Het ontwerp voor een temperatuurafhankelijke batterijlader en

Het ontwerp voor een temperatuurafhankelijke batterijlader en -bewaking S.L.J. Fondse

Bij het maken van het logo is gebruik gemaakt van deze html : http://odoygiant.files.wordpress.com/2008/06/l10003371.jpg - part of WorldPress.com

Het ontwerp voor een temperatuurafhankelijke batterijlader en -bewaking Het ‘Powermonster’ - accupack

S.L.J. Fondse Nieuwveen, 2010 Technische Universiteit Delft ID = 1304453

1

Samenvatting Dit rapport gaat over het ontwerpen van een batterijlader voor een draagbaar apparaat op basis van de nikkel metaalhybride batterij. Bij het gebruik van de nikkel metaalhybride batterij komen schadegevallen voor die ontstaan door het overladen of het diepontladen van de cellen. Het misbruiken van batterijen is slecht voor de levensduur van de cellen en daarmee ook slecht voor de portemonnee. Het is de bedoeling dat de lader zonder ingeving van buitenaf compleet autonoom opereert. De hoofdvraag is : Hoe kan een thermisch stabiel ontwerp van een batterijlader met nikkel metaalhybride batterij worden gerealiseerd? 1. Welke reacties vinden plaats in de batterij en hoe zijn deze reacties verantwoordelijk voor het opslaan van energie? 2. Wat zijn de thermische eigenschappen van de nikkel metaalhybride batterij waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerp van de lader ? 3. Wat voor regeling is nodig om schade door een verkeerde behandeling te voorkomen? 4. Hoe kan de beveiligingsregeling voor de lader worden gekalibreerd? 5. Zijn er al voorbeelden van modellen van het lading- en ontladingsproces van de NiMH batterij? 6. Hoe ziet het uiteindelijke ontwerp eruit ? 7. Aan welke eisen moet de microcontroller voldoen ? 8. Welke verbeteringen kunnen nog worden gerealiseerd ? Wat kan worden geconcludeerd uit dit rapport is dat er bij het ontwerp van een batterijlader rekening moet worden gehouden met de thermische eigenschappen van de NiMH batterij. In een NiMH batterij wordt energie opgeslagen door een redoxreactie die plaatsvindt tussen nikkelhydroxide en een mengsel uit verschillende zeldzame. Deze reactie is sterk temperatuurafhankelijk. Om dat te kunnen doen dient er een omgevingstemperatuurafhankelijke beveiliging te worden ingebouwd, die op basis van de temperatuur van het batterijpack en het voltage van het pack op het juiste ogenblik de lader en de uitgangstrap aan en uitschakelt. Het voltage van de NiMH batterij is sterk afhankelijk van de temperatuur. Bij een toenemende temperatuur neemt het voltage van de cel tijdens het opladen af, terwijl bij het ontladen de capaciteit van de cel doorslaggevend is voor het voltage van de cel evenals de ontladingsstroom. Bij de toegepaste beveiliging wordt gebruik gemaakt van de gradiënt van het uitgangsvoltage. Als deze onder de -10 mV komt, wordt het laden uitgeschakeld. Als het voltage zelf te laag wordt, wordt de uitgang uitgeschakeld en de lader ingeschakeld. Bij temperatuurbeveiliging kan gebruik worden gemaakt van een maximale temperatuur, waar ten alle tijden onder gebleven dient te worden. Voor het kalibreren van de regeling dienen 2 experimenten te worden uitgevoerd. Met gebruik van een datalogger, in dit geval de Daqpro 5300, in samenwerking met een thermische oven kan door middel van temperatuurssensoren en voltagemeting de voltage- en temperatuurscurven van een geheel NiMH-pack gemeten worden. Met de verkregen curven kan zo de beveiliging en indicatie worden ingesteld. Voor de ladingscurve bestaat er al een onderzoek uitgevoerd door Pensilvania State University dat een compleet computermodel heeft gemaakt van de NiMH cel tijdens het laden. Deze geeft tevens inzicht over het effect van koeling tijdens het laden. Voor de ontladingscurve kan gebruik worden gemaakt van een model van de universiteit van Budapest. De auteurs hebben een formule opgesteld voor de ontladingscurve van een ontladende NiMH cel alsmede een methode om de parameters van de formule op te stellen met het door hen gebruikte computerprogramma Het uiteindelijke ontwerp bestaat uit een simpele constante stroom lader, terwijl voor de 12 Volt uitgang een ‘low-drop’ regelaar kan worden ingezet.

2

Ook aanwezig is een 5 volts voeding die de energie levert voor de microcontroller. De voeding is voorzien van een gold-cap condensator voor langere periodes zonder net- en batterijspanning. De microcontroller moet minstens 7 in- en uitgangen en minstens 1 AD converter hebben om alle benodigde functies te kunnen schakelen. Het programma zal bestaan uit 3 programmeerlussen die telkens worden doorlopen. Een parameter die nog niet wordt gebruikt is de interne druk van de batterij. Deze kan gebruikt worden voor batterijbewaking. De meeste batterijen zijn echter niet voorzien van een druksensor en die zijn ook niet makkelijk aan te brengen. Waar op moet worden gelet is dat het gedrag van de NiMH batterij grillig is en behalve van de temperatuur en laad- of ontladingsstroom sterk afhankelijk is van de hoeveelheid nog overgebleven lading in de batterij zelf. De modellen zoals hier gepresenteerd houden hier nog geen rekening mee en daarom moet nog verder onderzocht worden in hoeverre het hier gepresenteerde ontwerp last heeft van die afhankelijkheid. De hier gepresenteerde microcontroller is slechts een voorbeeld. Er zijn vele typen die voldoen aan de eisen die gesteld werden in hoofdstuk 4. Bij de vraag welke moet worden ingezet moet er naar andere factoren worden gekeken, zoals welke programmeertaal geprefereerd wordt of hoeveel het geheel mag kosten. Bij het model voor de laadcurve wordt uitgegaan van een vaste waarde voor de hittetransfer coëfficiënt. Deze zal gedurende het experiment echter veranderlijk zijn. Deze moet eerst worden bepaald voordat dit model ten volle kan worden benut. Ook moet gekeken worden of alle formules gelden bij andere temperaturen dan 25 °C. Het hele ontwerp is modulair en dus aanpasbaar aan de eisen van de gebruiker. De individuele onderdelen bestaan uit bewezen technologie en als geheel is het systeem na kalibreren ook betrouwbaar door zijn ingebouwde fail-safe. Elk van de 3 beveiligingen kan invallen als een ander het niet doet.

3

Inhoudsopgave Samenvatting Inleiding

1. Het monitoren en bewaken van de accu’s 1.1. De achtergrondgegevens van de gebruikte NiMH batterij 1.2. De redenering achter batterijbewaking 1.2.1. 1.2.2.

Reacties en voltagecurven tijdens het laden en ontladen De gevolgen van overladen en diep ontladen

1.3. Accu-indicatie 1.4. Voltagemeting samen met temperatuurbewaking 1.5. De problematiek van een verplaatsbaar accupack 1.5.1. 1.5.2.

De wisselende buitentemperatuur De gevolgen van een wisselende omgevingstemperatuur

1.6. Een temperatuurafhankelijke bewaking : de oplossing

2 6

7 7 8 8 9

10 12 12 13 14

14

2. De experimenten voor het bepalen van temperatuurgevoeligheid 15 2.1.

Sensoren en componenten

15

2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4.

15 15 16 17

De thermische oven De PT100 temperatuurssensor De thermokoppel De daqpro 5300

2.2. Experiment 1 : de ladingscurve 2.3. Experiment 2 : de ontladingscurve 2.4. Onzekerheden

3. Bestaande modellen 3.1. Het laadmodel van Gu en Wang uit 2000 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3.

Behoud van hitteflux De uitkomsten van het model De bruikbaarheid

3.2. Het experiment van Szente-Varga, Horvath en Rencz van september 2006 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3.

Het vinden van een analyseerbare functie De temperatuurafhankelijkheid De beperkingen

4. Het ontwerp van de lader 4.1. Het modulaire model 4.2. De voedingen 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4.

De transformator en gelijkrichter De lader De 5 Volt voeding De 12 Volt uitgangsvoeding

4.3. De transistorversterkers en de relais 4.4. De sensoren 4.5. De microcontroller 4.5.1. 4.5.2.

Welk type kan gebruikt worden? Structuur van het programma voor de microcontroller

4.6. De Voordelen en eventuele aanpassingen

19 21 23

24 24 24 26 26

27 27 28 29

30 30 31 31 32 32 33

34 36 37 37 39

40

4

Conclusie Bijlage 1 : Datablad Sanyo oplaadbare batterijen Bijlage 2 : De geschiedenis van de nikkel metaalhybride batterij Bijlage 3 : Het model van W.B. Gu en C.Y. Wang, de formules Bijlage 4 : De keuzes vooraf aan het rapport Literatuurlijst Lijst van figuren en formules

41 43 44 45 49 53 55

5

Inleiding Dit rapport gaat over het ontwerpen van een batterijlader voor een draagbaar apparaat op basis van de nikkel metaalhybride batterij. Bij het gebruik van de nikkel metaalhybride batterij komen schadegevallen voor die ontstaan door het overladen of het diepontladen van de cellen. Het misbruiken van batterijen is slecht voor de levensduur van de cellen en daarmee ook slecht voor de portemonnee. Het is de bedoeling dat de lader zonder ingeving van buitenaf compleet autonoom opereert. De hoofdvraag is : Hoe kan een thermisch stabiel ontwerp van een batterijlader met nikkel metaalhybride batterij worden gerealiseerd? De deelvragen die behandeld worden in dit stuk zijn 9. Welke reacties vinden plaats in de batterij en hoe zijn deze reacties verantwoordelijk voor het opslaan van energie? 10. Wat zijn de thermische eigenschappen van de nikkel metaalhybride batterij waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerp van de lader ? 11. Wat voor regeling is nodig om schade door een verkeerde behandeling te voorkomen? 12. Hoe kan de beveiligingsregeling voor de lader worden gekalibreerd? 13. Zijn er al voorbeelden van modellen van het lading- en ontladingsproces van de NiMH batterij? 14. Hoe ziet het uiteindelijke ontwerp eruit ? 15. Aan welke eisen moet de microcontroller voldoen ? 16. Welke verbeteringen kunnen nog worden gerealiseerd ? Het eerste hoofdstuk hoopt de vragen 1 tot en met 3 te beantwoorden, door middel van literatuuronderzoek. Voor het kalibreren kunnen de experimenten worden gebruikt die worden beschreven in hoofdstuk 2. In het derde hoofdstuk worden vervolgens 2 modellen van de NiMH batterij behandeld, die zo een inzicht geven in welke resultaten van de experimenten uit hoofdstuk 2 kunnen worden verwacht. In Hoofdstuk 4 tenslotte wordt een ontwerp gepresenteerd van een lader die gebruikt kan worden voor het doeleinde van veilige energievoorziening. Tevens staan er daar de eisen waaraan de microcontroller moet voldoen. In de bijlagen kunnen de details van het model van Gu en Wang uit 2006 gevonden worden, de geschiedenis en een datablad van de NiMH batterij, alsmede de geschiedenis vanaf de eerste set eisen tot aan de set eisen die gebruikt is voor het schrijven van dit rapport.

6

1. Het monitoren en bewaken van de accu’s In dit ontwerp is gekozen voor een batterij van het type nikkel metaalhybride. Bij het gebruik van een snellader blijkt een batterijbewaking noodzakelijk. In hoofdstuk wordt uitgelegd waarom en hoe dit gerealiseerd kan worden. Tevens is een batterijindicatie in het ontwerp ingebouwd. Batterijindicatie blijkt tevens uitstekend te kunnen worden gebruikt voor batterijbewaking, zoals wordt uitgelegd in paragraaf … .

1.1

De achtergrondgegevens van de gebruikte NiMH batterij

Vanwege de kostprijs gekozen voor de cellen van Sanyo. Deze batterijen hebben een standaard capaciteit van 2700 mAh. In het datablad, wat is bijgesloten als bijlage 1, werden de gegevens genoteerd die de cel omschrijven. Deze staan samengevat in figuur 1.1. Fabrikant : Sanyo Type : HR-3U Nominale voltage : 1,2 V Voltage (geladen) : 1,45 V Voltage (leeg) : 1,0 V Formaat : AA penlite Afmetingen (Ø x hoogte) : 14,35 x 50,4 mm Capaciteit : min 2500 mAh nom. 2700 mAh fig. 1.1 – achtergrondgegevens van de Sanyo batterij.[1]

7

1.2

De redenering achter batterijbewaking

Batterijbewaking is een schakeling die ervoor zorgt dat er tijdens het laden geen problemen optreden. Wat die problemen inhouden wordt in paragraaf beschreven. 1.2.1

Reacties en voltagecurven tijdens het laden en ontladen

Bij het laden van de batterij vinden in de batterij redoxreacties plaats die sterk temperatuurgevoelig is. [3,p. 4] Figuur 1.2 toont hoe het voltage van de Sanyo cel zich gedraagd tijdens het snelladen met de capaciteit gedurende 66 minuten, onder verschillende temperaturen. Hieruit kan al worden gezien hoe sterk het voltage veranderd met gevolg tot de omgevingstemperatuur. Bij een hogere temperatuur neemt het voltage van de cel af. Wat ook opvalt is dat de laadtijd, lees totaan een negatieve gradiënt van -10 mV, zo goed als constant is, rond de 56 a 57 minuten.

fig. 1.2 – Voltage curves bij het opladen van den Sanyo NiMH batterij bij verschillende temperaturen [1, fig. charge]

Bij het ontladen gebeuren dezelfde reacties, echter in omgekeerde volgorde. De in het metaalmengsel opgeslagen waterstof wordt dan weer vrijgegeven, waarbij het nikkeloxihydroxide vervalt naar nikkelhydroxide. Figuur 1.6 toont het voltage van de Sanyo cel tijdens de ontlaadcyclus met verschillende ontlaadstromen. Wat hier al kan worden gezien is dat het voltage tijdens het ontladen sterk afhankelijk is van de ontladingsstroom, waarbij bij een toenemende stroom het voltage sterk afneemt. Ook blijkt het afschakelvoltage voor deze grafiek (1.0 V) al veel sneller te worden bereikt bij de hogere stroom, nog ver voor de totale capaciteit. Bij 5400 milliampère ontladingsstroom blijkt zelfs slechts 20 procent van de lading nog niet te zijn gebruikt.

