UPS do przenośnego Smart TV (Raspberry Pi + LCD)

[_bombel_]

Cześć Wszystkim,

ze względu na panującą aurę znalazłem trochę czasu i rozpocząłem pracę nad projektem, który ma zamienić stary niedziałający telewizor Elektronika 408D w przenośne Smart-TV. W skrócie wyrzuciłem wszystkie bebechy i zastąpiłem je Raspberry Pi + ekran LCD 7". Jako, że całość ma służyć jako turystyczne centrum multimedialne na kempingu, to chciałbym aby całość mogła pracować na akumulatorach. Poniżej wymagania jakie sobie postawiłem wraz z ew.  uzasadnieniem lub komentarzem odnośnie ich krytyczności.

Oczywiście przejrzałem trochę internetu, ale mam wrażenie, że im więcej czytam, tym mniej wiem. Większość rozwiązań DIY to zwykłe power banki, które nie pracują jako UPS (Uninterrupted Power Source). Tam, gdzie ktoś pochylił się nad "uninterrupted" mam wrażenie forma zaczyna przerastać problem lub moją wiedzę...

Zaznaczam, że nie proszę o podanie mi rozwiązania na tacy i przesłania schematów jak zbudować UPS, tylko wskazania kierunku, gdzie zacząć, bo przyznaję, że już się pogubiłem. W związku z tym z góry dziękuję za poświęconą chwilę i wsparcie.

• Niewielki rozmiar (ze względu na niewielką obudowę oraz jej kształt skłaniam się w stronę ogniw 18650, które będę mógł dowolne ułożyć w dostępnej przestrzeni)
• Ciągłe źródło zasilania (ma działać jak UPS ponieważ Raspberry Pi, a dokładniej karta SD nie lubi spadków napięcia)
• Przełączanie między źródłami zasilania ma być automatyczne (żadnych przycisków, wyjęcie wtyczki z gniazdka ma skutkować przełączeniem na akumulator)
• Napięcie 5,1 V (ze względu na Raspberry Pi) 
• Poniżej wymagania prądowe (według producenta podzespołów oraz maksymalne zużycie, które zaobserwowałem przy ciągłej pracy):
  • Raspberry Pi: 2.1 A / 0.7 A
  • Ekran LCD: 1 A / 0.7 A
  • Głośniki: 0.5 A / obecnie nie mogę sprawdzić
  • Dodatkowe urządzenie: 1.0 A / 1.0 A (np. ładowanie telefonu) // opcjonalne
  • RAZEM: 4.6 A / 3.0 A
• Na chwilę obecną szacuję, że będę potrzebował pojemności minimum 10 Ah, ale możliwe, że zwiększę je nawet do 20 Ah (o ile tyle zmieszczę do obudowy)
• Akumulator powinien ładować się w miarę szybko (wiem, że jest to pojęcie względne, ale nie wyobrażam sobie ładowania 10-20 Ah prądem 0.5 A)
  W związku z tym myślałem o ładowaniu równoległym (jak tutaj), ale nie wiem czy przy takim rozwiązaniu możliwe jest pozbycie się ręcznego przełącznika
• Dobrze by było gdyby ładowanie ogniw odbywało się również w trakcie pracy urządzenia // opcjonalne
• Status naładowania baterii (np.3-4 LEDy) // opcjonalne
• Maksymalny koszt bez ogniw, który mogę zaakceptować: 100-150 zł

[marek1707]

Dnia 17.12.2020 o 02:35, _bombel_ napisał:

Oczywiście przejrzałem trochę internetu, ale mam wrażenie, że im więcej czytam, tym mniej wiem. Większość rozwiązań DIY to zwykłe power banki, które nie pracują jako UPS (Uninterrupted Power Source). Tam, gdzie ktoś pochylił się nad "uninterrupted" mam wrażenie forma zaczyna przerastać problem lub moją wiedzę...

Jeśli chcesz wskazania kierunku, to to jest dobry kierunek. Musisz dużo czytać, nauczyć się oceniać cudze rozwiązania i z biegiem lat zacząć robić własne. Wiedza kosztuje i nie zdobędziesz jej ani za darmo ani w jednej chwili. I słusznie, im więcej wiesz tym lepiej widzisz, że wciąż wiesz mało. Ja też tak mam także spoko, nieźle Ci idzie. To chyba tyle w kwestii darmowych porad zrobienia projektu urządzenia wg podanych założeń. Acha, i radzę także nabyć trochę pokory. Na jakiej podstawie uważasz, że to co sobie wymyśliłeś musi być proste a znalezione, niezłe rozwiązanie "formą przerasta problem"? Przecież spełnienie tego wszystkiego co wymieniłeś świetnie nadaje się na pracę inżynierską. Wyceniasz taki zestaw na 100zł?

