Najnowsze topologie ładowarek

Wstęp

Prawdopodobnie, współcześnie bardziej powszechnym pytaniem będzie ‘Kochanie, gdzie jest moja ładowarka?’ Redukcja kosztów i poprawa wydajności baterii, zwłaszcza opartych na technologii Li-Ion, na przełomie wieków napędzała stały rozwój akumulatorowych magazynów energii i urządzeń przenośnych. Ze względu na ich unikalne właściwości, coraz częściej stosowane są także superkondensatory (zwane również ultrakondensatorami). Akumulator kwasowo-ołowiowy, którego technologia ma 150 lat, jest nadal powszechnie stosowany w samochodach, wózkach inwalidzkich, skuterach, wózkach golfowych i systemach zasilania bezprzerwowego (UPS). Urządzenia magazynujące energię muszą być ładowane po ich wyczerpaniu.

Zapotrzebowanie na większą moc wraz z wydłużonym czasem pracy dyktuje wzrost napięć stosowanych w urządzeniach magazynujących energię. Na przykład pakiety akumulatorów Li-Ion stosowanych w robotach, dronach, elektronarzędziach i wielu innych urządzeniach ewoluowały od zestawów zawierających jedno lub dwa ogniwa do wielu ogniw, obejmujących nawet do 12 elementów. 12-ogniwowy pakiet akumulatorów Li-Ion zapewnia maksymalne napięcie 50,4 V. 12-ogniwowa bateria wytrzymałaby 12 razy dłużej niż 1-ogniwowa, przy tej samej wartości prądu. Alternatywnie można połączyć 12 akumulatorów równolegle w celu uzyskania większej mocy, ale ta metoda zwiększyłaby prąd dwunastokrotnie. Wyższy prąd powoduje większe straty przewodzenia, więc równoległe łączenie baterii nie jest zalecane.

Systemy przemysłowe, takie jak oświetlenie awaryjne z podtrzymaniem bateryjnym, zasilanie podtrzymujące UPS i HVAC, korzystają ze źródła zasilania o napięciu 24 VDC - oznacza to, że do podtrzymania tych systemów używany jest akumulator 24 V. Jednak,  zgodnie z normami IEC 61131-2 i IEC 60664-1, w warunkach przejściowych źródło zasilania 24 VDC może wzrosnąć do napięcia o wartości szczytowej 60 V.

W obu sytuacjach sprzęt wymaga systemów zasilania, które mogą reagować na wyższe napięcie akumulatora i wyższe napięcie wejściowe podczas zdarzeń przejściowych.

Ładowarki - podstawy

Istnieje wiele topologii ładowarek. Ładowarka liniowa odkłada różnicę napięcia między źródłem zasilania, a akumulatorem na tranzystorze mocy. Ten typ ładowarki jest najmniej wydajny, ponieważ rozprasza dużą moc na tranzystorze, gdy różnica napięcia między źródłem zasilania, a akumulatorem jest duża. Ładowarka typu boost podnosi napięcie ze źródła zasilania do napięcia akumulatora. Ta topologia wymaga, aby napięcie zasilania było niższe, niż napięcie akumulatora. Ładowarka typu buck obniża napięcie ze źródła zasilania i wymaga, aby było ono wyższe, niż napięcie akumulatora. Ładowarka typu buck-boost może ładować akumulator zarówno z wyższego jak i niższego napięcia zasilania. Ta topologia potrzebuje czterech elementów przełączających (w porównaniu do dwóch przy topologii buck) i generalnie nie jest tak wydajna.

Synchroniczny prostownik typu buck to najbardziej wydajna ładowarka i to na niej skupia się ten artykuł. Rysunek 2 przedstawia schemat ogólny ładowarki opartej na synchronicznym prostowniku typu buck. Większość dzisiejszych ładowarek w tej topologii działa przy stosunkowo niskim napięciu wejściowym. Większość z nich ma napięcie wejściowe 28V, a niektóre 40 V. Dopuszczając wahania napięcia wejściowego w zakresie ±10% i 2V spadku napięcia na samej ładowarce, urządzenie o napięciu znamionowym 28 V, może w praktyce ładować tylko pakiet akumulatorów Li-Ion 5S. Przedstawimy jednak nową rodzinę scalonych układów ładowarek o napięciu wejściowym 60V, które umożliwiają ładowanie akumulatorów o wyższym napięciu - 52V (lub 12-ogniwowego pakietu Li-Ion) — i są w stanie wytrzymać przejściowe napięcie wejściowe 65 V.

Rysunek 2. Schemat ogólny synchronicznej ładowarki typu buck.

W trybie stand-by, prąd ładowarki powinien być niski, aby oszczędzać energię. Energy Star przyznaje pięć gwiazdek ładowarkom do telefonów komórkowych (czy innym małym modelom ładowarek), które w trybie stand-by pobierają energię na poziomie 30 mW lub mniej. Jedna gwiazdka przypada ładowarkom o mocy 300 mW lub większej, pozostałe gwiazdki są dla mocy o wartości pomiędzy tymi dwiema skrajnymi. Celem inicjatywy Energy Star ma na celu zmniejszenie poboru prądu przez ładowarki, które w większości przypadków pozostają podłączone, gdy nie są używane. W dowolnym momencie na całym świecie podłączonych do sieci jest ponad miliard takich ładowarek.

Mimo, że akumulatory kwasowo-ołowiowe, Li-Ion i superkondensatory są urządzeniami magazynującymi energię, mają różne właściwości ładowania i rozładowania. Zbadamy ich właściwości i omówimy rozwiązanie ładowania dla każdego z nich. Dobra ładowarka zapewnia wydajność i trwałość akumulatora, zwłaszcza podczas ładowania w niesprzyjających warunkach.