8

fig. 1.3 – Voltagecurven van de Sanyo batterij bij verschillende ontlaadstromen [1, fig. discharge]

1.2.2

De gevolgen van overladen en diep ontladen

Bij het laden en ontladen van NiMH batterijen zijn er kanttekeningen. Als er niet wordt opgelet bij het gebruik van NiMH cellen dan bestaat het risico van diep ontladen en overladen. Dit zorgt voor ongewenste reacties in de batterijen, waardoor er uiteindelijk schade aan de batterij ontstaat, wat zorgt voor verlies in capaciteit. Deze paragraaf zet deze ongewenste processen in het licht. Diepontladen Als het voltage van de cel te diep valt en er nog steeds stroom gevraagd wordt, begint de cel zich om te polen. Dit proces staat bekend als de waterstofcyclus, zoals aangegeven in formules 1.4 en 1.5. 2 H2O + 2e- → H2(g) + 2OHformule 1.4 – waterstofcyclus : reactie aan de negatieve kant

H2(g) + 2OH- → 2e- + 2H2O formule 1.5 – waterstofcyclus : reactie aan de positieve kant

De netto reactie is dat er helemaal geen stoffen worden veranderd. Het gevolg is echter dat er veel warmte vrijkomt bij deze reactie, alsmede druk van het waterstofgas, die elkaar kunnen versterken. Hierdoor kunnen 2 dingen gebeuren. Alle hedendaagse NiMH cellen zijn voorzien van overdrukventielen. Als de druk te hoog wordt, gaat er waterstofgas lekken. Waterstofgas is zeer brandbaar en bovendien gaat er elektrolyt verloren, waardoor de capaciteit achteruitgaat. Hoe vaker dit gebeurd, des te meer capaciteit van de cellen gaat verloren. In het slechtste geval kan door corrosie of lekkage het overdrukventiel kapot zijn, waardoor er explosiegevaar is.

9

Overladen Bij het overladen gaat een andere reactie een rol spelen. Als eenmaal alle normale actieve stoffen zijn verbruikt, moet nog steeds de toegevoegde energie van de lader worden verbruikt. Dit gebeurd via de zogeheten zuurstofcyclus. Aan de positieve kant worden hydroxide-ionen uit het elektrolyt omgezet in water en zuurstof, alsmede elektronen. 4OH- → 2H2O +O2 +4eformule 1.6 – zuurstofcyclus : reactie aan de positieve kant

2H2O +O2 +4e-→ 4OHformule 1.7 – zuurstofcyclus : reactie aan de negatieve kant

Aan de negatieve kant worden deze stoffen weer omgezet in hydroxide-ionen waardoor netto wederom geen stoffen veranderen. Ook deze reactie is sterk exothermisch, waardoor de temperatuur van de cel sterk toe neemt evenals wederom de druk. Het vrijkomen van zuurstofgas in de batterij kan net als bij de waterstofcyclus leiden tot verlies van gas en daarmee elektrolyt en capaciteit of in het ergste geval tot een explosie. Tijdens deze zuurstofcyclus daalt het voltage van de cel weer. [4,p.10-11] In figuur 1.8 wordt getoond hoe de druk ,temperatuur en het voltage veranderd als gevolg van het laden van een NiMH batterij.

fig. 1.8 – druk- temperatuur en voltagemeting bij het laden van een NiMH cel [3, p. 17 fig. 15]

1.3

Accu-indicatie

Nu het type accu gekozen is wordt beoordeeld hoe aan de eis van accu-indicatie wordt voldaan. Accu-indicatie een methode waarbij door het meten van grootheden van de batterij en/of de schakeling waarin hij werkt een schatting wordt gegeven hoeveel capaciteit de batterij nog over heeft. In verband met het gelimiteerde budget dat beschikbaar is, werd besloten dit te doen door middel van het meten van het voltage van het batterijpack. Deze paragraaf analyseert een aantal methoden om op deze manier een accu-indicatie te realiseren Directe voltagemeting Er wordt een direct verband tussen lading en voltage getrokken in de vorm van een formule ƒ. Cover = ƒ (Vbat)

formule 1.9

10

Deze methode heeft het nadeel dat de voltagecurve in het midden van de ontladingsvoortgang van de batterij nogal vlak is. Als gevolg daarvan is in het middengebied geen exacte schatting mogelijk tenzij een model van de batterij aanwezig is. Als de formule ƒ echter bekend is, dan kan deze methode nog behoorlijk nauwkeurig zijn. Er moet dan echter ook worden gezorgd voor een zo accuraat mogelijke voltagemeting. Hoe dit in zijn werk gaat wordt verteld in hoofdstuk 5. Een stroommeter Een andere methode om de accustatus te beoordelen is het gebruik van een stroommeter. Stroom geïntegreerd naar tijd is gelijk aan lading. Als de capaciteit van een accu of batterij bekend is, zeg X mAh (Ctot), dan kan de batterij X mA gedurende 1 uur leveren. Er loopt een stroom van grootte Y door de batterij, er kan dan berekend worden hoeveel lading er is verbruikt(Cverbruikt) en hoeveel er nog over is (Cover), door te stellen, Cover = Ctot – Cverbruikt = X – Y*tijd

formule 1.10

Een stroommeter heeft de volgende nadelen. Ten eerste kan er niet ten alle tijden van uit worden gegaan dat de batterij zijn volledige capaciteit (Ctot) heeft. De capaciteit van een batterij is temperatuurafhankelijk, uitgaande van een vaste totale capaciteit worden er dan fouten gemaakt. Ten tweede bestaat er niet zoiets als een stroomsensor. De enige manier om de stroom te meten is door het gebruik van of een meetweerstand, of een magnetische sensor, een zogeheten Hall-sensor. Bij de weerstand gaat capaciteit verloren, terwijl voor een Hall-sensor weer extra elektronica nodig is, om uit te rekenen wat de stroom is, om nog maar niet te zwijgen over de gevoeligheid van zo’n sensor voor andere magnetische velden. Dit is vooral omdat de stroom door de draad gering is, namelijk maximaal 250 milliampère. Voor de lader wordt een transformator of spoelen gebruikt, die voor zeer veel verstoring kunnen zorgen. Weerstandsmeting Nog een methode is die van het meten van de weerstandswaarde van de batterij. Deze is sterk frequentieafhankelijk door de redoxreactie die de batterij van vermogen voorziet. Door een frequentiezweep op de batterij los te laten kan worden geschat wat voor lading er nog over is van de originele capaciteit. Daar deze methode nogal veel elektronica nodig heeft is hij niet praktisch voor gebruik in draagbare apparatuur. [2,p. 196-200] De keuze Voor de eenvoud van kosten en een mindere gevoeligheid voor storingen wordt gekozen voor een directe voltagemeting. Deze kan, mits goed gekalibreerd, succesvol worden gebruikt. Er is een minimum aan extra onderdelen nodig alsmede zo min mogelijk verloren vermogen.

11

1.4

Voltage samen met temperatuurmeting

Om de gevolgen van overladen en diepontladen te voorkomen dient een beveiliging te worden voorzien. Deze beveiliging kan gebruik maken van de informatie die de batterij hem levert. Zowel het voltage van de batterijen alsmede de temperatuur van het pack kan informatie geven over wanneer het punt ‘vol’ of ‘leeg’ is bereikt. Voltagemeting Voltagemeting kan worden gebruikt worden voor ontlaad- en overlaadbeveiliging. In de voorgaande paragraaf wordt al gemeld dat er gebruik wordt gemaakt van voltagemeting voor de batterijindicatie, waardoor deze meting ook voor beveiliging kan worden gebruikt. Daar de NiMH cel een dalend voltage heeft tijdens het overladen kan een differentiële meting worden gebruikt. Als de afgeleide van het voltage van de batterij negatief wordt, is het punt van overladen bereikt en moet dus onmiddellijk worden gestopt met laden. Er moet dan wel een belangrijke drempelwaarde zijn overschreden. Als grens voor het afschakelen is een gradiënt van -10 mV aanbevolen. [2, p. 172] Een nadeel van deze methode is dat bij te diep ontladen cellen alsmede bij cellen die gloednieuw zijn er wel eens foutieve pieken in het voltage optreden voordat de cel volledig is opgeladen. Een manier om dit te kunnen omzeilen is door een ondergrens aan het voltage te geven, zodat de kans op een foutief stoppen met laden kan worden voorkomen. Een vorm die hierop lijkt is het gebruik van het feit dat vlak voordat de gradiënt negatief wordt er een korte periode is waarin de gradiënt van de spanning gelijk is aan nul. Ook hier is het van belang dat er foutieve pieken in het voltage kunnen optreden, waarbij een ondergrens nodig is om die te vermeiden. [2, p. 173] Temperatuur Een andere vorm van toegepaste beveiliging is met temperatuurmetingen. In de grafiek 1.11 kan gezien worden dat bij het overladen de temperatuur van de NiMH cel zeer snel begint de stijgen. Door het bepalen van de gradiënt van de temperatuur ten opzichte van de tijd kan worden bepaald wanneer met het laden moet worden opgehouden. Een redelijke eindwaarde voor de regeling moet worden ingesteld op 1°C/min. [2, p.172] Een combinatie Een goede zet zou een combinatie van temperatuur- en voltagemeting zijn. Bij gebruik van beide grootheden wordt de beveiliging nauwkeuriger en bovendien kan de ene optie als back-up voor de ander dienen, voor het geval er iets mis gaat. Bij het voorgaande ontwerp wordt uitgegaan van de -dV beveiliging met een voltagedrempel alsmede een maximumtemperatuur gradiënt zoals aangegeven in de voorgaande alinea’s.

1.5

De problematiek van een verplaatsbaar accupack

Op het eerste gezicht is het niet lastig een regelaar te maken voor het observeren en bewaken van een NiMH-accupack. Het is een kwestie van het toepassen van de grafieken gegeven in paragraaf 2.1.2, daaruit de voltagedrempelwaarden en die gebruiken om de regelaar te kalibreren. Echter, één probleem komt snel naar voren. Het pack is verplaatsbaar.

12

Het beschouwde apparaat, de ‘El Condor’ draagbare geluidsstudio, is bedoeld om te gebruiken in meer dan alleen een huiskamer. Zo moet hij bijvoorbeeld ’s zomers ook op het strand kunnen worden gebruikt. 1.5.1

De wisselde buitentemperatuur

Als wordt gekeken naar de buitentemperatuur, dan kan in alleen al in Nederland gezien worden dat verschillen in de temperaturen optreden. In figuur 5.14 worden de gemiddelde temperaturen van de verschillende maanden aangegeven in het jaar 2009 ten opzichte van het normaal uit 1996. De koudste maand was januari met 0,8 °C en het warmst was augustus met 18,6°C.

fig. 1.11 – de gemiddelde maandtemperaturen van het jaar 2009[5]

Er zijn normaal 77 warme dagen in Nederland, wat betekend dat de maximumtemperatuur boven de 20°C uitkomt. Van die 77 dagen zijn er 22 boven de 25°C en 3 zelfs boven de 30°C. Tevens moet rekening worden gehouden met de warmte die wordt geproduceerd door de apparatuur zelf. Er wordt bij maximumvermogen meer dan 5 Watt aan energie verbruikt, wat de apparatuur opwarmt. Dit wordt weggeleid met koellichamen, die op hun beurt echter de omgeving opwarmen. Tevens zorgen de batterijen zelf ook voor een kleine bijdrage aan de omgevingstemperatuur. Als laatste moet het effect van de zon niet worden onderschat. De zon levert op een zonnige dag vaak rond 340 W/m2 waarvan aan de grond ongeveer de helft overblijft. [6] Apparatuur is vaak donker gekleurd, wat inhoud dat er meer warmte wordt geabsorbeerd dan wanneer het wit zou zijn. Wie ’s zomers wel eens met blote voeten over het strand heeft gelopen komt er al gauw achter hoe warm het zand kan worden. Als het apparaat hieraan wordt blootgesteld kan de omgevingstemperatuur van het apparaat al gauw vele graden hoger liggen dan de daadwerkelijke buitentemperatuur.

13

1.5.2

De gevolgen van de wisselende omgevingstemperatuur

Bij een hogere omgevingstemperatuur dan die waarbij de drempels zijn vastgesteld zal de batterij worden overladen, simpelweg omdat het eindvoltage nog niet is bereikt. Ook zal bij het ontladen de kans bestaan dat de batterij al ‘leeg’ is, voordat de lader weer wordt ingeschakeld. Dit leidt niet alleen tot schade aan de batterij, maar ook de stabiele spanningsvoorziening voor de draagbare studio komt in gevaar. Doordat de batterijspanning wordt gebruikt als indicatie van de overgebleven capaciteit, zal deze waarde ook totaal niet kloppen, zolang de temperatuur niet precies diegene is die gebruikt is tijdens het bepalen van de eindwaarden. Als er gebruikt wordt gemaakt van vaste drempels voor het detecteren van een volle en een lege batterij zullen deze factoren het leven van de batterij aanzienlijk verkorten. Op het eerste gezicht zou dit geen problemen moeten opleveren, zolang er maar aan de temperatuurseisen van de batterij wordt voldaan. Die stellen dat de omgevingstemperatuur in geen geval onder de 0°C mogen liggen en tijdens het ontladen is een maximale temperatuur van 50°C voorzien, terwijl voor laden een maximum temperatuur geldt van 40°C. De meeste laders werken bij kamertemperatuur (20 – 25 °C) en kennen dit probleem niet zo sterk. Aangezien onze apparatuur echter draagbaar is, komt hij dus in contact met zeer sterk variërende temperaturen. Figuur 1.5 laat het effect van de omgevingstemperatuur op het snelladen van de Sanyo batterij duidelijk zien. Vooral het verschil in maximumvoltage valt op. Bij een omgevingstemperatuur van 0°C ligt dat punt 0,1 volt hoger dan bij 40°C. Dat is een significant verschil van 5,8 %.