[_bombel_]

Dzięki, przyznaję, że trochę obawiałem się takiej odpowiedzi, a jednocześnie miałem nadzieję, że istnieją gotowce, których po prostu nie wiem gdzie szukać. Temat wydaje się dla mnie bardzo szeroki i widocznie taki właśnie jest - dlatego jeszcze się nie zniechęcam i zagłębiam się w niego dalej. Jeżeli natrafię na opór materii (mojej głowy), to może zacznę od rozwiązywania prostszych problemów. Odnośnie "przerostu formy nad treścią", to może to źle zabrzmiało, ale miałem na myśli moje potrzeby vs. możliwości rozwiązania, które znalazłem.

Na chwilę obecną wykorzystałem filmik DIY UPS with 12V and 19V (for Asus router), na którego podstawie narysowałem poniższy układ, który mam nadzieję ma prawo zadziałać i spełni podstawowe wymagania. W związku z nim mam kilka pytań:

1. Przede wszystkim czy mogę prosić o rzucenie okiem i ocenę, czy to ma prawo zadziałać? 🙂 Jeżeli nie, to cześć z poniższych pytań będzie nieaktualna. Swoją droga, jak można symulować pracę takich schematów (zakładam, że istnieją takie narzędzia)?

2. Czy wykorzystanie przekaźników mechanicznych jest złe? Wiem tylko, że się grzeją. Jakie alternatywy warto rozważyć?

3. Czy mogę zredukować liczbę przetwornic?, np. łącząc bezpośrednio pierwszą przetwornicę (pomarańczową) z drugą przetwornicą (żółtą)? Jeżeli jest zasilanie z sieci, to idzie prąd na bezpośrednio na przetwornicę żółtą i przekaźnik puszcza prąd na ładowanie ogniw. W przypadku braku zasilania z sieci, przekaźnik przełączy się na pozycję zasilania z ogniw, a przez przetwornicę przejdzie tylko prąd z tychże ogniw. Można by jeszcze dołożyć diodę przed żółtym przekaźnikiem, żeby nie poszedł mi prąd w drugą stronę. Zgadza się?

4. Czy gdybym włączył równolegle jeszcze jeden BMS, to wszystko działałoby wciąż poprawnie? Oczywiście, rozumiem, że powinienem dostarczyć większy prąd ładowania żeby mieć z tego korzyść.

5. Na wyjściu potrzebuję tylko 5V, ale żeby ładować ogniwa pojemności 10-20 Ah najłatwiej połączyć je szeregowo i podać większe napięcie. Minusem jest konieczność późniejszego zejścia z tego napięcia. Czy mógłbym to rozwiązać inaczej? Np. równoległe ładowanie? Tylko jak potem wyciągnąć prąd z wszystkich ogniw jednocześnie ?Tutaj już zaczynam się gubić, czy to w ogóle ma sens.

Z góry dziękuję za poświęcony czas i odpowiedź - jednocześnie zaznaczam, że nie oczekuję gotowych rozwiązań. Być może jest dla mnie za wcześnie na budowę takiego układu. Taka odpowiedź też będzie dla mnie cenna.

[marek1707]

To teraz może trochę bardziej merytorycznie. Problemów z tego typu zasilaniem jest kilka:

1. Podczas rozładowania lepiej jest gdy napięcie akumulatora jest wyższe (i to np. dwukrotnie lub więcej) od napięcia wyjściowego, bo to pozwala dać prostą przetwornicę step-down, co zmniejsza prądy, potania elementy, zmniejsza gabaryty i straty. Jeśli na wyjściu potrzebujesz powiedzmy 5V/5A czyli 25W, to to samo na wyższym napięciu będzie wygladało np. jak 11V/2.5A. Poszczególne ogniwa nie widzą przecież sumarycznego napięcia - je interesuje tylko pobierany prąd a ten jest teraz niewielki. To są o wiele łagodniejsze warunki pracy, bo warto pamiętać, że typowe dzisiejsze ogniwo 18650 ma pojemność ok. 2.5Ah i co prawda są wersje radzące sobie z prądami i 10A, to jednak typowo są to okolice 2-3A (czyli tzw. 1C). Te lepsze są też znacznie droższe a w przypadku mniejszego prądu poradzą sobie każde, nawet te trochę starsze (no, prawie, chińskie badziewie po 5zł nie wytrzyma nawet obciążenia 1A). Z drugiej strony wysoki stos ogniw, np. 3S powoduje problemy przy ładowaniu: trzeba zrobić ładowarkę - znów, najlepiej zasilaną z jeszcze wyższego napięcia (żeby była obniżająca, bo to lubimy) a także, co bardziej wymagający chcieliby wstawić równoważenie ogniw. No i teraz trzeba się zdecydować: albo kupujemy drogie i jednakowe ogniwa od markowego producenta, powiedzmy po 25-30zł za sztukę, zestawiamy je w stos 3S i nie martwimy sie o równowagę ogniw (a dla spokoju sumienia co miesiąc mierzymy multimetrem czy za bardzo się nie rozjechały), albo rozglądamy się za ładowarką z balancerem. Najtańsze tego typu do 2S lub 3S są.. tanie

