλών μεθόδων μεταφοράς ενέργειας και η ενεργειακή της απόδοση, την καθιστά ιδανική για εφαρμογές ηλεκτροκίνητων οχημάτων, όπου η διαχείριση της ενέργειας είναι ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα. Από την άλλη πλευρά, η ενέργεια μπορεί να μεταφέρεται μόνο προς τα χαμηλότερα, γειτονικά κελιά της συστοιχίας. Αποτέλεσμα αυτού, θα ήταν η συγκέντρωση της ενέργειας στα κατώτερα κελιά και η ανάγκη φόρτισης των υψηλότερων στην στοίβα. Ο μετατροπέας Flyback, λύνει αυτό το πρόβλημα μεταφέροντας ενέργεια στα υψηλότερα κελιά της συστοιχίας. Τέλος, το βασικό πρόβλημα της προηγούμενης τοπολογίας φαίνεται να μην υφίσταται, με αποτέλεσμα να μπορούν να επιλεγούν ημιαγωγικά στοιχεία με σχετικά μικρές τάσεις αποκοπής. Ωστόσο, το τελευταίο θα γίνει περισσότερο κατανοητό κατά την προσομοίωση της διάταξης. 95

110 Κεφάλαιο 3 ο 3.5 Προσομοίωση του κυκλώματος ισοστάθμισης μέσω του λογισμικού MATLAB/SIMULINK Μετά την θεωρητική ανάλυση της τοπολογίας που επιλέχθηκε προς κατασκευή, σειρά έχει η προσομοίωση της. Με αυτό τον τρόπο, θα μελετηθούν σε βάθος οι δυνατότητές και οι ιδιαιτερότητές της, με στόχο να μην παραληφθεί κάτι, κατά τη διάρκεια σχεδίασης της πλακέτας. Επίσης, μέσω των προσομοιώσεων θα λάβουμε μία αρχική εικόνα για την απόδοση των διαφόρων κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται η διάταξη, όπως και για την αποτελεσματικότητα της μεθόδου. Στο σχήμα 3.23, παρουσιάζεται η τοπολογία που αναλύθηκε προηγουμένως, στο περιβάλλον Simulink του Matlab. Σχήμα 3. 23: Τοπολογία κυκλώματος ισοστάθμισης στο περιβάλλον Simulink του Matlab. 96

111 Κεφάλαιο 3 ο Αρχικά, θα εξεταστεί το κύκλωμα ανταλλαγής ενέργειας με το κατώτερο γειτονικό κελί. Η παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος, που σχετίζονται με τα επιμέρους κυκλώματα ισοστάθμισης της ενέργειας των γειτονικών κελιών έγινε με τη μέθοδο PWM και συχνότητα f=15khz. Η τιμή αυτή επιλέχθηκε εξαιτίας της μικρής διαθεσιμότητας στην αγορά πηνίων με υψηλά ρεύματα κόρου. Επίσης, ελέγχθηκαν διάφορα ενδεχόμενα επιπέδου φόρτισης (State Of Charge SOC) των κελιών. Xάριν συντομίας, θα παρουσιαστούν μόνο δύο από αυτά, τα οποία είναι: SOCCelln-1=90% και SOCCelln=70% SOCCelln-1= 70% και SOCCelln=90% Οι περιπτώσεις αυτές εφαρμόστηκαν στην παλμοδότηση του Μ1, για μεταφορά ενέργειας από το δεύτερο προς το πρώτο κελί της συστοιχίας. Οι κυματομορφές που προέκυψαν φαίνονται στα σχήματα 3.24 έως Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι τάσεις του πρώτου και του δεύτερου κελιού, όπως επίσης οι τάσεις και τα ρεύματα των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και της επαγωγής. Για λόγους συντομίας, οι κυματομορφές από την παλμοδότηση των Μ2, Μ3, Μ4 και Μ5 παραλείπονται, αφού είναι ίδιες με αυτές του Μ1. Τέλος, οι επαγωγές L1,,L5 λαμβάνουν την τιμή 4.7μΗ και έχουν αντίσταση αγωγής τυλίγματος 2.3mΩ. 97

112 Κεφάλαιο 3 ο 1. Κυματομορφές για f=15khz, δ=0,5, SOCCell 1=90% και SOCCell 2=70%. Σχήμα 3. 24: Τάση πρώτου και δεύτερου κελιού της συστοιχίας κατά την παλμοδότηση του Μ1. 98

113 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 25: Ρεύματα και τάσεις ημιαγωγικών στοιχείων κατά την παλμοδότηση του M1. 99

114 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 26: Τάση πηνίου μετατροπέα κατά την παλμοδότηση του Μ1. Στις κυματομορφές των σχημάτων 3.24, 3.25 και 3.26 παρατηρούμε μία περίπτωση μεταφοράς ενέργειας, η οποία σε ιδανικές συνθήκες δεν θα συμβεί. Όμως, τα σφάλματα κατά τη μέτρηση της στάθμης φόρτισης ενός κελιού μπορούν να προκαλέσουν μία τέτοια μεταφορά. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, να πρέπει να ελεγχθεί η λειτουργία της διάταξης στην παραπάνω περίπτωση. Έτσι, ενέργεια μεταφέρεται από το Cell2 προς το Cell1, παρά το γεγονός ότι το πρώτο είναι λιγότερο φορτισμένο από το δεύτερο. Ωστόσο, οι κυματομορφές συμπίπτουν με τις αντίστοιχες θεωρητικές και οι τάσεις των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος είναι πάρα πολύ μικρές. Σαν συνέπεια, μία μεταφορά ενέργειας όπως η παραπάνω δεν έχει καταστροφικά αποτελέσματα στη διάταξη και είναι επιτρεπτό να συμβεί από πλευρά αξιοπιστίας, όχι όμως από πλευρά απόδοσης. 100

115 Κεφάλαιο 3 ο 2. Κυματομορφές για f=15khz, δ=0,5, SOCCell 1=70% και SOCCell 2=90%. Σχήμα 3. 27: Τάση πρώτου και δεύτερου κελιού της συστοιχίας κατά την παλμοδότηση του Μ1. 101

116 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 28: Ρεύματα και τάσεις ημιαγωγικών στοιχείων κατά την παλμοδότηση του M1. 102

117 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 29: Τάση πηνίου μετατροπέα κατά την παλμοδότηση του Μ1. Στην περίπτωση μεταφοράς ενέργειας των σχημάτων 3.27 έως 3.29, τα αποτελέσματα συμπίπτουν με αυτά των σχημάτων 3.24 έως Η διαφορά τάσης των δύο κελιών είναι ελάχιστη, παρά το γεγονός ότι το ποσοστό της διαφοράς της στάθμης φόρτισής τους είναι 20%. Αυτό, μας δείχνει την αναγκαιότητα του ακριβή υπολογισμού του SOC κάθε κελιού. Επίσης, όπως και στην προηγούμενη περίπτωση, παρατηρείται μία ασυνεχής ροή ρεύματος στην επαγωγή L1, με κύκλο λειτουργίας δ=0,5. Αυτό οφείλεται στο ότι κατά τη μεταφορά της ενέργειας, υφίστανται απώλειες στα διακοπτικά στοιχεία ισχύος και στην επαγωγή. Οι απώλειες αυτές, οφείλονται κατά κύριο λόγο στην αντίσταση αγωγής των παραπάνω στοιχείων. Εάν όλα τα στοιχεία της διάταξης ήταν ιδανικά, η επαγωγή θα εκφορτιζόταν πλήρως ακριβώς στο σημείο όπου θα ερχόταν η νέα ανερχόμενη παρυφή του παλμού. Έτσι, δεν θα υπήρχαν διαστήματα μηδενισμού του ρεύματος, αλλά μεμονωμένα σημεία. Τέλος, η απόδοση που προκύπτει από την προσομοίωση με τα παραπάνω στοιχεία είναι 86,25%. Για λόγους πληρότητας της ανάλυσης παρουσιάζονται δύο ακόμη περιπτώσεις κυματομορφών. Η πρώτη αφορά την παλμοδότηση του ημιαγωγικού στοιχείου M1 με συχνότητα διαφορετική των 15kHz. Συγκεκριμένα, το τρανζίστορ Μ1 παλμοδοτείται με 103

118 Κεφάλαιο 3 ο συχνότητα 30kHz και δ=0,5 (SOCCell1 = 70% και SOCCell2 = 90%). Στη δεύτερη περίπτωση, η συχνότητα παραμένει η ίδια αλλά αλλάζει ο κύκλος λειτουργίας, ο οποίος παίρνει την τιμή δ=0.3 (SOCCell1 = 70% και SOCCell2 = 90%). Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι κυματομορφές που προέκυψαν από την προσομοίωση της διάταξης με τα παραπάνω δεδομένα. 3. Κυματομορφές για f=30khz, δ=0,5, SOCCell 1=70% και SOCCell 2=90%. Σχήμα 3. 30: Τάση πρώτου και δεύτερου κελιού της συστοιχίας κατά την παλμοδότηση του Μ1. 104

119 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 31: Ρεύματα και τάσεις ημιαγωγικών στοιχείων κατά την παλμοδότηση του M1. 105

120 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 32: Τάση πηνίου μετατροπέα κατά την παλμοδότηση του Μ1. Στην παραπάνω περίπτωση, μεταφέρεται ενέργεια από το δεύτερο προς το πρώτο κελί της συστοιχίας με συχνότητα διπλάσια των 15kHz. Παρατηρούμε ότι το ρεύμα του πηνίου πέφτει στο μισό, με αποτέλεσμα η μεταφερόμενη ενέργεια σε μία περίοδο, να είναι πολύ λιγότερη, σε σχέση με την προηγούμενη περίπτωση. Η μείωση αυτή του ρεύματος, έχει σαν άμεση συνέπεια, τη μείωση των ακραίων τιμών των τάσεων του δεύτερου και πρώτου κελιού της συστοιχίας. Ωστόσο, η απόδοση που προκύπτει από την προσομοίωση για τη μεταφορά ενέργειας από το δεύτερο στο πρώτο κελί είναι 88,2%, ελάχιστα δηλαδή μεγαλύτερη από την αντίστοιχη για συχνότητα f=15khz. 106

121 Κεφάλαιο 3 ο 4. Κυματομορφές για f=15khz, δ=0,3, SOCCell 1=70% και SOCCell 2=90%. Σχήμα 3. 33: Τάση πρώτου και δεύτερου κελιού της συστοιχίας κατά την παλμοδότηση του Μ1. 107

122 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 34: Ρεύματα και τάσεις ημιαγωγικών στοιχείων κατά την παλμοδότηση του M1. 108

123 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 35: Τάση πηνίου μετατροπέα κατά την παλμοδότηση του Μ1. Στην περίπτωση των σχημάτων 3.33 έως 3.35, το M1 παλμοδοτείται με συχνότητα f=15khz και κύκλο λειτουργίας δ=0,3. Αυτό έχει σαν συνέπεια, το τρανζίστορ Μ1 να άγει για μικρότερο χρονικό διάστημα και η μέγιστη τιμή του ρεύματος πηνίου να μην ξεπερνά τα 15Α. Επίσης, τα διαστήματα μηδενισμού του ΙL1 αυξάνονται, με αποτέλεσμα να αυξάνεται, σε εκείνη τη χρονική περίοδο, και η διάρκεια των ταλαντώσεων των τάσεων των ημιαγωγικών στοιχείων. Η απουσία κυκλώματος απόσβεσης των ταλαντώσεων ενισχύει το παραπάνω φαινόμενο. Τέλος, η απόδοση του παραπάνω συστήματος προκύπτει ίση με 87,9%, παρουσιάζει δηλαδή μία μικρή αύξηση, η οποία οφείλεται στο μικρότερο ρεύμα ισοστάθμισης. Όσο μικρότερο είναι το ρεύμα ισοστάθμισης, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση της διάταξης. Ταυτόχρονα όμως με την αύξηση της απόδοσης, αυξάνεται δραματικά και η διάρκεια της ισοστάθμισης. Όμοια, στο μετατροπέα τύπου Flyback λήφθηκαν δύο διαφορετικές περιπτώσεις κυματομορφών, οι οποίες φαίνονται στα σχήματα 3.36 έως Όπως είναι εμφανές, ο μετατροπέας δουλεύει σε διαφορετική συχνότητα σε σχέση με πριν, για να επιτύχει αντίστοιχο ρεύμα μεταφοράς. Αυτό συμβαίνει λόγω της μαγνητικής του επαγωγής, η οποία 109

124 Κεφάλαιο 3 ο είναι ίση με 8μΗ (μεγαλύτερη από την επαγωγή των πηνίων που χρησιμοποιήθηκαν). Επίσης, ο μετασχηματιστής που τελικά επιλέχθηκε έχει ρεύμα κόρου 17Α, οπότε δεν έπρεπε να ξεπεραστεί αυτή η τιμή. 1. Κυματομορφές για f = 10kHz, δ = 0,5, SOCCell 1= 90% και SOCCell 6 = 70%. Σχήμα 3. 36: Τάση πρώτου και έκτου κελιού της συστοιχίας κατά την παλμοδότηση του μετατροπέα Flyback. 110

125 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 37: Ρεύματα και τάσεις ημιαγωγικών στοιχείων κατά την παλμοδότηση του μετατροπέα Flyback. 111

126 Κεφάλαιο 3 ο Στην περίπτωση αυτή, υφίσταται μία μεταφορά ενέργειας από το πρώτο κελί της συστοιχίας προς το έκτο. Αρχικά παρατηρούμε στην τέταρτη κυματομορφή, τη γραμμική αύξηση του ρεύματος που διαρρέει τα mosfet Μ6 και Μ7 (μπλε χρώμα). Στη δεύτερη ημιπερίοδο του παλμού, η ενέργεια που έχει αποθηκευτεί στο πυρήνα του μετασχηματιστή αποδίδεται στο έκτο κελί (κίτρινο χρώμα), ενώ το ρεύμα του πρωτεύοντος τυλίγματος βρίσκει δρόμο επιστροφής μέσω των διόδων D7 και D8 (πορτοκαλί χρώμα). Σε αυτή την απότομη μεταβολή του ρεύματος οφείλεται η ανύψωση της τάσης του πρώτου κελιού, που φαίνεται στη δεύτερη κυματομορφή. Ακόμη, οι τάσεις των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος είναι πάρα πολύ μικρές και η απόδοση του συστήματος προκύπτει ίση με 74,7%, χαμηλότερη δηλαδή συγκριτικά με τη μεταφορά ενέργειας μέσω επαγωγών. 112

