Avaria de overvoltage nos carregadores de baterias

[MVS]

Este é um assunto técnico com toda a actualidade que eu gostaria de ver aqui discutido.

Já por algumas vezes tenho visto carregadores de baterias do tipo SMPS de várias proveniências e tipos de construção avariarem ao ponto de dispobilizarem de forma consistente uma tensão á saída muito superior á configuração original.

O último exemplo foi um carregador de 58,4V disponibilizar cerca de 100,57V. Resultado um conjunto de baterias ácidas seladas com pouco mais de um ano foi atirado de forma precoce para a reciclagem.

Os manuais dos controladores de motor mais dispendiosos (Ex: Sevcon, Sigmadrive) frizam a bold que na fase de carga o controlador do motor deve estar isolado do carregador. Penso que este aviso está intimamente relacionado com esta discussão.

Um contactor SPDT para o circuito de potência fica caro, pesado e consumidor numa scooter.

Pensei num circuito simples de protecção de voltagem máxima do tipo "crowbar" dentro da scooter em paralelo com a ficha do carregador e um fusível em série a jusante para o lado da scooter tarado para a corrente máxima do carregador.

Em caso de overvoltage, um SCR provoca o curto e a corrente das baterias abre o fusível protegendo todo o circuito interno da scooter.

O SCR só abre quando a corrente baixar abaixo de poucas centenas de miliampere.

Do lado do carregador o curto continua mas limitado á corrente máxima de saída. Temos agora aqui vários casos:

1. Se o carregador tiver relé de protecção á saída este ao deixar de ver a tensão das baterias abre automáticamente.

2. Se o carregador tiver proteção eléctrónica vai desligar e ficar á espera de um AC power recycle.

3. Se o fusível de saída do carregador abrir ainda melhor.

4. Se nada disso acontecer o carregador já estaria eventualmente condenado a uma reparação.

Ao estudar esta questão apercebi-me de como funciona mal a regulação de voltagem destes carregadores.

Eis na figura abaixo um exemplo do transiente de 83,4V criado por um carregador de 58,4V e 4A pelo consumo brusco aleatório de apenas 120mA na situação de vazio.

Estes transientes ás vezes ocorrem também no acto de ligar e desligar do carregador e vão acabar por "picar" os MOSFETs do controlador do motor.

[RJSC]

Os fabricantes dos carregadores devem contar com a bateria como filtro passa baixo para absorver os transientes...
Esse teste foi realizado com uma bateria ou com uma resistência de carga?

[MVS]

Foi justamente o que pensei RJSC.

O teste acima foi realizado em vazio (sem baterias) como disse e criando uma carga abrupta de apenas 120mA.

Quando um BMS corta o carregador com MOSFETs back to back common drain isola as baterias mas o carregador permanece em paralelo com o circuito de potência do controlador do motor (Main DC Bus e MOSFETs).

Tenho soluções em que os MOSFETs de carga são controlados por PVIs lentos para que o switch do carregador seja suave.

Para os transientes já experimentei 4 díodos TVS de 15V 1500W em série e depois colocados em paralelo como o circuito e estranhamente o mesmo transiente ficou muito mais dificil de obter mas esporádicamente (10% das vezes) ainda aparece com quase a mesma estaleca.

Convinha pensar nos dois assuntos mas começar pela avaria de overvoltage permanente. O que achas do crowbar circuit RJSC?

Tenho alguma dificuldade em arbitrar sem fazer testes o rating do SCR mas para baterias de 72V 60Ah e fusível do carregador entre 10 e 15A estava a pensar em 80A (On State RMS current) 1000V 1430A (Peak non rep surge current) IR 50RIA series 10€.

[RJSC]

O crowbar é uma proteção eficaz e económica.
Uma ideia para não haver dúvidas quanto ao fusível e tirístor é colocar o detetor de sobretensão a desligar o carregador, até mesmo do lado AC.
Claro que demora a atuar e não corta um transiente rápido, mas protege as baterias de sobrecarga, como aconteceu no caso relatado (sobretensão permanente).
Os transientes devem ser absorvidos pela bateria sem problemas.

[MVS]

Certo.

Nos modelos de BMS em que o corte do carregador interno da scooter é feito do lado AC esta protecção já está implementada.

A ideia é poder retrofitar uma solução de protecção simples no material que já anda a rolar e não é practico interferir no lado AC.

[RJSC]

Certo.

Nos modelos de BMS em que o corte do carregador interno da scooter é feito do lado AC esta protecção já está implementada.

