Az egyszerű stratégia biztonságosan csatlakoztatja a transzformátor nélküli-táp áramköröket

A transzformátor nélküli áramkörök biztonsági vagy zajproblémákat okozhatnak, ha földelést használó áramkörökhöz csatlakoznak. Ha hozzáad egy op erősítőt a kettő közé, akkor zajproblémák nélkül megszüntethetők a biztonsági problémák.

Az alacsony fogyasztású áramkörök általában transzformátor nélküli tápegységeket használnak. Azonban ezekben az áramkörökben a földek használata komoly problémát okoz, amelyet gyakran figyelmen kívül hagynak.

A nagyon népszerű Microchip Application AN954 megjegyzés áramköri földet mutat (0 V), de a referencia nem hallgat arról, hogy csatlakoztatható-e a fő tápegység földeléséhez. 1 Hasonlóképpen, az Apex Technology 35. alkalmazási megjegyzése olyan áramköröket ír le, amelyek nem kapcsolódhatnak biztonságosan és jogszerűen semmilyen külső tesztberendezéshez. 2

E problémák okait nem nehéz felismerni. Az előbbiben (AN954) a transzformátor nélküli tápegység áramköri földjének magas feszültsége van a semlegesre vonatkoztatva, és a földhöz csatlakoztatása veszélyes helyzetet okozna. Ezért minden olyan külső berendezés csatlakoztatása, amelynek áramköri földje földhöz csatlakozik, egyenesen veszélyes lenne.

Ez utóbbiban (35. megjegyzés) a transzformátor nélküli tápegység áramköri földje semlegesre van kötve, így bármilyen külső berendezés és az áramkör összekapcsolása (például oszcilloszkóp az áramkör elhárításához) a legtöbb országban megsértené a kábelezési előírásokat, és általában a megszakítót okozná kioldódni, ha a külső berendezés áramköre a földhöz csatlakozik.

Az egyik megoldás az lehet, hogy megpróbál egy kis ellenállást behelyezni a kérdéses áramköri földelés és a külső berendezés földje közé. Ez megakadályozza, hogy a hálózati megszakító kioldjon, és technikailag elkerülhető a huzalozási előírások megsértése, de új problémát okoz - zajt a föld és a semleges vezetékek között. Ez a zaj bekerül az áramkörbe, és ezzel megsérti a földkapcsolat célját. Általában az az eredmény, hogy a földet egyszerűen használhatatlanná teszik.

A probléma egyszerű megoldása azt feltételezi, hogy a transzformátor nélküli áramkör földje semlegeshez van kötve, ami a transzformátor nélküli tápegységek sokkal népszerűbb és preferált stratégiája (lásd az ábrát). Az áramkör semmi divatos. Ez egy egyszerű differenciálerősítő, de használata ebben a konkrét kontextusban innovatív. Ábrázolja, hogy az A berendezésből érkező jel hogyan lehet biztonságosan és megbízhatóan táplálva a B berendezésbe, függetlenül attól, hogy melyik földelt földeléssel rendelkezik.

egyszerű

Egy egyszerű op-amp áramkör, amelyet egy transzformátor nélküli áramkör és egy semleges földelés és egy földelt föld között helyeznek el, kiküszöböli az ilyen kapcsolatokhoz kapcsolódó biztonsági és zajproblémákat.

Például A lehet egy jelgenerátor, amely egy transzformátor nélküli áramkörbe táplálkozik, B, ebben az esetben G1 föld és G2 semleges. Ha B egy transzformátor nélküli áramkör hibaelhárításához használt oszcilloszkóp, A, G1 semleges és G2 föld. Akárhogy is, G1 az A áramköri földje és a G2 a B áramköri földje, valamint az op-amp áramkör földje.

Az erősítés mindkét op-amp bemeneten egyenlő és ellentétes, ezért a földsemleges zaj (amely a G1 zaj a G2-hez viszonyítva) teljesen megszűnik, és nem jelenik meg a B bemenetén. Valójában az áramkör lehetővé teszi a semleges és a földelő terminálok biztonságos használata azáltal, hogy a semleges földelő zajfeszültség közös üzemmódú jelként jelenik meg az op-amp bemeneten. Ez az egyszerű stratégia legyőzi a fent leírt két problémát.

Bármely általános célú, egységnyereségű stabil JFET bemeneti op erősítő, alacsony offszet feszültséggel működik.

Hivatkozások

  1. Condit, Reston; „Transzformátor nélküli tápegységek: rezisztív és kapacitív”, AN954 alkalmazási megjegyzés, Microchip Technology Inc., 2004.
  2. „AC-DC tápegység tervezés”, 35. alkalmazási megjegyzés, Apex Technology, dec. 1999.