127 Κεφάλαιο 3 ο 2. Κυματομορφές για f=10khz, δ=0,5, SOCCell 1=70% και SOCCell 2=90%. Σχήμα 3. 38: Τάση πρώτου κελιού της συστοιχίας κατά την παλμοδότηση του μετατροπέα Flyback. 113

128 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 39: Ρεύματα και τάσεις ημιαγωγικών στοιχείων κατά την παλμοδότηση του μετατροπέα Flyback. 114

129 Κεφάλαιο 3 ο Οι κυματομορφές των σχημάτων 3.38 και 3.39, είναι όμοιες με αυτές των σχημάτων 3.36 και 3.37, πράγμα το οποίο δηλώνει ότι η μεταφορά ενέργειας είναι ανεξάρτητη από τη στάθμη φόρτισης των δύο κελιών. Συγκεκριμένα, η διάταξη ανταποκρίνεται το ίδιο σε περίπτωση λανθασμένης μεταφοράς ενέργειας από το λιγότερο στο υψηλότερο φορτισμένο κελί. Συγκεντρωτικά, τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν ότι η τοπολογία που επιλέχθηκε λειτουργεί ικανοποιητικά κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Επίσης, με τη προσθήκη παρασιτικών επαγωγών στο κύκλωμα προσομοίωσης, οι κυματομορφές δεν άλλαξαν σημαντικά, σε αντίθεση με την τοπολογία του σχήματος 3.9. Αντίθετα, η παρασιτικές επαγωγές, αυξάνουν τη συνολική επαγωγή φόρτισης, με αποτέλεσμα να ωφελούν τη διαδικασία ισοστάθμισης. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι οι προσομοιώσεις έγιναν με τη διακριτή μέθοδο ode3 (Bogacki-Shampine) του λογισμικού Matlab και με βήμα 1e -8 sec. 3.6 Σχεδίαση και κατασκευή κυκλώματος ισοστάθμισης μιας συστοιχίας τριών κελιών Μετά την επιλογή του κατάλληλου κυκλώματος ισοστάθμισης και την προσομοίωσή του στο περιβάλλον Matlab/Simulink, είμαστε σε θέση, αρχικά να σχεδιάσουμε και στη συνέχεια να κατασκευάσουμε την παραπάνω τοπολογία. Για το σκοπό αυτό, σχεδιάστηκαν δύο δοκιμαστικές πλακέτες. Η πρώτη, υλοποιεί τη διάταξη μεταφοράς ενέργειας από ένα κελί στο αμέσως χαμηλότερο γειτονικό του. Στη δεύτερη πλακέτα κατασκευάστηκε ο μετατροπέας flyback, ο οποίος μεταφέρει ενέργεια από το πρώτο κελί στο τελευταίο της συστοιχίας. Οι δύο δοκιμαστικές πλακέτες κατασκευάστηκαν με σκοπό την ισοστάθμιση τριών εν σειρά συνδεδεμένων κελιών LiFePO4, ώστε να διαπιστωθεί η ορθότητα λειτουργίας των επιμέρους κυκλωμάτων, προτού αυτά συγκεντρωθούν όλα σε μία ολοκληρωμένη πλακέτα. Κατά τη σχεδίαση της πλακέτας, προβλέφθηκε η ύπαρξη ενός πυκνωτή παράλληλα σε κάθε κελί. Αυτός, επιλέχθηκε με στόχο την απορρόφηση των υπερτάσεων που μπορεί να συμβούν κατά τη διαδικασία της εξισορρόπησης των κελιών. Έτσι οι υπερτάσεις αυτές, δεν θα περάσουν στους συσσωρευτές. Ωστόσο, οι πυκνωτές αυτοί δημιούργησαν περισσότερα προβλήματα από αυτά που έλυσαν και τελικά δεν χρησιμοποιήθηκαν. Τα προβλήματα αυτά, θα γίνουν αντιληπτά στο κεφάλαιο των μετρήσεων, όπου θα γίνει εκτενέστερη ανάλυσή τους. 115

130 Κεφάλαιο 3 ο Στη συνέχεια, στα σχήματα 3.41 και 3.42 παρουσιάζονται τα σχηματικά διαγράμματα των δύο διατάξεων που προαναφέρθηκαν. Σχήμα 3. 40: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος ισοστάθμισης γειτονικών κελιών. Σχήμα 3. 41: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος ισοστάθμισης ακριανών κελιών (μετατροπέας flyback). 116

131 Κεφάλαιο 3 ο Τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν και στις δύο πλακέτες, είναι τα ίδια με αυτά της ολοκληρωμένης διάταξης ελέγχου και θα αναλυθούν στο επόμενο κεφάλαιο. Όμοια, για τον ίδιο λόγο, θα αναλυθεί και το κύκλωμα παλμοδότησης της διάταξης. Τέλος, στα σχήματα 3.43 και 3.44 παρουσιάζονται οι κατόψεις των δύο επιμέρους πλακετών ισοστάθμισης, ενώ στο σχήμα 3.45 η διάταξη προσαρμοσμένη πάνω στη συστοιχία των τριών κελιών. Σχήμα 3. 42: Κάτοψη πλακέτας ισοστάθμισης με χρήση του μετατροπέα τύπου Flyback. Σχήμα 3. 43: Κάτοψη πλακέτας ισοστάθμισης με χρήση πηνίων. 117

132 Κεφάλαιο 3 ο Σχήμα 3. 44: Πλακέτα ισοστάθμισης βιδωμένη επάνω στη συστοιχία των τριών κελιών. 118

133 Κεφάλαιο 4 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΕΠΙΒΛΕΨΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΩΝ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ 4.1 Εισαγωγή Στα πλαίσια αυτού του κεφαλαίου, θα παρουσιαστεί η διαδικασία με την οποία κατασκευάστηκε η πειραματική διάταξη, η οποία επιτελεί όλες τις λειτουργίες των δοκιμαστικών πλακετών που κατασκευάστηκαν στα προηγούμενα δύο κεφάλαια. Συγκεκριμένα, η διάταξη αυτή αποτελεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα επί ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, μετρώντας την τάση και τη θερμοκρασία κάθε κελιού, καθώς και το ρεύμα που διαρρέει ολόκληρη τη συστοιχία. Έτσι, στο παρόν κεφάλαιο θα αιτιολογηθεί η επιλογή των ημιαγωγικών στοιχείων, καθώς και των μαγνητικών μερών της διάταξης. Επίσης, θα περιγραφεί ο τρόπος παλμοδότησης των ελεγχόμενων ημιαγωγικών διακοπτών και θα αναλυθούν όλα τα επιμέρους τμήματα του. Στη συνέχεια, θα παρουσιαστεί το κύκλωμα μέτρησης της θερμοκρασίας και θα εξηγηθεί η μέθοδος προγραμματισμού των ψηφιακών θερμομέτρων που επιλέχθηκαν για το σκοπό αυτό. Η διάταξη κατασκευάστηκε σε πλακέτες PCB, οι οποίες διαμορφώθηκαν από ειδικό μηχάνημα του εργαστηρίου. Λόγω της μεγάλης πολυπλοκότητας της πλακέτας και της ύπαρξης μεγάλου αριθμού via, επιλέχτηκε να γίνει επιμετάλλωση όλων της των οπών. Επίσης, για λόγους ασφαλείας και επειδή η πλακέτα κατασκευάστηκε για να τοποθετηθεί επάνω στους συσσωρευτές, δημιουργήθηκε μία ειδική στρώση (μάσκα) πάνω της, η οποία προστατεύει τους δρόμους και αποτρέπει ένα βραχυκύκλωμα από σφάλμα του χρήστη. 119

134 Κεφάλαιο 4 ο 4.2 Επιλογή διακοπτικών ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Επιλογή ελεγχόμενων ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Ως ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος για την κατασκευή της τοπολογίας, επιλέχθηκαν MOSFET ισχύος. Οι κύριοι λόγοι που οδήγησαν σε αυτή μας την επιλογή είναι οι εξής: Ο έλεγχος των MOSFET ισχύος γίνεται από τάση. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η ισχύς που απαιτείται για την παλμοδότησή τους να είναι ελάχιστη. Παρουσιάζουν μικρούς χρόνους έναυσης και σβέσης. Με την κατάλληλη επιλογή, μπορούμε να διαλέξουμε MOSFET με πολύ μικρή αντίσταση αγωγής. Με αυτό τον τρόπο, η συνολική απόδοση της διάταξης ισοστάθμισης αυξάνεται και οι απαιτήσεις του κυκλώματος για ψύξη είναι πολύ μικρές. Ωστόσο, για τη σωστή επιλογή των MOSFET ισχύος πρέπει να είναι γνωστή η μέγιστη τάση που θα εμφανιστεί επάνω τους, το μέγιστο ενεργό ρεύμα που τα διαρρέει καθώς και η συχνότητα λειτουργίας του κυκλώματος. Από τις προσομοιώσεις που προηγήθηκαν στο κεφάλαιο 3, είμαστε σε θέση να συμπεράνουμε τις παραπάνω τιμές. Η τοπολογία που επιλέχθηκε μας επιτρέπει να χρησιμοποιήσουμε MOSFET με μικρή αντοχή στην τάση. Έτσι, επιλέχθηκαν MOSFET με μέγιστη τάση αντοχής τα 100V. Σε αυτή την κατηγορία υπήρξε πληθώρα επιλογών. Το ενεργό ρεύμα που θα έπρεπε να είναι σε θέση να αντέξει το MOSFET είναι τα 10Α, ενώ η συχνότητα λειτουργίας δεν θα ξεπερνούσε τα 30kHz. Η τελική επιλογή όμως, έγινε λαμβάνοντας υπόψη την αντίσταση αγωγής των στοιχείων σε συνδυασμό με το κόστος τους. Με βάση τα παραπάνω επιλέχθηκε το MOSFET NDPL180N10B της εταιρίας ΟΝ Semiconductor. Το παραπάνω ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος παρουσιάζει πολύ μικρή αντίσταση αγωγής (περίπου 3mΩ), ενώ αντέχει ρεύματα πάνω από 100Α (με σωστή ψύξη). Στο σχήμα 4.1 απεικονίζεται το στοιχείο αυτό. 120

135 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4. 1: Το NDPL180N10B της ΟΝ Semiconductor που επιλέχθηκε [41] Επιλογή διόδου ισχύος Όπως παρατηρήθηκε στο Κεφάλαιο 3, η μέγιστη τάση που πέφτει στα άκρα των διόδων δεν ξεπερνάει τα 10V. Επομένως, η μέγιστη τάση που πρέπει να αντέχει το ημιαγωγικό στοιχείο είναι αρκετά χαμηλή με αποτέλεσμα να μην αποτελεί πρόβλημα κατά την επιλογή του. Ωστόσο, ο χρόνος έναυσης της διόδου που θα επιλεγεί, πρέπει να είναι πολύ μικρός. Στη διάταξη που προσομοιώθηκε, η δίοδος άγει όταν το πηνίο είναι πλέον φορτισμένο, με στόχο να το εκφορτίζει στο κατώτερο γειτονικό κελί. Έτσι, πρέπει να είναι ικανή να ανάψει όσο πιο γρήγορα γίνεται, διότι σε διαφορετική περίπτωση το πηνίο δε θα μπορέσει να εκφορτιστεί εγκαίρως και η τάση του θα αυξηθεί πολύ. Τέλος, η δίοδος πρέπει να έχει πολύ μικρή πτώση τάσης, έτσι ώστε να έχουμε τη μέγιστη απόδοση ενώ παράλληλα η ενεργός τιμή του ρεύματος που θα αντέχει, να ξεπερνάει τα 10Α. Εκμεταλλευόμενοι τη χαμηλή τιμή της μέγιστης τάσης που πρέπει να αντέχει η δίοδος ισχύος, μπορεί να επιλεγεί ένας ειδικός τύπος διόδου που ονομάζεται δίοδος Schottky. Η δίοδος Schottky είναι ένα ημιαγωγικό στοιχείο το οποίο αποτελείται από έναν ημιαγωγό και ένα μέταλλο. Χαρακτηριστικά της είναι η χαμηλή πτώση τάσης και οι πολύ χαμηλοί χρόνοι έναυσης και σβέσης. Το βασικό μειονέκτημα μίας τέτοιας διόδου, είναι το γεγονός ότι δεν 121

136 Κεφάλαιο 4 ο αντέχει μεγάλες τάσεις και για το λόγο αυτό δεν χρησιμοποιείται στα ηλεκτρονικά ισχύος. Παρόλα αυτά, στην περίπτωση μας αποτελεί την καλύτερη επιλογή. Η δίοδος Schottky που επιλέχθηκε είναι η VFT3045BP της εταιρίας Vishay. Η παραπάνω δίοδος προσφέρει πτώση τάσης περίπου 0,3V και μέγιστο ενεργό ρεύμα αγωγής τα 30Α. Η μέγιστη ανάστροφη τάση που αντέχει φτάνει τα 45V, ενώ οι χρόνοι έναυσης και σβέσης είναι της τάξεως μερικών ns. Στο σχήμα 4.2 παρουσιάζεται η δίοδος Schottky που επιλέχθηκε για την κατασκευή της διάταξης. Σχήμα 4. 2: Η δίοδος VFT3045BP της Vishay που επιλέχθηκε [42]. 4.3 Επιλογή μαγνητικών στοιχείων της διάταξης Ο μεγάλος αριθμός μαγνητικών στοιχείων της διάταξης, μας οδήγησε στην επιλογή μιας έτοιμης λύσης η οποία θα γλύτωνε από όγκο και βάρος την τελική κατασκευή. Έτσι, αναζητήθηκαν επαγωγές και μετασχηματιστές, οι οποίοι να πληρούν τις προδιαγραφές που τέθηκαν. Στη συνέχεια, αναλύονται οι επιλογές αυτές και εξηγούνται τα επιμέρους χαρακτηριστικά κάθε στοιχείου Επιλογή επαγωγών Για την κατασκευή της τελικής διάταξης ισοστάθμισης μιας συστοιχίας έξι κελιών, είναι απαραίτητη η χρήση πέντε επαγωγών ισχύος. Οι επαγωγές αυτές, πρέπει να έχουν τη δυνατότητα μεταφοράς της ενέργειας που απαιτείται, χωρίς να μπαίνουν στον κόρο. Ο κορεσμός της επαγωγής συμβαίνει όταν το ρεύμα που τη διαρρέει ξεπεράσει το Ιsat. Τότε η επαγωγή ξεκινάει να συμπεριφέρεται σαν βραχυκύκλωμα. Από τις προσομοιώσεις διαπιστώθηκε ότι για μία επαγωγή 4.7μΗ, με συχνότητα παλμοδότησης τα 15kHz και κύκλο 122