1.6

Een temperatuurafhankelijke batterijbewaking

Uit paragraaf 1.5 is gebleken dat een vaste instelling voor de batterijbewaking geen optie is voor een apparaat wat in een groot scala aan omgevingen moet kunnen worden gebruikt. Vanwege de kosten en de eenvoud is gekozen voor een systeem dat werkt met een gradiënt die gelijk is aan -10 mV, waarbij echter moet worden uitgekeken naar foutieve voltagepieken. Er moet voor een nauwkeurige bewaking dus gebruik worden gemaakt van een dynamisch drempelsysteem dat wordt bepaald door de omgevingstemperatuur om deze valse voltagepieken te kunnen omzeilen. Om dit te kunnen realiseren is het noodzakelijk een verband te vinden tussen de temperatuur en het voltage van de cel tijdens het laden en het ontladen.

14

2 De experimenten voor het bepalen van temperatuurgevoeligheid Nu het vorige hoofdstuk is bepaald dat er informatie nodig is om de temperatuurafhankelijkheid van de NiMH batterij tijdens het laden en ontladen. Om deze gegevens te krijgen dienen experimenten te worden uitgevoerd. Dit hoofdstuk geeft uitleg over de benodigde experimenten alsmede hun benodigde onderdelen.

2.1 Sensoren en componenten Een experiment is onmogelijk zonder onderdelen en sensoren. Bij de komende 2 experimenten is er een veelvoud aan mogelijke onderdelen die hier worden getoond. 2.1.1 De thermische oven Tijdens de experimenten is het van essentieel belang dat de omgevingstemperatuur gecontroleerd is. Een thermische oven is een gesloten kast met ingebouwde verwarming, koeling en een thermostaat die op een gewenste temperatuur kan worden ingesteld. De oven die deze experimenten nodig hebben dient te kunnen worden gekoeld tot 5 °C en opgewarmd tot 45 °C. 2.1.2 De PT 100 temperatuurssensor Voor het meten van de omgevingstemperatuur wordt gebruik gemaakt van een zogeheten PT 100 temperatuursensor. Dit is een temperatuursafhankelijke weerstand. De PT staat voor Platina en de 100 voor het gegeven dat de weerstand 100 ohm bedraagt bij een temperatuur van 0°C. De weerstand is niet exact lineair, maar wel in grote lijnen. Uit onderzoek van bijvoorbeeld de firma Picotech [16] is gebleken dat de weerstand aan deze vergelijking voldoet R (t) = R0 * (1 + A* t + B*t2 + C*(t-100)* t3) – formule 2.1.1[32] Waar R0 de weerstand is die de PT100 heeft bij 0 °C, ongeveer 100 ohm. De andere constanten zijn A= 3.9083*10-3 B= -5.775*10-7 C= -4.183*10-12 (bij t < 0 °C), 0 (bij t > 0 °C) Onder de randvoorwaarden van dit experiment kan alvast de waarde C genegeerd worden, daar alle metingen plaatsvinden bij temperaturen van meer dan 0 °C en niet hoger dan 50 °C.

R (t) = R0 + 3.9083*10-3 *R0* t - 5.775*10-7*R0*t2 – formule 2.1.2

15

fig. 2.2 – voorbeeld van een 4 draadsaansluiting

Voor het aansluiten van de sensor wordt een 4-draadsaansluiting 4 draadsaansluiting (zie figuur 2.2) aanbevolen. Bij een degelijke aansluiting wordt gebruik gemaakt van voltagevoltage en stroommetingen in plaats van weerstandmetingen. Dee rede hiervoor is dat de aansluitdraden zelf ook een weerstand hebben die in het nauwkeurigheidsgebied van de weerstand liggen. Door deze opstelling kan de weerstand van de aansluitdraden worden verwaarloosd, daar de weerstand van de meter in de regio van megaohms ligt. De stroombron zorgt ervoor dat er een constante stroom loopt door de weerstand. Samen met de voltagemeting kan de exacte weerstandswaarde worden bepaald. De waarde is dan gelijk aan het voltage maal 1000. die door de weerstand zelf wordt geproduceerd. Deze zorgt Een kanttekening is de warmte die voor een iets hogere temperatuur op de weerstand zelf, wat op zichzelf weer een ietwat hoger weerstand en daarmee een fout in de temperatuur aangeeft. 2.1.3 Thermokoppel – Type K Een thermokoppel bestaat uit twee draden verbonden aan 2 plaatjes van verschillende metalen. Als er een temperatuurverschil bestaat tussen de 2 plaatjes, dan zal aan het einde van de draaden een voltage relatief aan dat temperatuursverschil komen te staan. In het geval van het experiment wordt gebruik gemaakt van een type K (UIC 584). Deze bestaat uit een plaatje Nikkelchromium(+) en Nikkel(-).[17] Belangrijk bij een thermokoppel is dat de referentietemperatuur bekend is. Als beide plaatjes dezelfde temperatuur hebben, zal er geen voltage gemeten worden. Dit gebeurd ook als de lengte van de kabels gelijk is aan nul. Zou dit niet zo zijn, spreken we van een ‘perpetuum mobilé’ van de eerste orde. Een belangrijk voordeel van het thermokoppel ten opzichte van een PT100 sensor is i dat een thermokoppel lineair is met de temperatuur, terwijl de PT100 een lichte kwadratische afwijking vertoond. Ook is een thermokoppel veel makkelijker weg te werken, daar het slechts zeer kleine plaatjes zijn en voor de rest slechts draden.

16

2.1.4 De Daqpro 5300 Een datalogger wordt gebruikt voor het vastleggen van de gegevens die tijdens het experiment worden gegenereerd. Later kunnen de metingen dan worden uitgelezen op of het apparaat of een computer. Tevens zijn er soms schakelbare outputs aanwezig voor het aansturen van signalen die van belang kunnen zijn van de metingen. Ook is het handig als er automatische start- en stopvoorwaarden aanwezig zijn. Soms duren metingen te lang om ze constant te kunnen volgen. Dit geeft de mogelijkheid om een meting te verlaten zonder dat het ernstige gevolgen heeft voor de opstelling en/of de omgeving daarvan. Het brein van deze metingen wordt de datalogger Daqpro 5300 van Fourier [9]. Dit apparaat registreert de informatie van de gebruikte sensoren en voltages. Ook heeft hij een extra output die gebruikt kan worden voor het aansturen van een relais. Heel handig, daar dan bij het opladen kan worden voorkomen dat de batterij te ver overladen wordt en dito bij het ontladen om schade te voorkomen. Deze datalogger heeft tevens een directe verbinding met de computer via een USB poort (zie fig. 2.3, punt 2).

fig. 2.3 – het frontaanzicht van de Daqpro 5300 datalogger [9,p.10 figure 1]

17

De inputs Bij de staan 8 2-polige inputs tot beschikking. Bij het gebruik van voltagemetingen en stroommetingen volstaat dat. Ook een thermokoppel kan zonder problemen worden aangesloten. Bij een PT100 element volstaat een 2-draadsaansluiting niet altijd, vooral bij metingen waar een zeer hoge nauwkeurigheid nodig is. Ideaal is een 4-draadsaansluiting, maar dat is in combinatie met de Daqpro 5300 niet mogelijk. Wat wel mogelijk is, is de 3-draadsmeting. In dat geval wordt de sensor op input 1,2,3 of 4 aangesloten. De 3e draad wordt dan aangesloten op de bijbehorende input 5 t/m 8. Een compromis die dan moet worden genomen is dat de inputs 5 t/m 8 dan niet meer voor andere sensoren gebruikt kunnen worden[9,p. 12]. In het geval van deze meting is dat niet erg, daar er zowel bij experiment 1 als 2 slechts 4 sensoren benodigd zijn Om vervolgens de input daadwerkelijk te gebruiken, is het noodzakelijk om het sensortype in te stellen. Bij de Daqpro 5300 is dat zowel direct op het apparaat als via het software programma Daqlab te doen. De volgende stap is dan het kalibreren van de input op de sensoren. Dit kan worden gedaan via 2-puntskalibratie. Daarna is soms een extra offset weg te werken. De output Zoals eerder vermeld is het mogelijk om met de Daqpro 5300 een output te sturen. Input 8 is namelijk ook te gebruiken als output. Deze kan instelbaar een verbinding tussen de + en – input maken die een gebruiker aanstuurt. Dit kan een directe gebruiker zijn, er geldt dan echter een maximale stroom van 50mA[9,p. 14]. Daar in het geval van experiment 1 de laadstroom van 1,5 Ampère en in experiment 2 de outputstroom van 250 milliampère moet worden geschakeld wordt er gebruik gemaakt van een relais. Daar in het uiteindelijke ontwerp al relais nodig zijn, daar de microprocessor ook niet genoeg vermogen heeft voor het schakelen van in verhouding zulke grote stromen, kan daar dankbaar van gebruik maken. Het instellen van de output gaat door middel van het instellen van schakelniveaus van 1 van de andere sensoren. Als de onder- of bovengrens wordt overschreden, treedt de output in werking. In de omschrijvingen van het experiment wordt de opstelling inclusief het aansluitplan omschreven. Verdere berekeningen Na de meting is het mogelijk om een scala aan berekeningen uit te voeren op de binnengekregen data. Een voorbeeld van zo’n functie die hier wordt gebruik is de afgeleide. De fabrikant Fourier doet de aanbeveling de meetresultaten echter eerst van de sterkste pieken te ontdoen, zodat de eventuele ruis geen roet in het eten gooit. Ruis wil namelijk nog wel eens voor zeer abrupte overgangen in de data zorgen, wat voor hele grote afgeleiden zorgt.

18

2.2 Experiment 1 : de ladingscurve Tijdens het eerste experiment wordt de batterij in het midden van de thermische oven gelegd en aangesloten op de lader. De opstelling wordt getoond in figuur 2.4. Het doel van het experiment is het bepalen van de verschillende voltagecurven bij verschillende omgevingstemperaturen.

fig. 2.4 – De opstelling van het laadexperiment

Bij de metingen worden de volgende grootheden gemeten. 1. De omgevingstemperatuur Voor controle van de omgevingstemperatuur tijdens de metingen, om eventuele effecten van de lader en de batterijen op deze grootheid te registreren. Voor deze meting wordt een PT100 gebruikt, daar er een referentietemperatuur nodig is voor een thermokoppel en deze niet kan worden gegenereerd in de oven zelf. Deze sensor wordt op input 1 aangesloten en indien mogelijk in 3-draadsconviguratie op input 5. De handleiding is echter niet duidelijk of output 8 dan werkt. Als input kan hij niet worden gebruikt, maar over de outputsfunctie wordt niet gesproken. 2. De temperatuur van het batterijpack Tijdens het laden van een NiMH batterij warmt de batterij zelf op door de energie die wordt geproduceerd door de redoxreactie in de batterij. Deze informatie wordt tevens gebruikt voor het bepalen van een thermische curve tijdens het laden, zodat er kan worden ingegrepen indien de temperatuur te hoog wordt. Voor het meten wordt een thermokoppel type K gebruikt omdat de PT100 nogal breekbaar is. Het thermokoppel heeft slechts 2 stevige plaatjes en bestaat voor de rest uit draden. Tevens kan de meting van de omgevingstemperatuur als referentie worden gebruikt om de uiteindelijke batterijtemperatuur te weten. Deze sensor wordt op de input 2 aangesloten. 3. Het voltage van het batterijpack Hier wordt de voltagecurve van de batterijen dient te worden gemeten zodat de instelling van de batterijbewaking kan worden ingesteld.

19

Tevens wordt deze meting gebruikt voor het bepalen van het uitschakelpunt. Deze meting wordt uitgevoerd met een weerstandsdeler en wordt aangesloten op input 3. 4. De afgeleide van het voltage van het batterijpack. Deze wordt bepaald door de batterijspanning via een differentiator (fig. 2.5) te laten lopen. De output van deze unit gaat naar input 4.

fig. 2.5 – een voorbeeldschakeling van een differentiator. Het signaal wordt gedifferentieerd via de condensator C en vervolgens versterkt via de opamp met terugkoppelnetwerk R. De overdracht is gelijk aan -R*C*dVin/dt.

Op output 8 wordt een relais aangesloten dat indien aangetrokken de verbinding tussen de lader en de batterijen onderbreekt. Instellingen De Daqpro 5300 wordt ingesteld op een sampletijd van 1 seconde zodat er uiteindelijk 4 meetresultaten worden opgesteld. 1. De omgevingstemperatuur : deze kan direct van de input van input 1 (en eventueel 5) worden gebruikt. 2. De temperatuur van de batterij : deze verkregen door het resultaat van input 2 te corrigeren met de waarde van input 1 (referentiewaarde). 3. Het voltage van de batterij : Deze wordt direct van input 3 afgenomen. 4. De afgeleide van de batterijspanning : Deze wordt bepaald door de resultaten van input 4 Voor de output 8 worden de verschillende drempelwaarden ingesteld. De temperatuur van de batterij dient niet boven de 80 °C te komen, daar deze wordt aanbevolen in het onderzoek van de heren Gu en Wang. [10,p. 2918] Ook gaat output 8 aan als de batterijtemperatuur onder de 0 °C komt. Dit zou een storing in de testopstelling betekenen. Als laatste wordt de output ook actief als de gradiënt van de batterijspanning onder de -10 mV valt. Deze drempel wordt aanbevolen door de heer Brendt. (zie paragraaf 2.3). Op het moment dat de output 8 actief is, wordt tevens de meting beëindigd, daar de batterij vol opgeladen is en daarmee de curve volledig is gemeten. Als na 150 minuten nog steeds geen van de drempels is bereikt wordt de meting ook gestopt en de output 8 geactiveerd, daar er ook dan iets mis kan zijn met de meetopstelling. Bij een capaciteit van 2700 mAh zou het vreemd zijn als na 2,5 uur laden met 1,5 Ampère nog steeds niet een volle batterij aanwezig is. Dit experiment wordt uitgevoerd bij een temperatuur in de omgeving van 5 tot 40 °C in stappen van 5 C. De duur van het experiment wordt geschat op maximaal 2 uur. Een aanbeveling is om na experiment 1 zo snel mogelijk experiment 2 uit te voeren bij dezelfde omgevingstemperatuur. Dit om effecten van veranderende omstandigheden en door zelfontlading te vermeiden.

