Automatyczna ładowarka akumulatorów

Długo szukałem ładowarki, która spełniła by wszystkie moje wymagania co do wydajności, możliwości i funkcjonalności. Niestety urządzenia takie albo są bardzo drogie, albo nie spełniają wszystkich wymagań. Najważniejszym kryterium było oczywiście możliwość pełnego naładowania akumulatorów (do odpowiedniej gęstości) z płynnym elektrolitem, bo jak się okazuje większość, nawet znanych producentów ładowarek ma z tym problem.

Ładowarka mojego autorstwa

O co chodzi z tą gęstością elektrolitu mam zamiar jeszcze pokazać w moich doświadczeniach.

Uznałem jednak że spróbuję własnych sił i zbuduję ładowarkę która by umożliwiała:

  • ładowanie akumulatorów żelowych, AGM oraz tzw „mokrych” (z płynnym elektrolitem)
  • posiadała wydajność prądowa co najmniej 8 A
  • płynną regulacja ograniczenia prądu ładowania
  • sygnalizację procesu ładowania, ograniczenia prądowego oraz naładowania
  • zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem biegunów
  • zabezpieczenie zwarciowe

Dodatkowo chciałem aby proces ładowania był podzielony na następujące fazy:

  1. ładowanie małym prądem skrajnie rozładowanych akumulatorów
  2. ładowanie stałym prądem
  3. ładowanie stałym napięciem
  4. ładowanie buforowe – po osiągnięciu zadanego poziomu

Udało mi się zrealizować wszystkie wyżej wymienne wymagania, aczkolwiek na etapie projektu popełniłem kilka błędów co w konsekwencji spowodowało że nie działa ona do końca tak jakbym chciał i przy okazji „usmażyłem” kilka elementów podczas testów – ale o tym później.

Co do funkcjonalności – w pierwszej kolejności kwestie bezpieczeństwa – ładowarka posiada zabezpieczenie zwarciowe – a właściwie dwa – jedno zbudowane w oparciu o przekaźnik – dopóki na zaciskach ładowarki nie pojawi się napięcie z akumulatora, przekaźnik nie włączy zasilania. Przy czym najniższe napięcie przy którym zadziała przekaźnik to 9V.

Zwarcie zacisków ładowarki nie powoduje jej uszkodzenia

Drugie zabezpieczenie zapewnia zasilacz impulsowy który jest sercem ładowarki. Jest to model MEAN WELL LRS-150-15 o mocy 150W – po jej przekroczeniu następuje chwilowe wyłączenie zasilacza i ponowne włączenie.

Dodatkowo umieściłem na panelu diodę dwukolorową informującą o poprawności podłączenia – w przypadku odwrotnego podłączenia – j.w – przekaźnik się nie uruchomi i nie poda napięcia z ładowarki na zaciski a dioda poinformuje o niepoprawnym podłączeniu

Odwrotne podłączenie zacisków powoduje zapalenie się diody na czerwono.

Potencjometrem umieszczonym na panelu wybieramy maksymalny prąd ładowania – właściwie to pojemność akumulatora, ponieważ ustawienie potencjometru nie ma wpływu jedynie na prąd ładowania, ale również na dodatkowe ograniczenie prądu w przypadku wykrycia na zaciskach napięcia poniżej 11 V, ponadto na prąd ładowania przy którym zapali się dioda informująca o zakończeniu ładowania.

Przykładowo – przy ustawieniu potencjometrem w poz 8 – (w przypadku akumulatora 80Ah) maksymalny prąd ładowania zostaje ustawiony na 8 A (0,1C) – prąd ładowania skrajnie rozładowanych akumulatorów w okolicy 1,6 A (0,02C) a dioda informująca o zakończeniu ładowania zapali się w momencie gdy prąd spadnie poniżej 1 A (0,0125C).

W ładowarce zastosowałem dwa tryby ładowania – jeden dla akumulatorów żelowych i AGM a drugi dla akumulatorów z płynnym elektrolitem. Różnica jest w napięciach końcowych – w przypadku ładowania akumulatorów żelowych czy AGM napięcie ładowania jest ustawione w okolicy 14,8 V, dla akumulatorów z płynnym elektrolitem 16,5 V. Przy czym, układ przełącza się w fazę ładowania buforowego kolejno – osiągnięciu napięcia 14,7V dla trybu normalnego oraz przy 16,2V w przypadku trybu intensywnego.


Po przełączeniu w tryb buforowy ładowarka utrzymuje napięcie 13,6V. Dla łatwiejszej kalibracji układów, wszystkie potencjometry ustawiające napięcia oraz prądy umieściłem na płytce uniwersalnej:

Dzięki umieszczeniu wszystkich potencjometrów w jednym miejscu, kalibracja napięć i prądów jest dużo łatwiejsza.

Dodatkowo ładowarka została wyposażona w układ odsiarczania – układ można włączyć po przejściu ładowarki w tryb ładowania buforowego, ponieważ załączenie go wcześniej powoduje zakłócenia w układach monitorujących napięcie – chciałem zrobić automat ale brakło mi miejsca na kolejny przekaźnik.
Co takiego robi układ odsiarczania – „atakuje” akumulator prądem udarowym – rzekomo powodując rozpuszczenie niewielkich kryształów siarczanu ołowiu które się osadzają na płytach, polepszając parametry akumulatora. Dokładnie można to zaobserwować na oscylogramie:

Oscylogram z działania układu odsiarczania

Czy faktycznie działa – jeszcze tak do końca nie testowałem, ale zdania są mocno podzielone. Niby pierwsze efekty są zauważalne po ok 2-3 tygodniach stosowania. Więc muszę znaleźć najpierw taki akumulator i podłączyć go na dłużej i sprawdzić parametry przed i po zastosowaniu układu.

