Circuito UPS com carregador de bateria inteligente

brunohpg · 19 de julho de 2017

Olá pessoal,

estou desenvolvendo um sistema que deve funcionar 24/7 em um veículo, mais precisamente, em um caminhão.

A tensão do veículo é ~24v e tenho equipamentos sensíveis que funcionam em 12v e 5v.

Já estou utilizando fontes que convertem para as tensões desejadas e está tudo funcionando.

Porém, recentemente instalei o equipamento em um caminhão que está cortando a energia primária do sistema (os 24v), aparentemente aleatoriamente.

Para isso, pensei em desenvolver um sistema UPS (uninterruptible power supply) simples, utilizando uma bateria selada de 12v e alguns diodos.

Entretanto, sei que carregar baterias indefinidamente ou sem cuidado pode ser perigoso e reduz a capacidade bateria prematuramente.

Gostaria de saber se alguém tem um circuito UPS, ou mesmo me apresentar um módulo pronto, onde consigo ter uma saída de 12v ou apenas 5v utilizando baterias.

No cenário em questão, é apenas para manter o sistema ativo por algumas horas, durante a falta de energia. Em casos extremos, manterei apenas a tensão 5v para o computador de bordo.

Já li no fórum que o ideal é recarregar a bateria de 1,5v a 2v a mais que a tensão da bateria e a 10% da corrente da bateria. Mas estou procurando um circuito mais inteligente para aumentar a durabilidade da bateria.

P.S: como deve ter observado, tenho um computador de bordo! Eu posso medir e controlar a corrente se necessário. Talvez com um ADC + potenciômetro digital. Eu pensei na possibilidade de colocar um ADC na bateria, e um relê para carregamento. Quando a bateria chegar a um nível específico, eu ativo o carregamento. Mas, estou procurando ideias mais simples.

Muito obrigado.

19 de julho de 2017

Acho que você quer algo parecido com isso aqui

Aliexpress Link

Se você procurar no site você acha outros modelos com diferentes correntes (procura por DC UPS)... (desconheço o vendedor ) segundo o anuncio dá para alimentar bateria de litio (1-6 series) e baterial ácida (6V, 12V).

Se você procurar no mercado livre que é brasileiro por "DC UPS" você vai achar "step up" que tem função diferente que é aumentar a tensão e não manter o sistema todo tempo ligado tipo um nobreak.

adicionado 3 minutos depois

Outros modelos:

Aqui

adicionado 13 minutos depois

Esse aqui é um pouco melhorado

AQUI

Enfim... Se você for fazer um desses com um decente carregador de bateria, mais um step up ou não ou controlador de tensão é meio complexo mesmo...

brunohpg · 19 de julho de 2017

Obrigado pela resposta, Bommu Perneta.

Eu cheguei a procurar alguns modelos de UPS, porém, ou são muito caros ou o tempo de entrega os torna inviável.

Encontrei dois modelos procurando por "nobreak dc", com capacidade de 2Ah e 5Ah. O de 5Ah me pareceu interessante.

Mas de toda foram, comecei a projetar alguma coisa baseada na ideia de usar o controlador para determinar quando carrega a bateria. Eu não tenho experiência em projeto de circuitos, mas alguma teoria... Só fiz o esboço num papel:

Usei uma fonte de entrada de 24v, que irá alimentar o circuito de fontes chaveadas de 12v e 5v. Prefiro não colocar as fontes em cascata, pois caso haja um curto-circuito na fonte de 12v, a fonte de 5v pode continuar funcionando.

A ideia é recarregar a bateria acionando o relê. A fonte chaveada depois do relê converte a entrada para tensão 14,5v (e uma corrente constante). O D2 reduz a tensão em 1v, chegando 13,5v à bateria.

Carregando ou não, mas com energia primária de 24v ativa, a tensão após D3 (que será ~23v) sempre será maior que a tensão da bateria (quando não carregando) de 12v ou a tensão de carregamento (13,5v). Logo não terá corrente passando por D3 quando a energia primária estive ligada e a bateria irá recarregar corretamente.

