АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Цымбалов Денис Сергеевич

ст. преподаватель каф. «Электротехника и Элеткроника»
Донского Государственного Технического Университета (ДГТУ),

РФ, г. Ростов-на-Дону

E-mail: den.tsymbalov@mail.ru

Цымбалова Виктория Михайловна

магистрант каф. «Техника и Технология Пищевых Производств» ДГТУ,

РФ, г. Ростов-на-Дону

E-mail: Vitek1551@mail.ru

Батура Павел Петрович

студент каф. «Приборостроение» ДГТУ,

РФ, г. Ростов-на-Дону

E-mail: stalker-ghost77@mail.ru

COMPUTER AIDED DESIGN FOR AOTOMOTIVE ACCUMULATORS CHARGING UNIT

Denis Tsymbalov

senior lecturer at Electrical &Electronics Dept. DSTU,

Russia, Rostov on Don

Viktoria Tsymbalova

magister student at Agricultural Production & Technology Dept. DSTU,

Russia, Rostov on Don

Pavel Batura

bachelover student at Devices & Measurements Dept. DSTU,

Russia, Rostov on Don

АННОТАЦИЯ

Предложена техника проектирования электрических и электронных устройств (на примере простых зарядных устройств автомобильного аккумулятора) с использованием специализированной среды Electronics WorkBench. Рассмотрены различные схемные решения зарядного устройства, проанализированы их достоинства и недостатки. Компьютерные эксперименты с моделями существенно облегчают выбор схемных решений и определение оптимальных рабочих режимов. Результаты работы предлагается внедрить в учебные курсы ряда автомобильных специальностей.

ABSTRACT

An efficient technique for electronic units modeling using Electronics WorkBench CAD-system is thoroughly verified with respect to simple automotive accumulator charger. Different schematic solutions are investigated to compare its advantages and costs. Computer modeling powers cardinally the electric schemes analysis and possible optimization. Results obtained are intended for educative purposes of automotive engineers.

Ключевые слова: аккумулятор; зарядное устройство; автоматизированное проектирование; компьютерное моделирование.

Keywords: accumulator; charging unit; computer aided design; information modeling.

Конструирование зарядных устройств для аккумуляторов различного назначения актуально в связи с постоянно расширяющейся сферой применения электрических и электронных приборов с автономным питанием (устройства мобильной связи, ноутбуки, медицинская и бытовая техника). Электрические параметры таких устройств также существенно отличаются. При этом общими требованиями к ним выступают: эффективность, надежность, безопасность, а также рентабельность соответствующих производств. Следовательно, технология быстрой и гибкой разработки зарядных устройств различного назначения остро востребована. Повысить эффективность проектов в электротехнике и электронике позволяют современные средства моделирования систем Simulink Matlab [1], MicroCap [2] и Electronics WorkBench и др. [3]. Поэтому целью данной работы ставится спроектировать простое зарядное устройство для автомобильного аккумулятора, используя имитационную систему Electronics WorkBench (EWB) и оценить методическую эффективность подхода. Реализация обозначенной цели достигается путем последовательной реализации различных схемных решений в виртуальной среде EWB с последующим их анализом и выбором наилучшего.

Простейший схемой зарядного устройства для автомобильного аккумулятора, которую часто рекомендуют гаражные мастера, изображена на рисунке 1 и содержит последовательно соединенные диод и омическое (активное) сопротивление. Назначение диода в этой схеме – обеспечить однонаправленное протекание электрического тока, а добавочного омического сопротивления – ограничить его величину. Необходимую степень ограничения зарядного тока определим из условия, что полная зарядка аккумулятора требует, согласно рекомендациям производителей 10–12 часов. Т. е. для аккумулятора легкового автомобиля емкостью 55–62 А·час зарядный ток должен составлять 5–6 А. Превышение этой величины резко сокращает срок службы аккумулятора.

Рисунок 1. Схема простейшего зарядного устройства и подбор добавочного резистора в среде EWB

Рассчитать номинал добавочного резистора в схеме рис. 1 можно по закону Ома, но мы здесь воспользуемся имитационными возможностями среды EWB – просто подберем подходящий номинал. Результаты подбора добавочного резистора приведены на рисунке 1. Здесь следует учесть, что амперметр на схеме показывает действующее значение тока, а его амплитуда в 2.8 раза превышает действующее значение (за счет использования лишь одного из двух направлений протекания переменного синусоидального тока).

К сожалению, достоинства описанной выше схемы ограничиваются лишь исключительной простотой. В то же время, она имеет ряд недостатков. Главный – очень низкая эффективность. Время заряда составляет 60 А·час/2.3 А » 26 часов, а потребляемая зарядным устройством мощность 220 В · 2.3 А » 506 Ватт. Непосредственно на зарядку аккумулятора в таком процессе расходуется не более (реально значительно менее) 12 В · 2.3 А » 28 Ватт. Поскольку столь мощные лампы накаливания – редкость, в качестве дополнительного резистора «гаражные кулибины» рекомендуют электроплиты, что пожароопасно. Использование в этих целях сравнительно безопасных электрических ламп увеличивает время заряда до нескольких суток. Кроме того, при разрыве цепи, например, снятии одной клеммы аккумулятора между разомкнутыми проводниками, появляется опасное для жизни сетевое напряжение. Поэтому такое схемное решение приемлемо для тех, кто готов серьезно рисковать своей жизнью и одновременно многократно переплачивать за электроэнергию.

Применение диодного моста вместо одиночного диода (рисунок 2) позволяет лишь сократить время заряда до 13 часов без риска повредить аккумулятор; все прочие недостатки предыдущей схемы при этом сохраняются.