Anoop elemzése

Ez a tervezési ötlet leírja a földelt berendezések és a váltakozó áramú vezetékek által működtetett berendezések összekapcsolásának módszerét, közöttük leválasztó transzformátor nélkül. Az ilyen típusú kapcsolatok létrehozása gyakran nehéz vagy veszélyes, mivel lehetséges a különbség a váltakozó áramú vezeték semleges és a berendezés védőföldje vagy a föld közös földje és a semleges vagy a föld között.

Gyakran előfordul némi feszültség a váltakozó áramú aljzat semleges része és az épület védőföldje között. Ez a feszültség többszintes épületekben akár 30–40 V AC is lehet. Zajos is, mivel sok szivárgási út lehet az elektromos berendezésektől a földig, és ezek az utak megváltoznak, amikor a berendezés be- és kikapcsol, illetve alacsony vagy nagy teljesítményű üzemmódok között mozog, például egy klímaberendezés be- és kikapcsolható kompresszorával. mindig be van kapcsolva a ventilátor.

Az ebben az IFD-ben bemutatott áramkör átadja a bemeneti különbség feszültségét egy olyan kimenetnek, amelynek földelési referenciája eltér. Differenciálpufferről lévén szó, nagyban csillapítja a bemeneti terminálokon található közös módú egyenáramú feszültségeket (vagy közös üzemmódú zajokat). Így két előnyt kínál. Először lehetővé teszi a különböző föld referenciákkal rendelkező berendezések összekapcsolását. Másodszor, csillapítja a csatlakoztatott berendezések közös üzemmódú zaját. Az áramkör egyenáramú vagy váltakozó áramú jelekhez használható. Természetesen egyenáramú jelekhez való használata offset korrekciót igényel.

Ennek az áramkörnek a használata közben, ha az egyik oldala közvetlenül hálózati táplálású, kövesse az összes szükséges óvintézkedést, miközben veszélyes nagyfeszültségekkel foglalkozik, mert mindig vannak olyan szivárgási utak, amelyek áramütést okozhatnak.

Kétféle alternatív módszer létezik az ilyen berendezések összekapcsolására. Ha tiszta váltakozó áramú jelekről van szó, egyenáram-eltolás nélkül, 1: 1 arányú elválasztó transzformátor használható a szükséges sávszélességgel az A és a B berendezés között. Vagy használjon akkumulátorral működő mérőműszert, például kézi digitális multimétert vagy hatótávolságot, vagy valamilyen más eszközt. olyan eszköz, amelyhez nincs szükség földelésre.

A "Cap-Drop" megközelítés offline töltést valósít meg könnyű terhelésekhez

Több startup és OEM gyártó közelmúltban jelentett be újításokat, amelyek felgyorsíthatják az elektromos járművek alkalmazását.

Amit megtanulsz:

  • A QuantumScape nem éghető, nagyobb sűrűségű szilárdtest-akkumulátora.
  • A Solid Power szilárdtest cellája szulfidos szilárd elektrolittal.
  • A Toray Industries nem porózus elválasztója lítium-ion akkumulátorokhoz.
  • A Toyota cellája állítása szerint 500 km-t tehet meg egy töltéssel.

A szilárd elektrolitokon alapuló új generációs lítium akkumulátorok fejlesztése alapvetően megoldhat néhány alapvető problémát az elektromos járművekben:

  • Hatótávolság: A legtöbb EV-nek hatótávolsága legfeljebb 300 mérföld.
  • Töltési idő: A jelenlegi akkumulátorok újratöltése több mint egy órát vesz igénybe, míg a szilárdtest-akkumulátorral felszerelt elektromos jármű töltése nagyjából 10 percet vesz igénybe.
  • Töltésvesztés: A sejtek egy évtizeden belül elveszíthetik kapacitásuk közel egyharmadát.
  • Biztonság: A hagyományos folyékony elektrolitok, amelyek lítiumionokat vesznek az elektródák közé, komoly biztonsági kockázatot jelentenek az alkalmazott gyúlékony anyagok miatt.

A múlt héten számos startup és már létező OEM, amely szilárdtest-akkumulátorok kifejlesztésével próbálkozott, olyan újításokat jelentett be, amelyek felgyorsíthatják az EV alkalmazását azáltal, hogy az autógyártóknak biztonságosabb, olcsóbb alternatívát kínálnak a lítium-ion akkumulátorokkal szemben.