20

2.3 Experiment 2 : De ontladingscurve Tijdens het tweede experiment wordt de batterij wederom in het midden van de thermische oven gelegd. Ditmaal wordt de batterij aangesloten op de spanningstabilisator van 12 Volt die de outputstrap stuurt. Deze outputstrap wordt zo belast dat de outputsstroom gelijk is aan 250 milliampère. De opstelling van dit experiment staat weergegeven in figuur 2.6.

fig. 2.6 – De opstelling van het ontladingsexperiment.

Het doel van het experiment is ook hier het bepalen van de verschillende voltagecurven bij verschillende omgevingstemperaturen. Bij de metingen worden de volgende grootheden gemeten. 1. De omgevingstemperatuur Voor controle van de omgevingstemperatuur tijdens de metingen, om eventuele effecten van de voltagestabilisator en de batterijen op deze grootheid te registreren. Voor deze meting wordt een PT100 gebruikt, daar er een referentietemperatuur nodig is voor een thermokoppel en deze niet kan worden gegenereerd in de oven zelf. Deze sensor wordt op input 1 aangesloten en indien mogelijk in 3draadsconviguratie op input 5. De handleiding is echter niet duidelijk of output 8 dan werkt. Als input kan hij niet worden gebruikt, maar over de outputsfunctie wordt niet gesproken. Zie ook paragraaf 3.2. 2. De temperatuur van het batterijpack Tijdens het ontladen van een NiMH batterij warmt de batterij zelf op door de weerstand van de batterij in combinatie met de outputsstroom. Deze informatie wordt tevens gebruikt voor het bepalen van een thermische curve tijdens het laden, zodat er kan worden ingegrepen indien de temperatuur te hoog wordt. Voor het meten wordt een thermokoppel type K gebruikt omdat de PT100 nogal breekbaar is.

21

Het thermokoppel heeft slechts 2 stevige plaatjes en bestaat voor de rest uit draden. Tevens kan de meting van de omgevingstemperatuur als referentie worden gebruikt om de uiteindelijke batterijtemperatuur te weten. Deze sensor wordt op de input 2 aangesloten. 3. Het voltage van het batterijpack Hier wordt de voltagecurve van de batterijen dient te worden gemeten zodat de instelling van de batterijbewaking kan worden ingesteld. Tevens wordt deze meting gebruikt voor het bepalen van het uitschakelpunt. Deze meting wordt uitgevoerd met een weerstandsdeler en wordt aangesloten op input 3. 4. Het voltage aan de output van de spanningsstabilisator De uitgangsspanning aan de output van de stabilisator is nodig om bij te kunnen houden hoe de stabilisator reageert op het veranderende voltage van het batterijpack. Deze meting wordt uigevoerd met een weerstandsdeler en wordt aangesloten op input 4. Op output 8 wordt een relais aangesloten dat indien aangetrokken de verbinding tussen de batterijen en de spanningsstabilisator onderbreekt. Instellingen De Daqpro 5300 wordt ingesteld op een sampletijd van 1 seconde zodat er uiteindelijk 4 meetresultaten worden opgesteld. 1. De omgevingstemperatuur : deze kan direct van de input van input 1 (en eventueel 5) worden gebruikt. 2. De temperatuur van de batterij : deze verkregen door het resultaat van input 2 te corrigeren met de waarde van input 1 (referentiewaarde). 3. Het voltage van de batterij : Deze wordt direct van input 3 afgenomen. 4. De uitgangsspanning van de spanningsstabilisator : Deze kan direct van input 4 worden afgenomen. Voor de output 8 worden de volgende drempelwaarden ingesteld. De temperatuur van de batterij dient niet boven de 80 °C te komen, daar deze wordt aanbevolen in het onderzoek van de heren Gu en Wang, zoals vermeldt in paragraaf 3.2. Ook gaat output 8 aan als de batterijtemperatuur onder de 0 °C komt. Dit zou een storing in de testopstelling betekenen. Output 8 wordt ook geactiveerd als het voltage van de spanningsstabilisator onder de 11,8 Volt valt. Op dat moment is het pack als geheel niet meer in staat om de gewenste uitgangsspanning te leveren en is de ontladingscurve, voor deze toepassing, compleet. Op het moment dat de output 8 actief wordt zal de meting beëindigd worden, daar de batterij vol ontladen is en daarmee de curve volledig is gemeten.

Ook dit experiment wordt uitgevoerd bij een temperatuur in de omgeving van 5 tot 40 C in stappen van 5 C. De duur van het experiment wordt geschat op ongeveer 11 uur.

22

2.4 Onzekerheden Wat zijn de onzekerheden en problemen die we kunnen oplopen tijdens de metingen ? Deze paragraaf geeft een overzicht. Thermische ruis Het grootste probleem wat we tegen zullen komen is thermische ruis. Deze wordt veroorzaakt door de weerstanden in het meetcircuit alsmede de differentiator voor het meten van de voltagegradiënt in experiment 1 en ook de batterijen zelf zullen een ietwat verruist beeld geven. Vooral in het middendeel tussen ‘vol’ en ‘leeg’ zullen deze metingen moeten worden gecontroleerd om fouten te voorkomen Onnauwkeurigheid De Daqpro 5300 heeft zijn grenzen wat betreft resolutie[9,p. 90-91]. Bij de voltagestand 0-10 V, die gebruikt wordt voor het meten van de batterijspanning en de gradiënt daarvan bedraagt deze 200 μV. Bij de stand die gebruikt wordt voor de sensoren, de stand voor stroommeting, bedraagt de resolutie 0,47μA. Bij beide metingen moet ook worden gekeken naar de nauwkeurigheid. Deze bedraagt bij zowel de PT100, het thermokoppel en de Daqpro 5300 ±0,5%. Als laatste moet ook gekeken worden naar de weerstanden in het meetcircuit van de spanningen. Deze zijn te krijgen in de vormen van 5, 1 en 0,1%. Daarbij is het aanbevolen om de meest nauwkeurige te kiezen, maar dit is niet altijd mogelijk. In dat geval moet de meest nauwkeurig mogelijke variant worden gekozen. Inkoppeling Tijdens het laadexperiment moet opgepast worden op de inkoppeling van de 50 Hz netspanning die in de lader optreedt. Nader onderzoek moet uitwijzen in hoeverre deze wisselstroom nog aanwezig is in het laadcircuit. Als laatste moeten we ook oppassen voor magnetische velden. De lader heeft als voeding een transformator. Om ervoor te zorgen dat het magnetisch veld niet de metingen kan vestoren, dient de transformator zich buiten de thermische oven te bevinden. Hierdoor komt het probleem met de inkoppeling van stromen weer om de hoek kijken. Er lopen dan namelijk kabels met ongeveer 18 V wisselspanning en een behoorlijke stroom (iets meer dan 1,5 A) door de oven naar de schakeling.

23

3 Bestaande modellen Bij het meten van de voltagecurven van de NiMH batterij is het mogelijk om al bestaande voorbeelden te analyseren, die zo kunnen helpen bij het voorspellen van de uitkomsten van de experimenten beschreven in hoofdstuk 3. In deze paragraaf worden 2 modellen besproken. Het eerste model heeft betrekking tot het laden van een cel, terwijl model 2 een beschrijving is van een ontlaadcyclus.

3.1 Het laadmodel van Gu en Wang uit 2000 Een onderzoek, uitgevoerd door de heren W.B. Gu en C.Y. Wang van de sociëteit “Center of advanced Energy storage” van de Pensilvania State University heeft een thermisch model opgeleverd van de NiMH batterij tijdens het opladen met 1 C. Dat wil zeggen, de laadstroom is gelijk aan de capaciteit van de batterij. De formules van hun model staan genoteerd in Bijlage 3. Het model gaat over het verband tussen temperatuur, druk en voltage in een NiMH cel onder invloed van verschillende hittetransfer coëfficiënten. 3.1.1 Behoud van hitteflux Voordat de resultaten worden beschreven, wordt eerst gekeken naar die hittetransfer coëfficiënt. De temperatuur van de batterij zelf hangt af van de warmte die in de batterij zelf wordt gegenereerd alsmede de warmte van de omgeving en de snelheid waarmee warmte kan worden overgebracht tussen de beide media. De hoeveelheid geproduceerde warmte van de chemische reactie in de NiMH batterij is proportioneel aan de snelheid van de reactie. De formule die de heren Gu en Wang gebruikte staat vermeldt in formule 3.1.1.

Formule 3.1 – De vergelijking van behoud van hitte-flux. Deze formule stelt dat de verandering in warmte opslag pcpT, gelijk is aan de hitte generatie min de afgifte van warmte aan de omgeving Q.[10,p.2914 formule 41]

Voor het bepalen van de waarde Q wordt gebruik gemaakt van de hittetransfer coëfficiënt H. De hittetransfer coëfficiënt of H, is een veel gebruikte grootheid in de mechanica, thermodynamica en scheikunde. Hij wordt meestal gebruikt voor het bepalen van de afgegeven warmte die wordt geproduceerd door een beweging in een systeem of een die van een chemische reactie. Deze grootheid kan in vele vormen worden gebruikt, voor allerlei situaties. De eenheid van deze grootheid is gelijk aan W/m2K, wat neerkomt op het aantal Watt aan afgegeven warmteenergie per vierkante meter per graad Kelvin aan temperatuurverschil. Dit kan indien nodig worden omgerekend naar energie in Jules, door te zeggen, het aantal Jules per seconde per vierkante meter per graad Kelvin. Deze waarde is proportioneel met de thermische geleiding Gt. Dit is de grootheid, met eenheid W/mK die een verband legt tussen de warmte geleiding door een materiaal afhankelijk van het toegepaste temperatuurverschil. Bij batterijen zijn er 2 verschillende gevallen die moeten worden onderscheiden, met en zonder geforceerde koeling. Als er geen ventilator is aangebracht, dan is de koeling voor het grootste deel bepaald door de thermische geleiding van lucht. Lucht is eigenlijk een nogal slechte warmtegeleider. In de tabel 3.2 wordt een overzicht gegeven van de thermische geleiding van lucht met betrekking tot temperatuur.

24

T (°C) -100 -50 0 20 40 60 80 100

Gt(W/mK) 0,016 0,0204 0,0243 0,0257 0,0271 0,0285 0,0299 0,0314

tabel. 3.2 – deze toont de hitte geleiding van lucht met betrekking tot de omgevingstemperatuur[11]

In het geval van geforceerde koeling, bijvoorbeeld door middel van een ventilator, geldt een totaal andere regel voor het bepalen van H. In deze formule staat H aangegeven als h.

formule 3.3 en 3.4

Alle formules gelden bij de temperatuur Tm, waarbij

formule 3.5

formule. 3.6

Waar Pr gedefineerd is als

formule 3.7

Met • • • • • •

ν : kinematic viscosity, ν = µ / ρ, (SI units : m2/s) α : thermal diffusivity, α = k / (ρcp), (SI units : m2/s) µ : dynamic viscosity, (SI units : Pa s) k: thermal conductivity, (SI units : W/(m K) ) cp : specific heat, (SI units : J/(kg K) ) ρ : density, (SI units : kg/m3 ).

formule 3.3 t/m 3.7: formulering van Hitte transfercoëfficiënt bij turbulente geforceerde koeling van een oppervlak[12]. Deze coëfficiënt is van vele grootheden afhankelijk, zoals het oppervlak, de viscositeit van het koelende medium, de thermische geleiding van het koelende medium alsmede de snelheid waarmee dit medium zich beweegt ten opzichte van het te koelen oppervlak.

Gu en Wang hebben uiteindelijk een totaal thermisch model gemaakt van de NiMH batterij waarvan de formules in Bijlage 3 zijn samengevat.

25

3.1.2 De resultaten van het model Figuur 3.8 toont een verband tussen de hittetransfer coëfficiënt H en het voltage van de batterij alsmede de temperatuur tijdens het laadproces. Voor de natuurlijk gekoelde versie ging met uit van 5 W/m2K, terwijl in het geval van geforceerde koeling uitgegaan werd van 25 W/m2K.

fig. 3.8 – Voltage en temperatuurscurve van een NiMH cel tijdens opladen met 1 C onder verschillende hittetransfer coëfficiënten. [10, p. 2919, figure 3]

3.1.3 De bruikbaarheid Wat kan worden geconcludeerd uit deze resultaten is dat bij het toenemen van de coëfficiënt H de piekwaarde van het celvoltage hoger komt te liggen, alsmede dat de afgaande gradiënt na de voltagepiek minder duidelijk is. Dit onderzoek onderstreept ook het belang van koeling tijdens het laden. Dit experiment is uitgevoerd met een starttemperatuur van 25 °C. Dit model kan echter ook met een andere starttemperatuur worden gevoed, waardoor er verbanden kunnen worden gelegd tussen temperatuur en voltage. Opvallend is de gelijkenis met de grafiek met laadspanningen van de in dit experiment gebruikte Sanyo batterij (fig. 1.5 ). Daar toont het voltage dezelfde trend, wat lijkt te wijzen op een afnemende waarde van H voor een toenemende omgevingstemperatuur. Belangrijk is dat er gedurende het laden een constante waarde van H wordt verondersteld. Dit is niet de realiteit en het model dient hiervoor aangepast te worden.

