Post on 04-Nov-2020
Diplomska naloga - 1 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Robert Gašparić
POLNILNIK BATERIJE PRENOSNEGA TELEFONA Z GORIVNO CELICO
Diplomska naloga
Maribor, oktober 2008
Diplomska naloga - 2 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga visokošolskega strokovnega študijskega programa
POLNILNIK BATERIJE PRENOSNEGA TELEFONA Z GORIVNO CELICO
Študent: Robert GAŠPARIĆ Študijski program: visokošolski strokovni, elektrotehnika Smer: avtomatika Mentor: red. prof. dr. Miro MILANOVIČ Somentor: doc.dr. Miran RODIČ
Maribor, oktober 2008
Diplomska naloga - 3 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Miru Milanoviću
za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske naloge.
Prav tako se zahvaljujem somentorju doc. dr. Miranu Rodiču
in osebju laboratorija za energetsko elektroniko za pomoč.
Maribor, oktober 2008
Diplomska naloga - 4 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
KLJUČNE BESEDE: ĆUK-ov pretvornik, DC – DC pretvornik, gorivne celice
UDK vrstilec: 621.355:621.395.721.5(043.2)
POVZETEK:
Diplomska naloga obsega projektiranje in izdelavo Ćuk-ovega DC-DC pretvornika za
vzdrževanje in polnjenje akumulatorskih baterij prenosnih telefonov. Izbrane so bile ustrezne
napetostne in tokovne zahteve za običajne Li-ion baterije. Ustrezna gorivna celica je bila
izbrana na osnovi baterijskih podatkov prenosnega telefona Siemens A65.
KEY WORDS: ĆUK converter, DC-DC converter
ABSTRACT: This graduation thesis contains a description, calculation and making of Ćuk DC-DC
converter. This converter is planed to keep and to charge Li-ion battery of cellular phone
Siemens A65. It was choosed adequate current an voltage demands and adequate fuel cell to
finish this diploma work.
Diplomska naloga - 5 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
VSEBINA:
1. UVOD 2
2. OSNOVE TEORIJE GORIVNIH CELIC 3
3. OSNOVE TEORIJE ĆUKOVEGA PRETVORNIKA 6
3.1. Osnovna konfiguracija Ćukovega pretvornika 6
3.2. Povzetek delovanja Ćukovega pretvornika 6
3.3. Simulacija Ćukovega pretvornika s programskim orodjem EWB 9
4. NAČRTOVANJE ĆUKOVEGA PRETVORNIKA 11
4.1. Projektne zahteve in izračun elementov Ćukovega pretvornika 11
4.2. Izračun kapacitivnosti in induktivnosti Ćukovega pretvornika 11
4.3. Ocena prevodnih in stikalnih izgub pretvornika 13
4.4. Pulzno-širinski modulator, PWM 14
4.5. Schottky dioda 14 4.6. MOSFET tranzistor 15
5. MERITVE IN IZRAČUNI 16
5.1. Merjenje karakteristik polnilnika v praznem teku 17
5.2. Merjenje el. karakteristik polnilnika pod obremenitvijo 17
5.3. Izračun statične karakteristike 18 5.4. Merjenje valovitosti izhodne napetosti in toka 20 5.5. Merjenje frekvenčne karakteristike 21 5.6. Merjenje polnilne karakteristike prenosnega telefona 22
6. ZAKLJUČEK 23
7. LITERATURA IN VIRI 24
8. PRILOGE 25
Diplomska naloga - 6 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
1. UVOD Moja diplomska naloga obsega projektiranje in izdelavo polnilnika za vzdrževanje in
polnjenje akumulatorskih baterij prenosnih telefonov na osnovi Ćukovega pretvornika. Na
začetku smo izhajali iz zamisli, da bi izdelali alternativni, od javnega električnega omrežja
neodvisni polnilnik za baterije prenosnih telefonov na osnovi gorivnih celic. Izbrali smo
ustrezne napetostne in tokovne zahteve za običajne Li-ion baterije. Na osnovi baterijskih
podatkov smo izbrali ustrezno gorivno celico. Kot primarni vir napajanja polnilnika smo
uporabili gorivno celico, katere opis je v poglavju 2.V poglavju 3 je podroben opis teorije
Ćukovega pretvornika. Pretvornik je dobil ime po svojem iznajditelju Slobodanu Ćuku,
znanstveniku srbskega rodu. Ćukov pretvornik predstavlja dualno vezje pretvornika navzdol /
navzgor in nam na izhodu generira negativno napetost glede na skupni priključek pretvornika.
Pri svojem delu sem upošteval že znane dosežke drugih avtorjev; rezultati njihovih raziskav
pa so mi pomagali pri izdelavi polnilnika in pri pisanju diplomskega dela. V poglavju 4 smo
prikazali potek načrtovanja Ćukovega pretvornika. Z optimiranjem Ćukovega pretvornika za
določeno izhodno napetost in moč, smo dobili polnilnik za baterijo prenosnega telefona.