https://abc-rc.pl/product-pol-3961-Ladowarka-modelarska-IMAX-B3-2S-3S-li-pol-Li-Ion-230V-z-Balanserem.html

https://www.skyrc.pl/skyrc-e3-ladowarka-2s-3s-12a-lipo-p-27.html

..ale zapewniają prądy rzędu 0.8-1.2A (jak te powyżej). Już trochę droższa:

https://botland.com.pl/pl/ladowarki-lipol-sieciowe/9133-ladowarka-li-pol-li-fe-z-balanserem-skyrc-e430-6930460004024.html

https://www.skyrc.pl/skyrc-e430-30w-oryginalna-ladowarka-lipolife-4s-3a-230v-ac-p-544.html

pewnie by wystarczyła. Piszę "pewnie", bo to jest kolejny problem: moc ładowania. Jeśli chcesz mieć pewność, że w czasie pracy Maliny bilans akumulatora będzie dodatni, ładowarka musi pokryć bieżące zapotrzebowanie systemu plus prąd ładowania. A jeśli chcesz wystartować urządzenie z rozładowaną baterią i jednocześnie zapewnić sobie szybkie dojście do 100% naładowania, to łądowarka musi być znacznie mocniejsza niż to co pobiera cała reszta. Być może najtańszym wyjściem jest zatem zakup taniego modułu zasilacza (dyskutowanego w wątku obok) z ustawianym ograniczeniem prądu:

https://sklep.avt.pl/przetwornica-xl4005e1-0-5a-0-8-30v-regulacja-pradu-i-napiecia-ladowarka-akumulatorow.html

Jeśli ustawisz mu napięcie dokładnie na 12.6V oraz prąd jaki tam trzeba w zależności od liczby równolegle połączonych ogniw, to zrobisz ładowarkę LiPol. Oczywiście potrzebujesz do niej zasilacza, najlepiej 24VDC/6A. Moc zaczyna się robić niemała, no ale chciałeś szybko ładować.

2. Możesz iść w przeciwną stronę, czyli "proste" ładowanie akumulatora 1S jak robią to powerbanki. Tam nie ma problemu z równoważeniem ogniw, bo nie ma czego wyrównywać. Da się to ładować z 5V a przy rozładowaniu zrobić z powrotem 5V metodą step-up. Niestety znów "proste" jest w cudzysłowie, bo prądy w jakie wchodzisz (i problemy jakie to generuje) są duże. Jeśli z 1S zrobisz 5V/5A to na 2.8V (a do tylu rozładowujesz LiPole) masz już prawie 9A. Potrzebujesz zatem przetwornicę pracującą do niskich 2.8V i wciągającą 9A. Znajdź taką. Ładowarka też nie będzie trywialna, bo jeśli zbudujesz pakiet 4P (czyli 10Ah) to do szybkiego naładowania będziesz potrzebował >10A prądu z np. 5V. Takiej mocy nie pociągniesz z typowego USB, ale zawsze możesz skorzystać z uniwersalnego modułu wspomnianego wcześniej. Po sutawieniu na wyjściu 4.2Vi pełnego prądu 5A naładuje Twój akumulator w 3 godziny jazdy "na pusto" czyli bez włączonego urządzenia. Także, jak widzisz, nie ma  jednej dobrej metody. To wszystko są kompromisy i to Ty musisz je podjąć.

3. Kolejna rzecz czyli przełączanie źródeł. Jeśli zastosujesz schemat buforowy, gdzie ładowarka zasila i akumulator i system jednocześnie, żadnego przełączania robić nie musisz. Wadą tego jest stan totalnego rozładowania, gdzie być może trzeba będzie chwilę poczekać aż akumulator osiągnie jakieś swoje minimum.

4. Zabezpieczenia. Akumulator LiPol/LiIon nie może być rozładowany poniżej 3V w stanie nicnierobienia i powiedzmy poniżej 2.5V w stanie pracy. Musisz atem o tym pomyśleć. Jeśli nie kupisz ogniw z już wbudowanymi zabezpieczeniami (tzw. PCM, BMS) to musisz to dospawać na zewnątrz. Na szczęście dziś jest tego pełno. Musisz tylko dobrać płytkę do stosu 1S albo 3S i prądu:

https://www.bto.pl/kat/242/108v111v-(3s)

Czy to jakoś poprawia Ci nastrój?

EDIT: Pisaliśmy razem. Zaraz obejrzę ten schemat.

Edytowano Grudzień 18, 2020 przez marek1707

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[marek1707]

OK, z dokładnością do karkołomnego przełączania źródeł, to jest to samo. Jeśli wywalisz z tego przekaźnik, ładowarkę podepniesz na stałe do akumulatora i do jego stabilizatora a ten ustawisz na napięcie trochę mniejsze (np. 0.3V) od tego górnego, to zadziała. Możesz też pozbyć się diod oraz zmiennego spadku napięcia na nich (i strat na ciepło) przez użycie modułu "diody idealnej". To dwa tranzystory włączane alternatywnie sprytnym układem komparatora napięcia:

https://www.ebay.com/itm/15A-Ideal-Diode-Solar-Panel-Battery-Charging-Anti-Reverse-Irrigation-Module-I2-/392621295864

No i wywal ten 2200uF. Tego i typu rzeczy na wyjściach przetwornic to nie jest dobry pomysł. Dobre 100uF załatwi sprawę.

