Design requirements

[kaklik]

Napájecí modul má řešit běžné požadavky napájení zařízení typu GEODOS, automatická meteostanice, nebo jiná měřící zařízení v terénu se spotřebou pod 3W. Modul se musí vypořádat s částečným zastíněním fotovoltaických článků v panelu nebo velkým rozsahem provozních teplot (-30 až +40).

Pro nabájení se předpokládá fotovoltaický panel s následujícími parametry:

• Isc = 2,3 A
• Voc= 2,5 V
• Impp= 2,1 A
• Vmpp= 2,1 V
• Pm= 4,4 Wp

Konstrukčně bude vycházet z původní realizace napájení založeného na Li-ion článku velikosti 18650, které se skládalo z několika MLAB modulů. Ta vypadala následovně:

Hlavním problémem této sestavy je nutnost použití nabíjecího měniče pro lion-článek, který jednak zajišťuje omezení dobíjecího proudu podle stupně nabití článku a také zajišťuje blokování nabíjení za mrazu (případně i za vysoké teploty). Výsledkem obou těchto omezení je snížení rychlosti nabíjení akumulátoru, případně jeho nedobíjení za trvale mrazivých, nebo letních podmínek. Řešením těchto potíží by mělo být použití akumulátoru s chemií LTO, která umožňuje nabíjení za nízkých i vysokých teplot a nabíjení vysokými nabíjecími proudy až do maximálního napětí (díky značné toleranci přepětí oproti li-ion).
Otázkou je reálná potřeba omezení nabíjení za mrazu neboť LTO akumulátor lze nabíjet i do ‐15 °C. Je tak na diskusi, zda blokování nabíjení je potřeba řešit. Alternativně by bylo možné takovou logiku vyřešit digitálním termostatem s přepínačem, který by přebytečný vstupní výkon přesměroval do vyhřívání.

Nově by vlastnosti všech aktuálně používaných modulů měly být sloučeny do jednoho modulu. Konkrétně jde zejména o funkce:

• MPPT pro solární panel
• Omezení nabíjecího napětí akumulátoru na 2.75 V
• Měření a indikace stavu akumulátoru
• Příprava stabilního napájení 3V3 pro napájenou elektroniku v zařízení

MPPT je na základě průzkumu v souvislosti se zařízením GEODOS zřejmě stále nejlepší řešit obvodem SPV1040, který obsahuje současný modul SOLARMINI. Jeho schéma je ale ale potřeba ověřit proti aktualizovanému datasheetu. Stejný obvod musí zajistit omezení nabíjecího napětí akumulátoru na 2.75 V.

Měření a indikace stavu zřejmě může být řešena stejným obvodem jako nyní je v LION1CELL tj. obvodem bq34z100.
Konkréně v chemistry selection table má tento obvod dva záznamy:

Li titanate	0700	Toshiba: SCiB NP2211F10F-112J (20Ah)
Li titanate	0701	Toshiba: SCiB NP2211F10FHA (30Ah)

V modulu LION1CELL jde tak o toto zapojení ve kterém je potřeba zkontrolovat zda mu stačí pracovní napětí 2.5V. Povolený rozsah napetí na LTO článku totiž je 1.50 V až 2.80V.
Taktéž by bylo vhodné pridat dalsi indikacni led, aby se vyuzil cely registr a volne misto.

Ostatní části zapojení z modulu LION1CELL je tak možné odebrat. Neboť články není potřeba chránit před zkratem, protože jedinným napájecím výstupem bude výstup měniče, viz dále. Ochrana proti přepětí je naopak zajištěna vstupním měničem a články jsou proti přepětí částečně odolné.

Napěťový rozsah samotného LTO článku je nevhodný pro použití v napájených modulech. Neboť nejde o žádné standardní napětí. Je proto nutné na výstup modulu zapojit měnič. Lze použít buď stejný měnič tps63036, který měl být původně použit v modulu LION1CELL ale díky chybě na PCB nebyl nikdy osazen. Nebo použít stejný měnič, jako je v modulu TPS63060V01. Oba tyto měniče mají undervoltage lockout přibližně na hodnotě 1.8V. Tím dojde k vypnutí měniče bezpečně dříve, než bude akumulátor vybit na kritickou hodnotu.
Použití těchto měničů tak řeší i ochranu článků proti podpětí.

Mechanická konstrukce

Mechanická konstrukce modulu v tomto případě má dvě možná řešení. Jedním je montáž článků do svislé polohy stejně jako přímá montáž THT elektrolytických kondenzátorů. Toto řešení má nepříjemnou vlastnost, že vestavná výška je pak díky rozměrům článků 65mm nad PCB. Takový konstrukční rozměr může zkomplikovat používání tohoto modulu.

Druhým řešením pak je použít dvojici nebo čtveřici článků, která bude k modulu připojena na ležato. V takovém případě za užití čtveřice článků byla 38mm nad PCB. Čtveřici článků spojených paralelně by ale k modulu bylo nutné nějakým způsobem připojit. Jedním z řešení je návrh samostatného PCB, který by se následně k modulu přiletoval vertikálně i společně se zaletovanou čtveřicí akumulátorů, které by na modulu ležely na bok.

Rozhodnutí o obou těchto konstrukčnich možnostech zřejmě vyplyne z průběhu návrhu modulu.

[kaklik]

Na mechanickou konstrukci mají možná vliv podmínky pro leteckou přepravu akumulátorů. Bylo by potřeba ověřit, co musí modul splňovat, aby bylo možné jej posílat zamontovaný v zařízení leteckou přepravou.

[kaklik]

Podle datasheetu by měl SN74HC164D fungovat spolehlivě od 2V. Je však pravděpodobné, že nespolehlivě funguje i při nižším napětí. Nejhorší situace, která tak může nastat je, že při nízkém stupni nabití akumulátoru nebude obvod indikovat žádnou zbývající kapacitu. Což je v přiměřené míře korektní chování.

Problém ale je s obvodem bq34z100, který má specifikovaný provozní napěťový rozsah až od 2.45V.
Řešením obou těchto záležítostí je buď, připojení napájení měřícího obvodu až za výstupní měnič. Nebo použití dvou LTO článků zapojených v sérii. Sériové zapojení by ale pro dlouhodobý provoz potřebovalo balancer, který jsem pro dvojici LTO článků žádný nenašel.