Glede na podane tehnične specifikacije baterije, smo najprej izračunali elemente dvosmernega
DC-DC pretvornika za delovanje v režimu pretvornika navzgor. Ocenili smo potrebno
energijo, ki jo bomo z dušilko prenašali glede na frekvenco delovanja in potrebno moč na
izhodu pretvornika. Pred samo izdelavo pretvornika pa smo izvedli simulacijo delovanja s
predstavljenimi zahtevami po valovitosti toka in napetosti. Z uporabo integrirane magnetike
smo izboljšali delovanje Ćukovega pretvornika. Rezultati merjenj in izračunov, katere smo
prikazali v 4. poglavju, so pokazali zelo dobre zmogljivosti polnilnika.
Diplomska naloga - 7 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
2. OSNOVE TEORIJE GORIVNIH CELIC Gorivna celica pretvarja kemijsko energijo goriva (vodik, zemeljski plin, metanol, bencin)
neposredno v električno energijo brez vmesne pretvorbe v toplotno energijo, ter v mehansko
delo in naprej v električno energijo. Delovanje gorivne celice je podobno galvanskemu členu
oz. zagonski bateriji, ki jo uporabljamo v avtomobilih, s to razliko, da gorivno celico moramo
oskrbovati z gorivom, pri suhem členu pa reaktante vključimo že pri izdelavi. Glavni sestavni
deli so elektrode, katalizatorji, elektrolit, goriva in oksidanti. Gorivo je običajno vodik ali
plin, ki vsebuje vodik in zrak. Gorivo v gorivnih celicah je lahko vsak element ali spojina, ki
lahko notranjo energijo sprosti z oksidacijo in preide v ione. Najpogostejša goriva so vodik in
ogljikovodiki. Shematski prikaz delovanja gorivne celice je prikazan na sliki 2.1.
Slika 2.1. Shema gorivne celice
Gorivna celica je sestavljena iz dveh elektrod (anoda in katoda), ki sta prek katalizatorjev
spojeni z elektrolitom. Kisik vstopa skozi katodo, vodik pa skozi anodo. Zaradi katalizatorja
na anodi, vodik razpade na proton, ki potuje naprej skozi elektrolit, in na elektron, ki gre po
drugi poti in ga lahko uporabimo za pogon električnega bremena, preden se vrne v katodo,
Diplomska naloga - 8 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
kjer se s kisikom in vodikom združi v vodo. Ker vodikova celica ne deluje na osnovi
izgorevanja, ampak temelji na čisti kemični reakciji, so emisije škodljivih plinov tako rekoč
enake nič, saj sta edina stranska produkta toplota in čista voda. Gorivne celice je mogoče
proizvajati v več velikostih, odvisno od njihovega namena. Uporabljamo jih namreč tako za
napajanje namiznega računalnika, vozil, kot tudi za elektrarne, za napajanje poslopij ali celo
naselij.
Za proizvodnjo električne energije z gorilnimi celicami je značilna:
• zelo nizka emisija škodljivih plinov, saj je glavni produkt vodna para,
• velik izkoristek; približno dvakrat večji, kot pri motorjih z notranjim izgorevanjem,
• tiho delovanje,
• možnost enostavnega povezovanja posameznih celic v module z različno močjo,
• možnost mehanskih okvar je minimalna, saj nimajo gibljivih delov. Slabosti gorivnih celic:
• vodik kot gorivo ni prosto dostopen, zato ga je potrebno proizvajati,
• vodik je zelo eksploziven in s tem zelo problematičen za skladiščenje in transport. Celoten izkoristek je nižji od termodinamičnega predvsem zaradi notranjega padca napetosti
in zaradi nezaželenih sprememb, ki nastanejo v elementu med obratovanjem. Do sedaj
doseženi izkoristek za gorilne elemente tipa vodik - kisik je približno 60%. Gorivno celico
manjše moči za laboratorijsko delo lahko vidimo na sliki 2.1.
Diplomska naloga - 9 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Slika 2.1. Gorivna celica
Diplomska naloga - 10 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
3. OSNOVE TEORIJE ĆUKOVEGA PRETVORNIKA 3.1. Osnovna konfiguracija Ćukovega pretvornika Na sliki 3.1. je prikazana osnovna izvedba Ćukovega DC/DC pretvornika:
Slika 3.1. Osnovna izvedba Ćukovega pretvornika
Do pojava Ćukovega pretvornika je prevladovalo prepričanje, da je impulzni vhodni ali
izhodni tok nujno zlo stikalnih pretvornikov. Ćukov pretvornik odpravlja slabosti prevodnega
in zapornega pretvornika, saj sta vhodni in izhodni tok zvezna. Prva izboljšava je nastala z
ugotovitvijo, da je oblika napetosti na vhodni in izhodni dušilki enaka, kar omogoča, da sta
vhodna in izhodna dušilka naviti na istem feritnem jedru (slika 3.2.). Posebnost sistema
sklopljenih dušilk (coupled inductors) je ta, da je mogoče s prilagoditvijo števila ovojev in
zračne reže v feritnem jedru valovitost toka na vhodu ali na izhodu popolnoma odpraviti in
tako na vhodu ali na izhodu dobimo čisti enosmerni tok.
