FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

PROYECTO INTEGRADOR(CARGADOR INTELIGENTE DE BATERÍAS)

SEGUNDO REVISIÓN DEL PROYECTO

M.C. ENRIQUE CARLOS ROSALES BUSQUETS

ASESOR DE PROYECTO

GONZALES CARRILLO GAMALIEL

LÓPEZ CHÁVEZ JESÚS OCTAVIO

ROBLES AVALOS JUAN CARLOS

ROMERO SILVA ANTONIO

ALUMNOS

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MANZANILLO COLIMA A, 9 DE MAYO DE 2012

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN 3

CAPITULO 1 AVANCES TEÓRICOS 4

1.1 INTRODUCCIÓN 4

1.2 LA BATERÍA 4

1.3 SISTEMA DE MONITOREO 7

1.31 MICROCONTROLADORES 7

1.32 MODULO DE RF Y BLUETOOTH 10

1.33 ANTENA Y LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 11

1.4 REFERENCIAS 12

CAPITULO II AVANCES ANALÍTICO – PRÁCTICOS 132.1 INTRODUCCIÓN 132.2 DISEÑO DEL CONVERTIDOR REDUCTOR 13

2.21 CÁLCULOS DEL DISIPADOR 18

2.3 DISEÑO DEL SISTEMA MOSFET 192.4 FUENTE DE ALIMENTACIÓN 20

2.5 PRACTICA CON LOS DISPOSITIVOS RF 21

2.6 CONCLUSIONES 23

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INTRODUCCIÓN

Hace ya tres meses que se inicio el semestre actual escolar, y con ello inicio también el proyecto integrador correspondiente al sexto semestre del área de comunicaciones y electrónica, el cargador inteligente de baterías. Los temas visto dentro del programa marcado para este periodo han cumplido con el objetivo de orientar y encaminar con el material necesario en el desarrollo del proyecto, y es momento entonces de presentar avances pertinentes.

Los avances que hoy presentamos por medio de este documento y su correspondiente presentación ante el comité dan testigo del trabajo realizado hasta este momento por el equipo número uno. Creemos y estamos convencidos de que el avance es significativo y confiamos plenamente en que podemos en este último periodo que resta, poder seguir avanzando y cumplir en plenitud con los requerimientos pactados dentro del proyecto.

El área en la que presentamos mayor avance sin duda es en electrónica de potencia, la cual es la base fundamental de este proyecto, ya que hasta ahora ya tenemos bien definidas las bases teóricas y prácticas que nos han ayuda en definitiva al diseño del cargador mismo, el cual ya tiene un avance de al menos un 70% ya que aun falta definir el proceso para el diseño del inductor necesario. Una vez terminado esta parte podemos entonces avanzar en lo físico en lo correspondiente al área de control y monitoreo, esto no quiere decir que no hemos hecho prácticas, investigado y buscado definir ya los elementos y dispositivos necesarios para dicho fin.

De antemano agradecemos al concejo sus atenciones y tiempo prestado, así como su importante aportación para el proyecto mismo.

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CAPITULO 1.AVANCES TEÓRICOS

1.1 INTRODUCCIÓN

Los avances que se presentan en esta sección corresponden a las materias de antenas y líneas de transmisión, modulación analógica digital, control moderno, convertidores de datos y microprocesadores; en conjunto estas material definen la parte inteligente del cargador, ya con la aplicación de los conocimientos adquiridos en estas materias podemos ser capaces de diseñar nuestro sistema de control y monitoreo cuyo objetivo es señalarlos el nivel de carga de la batería y así mismo de acuerdo a este dato ser capaz de definir si continua o detiene la carga.

1.2 LA BATERÍA

Una pila o batería eléctrica es un dispositivo capaz de generar energía eléctrica mediante un procedimiento interno electroquímico. Las baterías se clasifican en dos grupos: las baterías recargables o acumuladores como también se les conoce, y baterías desechable u ordinarias que solo pueden ser cargadas una vez.

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Para este proyecto integrado está más que claro que el tipo de batería a usar es un acumulador, suyas características se definen a continuación:

- Batería BR – 1204 marca Steren,- Componente químico ÁCIDO-PLOMO, - DE 12 volts y 4 A

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

Voltaje Nominal 12V

Capacidad Promedio (tasa de 20 hrs.) 4AH

Dimensiones

Altura Total (con terminales)

107mm (4.21 pulg.)