Oczywiście wciąż masz szansę na pracę buforową: wycinasz także niebieski moduł. Bezpiecznik F1 jest "wbudowany" w BMS - w końcu to jedna z jego funkcji.

Taki "Batt.indicator" może ciągnąć z kilkadziesiąt mA i w czasie długich okresów postoju bez prądu może zwyczajnie rozładowywać akumulator jak zepsuty alarm w samochodzie.

Być może warto wyprodukować dla Maliny jakąś informację (2 linie cyfrowe?) o stanie akumulatora i aktualnym źródle zasilania. Lepiej gdy jakaś aplikacja zamknie system w sposób kontrolowany niż gdy nagle - mimo UPSa - system nagle dostanie headshot.

[_bombel_]

Ogromnie dziękuję za ten wkład - zaczynam rozjaśniać się moja sytuacja. Jeszcze muszą to wszystko przetrawić (póki co obowiązki rodzinne mnie powstrzymały) i wczytać się w szczegóły oraz narysować nowy diagram (właśnie instaluję KiCad, bo edycja schematu w Paint to jednak słaba opcja 😉 ). W zasadzie wszystko kieruje się ku uproszczeniu całego modułu do trzech elementów:

1. Zasilacz (najlepiej gdyby od razu podawał właściwe lub odrobinę wyższe napięcie)
2. Do niego podłączony BMS
3. Stamtąd do przetwornicy z kondensatorem

Mam w szafie darowany zasilacz od MacBooka (16,5 V / 3.75 A), więc z tego co rozumiem, to mógłbym go potraktować przetwornicą żeby podał niższe napięcie odpowiednie dla BMS 3S, wtedy będę miał amperów w zapasie. Czas ładowania (gdy urządzenie jest wyłączone) powinien być znośny.

Na chwilę obecną mam dwa pytania:

1. Czy jest możliwość wpięcia dodatkowego BMSa rownolegle i ew. zabezpieczyć je diodami żeby nie ładowały się nawzajem?
2. Na wyjściu potrzebuję wpiąć 4 urządzenia. Czy wystarczy je podpiąć równolegle bezpośrednio do źródła? Gdy wpinałem głośniki do tego samego źródła (2.1 A) co Raspberry Pi, to słyszałem szumy z głośników. Co mogło być przyczyną? Niestabilne napięcie/prąd, a może łączenia/przewody? Jak zabezpieczyć się przed takimi skutkami pracy na wspólnym zasilaniu?

[marek1707]

Właściewie nic nie zrozumiałem, ale podejrzewam, że jest tu jakieś grube nieporozumienie. Potrzebujesz kilka rzeczy:

• Zewnętrzny zasilacz 24V
• Moduł ładowarki z algorytmem CI/CV przygotowanej do ładowania stosu jaki sobie zmajstrujesz i mającej sporą nadwyżkę mocy aby móc zasilać system w czasie ładowania (ale z definicji w trybie buforowym ładowanie przy włączonym komputerze będzie sporo wolniejsze niż takie przy wyłączonym)
• BMS - to tylko płytka zabezpieczająca przez przeładowaniem (w przypadku awarii ładowarki), nadmiernym rozładowaniem (gdyby prądu nie było zbyt długo) i zwarciem. Nie pełni żadnej innej fukcji i nie, to nie jest ładowarka.
• Przetwornicę zamieniającą z sensowną sprawnością i wydajnością napięcie akumulatora na +5V dla Maliny i całej reszty.
• Ew. układy informowania komputerka o stanie zasilania

Koniec, cztery lub pięć elementów. Rysuj schemat, nawet ołówkiem. Do tego żadne CADy nie są potrzebne.

[_bombel_]

Wydaje mi się, że mówimy o tym samym, ale możliwe, że używam niewłaściwych pojęć (lub faktycznie się pogubiłem). Poniżej schemat (na CADa jeszcze przyjdzie czas, a póki co Paint). Nie do końca rozumiem czym jest "moduł ładowarki z algorytmem CI/CV" - rozumiem, że to przetwornica, która ma podać napięcie odpowiednie dla BMSa, który sobie wybiorę, tak? Czy jeżeli użyję głównego zasilacza, który będzie miał 16,8 V oraz 5A i będę chciał wykorzystać BMSa na 4S, to mogę sobie darować tę przetwornicę, tak?