3. 2. Povzetek delovanja Ćukovega pretvornika:
Pri ustreznem številu ovojev in s spreminjanjem velikosti zračne reže v magnetnem jedru
lahko valovitost toka prenesemo na navitja izolacijskega transformatorja in s tem dosežemo
nov, edinstven način filtriranja izhodnega in vhodnega toka. Valovitost obeh lahko odpravimo
ne da bi zvišali stikalno frekvenco ali povečali velikost filterskih komponent. Zaradi zahtev
po majhni višini napajalnega vira so se v stikalnih pretvornikih izdelanih v hibridni ali SMD
tehnologiji pojavile planarne magnetne komponente, ki uporabljajo posebna ploščata
magnetna jedra zelo majhne višine (običajno 7…10 mm) in katerih navitja so izvedena na
ploščici tiskanega vezja oz. keramiki. Princip izdelave navitij vodi v ploščato (planarno)
strukturo, tej je prilagojena oblika magnetnega jedra, med katero je navitje stisnjeno.
Diplomska naloga - 11 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Ko je tranzistor odprt (off), se C polni z izhodnim tokom preko diode (tok je bil shranjen v
L2). Ko se tranzistor zapre (on), napetost na kondenzatorju C reverzibilno polarizira diodo in
napaja izhodni krog. Pri prenosu energije iz vhodnega v izhodni tokokrog je poglavitna
komponenta kondenzator C. Popolnoma gladek vhodni in/ali izhodni tok dosežemo z dvema
zaporedno vezanima dušilkama na istem jedru (slika 3.2.). Ena od pomembnih lastnosti te
vezave je galvanska ločitev, kar se pogosto zahteva v praksi. To dosežemo z uvedbo
transformatorja v vezje.
Slika 3.2. Galvanska ločitev pri Ćukovem pretvorniku s transformatorjem in sklopljenima
tuljavama
Ćukov pretvornik (ali dualno vezje pretvornika navzdol/navzgor) temelji na kapacitivnem
prenosu energije. Rezultat tega je zvezni vhodni tok (pretvornik navzgor je na vhodni strani).
Vezje ima nizke stikalne izgube in visok izkoristek. V stikalnih pretvornikih polprevodniški
elementi delujejo kot stikala, izguba moči na stikalih pa je majhna. Ker je frekvenca delovanja
ponavadi med 20 in 200 kHz je transformator, ki galvansko loči izhodno napetost od omrežja
bistveno manjši od klasičnega mrežnega transformatorja. Na sliki 3.2. vidimo da ob vklopu
tranzistorja Q, mora biti le-ta sposoben prevajati oba tokova tuljav L1 in L2. To pa povzroči
visoko temensko vrednost toka skozi tranzistor Q. Ker pa kondenzator C1 zagotavlja prenos
energije, je tudi valovitost toka skozi njega visoka. Na koncu še poudarimo, da tudi to vezje
potrebuje na izhodu filtrski kondenzator in dušilko - kar predstavlja vezje pretvornika
navzdol. Ćukov pretvornik nam na izhodu generira negativno napetost glede na skupni
priključek pretvornika. Dušilke in transformatorji so sestavni deli skoraj vsakega sistema
močnostne elektronike. Dušilke se uporabljajo v filtrskih vezjih, pri stikalnih pretvornikih in
kot sestavni deli nihajnih krogov pri resonančnih pretvornikih. Transformatorji omogočajo
galvansko ločitev med dvema deloma napajalnih sistemov, shranjujejo in transformirajo,
lahko pa jih uporabimo tudi kot tokovne in napetostne senzorje. Za razliko od ostalih
elektronskih komponent pa dušilke in transformatorji niso na razpolago na tržišču in jih lahko
Diplomska naloga - 12 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
dobimo samo na osnovi posebnega naročila neposredno pri proizvajalcih teh komponent.
Razlog je v velikem številu parametrov, ki karakterizirajo magnetne komponente
(induktivnost, napetost, tok, energija, frekvenca, ovojno razmerje, stresanje, izgube). Zaradi
tega je projektiranje teh komponent prepuščeno projektantu pretvornika, pri čemer se
upoštevajo magnetne lastnosti materiala in cena, teža ter volumen naprave. Regulator izhodne
napetosti U stabilizira izhodno napetost pri vseh obremenitvah od praznega teka do nazivne
obremenitve. Če se upornost bremena še zmanjšuje, regulator izhodnega toka I regulira
izhodni tok v celem območju od nazivne napetosti do kratkega stika na izhodu pretvornika.
