Генеруйте позитивну і негативну напругу, поєднуючи два джерела постійного струму

Використання двох однополярних джерел постійного струму в антисерійній конфігурації - це ще один підхід для створення позитивної та негативної напруги - і той, який не страждає від перебоїв живлення.

Завантажте цю статтю у форматі .PDF
Цей тип файлу включає графіку та схеми з високою роздільною здатністю, якщо це застосовно.

Архітектор рішень для випробування акумуляторів, Electronic Industrial Solutions Group, Keysight Technologies

У 2012 році я написав дві статті в «Електронному проектуванні», в яких обговорювалося декілька методів генерації силового сигналу, який може перейти до позитивної та негативної напруги за допомогою реле реверсування полярності («Поверніть позитивні напруги негативними за допомогою реле») та використання біполярних джерел живлення («Біполярне живлення» Витратні матеріали виконують гаму ”). У цій статті я представляю третій спосіб генерування силового сигналу, який може мати позитивну та негативну напругу за допомогою двох джерел постійного струму.

Короткий огляд попередніх методів

Найдешевший спосіб досягнення цієї мети - використання однополюсного однополярного джерела постійного струму (рис. 1а), оснащеного реле реверсування полярності. Однак використання реле повороту полярності призводить до трьох основних обмежень: переривання живлення під час операцій реле повороту полярності; неможливість забезпечити малі позитивні та негативні напруги; і збільшений час виконання тесту через час, необхідний для перемикання реле. Крім того, коли додаток вимагає сильного струму, пошук відповідного реле реверсування полярності може бути проблемою.

Інший метод полягає у використанні біполярного джерела живлення (рис. 1b). Його основна характеристика полягає в тому, що від однієї пари клем джерело живлення може подавати як позитивні, так і негативні напруги. Оскільки реле для перемикання полярності відсутнє, біполярне живлення може плавно переходити від позитивної, через нульову, до негативної напруги. Він також може регулювати нульову вольт або інші дуже малі напруги.

Однак через свою складність конструкції біполярні джерела живлення, як правило, значно дорожчі, ніж їх однополярні аналогічні джерела постійного струму. Оскільки більшість застосувань постійного струму можуть бути адекватно задоволені стандартним уніполярним джерелом постійного струму, більшість виробників джерел живлення не пропонують широкого асортименту біполярних різновидів.

1. Блоки живлення можуть бути налаштовані в однополярних однополюсних, 2-квадрантних однополярних та 4-квадрантних біполярних установках для формування позитивної та негативної напруги.

Антисерія для позитивних і негативних напруг

Є ще одна альтернатива. Ви можете використовувати два однополярних джерела постійного струму в антисерійній конфігурації (рис. 2).

У цій конфігурації основне джерело живлення повинно бути розраховане на подвійну максимальну напругу. Якщо вам потрібно перейти від +20 В до –20 В, тоді основне джерело живлення має бути розраховане на +40 В. У цій антисерійній конфігурації вторинне живлення підключено «назад» і забезпечує постійну негативну максимальну напругу. Тому в цьому випадку він подає –20 В.

2. Ця антисерійна установка може досягти від 20 до 20 В на клемах двигуна.

Вторинне джерело живлення повинно бути плаваючим джерелом живлення, щоб його можна було підключити «назад» як джерело негативної напруги. Зауважте також, що для вторинного живлення струм буде протікати в зворотному напрямку через джерело живлення. Як результат, це живлення повинно бути плаваючим 2-квадрантовим однополярним джерелом постійного струму (рис. 1в), що підтримує позитивний і негативний струм, як Keysight N6782A або сімейство APS компанії.

Як ви можете бачити в таблиці, основним запасом є виконання всієї роботи. Вторинне живлення залишалося на постійному рівні +20 В, але виробляло –20 В, оскільки воно підключено в антисерійній конфігурації. Для досягнення позитивного і негативного змінного сигналу на терміналах потрібна зміна лише основного джерела живлення, спрощення програмування. Використовуючи швидке джерело постійного струму як основне джерело живлення, ви можете генерувати сигнали потужності до декількох кілогерц.

Додатком для цього було б включення будь-яких пристроїв, які отримують позитивну потужність (тобто сам пристрій не є джерелом живлення), але їм потрібна позитивна та негативна напруга. Наприклад, мені потрібно було ввімкнути двигун, який використовується в програмі тактильного зворотного зв'язку для ігрового дизайну, де двигун був підключений до керма в симуляторі водіння. При подачі +20 В двигун обертався за годинниковою стрілкою. При подачі –20 В двигун обертався проти годинникової стрілки. Отже, швидко змінюючи приводну напругу двигуна від +20 до –20 В, ми могли б повернути колесо і дати гравцеві зворотний зв'язок, наприклад, опір повороту колеса або удари на дорозі.