26

3.2 Het experiment van Szente-Varga, Horvath en Rencz van september 2006 Een onderzoek naar het verband tussen het voltage van een batterij en de temperatuur tijdens het ontladen is in september 2006 uitgevoerd door professoren, die onderdeel zijn van de technische en economische Universiteit van Budapest, afdeling Elektronische apparatuur[13,p. 1]. Deze auteurs hebben een telefoonaccu van 800 mAh ontladen via een set geschakelde weerstanden, terwijl ze daarbij via een computer en een programma dat speciaal voor het experiment werd geschreven de voltagecurve werd gemeten. De voltagecurven zoals deze gemeten werden staan in figuur 3.9 vermeld. Met het programma werd een formule van de ontladingscurve opgesteld, alsmede het inpassen van de parameters van de gevonden formule.

fig. 3.9 – De ontladingscurve van een NiMH cel met verschillende stromen en met verschillende temperaturen [13, p.2 fig. 3]

3.2.1 Het vinden van een analyseerbare functie Bij het bepalen werd er begonnen met de theorie dat de formule kon worden opgedeeld in 3 verschillende functies. Ten eerste begonnen ze met 3 lineaire functie (zie formule 3.2.1), maar die resulteerden in een te inaccuraat model. Vervolgens vervingen ze de eerste en laatste deelformule door een kwadratische of zelfs een derdemachtsvergelijking.

formule 3.2.1 – 3 functie benadering van de ontladingscurve[13, p. 3]

Dit resulteerde in een veel nauwkeuriger model. Het probleem van deze tweede methode is echter dat de overgangspunten x1 en x2 sterk variëren. Die bleken niet alleen afhankelijk van de temperatuur, maar ook van de ontladingstroom. Om deze breekpunten te vermeiden moest er dus worden uitgegaan van 1 enkele functie om de complete ontladingscurve te benaderen. De meest voor de hand liggende optie was het gebruik van exponentiële functies om zo de 2 hyperbolen aan het begin en het einde van de ontladingcyclus te modelleren (zie formule 4.2.2).

27

formule 3.2.2 – benadering van de ontladingscurve met exponentiële functies[13,p. 3]

Deze methode had ook zijn nadelen. Het in de praktijk implementeren van een exponentiële functie is nog niet mogelijk, daar er nog geen werkend algoritme bestaat voor het inpassen van een som van 2 exponentiële functies. De algoritmes voor het vinden van parameters gebruiken een logaritmische schaal en daarna een lineaire fitting, dit werkt echter niet voor een som van 2 exponentiële functies. Uiteindelijk werd overeen gekomen met het gebruik van de som van 2 hyperbolen en een lineaire functie. De eerste hyperbool bestaande uit de parameters A en B beschrijft het eerste deel van de curve, terwijl de parameters C en D de uitgaande curve beschrijft. Het tussenliggende deel wordt beschreven door de parameters E en F.

formule 3.2.3 – benadering van de ontladingscurve met een functie bestaande uit 2 hyperbolen en een lineair tussenstuk[13,p. 4]

3.2.2 De temperatuurafhankelijkheid Na het bepalen van een geschikte formule begonnen de auteurs met een onderzoek naar hoe de verschillende parameters van hun model afhingen van de aangehangen last en temperatuur. Bij het analyseren van de verschillende parameters van bleek dat A,B,C en D logaritmisch afhankelijk te zijn van de last, terwijl E en F nagenoeg lineair waren. Bij het onderzoek naar de temperatuurgevoeligheid bleek dat de parameters D en E nagenoeg onafhankelijk waren van temperatuur. Dit omdat de parameter D afhankelijk is van de totale tijd van de ontladingshyperbool van de batterij. Bij verschillende temperaturen bleek dat deze tijd zo goed als constant was en daarmee de parameter D. Bij E bleek dat door het bestuderen van de verschillende curven (hier figuur 4.7) dat deze parameter ook nagenoeg onafhankelijk is van de temperatuur. Voor de overige parameters werden extra experimenten uitgevoerd. De daarbij gerapporteerde metingen staan hieronder vermeld voor de parameters C en F

fig. 3.10 – proefresultaten bij het bepalen van de parameter C ten opzichte van verschillende temperaturen[13,p.5 fig. 9]

28

fig. 3.11 – proefresultaten bij het bepalen van de parameter F ten opzichte van verschillende temperaturen[13,p.1 fig. 8]

Uiteindelijk werden de bevindingen genoteerd in tabel 4 van hun onderzoek die hier staat vermeld als tabel 3.12.

tabel. 3.12 – proefresultaten met de bevindingen van de afhankelijkheid van de 6 functieparameters ten opzichte van de temperatuur. [13,p.6 Table 4]

3.2.3 De beperkingen De belangrijkste kanttekening bij deze formulebenadering is een punt wat genoemd wordt bij het beschrijven van de parameter F. “The diagram shows that the points have got relatively a big variance. This error comes from the nature of batteries: a certain way charged, and then same way discharged (under the same load and temperature conditions) battery can hardly reproduce the exactly the same discharge curve. .”[13,p. 4] Als oorzaken wordt onder andere genoemd de graad waarin de batterij al is ontladen. Zeer kleine verschillen in de tijd tussen laden en ontladen alsmede de leeftijd en de geschiedenis bleken al in grote verschillen te resulteren. Ook in de figuren 4.10 en 4.11 kan deze sterke gevoeligheid worden gezien. Wat dus betekend dat deze formule slechts bij benadering kan worden gebruikt.

29

4 Het ontwerp van de lader Als eenmaal alle gegevens voor het kalibreren van de beveiliging bekend zijn, kan de lader zelf worden gebouwd. In dit hoofdstuk wordt een inzicht gegeven in het ontwerp van het prototype lader.

4.1 Het modulaire model

fig. 4.1 – Een blokkenbeschrijving van het laadsysteem. Er zijn 2 hoofdblokken. De basis bevat de lader zelf en de sensoren, terwijl het brein de processor of microcontroller bezit die de lader regelt.

Het ontwerp voor het laadsysteem kan worden opgedeeld in verschillende blokken. In figuur 4.1 wordt het schema gepresenteerd. Het hele ontwerp zoals hier gepresenteerd geeft de structuur weer. De blokken zelf kunnen worden ontworpen naar eigen wens, zolang zij de functie bezitten die nodig is voor het functioneren van de lader als geheel. Dit is het voordeel van het systeem. De in de volgende paragraven uitgewerkte onderdelen zijn geen verplichtingen, slechts voorstellen. Elk onderdeel kan geoptimaliseerd voor de voorziening waarin het laadsysteem wordt geïntegreerd. Of dit nu is voor een draagbare opnamestudio, een ipod of een noodaccu. Dit concept is flexibel. Het in de volgende paragraven gepresenteerd ontwerp is geoptimaliseerd voor een draagbare opnamestudio, die bedreven wordt met 2700 mAh batterijen. Alle figuren in paragraaf 4.2 en 4.3 zijn, indien niet anders aangegeven gemaakt door de auteur van deze thesis met behulp van het grafisch tekenprogramma Tinycad[14].

30

4.2 De voedingen Een lader, of ook maar elk stuk elektronica is niks zonder een voeding. Deze voorziet in de spanningen die nodig zijn voor het correcte werken van de onderdelen. De onderdelen die besproken worden, zijn aangegeven in figuur 4.2

fig. 4.2 – De onderdelen van de voeding van het laderschema. De 5 en 12 V voeding, de lader, de gelijkrichter en een geschikte transformator.

4.2.1 De transformator en gelijkrichter De schakeling is voorzien voor een voeding van 18 Volt wisselspanning. De transformator bevindt zich niet op de hoofdprint, maar wordt aangesloten via 2 draden. De transformator moet minstens 2 Ampère kunnen leveren, wat neerkomt op minimaal 36 VA. Gewenst is iets meer vermogen, omdat een transformator bij zijn maximale vermogen nog wel eens een inzakkende uitgangsspanning wil geven. Een voorbeeld van een bruikbare transformator is de 18 Volt 52 VA versie van Conrad. In figuur 4.3 wordt een plaatje van een bruikbare transformator gegeven.

Fig. 4.3 – de voorgeziene 18 Volts 52 VA transformator van Conrad Electronics [15]

31

De overige delen worden getoond in figuur 4.4 De gelijkrichter wordt opgebouwd uit dioden van het type 1N5401. Deze zijn geschikt voor een stroom van 3 Ampère. Na deze gelijkrichter komt de condensator C1 Deze heeft een capaciteit van 4700 μF en een voltage van maximaal 50 Volt. De waarde hier gegeven is een minimum. Een extra grote condensator is handig. 10000 of 22000 μF zou niet misstaan, maar voor het prototype wordt hier niet gebruik van gemaakt.

fig. 4.4 – Schema gelijkrichter (D1-D4) met buffercondensator en zekering.

De weerstand R1 sluit de condensator kort, zodat bij het uitschakelen het na enige tijd veilig is om de schakeling uit te raken, zonder kans op een grote statische schok uit de condensator. Schokken uit een condensator zo groot als de hier ingezette, kunnen dodelijk zijn. Wie ooit eens een schroevendraaier over een grote opgeladen condensator heeft gezet, kon het zien knetteren. Na de weerstand zit een smeltzekering die de transformator beschermt bij kortsluiting. Hij heeft een waarde van 2,5 Ampère en is van het type traag, zodat zeer korte stroompieken hem niet af doen laten gaan. 4.2.2 De lader

fig. 4.5 – Schema van de constante stroomlader. IC1 is ingesteld op 1,52 Ampère.

De schakeling voor het laden van de batterijen is weergegeven in figuur 4.5. Hij is het toonbeeld van eenvoud. De schakeling maakt gebruik van contante stroom om de batterijen op te laden. Voor het instellen van de stroom wordt weerstand R2 gebruikt samen met IC 1. De gebruikte spanningstabilisator LM350T [16]wil ten allen tijden een spanningsverschil van 1,25 volt zien tussen de ingang adj en de uitgang. Door de weerstand R2 met een waarde van 0,82 ohm, geeft dit een stroom van 1,52 A. Condensator C2 vlakt de spanning af. De diode D5 wordt gebruikt om te voorkomen dat de batterijen zich gaan ontladen via de spanningsstabilisator als de spanning wordt uitgeschakeld. De spanningsstabilisator is voorzien van een groot koellichaam, daar een flink aantal Watt aan energie door de stabilisator gaat. Het laagste vermogen wat wordt verstookt wordt bereikt bij een set zo goed als volle batterijen. De spanning van de batterijen is dan ongeveer 18 Volt. Over de diode staat ongeveer 0,7 Volt. Aan de ingang staat 25,38 Volt. Dit maakt de minimale spanningsval over de spanningsregelaar gelijk aan 5,43 Volt, wat bij de gegeven stroom uitkomt op een vermogen van 8,36 Watt. Bij lege batterijen hebben die een voltage van 12 Volt en staat er dus ongeveer 11,43 Volt over de stabilsator, wat neerkomt op 17,6 Watt aan warmte. Tijdens het koelen van de batterijen wordt tevens het koellichaam van de stabilisator gekoeld.

32

4.2.3 De 5 Volt voeding Belangrijk is dat de 5 Volt voeding zich op 2 plaatsen kan bevinden, zoals wordt weergegeven in figuur 4.1 en 4.2. Afhankelijk van de toepassing heeft basis een eigen 5 volt voeding die dan niet alleen de microcontroller voedt, maar ook de versterkers voor het schakelen van de relais, de relais zelf en de pulsbreedtemodulatie uitgang voor de accu-indicatie. Ook worden de warmtesensoren voorzien van de 5 Volt voeding. Als er in het systeem waarin de lader zich bevindt, al een 5 Volt voeding aanwezig is, kan deze gebruikt worden. Deze wordt bevindt zich dan in het brein van het systeem. In figuur 4.6 wordt het schakelschema van de 5 volt voeding getoond. Deze

fig. 4.6 – Schema van de 5Volt voeding. De weerstand R5 kan worden ingesteld volgens de volgende formule Uout = 1.25(1+R5/R4)+Iadj*R5.

Zener-diode D6 in samenwerking met weerstand R3 is er om de spanningsregelaar te beschermen tegen te hoge spanningen en om de warmteontwikkeling te beperken. De gebruikte spanningsregelaar is de LM 317T[17]. Deze regelaar is varieerbaar, maar wordt voor het ontwerp op 5 Volt ingesteld. Dit gebeurd door het weerstandsnetwerk R4 en R5, waarbij R5 een regelbare weerstand is, zodat de uitgangsspanning precies kan worden ingesteld. In het geval van deze schakeling. De IC2 wordt gekoeld met behulp van een koellichaam. Belangrijk is de condensator C6 met de grote waarde van 1 Farad. Dit type condensator wordt ook ‘Goldcap’ genoemd en gedacht als noodvoorziening van de microcontroller. Zo gauw de spanning van zowel het net als de batterijen wegvalt is het de bedoeling om processor gaande te houden. Het stroomverbruik van een ‘in rust zijnde’ microcontroller is vaak in de orde van enkele μA, zodat deze condensator hem wel even draaiende kan houden. Hier komt ook het 2e doel van weerstand R3 om de hoek kijken. Weerstand R3 begrenst de stroom bij inschakeling. Dan vormt de Goldcap een virtuele kortsluiting, die het systeem plat kan leggen. 4.2.4 De 12 Volt uitgangsvoeding

fig. 4.7 – de 12 volt ‘low-drop’ stabilisator voor de 12 volts uitgang. Om van de batterijspanning een vlakke 12 Volt voor de uitgang te maken, wordt gebruik gemaakt van de spanningsregelaar IC3 met de naam LM 2940 CT 12V[18]. Deze regelaar is van het type low-drop. Voor een correct werkende regelaar is er meestal een spanningsval van 2 of meer Volt nodig tussen de ingang en uitgang. Om zo efficiënt mogelijk met de capaciteit van de batterijen om te gaan wordt er deze regelaar gebruikt.