Takšno karakteristiko imenujemo UI ali CVCC (constant voltage-constant current) in je
primerna za polnjenje enonivojskih baterij. Izbrani pulzno-širinski modulator LT1619 deluje v
režimu current mode, oz. tokovno krmiljen. Pri tej regulaciji se izhodna dušilka pretvori v
tokovni vir, kar za eno stopnjo zmanjša red izhodnega filtra. Za tak sistem je lažje določiti
optimalni regulator, s čimer je zagotovljeno stabilno delovanje in dober odziv na spremembe
obremenitve ali vhodne napetosti. PWM modulator deluje s fiksno frekvenco 300 kHz, z
vhodno napetostjo od 1.9V do 18V. Integrirani notranji MOSFET gonilnik je dizajniran za
vse variante pretvornikov. V Ćukovem pretvorniku je tudi oblika napetosti na obeh navitjih
transformatorja enaka kot na dušilkah, zato je mogoče tudi obe navitji transformatorja skupaj
z obema dušilkama naviti na isto magnetno jedro. Uvedba integrirane magnetike predstavlja
posebnost Ćukovega pretvorniškega vezja. Integrirana magnetika (integrated magnetics) je
dala še en presenetljiv rezultat. S prilagoditvijo števila ovojev in zračne reže v magnetnem
jedru je mogoče doseči odpravo valovitosti toka na vhodu in izhodu hkrati. Nivo motenj na
vhodu in izhodu je nizek, vhodni in izhodni filter pa sta lahko majhna. Za integrirano
magnetiko je najprimernejši tip jedra EE, kjer sta na obeh zunanjih stebrih vhodne in izhodne
dušilke, na sredinskem stebru pa transformator, kot je prikazano na sliki 3.1. Čeprav so na
istem magnetnem jedru navite kar tri komponente, je volumen celotne integrirane magnetike
enak kot transformator pri prevodnem (buck) pretvorniku.
Slika 3.3. Integrirana magnetika na feritnem E-jedru
Diplomska naloga - 13 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
3.3. Simulacija delovanja Ćukovega pretvornika s programskim orodjem EWB Simulacija pretvornika je prikazana na sliki 3.4.
Slika 3.4. Oscilogram1 simulacije Ćukovega pretvornika, el. tok in napetost
Diplomska naloga - 14 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Slika 3.5. Ćukov pretvornik, osnovno vezje in vezje z obema tuljavama na istem jedru
Slika 3.6. Oscilogram2 simulacije Ćukovega pretvornika na digitalnem osciloskopu
Diplomska naloga - 15 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
4. NAČRTOVANJE ĆUKOVEGA PRETVORNIKA 4.1. Projektne zahteve in izračun elementov Ćukovega pretvornika Moja naloga je bila projektirati in izdelati Ćukov pretvornik z visokim izkoristkom, čim
manjšim volumnom in težo, s kvalitetnimi izhodnimi parametri in z naslednjimi tehniškimi
podatki:
- moč pretvornika 3W, - vhodna el. napetost 2VDC (gorivna celica),
- izhodna el. napetost 5VDC, 420 mA (Li-ion baterija, 3.7V, 700 mAh),
- stikalna frekvenca 100kHz,
- dvosmerni prenos energije,
- dodatni pretvornik za lokalno napajanje.
Slika 4.1. Osnovna izvedba Ćukovega pretvornika za polnilnik
Na osnovi pretvornika prikazanega na sliki 4.1., ki je bistveni del polnilnika za polnjenje
baterij prenosnih telefonov in povezuje gorivno celico z akumulatorsko baterijo, bomo
prikazali izračun sestavnih elementov Ćukovega pretvornika.
4.2. Izračun kapacitivnosti in induktivnosti Ćukovega pretvornika Izračun gradnikov pretvornika smo opravili glede na tehniške karakteristike komercialnega
polnilnika baterij prenosnega telefona Siemens A65:
Diplomska naloga - 16 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
AC Input 220–240V ~ / 50-60Hz / 45mA Output: DC 5V= / 420 mA Akumulatorska baterija za prenosni telefon Siemens A65 pa ima naslednje tehniške podatke: Lithium-ion, 3.7V / 700mAh. Izračun elementov dvosmernega Ćukovega pretvornika smo opravili upoštevajoč podane
tehnične specifikacije pretvornika za delovanje v režimu pretvornika navzgor. Izhodna el.
napetost, U0 = 5V, vhodna el. napetost, Ud = 2V, izhodni el. tok I0 = 0.6A, vhodni.
el. tok I
L = 1500mA.
Pri izračunu smo upoštevali naslednje kriterije:
- dopustna relativna valovitost izhodne napetosti je 2% (∆Uo/Uo=2%),
- dopustna relativna valovitost toka skozi dušilko L je 20% (∆IL /Io = 20%),
- stikalna frekvenca pretvornika je fs=100 kHz,
- minimalne izgube v bakru in jedru.
