La realizzazione di questo circuito era in cantiere da tempo in quanto spesso mi sono trovato nella condizione di avere necessità di un carico per verificare il corretto funzionamento delle mie batterie da bicicletta e per quelle che ogni tanto mi capita di dover testare. Per quanto riguarda le singole celle ci si può adattare bene con i caricatori da modellismo che con la loro funzione specifica di scarica possono gestire tranquillamente una cella, ma siccome la sezione dedicata di scarica è spesso molto limitata come potenza (alcuni hanno solo 5W), quando si va a scaricare una intera batteria ci si trova a dover utilizzare delle correnti molto basse che non vanno nel migliore dei casi oltre i 2-4 A per cui è impossibile capire le reali condizioni di salute delle batterie.
Era necessario quindi inventarsi qualcosa che simulasse le condizioni di impiego reali, e a questo scopo è nato questo particolare tipo di scaricatore o carico elettronico che è in grado di sopportare potenze di circa 1000 W e correnti di oltre 30A.
Il primo prototipo realizzato si è dimostrato subito molto efficiente e funzionale, ma era stato realizzato in scala ridotta con una potenza massima di 100W giusto per capire se conveniva o meno procedere... poi in corso d'opera sono sorte complicazioni...

Descrizione del circuito definitivo:
Il circuito prevede un controllore Pic che gestisce alcune particolarità di questo scaricatore, dal pin 5 del controllore esce un segnale PWM a 16 Khz che pilota dei driver mosfet i quali consentono di portare la tensione di 5V PWM del Pic ad una tensione PWM uguale a quella di alimentazione dei driver, in questo caso di 15V. I driver mosfet si occupano di fornire anche un segnale ben squadrato e consistente in quanto a corrente per un efficiente pilotaggio dei Mos. Ogni mos è incaricato di pilotare 2 resistenze da 100W 15 ohm poste in parallelo. In totale troviamo quindi 10 resistenze da 100 W del valore di 15 ohm che ci danno una resistenza risultante di 1,5 ohm, capace di far passare su una batteria da 48 V una corrente di 32A ed una potenza massima di oltre 1500W. Tale valore di resistenza sarebbe stato necessario ancora più basso e non escludo in futuro di sostituirle in modo da trattare batterie dal basso voltaggio come ad esempio quelle da 24 V con cui attualmente si ha un assorbimento massimo di 16A ed una dissipazione massima di poco meno di 400W, solitamente comunque la corrente massima su cui sono tarate le centraline a norma con il codice della strada si aggira sui 12-15A per cui si possono simulare condizioni reali anche con questa tensione.
Il motivo per cui lo stadio di potenza è stato suddiviso in 5 sezioni è dovuto a questo fatto: se applicassimo una resistenza di 1,5 ohm ad una batteria prelevandola con il metodo del PWM, otterremmo certamente una corrente media proporzionale al ciclo PWM ma i picchi di corrente prelevati durante la conduzione piena del mos sarebbero proporzionali alla resistenza, quindi come detto prima nel caso di batteria a 48 V avremmo un prelievo di picchi di 32 A che metterebbero in crisi alcuni circuiti BMS contenuti entro le batterie facendoli entrare in protezione. Il circuito quindi tramite il commutatore a 5 posizioni collegato ai pin 11-12-13-14 fa in modo che i pin 2-3-6-7-8 controllino i driver spegnendoli a rotazione in modo da ottenere picchi massimi di 32/25/19/13 A rispettivamente, in modo da rimanere entro le specifiche di tutti i BMS. Tramite i 4 potenziometri presenti invece sui pin 16-17-18-19 è possibile ottenere una simulazione di utilizzo stradale ciclico della batteria in prova. V1 regola la corrente massima prelavata mentre V2 regola il tempo di prelievo di questa corrente massima, passata questa fase la corrente decresce fino al valore di corrente minima impostata su V3 e vi rimane per il tempo impostato su V4, dopo di che il ciclo ricomincia. I tempi impostabili per la corrente alta sono compresi fra 0 e 5 Secondi mentre i tempi della corrente minima vanno da 0 a 15 secondi, a questi tempi va aggiunto il tempo di discesa della corrente che è variabile a seconda della differenza fra le 2 correnti impostate. Arriviamo quindi a un tempo totale di ciclo di 25 secondi circa. Il tempo di pausa fra un ciclo e il successivo è di 5 secondi. In questo modo simuliamo accelerazioni o partenze fino a raggiungere la corrente di normale utilizzo in piano. Ovviamente è possibile prelevare anche correnti fisse, il Pic passa infatti dalla modalità simulatore a quella corrente fissa tramite il deviatore sul pin 10. Il pulsante sul pin 15 serve invece da start/stop sia per la funxzione simulazione che per quella a corrente fissa. Il pin 15 viene utilizzato anche come stop di protezione quando una qualsiasi delle celle della batteria in prova va sotto al minimo valore di voltaggio in modo da non sovrascaricare le celle. Tale funzione è operativa per le sole batterie dotate di circuito LVC descritto in altra specifica pagina del sito, le mie batterie sono tutte senza BMS e dotate di solo circuito LVC.

Lo stampato realizzato allo scopo contiene tutti i componenti necessari tranne le resistenze di potenza, non tutti i componenti da schema sono rappresentati sullo stampato, alcuni sono stati inseriti in formato SMD ove le condizioni lo permettevano (es. condensatori da 0.1 o resistenze verso massa sui gate dei Mos). Sui Mos verrà applicata una piccola aletta precauzionale poichè il circuito verrà inscatolato, durante i test non è stata applicata alcuna aletta in quanto l'innalzamento massimo di temperatura rilevato sul corpo nudo di ogni Mos era di 5° in più rispetto alla temperatura ambiente.