Például a QuantumScape, amely stratégiai partnerséget ápol a Volkswagennel, ígéretes vizsgálati eredményeket jelentett be egy szilárdtest cellára vonatkozóan. Ugyanakkor egy hatéves Solid Power nevű startup elárulta, hogy egy működő szilárdtest cellát készített, és 10 halmozott rétegű prototípus akkumulátorokat gyárt egy coloradói kísérleti üzemben. .

Ezenkívül a Toray Industries létrehozott egy nem porózus elválasztót a lítium-ion akkumulátorok számára, amely nagymértékben növelheti az akkumulátor kapacitását a lítium-fém anódok biztonságának növelésével, és a Toyota elmondta, hogy 2025-ig szilárdtest-akkumulátor-technológiát tervez beépíteni a gyártási járművekbe.

Nézzük ezeket a fejleményeket egyenként.

QuantumScape

Sajtóközleményben a QuantumScape, a kaliforniai San Jose 10 éves startupja a vállalat szilárdtest-akkumulátorának laboratóriumi tesztjeiből származó műszaki eredményeket közölte. Korábban a nagy teljesítményű lítiumfémmel dolgozó szilárdtest-akkumulátorok rövid élettartamúak és lassúak voltak. De a QuantumScape szerint nem éghető cellája a kapacitás 80% -át töltheti fel 15 perc alatt, kapacitásának több mint 80% -át megtartja 800 töltési ciklus után, és a térfogat-energia sűrűsége meghaladja az 1000 wattórát literenként, ami közel kétszerese a kereskedelmi lítium-ion sejtek energiasűrűsége.

A QuantumScape katódja, vagyis pozitív kapcsa, nikkel-mangán-kobalt-oxidból áll, ami gyakori az EV akkumulátorokban. Negatív elektródája vagy anódja azonban a kialakult tiszta lítiumfémből készül in situ amikor a kész sejt töltődik fel, nem pedig a sejt előállításakor (1. ábra).

1. A QuantumScape egyrétegű, szilárdtestű lítium-fém elemcellája látható. (Forrás: QuantumScape)

A vállalat szilárdtest-kialakítása tovább növeli az energiasűrűséget, mert állítólag nem igényel felesleges lítiumot az anódon. A szilárdtest-akkumulátorok néhány korábbi kísérlete lerakódott lítium-anódot használt, amely csökkenti az energia sűrűségét.

A legfontosabb áttörés egy kerámia szeparátor használata a katód és az anód között a hagyományos akkumulátorcellákban használt folyékony elektrolit helyettesítésére. A folyékony elektrolithoz hasonlóan ebben a sémában a lítiumionok egyik kapocsból a másikba áramlanak, amikor az akkumulátor töltődik és kisül. A kisülés során a lítium az anódból a katódba áramlik, és az anódoldalt összenyomják. Olyan vékony, mint egy emberi haj, a szeparátum a szilárdtest elem „titkos szósza”. Olyan akadályként kell működnie, amely megakadályozza, hogy a lítium-dendritek - a töltési ciklusok során a lítium-fém anódokon képződő fém indák - ne menjenek az elektródák közé, és rövidzárlatot okozzanak.

A dendriteket egy olyan jelenség okozza, amikor az egyenetlen kémiai reakció következtében ág alakú kristályok nőnek a negatív elektróda felületén. A lítium-dendritek a mikroporózus film pórusai mentén képződnek. A szeparátor pórusok kiküszöbölése megállíthatja az ilyen növekedést, de hátránya jelentősen csökkenti a lítium-ion permeabilitást. A QuantumScape szilárdtest-elválasztója lecseréli a hagyományos cellákban használt szerves elválasztót, anód nélküli architektúrát tesz lehetővé, nulla felesleges lítiummal.

A múltban a szilárdtest-akkumulátorok erőfeszítései vagy polimerre - a választott elválasztó anyagra folyékony elektrolit elemekben - vagy egy kemény kerámiára támaszkodtak. A polimerek sajnos nem blokkolják a dendriteket. A kísérleti szilárdtest-akkumulátorokhoz használt kerámiák pedig túl törékenynek bizonyultak ahhoz, hogy elegendő töltési ciklusig tartsanak. A QuantumScape nem árulta el az általa használt szeparátor jellegét, mint azt, hogy azt állítja, az anyag könnyen elérhető.

A QuantumScape újonnan közzétett, egyrétegű elemcellák tesztelésén alapuló eredményei azt mutatják, hogy a szilárdtest-elválasztók képesek nagyon nagy teljesítmény mellett működni, lehetővé téve a 15 perces töltést 80% -os kapacitással, gyorsabban, mint a hagyományos akkumulátorok.