Para determinar se a bateria está carregada ou não, preferi uma abordagem mais simples que ADC. Coloquei um zener de 11v (poderia ser outra tensão, dependendo da sensibilidade) e um divisor de tensão para reduzir o sinal para 2,1v~3,3v (que é a tensão que eu espero). O zener só irá conduzir se a bateria estiver >= 11v. Logo, quando parar de conduzir, deve-se ativar o carregamento. Pensei em manter o carregamento por um tempo fixo, uma vez que não saberei quando terminou.

O D1 é para não ir corrente da bateria à energia primária.

O D2 propósito semelhante ao D1, quando o relê estiver ativo (ou seja carregando) e houve falta de energia.

O circuito deve conduzir da bateria sempre que a energia primária cair, passando pelo D3. Esse diodo teria que ter a menor queda de tensão possível. A fonte chaveada de 12v, tem queda interna de tensão. Isso é um problema. Quando ativado na bateria, a tensão será inferior a 12v, estimo algo cerca de 9v. No meu projeto isso não será grande problema.

Por fim, coloquei um C1 só para suprimir o transitório da ativação da bateria quando a energia primária acabar. Não sei se é necessário, uma vez que as fontes chaveadas tem capacitores para evitar oscilações. Mas, foi por segurança.

Algumas melhorias que podem ser aplicadas: substituir o relê por mosfet (entretanto perde o isolamento com altas tensões e o controlador) [e eu não sei dimensionar mosfet...]. Outra melhoria seria ativar o relê (ou mosfet) a partir da ausência de tensão após o zener. Porém, essa abordagem teria que ativar o relê e só desativa-lo após a corrente na bateria ser baixa, uma vez que, após ativar, a tensão na bateria será 13,5v (de carregamento) e o zener irá conduzir e o sistema desativará! Então precisaria de algo para manter ligado e só desligar o carregamento quando estiver completo (baixa corrente).

O que acham?

19 de julho de 2017

Quando ao preço acho mais barato você comprar o negocio que postei ai em cima... só no teu esquema tem 3 fontes chaveadas para cuidar do negócio... ou seja em vez de 1 circuito vão ser 3, ou seja, vai encarecer. Realmente vai demorar 2 meses para chegar... poderia procurar aqui no Br se tem.

Estou vendo um bando de fontes chaveadas, mas elas são DC-DC ? Ou são aquelas de 120V ? Pois pelo que você falou você só tem 24V ... se for fazer um stepUp com essa fontes para depois fazer stepDown vai ser desperdício e você vai perder muita energia pro calor e/ou pelo uso dos circuitos, ou seja, sua bateria vai levar o farelo rápido.

Sobre o desenho seria melhor você simular em um software antes de ir em frente. Se você tiver prática em eletrônica você pode continuar... Se EU que fosse fazer eu estudaria mais a parte de carregamento da bateria, está aparecendo algo muito simples só mandar tensão maior para bateria e pronto, sem controle... afinal fonte chaveada não se chama "carregador de bateria".

brunohpg · 19 de julho de 2017

Na verdade duas das fontes chaveadas são necessárias, mesmo sem o UPS. Eu preciso de 12v e 5v a partir de uma entrada de 24v. Estou usando duas fontes para que haja um isolamento de curto-circuito entre elas.

E sim, elas são DC-DC. Já tenho várias.

Eu só adicionei uma fonte chaveada a mais. Mas, devido a baixa corrente necessária, eu consigo comprar com preços muito baixos, algo entorno de 6 reais (uma com lm2596, que aguenta até 3A). Ela só precisa ter 0.7A.

Sobre o carregamento, estou estudando como funciona. Meu projeto já considerou o que encontrei de informação: carregar com 1,5v a mais que o valor da bateria (13,5v = 12v + 1,5v) e a 10% da capacidade (considerando uma bateria de 7Ah), ou seja, 0.7A. O meu design foi para isso.

