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 20A級昇圧型走行充電システムV・【新規記事2017/02/07】
サブバッテリ40B19Lに昇圧型充電器で走行充電するハイパワーDCDCにNchFETスイッチ付。(簡易電流制御機能付き)

2017/04/28現在の記事です。ほぼ完成です。
アイソレータ機能、サブバッテリチャージャー機能を定電流、定電圧走行充電器としてシンプルな回路構成で実現します。
開発中ブログ記事
NJM2360A 10A昇圧定電流定電圧充電システムUはこちら
現用中は 10A昇圧定電流定電圧充電システム PIC版 
20A級V型 仕様(目標)
  • 連続20A出力可能(要fan冷却)とする
  • Nch Mos FETリレー回路内蔵 オン抵抗は1m〜5mΩを採用する。リレーより抵抗が少ない。IRLB03813PBFなど
  • ソフトスタート機能、過渡電流抑制、遅延スタート機能
  • 定電流、定電圧充電は使用バッテリに合わせた調整、設定が可能。(制限電流最大20A)
  • 充電電圧13.8V〜15.5V。
  • 小型PWB、ローコスト追求
  • PICなどマイコンを使用しないハードウェアのみ。
  • オリジナル設計です。(Zero氏支援)
対応バッテリー
 
30AH〜105AH*2 充電電圧13.8V〜15.0V 過放電鉛バッテリバッテリ(入力電流制限によるスイッチング停止を使ったFET制御有り。充電電流最大20Aまで

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対象です。最低限の工具測定器などが準備できる方。20Aは低圧ですが大電力です。ネジの緩みでも焼損発火します。

【この記事は松山市の零氏から回路設計提供戴き、試作開発しました】
 現行10A級昇圧V型はの記事はこちら
20Aコンバータ+Nch FETSW:定電流(簡易)、定電圧充電基板 

 全回路図
U型での定電流制御部を廃止し、MC34063Aの入力制限を使った定電流制御です。入力FETSW回路でもソフトスタート機能があります。大電流の突入電流を抑制します。
FETSWはACCに12Vでスタートしますが出力側に12V(サブバッテリ)があればスタートします。Q10電源がサブバッテリから取っている為です。
出力電圧は無負荷で調整します。入出力瞬間タッチすればFETSWオンしDCDCが起動します。
入力制限電流の設定は入出力を電流計で短絡し、VR1を最大20Aまでの範囲で調整します。

パワー素子の選択と大容量化対策
 FETは10A級より一桁少ないRDSオン抵抗のものを使用する IRLB3813PBF、SKI03036など。ショットキーバリアダイオードはESA83-003、MBE3045FCTなどを採用する。インダクタは10A級で使用したもので3線または4線とする。アミドンコア大容量で試作比較する。多少過負荷も短時間と20Aと考えるとやむを得ない。
入出力端子はネジ式3.5mmとし、入出力分離する。PWB改良などは下記に記載する
以下のPWBはチップCR採用、小型化した為、半田付けが難しくなる。抵抗は1/6Wタイプも併用可能とした。一部変更箇所あり。再作成予定です。
以下の画像は発注したPWB
サイズは約 50*85。入荷到着しました。

12uHインダクタはいつものパッチンコア1.2mm線通過8T。コアギャップ1mm→1.5mm。10Aでは磁気飽和は見られませんでしたが20Aではまだ未検証です。コア性能より相当な過負荷となるかもしれません。
Top Vew
コンデンサはチップ型2012サイズ
抵抗は1/6Wとチップ型一部共用出来るパターンとしました。
入出力端子はネジ式20A対応。入出力分離。
小電流ラインは表面部品も左側に配置。FETSW部はFETの真上にチップ部品で実装する。
Botm Vew; 大電流ラインは裏面に。FET、大電流ショットキーダイオード、10m3Wチップ抵抗を裏付けします。
レジスト無しの太い部分は半田メッキ部の大電流ラインで1mm程度の銅線を沿着半田付けします。
Q1の上部部品面はチップ部品が乗る。Q1は3mmビスでPWBの穴を貫通しアルミ板に取付る。締めすぎるとPWB変形し表面実装部品にストレスが加わる。
PWB表裏の隙間はグランドで埋め、EMIの低減に努めます。
温度対策については発熱が少ないパーツの選定と、適切な放熱対策が必要となりますが、小型化PWBで矛盾しますが、従来通りの3mmアルミ板を使用します。
20A級では冷却ファンを常設すれば小型化可能です。小型化のメリットはPWBコストダウンもありますが、車載機器としては必要な事項です。 
電流制限チップ抵抗の10A電流波形。
これの角が立ってくると磁気飽和していると判断される。ブログ記事
半田面。
部品の取付半田付けはチップ部品など小さいものから。一個づつ導通短絡を確認する。左図のFET高さは5mmスペーサに高さを合わせて折り曲げる。入力FETはPWBとの間に0.5mmスペーサを忘れずに入れて折り曲げる。絶縁シートも噛ませて高さ決定する。
動作チェックはこの状態で行う。大電流テス前に補強1mm銅線を沿着する。入力FETSWは基板内とした。発熱を抑える為Rds1.95mΩのIRLB3813PBFを採用した。

