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Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Messaggioda Foto Utentebrunosso » 9 mar 2016, 17:12

Salve a tutti, ho da qualche giorno iniziato la mia tesi magistrale che prevede di progettare e costruire un banco di supercondensatori (280 da 2.5V cadauno) per sopperire a dei buchi di tensione in un'altra applicazione di potenza.

Mi sono imbattuto nella progettazione dei circuiti di balancing ed ho alcune perplessità. Ho trovato moduli già pronti, innovativi, a questo indirizzo http://www.aldinc.com/pdf/ALD8100xxFamily.pdf e poi altri circuiti basati principalmente su comparatore ad operazionale, e mosfet
http://www.discovercircuits.com/DJ-Circ ... oltlim.htm
https://www.insideelectronics.co.uk/ult ... balancing/

Una cosa non mi è chiara, la mia applicazione prevede di arrivare a circa 700V e potenza di 20-30kW, quindi la corrente in gioco è di circa 40A...mi chiedo come si comportano questi circuitini con 40A ?!?!
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[2] Re: Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 9 mar 2016, 19:30

Quei circuiti servono a garantire la tensione massima ai capi dei condensatori durante la fase di mantenimento e di carica lenta. Se scarichi a 40A non dovrebbero esserci problemi, perche' la corrente passa attraverso il supercap e la sua tensione sta scendendo.

I problemi potrebbero esserci con la corrente di carica elevata e quando scarichi troppo la serie e qualche condensatore viene caricato a rovescio. In quest'ultimo caso pero` il problema e` anche per il supercap, non solo per il circuito di equalizzazione.
Per usare proficuamente un simulatore, bisogna sapere molta più elettronica di lui
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[3] Re: Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Messaggioda Foto UtenteAlbertoBianchi » 10 mar 2016, 1:27

Ciao Foto Utentebrunosso,
In quel tipo di applicazione il problema principale è quello della disuniformità del valore di tensione di carica che si può verificare tra i diversi elementi di uno stack di supercap come quello che descrivi.
Nel processo di carica la differenza di capacità di ciascun elemento rispetto al valore nominale - del tutto fisiologica, dovuta sia alle tolleranze costruttive che al degrado del componente stesso dovuto processo di invecchiamento - determina che le celle aventi capacità inferiore raggiungano la massima tensione consentita prima di quelle di capacità maggiore; il risultato sarà che per evitare il danneggiamento di alcuni elementi per over-charge, altri risulteranno sottoimpiegati.

Il problema non è da sottovalutare perché essendo l'energia immagazzinata in un condensatore proporzionale al quadrato della tensione, risulta ben evidente che anche piccole ma molteplici carenze di carica possono andare a creare un importante carenza di immagazzinamento energetico del sistema.

Da aggiungere a questo primo problema ce n'è un secondo che prende il sopravvento nella fase di riposo, (mantenimento della carica) in cui la corrente di perdita caratteristica dei supercap, per sua variabilità, tende a scaricare in modo diverso ciascuna cella, col risultato che dopo un po' di tempo il valore di carica degli elementi dello stack diverrà sensibilmente disuniforme.

Nel momento in cui ci si ritrova con un certo numero di condensatori in serie di capacità similare, ma caricati a tensioni diverse, accade che durante una fase di ulteriore carica o di scarica, le differenze di tensione tra l' uno e l'altro rimarranno proporzionali a come erano all'inizio e, come precedentemente accennato da Foto UtenteIsidoroKZ, nel caso specifico della scarica, i condensatori che arriveranno per primi a 0V, successivamente si troveranno ad essere attraversati da questa corrente con polarità invertita.

In questa situazione di lavoro, durante ripetuti cicli di carica e scarica dello stack, le tensioni di cella non tenderanno certo ad uniformarsi autonomamente, anzi è possibile il contrario, che nel tempo tendano a divergere.
Inevitabilmente, se non attentamente monitorati, dopo breve tempo i supercap si troveranno a lavorare fuori specifica, e le capacità di accumulo energetico del sistema seriamente compromesse.

(Al limite, per riequilibrare il sistema, si potrebbe pensare di lasciar scaricare in modo "naturale" ciascun supercap sulla sua corrente di perdita o su delle resistenze poste in parallelo ma il processo di scarica completa in pratica richiederebbe settimane o mesi)

Da tutta questa situazione emerge l'esigenza di introdurre in gioco i sistemi di equalizzazione.
Per cercare di eliminare o ridurre, in tempo reale, il problema causato dalla differenza di capacità sono richiesti circuiti in grado di gestire correnti dello stesso ordine di grandezza di quelle di carica e scarica; in pratica sono dei by-pass di corrente che entrano in azione quando la cella ha raggiunto la massima tensione o 0V.

