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  10A級昇圧定電流定電圧走行充電システム  U   2014/02/24〜 【最終更新2016/12/26】
当サイトお勧めの走行充電器は新作 電流制御昇圧型走行充電  
サブバッテリ40B19Lに昇圧型充電器で走行充電する 
10A級DCDC昇圧定電流定電圧制御、ハイパワー、ローコスト走行充電基板を自作しました。
簡易型、市販DCDCユニット制御 定電流定電圧充電システムVはこちら
 
U型の特徴
  • ACC連動SWは超低オン抵抗1.4mΩの NchMosパワーFETLoadSW (ハイサイドスイッチ)でロス低減
  • 同上FETSWでソフトスタート機能、過渡電流抑制を実現
  • DCDC制御用IC NJM2360Aを採用。電流制御にはディスクリート部品採用。その他汎用部品で構成。
  • 定電流、定電圧充電はバッテリに合わせた調整、設定が可能。7AH〜100AHクラスまで
  • 大電流磁気飽和を考慮したコアギャップ付きハイスペックインダクターの自作
  • 余裕の連続10A出力可能(fan冷却時実測15A)
  • 高性能&ローコスト追求 既存のサブバッテリチャージャー、アイソレーターから置換え性能向上。
  • マイコンを使用しないハードウェア制御です。PIC制御版の原型)
対応バッテリー 
 
〜100AH 充電電圧13.8V〜15.5V(調整可) 開放型、シール、ジェルなどディープサイクルバッテリ
 スイッチング停止を使ったFET制御。 
 10Aを超える充電電流が必要な場合は基板の並列接続で対応可能です。(逆流防止Dは必要、ペアリング調整必要) サブバッテリの検討

難易度5:★★★★★

 自作には電子工作経験がある方。基礎的電気知識のある方、回路動作を追える方。最低限の工具測定器などが準備できる方。部品定数はデリケートです。指定部品を使用し正確に基板が作成できれば(基板領布有)再現性は高いです。旨く行かない場合は誤配線、半田付け不良など点検下さい。
2014/04/12 回路説明追加しました 2015/9/24P板ファイル変更し挿し替えました
 【この記事は松山市の零氏のご指導で、完成したシステムです】
ベースになる10A級DCDCコンバータ部開発の記事も合わせてお読みください←インダクタ作り方有り
 下図はコンバーターに制御回路を付加した回路です。FET制御部、DCDC昇圧コンバーター部、定電流制御部から成ります。コンバータ以外の回路動作説明は回路図に記載。
DCDC昇圧コンバータ制御定電流定電圧走行充電システム配線図
 図中SWはサブバッテリ未接続での無負荷電圧調整用起動プッシュSWです。Q10電源がサブバッテリ側から取っている為です。ACCに12Vが掛かると回路全体が起動します。
 今回の10A級走行充電器の定電圧定電流充電方式の電圧電流特性イメージです。過放電時は定電流で充電し、その後は定電圧で充電する。
定電流領域はFETQ11がレギュレータとして電圧を下げる領域(レギュレータモード)、昇圧コンバータが出力電圧を下げる領域(コンバータモード)の2領域から成る。
レギュレータモード時はコンバータ昇圧は最小昇圧電圧と成り、それ以上の電圧降下に対してはレギュレータ降下電圧が変わり定電流となる。
コンバータモード時はレギュレータの損失が最小になるようにFETが完全にONとなり、コンバータの電圧が変わり定電流となる。
蛇の目基板1号機試作品。

放熱は3mmアルミ板
74*135 Amazonで1150円
ミニテーブルソーで切断
注:スタートSWは無負荷でDCDC起動し電圧調整する必要がある為 (1〜2秒押し)LED点灯。
参考配置、パターン図。

左図はPWB作成ソフトPCBEで作図した両面基板です。
2015/12/1PWB化
基板領布あります。(ESA83-006対応)


部品リスト
BP101-3
部品面 配置図パターン図

入出力端子は丸端子ネジ止式に変更した基板です。3P端子台など一部インチピッチと異なる部分があります。

ユニバーサル基板の場合は左図の部品面パターンがジャンパー線となります。
半田面(プリントパターン)

大電流が想定される配線パターンには補強用銅線を追加。表面実装はシャント抵抗、積層セラミック47uFはレジスト無しの半田メッキ仕上げ。
 PWB外注基板での完成品 

入出力端子を強化。ACC端子はターミナルブロック。miniSWは無負荷電圧調整用スタートSWLEDが点灯すればOFF。通常時はオフ。NCは無接続
MBR3045FCTとESA83-006共通使用可

