Akku Manager
Univerzális akkumulátorcsoport töltő, kezelő készülék

Free project!

Mini UPS
(univerzálisan programozható, akkumulátorblokk töltő, kezelő készülék)

Módosítva: 2008.07.01.

Az itt ismertetett készülék (továbbiakban Akku Manager) egy programozható, univerzális akkumulátorcsoport (több cellából álló akkumulátor, akkumulátorblokkok) töltését és karbantartását (felügyeletét) képes ellátni folyamatos fogyasztó táplálása mellett. Cellánkénti töltőkészülékek nagyon sokfélék léteznek igen változatos ár és szolgáltatásokkal, de olyan mini UPS-ek amik állandó készenlétben lévő berendezések (pl. lakásriasztók, PMR adó-vevők, mobil készülékek és egyedi szünetmentes tápok) akkumulátorait kezelik, nagyon kevés található. A számítógépek UPS-ei sokszor drága és túl nagy egy-egy mini alkalmazás kiszolgálására.


Részben SMD szerelt NYÁK

A többcellás akkuk kezelésénél több probléma is felmerül amit meg kell oldani:

- A folyamatos üzem miatt az akkuk mindig egy köztes töltöttségi állapotban vannak, amit hosszútávon az akkuk nem viselnek el (memória effektus kialakulása).
- A több cella töltésekor az egycellás feszültség visszaesési detektálás (dU), a nem egyidejű bekövetkezések miatt nem használható biztonsággal (pláne ha fogyasztó is terhel).
- Gondoskodni kell az akkuk töltésén kívül a fogyasztók áramszükségletéről is (Ieredő=Iakku+Ifogyasztó).
- A puffer üzem miatt az akkukat mesterségesen kell (felügyelt módon) kisüttetni és újratölteni (karbantartás), ügyelve a fogyasztó zavartalan tápellátására (lavina effektus kivédése).
- Feltöltött állapotban a csepptöltés, a változó (változható) fogyasztó terhe miatt nem használható, más módon kell a maximális akku készültséget fenntartatni.

Ezenkívül nem árt ha a készülék:

- A lehető legkisebb méretű legyen, hogy a már meglévő készülékek (töltőfoglalatok) belsejében elhelyezhető legyen.
- A lehető legjobban konfigurálható legyen (sokféle akkupakk, sokféle kapacitással és fogyasztóteherrel létezik).
- Minél olcsóbb legyen.

Ezekre a problémákra és feladatokra fejlesztettem ki az Akku Managert, mely a következő főbb tulajdonságokkal rendelkezik :

(Firmware V1.0, FREE):

- Programozható felső feszültség szintek (max. töltöttségi állapot)
- Programozható alsó feszültségi szintek (min. kisütött állapot)
- Programozható normál töltéshez tartozó konstans áram (ha Umin < Utelep < Umax)
- Programozható gyorstöltéshez (vésztöltéshez) tartozó konstans áram (ha Utelep < Umin), lavina effektus kivédése
- Programozható, kétfokozatú, PWM (impulzus szélesség modulációs) áramgenerátor (70mA...1000mA)
- Programozható karbantartási ciklus (telep kisütése a fogyasztó segítségével Umin szintjéig)
- Feltöltöttségi állapotban feszültségen (Umax) tartás, programozható hiszterézis idővel (csepptöltés kiváltása dinamikus fogyasztói terhek miatt)
- Programozható mintavételezési idő (a feszültség mérése alatt a töltőáramot lekapcsolja)
- Teljes soros kommunikáció PC felé (Setup és teljes monitorozás)
- 2 LED-es összetett állapot és hibajelzések
- Kalibrálható feszültségosztó áramkör
- Teljes soros protokollkészlet (adat fel(le)töltés, verzió és PWM kitöltés monitorozás, kalibrációs parancs, feszültség áttétel aránykezelés, státusz, stb.)
- Vezérlő kontroller PIC16F628A @ 4Mhz
- Nagymértékben SMD szerelt panel
- Egytápos kialakítás (U= 9... 24V)
- Firmware frissítési lehetőség ICP-n keresztül (update)
- Egy külső adatkábel (szintillesztő) segítségével RS232C csatlakozás a PC felé (soros, kétirányú kommunikáció)


RS232 adatillesztő kábel.


