Je hebt een auto, je hebt een draagbare koelkast met compresseur,... Maar hoe kan je beide met elkaar verbinden? De eenvoudigste oplossing is natuurlijk de aansterekaansluiting van de auto gebruiken, maar dit is geen optimale oplossing.
Lees ook de productbesprekingen Dometic CDF-18 en Dometic CFX-28
Dit zijn de problemen die je allemaal kan tegenkomen:
- De aanstekeraansluiting maakt geen betrouwbaar contact, de stekker komt gemakkelijk los en dan heb je natuurlijk geen koeling meer.
- De meeste auto's sluiten de stroomtoevoer naar de aansluiting af van zodra de wagen verlaten wordt. Hier ook geen koeling meer.
- Als de stroomtoevoer niet afgesloten wordt kan de frigobox de batterij zodanig leeg trekken dat je niet meer kan starten.
De frigobox met compressor wordt uitgeschakeld van zodra de batterijspanning onder een bepaald niveau komt (meestal instelbaar). Maar als de autobatterij niet meer recent is, kan die misschien de auto niet meer starten. Hier wordt de energie hoofdzakelijk geleverd door de hulpbatterijen.
De hulpbatterijen kunnen zowel lithium-ijzer fosfaat accu's zijn, dit zijn accus die een spanning van 12V leveren en totaal ontladen mogen worden. Je hebt een maximale capaciteit nodig van 4Ah per uur dat de koelbox moet werken. Dit is in de meest ongustige omstandigheden, dat wil zeggen als de compresseur permanent moet draaien (bijvoorbeeld als je lauwe dranken in de frigo plaatst). De beste koelboxen (zoals de Dometic CFX-28) verbruiken slechts 5Ah voor 5 uur).
Koelkasten met peltier element gebruik je best niet, die trekken tot 5A en koelen nauwelijks (en er is ook geen beveiliging tegen een te lage batterijspanning). In een snikhete wagen is de temperatuur van de drank na een uur tot 25° gestegen. De compressorkoelbox houdt de temperatuur keurig op 8°, zelfs bij een temperatuur in de wagen van meer dan 40°.
Om alles aan elkaar te kunnen koppelen heb je een interface nodig. De interface is hier getekend met 2 batterijen (B1 en B2), die van een verschillende technologie kunnen zijn. Zonder interface kan je geen batterijen van een verschillende type gebruiken. Het is ook niet aangeraden twee batterijen van eenzelfde technologie met elkaar te koppelen als de ladingstoestand niet identiek is. Er kan een zeer sterke stroom van de ene accu naar de andere lopen. Danzij de interface is dit uitgesloten.
D3, D4 en D5 zorgen dat de frigo kan gevoed worden uit één van de drie bronnen. De bron met de hoogste spanning zal de stroom leveren: als de motor draait zal dat doorgaans de auto zijn, van zodra de motor stilgelegd wordt zal de belasting verdeeld worden. Van zodra de stroomtoevoer van de auto uitgeschakeld wordt, nemen de extra batterijen het over.
D1 en D2 zorgen ervoor dat de extra batterijen wat opgeladen kunnen worden als de motor draait. Het opladen wordt beperkt door de weerstanden R1 en R2. Het is niet de bedoeling dat als de motor gestart wordt er een te hoge stroom vloeit om de extra batterijen weer op te laden.
De batterijen kunnen van een verschillende technologie zijn. Laten we de mogelijkheden eens kort bespreken:
- Lithium Ijzer Fosfaat (4 elementen)
- Dit zijn de beste batterijen voor een back-up voeding. Je kan de batterijen in verschillende capaciteiten kopen, 5, 10, 20Ah. De hoogste capaciteit is voldoende om de frigobox 24 uur te laten werken, zelfs in een snikhete auto.
Deze batterijen hebben een wat hogere klemspanning van ongeveer 13.1V. Dit heeft als gevolg dat de batterijen nauwelijks opgeladen worden als de motor draait. Bij nieuwe auto's met start-stop funktie die gelbatterijen gebruiken wordt de laadspanning beperkt tot 14.1V (bij 25°). Als we rekening houden met de spanningsval over de diode (hier ook een schottky) en over de weerstand, dan is de stroom in de praktijk beperkt tot enkele honderden mA.
