Автономное электропитание для спутниковой наземной SDR станции PQ-101

09.10.2022

«Русская речь без мата превращается в доклад»
Николай Фоменко

Наземная спутниковая SDR станция PQ-101 изначально проектировалась для работы как в стационарных, так и в походных условиях. Полностью станция содержит 4 основных элемента:

  • Блок радиоканала 10/2.4 ГГц
  • Антенный блок
  • Блок сетевого электропитания 220 В (для стационарного использования)
  • Автономный блок электропитания АБЭП (для походного использования)

Фото 1.  Комплект для стационарного использования: Блок радиоканала PQ-101 (вверху) и блок сетевого электропитания 220 В (внизу)

Фото 2.  Комплект для походного использования: Блок радиоканала PQ-101 (вверху)
и блок автономного электропитания АБЭП (внизу)

Темой данной работы является описание примера создания автономного блока электропитания (АБЭП) для спутниковой станции PQ-101.

Для определения структурной схемы АБЭП следует определить технические требования к параметрам электропитания, а именно – для работы SDR станции PQ-101 нам необходимы два напряжения питания: 12 В для основной платы и 20…28 В для усилителя мощности. Ток потребления по шине 12 В составляет до 0.4А, а по шине 20…28 В максимум 2.1 А только в режиме передачи.

Таким образом, первое требуемое напряжение 12В может обеспечить напрямую 12-ти вольтовый аккумулятор АБЭП, а второе напряжение 20…28В для усилителя мощности позволит получить один стандартный преобразователь напряжения с 12 на 24 В.

В состав АБЭП входят следующие узлы и блоки:

  • Аккумулятор 12 вольт
  • Преобразователь напряжения для выходного каскада 12В / 24 В
  • Блок BMS
  • Блок пассивной балансировки
  • Устройства индикации и управления
  • Зарядное устройство простое
  • Зарядное устройство автоматическое
  • Корпус-чемоданчик

Рассмотрим эти элементы отдельно:

Аккумулятор 12 В

Ориентируясь на требование непрерывной работы SDR станции PQ-101 на автономном электропитании не менее суток и принимая во внимание среднее значение потребления тока (при режиме RX/TX как 5:1) примерно 1 Ач, и одновременно учитывая комфортный вес (3 кг) для переноса АБЭП выбираем требуемую емкость аккумулятора 25 Ач, то есть аккумулятор позволит непрерывно работать в режиме приема/передачи в течении 25 часов на одном заряде.

Выбор типа аккумулятора в соответствии с техническими требованиями приводит к аккумулятору по технологии LiFePo4, собранному из четырех элементов емкостью 25 Ач каждый.

Технология LiFePo4 (литий-железо-фосфатные аккумуляторы) обеспечивает следующие преимущества по сравнению с другими вариантами:

  • Большой период эксплуатации – в среднем 3500 полных циклов или порядка 8000 не полных циклов заряд/разряд (срок службы примерно в 10 раз больше, чем у LiIon аккумуляторов)
  • Высокое отношение «отдаваемая мощность на 1 кг веса» — низкий вес особенно важен для портативного применения (примерно в 2 раза легче, чем свинцовые аккумуляторы)
  • Пожаробезопасность — в отличии от LiIon или LiPo не воспламеняются при перегреве, перезаряде и при физическом повреждении – очень важно при реальной эксплуатации
  • Не боится больших разрядных токов
  • Диапазон допустимых температур разряда составляет от — 30 до + 50 °С, при незначительном снижении емкости и токоотдачи при низких температурах
  • Отсутствие эффекта памяти
  • Отсутствие эффекта сульфатации
  • Не требует скорейшей зарядки после разряда
  • Высокая стабильность разрядного напряжения на уровне 3.2 В на долгом протяжении разряда (примерно 90% времени разрядного цикла)

Среди недостатков аккумуляторов LiFePo4 следует отметить два:

  • Более высокая стоимость
  • Меньшее напряжение на банку (3.2 В) по сравнению с Li-Ion/LiPo (3.7В). То есть для 12 В аккумулятора требуется 4 банки LiFePo4 вместо 3 банок Li-Ion или LiPo.