19 de julho de 2017

Olha o datasheet da tua bateria para ver a tensão e/ou corrente de carregamento ^^

ricardospimentel · 20 de julho de 2017

Uma sugestão para a fase de carga da bateria:

Já que tens aí tensão de sobra entre os 24V (que poderão variar de 21V a uns 28V), poderias aplicar um limitador de corrente para a corrente que necessitar, pois sua fonte de 14,5V (sugiro alterá-la para 13,5V como tensão boa para flutuação de bateria chumbo-ácida) vai precisar de uns 2V para trabalhar, logo 21V-16,5V=4,5V. Com esses "4,5V" acredito que dê para controlar ao menos 1A com um LM317 ou LM350.

Fazendo isto, vais ter um ótimo carregador de bateria com limitação de tensão e corrente prolongando um pouco mais a vida útil dela. Caso queira aumentar ainda mais a vida da bateria, aplique na bateria um circuito de corte (circuito de cut-off) que realize esse corte da bateria assim que ela alcançar 10,5V na descarga.

20 de julho de 2017

Tem que ver a tensão de alimentação, tem que ver a tensão mínima a corrente que está passando para ver se consegue oferecer mais ou menos (olhar datasheet)... e vai complementando teu circuito... tem muitos projetos bons na net de circuitos assim, especialmente com os gringos ^^ mas enfim ^^

brunohpg · 20 de julho de 2017

Eu tinha pesquisado sobre a bateria, mas não tinha encontrado muita coisa. Mas procurando novamente, e incluindo a palavrinha datasheet, encontrei um manual.

A recomendação para carregamento de tensão de flutuação é em torno de 13,5v a tensão constante, sem necessidade de corrente constante.

Anteriormente, eu pensei usar usar um LM317, mas pelos cálculos que fiz, a dissipação de potência no resistor era muito grande e não valida a pena. Estou usando bateria de caminhão, não posso desperdiçar muita coisa. Mas não fiz os cálculos para o LM350.

Então, talvez o projeto mais simples é regular a entrada para 13v~13,5v e deixar em ligado direto à bateria. Como essa é a tensão de flutuação da bateria, quando terminar de carregar, ela irá parar de ter corrente, uma vez que os pólos terão a mesma tensão da entrada. O inteligente seria variar a tensão de flutuação com a temperatura. Existem alguns CIs para isso, inclusive parece que LM350 daria conta, mas estou pensando em deixar uma tensão para uma temperatura maior, entorno de 35~40ºC, que será meu cenário.

Com temperatura maior, menor a tensão. Carregar a bateria com tensão inferior eu não sei se danifica ela. Mas obviamente eu terei menor capacidade armazenada.

Assim, eu não preciso de outra fonte chaveada também, bastaria eu reduzir um pouco a tensão de 13,5v, para próximo de 12v. Só preciso de outra fonte DC-DC para 5v.

O circuito cut-off é importante. Vou pensar como elaborar isso. valeu!

ricardospimentel · 20 de julho de 2017

A sugestão que dei para adicionar um controle de corrente na sua carga é um simples circuito com um regulador LM3xx e um resistor (cuja resistência você consegue encontrar dando uma olhadinha nos dataxites desses reguladores, ali na área de limitadores de corrente de precisão) em série com sua fonte de "14,5V" afim de adicionar de forma prática e eficaz também o controle de corrente fixa. No seu diagrama, essa fonte de corrente constante ficaria entre a sua fonte de tensão e o relé sensor de queda.

Caso não use a solução de corrente constante, podes aplicar um resistor de 3,3 Ohms, mas aí vais precisar de mais tempo de carregamento e a bateria durará um pouco menos, claro, se usar muitos ciclos de carga/descarga dela. Não ligue a bateria direto na saída da fonte. A tensão é a mesma, mas quando a bateria estiver descarregada a corrente vai tender ao infinito...

...e além.

Ao "além" irá a sua fonte pois ela não é capaz de suprir tanta corrente assim. Rsrs

Quanto a qtd. de ciclos completos que uma bateria nova e estacionária pode sofrer é de aproximadamente uns 200 ciclos, talvez um pouco mais, talvez um pouco menos e o tempo de carga total se carregá-la aos 10% de corrente constante é de aprox. 10h ou 12h.

Ah! No regulador de corrente constante vais precisar de um dissipador médio e se quiser usar o resistor de 3,3R, use um de 15W ou 20W e mantenha-no longe de qualquer coisa que ele vai esquentar.