Prevajalno razmerje za ta pretvornik izračunamo po enačbi: ∆
p = 1 - Ud / U0 = 0.6
Pri tem je: U
d vhodna el. napetost U
0 izhodna el. napetost Upornost bremena na izhodu pretvornika izračunamo po enačbi: R = U0²/P = 5 Ω
Določimo še potrebno minimalno induktivnost dušilke, ki nam bo zagotovila dopustno
relativno valovitost toka skoznjo ∆iL (20%) :
L ≥ Ud∆p / fs∆iL ≥ (U0∆p(1- ∆p)) / fs∆iL ≥ R∆p(1- ∆p) / fs (∆iL / I0)
L ≥ 0.1mH, pri čemer je:
∆iL valovitost toka (20%)
Diplomska naloga - 17 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Za izračun kondenzatorja moramo upoštevati dopustno valovitost el. napetosti na izhodu
pretvornika. Izberemo nekoliko večjo vrednost kondenzatorja, 47µF, in s tem zagotovimo
optimalno glajeno izhodno el. napetost.
Kadar dvosmerni pretvornik deluje v režimu pretvornika navzdol, je na njegov izhod
priključena akumulatorska baterija, ki ima veliko kapacitivnost, zato sklepamo, da je kriteriju
predpisane valovitosti izhodne napetosti zadoščeno. Preostane nam, da preverimo kakšno
vrednost induktivnosti dušilke potrebujemo, da bo izpolnjen kriterij dopustne relativne
valovitosti toka skozi dušilko, pri čemer smo jo v tem režimu delovanja omejili na 10%:
Na koncu izračunamo še kapacitivnost izhodnega kondenzatorja: C2 ≥ ∆p / Rfs (∆U0 / U0) ≥ 12µF
L ≥ (R(1- ∆p)Ts) / (∆iL / I0) = (U0(1- ∆p)) / fs∆iL
L ≥ 0.167 mH
Pri izbiri dušilk upoštevamo tudi rezultate simulacije in predstavljene zahteve po valovitosti
toka in napetosti. Najprej bomo ocenili potrebno energijo, ki jo bomo z dušilkama prenašali
glede na frekvenco delovanja pretvornika in potrebno moč na izhodu pretvornika:
- izhodna moč P0 = 3W.
Če je frekvenca delovanja pretvornika 100 kHz, dobimo energijo, ki se prenaša v eni periodi stikalnega intervala: WmTs = P0 Ts = 3 x 10e-06 = 30µJ Izbrali smo komercialne, na tržišču dostopne tuljave serije LPS3015, v SMD tehnologiji,
katerih tehniške specifikacije so podrobno opisane v prilogi 4.
Izbrali smo tuljavo z induktivnostjo 150µH
4.3.Ocena prevodnih in stikalnih izgub pretvornika
Polprevodniški elementi, ki se uporabljajo v napravah močnostne elektronike, nimajo idealnih
stikalnih lastnosti. Njihove neidealnosti povzročijo izgube, ki lahko v svojih ekstremnih
vrednostih pripeljejo do uničenja samega polprevodniškega stikala. Način uporabe
Diplomska naloga - 18 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
polprevodniškega elementa povzroči različne vrste izgub, ki jih lahko razvrstimo v prevodne
in stikalne izgube. S krmilnimi stopnjami lahko omejimo izgube na elementih le do določene
meje, ker lahkovplivamo na preklopne čase, medtem ko večina stikalnih izgub ostane na
polprevodniškem stikalu. Te izgube lahko optimiramo z raznimi razbremenilnimi vezji.
Prednosti planarne magnetike v SMD tehnologiji so v njeni majhni višini, lahki
proizvodljivosti, večji površini jedra (lažje odvajanje toplote). Glavna pomanjkljivost pa so
povečane dolžine ovojev in s tem povezane izgube v navitju. Da bi se izognili visokim
izgubam v navitju, moramo pri uporabi planarne magnetike težiti k majhnemu številu ovojev.
4.4.Pulzno-širinski modulator, PWM
Za proženje (krmiljenje) MOSFET tranzistorja potrebujemo nastavljanje prevajalnega
razmerja (duty-ratio) D. Uporabili smo priporočljivo izvedbo PWM s integriranim vezjem
LT1619, katerega tehniški podatki so podani v prilogi 2.
Slika 4.2. Tipična aplikacija za PWM čip LT1619
4.5. Schottky dioda
Schottky dioda ima enake lastnosti usmerjanja kot smo jih spoznali pri močnostni diodi, njena
statična karakteristika pa je po obliki zelo podobna statični karakteristiki močnostne diode.
Razlika je le v padcu napetosti v prevodni smeri, ki znaša od 0.3 V do 0.4 V. V zaporni smeri
je zaporni tok Schottky diode večji od zapornega toka primerljive PN-diode. Schottky diode
Diplomska naloga - 19 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
imajo zaporno napetost v območju od 75 do 100 V. Schottky dioda se vklopi in izklopi veliko
hitreje kot to dosežemo pri tokovno in napetostno primerljivi PN-diodi. Tehniške
karakteristike uporabljene Schottky-jeve diode so prikazane v prilogi 4.