33

Hij heeft slechts 0,5 Volt aan spanningsval nodig, zodat de batterijen kunnen afvallen tot 12,5 Volt. De 2 condensatoren C7 en C8 zijn er om de spanning af te vlakken. Het complete schema is te zien in figuur 4.7.

4.3 De transistorversterkers en de relais Het systeem zoals hier gepresenteerd wordt, dient mogelijkheden te hebben om onderdelen zoals de lader aan en uit te schakelen. De signalen van de microcontroller zijn niet sterk genoeg om de stromen te kunnen schakelen. In het geval van de onderbreking van de lader gaat het om een stroom van meer dan 1,5 ampère. Ook is het in het belang van het voorkomen van storing belangrijk dat de stromen galvanisch gescheiden blijven. Daarom worden relais gebruikt. De uitgangen van een microcontroller kunnen meestal slechts enkele milliampères schakelen. In het geval van een relais is dit te weinig. Om die rede wordt er een versterkertje tussen gezet in de vorm van een transistor. De onderdelen die nu besproken worden staan aangegeven in figuur 4.8

fig. 4.8 – De onderdelen die gebruikt worden voor het schakelen van onderdelen in het ontwerp. De versterkers en de relais.

fig. 4.9 – de schakeluitgangen voor S1 en S2. Als de ingang Sn +5V geeft, worden relais n geactiveerd.

34

In alle 3 de gevallen wordt de uitgang gestuurd door een transistor van het type BC557B . Deze transistor geleid als de ingang gelijk is aan 5 volt. Bij alle 3 de ingangen wordt een transistor geschakeld via een beveiligingsweerstand van 10 Kohm. Dit beperkt de schakelstroom om zo de microcontroller te beschermen. In figuur wordt de schakeling weergegeven. De relais worden voorzien van een vrijloopdiode, daar bij het uitschakelen van de transistors een spanningspiek optreedt als gevolg van inductie. De diodes leiden deze spanning veilig weg, zodat de transistors niet kapot gaan. In figuur 4.9 staat het schema van de verstekers voor uitgangen S1 en S2.

Fig. 4.10 – de versterkende uitgang voor de pulsbreedte modulatie sturing die naar buiten wordt geleid voor accu-indicatie.

Bij de PBM uitgang wordt gebruik gemaakt van een pull-down netwerk, zoals in figuur 4.10. Zolang de transistor geleid wordt de uitgang met massa verbonden. Deze versterker veranderd + in min en omgekeerd, dus het signaal wordt precies andersom uitgezonden. Hiermee moet in het programma van de microcontroller rekening worden gehouden.(paragraaf 4.5.2) De relaisschakelingen

fig. 4.11 – de aansluiting van de 2 relais die in de schakeling zitten. Relais 1 is monostabiel en heeft 2 uitgangen,relais 2 is ook monostabiel, heeft echter slechts 1 schakeluitgang. De tekening laat zien hoe de contacten staan zijn als de 2 relais spanningsloos staan.

35

Figuur 4.11 toont de 2 relais en hoe die verbonden zijn. Relais 1 schakelt de lader aan en uit en bovendien schakelt hij de input van de 5 volt voeding. Relais 2 schakelt de verbinding tussen de batterij en de 12 volt uitgangsvoeding uit.

4.4 De sensoren In dit ontwerp bevinden zich 2 typen sensoren. De voltagesensoren en de temperatuursensoren. Aangegeven in figuur 4.12 kunnen de onderdelen worden gezien. De uitgangen van beide typen zijn hetzelfde, een voltage ten opzichte van 5 Volt.

fig. 4.12 – De sensoren staan op dit figuur aangegeven. Zij geven de feedback aan de processor / microcontroller.

In het geval van de voltagesensor worden gebruik gemaakt van 2 weerstanden die samen een deling van 1:4 geven. De batterijspanning is maximaal ongeveer 18 Volt, dit terwijl de microcontroller maar 5 Volt aan zijn AD-converter ingang mag hebben. In figuur 4.13 is de weerstandsdeler te zien.

fig. 4.13 – dit is de weerstandsdeler. De inputspanning voor de microcontroller is tussen S3 en GND.

Bij de temperatuursensoren zijn er 2 veranderingen. Ten eerste is de voedingsspanning dan 5 Volt en de weerstand die op de plaats van R11 zit wordt vervangen door een PTC weerstand.

36

De weerstand R10 wordt dan vervangen door een potmeter van 1k, om de stroom door de weerstand te regelen. Ook dan wordt de spanning dan afgenomen als spanning over der PTC weerstand. Een plaatje van een mogelijke PTC weerstand kan worden gezien in figuur 4.14.

fig. 4.14 – PTC temperatuursensor [19]

4.5 De microcontroller Deze paragraaf begint met een overzicht van de eisen die gesteld zijn aan de microcontroller die in het ontwerp als apart blok kan worden geïntegreerd, wat staat aangegeven in figuur 4.15.

fig. 4.15 – De microcontroller, ook processor genoemd, kan worden geïntegreerd in het ontwerp of er kan gebruik worden gemaakt van een al aanwezige processor in het te voeden apparaat.

Vervolgens worden de eisen besproken en ten slotte wordt een voorbeeld gegeven van een type wat aan de eisen voldoet. - 4 ingangen (3 x analoog, 1 reset) - 3 uitgangen (1 x PBM, 2 schakeluitgangen) - Analoog Digitaal converter - zo kompact en goedkoop mogelijk

4.5.1 Welk type kan gebruikt worden ? Allereerst de ingangen. Bij de uiteindelijke controller komen er 4 signalen binnen. Ten eerste is er de batterijspanning, ten tweede is er de temperatuur. Deze 2 ingangen zijn analoog.

37

Daar de batterijspanning in het bereik van 0-18 Volt uitvalt en de meeste microcontrollers maar 5 Volt aan hun ingang kunnen hebben, moet deze via een weerstandsnetwerk worden geleid, zodat het binnen het bereik van 0-5 Volt valt. De ander 2 ingangen zijn nodig voor respectievelijk de uitgang van de thermostaat en natuurlijk een resetmogelijkheid. Deze beide ingangen zijn digitaal en zijn zo gedefinieerd. Als er een probleem is bij 1 van beide signalen, zullen deze naar massa gaan. Als alles in orde is, blijven ze hoog. Qua uitgangen dient de microcontroller er minstens 3 nodig. De eerste uitgang wordt gebruikt als accu-indicatie en wordt via pulsbreedtemodulatie uitgestuurd. De andere 2 uitgangen activeren via een simpele transistorversterker 2 verschillende relais. Het eerste onderbreekt de stroom tussen de gelijkrichter en de lader terwijl hij tevens de +leiding voor de 5 Volt voeding overschakelt tussen de uitgang aan de gelijkrichter en de uitgang van de batterijen. Het tweede relais schakelt de verbinding tussen de batterijen en de 12 V stabilisator uit. Voor een volledig temperatuur afhankelijke regeling van de batterij zijn er 2 analoge ingangen nodig in het systeem. Namelijk, de input van de batterijspanning, en de spanning die door de temperatuursensor wordt ingegeven. Er bestaan tal van microcontrollers met een ingebouwde analoog-digitaal converter, maar controllers met 3 stuks zijn zeldzaam en duur. Een simpele mogelijkheid om dit te omzeilen, is door gebruik te maken van een microcontroller die een ADC heeft, waarvan de ingang kan worden geselecteerd. Vervolgens wordt in het programma telkens gewisseld tussen de 3 ingangen. Dit betekend dat de samplesnelheid 3 keer zo laag wordt. Daar de temperatuurmeting in theorie slechts 1 keer per minuut noodzakelijk is (paragraaf ,pagina), is dat geen enkel probleem. Nodig is dus microcontroller met minstens 12 pinnen. Dit omdat er 7 in- en uitgangen zijn. Een microcontroller heeft altijd ook nog 2 pinnen voor voeding en massa, wat dus samen al 9 is. Voor het prototype is gekozen voor een microprocessor van de firma Microchip, het type PIC16F684-I/SL. Deze microcontroller heeft 18 pinnen en een AD-converter met 7 schakelbare ingangen. In figuur 4.16 wordt een pindiagram van de processor gegeven.[20]

fig. 4.16 – Pindiagram van de PIC16F684-I/SL[44]

Deze controller heeft met 7168 bits programmageheugen voldoende geheugen voor het opslaan van het programma, zoals weergegeven in paragraaf 4.5.2. Met 256 bytes datageheugen heeft hij ook genoeg ruimte voor de voorziene 6 8-bits registers. Daar het datageheugen in de vorm van een EEPROM is, zal bij het verlies van voedingsspanning de waarden in de registers niet verloren gaan.

38

4.5.2 Structuur van het programma voor de microcontroller Het programma van de microcontroller microcontroller wordt al gauw ingewikkeld. In deze subparagraaf wordt de structuur van het programma uitgelegd. Allereerst worden even een paar variabelen vastgelegd Register 1 – Register 2 – Register 3 – Register 4 – Register 5 – Register 6 – Uit1 – Uit2 –

De huidige samplewaarde van de batterijspanning De vorige samplewaarde van de batterijspanning Het verschil tussen register 1 en 2. De afgeleide van de spanning naar de tijd De huidige sample van de omgevingstemperatuur De ondergrens van batterijspanning waarboven gestopt kan worden met m laden De ondergrens van batterijspanning waaronder de batterijen losgekoppeld dienen te worden. Deze uitgang schakelt relais 1 – aan betekend verbinding verbroken Deze uitgang schakelt relais 2 – aan betekend verbinding gesloten

In essentie zijn er 2 toestanden waarin de controller zich kan bevinden. ‘Laden’ en ‘Ontladen’. Figuur 4.17 geeft een overzicht van de 2 toestanden.

fig. 4.17 – Toestandenoverzicht van het microcontroller programma. De waarden bij de pijlen geven de condities aan waarbij moet worden overgeschakeld naar de andere toestand.

Het programma van de microcontroller bevat 5 loops die tegelijkertijd worden doorlopen Loop1 – De ADC zet de waarde van de batterijspanning om in digitaal en zet deze in register 1, vervolgens wordt de input van de temperatuur omgezet en in register 4 gezet. Daarna wordt de batterijtemperatuur gemeten en in register 7 gezet. Als register 7 te hoog is, gaat de lader compleet uit. Loop2 – De microcontroller bekijkt de waarde in Register 4 en afhankelijk daarvan worden de ondergrenzen ingesteld voor de batterijbewaking. Deze komen in register 5 en 6 Loop3 – De waarde in register 1 wordt vergeleken vergeleken met de vorige waarde, die in register 2 staat. Het resultaat staat in register 3 en vervolgens wordt de waarde van register 1 in register 2 gezet. (Als Als de controller in de state laden) laden – De waarde in register 2 wordt vergeleken met de ondergrens in register 5. Als bij laden de waarde van register 2 groter is, dan wordt gekeken naar register 3. Is deze waarde kleiner dan -10mV 10mV (dit omgezet naar digitale waarden), dan schakelt hij uitgang 1 uit. (Als Als de controller in de state ontladen is) is – Als de waarde de van register 2 bij lager is dan register 6, dan schakelt hij uitgang 2 uit en uitgang 1 aan.

39

Loop4 – In deze lus wordt register 2 ook met register 6 vergeleken. Als de waarde van register 2 hoger is dan die van register 6, dan schakelt uitgang 2 aan. In de andere gevallen moet de uitgang niet actief zijn. Loop5 – Deze lus berekend de som bepaald de duty-cycle van de PBM. Tevens stuurt deze lus de PBM. Daarbij is hij dus A% van de tijd uit, en 100-A% aan. De rede hiervoor is beschreven in paragraaf 4.3. Er moet wel worden bijgehouden dat zo gauw uitgang 1 wordt aangezet de microcontroller zich inde modus ‘laden’ bevindt, terwijl in het andere geval de modus ‘ontladen’ actief is.

4.6 De voordelen en eventuele aanpassingen Zoals eerder geschreven is dit ontwerp maar een invulling van een groter systeem. Dit systeem bestaat uit een set onderdelen die zich bewezen hebben, zoals de constante stroomlader en het principe van afschakelen bij een negatieve voltagegradiënt. Wat nieuw is, is het concept van temperatuurgevoeligheid. Zoals al in figuur 1. Gezien kon worden is de batterij zeer temperatuursgevoelig. Lader Het specifieke voordeel van de gekozen methode is dat door metingen, zoals in hoofdstuk 2, zorgen voor een systeem wat kan worden ingesteld op de vorm van laden. De constante stroomlader kan worden vervangen door een andere vorm van lading, zoals een pulslader, die telkens korte spanningspulsen geeft in plaats van een constante stroom. Een constante stroomlader is simpel te maken en goedkoop. Als er bespaard kan worden op onderdelen kan dat hier gebeuren door een lagere stroom te kiezen. Met een lagere stroom kunnen goedkopere componenten gebruikt worden, daar de eisen dan minder sterk zijn. Opnieuw kalibreren is dan nodig. Processor / microcontroller De gepresenteerde microcontroller voldoet aan de eisen die eraan gesteld werden in paragraaf 4.5. Het is echter geoorloofd om een andere microcontroller in te zetten, zolang hij dus voldoet aan die eisen. Een manier om te kunnen besparen is door gebruik te maken van een al aanwezige microcontroller in het te voeden apparaat of systeem. In het ontwerp is het brein en de basis al gescheiden weergegeven. Dit brein is dus volledig uit het ontwerp te ontleden. Ook de 5 Volt voeding kan dan in het te voeden apparaat worden geïntegreerd. Sterk aan te bevelen is het om toch een optie in te bouwen die deze voeding ook door de netspanning te kunnen voorzien van energie, indien de batterijen daartoe niet in staat zijn. Uitbreidingen In figuur 1.8 kon ook een sterke toename van de interne druk van de batterij worden waargenomen. Een bewaking op basis van de druk zou ook mogelijk zijn. De AA-cellen voor commercieel gebruik zijn echter niet met druksensoren uitgerust en die zijn ook niet makkelijk toe te voegen. Voor grotere cellen, met het formaat van auto- of vrachtwagenaccu’s zou het in principe mogelijk zijn.