[marek1707]

Schemat jest logicznie poprawny, więc rzeczywiście pewnie wystarczy uzgodnić pojęcia. Podstawą jest akumulator. To wysokość stosu (liczba elementów w szeregu) oraz szerokość (czyli liczba ogniw połączonych równolegle) decyduje o napięciu, pojemności i prądach. Do tego dobierasz BMS. Tu jest prosto: ma być przystosowany do tej konkretnej wysokości (2S, 3S, 4S itd) i musi wytrzymywać maksymalny prąd jakim chcesz ładować lub rozładowywać akumulator. Bilans akumulatora będzie różnicą prądu dostarczanego z ładowarki i prądu pobieranego przez system. W przypadku stosu 4S gdy wiesz, że na 5V maksymalnie będziesz czerpać powiedzmy 25W co przekłada się na 2.5A prądu w najgorszym wypadku (napięcie 4x3V=12V razy sprawność przetwornicy wyjściowej 5V) to przynajmniej tyle musi być w stanie dostarczyć ładowarka aby "jechać na oparach". Określając jej wydajność musisz także wziąć pod uwagę sytuację w której komputerek nie pracuje. Wtedy pełny prąd ładowarki idzie w akumulator a ograniczenie prądu ładowania jest w akumulatorach znacznie niższe niż prąd rozładowania. Zakładając taką jak narysowałeś konfigurację 4S2P i ogniwa 2.5Ah, prąd ładowania nie powinien przekraczać 5A. W tym wypadku podczas pełnego obciążenia masz ładowanie prądem 5A-2.5A=2.5A i czas dojścia 0-100% mniej więcej 3-3.5h. Ten sam sprzęt w wypadku wyłączenia komputera naładuje ten sam akumulator prądem 5A w jakieś 2h. Gdy sieć AC zdechnie, system będzie pobierał te swoje 2-2.5A i rozładuje pełny akumulator w 2-2.5h. Po spadku napięcia do ok. 4x2.5V=10V BMS odetnie akumulator by uratować ogniwa litowe. Akumulator zostanie ponownie podłączony przez BMS gdy na wyjściu ładowarki pojawi się napięcie oznaczające podłączenie jej wejścia do zasilania i start ładowania.

Ładowarką może być dedykowany moduł (LiPoly/LiIon 4S charger) lub tak jak wspomniałem odpowiednio ustawiony moduł/zasilacz z ograniczeniem prądu i napięcia CI/CV. Tylko taki, żaden inny stałonapięciowy zasilacz laptopowy/komputerowy czy inny nie nadaje się do bezpośredniego podłączenia do akumulatora LiPol/LiIon. Czy to jasne?

A teraz na wejściu potrzebujesz napięcia stałego, najlepiej sporo wyższego niż najwyższe napięcie akumulatora - od tego zależy komfort pracy ładowarki. Stos 4S ładujesz do 16.8V więc dobrym rozwiązaniem jest zasilacz 24V, min. 5A.

W tej konfiguracji nie masz balansowania ogniw więc musisz kupić dobre akumulatorki jakiejś znanej firmy. Żadne używane, nic ze starego e-roweru czy laptopa, żadne tam gówno z Fire-cośtam w nazwie lub inne noname. Za to mogą być bez wbudowanych zabezpieczeń. Wybierz sobie coś i daj znać co i dlaczego:

http://www.batimex.pl/towary.php?idzastosowania=360&idzastosowanianad=358

Jeśli zdecydujesz się na 3S2P (wspominałeś o tym), to wszystko przelicz odnowa na inne napięcie a ponieważ sumaryczna, fizyczna objętość akumulatorów spadnie to i ilość energii w nich zawarta także będzie mniejsza. Czas pracy także zmaleje. Możesz zrobić 3S3P i znów policzyć wszystko od nowa.

Czy jest coś jeszcze do wyjaśnienia?

[_bombel_]

Dziękuję, teraz rozumiem. Brakowało mi wiedzy jak ładują się ogniwa 18650. Czyli musi być coś przed BMSem (znalazłem taki z balanserem), co ograniczy zarówno napięcie jak i prąd. Na chwilę obecną wychodzi mi, że akumulator złożę z 4S3P, wtedy dostanę większą pojemność i bezpieczniejszy (niższy) prąd ładowania zwłaszcza w przypadku braku obciążenia (rozumiem, że wtedy prąd rozłoży się na 3, a nie na 2, zgodnie z prawem Kirchhoffa, tak?) - będę czuł się z tym bezpieczniej (i będzie zdrowiej dla ogniw), a czas ładowania wciąż będzie akceptowalny. Jeszcze ostatnie pytanie odnośnie zasilacza "początkowego". Wspominasz 24V i 5A, co daje prawie 100W dostępnej mocy. Czy jednak nie mógłbym wykorzystać posiadanego zasilacza 16,5V i 3,75A (60W) i ustawić wymagane parametry dla BMSa za pomocą podobnej przetwornicy, ale step-up? Pytam, ponieważ ten zasilacz ma dosyć kompaktowe wymiary, a inny który mam i ma wyższe napięcie (19V / 4.74A) jest 50-70% większy.