Per attenuare od eliminare l'effetto dovuto alla corrente di perdita ci sono varie possibilità, dalla più semplice che consiste in resistenze poste in parallelo ai supercap, il cui valore è scelto in modo che la corrente che ci scorre sia predominate rispetto a quella di perdita, a quelle di circuiti di drenaggio comandati da una soglia di intervento o a quelli centrati su un sistema di supervisione generale che monitorizzi tutte le celle dello stack e poi, di conseguenza, comandi l'ntervento delle singole celle di equalizzazione.

Sollevo anche la questione dell'efficienza di questi sistemi, dato che l'utilizzo di sistemi dissipativi non giova certo al concetto di efficienza energetica che dovrebbe avere un sistema di accumulo energetico.
Sarebbero invece da prendere in seria considerazione soluzioni di travaso dell'energia dalle celle più cariche a quelle meno cariche, che facciano uso di tecnologia switching ad alto rendimento.
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[4] Re: Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Messaggioda Foto Utentebrunosso » 10 mar 2016, 9:23

Grazie ad entrambi per le ottime risposte, e delucidazioni.
L'utilizzo del banco di supercap è quello di fare da buffer di potenza per un applicazione automotive, quindi deve scaricarsi in fretta (sopperire a buchi di tensione) e caricarsi in fretta...
Ho contattato anche il supporto tecnico della Advanced Linear Devices, Inc. (ALD) che mi ha risposto così

Dear Alberto,

The charging and discharging currents of the supercapacitor does not go through the SAB MOSFETs. There are two conditions you need to know in order to use the SAB MOSFET:

1) The nominal and max. operating voltage of the supercap inside the system. This is usually a derated voltage from the max. rated voltage of the supercap. For example, a max. rated voltage may be 2.7V and a derated nominal operating voltage may be 2.2V and a max. allowed operating voltage is 2.34V.

2) The max. rated leakage current of the supercap. This may a number such as 0.3 mA.

To look for an SAB MOSFET, go to table 1 of the datasheet named ALD8100XX/ALD9100XX Family of SAB MOSFET ARRAYS, and look down the column of 300 uA and 2.34V and select the part ALD810020SCL (quad version). Alternatively, go to Table 2 and select ALD910020SAL (dual version) for 2.3V max.

SAB MOSFET are high impedance devices and any of 50A charging and discharging do not go through the SAB MOSFET, and so you do not need to account for that current. It is like putting a high impedance variable resistor across the supercap, as the current across it is only determined by the voltage across the supercap and not by the current from or to the supercap.


Che ne pensate? Intanto sto abbozzando dei circuiti analoghi con mosfet di potenza, e comparatori con OPAMP per comandare il mosfet...
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[5] Re: Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Messaggioda Foto UtenteAlbertoBianchi » 10 mar 2016, 11:12

E' chiaro che i mosfets array ALD sono dispositivi di piccola capacità, nati per compensare la corrente di perdita dei supercap durante la fase di mantenimento; nel tipo di supercap che ho usato io (3000F 2.7V) ha un valore tipico di 5mA (è parametro il cui valore che non cala proporzionalmente con con la tensione, a tensoni basse è molto molto minore, e che tende a peggiorare con l'inveccchiamento).

Per la tua applicazione dovrai necessariamente progettare un sistema a componenti discreti.
Nel caso che si preveda la scarica totale (o quasi) occorre che si tenga conto di un sistema di prevenzione che impedisca la corrente inversa nei supercap.
Su quest'aspetto non ho mai indagato ma credo che l'ipotesi di un semplice diodo anche shottky in parallelo non sia sufficiente ad evitare danneggiamenti al supercap.

Sarebbe utile conoscere i dettagli del ciclo di lavoro che prevedi nella tua applicazione: frequenza del ciclo di carica/scarica, tempo di mantenimento tra i due, Vmax, Vmin, etc.
Ti consiglio di prendere come riferimento i supercap Maxwell K2 che hanno un rated voltage di 2.85V (che capacità prevedi di usare?) che nel panorama attuale soni i più performanti.