40

Conclusie De hoofdvraag was : Hoe kan een thermisch stabiel ontwerp van een batterijlader met nikkel metaalhybride batterij worden gerealiseerd? Wat kan worden geconcludeerd uit dit rapport is dat er bij het ontwerp van een batterijlader rekening moet worden gehouden met de thermische eigenschappen van de NiMH batterij. Om dat te kunnen doen dient er een omgevingstemperatuurafhankelijke beveiliging te worden ingebouwd, die op basis van de temperatuur van het batterijpack en het voltage van het pack op het juiste ogenblik de lader en de uitgangstrap aan en uitschakelt. Dit antwoord is gebaseerd op de volgende bevindingen van het rapport.























In een NiMH batterij wordt energie opgeslagen door een redoxreactie die plaatsvindt tussen nikkelhydroxide en een mengsel uit verschillende zeldzame metalen zoals neodynium en cesium. Als er niet op tijd wordt gestopt met het laden of ontladen van de cellen ontstaat er waterstof- of zuurstofgas wat verlies van capaciteit of zelfs explosies kan veroorzaken. Het voltage van de NiMH batterij is sterk afhankelijk van de temperatuur. Bij een toenemende temperatuur neemt het voltage van de cel tijdens het opladen af, terwijl bij het ontladen de capaciteit van de cel doorslaggevend is voor het voltage van de cel evenals de ontladingsstroom. Om schade aan de apparatuur te voorkomen moet gebruik worden gemaakt van ene voltageen temperatuursbeveiliging. Bij de eerste vorm wordt gekeken naar de gradiënt van het uitgangsvoltage. Als deze onder de -10 mV komt, wordt het laden uitgeschakeld. Als het voltage zelf te laag wordt, wordt de uitgang uitgeschakeld en de lader ingeschakeld. Bij temperatuurbeveiliging kan gebruik worden gemaakt van een maximale temperatuur, waar ten alle tijden onder gebleven dient te worden. Voor het kalibreren van de regeling kunnen 2 experimenten worden uitgevoerd. Met gebruik van een datalogger, in dit geval de Daqpro 5300, in samenwerking met een thermische oven kan door middel van temperatuurssensoren en voltagemeting de voltage- en temperatuurscurven van een geheel NiMH-pack gemeten worden. Met de verkregen curven kan zo de beveiliging en indicatie worden ingesteld. Voor de ladingscurve bestaat er al een onderzoek uitgevoerd door Pensilvania State University dat een compleet computermodel heeft gemaakt van de NiMH cel tijdens het laden. Deze geeft tevens inzicht over het effect van koeling tijdens het laden. Voor de ontladingscurve kan gebruik worden gemaakt van een model van de universiteit van Budapest. De auteurs hebben een formule opgesteld voor de ontladingscurve van een ontladende NiMH cel alsmede een methode om de parameters van de formule op te stellen met het door hen gebruikte computerprogramma Het uiteindelijke ontwerp bestaat uit een simpele constante stroom lader, terwijl voor de 12 Volt uitgang een ‘low-drop’ regelaar kan worden ingezet. Ook aanwezig is een 5 volts voeding die de energie levert voor de microcontroller. De voeding is voorzien van een goldcap condensator voor langere periodes zonder net- en batterijspanning. De microcontroller moet minstens 7 in- en uitgangen en minstens 1 AD converter hebben om alle benodigde functies te kunnen schakelen. Het programma zal bestaan uit 5 programmeerlussen die telkens worden doorlopen. Een parameter die nog niet wordt gebruikt is de interne druk van de batterij. Deze kan gebruikt worden voor batterijbewaking. De meeste batterijen zijn echter niet voorzien van een druksensor en die zijn ook niet makkelijk aan te brengen.

41

Beperkingen en aanbevelingen











Zoals al gesteld in paragraaf 3.2 is het gedrag van de NiMH batterij grillig is en behalve van de temperatuur en laad- of ontladingsstroom sterk afhankelijk is van de hoeveelheid nog overgebleven lading in de batterij zelf. De modellen zoals hier gepresenteerd houden hier nog geen rekening mee en daarom moet nog verder onderzocht worden in hoeverre het hier gepresenteerde ontwerp last heeft van die afhankelijkheid. De hier gepresenteerde microcontroller is slechts een voorbeeld. Er zijn vele typen die voldoen aan de eisen die gesteld werden in hoofdstuk 4. Bij de vraag welke moet worden ingezet moet er naar andere factoren worden gekeken, zoals welke programmeertaal geprefereerd wordt of hoeveel het geheel mag kosten. Bij het model voor de laadcurve wordt uitgegaan van een vaste waarde voor de hittetransfer coëfficiënt. Deze zal gedurende het experiment echter veranderlijk zijn. Deze moet eerst worden bepaald voordat dit model ten volle kan worden benut. Ook moet gekeken worden of alle formules gelden bij andere temperaturen dan 25 °C. Het hele ontwerp is modulair en dus aanpasbaar aan de eisen van de gebruiker. De individuele onderdelen bestaan uit bewezen technologie en als geheel is het systeem na kalibreren ook betrouwbaar door zijn ingebouwde fail-safe. Elk van de 3 beveiligingen kan invallen als een ander het niet doet.

42

Bijlage 1 – Datablad Sanyo oplaadbare batterijen Bron : [1]

43

Bijlage 2 – Geschiedenis van de nikkel metaalhybride batterij Bron : [24]

De geschiedenis van de Nikkel Metaal Hydraat batterij hing samen met de ontwikkeling van de nikkel-waterstof cel in 1970. Deze werd ontwikkeld voor de Amerikaanse NASA voor gebruik in ruimtevoertuigen. Enkele toepassingen waren de NTS-2 die gelanceerd werd in 1977 en ook de Hubble-telescoop draaide tot 2009 op zo’n cel. De eerste NiMH batterij kon al worden gevonden in 1967 en werd ontwikkeld door het Battelle Geneva Reaserch Center in Genève, Zwitserland. Ze gebruikte een verbinding van titanium en nikkel (TiNi2) in de negatieve en Nikkeloxyhydroxide (NiOOH) voor de positieve elektrode. Het onderzoek naar deze vorm van energieopslag werd 20 jaar lang gesponsord door Mercedes-Benz. Dit bedrijf kreeg ook de rechten op de patenten in Europa en de VS. Philips maakte in samenwerking met het Franse CNRS onderzoeksbureau een versie waarbij met sterkere negatieve mengsels werden uitgeprobeerd met gebruik van verbindingen van zeldzame aardmetalen zoals neodynium, vanadium en zirkonium. Deze metaalcombinaties waren niet stabiel genoeg voor gebruik en hun onderzoek liep op niks uit. In 1982 vond Stan Ovshinsky een manier uit om de metaalverbindingen te stabiliseren en de eerste moderne NiMH batterij was geboren. In 1994 werd het patent van het door Stan opgerichte bedrijf Ovionics Batery Company opgekocht door General Motors. Sindsdien worden de accu’s in vele hybride en elektrische auto’s gebruikt. De eerste NiMH batterij voor consumenten verscheen in 1989. Ontwikkelt door Masahiko Oshitani van de GS Yuasa Company. Zij gebruikte de ontwikkelde techniek van het onderzoek door Philips en maakte daarmee de eerste versie van de hedendaagse NiMH batterij.

44

Bijlage 3 : het model van W.B. Gu en C.Y. Wang, de formules

fig. B3.1[10,p. 2915] – Overzicht formules van het thermisch en electrisch model

fig. B3.2[10,p. 2916] – waarden van gebruikte constanten

45

fig. B3.3[10,p. 2916] – grenscondities

De lijst symbolen in figuur B2.4 en B3.5 zijn alleen gebruikt voor het model dat hier gepresenteerd wordt. Deze symbolenlijst is niet voor het hele thesisrapport.

46

fig. B3.4[10,p. 2921] –lijst symbolen deel 1

47

fig. B3.5[10,p. 2922] – Lijst symbolen deel 2 en referenties rapport.

48

Bijlage 4 : De keuzes vooraf aan het rapport Als er een opdracht wordt uitgedeeld door een bedrijf, dan is het de bedoeling dat de ingenieur probeert aan de eisen van de partij te voldoen. Dat is vaker makkelijker gezegd dan gedaan, simpelweg omdat de eisen die gesteld worden niet altijd realistisch zijn. Ook zijn vele eisen te vaag voor het gebruik in een onderzoek. Eerst moet dus duidelijk worden gemaakt welke concrete eisen er gelden voor het apparaat.

B4.1

De eerste set eisen

Bij het aannemen van de opdracht gegeven door de groep van het ‘El Condor’ geluidssysteem werd voorlopige lijst van eisen doorgegeven waaraan het product zou moeten voldoen. Deze waren • Een stabiel uitgangsvoltage van 12 Volt gelijkspanning • Een capaciteit van 60 Wh • Maximale uitgangsstroom is 250 mA • De unit in zijn geheel (apparaat + accu’s) moet draagbaar zijn • Beveiliging tegen overladen of spanningsuitval • Het apparaat dient te kunnen worden onderhouden door een ‘jan met de pet’ • Een accu-indicatie dient te worden uitgestuurd • Liefst zo snel mogelijk laden • Het apparaat dient minder te kosten dan 75 euro

B4.2

het kiezen van een geschikt energiemedium

Niet alleen zijn eisen vaak vaag, ook zijn ze soms niet realistisch. Er worden dan eisen gesteld die eenvoudig niet mogelijk zijn met de aanwezige middelen en/of beperkingen van techniek of kapitaal. Deze paragraaf gaat over het ontleden van de eisen in een meer werkbare vorm die dan in de volgende paragraaf kan worden gepresenteerd.

B4.2.1 De eisen op prioriteit gezet Het begint met de eis van energieopslag. De minimum hoeveelheid opgeslagen energie is 60 Wh. Daar ook de uitgangspanning gegeven is met 12 Volt komt dit neer op een capaciteit van 5000 mAh. Wat te allen tijde in gedachte moet worden gehouden is waarvoor dit pack wordt gebruikt. In dit geval wordt het energiesysteem gebruikt bij opnameapparatuur. Deze is zeer gevoelig voor omgevingsgeluid. Een primaire eis is dus dat het pack zo weinig mogelijk geluid maakt. Ten derde moest het systeem draagbaar zijn. Het apparaat waar het pack voor gaat dienen is draagbaar en dient dit met energiepack ook te zijn. Het energiepack moet ook eenvoudig te onderhouden zijn, ook door mensen met weinig tot geen technische opleiding.

49

B4.2.2 De inschatting van de opties Nu de eisen op prioriteit staan worden de verschillende opties nagegaan en wordt de beste keuze genomen, voor zover dit mogelijk is. Daarbij reist de vraag, wat voor medium gebruikt kan worden voor het opslaan van die energie. Het eerste wat in gedachte opkwam was een simpel accupack, bestaande uit oplaadbare batterijen. Andere opties zijn een brandstofcel of eventueel een aggregaat, wat draait op diesel of benzine. De oplaadbare accu Uit wil van eenvoud werd gekozen voor een batterij of batterijpack. Vervolgens moet er wederom gekeken worden naar de eis van makkelijk onderhoud. Een enkele cel van 12 Volt bestaat niet en dus zal het een pack worden van meerdere aan elkaar verbonden cellen, hetzij in een batterijhouder, hetzij aan elkaar gesoldeerde cellen. Voor simpel onderhoud is het handig om een batterijhouder te kiezen. Als een enkele cel dan kapot is, kan die worden verwijderd en worden vervangen. Bij permanent aan elkaar gesoldeerde cellen zijn er soldeerwerkzaamheden nodig, iets wat niet voor iedereen kan. Concluderend werd gekozen voor een pack bestaande uit losse cellen die worden gekoppeld in een of meerdere batterijhouders.

B4.2.2 het kiezen van het type accu Nu eenmaal gekozen is voor een serieschakeling van enkele cellen, moet worden bepaald welkk type accu wordt gebruikt. Bij het bepalen van dit type kwamen 4 gebruikte soorten accu’s naar voren. • De nikkel cadmium batterij (NiCd) Vaste spanning van 1,2 Volt per cel : wordt los verkocht en in packs • De nikkel metaalhybride batterij (NiMH) Vaste spanning van 1,2 Volt per cel : wordt los verkocht en in packs • De loodgelaccu (Pb) Vaste spanning 2,1 Volt per cel : wordt verkocht in pakketten van 6, 12, 24 Volt en veelvouden daarvan • Een lithium polymeer batterij (LiPo) Vaste spanning van 3,7 Volt per cel : wordt los verkocht en in packs Al snel werd duidelijk dat de accucellen het duurste onderdeel zouden worden. Deze kostenvraag zou nu de grootste factor zijn in het bepalen van het type accu dat gebruikt diende te worden. Voor het bepalen van de kosten werd onderzoek gedaan bij de leverancier Conrad Electronics [21]. Deze firma levert onder andere elektronica aan vele bedrijven in Nederland in Duitsland alsmede aan particulieren en kon als een indicator gebruikt worden voor een prijs van mijn pack.

50

Merk Type Voltage Aantal nodig : eindvoltage Capaciteit Afmetingen (mm) Afmetingen heel pack (mm) Volume inname (cm3) Gewicht p/stuk Gewicht voor power-pack Prijs p/ stuk (Conrad) Prijs voor power-pack Conrad bestelnummer

Loodaccu

NiMh

NiCd

Panasonic Loodvlies 12 V 1, 12 V 7200 mAh Maar 1 nodig 151 x 94 x 65 922,6 2470 gram 2470 gram € 41,99 € 41,99 254320 - 89

Emmerich FT-1Z 1,2 V 11 : 13,2 V 5000 mAh Ø25 x 50 25 x 250 x 50

AEG 4932 352106 12 V 3 : 12 V 2000 mAh Niet gegeven gereedschapaccu Niet gegeven

312,5 90 gram 900 gram € 13,49 € 148,39 255042 – 89

? Niet gegeven Niet gegeven € 83,99 € 251,97 816578 – 89

Lithiumpoly Kokam 30 C 14,8 V 1 : 14,8 V 5000 mAh Maar 1 nodig 142 x 42,5 x 46 277,6 512 gram 512 gram € 175,€ 175,206605 - 89

Tabel B4.1 – Prijs- en productinformatie batterijcellen verkrijgbaar bij Conrad Electronics. Samengesteld naar informatie van de webshop.

Het kostenplaatje Bij het bestuderen van de mogelijkheden, die staan genoteerd in tabel 1, werd de maximumprijs, die ligt bij 75 euro voor het gehele pack snel bereikt en overstegen. Het vinden van een accu van de gezochte capaciteit was over het algemeen makkelijk, maar bij Nikkel Cadmium moest ik verder zoeken dan Conrad, daar zij alleen gereedschapsaccu’s verkopen. Elders waren er versies met een kostprijs van rond de 5 euro per cel[22]. Daar er een voltagestabilisator achter de accu’s moet, moest de accu meer dan 12 Volt leveren. Het minimumaantal van batterijen is daarmee vastgelegd op 11, wat een uit zou komen op een prijs van 55 euro, wat net binnen de prijs zou vallen. Voor een totaalprijs van 75 euro zou er echter te weinig overblijven voor de rest van de onderdelen. Hetzelfde verhaal voor de nikkel metaalhybride batterijen. Ook deze cellen zijn te vinden voor prijzen vanaf 4 euro per stuk [23]. Ook bij deze batterijen is er na de aankoop een geheel pack dan echter te weinig geld over voor de rest van de onderdelen. Bij een lood(gel) accu is dit probleem aangaande kosten iets kleiner. Bij Conrad kon ik een voorbeeld vinden van een accu van 12 Volt met een capaciteit van 7200 mAh voor ongeveer 42 euro. Dit is ruim meer dan de gevraagde capaciteit en onder de kostprijs. De Lithium Polymeer batterij viel echter snel af, daar de prijzen van een pack van 14,4 Volt met de gevraagde capaciteit al gauw ver boven de totaalprijs van mijn complete powerpack uitkwamen. Bij Conrad bijvoorbeeld moest voor zo’n batterijpack een prijs van 175 euro worden neergelegd. Uit dit alles kon worden geconcludeerd dat alleen de loodaccu de gevraagde capaciteit kon leveren bij de gegeven maximum prijs.

Draagbaarheid Naast de kosten kwam ook de term ‘draagbaarheid’ om de hoek kijken. Het apparaat waar dit powerpack voor bedoeld is, is draagbaar en het zou nogal onhandig zijn als dit apparaat zijn draagbaarheid verliest door de batterij(en). De gevolgen hiervan zijn te vinden in de keuze van het type cel. Een loodaccu heeft een enorme capaciteit en ook een aanvaardbare prijs, maar zijn gewicht is een probleem.

51

Het type accu op Conrad had een gewicht van ruim 2,4 kilogram. Dit is veel te zwaar. De grote NiMH en NiCd cellen hadden een gecombineerd gewicht van ongeveer 1 kilogram. De Lithium Polymeer variant was dan weer een 100 gram lichter. Hier rees een probleem. De loodaccu was de enige die goedkoop genoeg was bij de gevraagde capaciteit, maar tegelijkertijd is hij veel te zwaar.

B4.3

De uiteindelijke accukeuze

Na beraad met de opdrachtgevers werd besloten omwille van de prijs en het gewicht af te stappen van Lithium Polymeer accu’s en loodaccu’s. Ook bleek uit de voorgaande dat het niet mogelijk was om voor het gegeven budget een accu te bouwen van de gewenste capaciteit. Besloten werd gebruik te maken van NiMH batterijen van het type AA (Penlite) die simpel uit te wisselen waren. De capaciteit van deze accu’s is minder, namelijk 2700 mAh. Samen met een houder kwam de prijs van 12 batterijen uit op 35 euro. Hiermee kwam er 40 euro vrij voor de rest van de lader. De batterijen werden gevonden bij Conrad en zijn van het merk Sanyo, type HR-3U. Voor verdere gegevens verwijs ik naar hoofdstuk 2 en Bijlage 1, het datablad van de batterij. De eisen werden aangepast naar de nieuwe situatie. Veranderingen zijn vet aangegeven. • • • • • • • • • •

Een stabiel uitgangsvoltage van 12 Volt gelijkspanning Een capaciteit van 2700 mAh, wat neerkomt op 32,4 Wh Maximale uitgangsstroom is 250 mA De unit in zijn geheel (lader + accu’s + stabilisator) moet draagbaar zijn Beveiliging tegen overladen of spanningsuitval Het apparaat dient te kunnen worden onderhouden door een ‘jan met de pet’ Een accu-indicatie dient te worden uitgestuurd Liefst zo snel mogelijk laden Het apparaat wordt in samenwerking met opnameapparatuur gebruikt. Met andere woorden, hij moet stil zijn geluidsniveau onder de 30 dB ! Het apparaat dient minder te kosten dan 75 euro

52

Literatuurlijst [1] http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/250000-274999/250789-da-01-enSANYO_NIMH_MIGNON_AKKU_2700_MAH.pdf - geraadpleegd 18 mei 2010 [2] H.J. Bergveld, W. S. Kruijt en P.H.L. Notten, Battery Management Systems, design by modelling, Vol. 1, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2002. [3] (2001). Battery Application Manual. Eveready Battery Co. St. Louis, MO. [online], Available: http://data.energizer.com/PDFs/nickelmetalhydride_appman.pdf, Geraadpleegd : 18 mei 2010 [4] John J.C. Kopera. (2004, Juni). Inside the Nickel Metal Hybrid Battery. Cobrasis, USA,[online], Available : http://www.cobasys.com/pdf/tutorial/inside_nimh_battery_technology.pdf. Geraadpleegd 17 mei 2010. , pp. 10-11 [5] http://www.knmi.nl/klimatologie/maand_en_seizoensoverzichten/images/jaar2009_ttt.jpg. Geraadpleegd 1 Juni 2010. [6] P. Siegmund. (2010, April). Wat beweegt de atmosfeer. KNMI. De Bilt, Nederland. [online]. Available : http://www.knmi.nl/cms/content/80274/wat_beweegt_de_atmosfeer. Geraadpleegd : 18 mei 2010 [7](2001). PT100 Platinum Resistance Thermometers. Picotech,[online], Available: http://www.picotech.com/applications/pt100.html. Geraadpleegd : 17 mei 2010 [8]Temperatuursensoren. Thermo Electric, Brussel, [online], Available: http://users.ugent.be/~mvervust/thermokoppel/Thermocouple%20K.htm. Geraadpleegd : 21 mei 2010 [9] (Maart 2005). Daqpro User guide. Fourier,[online], Available: http://www.microdaq.com/fourier/daqpro/pdf/daqpro_daqlab_manual.pdf.Geraadpleegd : 21 mei 2010 [10] W.B. Gu en C.Y. Wang. (2000) Thermal-Electrochemical Modeling of Battery Systems. J. Electrochemical. Soc., 147, (2000).[online] Available : http://mtrl1.me.psu.edu/Document/JES00-02015.pdf. Geraadpleegd 17 mei 2010. [11] (2005). Correlations for Convective Heat Transfer. Engineering ToolBox. [online], Available: http://www.engineeringtoolbox.com/air-properties-d_156.html, geraadpleegd: 17 mei 2010. [12] (2008). Correlations for Convective Heat Transfer. The Chemical Engineers' Resource Page. Mitlothian, VA. [online], Available: http://www.cheresources.com/convection.shtml#flat, punt 5. geraadpleegd: 19 mei 2010. [13] D. Szente-Varga, Gy. Horvath, M. Rencz. (2006, september). Creating temperature dependent Ni-MH battery models for low power mobile devices. Budapest University of Technology and Economics. Budapest, Hongarije. [online]. Available : http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/handle/2042/6546/CTD69.pdf?sequence=1. pp.1 Geraadpleegd: 18 mei 2010. [14] http://tinycad.sourceforge.net/ - geraadpleegd 25 mei 2010 [15] http://media.conrad.com/xl/2000_2999/2100/2120/2127/212728_LB_02_FB.EPS.jpg geraadpleegd 28 mei 2010 [16] Productinformatie van Conrad Electronics http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/176052-da-01-en-LM_350.pdf geraadpleegd 28 mei 2010 [17] Productinformatie van Conrad Electronics http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/176001-da-01-enIC_LM317T.pdf - geraadpleegd 28 mei 2010 [18] Productinformatie van Conrad Electronics http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/150000-174999/174378-da-01-en-LM2940.pdf geraadpleegd 28 mei 2010

53

[19] Productinformatie van Conrad Electronics http://media.conrad.com/xl/1000_1999/1800/1810/1810/181048_GB_00_FB.EPS.jpg - geraadpleegd 28 mei 2010 [20] Productinformatie van Conrad Electronics http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/150000-174999/165233-da-01-enPIC16F88_I_P.pdf- geraadpleegd 28 mei 2010 [21] Webwinkel Conrad Electronics, http://www1.conrad.nl/ , geraadpleegd 29 April 2010 [22] Webwinkel rechargeablebatteriesstore, http://www.rechargeablebatteriesstore.info/product/1/87/One-D-Size-5000-Mah-NicdRechargeable-Battery-Flat-Top-With-Tab.html. Geraadpleegd : 12 mei 2010 [23] http://www.rechargeablebatteriesstore.info/product/1/333/1pcs-Csize-12-V-5000-Mah-NimhRechargeable-Battery-With-Tabs.html. Geraadpleegd : 12 mei 2010 [24] Wikipedia, (2010, Mei), Nickel-Metal Hydride Battery, http://en.wikipedia.org/wiki/Nickelmetal_hydride_battery, Wikimedia Foundation Inc., CA, USA, geraadpleegd 13 mei 2010

54

Lijst van figuren en tabellen

fig. 1.1 – achtergrondgegevens van de Sanyo batterij

7

fig. 1.2 – voltage curves bij het opladen van den Sanyo NiMH batterij bij verschillende temperaturen fig. 1.3 – voltagecurven van de Sanyo batterij bij verschillende ontlaadstromen formule 1.4 en 1.5 – de waterstofcyclus formule 1.6 en 1.7 – de zuurstofcyclus fig. 1.8 – druk- temperatuur en voltagemeting bij het laden van een NiMH cel formule 1.9 – formule tussen voltage en capaciteit formule 1.10 – schatting overgebleven capaciteit fig.1.11 – de gemiddelde maandtemperaturen van het jaar 2009

8 8 9 10 10 10 11 13

formule 2.1.1 – voltageformule van een PT100 formule 2.1.2 – vereenvoudigde voltageformule van een PT100 fig. 2.2 – voorbeeld van een 4 draadsaansluiting fig. 2.3 – het frontaanzicht van de Daqpro 5300 datalogger fig. 2.4 – opstelling van het laadexperiment fig. 2.5 – een voorbeeldschakeling van een differentiator fig. 2.6 – opstelling van het ontladingsexperiment

15 15 16 17 19 20 21

formule 3.1 – de vergelijking van behoud van hitte-flux tabel. 3.2 – deze toont de hitte geleiding van lucht met betrekking tot de omgevingstemperatuur fig. 3.3 t/m 3.7: formulering van Hitte transfercoëfficiënt bij turbulente geforceerde koeling van een oppervlak fig. 3.8 – voltage en temperatuurscurve van een NiMH cel tijdens opladen met 1 C onder verschillende hittetransfer coëfficiënten. fig. 3.9 – de ontladingscurve van een NiMH cel met verschillende stromen en met verschillende temperaturen formule 3.2.1 – 3 functie benadering van de ontladingscurve formule 3.2.2 – benadering van de ontladingscurve met exponentiële functies formule 3.2.3 – benadering van de ontladingscurve met een functie bestaande uit 2 hyperbolen en een lineair tussenstuk fig. 3.10 – proefresultaten bij het bepalen van de parameter C ten opzichte van verschillende temperaturen fig. 3.11 – proefresultaten bij het bepalen van de parameter F ten opzichte van verschillende temperaturen tabel. 3.12 – proefresultaten met de bevindingen van de afhankelijkheid van de 6 functieparameters ten opzichte van de temperatuur fig. 4.1 – een blokkenbeschrijving van het laadsysteem fig. 4.2 – de onderdelen van de voeding van het laderschema. fig.4.3 – de voorgeziene 18 Volts 52 VA transformator van Conrad fig. 4.4 – schema gelijkrichter (D1-D4) met buffercondensator en zekering. fig. 4.5 – schema van de constante stroomlader fig.4.6 – schema van de 5Volt voeding. fig. 4.7 – de 12 volt ‘low-drop’ stabilisator voor de 12 volts uitgang. fig. 4.8 – de onderdelen die gebruikt worden voor het schakelen van onderdelen in het ontwerp fig. 4.9 – de schakeluitgangen voor S1 en S2. fig. 4.10 – de versterkende uitgang voor de pulsbreedte fig. 4.11 – de aansluiting van de 2 relais die in de schakeling zitten. fig. 4.12 – de sensoren staan op dit figuur aangegeven. fig. 4.13 – dit is de weerstandsdeler. De inputspanning voor de microcontroller is tussen S3 en GND. fig. 4.14 – PTC temperatuursensor fig. 4.15 – de microcontroller fig. 4.16 – pindiagram van de PIC16F684-I/SL fig. 4.17 – toestandenoverzicht van het microcontroller programma fig. B3.1 – overzicht formules van het thermisch en electrisch model fig. B3.2 – waarden van gebruikte constanten fig. B3.3 – grenscondities fig. B3.4 – lijst symbolen deel 1 fig. B3.5 – lijst symbolen deel 2 en referenties rapport. Tabel B4.1 – prijs- en productinformatie batterijcellen verkrijgbaar bij Conrad Electronics

24 25 25 26 27 27 28 28 28 29 29 30 31 31 32 32 33 33 34 34 35 35 36 36 37 37 38 39 45 45 46 47 48 51

55