137 Κεφάλαιο 4 ο λειτουργίας (duty cycle) 0,5, η μέγιστη τιμή που φτάνει το ρεύμα που ρέει στην επαγωγή είναι τα 22Α. Επομένως, αναζητώντας πηνία με τα παραπάνω χαρακτηριστικά και με όσο το δυνατόν μικρότερη αντίσταση αγωγής, καταλήξαμε στο AGP της εταιρίας Coilcraft, το οποίο φαίνεται στην εικόνα 4.3. Σχήμα 4. 3: Το πηνίο AGP της Coilcraft που επιλέχθηκε [43]. Το παραπάνω πηνίο, έχει αντίσταση αγωγής ίση με 2.3mΩ και μπαίνει στον κόρο όταν το ρεύμα ξεπεράσει τα 63Α, τιμή πολύ μεγαλύτερη σε σχέση με το ρεύμα που καλούμαστε να διαχειριστούμε. Επίσης ζυγίζει μόλις 37g, με αποτέλεσμα η τελική κατασκευή να έχει το ελάχιστο δυνατό βάρος Επιλογή μετασχηματιστή για το μετατροπέα Flyback Ο μετασχηματιστής της τοπολογίας ισοστάθμισης αποτελεί μέρος ενός ευρύτερου κυκλώματος δημιουργώντας έναν μετατροπέα τύπου Flyback. Τα χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει είναι: Υψηλή επαγωγή μαγνήτισης Μικρή επαγωγή πρωτεύοντος και δευτερεύοντος Μικρή αντίσταση αγωγής πρωτεύοντος και δευτερεύοντος Υψηλό ρεύμα κόρου 123

138 Κεφάλαιο 4 ο Σύμφωνα με τα παραπάνω, επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ο μετασχηματιστής WE της εταιρίας Wurth Elektronik. Ο μετασχηματιστής αυτός, παρουσιάζει αντίσταση αγωγής τυλίγματος 15mΩ, επαγωγή τυλίγματος πρωτεύοντος και δευτερεύοντος 200nH και επαγωγή μαγνήτισης 8uH. Ακόμη, έχει ρεύμα κόρου ίσο με 18Α. Τα χαρακτηριστικά του αυτά, μας αναγκάζουν να χρησιμοποιήσουμε διαφορετική συχνότητα παλμοδότησης στα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα Flyback. Η συχνότητα που χρησιμοποιήθηκε είναι τα 10kHz. Τέλος, στο σχήμα 4.4 απεικονίζεται ο μετασχηματιστής WE Σχήμα 4. 4: Ο μετασχηματιστής WE της Wurth Elektronik που επιλέχθηκε [44]. 4.4 Υπολογισμός συστήματος απαγωγής θερμότητας (Ψυκτικού) Κάθε ημιαγωγικό στοιχείο λειτουργεί κάτω από συγκεκριμένο όριο θερμοκρασίας. Εάν το όριο αυτό ξεπεραστεί, τότε αλλοιώνονται τα χαρακτηριστικά του στοιχείου με άμεσο αποτέλεσμα την καταστροφή του. Η αύξηση της θερμοκρασίας οφείλεται σε δύο είδη απωλειών, τις διακοπτικές απώλειες και τις απώλειες αγωγής. Έτσι, για να λειτουργεί αξιόπιστα η διάταξη και να προστατευτούν τα στοιχεία, είναι απαραίτητη η απαγωγή αυτής της θερμότητας στο περιβάλλον. Αυτό επιτυγχάνεται τοποθετώντας τα ημιαγωγικά στοιχεία πάνω σε μεταλλική επιφάνεια, συνήθως από αλουμίνιο, κατάλληλα διαμορφωμένη ώστε να απάγει μεγάλα ποσά θερμότητας. Η μεταλλική αυτή επιφάνεια ονομάζεται ψυκτικό και αποτελείται συνήθως από πολλές πτυχώσεις με κύριο στόχο τη μεγιστοποίηση του εμβαδού που βρίσκεται σε επαφή με τον αέρα, χωρίς να αυξάνεται το μέγεθός του. Με αυτό τον τρόπο, η ενέργεια που μπορεί να απελευθερωθεί στο περιβάλλον είναι περισσότερη, ενώ ο όγκος και το βάρος παραμένουν μικρά. 124

139 Κεφάλαιο 4 ο Για τον υπολογισμό των απωλειών των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος είναι απαραίτητη η γνώση ορισμένων μεγεθών. Τα μεγέθη αυτά είναι η ενεργός τιμή του ρεύματος του MOSFET (Irmsmos), το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει το MOSFET (Imaxmos), η μέγιστη τάση που εμφανίζεται πάνω σε αυτό (Vmaxmos), καθώς και το μέσο ρεύμα της διόδου Schottky (Ιavgsch). Επίσης, από τα φυλλάδια κατασκευαστών γίνονται γνωστά, η αντίσταση αγωγής του MOSFET (RDS), οι χρόνοι έναυσης και σβέσης τους (ton και toff αντίστοιχα) και η τάση αγωγής της διόδου. Με τη βοήθεια των παραπάνω τιμών μπορούμε να υπολογίσουμε τις απώλειες για τη δίοδο Schottky και το MOSFET σύμφωνα με τις σχέσεις: V 2 max I mos max mos Pmos I RMS RDS (ton t off ) fs (4.4) 2 P V I (4.5) diode, schottky d avg Το μέγεθος fs είναι η συχνότητα λειτουργίας των διακοπτικών στοιχείων, η οποία στη περίπτωση μας είναι τα 15kHz για τα MOSFET που μεταφέρουν ενέργεια μέσω επαγωγών και 10kHz για αυτά που μεταφέρουν ενέργεια μέσω του μετατροπέα flyback. Έτσι, κάνοντας χρήση των παραπάνω σχέσεων και των δεδομένων από τα φυλλάδια των κατασκευαστών της διόδου και του MOSFET προέκυψαν τα παρακάτω αποτελέσματα: Pmos (9,5) 3 10 (95 185) Pmos 0, 6089W (4.6) 2 P 0, 42 8,8 P 3,696 W (4.7) diode, schottky diode, schottky Η διάταξη των ημιαγωγικών στοιχείων στην πλακέτα, επέβαλλε τη χρήση τεσσάρων διαφορετικών ψυκτικών σωμάτων. Τα δύο από αυτά έπρεπε να είναι ικανά να επάγουν τη θερμότητα από δύο MOSFET και δύο διόδους Schottky, το τρίτο από ένα MOSFET και μία δίοδο, ενώ το τέταρτο από δύο MOSFET και μία δίοδο. Στη συνέχεια, φαίνεται η συνολική ισχύς για καθένα από τα παραπάνω ψυκτικά σώματα. Ptotal (2mos 2diodes) 2 0, ,696 8,61W (4.8) 125

140 Κεφάλαιο 4 ο Ptotal (1mos 1diode) 0,6089 3,696 4,3W (4.9) Ptotal (2mos 1diode) 2 0,6089 3,696 4,91W (4.10) Μετά τον υπολογισμό των συνολικών απωλειών που καλείται να διαχειριστεί κάθε ψυκτικό σώμα, σειρά έχει ο υπολογισμός της θερμικής του αντίστασης. Αυτή, προκύπτει από την ακόλουθη σχέση: T T R R R (4.11) j a sa th, jc th, cs Ptotal όπου: Rsa : θερμική αντίσταση ψυκτικού σώματος Tj : η μέγιστη θερμοκρασία επαφής του ημιαγωγικού στοιχείου Τα : η θερμοκρασία περιβάλλοντος Rth,jc : η θερμική αντίσταση επαφής του ημιαγωγικού στοιχείου και της θήκης του Rth,cs : η θερμική αντίσταση μεταξύ θήκης και ψυκτικού Από το φυλλάδιο κατασκευαστή του MOSFET έχουμε Rth,jc = 0,75 o C/W. Αντίστοιχα, για τη δίοδο Schottky ισχύει Rth,jc = 4,2 o C/W. Για λόγους ασφαλείας, επιλέγουμε τη μεγαλύτερη τιμή και υπολογίζουμε τη θερμική αντίσταση κάθε ψυκτικού σώματος, σύμφωνα με τη σχέση 4.8 και για Rth,cs = 0,5. o o 175 C 25 C o o o Rsa (2mos 2 diodes) 4, 2 C W 0,5 C W 12, 72 C W 8,61W (4.12) o o 175 C 25 C o o o Rsa (1mos 1 diode) 4, 2 C W 0,5 C W 30,18 C W 4,3W (4.13) o o 175 C 25 C o o o Rsa (2mos 1 diode) 4, 2 C W 0,5 C W 25,85 C W 4,91W (4.14) Έτσι, μπορούμε με ασφάλεια να επιλέξουμε τα κατάλληλα ψυκτικά σώματα, η θερμική αντίσταση των οποίων δεν θα ξεπερνάει τις παραπάνω τιμές. Μετά από έρευνα αγοράς, 126

141 Κεφάλαιο 4 ο βασιζόμενοι στις τιμές των θερμικών αντιστάσεων που προέκυψαν, όπως επίσης και στον περιορισμένο διαθέσιμο χώρο πάνω στη πλακέτα, αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθούν δύο διαφορετικοί τύποι ψυκτικών σωμάτων της εταιρίας FISHER ELEKTRONIK. Τα ψυκτικά αυτά σώματα έχουν κωδικό SK 454 και η μόνη διαφορά τους έγκειται στο μήκος και στη θερμική τους αντίσταση. Το πρώτο, το οποίο αφορά την περίπτωση απαγωγής θερμότητας από δύο MOSFET και δύο διόδους Schottky, έχει μήκος 100mm και θερμική αντίσταση 6 ο C/W. Αντίστοιχα, το δεύτερο, το οποίο αφορά τις άλλες δύο περιπτώσεις, έχει μήκος 50mm και θερμική αντίσταση 8,5 ο C/W. Και στις δύο περιπτώσεις, οι τιμές της θερμικής αντίστασης του ψυκτικού σώματος είναι κατά πολύ χαμηλότερες από εκείνες που υπολογίστηκαν στις σχέσεις 4.9, 4.10 και Στο σχήμα 4.5 απεικονίζεται το ψυκτικό σώμα που επιλέχθηκε. Σχήμα 4. 5: Ψυκτικό σώμα SK 454 της εταιρίας FISHER ELEKTRONIK [45]. Ακόμη, στην περίπτωση που κάποιο ημιαγωγικό στοιχείο δεν έχει μονωμένη θήκη, τοποθετείται μεταξύ αυτού και του ψυκτικού σώματος μία μονωτική θερμοαγώγιμη ταινία. Στην περίπτωση μας, χρειάστηκε να τοποθετηθεί τέτοια ταινία σε κάθε MOSFET σε αντίθεση με τις διόδους οι οποίες έχουν μονωμένη πλάτη. Επίσης, η τοποθέτηση των ημιαγωγικών στοιχείων πάνω στα ψυκτικά έγινε με έναν ιδιαίτερο τρόπο, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.6. Έτσι, γίνεται η μεγαλύτερη δυνατή εξοικονόμηση χώρου και τα ημιαγωγικά στοιχεία βιδώνονται απευθείας πάνω στην ψύκτρα με τη χρήση ειδικού μονωτικού. 127

142 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4. 6: Τοποθέτηση ημιαγωγικών στοιχείων πάνω στο ψυκτικό [46]. 4.5 Κύκλωμα παλμοδότησης ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος Ένα από τα βασικότερα κυκλώματα μιας διάταξης που χρησιμοποιεί ελεγχόμενα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος είναι το κύκλωμα παλμοδότησης αυτών. Συγκεκριμένα, οι παλμοί που καθορίζουν την έναυση και τη σβέση των MOSFET, παράγονται από έναν μικροελεγκτή και είναι της τάξης των 5V. Όμως, η ισχύς τους δεν επαρκεί για την απευθείας οδήγηση των ημιαγωγικών στοιχείων, με αποτέλεσμα να είναι απαραίτητη μία βαθμίδα ενίσχυσής τους. Η βαθμίδα αυτή απαιτεί απομονωμένη τροφοδοσία, συνήθως +15V. Ωστόσο, πριν την ενίσχυση των παλμών, πρέπει να προηγηθεί η ηλεκτρική απομόνωσή τους, ώστε να προστατευτεί το κύκλωμα ελέγχου από τα διαφορετικά επίπεδα τάσης. Αυτό, γίνεται με τη χρήση ενός οπτοζεύκτη. Στη συνέχεια, θα παρουσιαστούν αναλυτικά τα ολοκληρωμένα που χρησιμοποιήθηκαν για τη σχεδίαση του κυκλώματος παλμοδότησης Επιλογή οπτοζεύκτη οδηγού πύλης Το βασικότερο μέρος κατά τη σχεδίαση ενός κυκλώματος παλμοδότησης είναι η επιλογή του κατάλληλου οπτοζεύκτη και οδηγού πύλης. Συνήθως, χρησιμοποιούνται δύο ξεχωριστά ολοκληρωμένα από τα οποία το ένα αποτελεί τον οπτοζεύκτη, ενώ το δεύτερο τον οδηγό πύλης του MOSFET. Μετά από έρευνα αγοράς, βρέθηκαν ολοκληρωμένα τα οποία 128

