POLNILNIK BATERIJE PRENOSNEGA TELEFONA Z GORIVNO CELICO

Diplomska naloga - 1 - 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 - 2 - Diplomska naloga visokošolskega strokovnega študijskega programa POLNILNIK BATERIJE PRENOSNEGA TELEFONA Z GORIVNO CELICO Študent: Robert GAŠPARIĆ Študijski program: visokošolski strokovni, elektrotehnika Smer: Mentor: Somentor: avtomatika red. prof. dr. Miro MILANOVIČ doc.dr. Miran RODIČ Maribor, oktober 2008

Diplomska naloga - 3 - 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. Maribor, oktober 2008

Diplomska naloga - 4 - 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.

Diplomska naloga - 5 - 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

Diplomska naloga - 6-1. 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.

Diplomska naloga - 7-2. 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,

Diplomska naloga - 8 - 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.

Diplomska naloga - 9 - Slika 2.1. Gorivna celica

Diplomska naloga - 10-3. 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.

Diplomska naloga - 11 - 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

Diplomska naloga - 12 - 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

Diplomska naloga - 13-3.3. 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

Diplomska naloga - 14 - 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

Diplomska naloga - 15-4. 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:

Diplomska naloga - 16 - 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% ( U o /U o =2%), - dopustna relativna valovitost toka skozi dušilko L je 20% ( I L /I o = 20%), - stikalna frekvenca pretvornika je f s =100 khz, - minimalne izgube v bakru in jedru. Prevajalno razmerje za ta pretvornik izračunamo po enačbi: p = 1 - U d / U 0 = 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%)

Diplomska naloga - 17 - 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

Diplomska naloga - 18 - 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

Diplomska naloga - 19 - 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

Diplomska naloga - 20-5. 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

Diplomska naloga - 21-5.1. 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

Diplomska naloga - 22-5.3.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:

Diplomska naloga - 23 - 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

Diplomska naloga - 24-5.4.Merjenje valovitosti izhodne napetosti in toka Slika 5.5. Oscilograma vhodne in izhodne napetosti in toka

Diplomska naloga - 25-5.5. Merjenje frekvenčne karakteristike φ [ deg ] F [ db ] Slika 5.5: Frekvenčna karakteristika Ćukovega pretvornika ( pri zveznem toku dušilke)

Diplomska naloga - 26-5.6. 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

Diplomska naloga - 27-6. 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.

Diplomska naloga - 28-7. 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.

Diplomska naloga - 29-8. 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:, električna shema Priloga 8: Tiskano vezje za Ćukov pretvornik Priloga 9: Blokovna shema polnilnika baterije prenosnega telefona z gorivno celico

Diplomska naloga - 30 - Priloga 1: MOSFET tranzistor, tehniški podatki:

Diplomska naloga - 31 -

Diplomska naloga - 34 - Priloga 2: PWM, pulznoširirinski modulator, tehniški podatki:

Diplomska naloga - 39 - Priloga 3: Gorivna celica, tehniški podatki*: SOLARNI MODUL: Dimenzije (širina x višina x debelina) Maksimalna el. napetost Kratkostični tok 200 x 297 x 100mm 2.2 V 1200 ma GORIVNA CELICA: El. napetost El. tok 1.8 V 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) Površina membrane Poraba destilirane vode Količina vodnega pretoka od kisikove do vodikove strani 200 x 310 x 110mm 25 cm³ 1ml/3h za 1000mA elektrolitskega toka 2ml/h za 1000mA elektrolitskega toka Običajna el. napetost pri kontinuiranem delovanju El. napetost pri kratkotrajni konični obremenitvi 1.4-1.8 V 2.0 V El. tok Pridobivanje vodika 0 4000mA Max. 28ml/min

Diplomska naloga - 40 - Priloga 4: Schottky dioda, tehniški podatki:

Diplomska naloga - 44 - Priloga 5: Dušilke, tehniški podatki:

Diplomska naloga - 46 - Priloga 6: Sestavni elementi Ćukovega pretvornika za polnilnik baterije prenosnega telefona z gorivno celico: Zaporedna Oznaka Električna Opombe: številka: komponente: vrednost: 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

Diplomska naloga - 47 - Priloga 7:, celotna električna shema: Robert Gašparić Ćukov pretvornik, električna shema Diplomsko delo, FERI Maribor oktober 2008

Diplomska naloga - 48 - Priloga 8: Ćukov pretvornik, tiskano vezje:

Diplomska naloga - 49 - Priloga 9: Blokovna shema polnilnika za akumulatorske baterije prenosnega telefona