Jeżeli chodzi o same ogniwa, to mam na liście cztery opcje:

1. Panasonic NCR18650B (3400 mAh)
2. Samsung 30Q (3000 mAh)
3. Liitokala NCR18650B (3400 mAh)
4. Liitokala 18650HG2 (3000 mAh)

W wielu miejscach Panasonic i Samsung są polecane do domowych zastosowań, aczkolwiek przez przypadek trafiły mi w ręce dwa ogniwa Liitokala i w zasadzie nie miałem jeszcze możliwości ocenić ich jakości (poza faktem, że podana pojemność zgadza się z rzeczywistością), ale znalazłem test żywotności, który wyszedł bardzo pozytywnie. Oczywiście cena przemawia z Liitokalą, ale nie wiem czy jednocześnie nie poświęcam czegoś innego (bezpieczeństwo?). Trochę nieufnie podchodzę do produktów, które wyglądem i nazwą przypominają markowe odpowiedniki. W każdym razie ogniwa będą wykorzystywane sporadycznie w trakcie wakacji, więc stawiam, że rocznie mogą przejść 20-40 cykli max, więc pytanie czy warto?

Edytowano Grudzień 19, 2020 przez _bombel_

[marek1707]

Kurcze, no czy to jest takie trudne z zrozumieniu? Piszę Ci już trzeci raz: przed akumulatorem (z BMS czy nie) musi stać ładowarka CI/CV. Jeśli zrobisz ją z przetwornicy step-down czyli obniżającej a to najlepsze wyjście i takie dwie wskazałeś, no to chyba z definicji ma ona obniżać napięcie. Czyli jeśli końcowe (maksymalne) napięcie na akumulatorze 4S wyniesie 16.8V to na wejściu ładowarki musisz mieć kilka woltów więcej. Twój zasilacz daje 16.5V. Teraz skup się. Czy 16.5V jest większe czy mniejsze niż wymagane 16.8V+5V marginesu? Mniejsze? No to nie możesz go użyć i koniec, kropka. Dlatego typowy zasilacz 24V jest dobry, a 16.5V jest zły. Więcej napięcia - cieszymy się, za mało - płaczemy i szukamy czegoś innego (*)

A dlaczego nadmiar mocy? Bo a) budując łańcuch zasilania i posuwając się od końca do wejścia moduły muszą być coraz silniejsze a nie coraz słabsze, b) po drodze tracisz energię na ciepło i c) nie możesz obciążać słabszego czymś mocniejszym. Poza tym te całe wyliczenia mocy to warunki ustalone. Chiński moduł zasilacza/ładowarki dający na wyjściu 16.8V/5A w chwili startu pobierze 10A więc nie możesz jej podłączyć do zabawkowego zasilaczyka 3A.

Nie znam ogniw Liitokala. Nic Ci nie powiem. Jeśli testy długotrwałego używania nie pokazują szybkiej degradacji a pojemność jest utrzymywana przy prądach katalogowych (1C? 2C? 5C?) too świadczy o dobrej technologii.

BMS z balanserem jest OK. Ale to nie jest ładowarka, mimo że tak piszą w folderze reklamowym. To tylko zabezpieczenie. 

EDIT: (*) - albo skracamy stos np. do 3S4P.

Edytowano Grudzień 19, 2020 przez marek1707

[_bombel_]

Dzięki za odpowiedź, post edytowałem chwilę po wysłaniu, bo nie zwróciłem uwagi, że te przetwornice to tylko step down i palnąłem taką głupotę (coś mi się ubzdurało, że są up/down). W zasadzie moje pytanie powinno brzmieć: czy jest sposób żeby jednak wykorzystać ten zasilacz 16,5V i podbić napięcie, np. przetwornicą step-up? Oczywiście wiem, że zapas mocy powinien być, tylko jak ustalić ten zapas? 60W wydaje się być sensowne, ale może jestem w błędzie. Miejsce w obudowie mam ograniczone, a zależy mi żeby wszystko upchnąć w środku, tj. bez zasilacza na zewnątrz.

[marek1707]

A konfiguracja 3S3P akumulatora? Wtedy ładujesz do 12.6V a ładowarce te 4 V zapasu powinny wystarczyć. Modułowi zasilającemu bezpośrednio Malinę raczej nie będzie przeszkadzało czy zrobisz 3 czy 4S więc to pozostanie bez zmian. A w razie użycia mocniejszego zasilacza 24V wystarczy "przestroić" ładowarkę na 16.8V no i dospawać jedno piętro akumulatora. Acha, no i kupić inny BMS, bo ten musi pasować wprost.

Unikaj takich łańcuchów przetwornic. W systemach zasilania trzeba to zawsze dobrze rozważyć a przy stosowaniu gotowych modułów - przetestować. Tutaj miałbyś:

Zasilacz 16.5V (czyli przetwornica DCDC 320V/16.5V) -> przetwornica boost -> przetwornica/ładowarka -> akumulator.