143 Κεφάλαιο 4 ο ενσωματώνουν τα δύο παραπάνω χαρακτηριστικά. Συγκεκριμένα, για τη σχεδίαση του κυκλώματος παλμοδότησης επιλέχθηκε το ολοκληρωμένο HCPL-3180 της εταιρίας Avago Technologies, το κυκλωματικό διάγραμμα του οποίου φαίνεται στο σχήμα 4.7. Το συγκεκριμένο ολοκληρωμένο, είναι ικανό να τροφοδοτήσει ημιαγωγικά στοιχεία με μέγιστο ρεύμα τα 2,5Α, ενώ η μέγιστη συχνότητα παλμού που μπορεί να επιτύχει είναι 250kHz. Σχήμα 4. 7: Κυκλωματικό διάγραμμα του ολοκληρωμένου HCPL-3180 της Avago Technologies [47]. Η λειτουργία του ολοκληρωμένου HCPL-3180 χωρίζεται σε δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο αποτελεί το στάδιο ηλεκτρικής απομόνωσης του παλμού. Για να συμβεί αυτό, το ολοκληρωμένο διαθέτει ένα LED GaAsP στην είσοδο, το οποίο είναι οπτικά συζευγμένο με το δεύτερο στάδιο. Το δεύτερο στάδιο αποτελεί το στάδιο ενίσχυσης, στην έξοδο του οποίου παράγεται παλμός ανάλογος της τροφοδοσίας VCC. Για τη σχεδίαση του τελικού κυκλώματος χρησιμοποιήθηκαν εφτά ολοκληρωμένα HCPL- 3180, ένα για κάθε MOSFET. Για την ορθότητα της λειτουργία καθενός από τα παραπάνω, ήταν αναγκαία η χρήση εξωτερικών στοιχείων. Το ρεύμα που διαρρέει το LED εισόδου ήταν ανάγκη να περιοριστεί στα όρια που ορίζει το φυλλάδιο κατασκευαστή του ολοκληρωμένου. Για το λόγο αυτό, προστέθηκε μία αντίσταση σε σειρά με το LED, η τιμή της οποίας θα φανεί στο υποκεφάλαιο Όμοια, το ρεύμα εξόδου περιορίζεται με μία αντίσταση 5Ω στη πύλη κάθε MOSFET. Τέλος, η τάση τροφοδοσίας του ολοκληρωμένου σταθεροποιείται με έναν bypass πυκνωτή των 100nF Τροφοδοσία οπτοζεύκτη οδηγού πύλης Για τη λειτουργία του παραπάνω ολοκληρωμένου, απαιτείται η δημιουργία κατάλληλων πηγών συνεχούς τάσης 15V. Οι τάσεις αυτές πρέπει να είναι ηλεκτρικά απομονωμένες από την τάση τροφοδοσίας του μικροελεγκτή, διότι σε διαφορετική περίπτωση αναιρείται η 129

144 Κεφάλαιο 4 ο ηλεκτρική απομόνωση που έχουμε επιτύχει μέσω του HCPL Έτσι, είναι απαραίτητη η δημιουργία εφτά ηλεκτρικά απομονωμένων τάσεων των 15V, μία για κάθε HCPL Για την δημιουργία των παραπάνω τάσεων θα ήταν απαραίτητη η κατασκευή τροφοδοτικών μικρής ισχύος, τα οποία θα έκαναν χρήση μετασχηματιστών, σταθεροποιητών τάσης και διάφορων παθητικών στοιχείων. Έτσι, ο όγκος και το κόστος της διάταξης θα αυξανόταν αρκετά. Για να αποφευχθεί αυτό, αποφασίστηκε να αγοραστούν τροφοδοτικά ειδικού σκοπού τα οποία μετατρέπουν τα +5V σε +15V με πολύ μικρή κατανάλωση ισχύος και ελάχιστη κάλυψη χώρου. Συγκεκριμένα, το τροφοδοτικό που χρησιμοποιήθηκε για τον παραπάνω σκοπό είναι το CMR0515S3C της εταιρίας Murata Power Solutions, το οποίο φαίνεται στο σχήμα 4.8. Το συγκεκριμένο μοντέλο, αποτελεί έναν μετατροπέα DC/DC, ισχύος 0,75W, ο οποίος είναι ικανός να μετατρέψει μία τάση +5V σε δυο συμπληρωματικές τροφοδοσίες +/-15V. Οι έξοδοι, είναι γαλβανικά απομονωμένες από την είσοδο του CMR0515S3C και μπορούν να παρέχουν ρεύμα έως και +/-25mA. Επίσης, με κύριο στόχο την ελαχιστοποίηση της κυμάτωσης της εξόδου, χρησιμοποιήθηκε ένα LC φίλτρο. Οι τιμές του φίλτρου που προτιμώνται, σύμφωνα με το φυλλάδιο του κατασκευαστή, είναι L=220μH και C=330nF. Το κύριο μειονέκτημα του μετατροπέα αυτού, είναι ότι πρέπει να είναι συνεχώς υπό φορτίο. Το φορτίο αυτό, πρέπει να αποτελεί τουλάχιστον το 10% του συνολικού φορτίου που μπορεί να αντέξει ο μετατροπέας. Για τον παραπάνω λόγο προστέθηκε μία αντίσταση 4.7kΩ στην έξοδο κάθε φίλτρου. Τέλος, για την κατασκευή του τελικού κυκλώματος παλμοδότησης χρησιμοποιήθηκαν εφτά μετατροπείς CMR0515S3C, ένας για κάθε ολοκληρωμένο HCPL Με αυτό τον τρόπο, ολοκληρώνεται το τελικό στάδιο παλμοδότησης, από τον οπτοζεύκτη έως και το MOSFET. Σχήμα 4. 8: Ο μετατροπέας CMR0515S3C της εταιρίας Murata Power Solutions [48]. 130

145 Κεφάλαιο 4 ο Ολοκληρωμένο κύκλωμα παλμοδότησης Μετά την παρουσίαση των βασικότερων στοιχείων που χρησιμοποιούνται στο κύκλωμα παλμοδότησης της τελικής διάταξης, είμαστε σε θέση να αναλύσουμε διεξοδικά το τελευταίο. Έτσι, το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος παλμοδότησης ενός ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου φαίνεται στο σχήμα 4.9. Σχήμα 4. 9: Απλοποιημένο σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος παλμοδότησης ενός ελεγχόμενου ημιαγωγικού στοιχείου της διάταξης. Συγκεκριμένα παρατηρούνται το HCPL-3180 και το CMR0515S3C, η λειτουργία των οποίων αναλύθηκε σε προηγούμενη παράγραφο. Ωστόσο, εκτός από τα παραπάνω στοιχεία, χρησιμοποιούνται ένας επιπλέον οπτοζεύκτης (6n137), μία πύλη ΝΟΤ, μία πύλη NOR και ένα MOSFET μικρής ισχύος (FDN359AN). Όλα τα παραπάνω συγκροτούν το κύκλωμα παλμοδότησης ενός MOSFET ισχύος, του οποίου το σήμα για την έναρξη του παλμού ξεκινάει από το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1 που επιλέχτηκε και αναλύθηκε στο κεφάλαιο 2. Αρχικά για να δοθεί παλμός στο MOSFETn, προγραμματίζεται κατάλληλα το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1, ώστε να βγάλει στην έξοδό του (CB_n) την τάση του αμέσως υψηλότερου κελιού. Επίσης, παράλληλα προγραμματίζεται και ο χρόνος που θα διαρκέσει αυτή η αλλαγή. Έτσι, το τρανζίστορ Q1 άγει, με αποτέλεσμα η εσωτερική δίοδος του οπτοζεύκτη 6n137 να διαρρέεται από ρεύμα, το οποίο περιορίζεται από την αντίσταση R3. Η επιλογή της αντίστασης R3 έγινε με στόχο την ομαλή λειτουργία της διάταξης ακόμα και στα όρια τάσης των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Συγκεκριμένα, όταν η τάση Vcelln - Vcelln-1 γίνει ίση με 2,5V, τότε το ρεύμα που περνάει από την εσωτερική δίοδο του 131

146 Κεφάλαιο 4 ο οπτοζεύκτη πρέπει να είναι αρκετό ώστε να την ενεργοποιήσει. Στην αντίθετη περίπτωση, όπου η τάση Vcelln - Vcelln-1 γίνει ίση με 4V, το ρεύμα στην είσοδο του οπτοζεύκτη δεν πρέπει να ξεπερνάει το μέγιστο επιτρεπτό. Έτσι σύμφωνα με τα παραπάνω, εκφράστηκαν οι παρακάτω σχέσεις, οι οποίες οδήγησαν στην επιλογή της τιμής των 130Ω. R R V V 4V 1,7V 20mA 20mA max F min Rmin 115 (4.15) V V 2,5V 1, 7V 5mA 5mA min F max Rmax 160 (4.16) Στην έξοδο του 6n137 υφίσταται ένας παρασιτικός πυκνωτής 100nF, ώστε η τροφοδοσία του οπτοζεύκτη να παραμένει σταθερή. Επίσης, η έξοδος Vo συνδέεται με την τροφοδοσία μέσω μίας αντίστασης pull-up, η τιμή της οποίας αντλήθηκε από το φυλλάδιο κατασκευαστή. Το αποτέλεσμα της διάταξης με τον οπτοζεύκτη είναι ότι κάθε φορά που το BQ76PL536A-Q1 προγραμματίζεται, ώστε το αντίστοιχό MOSFET ισχύος να παλμοδοτηθεί, η έξοδος του 6n137 γίνεται μηδέν. Σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση, η έξοδος παραμένει στα +5V εξαιτίας της pull-up αντίστασης R4. Το σήμα εξόδου του οπτοζεύκτη και το σήμα του ανεστραμμένου παλμού που προέρχεται από τον μικροελεγκτή, συνδέονται σαν είσοδοι σε μία πύλη NOR. Η έξοδος της πύλης NOR γίνεται +5V, όταν και μόνο όταν και οι δύο είσοδοί της γίνουν μηδέν. Επομένως, στην περίπτωσή μας, η έξοδος της πύλης NOR είναι ο παλμός του μικροελεγκτή με την προϋπόθεση ότι το BQ76PL536A-Q1 έχει προγραμματιστεί σωστά. Τέλος, η έξοδος της πύλης NOR συνδέεται μέσω μιας αντίστασης 340Ω με τη δίοδο εισόδου του ολοκληρωμένου HCPL Το δεύτερο άκρο της διόδου συνδέεται με τη γη. Έτσι, το ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο δεν ξεπερνάει τα 25mA, που είναι και η μέγιστη επιτρεπτή τιμή ρεύματος εισόδου. Επίσης, η έξοδος του HCPL-3180 καταλήγει στο MOSFET ισχύος μέσω μιας αντίστασης 5Ω και το ολοκληρωμένο τροφοδοτείται με γαλβανικά απομονωμένη τάση, μέσω του κυκλώματος με το CMR0515S3C. 132

147 Κεφάλαιο 4 ο 4.6 Κύκλωμα τροφοδοσίας Για τη λειτουργία του συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών απαιτείται η δημιουργία κατάλληλης πηγής συνεχούς τάσης για την τροφοδοσία των διαφόρων στοιχείων της διάταξης. Τα παραπάνω, στο σύνολό τους, χρειάζονται τροφοδοσία συνεχούς τάσης +5V. Στις περιπτώσεις που απαιτείται τροφοδοσία +15V (π.χ. τροφοδοσία οδηγητή παλμών), αυτή δημιουργείται τοπικά με τη χρήση κατάλληλων μετατροπέων όπως περιγράφηκε προηγουμένως. Έτσι, κατασκευάστηκε ένα τροφοδοτικό συνεχούς τάσης +5V. Η μόνη πηγή τροφοδοσίας πάνω σε ένα ηλεκτροκίνητο όχημα, είναι οι ίδιοι οι συσσωρευτές, οι οποίοι δίνουν μία σταθερή τάση, ανάλογη με το επίπεδο φόρτισής τους. Συνεπώς η τάση αυτή, πρέπει να υποβιβαστεί, με όσο το δυνατόν λιγότερες απώλειες, για να μπορεί να τροφοδοτήσει τα διάφορα στοιχεία της διάταξης. Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιήθηκε σταθεροποιητικό τάσης το οποίο με την κατάλληλη συνδεσμολογία δίνει το επιθυμητό επίπεδο τάσης, με αρκετά υψηλή απόδοση. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε το σταθεροποιητικό LM2596 της εταιρίας Texas Instruments που φαίνεται στο σχήμα Αυτού του τύπου τα σταθεροποιητικά, απαιτούν τη χρήση μίας διόδου Schottky και ενός φίλτρου LC, με στόχο την ελαχιστοποίηση της κυμάτωσης της τάσης εξόδου. Η συνδεσμολογία που ακολουθήθηκε παρουσιάζεται στο σχηματικό διάγραμμα του σχήματος Σχήμα 4. 10: Το σταθεροποιητικό τάσης LM2596 της εταιρίας Texas Instruments [49]. 133

148 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4. 11: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος τροφοδοσίας με τη χρήση του LM2596 της εταιρίας Texas Instruments. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι στην είσοδο του σταθεροποιητικού τοποθετήθηκαν δύο πυκνωτές των 330uF για την σταθεροποίηση της τάσεως εισόδου του τροφοδοτικού. Επίσης, τα στοιχεία για το φίλτρο LC επιλέχθηκαν από τον πίνακα 1 του φυλλαδίου κατασκευαστή, ο οποίος φαίνεται στο σχήμα 4.12 που ακολουθεί. Σχήμα 4. 12: Πίνακας επιλογής στοιχείων φίλτρου LC του κυκλώματος τροφοδοσίας [50]. 134