完成品基板
FETの取付状態

絶縁はシリコンラバーシートとプラビスを使用します。
フルモールドタイプを使えば絶縁シートは不要です。
スペーサー7mmを使用します。

FETの取付け方は下記手順で。

放熱について
パワーショットキーD>インダクタ>C6-C9>Q8の順です。10Aでは60℃くらいになります。(周囲温度22℃で)
10A連続となる高負荷時は冷却ファンを考慮下さい。
追記 2016/12/18
U型-1
回路、使用部品はほぼ同一で、基板サイズ約95*50に縮小しました。チップコンデンサなど互換のある部品も使用可能としました。
部品面視。赤が部品面、青が透視半田面パターンです。
上記の基板で試作したもの

基板を小型化したがPWBの大電流パターンは考慮したつもりです。

パワー素子は放熱も変わりません。

フルモールドパッケージを使えば絶縁シリコンラバーシートは不要です。

アルミベースは標準サイズで切断したものをそのまま流用したもので意味はありません。放熱、取付けに有利。
追記 2016/12/26 U型-2

50*100PWB発注サイズ内にFET,ショットキーDを収めました。
チップコンデンサなど互換のある部品も使用可能としました。
スペーサーは丸中空5mm
上記とほぼ同サイズ。
部品面視。部品面パターン。
ブログに掲載
上記の基板で試作したもの

FET、ショットキーは基板とアルミ板の間にある為見えない。4隅のスペーサー以外に3ケ所の締付用ビス穴がある。

画像マウスオンで挟んだFETなどが見えます。
パワー素子の放熱については上のタイプよりは多少不利であるが10A連続ではファンが必須なのは変わりない。市販のアルミ押出しヒートシンクブロックを使用すればファンは不要かもしれない。(未検証)
トロイダルインダクタでテスト中。14.2V入力12.62Aステンレス線負荷10.47A。
ファンにて冷却連続テスト。
(トロイダルインダクタは手持ち処分の為)性能は上記分割コアに僅かに劣るが高さが抑えられる。
 アルミ板への基板、FETの取付手順。U型
@最初に生PWBを75*13.5アルミ板に重ねミニクランプ2個で固定し3mmのドリルで基板側から通して4本開ける。
APWBにFETを除く部品を半田付けする。U型-2は同時に
BFETの足を曲げ仮に通す。
C基板にスタッドを3mmビスを通して、基板に置く。FETの足を基板上で高さを確認しながら高さを決め、曲げる。
DFETの足を決定した長さで半田付けする。
E最終半田付け確認、大電流部半田盛り、0.9mm銅線追加など。
 無負荷起動テスト調整。5Ω20Wくらいで点検チェック
Fアルミ板にナットで仮付け。FET取付穴を3.4mm径ドリルで貫通穴開ける。
G一旦外してすべてのドリル穴のバリ取り。(6mmドリル刃で)
Eアルミ放熱版に絶縁シートを介し、プラビスとナットによりFETを放熱シリコングリス塗布取付。
ユーザーレポートです。 morisann
 
電流制御部調整 Panasonic MFバッテリ N-60B19L/C5 静置電圧11.8V程度の簡易調整
必要機材:
 入力側は可変定電圧電源20A、電圧計、電流計、
   5A以上流せる負荷抵抗器(電子負荷抵抗器、ステンレス線5オーム程度など)
  1. 半固定抵抗VR2で無負荷出力電圧を14.5Vに調整する。入力電圧は13Vとする。(スタートSWで起動後)
  2. 半固定抵抗VR1の入力制限は5A以上で有れば影響は無い。
  3. 半固定抵抗VR10を左一杯に回し(抵抗値を最大)、負荷抵抗を徐々に小さくして負荷電流を5Aにする。
  4. 半固定抵抗VR10を右に回し、出力電圧が低下し始めるポイントに調整する。
  5. memo: VR1右回転で電流制限最小、VR2右回転で最大電圧、VR10右回転で電流制限最小
 ステンレス線負荷抵抗での調整風景
調整方法は上記参照

電源(車両常時電源メインバッテリ)は11V〜14.5V20Aスイッチング電源をMAIN、ACCに接続。負荷は1.6mmステンレス線を100均花立に巻いた物約4Ωを使用します。SUB負荷として接続。起動は基板上のスタートSWを2秒程度オンにする。
負荷電流測定はR8両端電圧を測定でも可。
ステンレス抵抗線は8オーム程度。左図のものは5オームくらいです。2個作ればよい。
U型基板を収容したコントロールボックスの一例

コントロールボックスの詳細はこちら
メイン入力の接続はECU用電流センサー通過後が適切です。
DA64Wではエンジンルームヒューズボックスのここ

備考:図の詳細はコンソールボックス
車載組込み例 実体図

3路SWの配線などで配線の量が多くなっている。
端子台や、自作ヒューズホルダーも使います。
基板はPIC制御版ですがT、U、V型いずれも基板端子配置以外同じです。