- NiMH (Nickel-metaamhydride) (10 elementen)
- Dit zijn ook batterijen die heel geschikt zijn voor deze toepassing. Ze zijn echter wat zwaarder dan de LIFePO4 batterijen bij eenzelfde capaciteit (maar nemen ongeveer dezelfde plaats in). Deze batterijen kunnen ook volledig leeggetrokken worden. Hier ook hebben we verschillende capaciteiten: 2Ah (pakket bestaande uit tien AA elementen) tot 10Ah (pakket met 10 cellen op D formaat). Een beveiliging (BMS schakeling) is niet nodig.
De spanning in geladen toestand bedraagt 13V. Hier ook worden de cellen nauwelijks opgeladen als de motor draait. We kiezen een weerstand van 0.15Ω om de laadstroom te beperken als de accus volledig leeg zouden zijn. Bij een gemengde combinatie (lithium en NiMH) wordt de lithium accu eerst ontladen omdat zijn klemspanning hoger is. Van zodra de lithium accu wat ontladen is begint de NiMH accu ook stroom te leveren, maar het merendeel van de stroom wordt geleverd door de lithium batterij, totdat die volledig ontladen is.
Mocht je nog NiCd batterijen hebben (ze worden nog gemaakt voor bepaalde toepassingen waarbij de cellen volledig ontladen kunnen worden zoals noodverlichtingen): de celspanning ligt ongeveer 100mV lager dan de celspanning van NiMH batterijen. Je kan dus ook niet zomaar een NiCd batterijpack parallel schakelen aan een NiMH batterijpack, de NiMH zou dan ontladen worden door de NiCd batterij.
- Loodaccu (6 elementen)
- Het betreft hier gelbatterijen, de normale capaciteit zijnde 7 en 10Ah. Het is niet aangeraden de accus volledig leeg te trekken (het aantal volledige cycli is beperkt tot 200). De batterijen moeten na gebruik terug opgeladen worden. Het opnieuw opladen gebeurt slechts in beperkte mate wegens de spanningsval over de schottky diode. De accus zijn zwaarder dan de accus van andere technologiën.
De spanning van de accu zakt tijdens het ontladen. Deze accu zal het laatst aan bod komen tijndens het ontladen wegens de lagere klemspanning. Dankzij de diodes kan de lithium accu zich niet in de loodaccu ontladen bij een gemengde combinatie. Hier ook kiezen we een weerstand van 0.15Ω om de laadstroom te beperken bij lege accu.
Schottky diodes
We gebruiken hier schottky diodes die een lage voorwaartse spanningsval hebben, bijvoorbeeld de MBR1645 of MBR1635 die een spanningsval hebben van 0.45V bij 5A (en 0.35V bij 1A). Schottky diodes hebben een lagere spanningsval in doorlaatrichting, maar die spanningsval hangt ook af van de maximaal toegelaten reverse spanning. Een diode met een reverse spanning van 200V (het maximum dat bereikt kan worden met normale schottky diodes) heeft ook een hogere voorwaartse spanning. Hier gebruiken we diodes met de laagst mogelijke reverse spanning (35 of 45V).Schottky diodes worden veelvuldig gebruikt in schakelende voedingen (leveren van de 3.3 en 5V) vanwege hun lage voorwaartse spanning, maar ook omdat ze geen schakelverliezen hebben. Van deze eigenschap maken we hier geen gebruik, en het is zinloos van schottky diodes van 200V te kiezen, want die hebben ook een hogere spanningsval.
Alternatieven op schottky diodes
Zelfs schottky diodes hebben een spanningsval van ongeveer 0.4V bij een stroom van 3A (bij een normale siliciumdiode zou dat een spanning van 1V zijn). In het geval van voertuigen met start-stop functie en gelbatterijen is de laadspanning van de accu lager (ongeveer 13.8V bij een temperatuur van 10° en 13.5V bij 25°). Deze spanning is te laag om lithium-ijzer-fosfaat accus weer op te laden (midpoint voltage is 13.3V). In de praktijk komt de laadstroom nooit boven 0.1A.