149 Κεφάλαιο 4 ο 4.7 Μέτρηση θερμοκρασίας κελίων Μία εξίσου σημαντική λειτουργία του συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, αποτελεί η μέτρηση της θερμοκρασίας κάθε κελιού. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν έξι ψηφιακά θερμόμετρα, τα οποία μπορούν να διαβάζουν, ανά πάσα στιγμή, τη θερμοκρασία των κελιών πάνω στα οποία είναι βιδωμένη η πλακέτα. Το είδος των ψηφιακών θερμομέτρων που χρησιμοποιήθηκε είναι το TC74 της εταιρίας Microchip. Τα θερμόμετρα αυτά, επικοινωνούν με τον μικροελεγκτή μέσω ενός πρωτοκόλλου I2C (Inter- Integrated-Circuit). Στη συνέχεια, θα δοθεί μία πλήρης περιγραφή της επικοινωνίας μεταξύ μικροελεγκτή και TC74 και θα παρουσιαστεί η συνδεσμολογία του κυκλώματος για τη μέτρηση της θερμοκρασίας έξι κελιών Ανάγνωση της τιμής της θερμοκρασίας με τη χρήση του πρωτοκόλλου I2C Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα στοιχεία TC74 επικοινωνούν με τον μικροελεγκτή κάνοντας χρήση του διαύλου επικοινωνίας I2C. Η συγκεκριμένη μέθοδος, αποτελεί μία επικοινωνία μικρής ταχύτητας, μεταξύ ενός Master και πολλών Slave. Ακόμη, το βασικό της πλεονέκτημα είναι ότι η μεταφορά δεδομένων γίνεται με τη χρήση αποκλειστικά δύο γραμμών επικοινωνίας, των SCL και SDA. Η γραμμή SCL είναι η γραμμή χρονισμού, ενώ η γραμμή SDA είναι η γραμμή δεδομένων. Οι γραμμές αυτές, συνδέονται σε όλες τις συσκευές, που υπάρχουν πάνω στο δίαυλο I2C. Προφανώς, εκτός από τις παραπάνω γραμμές που μεταφέρουν δεδομένα, απαιτούνται και δύο επιπλέον γραμμές οι οποίες είναι απαραίτητες για την τροφοδοσία και των έξι TC74, που χρησιμοποιήθηκαν [51]. Σε κάθε σύστημα I2C, κάθε στοιχείο που αποτελεί Slave, χαρακτηρίζεται από τη δική του διεύθυνση. Έτσι, κάθε διεύθυνση είναι ξεχωριστή στο σύστημα και αντιπροσωπεύει μόνο έναν slave. Η διεύθυνση μπορεί να είναι μία λέξη των 7bit ή των 10bit. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, τα στοιχεία TC74 έχουν διευθύνσεις των 7bit. Επίσης, πέραν αυτών των διευθύνσεων, κάθε TC74 περιέχει κατάλληλους καταχωρητές οι οποίοι είναι υπεύθυνοι είτε για την αποθήκευση δεδομένων είτε για τη ρύθμιση του εκάστοτε στοιχείου. Στη συνέχεια, θα αναλυθεί η διαδικασία λήψης της θερμοκρασίας από ένα στοιχείο TC74. Κάθε πακέτο δεδομένων που αποστέλλεται ή λαμβάνεται από τον μικροελεγκτή αποτελείται από 8bit. Αρχικά, ο μικροελεγκτής παράγει μία συνθήκη εκκίνησης στο δίαυλο I2C, ώστε να ξεκινήσει η μεταφορά δεδομένων. Έπειτα, αποστέλλεται στο δίαυλο η διεύθυνση του 135

150 Κεφάλαιο 4 ο στοιχείου (7bit), του οποίου τη θερμοκρασία θέλουμε να αναγνώσουμε, ακολουθούμενη από το χαρακτηριστικό bit εγγραφής/ανάγνωσης (0 για εγγραφή, 1 για ανάγνωση). Στη περίπτωση μας, το bit αυτό είναι μηδέν. Στη συνέχεια, ο μικροελεγκτής αναμένει για επιβεβαίωση (ACK) από το αντίστοιχο TC74. Μόλις το τελευταίο επιβεβαιώσει, ο μικροελεγκτής στέλνει τη διεύθυνση του καταχωρητή του θερμομέτρου, στον οποίο είναι αποθηκευμένη η τιμή της θερμοκρασίας. Η θερμοκρασία αυτή, προέκυψε έπειτα από τη μετατροπή του ADC, του αντίστοιχου TC74. Ο μικροελεγκτής αναμένει και πάλι για επιβεβαίωση (ACK). Όταν αυτή έλθει, ο μικροελεγκτής παράγει μία συνθήκη επανεκκίνησης της διεργασίας. Αμέσως μετά, αποστέλλεται και πάλι η διεύθυνση του θερμομέτρου, ακολουθούμενη αυτή τη φορά από το bit ανάγνωσης. Έπειτα, από την αποστολή της επιβεβαίωσης (ACK), ο μικροελεγκτής λαμβάνει μία λέξη των 8bit από το αντίστοιχο TC74. Τέλος, αφού ολοκληρωθεί η λήψη των δεδομένων, ο μικροελεγκτής αποστέλλει μία μη-επιβεβαίωση (NACK) και ολοκληρώνεται η διαδικασία επικοινωνίας παράγοντας στο δίαυλο, συνθήκη λήξης της διαδικασίας. Όλα τα παραπάνω συνοψίζονται στο σχήμα 4.13, ενώ στα σχήματα 4.14 και 4.15 παρουσιάζονται τα χρονικά διαγράμματα υλοποίησης του πρωτοκόλλου και οι διάφοροι χρόνοι αντίστοιχα [50]. Σχήμα 4. 13: Διαδικασία ανάγνωσης ενός byte από ένα στοιχείο TC74 [52]. Σχήμα 4. 14: Χαρακτηριστικοί χρόνοι που φαίνονται στο σχήμα 4.14 [52]. 136

151 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4. 15: Χρονικά διαγράμματα υλοποίησης της επικοινωνίας με το TC74 [52]. 137

152 Κεφάλαιο 4 ο Σχεδίαση κυκλώματος μέτρησης της θερμοκρασίας Γνωρίζοντας τη λειτουργία του στοιχείου TC74, είμαστε σε θέση να σχεδιάσουμε το κύκλωμα μέτρησης της θερμοκρασίας έξι κελιών που φαίνεται στο σχήμα Παρατηρούμε, ότι όλα τα στοιχεία TC74 έχουν τοποθετηθεί παράλληλα στις γραμμές δεδομένων. Επίσης, το TC74 είναι ένα στοιχείο το οποίο επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την τροφοδοσία του. Για το λόγο αυτό, η τροφοδοσία καθενός από αυτά σταθεροποιείται με τη χρήση ενός κεραμικού πυκνωτή 1uF, ο οποίος έχει την ικανότητα να εξομαλύνει την τάση τροφοδοσίας κάθε στοιχείου, ώστε τα δεδομένα που μεταφέρονται μέσω του διαύλου να μην αποκλίνουν των πραγματικών. Σχήμα 4. 16: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος μέτρησης της θερμοκρασίας έξι κελιών. 4.8 Σχεδίαση και κατασκευή ολοκληρωμένης διάταξης επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Ύστερα από την ανάλυση όλων των λειτουργιών της διάταξης επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών και τη δοκιμή όλων των επιμέρους κυκλωμάτων, έφτασε η στιγμή για τη σχεδίαση και κατασκευή της τελικής πλακέτας. Σκοπός της συγκεκριμένης υλοποίησης είναι η ενσωμάτωση όλων των παραπάνω λειτουργιών σε μία πλακέτα, η οποία θα είναι βιδωμένη 138

153 Κεφάλαιο 4 ο επάνω σε κάθε εξάδα συσσωρευτών και θα την επιβλέπει. Στο σχήμα 4.13 παρουσιάζεται το κεντρικό σχηματικό διάγραμμα από το οποίο μπορεί να πάρει κάποιος μία γενική ιδέα της λειτουργίας της διάταξης. Το ολοκληρωμένο σχηματικό διάγραμμα παρατίθεται στο αντίστοιχο παράρτημα. Για την καλύτερη κατανόηση του σχήματος 4.13, θα εξηγηθούν συνοπτικά οι λειτουργίες που επιτελεί κάθε ξεχωριστό κύκλωμα που βρίσκεται στα επιμέρους φύλλα του ΚiCad. Αρχικά, στο φύλλο Power_Supply βρίσκεται το κύκλωμα τροφοδοσίας που φαίνεται στο σχήμα 4.11, ενώ στο φύλλο Temp_Sensors βρίσκεται το κύκλωμα μέτρησης της θερμοκρασίας κάθε κελιού. Επίσης, στα τρία κεντρικά φύλλα βρίσκονται το κύκλωμα μέτρησης της τάσης κάθε κελιού (BQ76PL536A-Q1), το κύκλωμα παλμοδότησης (Pulse_Circuit) και το κύκλωμα ισοστάθμισης των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών (Balancing_Circuit). Στο τελευταίο, έχουν προστεθεί ασφάλειες των 10Α, οι οποίες προστατεύουν την πλακέτα και τα επιμέρους κυκλώματα, από τυχόν λάθος παλμοδοτήσεις των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος ή κάποιου άλλου είδους βραχυκύκλωμα. Για παράδειγμα, εάν δοθεί παλμός σε κάποιο MOSFET, με κύκλο λειτουργίας (duty cycle) μεγαλύτερο του 0,5, τότε το αντίστοιχο πηνίο ή ο μετασχηματιστής θα μπει στον κόρο, με αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος πέρα των επιτρεπτών ορίων. Η ύπαρξη ασφαλειών, αποτρέπει το παραπάνω συμβάν καθώς η ασφάλεια, από την οποία θα περάσει το παραπάνω ρεύμα, θα καεί. Μία ακόμη δυνατότητα της διάταξης του σχήματος 4.13, είναι η δυνατότητα κατασκευής τεσσάρων όμοιων πλακετών, οι οποίες θα επικοινωνούν μεταξύ τους και μόνο η πρώτη θα είναι εκείνη η οποία θα επικοινωνεί με τον μικροελεγκτή. Τα σήματα των παλμών μεταφέρονται από την μία πλακέτα στην άλλη, με τη βοήθεια έξι ανεξάρτητων κυκλωμάτων απομόνωσης, λόγω του διαφορετικού δυναμικού των πλακετών (Send Pwm Signals to the next Board και Pwm from Previous Board). Σε κάθε πλακέτα επιλέγεται το κατάλληλο σήμα παλμού, μέσω δύο jumper (Choose Pwm for Board και Choose Pwm_Fly for Board). Με αυτό τον τρόπο, μπορεί να γίνει επίβλεψη όλων των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών του οχήματος τύπου buggy του εργαστηρίου ΕΗΜΕ, με τη χρήση ενός μοναδικού μικροελεγκτή. Τέλος, με τη χρήση δύο Led γίνονται εμφανή στο χρήστη τα σφάλματα FAULT και ALERT (Fault and Alert Led) που εξηγήθηκαν στο κεφάλαιο 2, ενώ με την ίδια μέθοδο μπορούν να φανούν τα κελιά στα οποία λαμβάνει χώρα η διαδικασία της ισοστάθμισης. 139

154 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4. 17: Κεντρικό σχηματικό διάγραμμα διάταξης επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 140

155 Κεφάλαιο 4 ο Μετά τη διαδικασία της σχεδίασης των επιμέρους κυκλωμάτων, όπως αυτά φαίνονται στο σχηματικό διάγραμμα του σχήματος 4.13, ακολούθησε η δημιουργία της πλακέτας PCB στο KiCad. Ο μεγάλος όγκος και το πλήθος των στοιχείων που ήταν αναγκαίο να χρησιμοποιηθούν, οδήγησε στη χρήση στοιχείων SMD, τα οποία καταλαμβάνουν ελάχιστο χώρο πάνω στην πλακέτα. Επίσης, υπάρχει περιορισμός και στις στρώσεις χαλκού (Copper Layers) που μπορούν να εκτυπωθούν από το ειδικό μηχάνημα του τμήματος, ο αριθμός των οποίων περιορίζεται στις δύο. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την υψηλή πολυπλοκότητα της πλακέτας οδήγησε στο σχεδιασμό 5981 γραμμών, 1072 κόμβων, 1296 pads και 181 vias, ενώ στη πλακέτα τοποθετήθηκαν 312 στοιχεία. Στα σχήματα 4.14 και 4.15, παρουσιάζονται οι δύο όψεις της πλακέτας που κατασκευάστηκε με μοναδικό τοποθετημένο στοιχείο, το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1. Αντίστοιχα, στα σχήματα 4.16 και 4.17 φαίνονται οι δύο όψεις της πλακέτας, με τοποθετημένο το σύνολο των στοιχείων της διάταξης επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Σχήμα 4. 18: Πάνω όψη πλακέτας με τοποθετημένο μόνο το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1. 141

156 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4. 19: Κάτω όψη πλακέτας με τοποθετημένο μόνο το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1. Σχήμα 4. 20: Πάνω όψη ολοκληρωμένης διάταξης επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 142

157 Κεφάλαιο 4 ο Σχήμα 4. 21: Κάτω όψη ολοκληρωμένης διάταξης επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 143

158

159 Κεφάλαιο 5 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ ΚΑΙ Η ΛΟΓΙΚΗ ΤΟΥ ΕΚΤΕΛΕΣΙΜΟΥ ΚΩΔΙΚΑ 5.1 Εισαγωγή Στο προηγούμενο κεφάλαιο, αναφερθήκαμε στη σχεδίαση και την κατασκευή της διάταξης επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Ωστόσο, για να λειτουργήσει η παραπάνω διάταξη, είναι αναγκαία η χρήση ενός μικροελεγκτή. Ο παραπάνω, θα επικοινωνεί με τα επιμέρους στοιχεία και θα παράγει τους απαραίτητους παλμούς, ώστε η συνολική διάταξη να επιτελεί το σκοπό για τον οποίο κατασκευάστηκε. Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής STM32F429ZI της εταιρίας ST Microelectronics. Στο κεφάλαιο αυτό, θα αναλυθεί η δομή του προαναφερθέντα μικροελεγκτή και θα παρουσιαστεί το περιβάλλον, με τη βοήθεια του οποίου έγινε ο προγραμματισμός του. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή έγινε σε γλώσσα C. Τέλος, θα αναπτυχθεί η λογική του κώδικα εκτέλεσης, μέσω ενός λογικού διαγράμματος, για την καλύτερη και ευκολότερη κατανόησή του. 5.2 Δομή μικροελεγκτή Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, κρίθηκε απαραίτητη η χρήση ενός μικροελεγκτή με υψηλή υπολογιστική ισχύ. Πιο συγκεκριμένα, ο μικροελεγκτής έπρεπε να είναι ικανός να διαβάσει τις τάσεις και τις θερμοκρασίες όλων των κελιών, της συστοιχίας του ηλεκτροκίνητου οχήματος, μέσω των πρωτοκόλλων επικοινωνίας SPI και I2C αντίστοιχα. Οι παραπάνω ψηφιακή μορφή των τιμών, μετατρέπεται σε αναλογική μέσω αριθμητικών πράξεων. Συμφώνα με τις τιμές αυτές, υπολογίζεται η στάθμη φόρτισης κάθε κελιού ξεχωριστά και παλμοδοτούνται τα κατάλληλα ημιαγωγικά στοιχεία, ώστε να λάβει χώρα η διαδικασία της ισοστάθμισης. Στα προαναφερθέντα, έρχεται να προστεθεί η μέτρηση 145