備考:
実体図の説明はPIC版を参照下さい
表示器接続基板化しました。
サブバッテリへの配線は特に3sq以上をお勧め。入力側は2sq程度で電圧降下があってもDCDCで所定電圧まで昇圧してくれる。太いに越した事はない。
初期調整

10Aはハイパワーです。手順をよく読んで正確に調整してください。安全に。ショート等にもご注意。
(参考)無負荷で調整する方法です。  (上記記述済みの簡易調整法でも問題はありません。)
車両搭載前、搭載後でもこの調整法で可能です。説明は机上での調整を記載しています。 完全な方法ではありません。シャント抵抗、電圧測定時のばらつきが大きい。搭載後補正下さい。

1. 調整の準備
 @ 必要な物
  ・電源(サブバッテリー又は12V定電圧可変電源) 1台
    無負荷調整なので大容量は必要でない
  ・デジタルテスター(0.1mV単位まで計れるもの) 1台 
  ・テスターリード線はバナナプラグに20センチ程度でミニクリップを取付加工したもの
    測定時不安定ならノイズ等の影響を避ける為フィルターコアを装着する。
  ・使用するサブバッテリの充電電圧通常14.5V、普通充電電流(容量/10、0.1Cを調べておく。)
  
 A 予備調整
  ・VR1/VR2/VR10を目視で中央に合わせる。
 B 配線
  ・電源を入力端子に接続。 (まだサブバッテリは未接続)
  ・電源プラス入力端子とACC端子間を接続。
 C 本回路の起動
  ・スタートSWをオン。
  ・サブ端子電圧が14V〜16Vの範囲であれば正常。スタートSWを戻す。

2. VR2の調整(出力電圧調整)
 @ テスターをサブ端子とGND間に接続する。
 A VR2を回し設定電圧に調整する。(14.5V)

3.  VR1の調整(入力電流制限調整)
 @ 電源電圧(Vin)を測定する。
 A サブ端子GND間にテスターを接続し、出力電圧を読む。
 B VR1をゆっくりと左に回して出力電圧が下がり始める点に固定する。
 C NJM2360Aの7Pin(Si)と6Pin(V+)間の電圧、
   電流制限検出電圧(Vipk)を測定する。
 D 下式に電源電圧(Vin)/出力電流(Iout)/電流制限検出電圧(Vipk)を代入して
   調整電圧(Vad)を計算する。エクセルに式を設定しておくと良い
   (計算式は式はここにおきます)

   設定出力16Vの場合 Vad =  ((21.793-Iout)/0.074+Vipk-294)×Vin/13 [mV]
   設定出力14.5Vの場合 Vad =  ((20.877-Iout)/0.0696+Vipk-294)×Vin/13 [mV]
 E 7Pin(Si)と6Pin(V+)間の電圧をVR1でVadに調整する。

  注) 出力電流を一定にするには、入力電圧で変化する入力電流制限は10〜20%
     高めに調整し、VR10の出力電流調整で正確に調整する。

4. VR10の調整(出力電流調整)
 @ R20 100Kの両端に電圧計を接続する。(Q13コレクタ電圧) (850mV前後)
 A VR10を右回転し、電圧が上がり始めるところにVR10をあわせる。
 B VR10の両端電圧を測定する。(Vz=19.7mV前後)
 C VR10両端電圧を 出力電流[A]×10mΩ+Vzに調整する。
  (1mVは100mAの誤差) (出力電流とは想定サブバッテリーの0.1C電流値100AHバッテリなら10A)

調整注意点は
  • 測定用テスターリード線は長すぎて浮遊容量などで誤測定してしまったり 、不安定な表示をする場合があるので極力短いリード線にバナナチップ付きリード線ミニクリップなどに取り替える。
  • ピン電圧測定時はプローブ先端を細く鋭利なものに交換するなど工夫する事。
  • 必要なら基板にチェック端子を立てて測定します。(最初から調整を想定した基板を造れば良い)
この調整法で基板を机上で調整し、そのまま車載しテストして見ましたがほぼ想定された電流値が得られました。
搭載後、VR10で微調整すればほぼ所定の設定が可能となります。

私の場合充電制御車用のPanasonic MFバッテリ N-60B19L/C5を使用開始は12.3V時に制御ポイント6.5Aで設定。設定充電電圧は14.5Vです。受電電流が180%とPRされています。その設定は8.1Aとなりますが、12.3V時には設定できませんでした。もちろんもっと放電したバッテリでは設定可能です。