Рисунок 2. Схема зарядного устройства с диодным мостом, обеспечивающим выпрямление тока по двухполупериодной схеме в среде EWB

Устранить недостатки рассмотренных схем позволяет использование понижающего трансформатора (рисунок 3). С одной стороны, он позволяет кардинально повысить эффективность (КПД) зарядного устройства, а с другой, исключить риск поражения потребителя электрическим током.

а)

б)

Рисунок 3. Схема зарядного устройства с понижающим трансформатором в среде EWB: а – в начале заряда, б – в конце заряда

Параметры понижающего трансформатора и добавочного сопротивления в этой схеме мы подобрали так, чтобы зарядный ток не превышал допустимые 5 А и снижался по мере заряда до величины, исключающей кипение электролита. Средний зарядный ток в нашей схеме (рисунок 3) составляет (4.5 + 2.7) /2 = 3.6 А, а время заряда 60/3.6 » 17 часов. Практически в качестве добавочного сопротивления удобно использовать автомобильную лампочку мощностью 50–100 Вт и по накалу спирали судить о степени заряженности аккумулятора: по мере заряда накал будет уменьшаться от слабого до практически незаметного. В начале заряда рассеиваемая устройством мощность составляет 2.25²/0.5 = 10 Ватт, а по окончании – 1.35²/0.5 = 3.5 Ватт (т. е. в среднем около 7 Ватт). По сравнению с бестрансформаторной, трансформаторная схема в 70 раз экономичнее. Недостатками такого решения являются высокие вес и содержание дорогой электротехнической меди.

Снизить стоимость зарядного устройства, сохранив при этом высокий КПД позволяет конденсаторная схема (рисунок 4). В этой схеме принципиально отсутствуют омические потери: конденсатор можно рассматривать как кружку, которую поочередно подставляют под кран и наполняют, а затем опорожняют в ванну (последнее служит аналогом аккумулятора).

а)

б)

Рисунок 4. Схема зарядного устройства с конденсатором, ограничивающим ток, в среде EWB: а – в начале заряда, б – в конце заряда

Как свидетельствует результаты компьютерной имитации, зарядный ток в этой схеме практически не меняется в процессе заряда аккумулятора. При выбранном номинале конденсатора время заряда превышает двое суток. Сократить процесс позволяет параллельная установка нескольких подобных конденсаторов: одиночные конденсаторы большей емкости дефицитны, А ток в конце зарядке равный близкий к 5 А вреден для аккумулятора поскольку может вызвать кипение электролита и разрушение пластин. Рациональным техническим решение здесь представляется использование коммутируемого магазина конденсаторов, например, 5 шт. по 15 мкФ. С помощью такого магазина можно вручную управлять зарядным током, постепенно снижая его от 5 до 1 А. Поскольку средний ток заряда в этом случае составляет 3 А, аккумулятор полностью зарядится в течение суток. Очевидный недостаток – необходимость контроля и управления процессом, требующая вмешательства потребителя и наличие контрольного прибора (амперметра) в цепи зарядного устройства.

Поскольку после отключения от сети ограничивающие ток конденсаторы (рисунок 4) содержат опасный заряд и способны сохранять его в течение длительного времени, для обеспечения безопасности потребителя предлагается параллельно конденсаторам подключить защитное снимающее накопленный заряд сопротивление номиналом 100 кОм. Кроме того, для индикации сетевого подключения устройства параллельно этим конденсаторам подключим (красный) светодиод. Естественно, входная цепь требует защиты от перегрузки, вызванной неправильным подключением устройства или отказом его элементов. Эту функцию в предлагаемой схеме выполняет плавкий предохранитель номиналом 10 А.

Все рассмотренные в статье схемы позволяют не только зарядить, но и разрядить и даже полностью испортить аккумулятор: для этого достаточно нарушить полярность его подключения. С целью исключить подобную ситуацию предлагается дополнить схему зарядного устройства модулем, предотвращающим нарушение полярности. Результирующая схема устройства показана на рисунке 5, а ее реальный макет на рисунке 6.

Здесь следует подчеркнуть, что поскольку данное схемотехническое решение не содержит гальванической развязки с сетью промышленной частоты, использование такого устройства допускается только в помещениях с соблюдением всех мер электробезопасности.

Рисунок 5. Схема зарядного устройства с магазином конденсаторов, индикаторами включения, правильной полярности аккумулятора и измерителем зарядного тока

Анализ работы макета (рисунок 6) свидетельствует, что имитационная среда EWB позволяет рассчитывать электронные устройства подобного типа с погрешностью в несколько процентов.

а)                                  б)

Рисунок 6. Вид зарядного устройства, разработанного авторами с использованием системы Electronics Workbench: а – элементы электрической схемы; б – работа макета устройства по схеме (рисунок 5).

На основании автоматизированного (средствами EWB) анализа различных способов и схем заряда автомобильных аккумуляторов авторами разработано простое и эффективное зарядное устройство.

Дальнейшее совершенствование разработки следует осуществлять в целях повышения ее безопасности, а также возможности восстанавливать аккумуляторы, утратившие свойства при продолжительной и/или ненадлежащей эксплуатации [4].

Список литературы:

1.Галий С.Н. Компьютерное моделирование в электротехнике и электронике. Учебно-методическое пособие. Ростов-на-Дону: Южный федеральный университет, 2008. 2, С. 34.

2.Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink. С.-Пб.: Питер, 2008. 1, С. 290.

3. – программы для электроники. : (дата обращения: 02.01. 16).

4. (Автоэлектроника) : (Дата обращения: 02.01.16).