Akku Manager
 

Működési elv:

Az Akku Managerrel mindentípusú akkumulátor használható (savas, zselés, lúgos, Ni-Cd, Ni-MH, Li-ion). Az akkumulátorok kezeléséhez szükséges paramétereket a vezérlő regisztereibe kell tölteni PC-n futó Akku Manager szoftver (AMS) segítségével. Mivel a PIC diszkrét (fix értékű) belső referencia feszültségeit (15 fokozatban programozható) használja a kapcsolás, azért, hogy a beállítható feszültség küszöbértékek a lehető legjobban illeszkedjenek az akkumulátorok alsó és felső feszültség értékeihez (cellafeszültségek határértékei × cellaszám), a kapcsolás tartalmaz egy kalibrálható feszültségosztó kapcsolást is. A feszültségosztó és a programozható belső referencia feszültséggenerátorral lehet a használatos feszültség értékeket beállítani. A kalibrációt a PC-s Akku Manager szoftver támogatja, és speciális funkciót indít el a vezérlőben is, ezzel nagymértékben megkönnyíti a beállítás (egy jumper áthelyezésével, valamint két feszültségméréssel és egy potenciométer állításával elvégezhető a kalibrálás).

A beállított feszültség küszöbértékek és a hozzátartozó áramértékek, valamint az egyéb időzítések határozzák meg a töltő működését, és egyben ezen értékekkel kell az alkalmazott akku típusára illeszteni a töltőt. A pontos beállítási értékeket az adott akku típusához tartozó jelleggörbékből lehet leolvasni (kézi beállítás esetén).

Ni-Cd

Ni-MH

Példa két akku típus feszültség-töltöttségi szint jelleggörbére

Információk akkumulátorok töltéséről:

Ni-Cd akkuk viselkedése (269 kB)
Ni-MH akkuk viselkedése (489 kB)

Másik lehetséges beállítási mód az Akku Manager szoftverben lévő Beállítás Varázsló használata. A varázsló tartalmazza minden akku szükséges határadatait és kérdések alapján meghatározza az optimális beállítási értékeket.
Ezek a kérdések a következők:

- Akku típusa? (sava, zselés, Ni-Cd, Ni-MH, Li-ion)
- Hány cellából áll az akku? (sorba kötött cellák száma)
- Mekkora az akku kapacitása? (mAh-ban)
- Mekkora árammal terhel átlagban a fogyasztó? (Itöltő=Iakku+Ifogyasztó)
- Hány naponta legyen kisütve az akkumulátor? (karbantartások gyakorisága a fogyasztó segítségével)

A többi adatot a varázsló az átlag alkalmazáshoz igazítva határozza meg.
Természetesen utólag bármelyik paramétert felül lehet bírálni.

A beállított áramértékeket PWM-es (impulzus szélesség modulációs) áramstabilizálással (két fokozatban) végzi el. Ezzel megakadályozható mindennemű árammegfutás és egyben rövidzár védett a kapcsolás is.
A PWM kitöltési tényezője (50% az ideális) monitorozható az AMS-el, és így meghatározható a tápfeszültség-akkufeszültség együttes hatása az adott töltőáramra vonatkoztatva. Ha túl kicsi a PWM kitöltési tényezője (Kicsi R) akkor a kapcsolásba kívülről utólag berakható egy előtét ellenállás javítva a szabályzó (PWM) hatásfokát (tipikusan 2.2 Ohm 5W).
A másik véglet a 100%-os kitöltési tényezőjű PWM érték. Ilyenkor a Akku Manager a két LED gyors villogtatásával jelzi, hogy a tápfeszültség ezen értékével nem tudja beállítani a kívánt töltőáramot. Ekkor emelni kell a tápfeszültségen.
Ha az akkumulátorról folyamatosan táplált fogyasztó van (párhuzamosan kötve), a fogyasztó oldalán az akkuval párhuzamosan érdemes egy minimum 100uF-os szűrőkondenzátort kötni a PWM által keltett zaj csökkentése érdekében.
700mA feletti folyamatos terhelés esetén, gondoskodni kell a megfelelő légmozgásról (mind a FET hűtőbordája, mind a nyák alján lévő SMD sönt felett)!
Az alkalmazott hibrid PWM-es szabályzás, (harveres PWM + szoftveres kiegészítéssel), nagyon széles feszültségtartományban képes a kívánt áramokat nagy hatásfokkal stabilizálni.

A kapcsolás a küszöbfeszültségek mérésekor lekapcsolja a töltőáramot, így a mért értékek függetlenek a töltőáram nagyságától (programozható mintavételezési idővel).

A programozott karbantartást (kisütést), a fogyasztó terhelése segítségével oldja meg, az alsó feszültség küszöbszintig (akkuk memóriaeffektus kivédése érdekében).

Részletesebb működési elv leírása, a szoftver ismertetésénél (AMS) található!