Gebruik van een mosfet, IGBT of standaard transistor
Men zou de werking van het systeem kunnen verbeteren door de schottky diode te vervangen door een gestuurde mosfet, waarvan de weerstand in geleiding niet meer dan enkele mΩ bedraagt. Zelfs met een stroom van 3A bedraagt de spanningsval maar enkele mV. De transistor moet in de negatieve leiding geplaatst worden, N-mosfets hebben betere eigenschappen dan P-mosfets.Maar alle mosfets hebben een parasitaire diode die anti-parallel geschakeld is (body diode). In de meeste toepassingen speelt de diode geen rol, maar hier is de diode in geleiding als de drain negatief is ten opzichte van de source, en dat is juist wat we willen vermijden. De mosfet mag niet geleiden als de drain (de secundaire batterij) negatiever is dan de source (de stroombron), want dan wordt de secundaire batterij ontladen.
Een IGBT gebruiken is ook geen oplossing, deze transistoren hebben een spanningsval tussen emitter en collector van minstens een gewone diode. Je maakt een ingewikkelde schakeling voor een resultaat die minder goed is dan met een schottky diode. Een IGBT (insulated gate bipolar transistor) gedraagt zich als mosfet aan de ingang en als gewone transistor aan de uitgang. Bepaalde IGBT hebben ook een body diode, waardoor ze onbruikbaar zijn voor deze toepassing. IGBT's zijn normaal ontworpen om hoge spanningen te schakelen, waardoor ze niet geoptimalisserd zijn voor een dergelijke toepassing.
Een gewone transistor zoals de 2N3055 heeft een saturatiespanning (tussen emitter en collector) van meer dan 1V voor een collectorstroom van 3A en is dus ook niet interessant. Daarbij moet de base permanent een stroom van 300mA krijgen om de transistor volledig in geleiding te trekken. Overigens heeft men het tegenwoordig niet meer over "een gewone transistor", maar over een BJT, een bipolar junction transistor.
De ouderwetse relais komt ter hulp
Uiteindelijk blijft er enkel de traditionele relais over, de relais die al gebruikt werd in oude auto's met dynamo's, om te vermijden dat de batterij ontladen zou worden via de dynamo als de motor niet draaide. Om nog meer in de sfeer te komen heeft de schakeling de plus aan de massa, zoals in de oude auto's.De schakeling is eenvoudig en bestaat uit één tot 4 secundaire batterijen (hot swappable). Per secundaire batterij heeft men een relais, een stuurtransistor en een op-amp nodig, samen met een weerstandsbrug. De weerstand van 0.1Ω beperkt de laadstroom en dient ook om de spanningsval (en dus de richting van de stroom) te meten als de relais gesloten is. De spoel van de relais heeft een weerstand van 260Ω waardoor er een vermogen van 120mW in de transistor ontwikkeld wordt (de transistor wordt niet volledig open gestuurd).
De gebruikte op amp, een LM124 maakt het mogelijk om tot 4 secundaire batterijen te gebruiken. Het gemeenschappelijk deel van de schakeling is in het groen.
De spanningsmeting gebeurt niet ten opzichta van de massa, maar ten opzichte van een spanning van ongeveer 2V. Daardoor is het mogelijk alle soorten op amps te gebruiken en kan men ook diodes voorzien zodat de op amp altijd zijn negatieve spanning krijgt van de meest negatieve bron. Om de schakeling beter te begrijpen kan je even de weerstanden van 12k wegdenken, alsook de 1N4148 diodes.
Een nadeel van de weerstand naar de positieve lijn, is dat de relais gesloten wordt als er geen batterij aangesloten is. Dit is maar een kleine beperking die gemakkelijk weggenomen kan worden door een kleine ingreep (lees verder).
Om een stabiele werking mogelijk te maken en contactdender te vermijden wordt er een kleine condensator van 10µF geplaatst tussen de plus en de gemeenschappelijke positieve ingang van de op amps.
Om de belasting te voeden (onze compressorkoelkast) gebruikt men opnieuw schottky diodes: één per hulpbatterij en één voor de bron. Hier is de spanningsval over de diode niet van belang voor de werking van de koelkast. In het ergste geval wordt er 2W in de diode ontwikkeld, zelfs minder als er de frigo simultaan stroom krijgt van meerdere bronnen.