Altura 101mm (3.98 pulg.)

Largo 90mm (3.54 pulg.)

Ancho 70mm (2.76 pulg.)

Peso Aprox. 1.7kg (3.75 libras)

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Tasa de 20 hrs. (200mA) 4AH

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Fig. 1.1 batería de acido- plomo br-1204 marca steren

Capacidad

77°F (25°C)

Tasa de 10 hrs. (370A) 3.7AH

Tasa de 5 hrs. (680A) 3.4AH

Tasa de 1 hr. (2.4A) 2.4AH

Tasa de 15 min. (6.96A) 1.74AH

Resistencia Interna Carga máxima de la batería 77°F (25°C) 38mΩ

Capacidad afectada por la temperatura (20 rango de hora)

104°F (40°C) 102%

77°F (25°C) 100%

32°F (0°C) 85%

5°F (-15°C) 65%

Autodescarga

77°F (25°C)

Capacidad después de 3 meses de almacenaje

91%

Capacidad después de 6 meses de almacenaje

82%

Capacidad después de 12 meses de almacenaje

64%

Descarga Máxima de Corriente 77°F (25°C)

60A (5S)

Terminal

Estándar F1

Opcional F2

Carga

(Voltaje Constante)

Ciclo Carga de Corriente Inicial 800mA o menor

14.5V ~ 14.9V/77°F (25°C)

Flotante

13.6V ~ 13.8V/77°F (25°C)

Todas estas características que se pueden encontrar en la hoja de datos correspondiente a este tipo de baterías, son de gran importancia ya que deben de

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tomarse en cuenta para el diseño del cargo, definiendo el tipo descarga que queremos, el voltaje con el que se alimenta, la corriente que necesita entre otros factores más.

1.3 SISTEMA DE MONITOREO

El sistema de monitoreo de la carga es el sistema que nos permitirá estar vigilando de manera constante el nivel de carga de la batería, tomando un muestra de la señal, convertirla y enviarla por medio de una medio comunicación al programa de computadora que será diseñado para dicho fin, permitiéndonos de esta forma conocer de manera constante el proceso de carga de la pila. Para este fin propuesto hemos optado por utilizar un PIC y un sistema de comunicación BLUETOOTH.

1.31 Microcontroladores

En palabras sencillas, es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes de un computador, es decir unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida.

El microcontrolador es un computador dedicado. En su memoria sólo reside un programa destinado a controlar una aplicación determinada; sus líneas de entrada y salida soportan el conexionado de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar, y todos los recursos complementarios tienen el objetivo de atender sus requerimientos. Una vez programado y configurado en microcontrolador solo sirve para gobernar la tarea asignada.

Las partes principales de todo microcontrolador son las siguientes:

1. Procesador.

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2. Memoria no volátil (aquella que mantiene guardada su información aun después de haber dejado de ser energizada) para contener el programa.

3. Memorias de lectura y escritura para guardar los datos.4. Líneas de E/S para el control de los periféricos:

- Comunicación paralelo- Comunicación serie- Diversas puertas de comunicación (bus I2C, USB, etc.)

5. Recursos auxiliares- Circuito de reloj- Temporizadores- Perro guardián (“watchdog”)- Convertidores AD y DA- Comparadores analógicos- Protección ante fallos de la alimentación - Estado de reposo o de bajo consumo

Fig 1.3 esquema de la arquitectura interna generalizada de un microcontrolador

Pero ¿Cómo escoger el mejor?

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Entre casi un centenar de fabricantes de microcontroladores que existen en el mundo, la selección de “le mejor” realmente se torna muy difícil, ya que en realidad no existe tal, porque es la aplicación con características propias la que definirá cual es el microcontrolador mas ideal y conveniente [1].

Dentro del mercado mundial son mucho actualmente los fabricantes de microcontroladores, entre los más conocidos tenemos los siguientes:

- Hitachi- Motorola- Texas instrument- Atmel- Nacional semiconductor- Zilog y- Arizona Microchip

Sin embargo dentro de las preferencias de la gran mayoría de los que utilizan los microcontroladores, el producto creado por la empresa Microchip “el PIC”, es quien sin duda lleva la delantera en el mercado. Para este proyecto la situación no es diferente, ya que hemos optado por utilizar el PIC16F877A.

Cabe decir que Microchip dispone de cuatro gamas diferentes de microcontroladores de 8bits para adaptarse a las necesidades de la mayoría de sus clientes potenciales. La gama baja que costa de recursos limitados y 33 instrucciones de programación; gama media con encapsulados de hasta 68 pines, 35 instrucciones de programación de 14 bits, y recursos como ADC, DAC y memorias FLASH.; gama alta de 58 instrucciones de 16 bits y múltiples controladores periféricos de gran potencia; y finalmente las gama mejorada, cuya velocidad es de hasta 40Mhz, incluye tecnología FLASH y un juego de 77 instrucciones d programación de 16 bits, sus principal utilización es en aplicaciones de automoción, comunicaciones, ofimática y control industrial. El el PIC16F877A elegido para el proyecto, es un PIC de gama media.

El PIC16F877 de Microchip pertenece a una gran familia de microcontroladores de 8 bits (bus de datos) que tienen las siguientes características generales que los distinguen de otras familias:

- Arquitectura Harvard- Tecnología RISC- Tecnología CMOS

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El conjunto de instrucciones que se utilizan para su programación como ya se menciono anteriormente es de 35 instrucciones.

1.32 MODULO DE RF Y BLUETOOTH

Una parte fundamental para el desarrollo de la etapa de monitoreo es sin lugar a dudas la parte de transmisión de datos, en dicha etapa nosotros seremos capaces de una vez tomada un muestra de voltaje proveniente de la batería, y haberla convertida a un valor binario de datos, poder enviar dicho valores a la parte que esta monitoreando la carga, que en este caso o bien es un display independiente del cargador o bien un programa de computadora.

Al principio del proyecto, debido a las recomendaciones hechas por el profesor de microprocesadores, el equipo había optado por utilizar un dispositivo de RF transmisor- receptor de FSK.

El módulo de transmisión TWS 434A RF transmite a un frecuencia de 433MHz, mientras que el receptor RWS 434A RF, este recibe los datos enviamos por el transmisor, enviándolos directamente a un decodificador HT12D. Tomando en cuenta este dato el equipo se a aventura hacer prácticas sencilla de transmisión de datos binarios. La cual se puede ver en el capitulo siguiente.

Sin embargo debido a las practicas hechas, a las investigaciones realizadas y las variadas ventajas que presenta la tecnología bluetooth, el equipo ha optado por sustituir el modulo de RF, por un modulo bluetooth para la etapa de transmisión de datos, dándonos la ventaja este dispositivo de poder hacer el monitoreo en un plataforma por medio de la computadora o bien a través de un celular, ya que el modulo es capaz de conectarse a la computadora como cualquier dispositivo que posee esta tecnología.

El modulo de bluetooth al que hemos decidido acceder es el Bluetooth HC-06. Es bastante económico y de dimensiones bastante pequeñas que lo hace bastante cómodo

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para su manejo y ahorro de espacio. Una de las ventajas principales además de las ya mencionadas es el bajo consumo de corriente que posee tanto en funcionamiento, como en modo de espera, es decir, alimentado con energía, pero sin conexión o enlace a otro dispositivo.

Hasta el momento no hemos hecho practicas con dicho dispositivos ya que la decisión de utilizarlo es bastante reciente y apenas lo hemos adquirido en estos últimos días. Sin embargo confiamos en que una vez en nuestras manos el avance podrá ser aun más significativo.

1.33 ANTENA Y LÍNEA DE TRANSMISIÓN

Tanto en el modulo de RF, como el modulo Bluetooth, queda clara que para la transmisión y recepción de los datos que se han de censar, debe existir un sistema de línea de transmisión y una antena que nos permita, precisamente transmitir y recibir la información. En ambos módulos, el tipo de línea de transmisión es el mismo, una microcinta.

La microcinta es una línea de transmisión constituida por una cinta conductora y una superficie conductora (tierra) paralela de anchura muy superior; estos dos conductores son solidarios de las dos caras de un soporte dieléctrico de pequeño espesor [2].

Las líneas de microcintas son ampliamente usadas para interconectar circuitos lógicos de alta velocidad en las computadoras digitales porque estas pueden ser fabricadas por técnicas automatizadas y ello proporciona una señal uniforme en toda la trayectoria.

De igual manera enfocándonos directamente al modulo de bluetooth, la antena que utiliza el HS-06 es un antena también de microcinta o patch como también se le conoce. Una antena de microcinta la cual consiste de una muy delgada (t << λ0 donde λ0 es la longitud de onda en el espacio libre) cinta metálica (parche) situada en una pequeña fracción de una longitud de onda (h << λ0, usualmente 0.003 λ0 ≤ h ≤ 0.05 λ0) encima de un plano de tierra [3], prácticamente trabaja bajo el mismo principio entonces de la línea de transmisión.

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En el caso del modulo de bluetooth la antena está diseñada para enviar datos a una frecuencia de 2.402 GHz a 2.480 GHz.

1.4 REFERENCIAS

- [1] Jose M. Angulo Usategui, Microcontroladores. ED Mc Graw Hill- [2] http://www.mitecnologico.com/Main/LineasDeTransmisionDeMicrocintas- [3]http://fralbe.wordpress.com/2009/02/05/antenas-microcinta-o-patch-

caracteriticas-basicas/

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CAPITULO II

AVANCES ANALITICO-PRACTICOS

2.1 INTRODUCCIÓN

Los avances presentados en esta sección corresponden en concreto al diseño del convertidor reductor para la parte del cargador, diseño de una pequeña fuente para la alimentación, así como las pequeñas practicas hechas con el opto acoplador, y el modulo RF que se había destinado en un principio para la parte del monitoreo.

Si bien los avances físicos y prácticos no sobresalen en esta segunda entrega, estamos convencidos que el avance es considerable, y que vamos por un buen camino, para la finalización en tiempo del proyecto.

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2.2 DISEÑO DEL CONVERTIDOR REDUCTOR

El convertidor reductor o BUCK como tambien es conocido, es un convertidor reductor, en el sentido de que su tensión de salida nunca puede ser mayor que la de entrada. La topología se muestra a continuación:

MODO CONTINUO (CCM):

Durante un periodo de conmutación si el conertidor trabaja en modo continuo, este se podrá analizar mediante dos estados de funcionamiento:

Estado 1: conmutador S en conducción. D en corte. Carga del inductor con tensión Vs-Vo.

Estado 2: conmutador S en corte. D en conducción. Descarga del inductor con tensión -Vo

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Fig. 2.1 diagrama clásico de un convertido reductor

Considerando los siguientes parámetros, buscamos diseñar un convertidor reductor para la carga de una batería de de acido-plomo de 12 v y 4AH, de la marca steren:

V 1=24 v f sw=20Khz ∆V=0.2v V o=14.5v IO=2 A

Como se quiere 14.5v a la salida tenemos que el ciclo de trabajo sería:

V 0=V 1D D=V 0

V 1=14.5 v24 v

=0.604

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a b

fig. 2.2 diagramas de estados del convertidor reductor

Fig. 2.3 diagrama del convertidor reductor, diseñado para el cargador

El tiempo de encendido está dado por:

t on=Df

= 0.60420000H

=30.2μs

Suponiendo una corriente de 2A a la salida tenemos que R:

R=VI=14.5V

2 A=7.25Ω

Con el objetivo de poder censar el voltaje en el PIC, se realiza un divisor de tensión para ello, de tal manera que si se desean 4.7V en R2

Tomando un valor comercial cercano a R pero menor, es decir R2=2.7Ω

Despejando R1 del divisor tendríamos:

V R2=V 0(R¿¿2)R1+R2

¿

(R1+R2 )V R 2=V 0(R¿¿2)¿ R1=V 0(R¿¿2)−V R2(R¿¿2)V R2

=R2(V 0−V R2)

V R 2¿¿

R1=2.7Ω(14.5V−4.7V )

4.7V=5.6Ω

R=8.3Ω

De acuerdo a lo anterior tenemos que la corriente de salida sería:

I 0=V 0

R=14.5 v8.3Ω

=1.7469 A

Así la potencia a la salida sería:

PO=V O IO=14.5V (1.7469 A )=25.33W

Para el diseño del inductor

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R=R1+R2

El rizo de corriente en el inductor

Δ I L=14I 0=

1.7469 A4

=0.4367 A

L=(V 1−V O)t on

Δ I L=

(24−14.5 ) (30.2μs )0.4367 A

=656.97 μH

Para el diseño del capacitor:

C=(V 1−V O ) D

8 (f sw )2 (L ) ( ΔV O )=

(24 v−14.5 v ) (0.604 )(8 ) (20000 )2 (656.97μH ) (0.2v )

=13.64 μF

Para conocer las corrientes máximas y mínimas tenemos:

Imax=

V 0

R +Δ IL2 =14.5 v8.3Ω + 0.4367A2 =1.9653 A

Imin=

V 0

R −Δ I L

2 = 14.5v8.3Ω −0.4367A2 =1.5286 A

Para el buen funcionamiento del circuito tenemos que:

f c≤f sw10

f c=1

2π √LC= 12 π (√ ( (656.97 μH ) (13.64 μF ) ))

=1681.2H

De tal manera que se cumplen los parámetros establecidos.

En las siguientes imágenes se muestran los resultados de la simulación:

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Fig. 2.4 gráficos del voltaje y corriente de salida, en el diseño del

Fig.2.5 gráficos de la corriente de inductor y capacitor, en el diseño del convertidor reductor.

En la siguiente imagen se encuentra el proceso a través del cual se realizará la carga de la batería.

2.21 cálculos del disipador

Perdidas por conmutación:

Eon=Ip∗t on∗(V CD+2conducción)

6=1.96 A∗30.2µs∗(24 v+2v )

6=256.4µW∗s

Eoff =Ip∗t off∗(V CD+2conducción)

6=1.96 A∗19.8µs∗(24 v+2 v)

6=168.1µW∗s

Econd=t onV cond I p=(30.2µs)(2V )(1.96 A)=118.3µW∗s

PD=f sw ( Eon+Eoff +Econd )=20khz (256.4µW∗s+168.1 µW∗s+118.3µW∗s )

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Fig. 2.6 gráficos del proceso de carga de la batería

PD=10.8W

T A=35

T max=150

RθJC=1 /W

RθDC=0.5 /W

RθDA=T j−T A

PD−RθJC−RθDC=

150−3510.8W

−1 /W−0.5/W=9.1/W

2.3 DISEÑO PARA EL SISTEMA MOSFET

Una de las partes más importantes del convertidor reductor es sin duda el diseño del conmutador o switch, el cual se ha decidido diseñarlo con transistor mosfet a una frecuencia de 20 Khz. A continuación se presenta un diagrama de bloques del diseño mismo.

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SG3524

PC923 IRF840

MosfetOpto-acopladorFig. 2.7 diseño a bloques del sistema de switcheo para el convertidor reductor

2.4 FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Por iniciativa del equipo se ha tomado la decisión de diseñar nuestra propia fuente de alimentación para el cargador. Esta Tiene 4 regulaciones debido a que se necesita alimentar la parte del PIC y demás circuitos con 5v, 12v y 15v para alimentar la parte del generador de PWM y por último una regulación de 24v para alimentar al convertidor reductor.

Consta de un transformador con derivación central, un puente de diodos, capacitores y reguladores de voltaje para cada etapa de la circuitería, cuenta con fusibles para cada regulación para proteger el circuito. A continuación una grafico se su diseño.

2.5 PRACTICA CON LOS DISPOSITIVOS DE RF

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Fig. 2.8 diseño de la fuente de alimentación

En este ejemplo solo mostramos el funcionamiento de los módulos utilizando bit-buttons para enviar “unos y ceros” hacia el receptor, para enviarlos se codifican con el integrado HT12E.

La transmisión se logra usando una antena tipo Marconi diseñada por nosotros sabiendo la frecuencia de transmisión, se llego a este resultado:

long.antena=c/f=(3×10^8m/s)/433MHz=0.69m/4=0.17m=17cm.

EL receptor también tiene una antena diseñada de iguales dimensiones ya que la longitud de onda de la parte de transmisión es la misma.

“Este kit es solo demostración de cómo trabajan los módulos y una de sus aplicaciones que se le puede dar”.

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a b

c

fig. 2. 9 a) modulo transmisor TWS 434A b) modulo receptor RWS 434A

c) circuito completo transmitiendo un valor binario

2.6 CONCLUSIONES

Al presentar estos avances sin lugar a duda en el equipo numero uno estamos convencido de que el avance que se lleva hasta el momento es muy significativo, nos honra saber que hemos podido trabajar en armonía y mezclar de manera positiva nuestras habilidades. Sin embargo estamos consientes de que aún hay mucho que hacer y que el tiempo que resta quizás sea un tanto insuficiente, pero estamos comprometidos a sacar adelante el proyecto en tiempo y forma, sacrificando cada miembro del equipo lo que sea necesario para llegar a un resultado adecuado al final del semestre.

Por su atención y apoyo, tanto a profesores como compañeros de aula muchas gracias

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