...circa 700V e potenza di 20-30kW

dato che la potenza è un valore istantaneo credo che per in dicare la capacità energetica sarebbe meglio usare il Joule o il W/h ;-)
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[6] Re: Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Messaggioda Foto Utentebrunosso » 29 mar 2016, 17:44

Grazie per la risposta dettagliata Alberto!
Per il progetto sono costretto ad usare dei supercap della Maxwell già acquistati, sono da 350F con tensione nominale di 2.5V

Parlando con il relatore, mi ha consigliato di usare dei mosfet IRF1324S, che da datasheet sopportano anche 300A, con una Vgs molto bassa.
Ho subito pensato ad un semplice operazionale (LMV931) piccolo, che faccia da comparatore tra una tensione di riferimento, e la tensione attuale sul condensatore. In base al confronto, comandi il gate del mosfet.

Che ne pensate?
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[7] Re: Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Messaggioda Foto UtenteAlbertoBianchi » 29 mar 2016, 18:40

Se pensi di progettare un regolatore di tipo shunt, quindi lineare, devi tener presente la potenza che andrà a dissipare il mosfet.
Inoltre sarebbe da prevedere che la corrente che attraversa il mosfet non superi un certo valore massimo compatible con le esigenze di balancinig e la massima potenza dissipabile dal dispositivo.
Secondo me andrebbero pervisti anche un dispositivo di limitazione della corrente e un allarme o protezione termica.
Il circuito di balancing, oltre a bypassare la corrente di carica, potrebbe trovarsi anche nelle condizioni di scaricare un supercap la cui tensione, per ipotesi, fosse più alta della soglia di intervento, per cui nel mosfet circolerebbe anche la sua corrente di scarica; bisogna tener conto che a causa della resistenza interna molto bassa, questa corrente può raggiungere i kA!
Secondariamente potrebbe essere utile un sistema di monitoraggio dello stato di funzionamento; anche dei semplici leds che comunque diano un minimo di informazione.
Meglio sarebbe un sistema di data logging centralizzato.
mosfet IRF1324S, che da datasheet sopportano anche 300A, con una Vgs molto bassa

Comunque con i 2.5V che ti da il supercap non vai molto lontano, ti serve una sorgente ausiliaria con una tensione un po' più alta (valuterei un charge pump ic come duplicatore/triplicatore)
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[8] Re: Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Messaggioda Foto Utentebrunosso » 30 mar 2016, 15:03

AlbertoBianchi ha scritto:Comunque con i 2.5 V che ti da il supercap non vai molto lontano, ti serve una sorgente ausiliaria con una tensione un po' più alta (valuterei un charge pump ic come duplicatore/triplicatore)


Questo non è un problema in quanto il relatore, mi ha assicurato che possiamo montare dei trafo ad alta frequenza, per ottenere una tensione ausiliaria, con cui alimentare tutto il circuito di regolazione. Diciamo anche 5V...
Ora cercando un bel po' online, mi inizia a venire il dubbio che devo prevedere un circuito per il balancing, nel caso di mantenimento, in modo da non scaricare i supercap tra di loro, ed un circuito di regolazione per evitare sovratensioni.
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[9] Re: Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Messaggioda Foto UtenteAlbertoBianchi » 30 mar 2016, 15:11

beh, ti servirebbe un trasformatore per ogni mosfet, 280 non sono pochi.... meno male che è solo una tesi e non devi costruirli :mrgreen:
devo prevedere un circuito per il balancing, nel caso di mantenimento

potrebbe essere benissimo lo stesso circuito, facendogli regolare solo qualche centinaio di mA, il problema è che in questo caso la gestione deve essere centralizzata perché si tratterà di agire solo su delle celle ma in relazione al tensione delle altre.
Oppure si fa regolare a tutti i balancer una stessa corrente nominale, tipo 10/50 volte la corrente di perdita tipica dei supercap, equibilanciando in questo modo i potenziali, ma non è molto efficiente (in termini energetici) come metodo.
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[10] Re: Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

Messaggioda Foto Utentebrunosso » 30 mar 2016, 16:08

AlbertoBianchi ha scritto:beh, ti servirebbe un trasformatore per ogni mosfet, 280 non sono pochi.... meno male che è solo una tesi e non devi costruirli :mrgreen:


In realtà devo costruirlo! La tesi è composta da progettazione e realizzazione ... onestamente non so come funzioni, ed il relatore non è entrato nel dettaglio, mi ha detto di considerare che ho un 5V disponibile su cui appoggiarmi per fare il circuito di regolazione.

Immagino siano dei piccoli trafo SMD, come quelli che si usano negli inverter per alimentare i driver dei mosfet... penso..

Comunque come regolatore sto pensando di usare un TLV3011 (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv3011.pdf) che ha disponibile un pin su cui mettere un riferimento di tensione, e bilanciare singolarmente ogni condensatore
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