160 Κεφάλαιο 5 ο της τιμής του ρεύματος ολόκληρης της συστοιχίας. Όλα τα παραπάνω δεδομένα, έπρεπε να απεικονίζονται σε μία οθόνη ώστε να είναι ορατά από το χρήστη. Ο μικροελεγκτής που επιλέχθηκε για να υλοποιήσει τις προηγούμενες λειτουργίες, είναι ο STM32F429ZI της εταιρίας ST Microelectronics. Η συγκεκριμένη εταιρία, παράγει μικροελεγκτές γενικού σκοπού, οι οποίοι χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε εφαρμογές ηλεκτρονικών εξαιτίας κυρίως του χαμηλού τους κόστους και της γρήγορης και εύκολης επικοινωνίας με τον υπολογιστή. Στα προτερήματα τους συγκαταλέγονται, η υψηλή συχνότητα λειτουργίας, που φτάνει τα 180MHz, η μεγάλη μνήμη και η δυνατότητα απεικόνισης δεδομένων, αλλά και γραφικών στην οθόνη ορισμένων μικροελεγκτών. Πιο συγκεκριμένα, ο μικροελεγκτής STM32F429ZI βασίζεται στον επεξεργαστή ARM- Cortex_M4, ο οποίος διαθέτει δίαυλο 32-bit, μπορεί να φτάσει έως και τα 180MHz και υποστηρίζει είτε 8-bit είτε 16-bit συσκευές. Ακόμη, εκτός των άλλων δυνατοτήτων του, ο επεξεργαστής έχει την ικανότητα να πραγματοποιεί πράξεις κινητής υποδιαστολής (Floating Point), εξασφαλίζοντας υψηλή ακρίβεια και ταχύτητα σε υπολογιστικές πράξεις. Ταυτόχρονα, έχει σχεδιαστεί, ώστε να έχει χαμηλή κατανάλωση ισχύος, ενώ μέσα σε όλα τα άλλα ο μικροελεγκτής ενσωματώνει: i. 2MB μνήμης Flash, 256KB μνήμης SRAM και 4ΚΒ μνήμης backup SRAM ii. Τρεις 12-bit ADCs (Analog to Digital Converters) iii. Δύο 12-bit DACs (Digital to Analog Converters) iv. Δώδεκα 16-bit χρονιστές (timers) γενικού σκοπού v. Δύο 32-bit χρονιστές (timers) γενικού σκοπού Από την άλλη πλευρά, ο μικροελεγκτής αποτελείται από τις ακόλουθες προηγμένες διεπαφές επικοινωνίας: i. Μέχρι τρία I2C (Inter-Integrated Circuit) ii. Μέχρι τέσσερα USART και τέσσερα UART iii. Μέχρι έξι SPI (Serial Peripheral Interface), μέγιστης ταχύτητας 45Mbits/s iv. Ένα SAI (Serial Audio Interface) v. Δύο CAN (Controller Area Network) vi. Μία SDIO επαφή 146

161 Κεφάλαιο 5 ο vii. Ένα USB OTG (On The Go) full speed και ένα USB OTG με δυνατότητα full speed viii. Ethernet και διεπαφή κάμερας Όλα τα παραπάνω, συγκεντρώνονται στο δομικό διάγραμμα του μικροελεγκτή που παρουσιάζεται στο σχήμα 5.1. Σχήμα 5. 1: Δομικό διάγραμμα του μικροελεγκτή STM32F429xx [53]. 147

162 Κεφάλαιο 5 ο Τέλος, ο STM32F429ZI έρχεται προσαρμοσμένος πάνω σε μία πλακέτα, η οποία ονομάζεται STM32F429 - Discovery Board, και διαθέτει όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά που την καθιστούν ιδανική για την παρούσα χρήση. Στο σχήμα 5.2, φαίνεται μία κάτοψη της πλακέτας του μικροελεγκτή. Όπως, παρατηρούμε, το μεγαλύτερο μέρος της πλακέτας καλύπτεται από μία οθόνη αφής. Επίσης, υπάρχει μεγάλος αριθμός ακίδων (pins), τα οποία παίζουν το ρόλο εισόδων-εξόδων (I/O) ή τροφοδοσίας. Ορισμένα από τα παραπάνω pins, εάν ρυθμιστούν σε εναλλακτική λειτουργία (Alternate Function - AF), μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν pin σε διάφορες λειτουργίες, όπως είναι οι έξοδοι κάποιων χρονιστών (timer) και οι γραμμές ενός είδους επικοινωνίας (SPI, I2C, UART, κ.α.). Σχήμα 5. 2: Η πλακέτα STM32F429 - Discovery Board [54]. 5.3 Πρόγραμμα δημιουργίας κώδικα μικροελεγκτή Για τον προγραμματισμό της πλακέτας STM32F429 - Discovery Board είναι αναγκαία η χρήση ενός προγράμματος, το οποίο να υποστηρίζει τον συγκεκριμένο μικροελεγκτή της εταιρίας STMicroelectronics. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε η πλατφόρμα Keil, λόγω 148

163 Κεφάλαιο 5 ο της εύκολης εκμάθησής της και της ποικιλίας των επιλογών. Στη συνέχεια, θα αναλυθεί συνοπτικά η διαδικασία σύνδεσης και επικοινωνίας του μικροελεγκτή με το πρόγραμμα Keil. Πρώτο στάδιο επικοινωνίας αποτελεί η εισαγωγή της πλακέτας που χρησιμοποιείται. Αυτό, γίνεται από την επιλογή select target όπου επιλέγουμε STM32F429 Discovery, αφού προηγουμένως έχουμε κατεβάσει όλα τα απαραίτητα πακέτα του μικροελεγκτή. Στη συνέχεια, ακολουθεί η ρύθμιση του τρόπου επικοινωνίας του μικροελεγκτή με τον υπολογιστή. Έτσι, επιλέγοντας options for target εμφανίζεται το παράθυρο το σχήματος 5.3. Στην καρτέλα Target, ρυθμίζουμε τη συχνότητα κρυστάλλου του μικροελεγκτή, ώστε αυτή να συμπίπτει με τη συχνότητα που τον έχουμε ρυθμίσει από τις προεπιλογές του. Επίσης, στην καρτέλα Debug, επιλέγουμε πάντα την επιλογή ST-Link Debugger, ενώ πατώντας Settings ακριβώς δίπλα, ρυθμίζουμε το Port στο SW. Τέλος, πρέπει να εισαχθούν οι απαραίτητες βιβλιοθήκες στο πρόγραμμα. Αυτό επιτυγχάνεται, από την επιλογή File Extensions, Books and Environment, που βρίσκεται δίπλα από το Options for Target. Σε αυτό το σημείο, είμαστε σε θέση να προγραμματίσουμε τον μικροελεγκτή χωρίς κανένα πρόβλημα. Σχήμα 5. 3: Καρτέλα της επιλογής Options for Target του Keil. 149

164 Κεφάλαιο 5 ο 5.4 Λογική του κώδικα εκτέλεσης Στη παρούσα ενότητα θα αναφερθεί η λογική του κώδικα, ο οποίος εκτελείται στο SMT32F429 Discovery Board. Για το σκοπό αυτό και για την καλύτερη κατανόηση του τελευταίου, παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής του σχήματος 5.4. ΑΡΧΗ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ SPI I2C Pwm Pwm_Fly LedPwm ADC1 ΔΙΕΥΘΥΝΣΙΟΔΟΤΗΣΗ BQ76PL536A-Q1 ΚΑΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ EPROM REGISTERS ΔΙΑΒΑΣΕ DEVICE_STATUS REGISTER ΥΠΑΡΧΕΙ ALERT; ΝΑΙ ΤΥΠΩΣΕ ΤΟ ΤΥΠΟ ΤΟΥ ALERT ΔΙΑΓΡΑΦΗ ALERT ΑΠΟ ΤΟ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΗ BQ ΟΧΙ ΥΠΑΡΧΕΙ FAULT; ΝΑΙ ΤΥΠΩΣΕ ΤΟ ΤΥΠΟ ΤΟΥ FAULT ΔΙΑΓΡΑΦΗ FAULT ΑΠΟ ΤΟ ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΗ BQ ΟΧΙ ΥΠΑΡΧΕΙ UV LOCKOUT; ΝΑΙ ΤΥΠΩΣΕ UNDERVOLTAGE LOCKOUT ΟΧΙ ΝΑΙ ΓΙΝΕΤΑΙ ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΗ ΚΕΛΙΩΝ; ΟΧΙ ΣΒΗΣΕ ΤΑ LED ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΗΣ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΙΣ ΤΑΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΕΛΙΩΝ ΤΥΠΩΣΕ ΤΙΣ ΤΑΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΕΛΙΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΚΑΘΕ ΚΕΛΙΟΥ ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΗ ΚΕΛΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΗ ΔΙΑΦΟΡΑ ΣΤΑΘΜΗΣ ΑΝΑΨΕ ΤΟ LED ΠΟΥ ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΕΙ ΣΤΟ ΚΕΛΙ ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΣΗΣ ΤΥΠΩΣΕ ΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΚΑΘΕ ΚΕΛΙΟΥ ΚΑΙ ΤΟ ΡΕΥΜΑ ΤΗΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ ΔΙΑΒΑΣΕ ΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΚΑΘΕ ΚΕΛΙΟΥ ΚΑΙ ΤΟ ΡΕΥΜΑ ΤΗΣ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑΣ ΤΕΛΟΣ Σχήμα 5. 4: Διάγραμμα ροής εκτελέσιμου κώδικα. 150

165 Κεφάλαιο 6 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 6.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο παρατίθενται οι μετρήσεις και τα παλμογραφήματα που προέκυψαν κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Μέσω αυτών, αποδεικνύεται η ορθότητα λειτουργίας των επιμέρους κυκλωμάτων της διάταξης επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών που κατασκευάστηκε. Συγκεκριμένα, στα διαγράμματα που ακολουθούν απεικονίζονται οι τάσεις και τα ρεύματα σε διάφορα σημεία της διάταξης ισχύος και συγκρίνονται με τα αντίστοιχα θεωρητικά. Όλα τα παλμογραφήματα είναι συγχρονισμένα ως προς το σήμα παλμού του mosfet που ενεργοποιείται κάθε φορά. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι μετρήσεις της τάσης ενός κελιού, έτσι όπως μετρώνται από το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1, συγκρινόμενες με τις τιμές που προκύπτουν από πολύμετρο. Η παραπάνω διαδικασία ακολουθήθηκε κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση ολόκληρης της συστοιχίας. Με τον τρόπο αυτό, μπορούμε να βγάλουμε χρήσιμα συμπεράσματα για την ακρίβεια του ολοκληρωμένου. Τέλος, παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν έπειτα από την ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων. Παράλληλα, αναφέρονται οι προοπτικές της παρούσας διπλωματικής εργασίας με στόχο τη βελτίωση της διάταξης που κατασκευάστηκε. 6.2 Παλμογραφήσεις κυκλώματος ισοστάθμισης γειτονικών κελιών Στην ενότητα αυτή θα παρουσιασθούν οι παλμογραφήσεις, από την ισοστάθμιση μιας συστοιχίας έξι κελιών. Πιο συγκεκριμένα, θα ελεγχθεί η μεταφορά ενέργειας από το δεύτερο εν σειρά κελί της συστοιχίας προς το πρώτο. Στο σχήμα 6.1 υπενθυμίζεται η διάταξη ισοστάθμισης, ώστε να γίνουν περισσότερο κατανοητά τα μετρούμενα μεγέθη. Τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν, έγιναν με σταθερή συχνότητα f=15khz και για δύο διαφορετικούς κύκλους λειτουργίας (δ=0,5 και δ=0,3). Στα σχήματα 6.2 έως 6.6, παρουσιάζονται οι παλμογραφήσεις τάσεων και ρευμάτων για δ=0,5, ενώ στα σχήματα

166 Κεφάλαιο 6 ο έως 6.11 για δ=0,3. Σε κάθε περίπτωση, ο παλμός είναι συνδεδεμένος στο Channel 1 του παλμογράφου και φαίνεται πρώτος σε όλα τα παλμογραφήματα. Vcell 6 L 5 M 5 M 4 Vcell 5 D 5 L 4 D 4 Vcell 4 L 3 M 3 M 2 D 6 Vcell 3 D 3 L 2 D 2 Vcell 2 M 6 L 1 M 1 D 7 Vcell 1 D 1 T 1 M 7 D 8 Σχήμα 6. 1: Πειραματική διάταξη ισοστάθμισης μιας συστοιχίας έξι κελιών. 152

167 Κεφάλαιο 6 ο 1. Μεταφορά ενέργειας με συχνότητα παλμοδότησης f=15khz και δ=0,5. Σχήμα 6. 2: Τάση δεύτερου κελιού της συστοιχίας (κόκκινο χρώμα) και ρεύμα mosfet M1 (πράσινο χρώμα). Σχήμα 6. 3: Τάση πρώτου κελιού της συστοιχίας (κόκκινο χρώμα) και ρεύμα διόδου Schottky D1 (πράσινο χρώμα). 153

168 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6. 4: Τάση mosfet M1 (κόκκινο χρώμα). Σχήμα 6. 5: Τάση διόδου Schottky D1 (κόκκινο χρώμα). 154