4.6. MOSFET tranzistor MOSFET tranzistor je kvaliteten polprevodniški stikalni element, ki ima visoko vhodno
upornost (mali tok v vrata iG ), veliko ojačenje, visoko prebojno napetost, zelo kratke stikalne
čase in linearno karakteristiko. Ima sposobnost blokiranja pozitivne napetosti v zaprtem
stanju in s sposobnostjo prevajanja velikega toka v prevodnem stanju. Pretok energije skozi
element nadzira krmilna elektroda. MOSFET ima tako kot bipolarni tranzistor, tri priključne
sponke. Z napetostjo med priključkoma (G-vrati in S-izvorom) krmilimo pretok toka, ki teče
med priključkoma (D-ponorom, S-izvorom). V močnostni elektroniki uporabljamo MOSFET
kot stikalo. MOSFET je običajno hitrejši od bipolarnega tranzistorja zaradi tega, ker ni
presežka manjšinskih nosilcev, ki se morajo odstraniti ali priteči iz / ali v kristal pri izklopnem
ali vklopnem pojavu. Njegovi stikalni časi so reda ns. Uporaba MOSFET-ov narašča v visoko
frekvenčnih pretvornikih za nizke moči. Tehniške karakteristike uporabljenega MOSFET
tranzistorja so prikazane v prilogi 1.
Slika 4.3. N-kanalni MOSFET tranzistor in njegove izhodne statične karakteristike
Diplomska naloga - 20 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
5. MERITVE IN IZRAČUNI Polnilnik za Li-ion baterije polni baterije po U-I metodi. Samo polnjenje poteka tako, da na
začetku polnimo baterijo s konstantnim tokom, napetost pa se povečuje do nazivne. Ko
dosežemo nazivno el. napetost, le-ta ostane konstantna začne pa se zmanjševanje el. toka v
sorazmerju z napolnjenostjo baterije.
Slika 5.1. Ćukov pretvornik v polnilniku
Vhodna napetost Ćukovega pretvornika na sliki 5.1. je Uvh = 2V, prevajalno razmerje znaša
∆p = 0.6 pri stikalni frekvenci 100kHz, L1 = L2 = 150 µH, C0 = 47 µF, C = 47 µF. Srednja
vrednost bremenskega toka je I0 = 0.42 A.
Slika 5.2. Blokovna shema za meritev el. karakteristik
Diplomska naloga - 21 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
5.1. Merjenje el. karakteristik polnilnika v praznem teku
Uvh(V)
Ivh(A)
Pvh(W)
Uizh(V)
2
0.5
1
4.4
5.2. Merjenje el. karakteristik polnilnika pod obremenitvijo
Uvh(V)
Ivh(A)
Pvh(W)
Uizh(V)
Iizh(A)
Pizh(W)
R(Ω)
η(%)
1.95
1.15
2.25
4.20
0.40
1.68
10
75
Z izboljšavo delovanja Ćukovega pretvornika, tako da smo optimirali delovanje
pulznoširinskega modulatorja, smo dosegli zadovoljiv izkoristek v mejah pričakovanega,
(70 – 80%).
Slika 5.3. Izvedba napetostnega delilnika na PWM-u za optimiranje delovanja MOSFET-a
Diplomska naloga - 22 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
5.3.Izračun statične karakteristike
Izračun srednje vrednosti toka skozi dušilko L2: IL2 = U0 / R = 5 / 5 = 1A Izračun srednje vrednosti toka skozi dušilko L1: IL1 = (∆p / (1- ∆p)) IL2 = (0.6 / (1- 0.6)) x 1 = 1.5A
Srednja vrednost napetosti na kondenzatorju C1 dobimo: UC1 = (((1+ (RL2 / R)) / ∆p) U0 = 8.75 V Vhodno / izhodno razmerje: U0 / Ud = (R(1- ∆p) ∆p) / (RL1∆p² + RL2(1- ∆p)² + R(1- ∆p)²) = 1.3
Maksimalno izhodno napetost na izhodu Ćukovega pretvornika bomo dobili ob naslednjem prevajalnem razmerju: ∆p,max = 1 / (1 + √( RL1 / (R + RL2))) = 0.82 U0 / Ud, max = (R / (R+ RL2)) / (2√( RL1/( R+ RL2))) = > U0,max = 4.36V Absolutno valovitost toka skozi dušilko L1 izračunamo: ∆I1 = ∆pUd / fL1 = 1 A
Valovitost napetosti na povezovalnem kondenzatorju C izračunamo: ∆UC = ((1- ∆p)Id) / fC = 0.13 V
Valovitost toka skozi dušilko L2 izračunamo: ∆I2 = ∆pUd / fL2 = 1 A
Valovitost el. napetosti na gladilnem kondenzatorju C0 izračunamo: ∆UC0 = ∆I2 / 8fC0 = 26.6 mV
Srednja vrednost napetosti na diodi D je odvisna od prevajalnega razmerja ∆p in napetosti na kondenzatorju C: UD = -∆pUC
Namesto UC vstavimo UC = -U0 / ∆p in dobimo:
Diplomska naloga - 23 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
UD = -∆p(-U0 / ∆p) = U0
Če predpostavimo, da je srednja vrednost napetosti na dušilki L2 enaka nič, potem za vezje brez izgub velja: IL2UD = I0U0
in srednja vrednost toka skozi dušilko L2 je
IL2 = I0U0 / UD = I0 = 0.6 A
Zato je temenska vrednost toka skozi tranzistor Q sestavljena iz: Icmax = Id + ∆I1 / 2 + IL2 + ∆I2 / 2 = 0.9 + 0.5 + 0.6 + 0.3 = 2.3 A
Iz dobljenih rezultatov je razvidno, da se teoretični rezultati nekoliko razlikujejo od
izmerjenih. Vzroki za slab izkoristek je bil v stikalnih izgubah v tranzistorju in v magnetnih
komponentah pretvornika. Zato smo izboljšali delovanje pulznoširinskega modulatorja z
napetostnim delilnikom na invertirajočem vhodu 2 kot je prikazano na sliki 5.3 in smo dobili
izkoristek v mejah pričakovanega med 70 in 80%.