10mΩ*2個の電流検出チップ抵抗
1個3W誤差1%の物を採用しました。
部品面。放熱板取付前。
この状態で2A位までの負荷で通電動作確認します。
起動はINに12.5Vを接続。ACCとINを接続し無負荷でIN-OUTをタッチすると起動する。起動すると出力に13.5V以上の電圧が発生するVR2で14.5Vに調整する。VR1は仮に目安センターに調整しておく。
チップCRのパターンに余裕が無い。PWBの修正はジャンパー追加がある。穴繰りも有る。1個々半田付けしながらチェックをした。
テスト風景。 
2017/04/16
24.8Aを表示しています。
初期の目標を達成しました。
自作20A電流計で入力電流。出力電流系は中央付近に見えるU字型の2.0mmVA線自作電線シャントとテスタ200mVレンジ。この測定法であれば12V10A電源で充分テスト可能となる。
ファンで強制冷却しながらの30分ほ個ど20A運転してみた。発熱は整流ショットキー、インダクタ、スイッチングFET、入力SWFETの順となる。冷却効果はこの3mmアルミ板でも実用可能と思われますが20A連続では厳しい。 

実際の走行充電では入力電圧は13V〜14V程度になりますので効率は数%良くなると思われますが一方、大電流での配線ロスは大きい。
総合測定結果
2017/4/29 20Aオーバー再測定。訂正差換えました。
測定回路は10A級DCDCと同じです

20A以上を測定する為上記1mΩシャント抵抗を自作しテスター200mVレンジで測定しました。入力の電流計とシャントRで合わせました。電流制限VR1は制限最小としました。
シュミレーションでは70%台の効率でしたが意外と試作機の結果は良好でした。従来の10A級と比較しても遜色のないものです。
部品表:

その他;
 出力コンデンサーは20Aの大電流に伴うリップルを抑える為高周波特性の良い"導電性高分子アルミ固体電解コンデンサ OS−CON"を使用する。LTSpaiceで確認すると直列に40mΩ程度の抵抗を入れる事により、リップルが半減するのが確認できます。しかし負荷となる鉛バッテリでは超大容量コンデンサーと考えられその効果は未解明です。 
 逆にリップルはパルス充電や振動を与えての充電方式もあり、害のない、むしろ好影響があるのかもしれません。
電圧、電流調整: (負荷を繋がず調整)
 
設定電圧はVR2、電流制限はVR1で調整します。
メインに12V10A程度の電源を接続し、ACCをMainと接続し出力端子と入力端子をタッチするとDCDCが起動FETスイッチがオンとなります。この無負荷で使用バッテリーの充電電圧に合わせた電圧をVR2で設定をします。

電流調整は出力端子と入力端子を20A以上の電流計で接続し20Aになる様VR1を調整します。
20A電流計は10mΩ3Wを接続し両端電圧を測定し電流換算するものを使用します。秋月電子のPM-128液晶デジタルパネルメーターを接続する事をお勧めします。
運用について
 実際の20Aでの運用は基板以外の要件が揃わないと連続20Aの走行充電は困難が伴います。基板単体効率は上記のとおりですが入力電流は30A位見込まれます。配線ケーブル、接続端子台、線長、オルタネーター容量など十分な余裕が必要となります。

ひとまず20A級昇圧型走行充電V型の完成とします。一部手直しが必要ですが基板無料配布可能です。メールからご注文下さい。2017/04/16〜

実装方法、コンソールボックスのページはこちらに

【この記事を元に自作され、不具合や事故等が発生しても当方は一切責任は負う事はできません。自己責任でお願い致します。】
【10Aは大電力です。誤配線などで瞬時破壊、破裂等もあります。製作には十分安全にご注意下さい】

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