169 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6. 6: Τάση (κόκκινο χρώμα) και ρεύμα (πράσινο χρώμα) πηνίου L1. 2. Μεταφορά ενέργειας με συχνότητα παλμοδότησης f=15khz και δ=0,3 Σχήμα 6. 7: Τάση δεύτερου κελιού της συστοιχίας (κόκκινο χρώμα) και ρεύμα mosfet M1 (πράσινο χρώμα). 155

170 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6. 8: Τάση πρώτου κελιού της συστοιχίας (κόκκινο χρώμα) και ρεύμα διόδου Schottky D1 (πράσινο χρώμα). Σχήμα 6. 9: Τάση mosfet M1 (κόκκινο χρώμα). 156

171 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6. 10: Τάση διόδου Schottky D1 (κόκκινο χρώμα). Σχήμα 6. 11: Τάση (κόκκινο χρώμα) και ρεύμα (πράσινο χρώμα) πηνίου L1. 157

172 Κεφάλαιο 6 ο Από τις παραπάνω παλμογραφήσεις, διαπιστώνουμε την ορθότητα λειτουργίας της διάταξης ισοστάθμισης γειτονικών κελιών που κατασκευάστηκε. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 3, συμπίπτουν με τα πειραματικά αποτελέσματα. Πιο συγκεκριμένα, τα ρεύματα αγωγής των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος έχουν τριγωνική μορφή, ενώ η τάση τους δεν ξεπερνά τα όρια αντοχής τους. Επίσης, είναι εμφανής η ταλάντωση της τάσης όλων των στοιχείων, όταν το πηνίο εκφορτιστεί πλήρως. Αυτή, οφείλεται στις παρασιτικές χωρητικότητες των ημιαγωγικών στοιχείων. Ωστόσο, η ταλάντωση αυτή δεν δημιουργεί επιπλέον προβλήματα και για το λόγο αυτό επιλέχθηκε να μην αποσβέννυται με κύκλωμα snubber. Από την άλλη πλευρά, στους ηλεκτροχημικούς συσσωρευτές μεταξύ των οποίων ανταλλάσσεται ενέργεια, εμφανίζονται υπερτάσεις. Οι υπερτάσεις αυτές, έχουν διάρκεια μερικά νανοδευτερόλεπτα και οφείλονται κατά πάσα πιθανότητα στους δρόμους αγωγής του ρεύματος. Συγκεκριμένα η παρασιτική επαγωγή του δρόμου ισχύος του mosfet, δημιουργεί υπέρταση στα άκρα του Μ1 κατά τη σβέση του. Η υπέρταση αυτή, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.12, επηρεάζει τη τάση της διόδου Schottky. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η δίοδος να πολώνεται ανάστροφα, για ένα μικρό χρονικό διάστημα μετά την έναυσή της και το ρεύμα του πηνίου να μην μπορεί να εκφορτιστεί. Ωστόσο, μετά από μερικά νανοδευτερόλεπτα, η δίοδος Schottky πολώνεται ξανά ορθά και άγει. Στα παραπάνω οφείλεται και η υπέρταση στα άκρα του πηνίου. Επίσης, η αρνητική τάση του mosfet οφείλεται στην απόσταση από το σημείο μέτρησης, η οποία εισάγει μία μικρή παρασιτική επαγωγή. Στη πραγματικότητα, η τάση σε αυτό το σημείο είναι μηδενική. Στην προσπάθεια εξάλειψης των παραπάνω υπερτάσεων τοποθετήθηκε ένας πυκνωτής χωρητικότητας 2,2μF, παράλληλα σε κάθε κελί. Στα σχήματα 6.13 και 6.14 φαίνεται η συμπεριφορά του κυκλώματος σε αυτή τη περίπτωση. Όπως παρατηρούμε, η τάση που πέφτει πάνω στα κελιά μειώνεται αισθητά. Ωστόσο, παραμένει αρκετά υψηλότερη της ονομαστικής τιμής της τάσεως του κελιού. Εκτός αυτού, προκαλεί επιπλέον προβλήματα στη τοπολογία, αφού δημιουργείται ένα LC κύκλωμα και το ρεύμα ταλαντώνεται συνεχώς μεταξύ πυκνωτή και πηνίου. Επίσης, από την τάση της διόδου Schottky που φαίνεται στο σχήμα 6.14, μπορούμε εύκολα να συμπεράνουμε ότι μέρος της ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στο πηνίο L1, επιστρέφει πίσω στο δεύτερο κελί της συστοιχίας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα άσκοπη μεταφορά ενέργειας, η οποία μειώνει σημαντικά τη συνολική απόδοση του συστήματος. Για τους παραπάνω λόγους, επιλέχθηκε να μη χρησιμοποιηθούν πυκνωτές παράλληλα στα κελιά της συστοιχίας. 158

173 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6. 12: Τάση mosfet Μ1 (κόκκινο χρώμα) και τάση διόδου Schottky D1 (πράσινο χρώμα) κατά τη μετάβαση του M1 από την αγωγή στη σβέση. Σχήμα 6. 13: Τάση πρώτου κελιού (κόκκινο χρώμα) και ρεύμα πηνίου L1 (πορτοκαλί χρώμα). 159

174 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6. 14: Τάση διόδου Schottky D Παλμογραφήσεις κυκλώματος ισοστάθμισης ακριανών κελιών Τα παλμογραφήματα που ακολουθούν έγιναν για μεταφορά ενέργειας από το πρώτο κελί της συστοιχίας προς το έκτο, με χρήση του μετατροπέα Flyback που κατασκευάστηκε. Αυτά σε συνδυασμό με τις προσομοιώσεις της ενότητας 3.5, θα μας βοηθήσουν στον έλεγχο της ορθής λειτουργίας του μετατροπέα. Ο τελευταίος, υπενθυμίζεται στο σχήμα 6.1, που προηγήθηκε. Αρχικά, στο σχήμα 6.15 απεικονίζεται η τάση και το ρεύμα εισόδου του μετατροπέα Flyback. Αντίστοιχα, στο σχήμα 6.16 φαίνονται τα ίδια μεγέθη στην έξοδο του μετατροπέα. Στη συνέχεια, στο σχήμα 6.17 παρουσιάζεται η τάση της διόδου Schottky που βρίσκεται στην έξοδο του μετατροπέα και η τάση ενός από τα mosfet στην είσοδο. Τέλος, στο σχήμα 6.18 διακρίνονται οι τάσεις των διόδων D7 και D8, από όπου μπορεί να γίνει αντιληπτή η επιστροφή της ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή. 160

175 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6. 15: Ρεύμα mosfet Μ6, Μ7 (πράσινο χρώμα) και τάση πρώτου κελιού της συστοιχίας (κόκκινο χρώμα). Σχήμα 6. 16: Ρεύμα διόδου Schottky D6 (πράσινο χρώμα) και τάση έκτου κελιού της συστοιχίας (κόκκινο χρώμα). 161

176 Κεφάλαιο 6 ο Σχήμα 6. 17: Τάση διόδου D6 (κόκκινο χρώμα) και τάση mosfet Μ7 (πράσινο χρώμα). Σχήμα 6. 18: Τάση διόδου D7 (πράσινο χρώμα) και τάση διόδου D8 (κόκκινο χρώμα). 162

177 Κεφάλαιο 6 ο Συνοψίζοντας, τα πειραματικά αποτελέσματα φανερώνουν την ορθή λειτουργία του μετατροπέα Flyback, για μεταφορά ενέργειας από το πρώτο κελί της συστοιχίας προς το έκτο. Η ταλάντωση της τάσης των ημιαγωγικών στοιχείων, όταν ο πυρήνας του μετασχηματιστή έχει εκφορτιστεί πλήρως, είναι όμοια με αυτή που παρουσιάστηκε στις παλμογραφήσεις της ενότητας 6.2 και οφείλεται κατά κύριο λόγο στις παρασιτικές χωρητικότητες των ημιαγωγικών στοιχείων και στις επαγωγές των δρόμων αγωγής της πλακέτας. Επίσης, το πρόβλημα της υπέρτασης στα κελιά εμφανίζεται και σε αυτή τη περίπτωση, κατά τη σβέση των mosfet Μ6 και Μ7. Το γεγονός αυτό, επιβεβαιώνει το συμπέρασμα ότι η υπέρταση αυτή, οφείλεται στις παρασιτικές επαγωγές των γραμμών αγωγής της πλακέτας. 6.4 Μεταφορά ενέργειας μεταξύ δύο κελιών Στις προηγούμενες ενότητες ελέγχθηκε η ορθή λειτουργία της διάταξης ισοστάθμισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, μέσω των παλμογραφημάτων που παρουσιάστηκαν. Ωστόσο, αυτό δεν είναι αρκετό και είναι ανάγκη να διαπιστωθεί η πραγματική ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ των κελιών. Για το λόγο αυτό, μετρήθηκαν οι αρχικές στάθμες φόρτισης δύο ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, οι οποίοι στη συνέχεια ξεκίνησαν να ανταλλάσουν ενέργεια. Κατά τη λήξη της ανταλλαγής, μετρήθηκε και πάλι η στάθμη φόρτισης κάθε συσσωρευτή, ανακαλύπτοντας με αυτό τον τρόπο την αποτελεσματικότητα της διάταξης ισοστάθμισης. Πιο συγκεκριμένα, η στάθμη φόρτισης του πρώτου συσσωρευτή (Cell1), πριν την ανταλλαγή ενέργειας, βρέθηκε ίση με 60%, ενώ του δεύτερου ίση με 70%. Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια της εξισορρόπησης των κελιών λαμβάνονταν μετρήσεις των τάσεών τους. Οι παραπάνω μετρήσεις αναπαριστώνται στο διάγραμμα του σχήματος Μετά το πέρας μίας ώρας, η ανταλλαγή ενέργειας έλαβε τέλος. Παρ όλα αυτά, οι τάσεις των κελιών μετρώνται για τα επόμενα δέκα λεπτά, μέχρι τελικά να σταθεροποιηθούν στις τελικές τους τιμές. Οι νέες στάθμες φόρτισης των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών, που προκύπτουν στο τέλος της παραπάνω διαδικασίας είναι 63% για το πρώτο κελί και 67% για το δεύτερο κελί. Συνοψίζοντας, η μεταφορά ενέργειας από το δεύτερο κελί της συστοιχίας προς το πρώτο είναι κάτι παραπάνω από εμφανής. Με αυτό τον τρόπο, επιβεβαιώνεται η αποτελεσματικότητα της μεθόδου ισοστάθμισης και ο σχετικά μικρός χρόνος, για τα δεδομένα των συσσωρευτών (συσσωρευτές χωρητικότητας 90Ahr), που απαιτείται για την εξισορρόπηση δύο κελιών που βρίσκονται σε κοντινές στάθμες φόρτισης. 163

178 Κεφάλαιο 6 ο Τάση κελιών κατά την ανταλλαγή ενέργειας 3,35 3,34 3,33 3,32 3,31 3,3 3,29 3,28 3, Vcell1 (V) Vcell2 (V) Σχήμα 6. 19: Διάγραμμα των τάσεων δύο κελιών κατά την ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ τους. 6.5 Μετρήσεις ολοκληρωμένου BQ76PL536A-Q1 Στη συγκεκριμένη ενότητα παρουσιάζονται τα διάφορα είδη μετρήσεων που έγιναν, με στόχο να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία του κυκλώματος ανάγνωσης των τάσεων μίας συστοιχίας έξι κελιών. Οι μετρήσεις αυτές έγιναν για δύο διαφορετικές περιπτώσεις. Στην πρώτη περίπτωση η συστοιχία εκφορτίστηκε μέσω μίας σταθερής αντίστασης R, ενώ στη δεύτερη περίπτωση φορτίστηκε με σταθερό ρεύμα. Επειδή ο κυριότερος λόγος των συγκεκριμένων μετρήσεων είναι η μέτρηση της ακρίβειας του ολοκληρωμένου BQ76PL536A-Q1, καταγράφηκε η τάση ενός μόνο κελιού από τα έξι. Έτσι, στον πίνακα 6.1 που ακολουθεί, φαίνεται η μετρούμενη από το ολοκληρωμένο τάση σε συνδυασμό με την τάση που μετράει ένα πολύμετρο, για την περίπτωση της εκφόρτισης της συστοιχίας. Αντίστοιχα, στον πίνακα 6.2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τη φόρτιση της συστοιχίας. Στους δύο πίνακες υπολογίζεται η διαφορά μέτρησης μεταξύ των δύο οργάνων και αναπαριστάται σε ξεχωριστή στήλη. Τέλος, οι τιμές κάθε πίνακα αναπαριστώνται στα διαγράμματα των σχημάτων 6.20 και 6.21, δημιουργώντας με αυτό τον τρόπο τις καμπύλες εκφόρτισης και φόρτισης των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 164

179 Χρόνος (min) Πίνακας 6. 1: Μετρήσεις κατά την εκφόρτιση της συστοιχίας. Εκφόρτιση της συστοιχίας με σταθερή αντίσταση Τάση Τάση Τάση Διαφορά Χρόνος Πολύμετρου Πολύμετρου BQ (V) Τάσης (min) (V) (V) Τάση BQ (V) Κεφάλαιο 6 ο Διαφορά Τάσης 0 4,05 4, ,524 3,52 0, ,895 3,89 0, ,516 3,512 0, ,843 3,842 0, ,51 3,507 0, ,789 3,785 0, ,502 3,499 0, ,785 3,782 0, ,496 3,492 0, ,774 3,77 0, ,489 3,486 0, ,76 3,758 0, ,48 3,477 0, ,76 3,756 0, ,472 3,469 0, ,742 3,738 0, ,466 3,463 0, ,731 3,727 0, ,461 3,458 0, ,72 3,717 0, ,456 3,452 0, ,708 3,703 0, ,45 3,447 0, ,7 3,695 0, ,446 3,442 0, ,689 3,685 0, ,441 3,436 0, ,68 3,676 0, ,436 3,432 0, ,669 3,665 0, ,431 3,428 0, ,664 3,66 0, ,426 3,423 0, ,653 3,649 0, ,422 3,418 0, ,643 3,64 0, ,417 3,413 0, ,638 3,635 0, ,412 3,41 0, ,63 3,628 0, ,409 3,405 0, ,618 3,614 0, ,404 3,401 0, ,614 3,61 0, ,4 3,396 0, ,607 3,602 0, ,394 3,39 0, ,602 3,599 0, ,39 3,386 0, ,597 3,594 0, ,384 3,38 0, ,591 3,588 0, ,378 3,375 0, ,585 3,581 0, ,371 3,368 0, ,579 3,575 0, ,367 3,363 0, ,573 3,57 0, ,361 3,357 0, ,566 3,563 0, ,356 3,355 0, ,56 3,556 0, ,349 3,346 0, ,552 3,55 0, ,343 3,34 0, ,545 3,542 0, ,337 3,334 0, ,538 3,535 0, ,333 3,33 0, ,529 3,525 0, ,326 3,322 0,

