04-Разгрузка аккумулятора при запуске двигателя. 01-Теория

Как известно, самое тяжёлое испытание для автомобильного аккумулятора — запуск двигателя. Для проворачивания коленвала холодного двигателя требуются серьёзные стартовые токи. Несмотря на то что на этот процесс энергии уходит не так много, ёмкость аккумулятор теряет гораздо большую. И положение может усугубляться, если аккумулятор не успевает восполнить потерянную энергию при коротких поездках или во время зимней эксплуатации. Да кому я это объясняю тут на автомобильном сайте!

Конечно, никаких секретов тут не будет. Обычно для облегчения запуска параллельно аккумулятору подключают сборку суперконденсаторов или ионисторов, если использовать отечественные выражения (ионистор — скреповее, суперконденсатор — понятнее).Так-то это конденсатор с двойным электрическим слоем (EDLC — Electric Double Layer Capacitor). Его устройство и принцип действия я тут описывать не буду.

Для начала несколько расчётов из курса средней школы.
Пусть у нас имеется некий заряженный до напряжения Uн конденсатор ёмкостью C. Этот конденсатор характеризуется зарядом, Qн = Uн•C. При разряде конденсатора током постоянной величины Iр в течение времени tр заряд конденсатора уменьшится на величину Qр = Iр•tр (очевидно, что при заряде током постоянной величины заряд будет увеличиваться пропорционально времени).
Энергия, накопленная в конденсаторе, может быть найдена по формуле E = C•U²/2, но полученное значение будет выражаться в Джоулях, что на практике сложно применить. Для пересчёта в Вт-часы это значение нужно разделить на 3600.

Расчёт показывает, что на запуск двигателя стартер потребует энергии, которая запасена всего лишь в одной алкалиновой батарейке типоразмера AA. При этом конденсатор потеряет около четверти своего заряда (и около половины своей запасённой энергии).
Конечно, полностью использовать запасённую энергию конденсатора не удастся, но, поскольку в формуле энергии напряжение конденсатора входит во второй степени, конденсатор при разряде до половины напряжения израсходует 75% своего заряда.

Да, стартовый ток, скорее всего, превысит обозначенные 200 Ампер, но и исправный двигатель, как правило, запустится за 1-2 секунды, а после начала прокручивания коленвала ток стартера всё-таки упадёт.

В интернете и на Драйве не проблема найти успешные решения для запуска двигателя от ионисторов. Однако все они подразумевают подключение параллельно аккумулятору (суперконденсаторов малой ёмкости, до 100 Ф) или вместо аккумулятора (суперконденсаторов большой ёмкости, от 500 Ф). И даже 200 Фарад было достаточно для запуска двигателя без аккумулятора.

Я же хочу реализовать раздельную схему, при которой от суперконденсаторов работает только стартер, вся остальная же электроника (ЭБУ, свечи зажигания, бензонасос) работает от аккумулятора.

Особенность суперконденсаторов заключается в их низком максимальном рабочем напряжении (в большинстве случае до 2,85 В). При этом полностью сохранить эту энергию конденсатор не сможет (да и не самым лучшим образом это сказывается на его сроке жизни). Поэтому такой максимально заряженный конденсатор быстренько скинет несколько процентов энергии саморазрядом (и саморазогревом), после чего процесс замедлится.
Выходом из этого положения является последовательное соединение ионисторов, в результате чего кратно повышается предельное рабочее напряжение, а общая ёмкость кратно снижается, но не стоит унывать! Если вспомнить формулу вычисления запасённой энергии, общий заряд сборки равен сумме зарядов отдельных конденсаторов.

Проблема, однако, не в этом. Суперконденсаторы при изготовлении получаются с некоторым разбросом параметров. И при заряде такой последовательной сборки напряжение на отдельных элементах будет отличаться — у конденсаторов с меньшей ёмкостью напряжение будет расти быстрее. Не стоит забывать, что у конденсаторов могут быть различные токи саморазряда и после заряда до номинального напряжения со временем напряжение уменьшится по-разному. И если в сборке окажется один конденсатор с меньшей ёмкостью и низким саморазрядом, а остальные окажутся с большой ёмкостью и большим саморазрядом, то после нескольких зарядок может произойти неприятное явление (взрыв электролита в юности я помню, свидетелем взрыва суперконденсатора мне быть не хочется).
Отсюда следует вывод — необходимо контролировать заряд каждого конденсатора по отдельности (дабы не получить пробой со спецэффектами) и выравнивать заряд конденсатора, так как конденсаторы всё-таки надо заряжать до номинального напряжения (чтобы больше энергии с них получить в дальнейшем).
Как правило, нет необходимости знать точное значение напряжения на конденсаторе — достаточно использовать балансировщик (сложно и дорого, но эффективно) или ограничитель заряда (не так эффективно, зато очень просто и надёжно).

На досуге в Proteus набросал такую схему ограничителя заряда (исходник взял здесь).