Slika 5.4: Statična karakteristika Ćukovega pretvornika pri obremenitvi 10 Ω
Diplomska naloga - 24 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
5.4.Merjenje valovitosti izhodne napetosti in toka
Slika 5.5. Oscilograma vhodne in izhodne napetosti in toka
Diplomska naloga - 25 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
5.5. Merjenje frekvenčne karakteristike
|F| [ db ]
φ [ deg ]
Slika 5.5: Frekvenčna karakteristika Ćukovega pretvornika ( pri zveznem toku dušilke)
Diplomska naloga - 26 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
5.6. Merjenje polnilne karakteristike prenosnega telefona
Uvh(V)
Ivh(mA)
Uizh(V)
Iizh(mA)
2
320 4.15 108
2 280 4.15 90
2 260 4.15 86
2 250 4.15 82
2 240 4.15 79
2 230 4.15 77
2 220 4.15 76
Tabela 5.1. Izmerjene el. karakteristike polnilnika pri polnjenju baterije telefona
Diplomska naloga - 27 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
6. ZAKLJUČEK Cilj moje diplomske naloge je dosežen z uspešno izdelavo polnilnika baterije prenosnega
telefona z gorivno celico na osnovi analognega Ćukovega pretvornika moči 3 W, z visokim
izkoristkom, malim volumnom in težo, ter z možnostjo nastavitve in regulacije izhodne
napetosti in toka. Pretvornik deluje v visokem frekvenčnem območju, 100 kHz. Li-ion
akumulatorske baterije se polnijo po U-I metodi, najprej s konstantnim tokom pri tem pa se
napetost dviguje na določen nivo. Ko dosežemo predpisan nivo, napetost ostane konstantna,
tok pa se zmanjšuje. Glede na predstavljene rezultate merjenj električnih karakteristik
izdelanega pretvornika, sklepam, da je moje diplomska naloga izpolnila pričakovanja in
zahteve pri konstruiranju polnilnika. V praksi se je izkazalo, da je potrebno izhajati iz
izračunov elektronskih komponent, ne moremo pa jih jemati kot konstantne vrednosti kajti
teorija se nekoliko razlikuje od prakse. To predvsem velja za kondenzatorje in magnetne
komponente, ki so glavni sestavni elementi pretvornika. Za uspešno načrtovanje in izdelavo
pretvornika pa je potrebna interdisciplinarnost poznavanja elektrotehniških ved in teorije
pretvornika v povezavi s praktičnimi izkušnjami. Pri samem konstruiranju pretvornika sem
naletel na nekaj težav pri nabavi ustreznih elektronskih elementov v SMD-tehnologiji,
optimiranju le-teh in samem sestavljanju elektronskega vezja. Vse težave in dileme sem
uspešno razrešil zahvaljujoč strokovni pomoči in nasvetom mentorja in tehniškega osebja
laboratorija za energetsko elektroniko. Očitno je bilo, da je pri konstruiranju pretvornika
potrebno veliko praktičnega znanja iz integrirane magnetike. Tehnologija gorivnih celic ima
vedno večji pomen kot alternativa uporabi fosilnih goriv za pridobivanje električne in toplotne
energije. Predvsem se predvideva uporaba gorivnih celic v avtomobilski industriji za pogon
avtomobilov in tudi v drugih prevoznih sredstvih.
Diplomska naloga - 28 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
7. LITERATURA IN VIRI
[1] T. Gilchrist: Fuel Cells to the Fore, IEEE Spectrum, Vol. 35, No. 11, 1998, pp. 35-40.
[2] C. Wang, M.H. Nehrir: Fuel cells and load transients, IEEE Power and Energy Magazine, Vol. 5, No. 1, Jan.-Feb. 2007. pp. 58-63.
[3] J.M. Correa, F.A. Farret, L.N. Canha: An Analysis of the Dynamic Performance of Proton
Exchange Membrane Fuel Cells Using an Electrochemical Model, IECON’01, pp 141-146, November 2001, Denver, CO.
[4] C. Wang, M.H. Nehrir, S.R. Shaw: Dynamic models and model validation for PEM fuel
cells using electrical circuits, IEEE Trans. Energy Convers., No. 20, June 2005, pp. 442–451.