Omgekeerd geschakelde mosfets
Maar de mosfets met hun parasitaire diode kunnen wel omgekeerd gebruikt worden, dat wil zeggen met drain en source omgekeerd. Als de transistor omgekeerd gepoloariseerd wordt gaat de diode in geleiding (spanningsval van 0.7V en meer, zoals een gewone diode). Door de gate van de transistor positief te maken schakelen we eigenlijk de body diode kort via de transistor (spanningsval wordt dan minder dan 100mV). Een mosfet die omgekeerd geschakeld wordt (drain aan de min) heeft een hogere weerstand in geleiding dan een mosfet die normaal geschakeld zou worden (30mΩ omgekeerd geschakeld, 10mΩ normaal geschakeld).Als de bron een lagere spanning levert dan de batterij (motor draait niet) dan is de transistor normaal gepolariseerd, maar wordt niet in geleiding geschakeld omdat de gatespanning laag is. De transistor wordt nooit in normale geleiding gebracht.
De plus van de weerstandsdeler wordt aan de batterij zelf betrokken, niet om een nauwkeurigere meting te doen, maar om ervoor te zorgen dat de corresponderende laad-led niet oplicht als er geen batterij geplaatst is. De weerstand van 18k trekt immers de + ingang van de op-amp naar boven. Als er geen batterij geplaatst is is de weerstand niet verbonden en wordt de led niet ingeschakeld. De weerstand van 220kΩ zorgt ervoor dat de ingang van de op-amp niet blijft zweven, maar naar de 0V komt. Als er een batterij geschakeld wordt, dan zorgt de weerstand ervoor dat de mosfet pas schakelt als de voedingsspanning hoger is dan de batterijspanning.
Ten opzichte van de vorige schakeling met relais werden de componenten die voor de stabiliteit zorgden verwijderd. Een kleine condensator van 1µF werd bijgeplaatst om te vermijden dat de mosfet lineair zou werken (als beide spanningen bijna gelijk zijn). In dit geval is de stroom beperkt tot minder dan 0.1A, maar er werd er toch voor gekozen om de mosfet te laten schakelen aan een frekwentie van 10Hz.
De mosfet is een IRFB8409 die speciaal ontworpen is voor automotive toepassingen.
De schottky diodes zijn MBR1035 (10A, 35V, de spanningsval bedraagt 0.46V bij een stroom van 4.7A).
Een koelplaatje van 5 × 5 cm is voldoende voor alle halfgeleiders.
Het verloop van de stroom in het groen (laden/ontladen) en de lading (orange). Gedurende een daguitstap met verschillende stops werd de batterij toch geladen, waardoor ik bij terugkeer thuis een meer galaden batterij had dan bij vertrek.
De laadstroom bedraagt nu maximaal 3.9A (terwijl die vroeger met enkel schottky diodes ongeveer 0.5A bedroeg bij warm weer). De ontlaadstroom bedraagt ongeveer 2A als de motor niet draait en -0.6A als de motor draait. Gedurende een deel van de rit was er geen meting (9 tot 15 uur).
Uiteindelijke versie
De uiteindelijke versie zit op twee printen: een input print met weerstanden voor de spanningsbepaling en de diodes voor de voeding. De tweede print bevat de nodige filters om ervoor te zorgen dat er geen schakelpieken de op amp zou beschadigen. Deze print bevat ook de feitelijke regelling met op amp en mosfet. De mosfets moeten niet gekoeld worden, zelfs al wordt de batterij met een stroom van 5A opgeladen. Een teken dat er zeer weinig spanningsverlies is over de mosfet.De schottky diodes die de spanning leveren aan de frigo moeten wel gekoekd worden, want er is een spanningsval van 0.5V. Met een stroom van maximaal 5A is dat een dissipatie van 2.5W (de behuizing is volledig gesloten). Een kleine koelplaat volstaat, zie foto.
De gele led geeft aan dat er spanning aanwezig is (van de auto), de rode led geeft aan dat de betreffende batterij geladen wordt. De schakeling komt overeen met de schakeling hier boven, maar voorzien voor twee batterijen en met kleine condensatoren aan de ingang van de op amps (10nF).
Links een eerste prototype met dummy load, rechts de uiteindelijke schakeling met de vermogensleidingen en de extra beveiligingen.
De koelplaten voor de transistoren bleken niet nodig te zijn, de beveiligingen zijn zeker nodig om ervoor te zorgen dat de ingangsspanningen op de op amps de voedingspanning niet overschrijden (plus of min).