In questa immagine si può vedere il primo prototipo di circuito, la strada allora intrapresa era ancora quella che impiegava i Mos come resistenze variabili controllati in corrente costante e fino a che ho utilizzato un solo Mos è andato tutto bene, anche fino a un centinaio di W non ci sono stati problemi...

...I problemi sono arrivati tentando di utilizzare questa batteria di mos in parallelo. Al contrario di altre realizzazioni già effettuate con successo con potenze di circa 2-300W, in questo caso la famosa autocompensazione da riscaldamento dei mos non funzionava, c'era sempre un solo mos dei 12 a sobbarcarsi il 90% di dissipazione della potenza fornita con conseguente bruciatura entro pochi secondi. Si poteva cercare di applicare una resistenza da 0.1 ohm sui terminali S dei Mos allo stesso modo di come si usa fare con i transistor di potenza, ma la soluzione non mi piaceva e non si confaceva al tipo di dissipatore che avevo a disposizione. Non tutto il male viene per nuocere però, visto che le poche prove fatte con il grosso dissipatore e con potenze di circa un centinaio di W mi hanno fatto capire che il radiatore della foto lungo 40 cm non sarebbe stato in grado di dissipare la potenza di progetto probabilmente nemmeno con applicazione di ventole.

Dai risultati di questi primi esperimenti ecco nascere allora l'idea di utilizzare resistenze come elementi dissipativi comandate da Mos in PWM e di usare per esse il raffreddamento a liquido. Il tutto tranne le resistenze era già presente in casa, utilizzato in precedenti esperimenti con raffreddamento ad acqua per celle di peltier o di CPU (cose di molti anni fa), perfettamente e gelosamente conservato nelle scatole come sono solito fare. Il radiatore è una frazione opportunamente ridotta di un termoconvettore, la pompa è una 1000 l/h per acquari, il blocco in alluminio è quello che ospiterà le resistenze, le sue dimensioni sono di 35 x 10 x 3 cm.

Il blocco di alluminio viene lavorato con pazienza con una fresa da 6 mm creando una serpentina profonda 20 mm, il massimo possibile con la fresa che avevo a disposizione, in totale sono circa 180 cm di canale con una sezione di 120 mm quadri.

Una volta ricavata la serpentina occorre praticare anche una leggera gola per sistemare la guarnizione liquida di tenuta, in modo che l'acqua vada a correre correttamente nei canali.

Qui si può vedere il blocco riempito con la guarnizione liquida poco prima della chiusura definitiva, in questo tipo di applicazione il motorsil D è un vero portento...

Ora al blocco di alluminio vengono applicate le resistenze da 100W. Il fondo delle resistenze è stato carteggiato per renderlo il più piatto possibile, poi è stata applicata pasta di silicone. Per rendere ancora migliore la forza di contatto è stata applicata anche sopra le resitenze una barra di alluminio con viti serrate a 4Nm. Ai lati vengono applicate 2 striscie di vetronite e per migliorare la conduzione elettrica nella saldatura c'è una grossa calza di rame, un lato ha tutte le resistenze in comune mentre sull'altro le resistenze sono collegate a coppie.

Ora su una base in poliuretano di 20 mm viene assemblato il circuito idraulico con i suoi componenti e viene effettuato un test di tenuta acqua e di prova di dissipazione, il test ha dato esito positivo con un innalzamento di 12 gradi del sistema (da 28 a 40°)con una potenza applicata continua di 450W, per cui si procede con la parte elettronica. Sul radiatore soffiano 6 ventole da 80 mm alimentate ad una tensione di 15V. Il circuito contiene quasi 3 litri di acqua distillata a cui verrà poi aggiunta una piccola percentuale di liquido per radiatori.

Per il circuito viene predisposto un contenitore sopra al blocco delle resistenze, tutti i collegamenti avvengono tramite connettori in modo da poter effettuare montaggio e smontaggio rapido, anche i Mos sono collegati alle resitenze con connettori di potenza da 4mm. Questo tipo di montaggio si è rivelato molto utile in fase di collaudo in quanto il programma del Pic non ha funzionato bene al primo colpo, ma solo dopo alcune variazioni di programmazione, inoltre sono state fatte aggiunte al programma strada facendo quali lo start/stop non presente in origine.

Siamo giunti alla conclusione della realizzazione, al sistema viene applicato anche un wattmetro che è in grado di misurare W, Wh, A, Ah, V, inoltre durante l'uso si potrà utilizzare un tester con funzione log per il rilevamento delle curve di scarica.

Il completamento con una serigrafia che ricorda le funzioni dei potenziometri e altri comandi, i potenziometri gialli regolano tempi e intensità della corrente massima della prima parte di ciclo, i potenziometri blu regolano i tempi e l'intensità delle correnti basse del ciclo. La manopola grossa blu regola l'intensità della corrente in modalita corrente fissa.
Il primo test è stato effettuato con una batteria lipo da 36V-10Ah e tutto quanto ha funzionato perfettamente in modalità simulazione...sulla batteria si è evidenziata una eccessiva perdita sulla zona fusibile che ha fatto scaldare parecchio il supporto che lo contiene, cosa che in uso normalmente non avevo mai notato, ma probabilmente non avevo nemmeno mai sfruttato tanto la batteria... le prove al banco servono a scoprire anche cose come questa !!

Agosto 2012 by Tittopower

Le operazioni svolte nell'articolo possono provocare danni notevoli agli apparecchi e alla persona qualora chi le esegue non abbia una certa familiarità con l'elettricità, la meccanica, l'elettronica ecc.. ci si astenga quindi eventualmente dal metterle in pratica qualora non si abbia affinità con le materie predette. In ogni caso lo scrivente non si ritiene responsabile di eventuali danni provocati dai progetti e dal loro utilizzo a cose e/o persone.