Pomijając fakt, że te trzy rzeczy wypadałoby zastąpić jednym modułem ładowarki LiPol zasilanej z sieci (sprawność (ciepło), wymiary, zakłócenia), to każda przetwornica DCDC ma jakieś swój sposób zachowania podczas rozruchu: jakiś prąd w impulsie, jakieś napięcie od którego startuje itd. Im mniej o układzie wiesz tym większe ryzyko, że to nie zadziała albo zadziała źle.

Prosty przykład: bierzesz chiński moduł zasilający. Ustawiasz sobie potencjometrem 5V i podłączasz go do taśmy inteligentnych LEDów i Maliny by tym sterowała. Odpalasz to z akumulatorka 3S wziętego z szuflady - działa, pobiera 1A na 12V i robi z tego 2A na 5V. Napięcie jest stabilne, prądu może przetwornica dać nawet 3 razy więcej i w ogóle super. No to montujesz to na ścianie, ale przeciez do zasilania tego w pomieszczeniu nie będziesz używał akumulatora z drona więc wstawiasz jakiś zasilacz z odzysku, np. 16V/1.5A. Jest zapas więc spoko, podłączasz i kicha. Co się dzieje? Napięcie na wyjściu zasilacza jest 4V, z tego żaden step-down 5V nie zrobi więc wszystko trwa w takim dziwnym stanie a zasilacz się grzeje. To teraz wyobraź sobie jak wstaje przetwornica DCDC, której powiedzmy użyłeś w przykładzie powyżej. Napięcie wejściowe zaczyna narastać od zera, ale teraz jest małe. Na początku w ogóle nic się nie dzieje, bo 2V to za mało by ruszył generator taktujący, układy analogowe i sterowanie głównego tranzystora. Gdy wejście osiągnie kilka woltów cała maszyneria się odpala i widzi, że napięcie wyjściowe jest zero. Ponieważ ma być 5V, to różnica jest ogromna i układ sterowania "staje na głowie" by jak najszybciej dociągnąć do zadanego poziomu. "Otwiera" się więc i ładuje kondensatory wyjściowe by dopompować je do 5V. A jeśli już 5V zostanie osiagnięte, to ruszają tamtejsze obciążenia i pobierają prąd. W przykładzie powyżej wciągają 2A, ale przecież na wejściu przetwornicy nie ma jeszcze 16V tylko powiedzmy 7V. A 10W przy takim napięciu to prawie 1.5A. Takie warunki (7V/1.5A) zasilacz sieciowy może uznać za zwarcie lub chociaż przeciążenie. Przecież jeszcze nie dociągnął do 16V a jego obciążenie już pobiera 1.5A. Wtedy może się wyłączyć albo przejść w jakiś stan zabezpieczenia, w którym musisz całkowicie odłączyć wszystko by układ powrócił do stanu 16V. Jak widzisz problem powstaje w momencie, gdy przetwornica DCDC ruszając pobiera znacznie większy prąd wejściowy niż normalnie z prostej przyczyny: napięcie wejściowe jest niskie. A przecież musi ono przez taki obszar przejść, by osiągnąć swój nominalny poziom. Akumulatorowi w testach to nie przeszkadzało. Przetworrnica chciała 1.5A? No to dostała. Gdyby chciała 20A też pewnie by dostała. Niestety zasilacze są 'mądrzejsze". W rozbudowanych systemach zasilania stosuje się wiele "myków" by uniknąć tego rodzaju skuch już na etapie projektowania: można załączać przetwornice po kolei (z opóźnieniami) począwszy od tej źródłowej, można każdej wbudowć układ "undervoltage lockout" który uniemożliwia start zanim napięcie wejściowe nie będzie dostatecznie wysokie (np. 90% nominalnego), można wbudować stan "soft startu" albo "input current control" w którym z założenia nie przekraczamy jakiegoś prądu wejściowego (wypełnienia PWM) itp itd. Stosowanie nieznanych modułów, które nie wiadomo ani w jaki sposób jak ruszają, ani przy jakim napięciu, ani co robią wtedy ze swoim wyjściem jest loterią. I dlatego ryzyko przegranej dobrze jest minimalizować ograniczając liczbę takich modułów w łańcuszku do naprawdę niezbędnego minimum.

Jeśli chcesz to jakoś upakować, pamietaj że te chińskie płytki mają podawane parametry jako naprawdę graniczne przy bardzo dobrym chłodzeniu. Jeśli piszą, że może oddawać 5A a Ty tyle właśnie planujesz, to raczej nastaw się na dobrze przemyślane otwory, kratki i wiatraczek gdzieś w obudowie niż zgrabne pudełeczko z upchniętymi jeszcze paroma takimi płytkami w środku. To taniocha, nikt w płyteczce za 1USD nie używa wypasionych i drogich tranzystorów czy scalaków. Ew. jakiś minimalnie spełniający wymagania radiatorek i w temperaturze pokojowej działa. Sprzedane. To samo jest z driverami do silników krokowych, regulatorami silników modelarskich itp itd. Rynek hobbystyczny to pierwsza strona folderu reklamowego, taniośc i żadnej odpowiedzialności. Czasem pewne ważne parametry są podane, owszem, ale po chińsku? 