A ideia é poder retrofitar uma solução de protecção simples no material que já anda a rolar e não é practico interferir no lado AC.

Material a rolar sem BMS?
Nesse caso um relé até 15A do lado DC também não ficaria caro.
O circuito tem é que levar um "flip-flop" (dá para fazer com um integrado com 2 comparadores) para que uma vez que faça o corte não volte a ligar assim que a tensão baixa.
Num integrado com 4 comparadores dá para fazer o flip-flop e o detetor de sobre-tensão.
Fiz um circuito assim com um circuito integrado com 4 comparadores para as baterias solares do visitante2, para cortar por "under-voltage" e só voltar a ligar (reset) quando estão com mais de 13V.

Monitor Baterias.png (22.45 KiB) Visto 3840 vezes

Além disso esse circuito tem um atraso na comutação por baixa tensão (R8 e C1) para que um pico de consumo no arranque de um motor de frigorífico não faça atuar o corte por baixa tensão.

[Emanuel Couto]

Ao estudar esta questão apercebi-me de como funciona mal a regulação de voltagem destes carregadores.

Só destes

Cala-te boca.......

[Njay]

Eis na figura abaixo um exemplo do transiente de 83,4V criado por um carregador de 58,4V e 4A pelo consumo brusco aleatório de apenas 120mA na situação de vazio.

Estes transientes ás vezes ocorrem também no acto de ligar e desligar do carregador e vão acabar por "picar" os MOSFETs do controlador do motor.

A secção de potência dum controlador destes já está sujeita a transientes fortes e curtos, e tem uma série de condensadores na entrada da alimentação, tanto "gordos e lentos" como "magros e rápidos". Hás-de experimentar fazer essa mesma medição mas em cima dos MOSFETs um controlador.

Alternativamente, pode ser possível e mais fácil filtrar esses transientes com uns condensadores logo na ficha de entrada.

Também há ainda a possibilidade de que esse transiente não esteja lá...

[Emanuel Couto]

Pode ser uma solução Njay!

[jmal]

Eis na figura abaixo um exemplo do transiente de 83,4V criado por um carregador de 58,4V e 4A pelo consumo brusco aleatório de apenas 120mA na situação de vazio.

Estes transientes ás vezes ocorrem também no acto de ligar e desligar do carregador e vão acabar por "picar" os MOSFETs do controlador do motor.

A secção de potência dum controlador destes já está sujeita a transientes fortes e curtos, e tem uma série de condensadores na entrada da alimentação, tanto "gordos e lentos" como "magros e rápidos". Hás-de experimentar fazer essa mesma medição mas em cima dos MOSFETs um controlador.

Alternativamente, pode ser possível e mais fácil filtrar esses transientes com uns condensadores logo na ficha de entrada.

Também há ainda a possibilidade de que esse transiente não esteja lá...

É bem visível a falta de filtragem no gráfico do osciloscópio, esses condensadores estão secos, e alem disso não tem zener na saída, protecção que tenho visto em todos os carregadores.

[MVS]

É bem visível a falta de filtragem no gráfico do osciloscópio, esses condensadores estão secos, e alem disso não tem zener na saída, protecção que tenho visto em todos os carregadores.

Os condensadores estão OK e são de 1000uF não têm no entanto ESR (equivalent series resistance) suficientemente baixa para responder a estes transientes rápidos.

Um díodo zener não responde na casa dos nanosegundos. É completamente inútil para estes transientes. EDIT: Estive a confirmar e isto não está correcto. Pode até funcionar melhor nesta situação. Vou verificar.

Pelo que está escrito acima até um díodo TVS que esse sim responde na casa dos nanosegundos não foi 100% eficaz.

Se o controlo de voltagem do carregador avariar o díodo zener não seguraria a tensão por mais de alguns segundos.

Repito que o foco nem está nos transientes que são aqui um aparte mas sim na avaria do controlo de tensão do carregador que tem o potencial de destruir rápidamente um pack de baterias.

[RJSC]

Então e o circuito do estilo que postei com o LM339 e relé normalmente fechado a abrir o circuito do lado DC?
Enquanto o carregador estiver ligado a com sobretensão na saída o relé será mantido aberto.
Fabricando umas placas de circuito impresso para intercalar entre o carregador e o pack: fácil instalação.
Tem é que se tentar aumentar ao máximo o valor de todos os divisores de tensão para minimizar a descarga da bateria com o veículo parado.
Em caso de atuação, todo o circuito seria alimentado exclusivamente pelo carregador.