В АБЭП в качестве ячеек используются высокотоковые элементы ETP класса «А» с низким внутренним сопротивлением:

Фото 3. Сборка из 4 элементов LiFePo4 емкостью 25 Ач

Параметры ячейки LiFePo4 емкостью 25 Ач:

  • Номинальное напряжение: 3.2 В
  • Номинальная емкость: 25 Ач
  • Рабочее напряжение: 2.5 — 3.65 В
  • Ток заряда стандартный: 25 А
  • Ток заряда максимальный непрерывный: 50 А 
  • Ток разряда стандартный: 25 А
  • Ток разряда максимальный непрерывный: 75 А (3С)
  • Ток разряда максимальный: 200 А (8С)
  • Диапазон температуры заряда: 0С … + 45С
  • Диапазон температуры разряда: -30С …+ 55С
  • Диапазон температуры хранения: -20С + 45С
  • Внутреннее сопротивление: 0.7 мОм
  • Количество полных циклов заряд/разряд: > 3000  (емкость ≥ 80%)
  • Вес: 720 гр.
  • Резьба на шпильках: М6
  • Габариты: 148.2 мм (длина) х 26.7 мм (ширина) х 110 мм (с учетом высоты клемм)

Преобразователь напряжения для выходного каскада 12В / 24 В

В качестве повышающего преобразователя напряжения 12В / 24В используется изделие XW-12-24-120W на выходной ток до 5А и имеющая пылевлагозащиту по классу IP67.  Блок имеет встроенный радиатор и обеспечивает высокую эффективность преобразования в 93+%. Отличительной особенностью блока является тот факт, что при увеличении входного напряжения выходное напряжение преобразователя не увеличивается выше 24 В (в отличии от других подобных преобразователей).

Фото 4. Блок преобразователя напряжения XW-12-24-120W

Блок BMS (Battery Management System)

Литий-железо-фосфатные батареи (LiFePo4) чувствительны к перезаряду, а также разряду ниже определенного напряжения. С целью уменьшения риска повреждения отдельных аккумуляторных ячеек и выхода батареи в целом из строя все LiFePO4 аккумуляторы оснащаются специальной электронной схемой – системой управления батареями (BMS).

BMS (Battery Management System) – это электронная плата, которая подключается к аккумуляторной батареей с целью контроля процесса её заряда/разряда, мониторинга состояния аккумулятора и его элементов, контроля температуры, количества циклов заряда/разряда, защиты элементов аккумуляторной батареи. Система управления и балансировки обеспечивает индивидуальный контроль напряжения и сопротивления каждого элемента аккумулятора, распределяет токи между составными аккумуляторной батареи во время зарядного процесса, контролирует ток разряда, определяет потерю емкости от дисбаланса, гарантирует безопасное подключение/отключение нагрузки.

Функциональные возможности платы BMS:

  • Защита по току. При коротком замыкании или подключении потребителя с избыточной энергоемкостью контроллер автоматически размыкает цепь (отключает нагрузку).
  • Защита по напряжению. Контроллер измеряет его значение на каждой банке. Он не дает подключить нагрузку при низком напряжении и автоматически отключает зарядку при достижении максимального значения.
  • Защита по температуре. Терморезистор отключает нагрузку и не допускает перегрева АКБ.
  • Балансировка. Эта функция компенсирует разницу в емкости отдельных батарей, не допускает их перезаряда или недостаточной зарядки.

Перечисленные функции встречаются в BMS платах в различных комбинациях.

Фото 5. Плата BMS 4S 80A 3.2V / Same

В АБЭП используется плата BMS 4S 80A 3.2V от компании Heltec ( heltec-bms.com ) – то есть для 4 ячеек LiFePo4 аккумулятора с максимальным непрерывным током разряда 80А. В принципе можно приобрести плату BMS на существенно меньший ток, но стоимость уменьшается не существенно, а надежность BMS будет ниже. 