180 Κεφάλαιο 6 ο 72 3,319 3,316 0, ,217 3,214 0, ,312 3,308 0, ,202 3,199 0, ,304 3,3 0, ,185 3,18 0, ,295 3,291 0, ,162 3,157 0, ,287 3,284 0, ,132 3,13 0, ,277 3,274 0, ,096 3,092 0, ,268 3,265 0, ,046 3,042 0, ,257 3,254 0, ,979 2,976 0, ,242 3,238 0, ,883 2,88 0, ,232 3,228 0, ,503 2,5 0,003 4,5 Σύγκριση μετρούμενων τάσεων κατά την εκφόρτιση 4 3,5 3 2, BQ Chip Multimeter Διαφορά τάσεων 0,01 0,008 0,006 0,004 0, Σχήμα 6. 20: Διαγράμματα μετρούμενων τιμών της τάσης κατά την εκφόρτιση. 166

181 Χρόνος (min) Πίνακας 6. 2: Μετρήσεις κατά τη φόρτιση της συστοιχίας. Τάση Πολύμετρου (V) Φόρτιση της συστοιχίας με σταθερό ρεύμα Τάση BQ (V) Διαφορά Τάσης Χρόνος (min) Τάση Πολύμετρου (V) Τάση BQ (V) Κεφάλαιο 6 ο Διαφορά Τάσης 0 2,827 2,823 0, ,743 3,74 0, ,312 3,307 0, ,747 3,744 0, ,414 3,41 0, ,752 3,748 0, ,467 3,463 0, ,754 3,75 0, ,512 3,509 0, ,755 3,753 0, ,545 3,542 0, ,758 3,756 0, ,575 3,573 0, ,761 3,759 0, ,592 3,589 0, ,763 3,761 0, ,601 3,599 0, ,766 3,763 0, ,609 3,605 0, ,768 3,766 0, ,614 3,61 0, ,771 3,769 0, ,624 3,622 0, ,774 3,771 0, ,638 3,636 0, ,779 3,775 0, ,647 3,644 0, ,78 3,778 0, ,653 3,65 0, ,782 3,781 0, ,66 3,657 0, ,785 3,783 0, ,668 3,665 0, ,788 3,786 0, ,673 3,671 0, ,792 3,789 0, ,678 3,675 0, ,795 3,792 0, ,683 3,68 0, ,798 3,795 0, ,688 3,684 0, ,801 3,799 0, ,692 3,689 0, ,805 3,802 0, ,695 3,693 0, ,808 3,806 0, ,7 3,697 0, ,813 3,809 0, ,704 3,702 0, ,817 3,814 0, ,708 3,704 0, ,82 3,817 0, ,711 3,708 0, ,825 3,822 0, ,712 3,71 0, ,828 3,826 0, ,72 3,718 0, ,833 3,83 0, ,724 3,72 0, ,838 3,835 0, ,727 3,724 0, ,84 3,838 0, ,73 3,727 0, ,848 3,846 0, ,733 3,73 0, ,853 3,851 0, ,736 3,734 0, ,859 3,856 0, ,739 3,735 0, ,864 3,861 0, ,741 3,738 0, ,87 3,867 0,

182 Κεφάλαιο 6 ο 72 3,876 3,874 0, ,955 3,953 0, ,883 3,88 0, ,96 3,957 0, ,889 3,886 0, ,963 3,96 0, ,894 3,891 0, ,969 3,966 0, ,9 3,898 0, ,973 3,971 0, ,909 3,906 0, ,976 3,974 0, ,915 3,913 0, ,98 3,978 0, ,92 3,918 0, ,984 3,982 0, ,926 3,923 0, ,989 3,986 0, ,932 3,929 0, ,994 3,99 0, ,937 3,935 0, ,011 4,007 0, ,942 3,939 0, ,063 4,059 0, ,947 3,945 0, ,129 4,125 0, ,951 3,948 0, ,186 4,182 0,004 4,5 Σύγκριση μετρούμενων τάσεων κατά τη φόρτιση 4 3,5 3 2, BQ Chip Multimeter Διαφορά τάσης 0,01 0,008 0,006 0,004 0, Σχήμα 6. 21: Διαγράμματα μετρούμενων τιμών της τάσης κατά τη φόρτιση. 168

183 Κεφάλαιο 6 ο Συνοψίζοντας, η διαφορά μετρούμενης τάσης μεταξύ ολοκληρωμένου και πολύμετρου δεν ξεπερνάει τα 4mV, τιμή η οποία κυμαίνεται κοντά στα όρια ακρίβειας του τελευταίου. Έτσι, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η διάταξη που κατασκευάστηκε, έχει ακρίβεια μέτρησης της τάσης μεγαλύτερη των 4mV. Τέλος, η μεγάλη ακρίβεια σε συνδυασμό με έναν κατάλληλο αλγόριθμο, μας δίνει τη δυνατότητα ακριβή υπολογισμού της στάθμης φόρτισης κάθε κελιού. Αυτό έχει σαν συνέπεια, η διαδικασία της ισοστάθμισης να χαρακτηρίζεται από υψηλή απόδοση και αποτελεσματικότητα. 6.6 Συμπεράσματα και προοπτικές Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη και η κατασκευή ενός ολοκληρωμένου συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Για να επιτευχθεί αυτό, μελετήθηκε ένας μεγάλος αριθμός διατάξεων ισοστάθμισης και κυκλωμάτων μέτρησης τάσεων. Από αυτά επιλέχτηκαν τα πλέον κατάλληλα και έπειτα από μία λεπτομερή ανάλυση της λειτουργίας τους, προχωρήσαμε στην κατασκευή του συστήματος. Στη συνέχεια, ακολούθησε η πειραματική διαδικασία, μέσω της οποίας προέκυψε πλήθος συμπερασμάτων. Αναλυτικότερα, επιβεβαιώθηκε η ορθή λειτουργία των επιμέρους κυκλωμάτων της διάταξης ισοστάθμισης. Πιο συγκεκριμένα, είναι δυνατόν να μεταφερθεί ενέργεια από κάθε κελί της συστοιχίας στο κατώτερο γειτονικό του, όπως επίσης και από το πρώτο κελί της συστοιχίας στο έκτο, μέσω ενός μετατροπέα Flyback. Επιπλέον, το ολοκληρωμένο BQ76PL536A-Q1, που είναι υπεύθυνο για τη μέτρηση των τάσεων της συστοιχίας, παρέχει υψηλή ακρίβεια, με αποτέλεσμα τον ακριβή υπολογισμό της στάθμης φόρτισης κάθε κελιού. Το σύνολο του συστήματος έρχεται να συμπληρώσει η μέτρηση της θερμοκρασίας κάθε κελιού και η μέτρηση του ρεύματος ολόκληρης της συστοιχίας. Τέλος, θα είχε μεγάλο ενδιαφέρον στο μέλλον να γίνουν ανάλογες εργασίες, με στόχο την εφαρμογή άλλων διατάξεων ισοστάθμισης, ώστε να υιοθετηθεί τελικά αυτή με τη μεγαλύτερη απόδοση και τη μικρότερη καταπόνηση των συσσωρευτών. Ακόμη, είναι ανάγκη να δημιουργηθούν οι κατάλληλοι αλγόριθμοι υπολογισμού: της στάθμης φόρτισης κάθε συσσωρευτή (State of Charge SOC) της γήρανσης κάθε συσσωρευτή (State of Health - SOH) της εσωτερικής αντίστασης κάθε συσσωρευτή. 169

184

185 Βιβλιογραφία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Α. Νταλαγιάννης και Κ. Φωτιαδάκης, "Μελέτη και κατασκευή φορτιστή συσσωρευτών ηλεκτροκίνητου οχήματος", Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών, [8] [9] [10] Ν. Μήλας, "Βελτιστοποίηση λειτουργίας ηλεκτρονικού διαφορικού για μικρό ηλεκτροκίνητο όχημα", Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών, [11] Δ. Βιδιαδάκης και Ν. Τσιάρα, "Μελέτη και κατασκευή οχήματος πόλης με διαφορικό ηλεκτροκινητήριο σύστημα", Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών, [12] Κ. Παναγόπουλος, "Διάταξη φόρτισης συσσωρευτών ηλεκτροκίνητου οχήματος", Πάτρα: Πανεπιστήμιο Πατρών, [13] 1%CE%AF%CE%B1. [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] 90Ah.html. [23] [24] D. Webb και S. Möller-Holst, «Measuring individual cell voltages in fuel cell stacks,» 21 May [25] O. J. Borgersen, Multicell Battery monitoring and balancing with AVR, Norwegian University of Science an Technology, June [26]

186 Βιβλιογραφία F/ ND/ [27] Linear Optocoupler IL300, Vishay Datasheet. [28] [29] Digital Isolator ACPL-C87x, Avago Technologies Datasheet. [30] High Voltage, Current Sense Monitor AD8215, Analog Devices Datasheet. [31] [32] 3-to 6 Series Cell Lithium-ion Battery Monitor and Secondary Protection IC for EV and HEV, Texas Instruments Datasheet, December [33] [34] GP ICR F, GP Batteries Datasheet, 23rd april [35] [36] [37] M. Daowd, N. Omar, P. Van Den Bossche και J. Van Mierlo, «A Review of Passive and Active Battery Balancing based on Matlab/Simulink,» September [38] [39] M. Daowd, N. Omar, P. Van Den Bossche και J. Van Mierlo, «Passive and Active Battery Balancing comparison based on Matlab/Simulink». [40] [41] O. S. D. Mosfet NDPL180N10B. [42] V. D. Schottky Diode VFT3045BP. [43] C. D. Power Inductor AGP [44] [45] F. E. D. Heatsink SK 454. [46] [47] Gate Drive Optocoupler HCPL-3180, Avago Technologies Datasheet. [48] [49] [50] Step Down Voltage Regulator LM2596, Texas Instruments Datasheet. [51] « [52] Serial Digital Thermal Sensor TC74, Microchip Datasheet. [53] ARM Cortex-M4 32b MCU+FPU, STM32F427xx, STM32F429xx, ST Microelectronics Datasheet. [54] STMicroelectronics-STM32F429I-DISCO. 172

187 Παράρτημα Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Σχηματικά και Τυπωμένα Κυκλώματα Πλακετών (PCB) στο Πρόγραμμα KiCad 173

188 Παράρτημα Α 1. Πλακέτα απομόνωσης και μέτρησης της τάσης κάθε κελιού Σχήμα Β. 1: Σχηματικό διάγραμμα πλακέτας απομόνωσης και μέτρησης της τάσης κάθε κελιού. 174

189 Παράρτημα Α Σχήμα Β. 2: Τυπωμένο κύκλωμα (PCB) πλακέτας απομόνωσης και μέτρησης της τάσης κάθε κελιού. 175

190 Παράρτημα Α 2. Πλακέτα ισοστάθμισης γειτονικών κελιών Σχήμα Β. 3: Πρώτο φύλλο σχηματικού διαγράμματος πλακέτας ισοστάθμισης γειτονικών κελιών. Σχήμα Β. 4: Δεύτερο φύλλο σχηματικού διαγράμματος πλακέτας ισοστάθμισης γειτονικών κελιών. 176

191 Παράρτημα Α Σχήμα Β. 5: Τυπωμένο κύκλωμα (PCB) πλακέτας ισοστάθμισης γειτονικών κελιών. 177

192 Παράρτημα Α 3. Πλακέτα ισοστάθμισης ακριανών κελιών Σχήμα Β. 6: Σχηματικό διάγραμμα πλακέτας ισοστάθμισης ακριανών κελιών. 178

193 Παράρτημα Α Σχήμα Β. 7: Τυπωμένο κύκλωμα (PCB) πλακέτας ισοστάθμισης ακριανών κελιών. 179

194 Παράρτημα Α 4. Πλακέτα ολοκληρωμένου συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών Σχήμα Β. 8: Πρώτο φύλλο σχηματικού διαγράμματος πλακέτας ολοκληρωμένου συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 180

195 Παράρτημα Α Σχήμα Β. 9: Δεύτερο φύλλο σχηματικού διαγράμματος πλακέτας ολοκληρωμένου συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 181

196 Παράρτημα Α Σχήμα Β. 10: Τρίτο φύλλο σχηματικού διαγράμματος πλακέτας ολοκληρωμένου συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 182

197 Παράρτημα Α Σχήμα Β. 11: Τέταρτο φύλλο σχηματικού διαγράμματος πλακέτας ολοκληρωμένου συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 183

198 Παράρτημα Α Σχήμα Β. 12: Πέμπτο φύλλο σχηματικού διαγράμματος πλακέτας ολοκληρωμένου συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 184

199 Παράρτημα Α Σχήμα Β. 13: Έκτο φύλλο σχηματικού διαγράμματος πλακέτας ολοκληρωμένου συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 185

200 Παράρτημα Α Σχήμα Β. 14: Τυπωμένο κύκλωμα (PCB) πλακέτας ολοκληρωμένου συστήματος επίβλεψης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. 186

201 Παράρτημα Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ B Κυριότερες σελίδες από τα φυλλάδια κατασκευαστών 187

202 188 Παράρτημα Β

203 189 Παράρτημα Β

204 190 Παράρτημα Β

205 191 Παράρτημα Β

206 192 Παράρτημα Β

207 193 Παράρτημα Β

208 194 Παράρτημα Β

209 195 Παράρτημα Β

210 196 Παράρτημα Β

211 197 Παράρτημα Β

212 198 Παράρτημα Β

213 199 Παράρτημα Β

214 200 Παράρτημα Β

215 201 Παράρτημα Β

216 202 Παράρτημα Β

217 203 Παράρτημα Β

218 204 Παράρτημα Β

219 205 Παράρτημα Β