Teraz trochę informacji praktycznych – jak wspomniałem wcześniej, sercem ładowarki jest zasilacz impulsowy Mean Well LRS-150-15. Zamontowany zasilacz posiada zabezpieczenie przeciążeniowe i przeciwzwarciowe. Dysponuje mocą 150W i napięciem 15V w zakresie regulacji +/- 15%.

Serce ładowarki – zasilacz Mea Well LRS150F-15

Za stabilizację prądową jak i sterowanie napięciowe odpowiada znana już przetwornica na układzie XL4016. Dzięki niej dodatkowo na panel zostały przeniesione diody informujące o fazie ładowania.

Przetwornica zamontowana w ładowarce

Niestety ze względu na fakt że chciałem to wszystko upchnąć w dość małej obudowie (obudowa uniwersalna Z1W, 197x188x70 ) brakło mi miejsca na układ odsiarczania, sterownik do wentylatora i małą przetwornicę do zasilenia wentylatora, miernika i przycisku na panelu. Postanowiłem je umieścić na górnej części obudowy, co niestety nie jest najlepszym rozwiązaniem.

Moduły zamontowane na górnej części obudowy

Układ odsiarczania jest zbudowany z gotowej płytki PCB oparty o NE555 którą udało mi się kupić na chińskim portalu za kilka złotych a jest to układ znany i można go znaleźć bez problemu w sieci – poniżej prezentuję schemat:

Schemat układu odsiarczania akumulatorów oparty o NE555

Układ regulacji prędkości wentylatora to kit do samodzielnego montażu AR160 oparty o układ LM358 i czujnik temperatury LM35. Mam nadzieję że producent Arli Electronics nie będzie miał nic przeciwko jak wrzucę schemat, właściwie jest on również dostępny na jego stronie internetowej.

Ponieważ otwory wentylacyjne są z przodu ładowarki – w sumie celowo tak zrobiłem, wentylator jest umieszczony z tyłu – niestety dla niego też zabrakło miejsca więc wylądował na zewnątrz. Jednak po zastosowaniu osłony nie przeszkadza w użytkowaniu.

Tył ładowarki z wentylatorem i włącznikiem głównym.

Miernik na panel kupiłem na chińskim portalu, dużo czasu upłynęło do momentu kiedy udało się go poprawnie skalibrować. W pewny momencie doszedłem do tego że zupełnie go rozkalibrowałem i metodą prób i błędów – bo niestety instrukcja kalibracji nie istniała – udało się poprawnie go ustawić. Dużym jego atutem jest fakt, że prócz prądu i napięcia mierzy też temperaturę – czujnik jest umieszczony na radiatorze przetwornicy – oraz pojemność.

Za sterowanie napięciami i prądami za pomocą przekaźników miniaturowych umieszczonych na płytce uniwersalnej, odpowiadają dwa układy oparte o NE555 odpowiednio skalibrowane i zmodyfikowane aby nie dopuścić do przeładowania akumulatora. Wartości te właściwie cały czas koryguję szukając złotego środka pomiędzy zbyt intensywnym ładowaniem a niedoładowaniem.

Wspomniałem na początku o błędach – więc rozwinę temat. Ponieważ ładowarkę intensywnie eksploatuję zarówno podczas ładowania akumulatorów żelowych jak i tych z płynnym elektrolitem, wiem że dokonałem ogromnego błędu w fazie projektowania. Wprawdzie testowałem wcześniej przetwornicę, ale multimetry uniwersalne nie „wyłapały pływania” prądu podczas jego ograniczania, dopiero po podłączeniu miernika pojemności AVT5500 który dokonuje pomiarów z częstotliwością 30 na sekundę, zauważyłem że przetwornica pracuje niestabilnie. Sama przetwornica wymaga napięcia zasilania 1,1 większego niż napięcie wyjściowe, a ja – ze względu na łatwiejszy montaż – steruję napięciem za pomocą potencjometru w zasilaczu impulsowym i dlatego napięcie wejściowe i wyjściowe przetwornicy jest takie samo. Przy braku ograniczenia prądowego wszystko działa poprawnie, jednak po włączeniu ograniczenia napięcie i prąd zaczynają nieznacznie „pływać”.

Drugim zauważonym przeze mnie problemem jest dość wysoki prąd ładowania przy końcowym etapie. W przypadku dużych akumulatorów – rzędu 80Ah i ładowaniu prądem 8A – prąd ten, dość długo się utrzymuje i dopiero w końcowej fazie – po osiągnięciu napięcia zbliżonego do końcowego zaczyna spadać. Jest to dość niekorzystne zjawisko, ponieważ akumulator jest ładowany zbyt intensywnie i powoduje szybkie jego nagrzewanie. Oczywiście można po osiągnięciu odpowiedniego napięcia dodatkowo ograniczyć prąd ładowania, aby końcowa faza przebiegała dość łagodnie, ale trzeba to robić ręcznie – a skoro mowa o automatycznej ładowarce to dobrze aby to się działo bez ingerencji użytkownika.

Mam już pomysł jak jak wyeliminować te problemy, muszę przebudować ładowarkę, ale trochę brakuje czasu. Na pewno po modyfikacji poprawi się stabilizacja ograniczenia prądowego a rezygnując z 1 fazy ładowania – czyli ładowania skrajnie rozładowanych akumulatorów – z której właściwie nie miałem okazji jeszcze skorzystać, wykonam dodatkowe ograniczenie prądu ładowania pod koniec procesu.

Reasumując – automatyczna ładowarka jest najbardziej rozbudowanym projektem który dotychczas zbudowałem, przysporzyła mi też najwięcej problemów, ale myślę że po poprawkach będzie naprawdę niezłym urządzeniem.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *