Жадность плохое чувство, вроде бы. Но, как и лень, она иногда дает свои плоды в виде экономии чего-либо. Вот неприятно осознавать, что в последовательно соединенных аккумуляторах доступная энергия определяется наименее емким элементом. И к моменту его полного разряда, в других аккумуляторах батареи ещё может быть изрядное количество энергии.
А при зарядке батареи аккумуляторов с системой балансировки часть энергии просто сливается в тепло. И чем больше разница в емкости между аккумуляторами батареи, тем больше энергии сливается. При сильном разбалансе и высоком зарядном токе, балансировщик может не справиться со своими обязанностями. К тому же нельзя использовать одновременно аккумуляторы с разной химией.
Всё это сильно раздражает жабу и требует найти возможность использовать всю имеющуюся в аккумуляторах энергию. И заряжать до максимума и не больше. Как же у каждого аккумулятора взять столько энергии сколько он может дать, и зарядить до максимального уровня не теряя на балансировке?
Еще одна мысль. Размышляя о рекуперации в электротранспорте, я обратил внимание, что напряжение генерируемое на моторе в режиме торможения ниже чем требуется мотору в режиме разгона. И чем меньше скорость, тем ниже напряжение рекуперации. Для более полной рекуперации хорошо бы отбирать энергию при сравнительно низких напряжениях. Известный «парадокс», если у автомобиля отобрать 75% кинетической энергии, его скорость уменьшится только в два раза. Как бы отобрать еще?
Ответ есть - можно с каждым аккумулятором работать индивидуально, заряжая и отбирая у него энергию в соответствии с его параметрами, не превышая допустимых пределов. Для этого нужен контроллер для каждого аккумулятора, и объединить выходы контроллеров для совместной работы.
Для упрощения схемы зарядки аккумулятора, хорошо бы иметь напряжение в режиме рекуперации выше, чем на самом аккумуляторе. Для этого достаточно простого понижающего (buck) конвертера. А в нагрузку отдавать напряжение раза в три выше, чем у аккумулятора, используя повышающий (boost) конвертер. И оба конвертера можно объединить, используя одну и ту же индуктивность.
Таким образом, два транзистора и одна индуктивность позволят передавать энергию от аккумулятора с напряжением 3-4V на выход модуля 12V. Или заряжать аккумулятор с выхода при напряжениях на нем 5-15V. Аккумуляторы можно использовать один LiPol, один LiFePo4, два свинцовых или три NiMH. И комбинировать модули с разными типами и емкостью в одном блоке.
Силовые выходы и управляющие сигналы таких модулей можно соединять параллельно под управлением контроллера блока (Level controller), а блоки соединять последовательно, под управлением главного контроллера. В таком случае 25 блоков с литиевыми аккумуляторами дадут на выходе 90-105V в выключенном состоянии (через диоды) и 400V во включенном. 400V поступает на контроллер двигателя.
Каждый модуль управляется своим контроллером таким образом: при поступлении сигнала включения, если на выходе модуля напряжение меньше заданного (12V), то ШИМ сигнал подается на транзистор повышающего конвертера (N-ch), контролируя ток и напряжение разряда аккумулятора. Если напряжение выше заданного, ШИМ сигнал подается на транзистор понижающего конвертера (P-ch), контролируя ток и напряжение зарядки аккумулятора. Дополнительный управляющий сигнал ТОРМОЖЕНИЕ продолжает заряд аккумулятора до напряжения на выходе модуля около 5V. Таким образом рекуперация возможна на достаточно низких скоростях, пока напряжение не упало ниже 5V.
Контроллер модуля работает как 1-Wire используя конвертер I2C to 1-Wire или программную реализацию. На мой взгляд конвертер предпочтительней, у него уже есть уникальный идентификатор и функция поиска. По однопроводной шине можно запросить состояние аккумулятора и модуля.
При выключении контроллер модуля перекачивает энергию из конденсаторов в аккумулятор и переходит в состояние сна.
Возможна горячая замена модулей. Можно разработать разъем с силовыми и сигнальными контактами для быстрого подключения или замены модулей.
Контроллер блока одновременно включает/выключает все модули, включает тормозной резистор при превышении порога напряжения (если повысилось напряжение, значит модули не могут принять поступающую энергию или аккумуляторы заряжены полностью). А также по однопроводной линии (1-Wire) опрашивает состояние модулей, включает индикацию на модуле для облегчения поиска модуля, требующего замены. На основании полученной от модулей информации, контроллер блока может подсчитать суммарную емкость аккумуляторов под его управлением, и информировать главный контроллер.
Главный контроллер управляет контроллерами блоков по оптически развязанной линии, включая их одновременно и собирая информацию о каждом.
Конечно, при нескольких последовательно соединенных блоках требуется выровнять суммарные емкости в блоках. Но это несложно, поскольку главному контроллеру известна емкость блоков, а контроллерам блоков известна емкость модулей, можно обменять (на горячую, не выключая систему) модули между блоками, добиваясь одинаковой емкости.
Применение таких систем явно не оправдано в случае избытка однотипных аккумуляторов хорошего качества и возможностью подобрать их емкость. Но оправдано в условиях дефицита аккумуляторов и сложности ремонта аккумуляторных сборок. Можно использовать на грузовом электротранспорте, автомобильном или железнодорожном, где есть легкий доступ к модулям для замены или обмена между блоками.
Планируется проверка идеи, изготовление контроллеров модуля на базе PIC16F1509, сдвоенного P-ch и N-ch транзистора и 18650 аккумулятора. PIC16F1509 потому что несколько штук валяется без дела, и рабочее напряжение у него 2.3-5.5В, можно питать напрямую от аккумулятора. В планах изготовить несколько модулей и собрать небольшой стенд из них с аккумуляторами разной химии и мотором постоянного тока с маховиком. И протестировать разгон-торможение в цикле, с записью параметров каждого модуля.