POLNILNIK BATERIJE PRENOSNEGA TELEFONA Z GORIVNO … · 2018. 8. 24. · Diplomska naloga - 3 -...

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 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




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.




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.



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



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.



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,



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.



Slika 2.1. Gorivna celica



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.



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



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



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



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



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:



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%)



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



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



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



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



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



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:



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



5.4.Merjenje valovitosti izhodne napetosti in toka

Slika 5.5. Oscilograma vhodne in izhodne napetosti in toka



5.5. Merjenje frekvenčne karakteristike

|F| [ db ]

φ [ deg ]

Slika 5.5: Frekvenčna karakteristika Ćukovega pretvornika ( pri zveznem toku dušilke)



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



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.



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.



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



Priloga 1: MOSFET tranzistor, tehniški podatki:



Priloga 2: PWM, pulznoširirinski modulator, tehniški podatki:



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



Priloga 4: Schottky dioda, tehniški podatki:



Priloga 5: Dušilke, tehniški podatki:



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



Priloga 7: Polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico, celotna električna shema:

Robert Gašparić

Ćukov pretvornik, električna shema

Diplomsko delo, FERI Maribor

oktober 2008



Priloga 8: Ćukov pretvornik, tiskano vezje:



Priloga 9: Blokovna shema polnilnika za akumulatorske baterije prenosnega telefona

POLNILNIK BATERIJE PRENOSNEGA TELEFONA Z GORIVNO … · 2018. 8. 24. · Diplomska naloga - 3 -...

Documents

Transcript of POLNILNIK BATERIJE PRENOSNEGA TELEFONA Z GORIVNO … · 2018. 8. 24. · Diplomska naloga - 3 -...