Основные параметры платы BMS  —  4S 80A 3,2 V / same port:

  • Защита от зарядки напряжением выше: 3,75 В
  • Выходное напряжение заряда: 3,6 В
  • Напряжение балансировки на элементе: 3,55 В
  • Защита с отключением при падения напряжения ниже: 2,1 В
  • Выходное напряжение разряда: 2,5 В
  • Ток балансировки: 95 мА
  • Ток непрерывного разряда: 80 A
  • Непрерывный ток зарядки: 80 A
  • Предельная ток защиты: 400 A
  • Размер блока: 72*55*8 мм

Данная плата BMS имеет единый (не раздельный) порт «same port» как для заряда так и для заряда, что важно учитывать при дальнейшем построении схемы.

Фото 6. Схема подключения платы BMS

Блок пассивной балансировки

Для правильного заряда аккумулятора требуется использовать устройство балансировки заряда когда количество ячеек в аккумуляторе становится больше одного. Балансиры для литий-железо-фосфатных аккумуляторов выравнивают напряжение на ячейках в сборке и блокируют его рост выше порогового значения. Они контролируют напряжение на ячейках и при достижении заданного значения инициируют включение силового ключа. В результате параллельно подзаряжаемой секции подключается балластный резистор.

Когда остаточный ток зарядки становится меньше величины тока, проходящего через балластный резистор, рост напряжения на заряжаемой секции останавливается. Но ячейки с меньшим напряжением продолжают заряжаться до тех пор, пока сработают балансиры всех частей батареи. В результате напряжение на всех ячейках будет равным пороговому значению (обычно 3,6– 3,7 В), на которое настроены балансиры.

Основной принцип пассивной балансировки – шунтирование резисторами ячеек батареи с наибольшим напряжением. Плата BMS имеет встроенный балансир, однако ток балансировки очень мал (95 мА) для аккумулятора емкостью 25 Ач, поэтому внешняя плата балансира на 500 мА подключается параллельно балансирному разъему платы BMS.

Фото 7. Плата четырех канального пассивного балансира на 500 мА

Фото 8. Схема подключения платы четырех канального пассивного балансира

  • Плата балансира предназначена для подключения к аккумулятору с 4 последовательными LiFePo4 ячейками
  • Пороговое напряжение 3,60 В
  • Ток балансировки составляет 500мА
  • Светодиоды показывают открытие разрядных шунтов в каждом канале и общее состояние заряда аккумулятора
  • Размер платы версии 500 мА: 58 х 28 х 1,6 мм 


Устройства индикации и управления

В состав АБЭП входят следующие устройства индикации и управления:

  • Кулометр (измеритель емкости аккумулятора, напряжения, тока и мощности)
  • Разъем для подключения зарядного устройства
  • Выключатель подачи питания 12 В и 24 В на радиоканал PQ-101
  • Разъем для подачи питания 12 В и 24 В на радиоканал PQ-101

Фото 9. Органы управления и индикации

Кулометр TK15

Кулометр ТК15 предназначен для измерения и индикации параметров АБЭП – напряжение; ток; потребляемая мощность; оставшаяся емкость аккумулятора в Ач и в процентах; оставшееся время. Использование стандартных вольтметров вместо кулометра бессмысленно, так как LiFePo4 аккумуляторы имеют очень стабильную и пологую разрядную характеристику и определить по напряжению оставшуюся емкость аккумулятора невозможно.

Фото 10.  Состав комплекта поставки кулометра ТК15 (дисплей, шунт, кабель)

Технические параметры кулометра ТК15:

  • Диапазон рабочего напряжения: 8-80 В (постоянное)
  • Максимальный ток: 50A/100A/350 A (токовый шунт — три версии поставки)
  • Потребляемый ток в режиме измерения: 8,0 мА (макс.: 10,0 мА)
  • Потребляемый ток в режиме ожидания: 0,5 мА (макс.: 0,8 мА)
  • Потребляемый ток в режиме сна: 50 мкA (макс.: 60 мкA)
  • Точность измерения напряжения: +/-1.0%
  • Точность измерения тока: +/-1.0%
  • Точность измерения емкости: +/-1.0%
  • Диапазон рабочих температур: 0 — 35C
  • Значение настройки емкости аккумулятора: 0.1 – 9999 Aч
  • Размер корпуса дисплея: 66x40x10 мм
  • Размер области индикации дисплея: 32×23 мм