50%放電程度なら毎日3時間程度の走行充電でフル充電が可能になるはず。

しかし、車内積載で水素ガスが発生し、ガスが再吸収されず密閉シールが破損すれば、水素爆発に至る可能性も有ります。車内積載は必ず普通充電電流で設定すべきです。





調整に必要なチェックポイント

VR1 VR2 VR10
R20両端(片側アース)
VR10両端電圧
LJM2360Aの6番、7番

入力、出力、ACCの各端子

注:裏画像は端子台に変更した。
 基板の組み込みは木片で台を作りPM128デジタルメーターの裏に2階建て構造で取付けました。使用するバッテリの最大充電電流が8A程度なので冷却ファンはありません。

組込み後でも調整が可能な様にスペースは確保しておきます。

以前の自作木製ケースを流用しましたがリレーが3個も削減できましたのでもうちょっとシンプルに組上げられるはずです。充電3路スイッチ、【何時でもナビ】3路スイッチ、各電圧、電流計、などの付加回路が多くてゴチャゴチャしています。

本来は一回り大きな筐体で内部は直角配線を意識すれば視覚的にも美しく、後のメンテナンス時にも楽になります。配線太さもありあわせで済ませていますが、大電流が必要ないところは細い線でよい。
充電オンオフは基板のACCに12V印加すれば起動するFET電子リレーです。
LED電圧計は電源共用型なので必要時のみ表示させるように工夫が必要です。
サブバッテリーとの接続配線は極力太いものをお使い下さい。
2SQでは1メートル当たり9.5mΩ往復(マイナス)含めて19mオームになります。10Aで0.19Vの電圧降下見かけ上にバッテリー内部抵抗増大となります。充電効率悪化充電不足の原因となります。
今回サブバッテリはブルーカオス60B19Lを選択しました。純正と並べて車外積載です。充電設定電圧は14.5V。電流は最大10Aです。13.8V設定はR3に330Kを並列接続します。
さらなる大電力充電が必要な場合はU型セットを複数使用する並列運転も可能です。
(逆流防止D、昇圧他バランス調整が必要です。)
今回採用した【ブルーカオスバッテリーについて】
  • サブバッテリー用途での使用方法や注意点、などについてネット上での記載は見られません。
    このタイプの充電方法について少し調べてみました。

  • ブルーカオスバッテリに限りませんが、数年前から充電制御車、さらにアイドリングストップ車(カオスプロ)が増加これ専用のバッテリとして作られた物です。急速に回復させる必要があり、受電性能向上を目的としたバッテリです。サイクルユースに適しているわけではありません。
    これを選択した理由はエブリイ車外搭載可能なB19Lサイズで性能ランクの高いのがN-60B19Lだったわけです。カタログ値は普通充電電流4.5A、充電受入れ率180%とある。受電性能が高い→言い換えれば高速充電を目指したものです。限られた走行充電時間で早く充電完了させたい。実際に上記の昇圧U型はその性能に則した充電電流の設定とした。

    90%放電した同タイプバッテリを14.5Vで定電圧充電した場合、充電終期では電流が低下する為ガス発生が抑制され、電解液が充分攪拌されず、比重の高い硫酸分がバッテリ下部に蓄積され成層化状態に陥ります。これを繰り返すと徐々にサルフェーションが発生し容量低下が進行します。(上がったはバッテリが回復しにくい)
    これを防止するには充電終期に電解液攪拌の為に追加充電をする必要があります。定電圧充電の場合には15V〜16Vの高めに設定する方法もあります。(物理的に振動を与える、パルス充電とか効果がある?)
    随時手動設定は難儀ですがマイコンによるプログラム設定なら効果的かも。
  • このタイプのバッテリーに於いて14.5V定電圧充電の場合は過充電の心配はあまり考えなくても良いと思われる。通常自動車は14.5V前後で定電圧充電されており、充電状態は維持される制御がされており、走行振動により、電解液の成層化は起こりにくい。(静置充電より有利)

  • 運用に置いてはオートキャンプ場などで放電させ、連日滞在の為走行充電しない場合はAC電源から充電するなど放電させたまま放置しない。ACの得られない場所ではソーラー充電も併用する必要がある。静置充電は成層化が起こりやすいので急速充電は控える必要がある。しかし短時の攪拌充電は効果が期待される。それより短時間でも走行して充電する方がより電解液の攪拌され満充電が期待される。

  • 深放電を繰り返さない50%以内の充放電をする使用であれば今回の昇圧型定電流定電圧走行充電だけで問題なく運用可能であるはずです。実際に2015年夏1カ月超の北海道旅行ではストレスなしであった。 

  • 2016年は北海道は冷蔵庫を装備した為滞在時の為にソーラー充電を設置した。結果は天候不順の為ソーラーでの充電はほぼ壊滅状態であった。仕方なく1日数時間のアイドリング充電を実施しなければならなかった。
サブバッテリ関連ページ
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