Сборка конденсаторов будет заряжаться от повышающего преобразователя до напряжения в 15 В.
К каждому конденсатору подключён датчик напряжения. Использовать популярную TL431 здесь сложно, т.к. опорное напряжение у неё составляет 2,49 В, ещё около 0,7 В потеряется на транзисторе, а напряжение смещения взять неоткуда — схема питается от конденсатора с предельным напряжением 2,85 В. К счастью, существует улучшенная TLV431 с пороговым напряжением 1,24 В.
Делитель на резисторах R3, R4+R5+R6 (при напряжении ниже порогового) обеспечивает открывание TLV431 при напряжении на конденсаторе ~2,76 В. При этом открывшийся транзистор Q1 при помощи резистора R5 смещает вверх точку открывания TLV431, образуя делитель R3+R5, R4, обеспечивая тем самым гистерезисный эффект. Благодаря этому закрывается TLV431 при снижении напряжения на конденсаторе до ~2,55 В.
Резистор R1 служит для запирания транзистора Q1 и обеспечивает TLV431 необходимым минимальным для работы током, а R2 защищает Q1 и TLV431 от чрезмерного тока после открывания TLV431.
Открывшаяся TLV431 открывает полевой транзистор Q2, и ток заряда начинает протекать через шунтирующий резистор R7. Включённая параллельно резистору R7 оптопара U2 (через токоограничительный резистор R8) обеспечивает обратную связь — при открытии любого шунта схема должна ограничить ток заряда на уровне, не превышающем тока, протекающего через шунт. Благодаря этому тот конденсатор, у которого открыт шунт, начнёт медленно разряжаться, а остальные конденсаторы продолжат заряжаться (пусть и более медленным током).
Примерно так будет изменяться напряжение в схеме:

Физика гласит, что напряжение на обкладках конденсатора ёмкостью 1 Ф при зарядке током 1 А в течение 1 с увеличится на 1 В. Показанный на схеме конденсатор ёмкостью 1000 Ф при подключении к источнику тока 5 А будет заряжаться от 0 до напряжения срабатывания шунта (2,76 В) в течение 552 секунд. Если же конденсатор был заряжен на 75% от максимальной энергии до напряжения 2,39 В (100% накопленной энергии при напряжении 2,76 В), то на восполнение заряда потребуется 74 секунды.
Да, выглядит несколько странно — израсходовали 25% запасённой энергии, а заряд (и напряжение на обкладках) конденсатора уменьшился на 13,5%. И даже разряженный до 25% запасённой энергии конденсатор будет иметь на обкладках половину своего полного напряжения. Но это так. Поскольку при разряде одинаковым током полностью заряженного конденсатора выделяемая мощность будет в два раза больше, чем при разряде наполовину заряженного конденсатора, так как P = U•I. Иначе говоря, при разряде током постоянной величины производимая работа (выделяемая мощность) будет постоянно уменьшаться.

Схема контроля заряда сборки должна отслеживать состояние заряда каждого конденсатора. На самом деле, нет необходимости следить за каждым конденсатором — достаточно снизить ток заряда при открывании любого шунта и отключить заряд при открывании всех шунтов (и возобновить при закрывании любого шунта).

Если соединить выходы оптопар параллельно (схема ИЛИ), то не удастся различить состояние, когда открылся один шунт или открыты все шунты.
Поэтому я решил соединить выходы оптопар последовательно (схема И), подключив к каждой оптопаре шунтирующий резистор с большим сопротивлением и включив эту цепочку через токоограничительный резистор к источнику питания. Если все оптопары будут открыты, напряжение на цепочке будет близко к 0. Если все оптопары будут закрыты, напряжение на цепочке будет близко к напряжению питания. Если же какой-либо из шунтов откроется — напряжение будет меняться с шагом в 1/6 от напряжения питания.

Однако возникает сложность, связанная с тем, что напряжение питания необходимо стабилизировать. Я решил для питания цепочки использовать источник тока, а вместо резисторов поставить светодиоды.

Но тут возникла другая сложность. На светодиоде в номинальном режиме работы падает ~2 В, ещё ~1,5 В падает на источнике тока. В итоге необходимо хотя бы 13,5 В — аккумулятор такое напряжение не выдаёт, а на сборке конденсаторов при таком напряжении один из конденсаторов может оказаться уже полностью заряженным.
В итоге я разделил оптопары на две группы по следующей схеме:

Сборки Q13, Q14, R49, R50 и Q15, Q16, R51, R52 представляют собой источник тока величиной ~10 мА. Он не обладает высокой стабильностью, но здесь достаточно и 10% точности.
Выходы с каждой цепочки оптопар поступают на схему ИЛИ на транзисторах Q17, Q18. Используемые транзисторы IRLML6344 отпираются при низком управляющем напряжении от 1,1 В (при 1,5 В уже надёжно открыты во всех температурных и токовых режимах), поэтому транзисторы закроются только когда все оптопары будут открыты. Это состояние означает заряд всех конденсаторов.

Наконец, напряжение с обеих цепочек оптопар складывается при помощи резисторов R53, R55 и сравнивается при помощи U19 — микросхеме TL431, работающей в режиме компаратора.
TL431 будет открыта, пока будут закрыты все шунты. Стоит любому из шунтов открыться — напряжение на управляющем входе TL431 упадёт ниже 2,49 В (после делителя R53, R54, R55) и TL431 закроется.

Зарядка конденсаторов будет происходить только когда ключ в замке зажигания находится в положении On.

Взрослые мужчины тоже любят играть в игрушки, только игрушки становятся сложнее и дороже.
На данный момент уже заказаны ионисторы на 500 Ф в количестве 12 штук и прочая недостающая рассыпуха.
Для охлаждения резисторов шунта заказана медная пластина и термоинтерфейс.
Для зарядки сборки буду использовать повышающий преобразователь, который будет подключаться через лампочку. Связано это с тем, что обычный Step-Up преобразователь не может ограничить ток через выходной диод, если напряжение на выходе меньше, чем на входе (а разряженный конденсатор для преобразователя будет выглядеть коротким замыканием). Вообще, необходимо применять SEPIC преобразователь, но он будет заказан после успешных полевых испытаний.
В этом проекте не будет программирования — система должна быть автономной, а для отображения состояния достаточно светодиодов.