На экран дисплея кулометра ТК15 выводятся следующие данные:

  • Остаточная емкость аккумулятора в процентах
  • Остаточная емкость аккумулятора в Ач или в мАч
  • Динамическая индикация оставшейся емкости аккумулятора в виде шкалы  
  • Оставшееся время заряда или разряда в часах, минутах, секундах
  • Текущее напряжение аккумулятора в Вольтах
  • Текущий ток аккумулятора в Амперах
  • Текущая потребляемая мощность от аккумулятора в Ваттах

Фото 11. Экран кулометра TK15

Для полного контроля за аккумулятором кулометр следует подключать к аккумулятору первым, то есть до подключения блока BMS и балансира. Питание на контакт «В+» шунта кулометра должно быть не отключаемым, так как только в этом случае показания кулометра будут соответствовать действительности.

Фото 12.  Схема подключения кулометра TK15

Зарядное устройство простое для LiFePo4

В качестве простого зарядного устройства (ЗУ) для четырех баночного LiFePo4 аккумулятора используется недорогой стабилизированный блок питания с фиксированным выходным напряжением 14.6 В на максимальный ток заряда 5 А.  Такой ЗУ позволяет зарядить аккумуляторы АБЭП за 5 часов. Простое ЗУ имеет защиту от КЗ и перегрузки. Цветной светодиодный индикатор в корпусе ЗУ позволяет определить режим работы.

Фото 13. Простое зарядное устройство

  • Тип: зарядное устройство только для аккумуляторов LiFePo4 из 4 ячеек
  • Входное напряжение: переменное 100 ~ 240 В, 50/60 Гц
  • Выходное напряжение: постоянное 14,6 В
  • Максимальный выходной ток: 5 А
  • Эффективность зарядки: ≥ 85% (полная нагрузка)
  • Разъем: DC 5,5*2,1 мм
  • Вес: 250 г
  • Размер: 135*60*35 мм

Зарядное устройство автоматическое

Если требуется обслуживать разные типы аккумуляторов, то в качестве альтернативы простому ЗУ можно использовать многофункциональное зарядное устройство FOXSUR FBC122410D, которое подходит для большинства типов аккумуляторов 12 В и 24 В, включая такие типы аккумуляторов как AGM, свинцово-кислотные (GEL, SLA, WET, EFB) и литиевые LiFePO4 аккумуляторы.

Фото 14. Зарядное устройство автоматическое FOXSUR FBC122410D

Особенности зарядного устройства FOXSUR FBC122410D:

  • Входное напряжение: 100-240 В переменное, 50-60 Гц
  • Выходное напряжение/ток заряда: постоянное 12 В / 10 A и 24 В / 5 A
  • Защита по полярности: Да
  • Защита от короткого замыкания: да
  • Защита без подключения аккумулятора: Да
  • Защита от перенапряжения: Да
  • Защита от перегрева: Да
  • Охлаждение: встроенный вентилятор
  • Минимальная напряжение аккумулятора: 8,0 В
  • Диапазон емкости батарей: 6-180 Ач для 12 вольтовых и 6 – 90 Ач для 24 вольтовых
  • Уровень термозащиты: 65C  +/- 5C
  • Эффективность зарядки:  85%.
  • Размеры: 170 × 110 × 65 мм
  • Вес: 600 г

Корпус-чемоданчик

Устройство АБЭП выполнено в пластиковом  ящике размером 280x240x130 мм.