[Njay]

O fusível pode abrir mas o crowbar fica a fazer curto à saída do carregador...

[RJSC]

O fusível pode abrir mas o crowbar fica a fazer curto à saída do carregador...

Como se trata de um carregador que já está avariado na situação, não é assim tão mau.
Pode é queimar a parte do circuito de potência sem necessidade por falha na parte de controlo.
O circuito que falei abre um relé e isola o carregador. É um circuito barato, o mais caro é o relé e sofre pouco desgaste porque o relé desatraca em caso de avaria de sobretensão no carregador. Em situações normais os contactos nunca mexem.

[MVS]

Então e o circuito do estilo que postei com o LM339 e relé normalmente fechado a abrir o circuito do lado DC?
Enquanto o carregador estiver ligado a com sobretensão na saída o relé será mantido aberto.
Fabricando umas placas de circuito impresso para intercalar entre o carregador e o pack: fácil instalação.
Tem é que se tentar aumentar ao máximo o valor de todos os divisores de tensão para minimizar a descarga da bateria com o veículo parado.
Em caso de atuação, todo o circuito seria alimentado exclusivamente pelo carregador.

Estava a pensar numa solução genérica que:

1. Pudesse ser facilmente dimensionada entre os 48V nominais (abertura aos 60V) e os 96V (abertura aos 120V).

2. Baixo custo para poder ser montada nas quase-scooters mais baratas.

3. Baixo consumo para não descarregar desnecessáriamente o pack nas alturas em que o VE não é utilizado com regularidade e poder ser montado em packs de 12Ah.

4. Baixo atravancamento para poder ser montado dentro das caixas de baterias das quase-scooters.

Relativamente á solução que apresentaste:

O relé com bobine DC (tensão do pack) onde passaria toda a corrente do carregador (1,8A - 25A) tende a ser grande e caro.

Um DC/DC converter p/ PCB p/ alimentar o circuito é caro e tem um consumo elevado. Em 3 meses s/ uso inutilizava umas baterias de 12Ah.

Um circuito assim custaria entre 50€ para uma quase-scooter e mais de 100€ para uma scooter de 5KW.

Queria eliminar primeiro todas as soluções tipo ovo de Colombo.

[MVS]

O fusível pode abrir mas o crowbar fica a fazer curto à saída do carregador...

A maior parte dos carregadores desliga nesta situação. Dei-te no primeiro post 4 casos possíveis.

[Njay]

Se o carregador mete à saída mais tensão do que devia porque avariou, eu já não confiava mais nele. No mínimo o crowbar teria que abrir depois do fusível do lado da bateria ter queimado.

[jmal]

É bem visível a falta de filtragem no gráfico do osciloscópio, esses condensadores estão secos, e alem disso não tem zener na saída, protecção que tenho visto em todos os carregadores.

Os condensadores estão OK e são de 1000uF não têm no entanto ESR (equivalent series resistance) suficientemente baixa para responder a estes transientes rápidos.

Um díodo zener não responde na casa dos nanosegundos. É completamente inútil para estes transientes. EDIT: Estive a confirmar e isto não está correcto. Pode até funcionar melhor nesta situação. Vou verificar.

Pelo que está escrito acima até um díodo TVS que esse sim responde na casa dos nanosegundos não foi 100% eficaz.

Se o controlo de voltagem do carregador avariar o díodo zener não seguraria a tensão por mais de alguns segundos.

Repito que o foco nem está nos transientes que são aqui um aparte mas sim na avaria do controlo de tensão do carregador que tem o potencial de destruir rápidamente um pack de baterias.

Onde é que estão os 0 (zero) volts ?

Se estão bons então tem outros componentes avariados, ou eu estou a ver mal, se está em vazio para onde foi a corrente que entrou nos condensadores ?


Quanto à protecção com diodo zener, funciona de certeza, é o que muitos carregadores de baixa corrente (até 5 - 10 amps) trazem, se a tensão passar e a corrente for suficiente para ele queimar, entra em curto e funde o fusivel.

[MVS]

A linha horizontal de onde nasce o pico são os 58,4V o zero não está visível fica para baixo como a seta do lado esquerdo indica.

Nesta escala de tempos as coisas passam-se de forma ou pouco diferente. Liguei alguns film capacitors em paralelo com o carregador e também não fez grande diferença.

Este carregador não está avariado. Vou testar com outros modelos. Este teste simples só pode ser realizado com os que não têm relé á saída.

[BondadeSua]

Estou a gostar de vos ver a trabalhar o assunto. Mais pontos para o fórum!

BondadeSua