A vizsgált sejtek nagy területű, egyrétegű tasak sejtek voltak a kereskedelmi célfaktorban, vastag katódokkal, egy órás töltés és 30 ° C-on történő kisütés sebességével. Ezek a tesztek 800 ciklus után 80% -nál nagyobb megtartó képességet mutattak ki.

A QuantumScape által bemutatott vékony cellát úgy tervezték, hogy kb. 100 másik emberrel együtt rakják össze, hogy egy teljes cellát képezzenek, körülbelül akkora, mint egy pakli kártya. Eddig a vállalat nem tesztelt egy teljesen egymásra helyezett cellát.

Szilárd erő

A hatéves Solid Power nevű startup egy működő szilárdtest cellát is létrehozott. A hagyományos lítium-ion akkumulátorban található gyúlékony folyékony elektrolitot egy saját, szulfidos szilárd elektrolittal helyettesítik. A Solid Power megkezdte 330 Wh/kg, 22 rétegű, teljesen szilárd állapotú lítium-fém akkumulátorok gyártását a vállalat folyamatos tekercs tekercses gyártósorán, egy kísérleti üzemben Louisville-ben, Colorado (2. ábra). A vállalatnak ütemterve van arra, hogy 2022-re meghaladja a 400 Wh/kg-ot.

2. A Solid Power 22 rétegű, 20 Ah teljes szilárdtest lítium fém celláját összehasonlítjuk a vállalat első generációs 10 rétegű, 2Ah cellájával. (Forrás: Solid Power)

A Solid Power számos autógyártóval, köztük a BMW Hyundai-val és a Forddal áll partnerségben a félvezető akkumulátorok közös fejlesztése érdekében. A vállalatot kiemelkedő befektetők, köztük a Samsung, a Volta Energy Technologies és a Solvay is támogatja.

A Solid Power 10 rétegű, 2 Ah-os tasakcellái stabil korai ciklust mutatnak szobahőmérsékleten, míg a megfelelő kétrétegű tasakcellák már meghaladták a 250 stabil ciklust. További előrelépések várhatók a hivatalos gépjármű-minősítési folyamatba való belépés előtt.

A Solid Power bemutatta a vállalat legújabb elektróda-összetételeit, amelyek 2021-ben költöznek a gyártósorra, többek között:

  • −10 ° C-os működés
  • 50% -os gyors töltés 15 perc alatt szobahőmérsékleten
  • Az elválasztó vastagsága mindössze 25 mikron

A vállalat arra számít, hogy 2022 elején a hivatalos gépjármű-minősítési folyamatba még nagyobb kapacitású, teljesen szilárdtest-akkumulátoros cellák indulnak.

Toray Industries

A Toray Industries nem porózus elválasztót hozott létre a lítium-ion akkumulátorok számára, amely nagymértékben növelheti a kapacitást a lítium-fém anód akkumulátorok biztonságának növelésével. Toray nagy hőállóságú aramid polimer molekuláris tervezési technológia alkalmazásával oldotta meg a lítium-dendritek kihívását, amelyek töltés közben lítium-fém felületeken képződnek - behatolnak a szeparátorokba és rövidzárlatokat okoznak, amelyek rontják a biztonságot. A vállalat így képes volt elnyomni a dendrit képződést a lítium-fém anódelemekben, miközben fenntartotta az ion vezetőképességét. Ezt úgy tette, hogy a polimert nem porózus szeparátorként alkalmazta, amely pórusmentes réteget tartalmaz egy mikroporózus szeparátoron.

Toray kimutatta, hogy egy ilyen szeparátorral ellátott akkumulátor elnyomta a dendriteknek tulajdonítható rövidzárlatot, és 100 töltési/kisütési ciklus után fenntartotta kapacitásának több mint 80% -át. A vállalat azt is közölte, hogy felgyorsítja a kutatást és fejlesztést a technológiák gyors létrehozása érdekében lítium-fém anódelemekkel annak érdekében, hogy rendkívül nagy kapacitást és biztonságot nyújtson a holnapi lítium-ion akkumulátorok számára.

A Toyota olyan szilárdtest cellát fejleszt, amely a vállalat illetékesei szerint képes lenne 500 km-es utat megtenni egy feltöltéssel, és 10 perc alatt nulláról teljesre feltöltődni. És a cella ezt minimális biztonsági aggályokkal tenné meg. A Toyota idén a tokiói olimpián tervezte bemutatni szilárdtest-akkumulátorát, mielőtt a világjárvány miatt elhalasztották volna

A Toyota a továbbiakban azt tervezi, hogy elsőként értékesíti a szilárdtest-akkumulátorral felszerelt elektromos járművet a 2020-as évek elején. A világ legnagyobb autógyártója várhatóan jövőre bemutatja a prototípust.