Gospodarka ciepłem to ważna część projektu. Pamiętasz, jak pisałem o pracy inżynierskiej?

Edytowano Grudzień 19, 2020 przez marek1707

[_bombel_]

Zaczyna do mnie docierać z jakimi wyzwaniami należy się liczyć przy elektronice (zwłaszcza analogowej). Nie wystarczy sprawdzić podstawowe parametry w dokumentacji żeby poskładać klocki i zbudować poprawnie i bezpiecznie działający układ. Aczkolwiek nie ukrywam, że Twój wpis bardzo mnie zainteresował i być może planowany układ zasilania potraktuję bardziej jako narzędzie do nauki i analizy jak zasilanie może się zachowywać przy różnych konfiguracjach i wykorzystanych elementach (chciałbym przede wszystkim porównać prawdziwą ładowarkę LiPol vs. chińskie zabawki) - faktycznie nie mała praca inżynierska z tego może wyjść, więc zobaczymy na ile obowiązki pozwolą mi się w to wgryźć. Swoją drogą jak w jaki sposób analizuje się charakterystykę prądowo-napięciową w czasie w domowych warunkach? I jeszcze żeby wyniki dało się łatwo wrzucać do komputera 🙂. 

Przy okazji jeszcze raz bardzo dziękuję za obszerne odpowiedzi, bardzo mi to pomogło i dało szerszą perspektywę na mój problem.

[_bombel_]

Minęło trochę czasu, więc chciałbym odświeżyć temat i podzielić się postępami (i zadać kolejne pytania 🙂 ). Skompletowałem potrzebne elementy i udało mi się wszystko złożyć w całość zgodnie z planem. Na chwilę obecną w ramach testów wykorzystałem zasilacz 16.5V/3.65A, a ogniwa ułożyłem w 3S1P, na wyjściu ustawiłem 5V/2A i udało mi się taki prąd uzyskać na testowym obciążeniu (swoją drogą bardzo ciekawym ćwiczeniem było wykorzystanie przewodów o różnych przekrojach i obserwowanie spadków napięcia, nawet na bardzo krótkich odcinkach, np. 20 cm). 

Skoro podstawowe założenia zostały spełnione, to zacząłem myśleć o szczegółach i pojawiły mi się w głowie dwa pytania:

1. Na wyjściu planuję podłączyć co najmniej 4 różne urządzenia i chciałbym jakoś się upewnić, że praca jednego nie wpływa na pracę drugiego (martwię się zwłaszcza o zasilanie głośników, które kiedyś podłączyłem do jednego zasilacza (2A) razem z Raspberry Pi, co skutkowało ciągłymi zakłóceniami/szumem. W związku z powyższym jak się tego ustrzec? Czy warto podpiąć równolegle więcej przetwornic dających moje 5V, czy może wystarczy dołożyć po kondensatorze na każdym wyjściu, a może jeszcze coś innego?
2. W obecnym układzie, jeżeli nie ma obciążenia z urządzeń, to cały prąd z pierwszej przetwornicy idzie w ogniwa. Zastanawiam się jak mógłbym się od tego uniezależnić. Wtedy chyba już musiałbym zastosować przekaźnik (wyczytałem, że tranzystory nie są polecane do takich rozwiązań). Poniżej moja propozycja - Rysunek 1 (diodę przy przekaźniku dodałem zgodnie z kursem elektroniki). Czy to zadziała?
3. Chciałbym żeby obciążenie na głównym zasilaczu pojawiało się z opóźnieniem, tj. kiedy zasilacz osiągnie właściwe sobie napięcie - po podłączeniu podaje 1-2V, a po 0.5s jest właściwe 16.5V (wynika to ze specyfiki użytego zasilacza z odzysku, link - niestety nie mogę nigdzie znaleźć datasheet ze szczegółami). Dlatego pomyślałem, że jeżeli całe obciążenie przeniosę za przekaźnik, to przekaźnik załączy się dopiero gdy zasilacz będzie osiągał właściwe napięcie. Przekaźnik 16V przełącza się przy 12.8V, więc jest szansa, że jeżeli wezmę pod uwagę czas przełączenia, to obciążenie zostanie załączone we właściwym momencie - szczegóły w Rysunku 2. Czy dobrze myślę? Edit: zauważyłem, że to jednak nie ma sensu, bo baterie będą zasilały same siebie. W takim razie jak inaczej to rozwiązać? Drugim przekaźnikiem?

Trochę nazbierało mi się przemyśleń, mam nadzieję, że opisałem to sensownie. Może moje wątpliwości są trywialne, ale wolę się zapytać i upewnić zanim zacznę wprowadzać swoje pomysły w życie.

 

Edytowano Styczeń 23, 2021 przez _bombel_