[5] Song-Yul Choe, Jung-Gi Lee, Jong-Woo Ahn, Soo-Hyun Baek, Integrated modeling and
control of a PEM fuel cell power system with a PWM DC/DC converter, Journal of Power Sources 164 (2007), pp. 614–623.
[6] http://www.hysys.de
[7] F.Z. Peng, H. Li, G. Su, J. Lawler: A New ZVS Bi-directional dc-dc Converter for Fuel
Cell and Battery Applications, IEEE Transaction on Power Electronics, Vol.19, No.1, Jan. 2004, pp. 54-65.
[8] W. Gao: Performance Comparison of a Fuel Cell-Battery Hybrid Powertrain and a Fuel
Cell-Ultracapacitor Hybrid Powertrain, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 54, No. 3, May 2005, pp. 846-855.
[9] M. Amrhein, P.T. Krein: Dynamic Simulation for Analysis of Hybrid Electric Vehicle
System and Subsystem Interactions, Including Power Electronics, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 54, No. 3, May 2005, pp. 825-836.
[10] S.S. Williamson, A. Emadi: Comparative Assessment of Hybrid Electric and Fuel
Cell Vehicles Based on Comprehensive Well-to-Wheels Efficiency Analysis, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 54, No. 3, May 2005, pp. 856-862.
[11] M. Milanovič: Močnostna elektronika, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru, Maribor 2007
[12] Svetovni splet: www.coilcraft.com, www.ti.com, www.lti.com, www.wikipedia.org.
Diplomska naloga - 29 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
8. PRILOGE
Priloga 1: MOSFET tranzistor Si9804, tehniški podatki Priloga 2: Integrirano vezje LT1619, tehniški podatki Priloga 3: Gorivna celica, tehniški podatki Priloga 4: Schottky - jeva dioda, tehniški podatki Priloga 5: Dušilke, tehniški podatki Priloga 6: Sestavni elementi Ćukovega pretvornika za polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico: Priloga 7: Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico, električna shema Priloga 8: Tiskano vezje za Ćukov pretvornik Priloga 9: Blokovna shema polnilnika baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 30 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Priloga 1: MOSFET tranzistor, tehniški podatki:
Diplomska naloga - 31 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 32 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 33 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 34 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Priloga 2: PWM, pulznoširirinski modulator, tehniški podatki:
Diplomska naloga - 35 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 36 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 37 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 38 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 39 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Priloga 3: Gorivna celica, tehniški podatki*:
SOLARNI MODUL:
Dimenzije (širina x višina x debelina)
200 x 297 x 100mm
Maksimalna el. napetost
2.2 V
Kratkostični tok
1200 mA
GORIVNA CELICA: El. napetost
1.8 V
El. tok
1000 mA
El. moč
1.8 W
*Izhodni podatki veljajo v standardnih pogojih pri 1000W/m² in 25ºC
ELEKTROLIZATOR:
Dimenzije (širina x višina x debelina)
200 x 310 x 110mm
Površina membrane
25 cm³
Poraba destilirane vode
1ml/3h za 1000mA elektrolitskega toka
Količina vodnega pretoka od kisikove do vodikove strani
2ml/h za 1000mA elektrolitskega toka
Običajna el. napetost pri kontinuiranem delovanju
1.4 - 1.8 V
El. napetost pri kratkotrajni konični obremenitvi
2.0 V
El. tok
0 – 4000mA
Pridobivanje vodika Max. 28ml/min
Diplomska naloga - 40 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Priloga 4: Schottky dioda, tehniški podatki:
Diplomska naloga - 41 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 42 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 43 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 44 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Priloga 5: Dušilke, tehniški podatki:
Diplomska naloga - 45 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Diplomska naloga - 46 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Priloga 6: Sestavni elementi Ćukovega pretvornika za polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico: Zaporedna številka:
Oznaka komponente:
Električna vrednost:
Opombe:
1. IC1 TPS61200 napajalni modul 5V
2. IC2 LT1619 pulznoširinski modulator za MOSFET tranzistor
3. Q1 Si9804 MOSFET-N tranzistor
4. C1 47µF
5. C2 47µF
6. C3 47µF
7. C4 22nF
8. C5 2,2nF
9. C6 100nF
10. C7 100nF
11. C9 10µF
12. Q2 BC817-40 NPN-tranzistor
13. Q3 BC817-40 NPN-tranzistor
14. R1 10k
15. R2 1M
16. R3 47k
17. R4 8,6k
18. L11 150µH
19. L21 150µH
20. D1 SK310A Schottky dioda
21. Rp1 47k potenciometer
22. R5 36k
23. R6 1k
24. R8 10E
Diplomska naloga - 47 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Priloga 7: Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico, celotna električna shema:
Robert Gašparić
Ćukov pretvornik, električna shema
Diplomsko delo, FERI Maribor
oktober 2008
Diplomska naloga - 48 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Priloga 8: Ćukov pretvornik, tiskano vezje:
Diplomska naloga - 49 -
Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico
Priloga 9: Blokovna shema polnilnika za akumulatorske baterije prenosnega telefona