З цією антисерійною конфігурацією, хоча загальна вартість налаштування вдвічі перевищує вартість одного джерела живлення, вона все одно буде дешевшою, ніж одинарний біполярний блок живлення тієї ж номінальної потужності. На відміну від джерела живлення з реле зворотної полярності, антисерійна конфігурація не матиме переривань живлення, поки сигнал перемикається з позитивного на негативний.

Демістифікація електронного калібрування

Мої 50 років в силовій електроніці

Температура має значення ... Навіть при використанні джерел постійного струму

Формування негативного опору

Кілька стартапів та виробників продукції нещодавно анонсували інновації, які можуть пришвидшити впровадження електромобілів.

Що ви дізнаєтесь:

Негорюча твердотільна батарея QuantumScape з більшою щільністю.
Твердотільний елемент Solid Power із сульфідним твердим електролітом.
Непористий сепаратор Toray Industries для літій-іонних акумуляторів.
Стільник Toyota, за яким вона стверджує, може здійснити поїздку в 500 км за один заряд.

Розробка літієвих батарей наступного покоління на основі твердих електролітів може принципово вирішити деякі ключові проблеми в електромобілях:

Діапазон: Діапазон більшості електромобілів становить 300 миль або менше.
Час зарядки: Зарядка поточних акумуляторних батарей займає більше години, тоді як на зарядку електромобіля, оснащеного твердотільним акумулятором, знадобиться приблизно 10 хвилин.
Втрата заряду: Клітини можуть втратити майже третину своїх можливостей протягом десяти років.
Безпека: Звичайні рідкі електроліти, що приймають іони літію між електродами, становлять серйозний ризик для безпеки через використання легкозаймистих матеріалів.

Минулого тижня кілька стартапів та існуючих виробників обладнання, які намагаються розробити твердотільні акумулятори, оголосили про нововведення, які можуть пришвидшити прийняття електромобілів, забезпечивши автовиробників більш безпечною та дешевою альтернативою літій-іонним акумуляторам.

Наприклад, QuantumScape, який має стратегічне партнерство з Volkswagen, оголосив про перспективні результати тестів для твердотільної комірки. У той же час шестирічний стартап, який називається Solid Power, показав, що він створив функціонуючу твердотільну комірку і виробляє прототипи акумуляторів з 10 шарами на пілотному заводі в Колорадо .

Крім того, Toray Industries створила непористий сепаратор для літій-іонних акумуляторів, який міг би значно збільшити ємність акумулятора, підвищивши безпеку літій-металевих анодів, і Toyota заявила, що планує використовувати твердотільну технологію акумуляторів у своїх виробничих автомобілях до 2025 рік.

Давайте розглянемо ці події по черзі.

QuantumScape

У прес-анонсі QuantumScape, 10-річний стартап із Сан-Хосе, штат Каліфорнія, представив технічні результати лабораторних випробувань твердотільної батареї компанії. Раніше твердотільні акумулятори, що працювали з металом літію з високими показниками потужності, страждали від короткого терміну служби та повільної швидкості зарядки. Але за даними QuantumScape, його негорючий елемент може зарядитися до 80% ємності за 15 хвилин, зберегти більше 80% своєї ємності після 800 циклів зарядки і має об'ємну щільність енергії понад 1000 ват-годин на літр, майже вдвічі щільність енергії комерційних літій-іонних елементів.

Катод QuantumScape, або позитивний термінал, складається з нікелево-марганцевого оксиду кобальту, який часто зустрічається в електромагнітних батареях. Однак його негативний електрод, або анод, виготовлений із чистого металу літію, який утворився на місці коли готова комірка заряджається, а не коли клітина виробляється (Рис. 1).

1. Показаний одношаровий твердотільний літій-металевий акумулятор QuantumScape. (Джерело: QuantumScape)

Твердотільна конструкція компанії ще більше збільшує щільність енергії, оскільки, як кажуть, не потрібно надлишку літію на аноді. У деяких попередніх спробах твердотільних акумуляторів використовувався літієвий анод, який зменшує щільність енергії.

Ключовим проривом є використання керамічного сепаратора між катодом та анодом для заміни рідкого електроліту, що використовується в звичайних елементах батареї. Як і рідкий електроліт у цій схемі, іони літію перетікають від одного терміналу до іншого, коли акумулятор заряджається та розряджається. Під час розряду літій перетікає від анода до катода, а сторона анода стискається. Тонкий, як людське волосся, сепаратор - це «секретний соус» твердотільної батареї. Він повинен діяти як бар’єр, який утримує дендрити літію - металеві вусики, які утворюються на літій-металевих анодах під час циклів заряду - від проходження між електродами та спричинення короткого замикання.

Дендрити спричинені явищем, коли кристали у формі гілки виростають на поверхні негативного електрода внаслідок нерівномірної хімічної реакції. Дендрити літію утворюються вздовж пір мікропористої плівки. Усунення пір сепаратора може зупинити таке зростання, але негативною стороною є значно знижена проникність літій-іонних. Твердотільний сепаратор QuantumScape замінює органічний сепаратор, що використовується в звичайних комірках, забезпечуючи без анодної архітектури нульовий надлишок літію.