Фото 15. Размещение узлов АБЭП с простым зарядным устройством

Фото 15. Размещение узлов АБЭП без простого зарядного устройства

Некоторые рекомендации по сборке АБЭП

  • Выбор ячеек LiFePo4 аккумулятора – один из наиболее важных моментов. Крайне желательно иметь подтверждение того, что Вы покупаете новые ячейки.
    Обычно правильный продавец может предоставить доказательства приобретения новых аккумуляторов напрямую от завода-изготовителя. Также на правильных аккумуляторах есть QR код, который можно использовать для проверки происхождения изделия на сайте производителя.
    На Aliexpress под разными торговыми марками, в основном, продаются ячейки с разобранных аккумуляторов, которые несколько лет до этого были в эксплуатации и имеют пониженную емкость и не большой оставшийся срок службы.
    Одним из способов проверки состояния ячейки является измерение её внутреннего сопротивления и полный цикл заряд/разряд для определения реальной емкости аккумулятора, а затем сравнение этих результатов с параметрами, указанными в справочном листке на конкретную модель ячейки.
    В качестве измерителя внутреннего сопротивления можно использовать измеритель внутреннего сопротивления RC3563, а в качестве измерителя емкости аккумулятора — электронную нагрузку ET5410+ или DL24P.
  • При монтаже ячеек аккумулятора следует учитывать, что металлический корпус ячейки, покрытый тонкой изоляционной пленкой, электрически соединен с положительным выводом ячейки («плюсом»), поэтому при монтаже ячеек следует исключить возможность контакта между корпусами различных ячеек. В некоторых случаях между ячейками прокладывают листы тонкого стеклотекстолита без фольги. В моем случае я использую наклейку двухсторонней скотч-ленты толщиной 1 мм и шириной 12 мм на верхнюю и нижнюю часть ячейки по всему периметру, так чтобы при сложении ячеек между ними образовывался зазор в 2 мм для исключения электрического контакта и прохождения воздуха для отвода тепла. Весь блок из 4 ячеек затем оборачивается поверх армированной скотч-лентой.

  • Для электрического соединения ячеек между собой используются три медные перемычки толщиной 3 мм, которые также играют роль ребер жесткости для механической фиксации четырех ячеек. Для небольших токов можно использовать и более тонкие шины. Для уменьшения переходного сопротивления (до 4 раз) между контактами при больших токах можно использовать токопроводящую пасту «Суперконт» https://supercontact.org/shop/item_166/
  • При установке блока аккумуляторов внутри корпуса следует предусмотреть необходимое место сбоку для размещения внутри простого зарядного устройства в изоляционном пластиковом пакете для исключения замыкания с токонесущими элементами.
  • Для уменьшения механических воздействий и исключения перемещения блока аккумулятора в корпусе используется  сшитый пенополиэтилен (ППЭ) толщиной 8 и 40 мм (ППЭ маты). Закрывающаяся крышка корпуса позволяет жестко фиксировать блок аккумулятора внутри корпуса.
  • Платы BMS и балансира следует подключать по схеме после шунта кулометра. 
  • Плата балансира устанавливается сверху блока аккумулятора между положительным и отрицательным выводами (см. фото выше). Будьте внимательны — металлические элементы типа крышек и площадки QR-кода могут быть соединены с положительным выводом. Поэтому плата балансира установлена в термоусадку с вырезом сверху для охлаждения баластных резисторов. Фиксация платы балансира произведена армированной скотч-лентой.
  • Плата BMS устанавливается с узкого торца блока аккумулятора и через двухстроннюю скотч-ленту прикрепляется к блоку аккумулятора. Сверху плата BMS крепится армированной скотч-лентой к аккумулятору.
  • Выключатель питания радиоканала подает на разъем питания радиоканала напряжение 12В и включает преобразователь напряжения 12В / 24 В. 
  • Проверьте силу затяжки всех соединений аккумулятора, особое внимание обратите на сильноточные цепи. Уровень затяжки должен быть такой, чтобы невозможно было бы провернуть соединение рукой без инструмента.
  • После сборки аккумулятора необходимо проверить его работу в виде двух тестов:
    • Первым этапом необходимо полностью зарядить аккумулятор и по окончании заряда, проверить напряжение отсечки BMS платы по верхнему порогу напряжения по каждой ячейки, т. е. BMS должна отключать зарядное устройство, как только на одной из ячеек напряжение достигнет верхнего порога, затем, через короткий промежуток времени вновь включать. Данную проверку необходимо сделать на всех ячейках аккумуляторной сборки, до полной балансировки аккумулятора.
    • Вторым этапом необходимо под контролем полностью разрядить аккумулятор и проверить напряжение отсечки по нижнему порогу BMS платы.

Много полезной информации по LiFePo4 аккумуляторам Вы можете получить на Youtube канале Дмитрия  — Dima espirans 

Дата изменений — 10.10.2022