Az Akku Manager 2 db LED segítségével összetett jelzéseket ad az éppen aktuális állapotról és az esetlegesen fellépet hibákról.
Minden LED 4 féle jelzésre képes (a sötéten kívül):

- folyamatos világításra
- lassú villogás (~másodpercenként)
- közepes villogás (~ fél másodpercenkénti)
- gyors villogás (~negyed másodpercenkénti)

A LED fényjelzések jelentése:

    LED1     LED2 Állapot
- Gyors villogás Nincs akku csatlakoztatva
- Lassú villogás Karbantartási állapot (kisütés)
Gyors villogás - Gyors töltési fokozat
Lassú villogás - Normál töltési fokozat
Folyamatos világítás - Szinten tartás (feltöltve)
Gyors villogás Gyors villogás Kevés a tápfeszültség
Lassú villogás Lassú villogás Adatok feltöltése megtörtént
Gyors villogás Lassú villogás Kalibrációs üzemmód

Akku Manager kezelő szoftver

Teljes szoftver leírás itt!

A program rengeteg használatot, konfigurációt megkönnyítő szolgáltatásokkal is rendelkezik (Beállítás Varázsló, Akku Asszisztens, stb.). A program használatához RS232-es szintillesztő adatkábel szükséges!


Dokumentációk:
(FREE)

Elvi működési séma
(71 kB)

Kapcsolási rajz V1.1
(79 kB)

PCB V1.1
(29 kB)


Alkatrész lista

AkkuM_alkatreszek.pdf
(16 kB)


PIC16F628A Szoftvere (Firmware)

Akku.HEX
(Free Firmware hex)


Tápellátás:

A készülék táplálásához használható tápegységek DC 8-25V-osak lehetnek. Stabilizálásuk nem szükséges (felesleges) de szűrni (kondenzátorral) kell. Szűrési alapelv minimum A-enként 1000 uF. A tápegység terhelhetőségének nagyobbnak kell lennie mint a maximum használni kívánt áramerőség (pl. max. 1A-es töltőáram esetén a táp 1.1A-t bírnia kell). A tápegység feszültség  nagyságának kiválasztási alapelve, a tölteni kívánt akku maximális feszültség szintjénél minimum 4V-al nagyobb legyen, de nem lehet kisebb 8V-nál és nem lehet nagyobb 25V-nál.
Ha a tápegység feszültsége és a tölteni kívánt akku feszültsége között nagy a különbség (>10V) előtét ellenállás használata szükséges lehet. Ilyenkor először előtét nélkül ellenőrizni kell (AMS-el) a töltőáramoknál a PWM kitöltési tényezőjét (Inormal) és ha túl kicsi értéket (<2%-ot) mutat, előtét ellenállás bekötése (a hármas sorkapocsnál, a + és a középső láb közé, a rövidzár helyére kötve) szükséges. Értéke tipikusan 2.2 Ohm és 5W.
Ha a PWM kitöltési tényezője túl nagy (>80%), a tápegység feszültsége alacsony, ilyenkor nagyobb feszültségű tápot kell választani!


Alkalmazás:

Bővebb infó itt!

Az Akku Manager használható önálló akkumulátor (blokk) töltésére (kezelésére) és folyamatos akkumulátor+fogyasztó (pl. lakásriasztók, PMR rádiók, szünetmentes gázérzékelők, stb.) tápellátására.
Ha az akkumulátoron folyamatosan táplált fogyasztó is van, a fogyasztó tápjára érdemes minimum 100uF-os szűrőkondenzátort is rákötni. A kondenzátor feladata a PWM által keltett zaj kiszűrése. Az Akku Manager akku sorkapcsára tilos ráakasztani kondenzátort önmagában (akku nélkül) mert ez a töltőt megzavarja!
A töltő kezeli a dinamikusan eltávolítható akku+fogyasztó együtteseket is (pl. mobil akkus készülékek). Ilyenkor a töltő érzékeli az eltávolítást és az újra csatlakoztatást, és ennek megfelelően kezeli az akkumulátort.
A készülék alapból nincsen kalibrálva és felprogramozva semelyik akkuhoz sem. Ezt a felhasználónak kell megtennie az üzembe helyezés során!
A töltési áramértékeknél figyelembe kell venni a folyamatosan táplált fogyasztó átlagfogyasztását is, és ezt a töltési áramokhoz hozzá kell adni (Itöltés=Ifogyasztó+Iakkutöltés).
A kisütési szint meghatározásánál ideális estben az akku cellánkénti kisütött feszültségi szint szorzatát (Umin=cellaszám*Ucellam_inimális_szintje) kell alkalmazni, de ha a fogyasztó ettől nagyobb feszültséget kíván meg minimális feszültségnek, akkor azt kell figyelembe venni. Ilyenkor a cella nem lesz kisüthető teljesen (karbantartás alkalmával).
Részletes leírás az Akku Manager kezelő szoftverénél (AMS) található!


Teljesen Free!

Ezért nincs támogatás, support, help, stb!