У минулому твердотільні батареї базувались або на полімері - сепараторі, вибраному в рідких електролітних батареях, або на твердій кераміці. На жаль, полімери не блокують дендрити. А кераміка, що використовується для експериментальних твердотільних батарей, виявилася занадто крихкою, щоб прослужити достатню кількість циклів зарядки. QuantumScape не розкрив природу сепаратора, який він використовує, крім як сказати, що матеріал легко доступний.

Нещодавно опубліковані результати QuantumScape, засновані на тестуванні одношарових елементів батареї, показують, що твердотільні сепаратори здатні працювати з дуже високими показниками потужності, забезпечуючи 15-хвилинну зарядку до 80% ємності швидше, ніж звичайні батареї доставляючи.

Випробовувані клітини представляли собою одношарові мішки великої площі у цільовому комерційному форм-факторі з товстими катодами, що працюють зі швидкістю одногодинного заряду та розряду при 30 ° C. Ці випробування продемонстрували збережену ємність понад 80% після 800 циклів.

Тонкій комірці, оприлюдненій QuantumScape, судилося скласти разом із приблизно 100 іншими, щоб сформувати повну комірку розміром з колоду карт. Поки що компанія не тестувала повністю складену комірку.

Тверда потужність

Шестирічний стартап під назвою Solid Power також створив функціонуючу твердотільну комірку. Легкозаймистий рідкий електроліт у звичайній літій-іонній батареї замінюється фірмовим сульфідним твердим електролітом. Solid Power розпочала виробництво 22-шарових повністю твердотільних літій-металевих акумуляторів на 330 Вт/кг на постійній виробничій лінії компанії на пілотному заводі в Луїсвіллі, штат Колорадо (Рис. 2). Компанія має дорожню карту для перевищення 400 Вт/кг до 2022 року.

2. 22-шарова твердотільна металева літієва комірка Solid Power 22-Ah, 20 Ah, порівнюється з 10-шаровою коміркою компанії 2Ah першого покоління. (Джерело: Solid Power)

Solid Power має партнерські стосунки з багатьма виробниками автомобілів, включаючи BMW Hyundai та Ford, для спільної розробки повністю твердотільних акумуляторів. Компанію також підтримують відомі інвестори, включаючи Samsung, Volta Energy Technologies та Solvay.

10-шарові мішки на 2 Ач у Solid Power демонструють стабільну ранню циклічність при майже кімнатній температурі, тоді як відповідні двошарові комірки вже перевищили 250 стабільних циклів. Подальші досягнення очікуються перед вступом до офіційного процесу кваліфікації автомобіля.

Solid Power продемонструвала новітні електродні композиції компанії, які перейдуть на виробничу лінію в 2021 році, зокрема:

Експлуатація −10 ° C
50% швидка зарядка за 15 хвилин при кімнатній температурі
Товщина сепаратора до 25 мкм

Компанія очікує вступу до офіційного процесу кваліфікації автомобілів на початку 2022 року з цілком твердотільними акумуляторними елементами ще більшої ємності.

Toray Industries

Компанія Toray Industries створила непористий сепаратор для літій-іонних акумуляторів, який може значно збільшити ємність, підвищивши безпеку літій-металевих анодних батарей. Торей вирішив проблему дендритів літію, що утворюються на металевих літієвих поверхнях під час заряджання - проникаючи в сепаратори та викликаючи коротке замикання, що погіршує безпеку, - використовуючи технологію молекулярної конструкції арамідного полімеру з високою термостійкістю. Таким чином, компанія змогла придушити утворення дендритів в літій-металевих анодних батареях, зберігаючи іонну провідність. Це було зроблено, використовуючи полімер як непористий сепаратор, що містить безпористий шар, на мікропористий сепаратор.

Торей показав, що акумулятор з таким сепаратором придушував короткі замикання, пов'язані з дендритами, і зберігав понад 80% своєї ємності після 100 циклів заряду/розряду. Крім того, компанія заявила, що прискорить дослідження і розробки, щоб швидко встановити технології з літієво-металевими анодними батареями, щоб забезпечити надвисоку ємність та безпеку для літій-іонних батарей завтрашнього дня.

Toyota розробляє твердотільний елемент, який, на думку представників компанії, зможе здійснити поїздку в 500 км за один заряд і зарядитися з нуля до повного за 10 хвилин. І камера робила це з мінімальними занепокоєннями щодо безпеки. Toyota планувала представити свою твердотільну батарею на Олімпійських іграх у Токіо цього року, перш ніж її було відкладено через пандемію

Далі Toyota планує бути першою компанією, яка продала електричний автомобіль, оснащений твердотільною батареєю, на початку 2020-х. Очікується, що найбільший у світі виробник автомобілів представить прототип наступного року.