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 TC20A 20A級昇圧型走行充電TypeV ・【新規記事2017/02/07】・最終更新2021/04/23
昇圧型走行充電20A TC20A
 画像はRev04 現Rev05です。U1はフラットパッケージに変更

アイソレータ機能、サブバッテリチャージャー機能をハードウェアにて定電流、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。20Aオーバー到達しました。”25A”効率91.7% オリジナル設計です。(Zero氏支援)

開発中、経過など情報 TC20A DCDCブログ記事もご覧ください
2017/09/01〜最大16ATC10B電流制御昇圧型走行充電
2018/09/01〜最大16ATC10C高効率低発熱昇圧型走行充電
2020/10/12 PWB Rev05リリース 表面実装化
モニター販売有ります。

TC20A TypeV 概略仕様
様 です
  • 連続出力20A以上可能(要fan冷却)とする
  • 入力SW Nch Mos FETのON抵抗は1m〜5mΩを採用する。リレーより抵抗が少ないもの。IRLB03813PBFなど
  • FETレギュレータ機能、ソフトスタート機能、過渡電流抑制
  • 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。(簡易的な制御です)
  • 充電電圧13.8V〜15.5V 可変電流制限・入力電圧12.0V〜15.0V
  • 待機電流 メインサブ共ほぼゼロ
  • 小型PWB、ローコスト追求 ・大型ネジ式端子使用
  • ハードウェア制御 ・電圧電流簡単調整・PWM+PFM
  • 単相整流に付リップルが大きいです。 逆接保護無し
  • 直結モードとせず過負荷充電初期ではレギュレータモードで動作します。
  • 逆接保護無し
対応バッテリー  全鉛バッテリー・リン酸鉄リチュームイオンバッテリ
 最大充電電流25A 充電電圧13.8V〜15.0V
 簡易的電流制限付き ハイパワーDCDCコンバーターとして応用可能。(大電力に付きリップル、不要輻射に注意)

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。
PWB無償配布、基板モニタ販売
【この記事は松山市の零氏から回路設計協力戴き、共同開発しました】
20Aコンバータ+Nch FETSW:定電流(簡易)、定電圧充電基板 

 全回路図 2019/04/10 部品変更
2018/06/25 定数変更L1 1.6mm*2 7T C8→220P
回路構成
 U型での出力電流制御部を廃止し、MC34063Aの入力制限を使った簡易型電流制御です。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。インダクタは大型分割型コアを使用し、ギャップを設け大電流での磁気飽和を抑制します。
備考:オフ時逆流について。サブからメインへの逆流はありません。D6,D7はショットキーバリアダイオードで逆方向漏洩電流がありますが、Q1はオフ時逆流はありません。
パワー素子の選択と大容量化対策について。

 Q1 FETは10A級より一桁少ないオン抵抗のものを使用する IRLB3813PBF、TK100A06N1など。ショットキーバリアダイオードは大容量SBD ESAE83-006などを採用する。インダクタコアは10A級で使用したLF130Bとし、ギャップは1.2mm。銅損を少なくする為1.6φ7T*2とする。入出力端子は基板用金具ネジ式3.5mmとし、PWB大電流ラインは1.6φ銅線を沿着補強し基板パターン上で20Aを確保する。大容量バッテリ充電充電初期に於いてはQ1レギュレータ制御、整流用ショットキーバリアダイオードが盛大に発熱します。ファン冷却は必須です。

調整
出力電圧は無負荷(又は1A以内での軽負荷)で調整します。DCDC起動はACC端子に12V印加し、入出力をリード等で瞬間タッチすればQ1がオンしDCDC回路が起動します。(LEDが点灯します)。

TC20A並列接続の取付調整について説明、注意点をブログに記載しました。
 
温度対策、リップルノイズ対策
シンプルな回路であり、大容量整流用ショットキーバリアダイオードを使用するが発熱は大きい。ノイズ、リップルも方式上1VPP以上有る。バッテリ充電に於いては問題は少ないと考えられる。また、不要輻射による対策は設置後リップルフィルター、クランプ型ノイズキャンセラー等の対策が必要になる可能性は大きい。発熱対策はファン、サーモ設置を設置しお勧めする。
 以下のPWBは時代の流れでチップCRとしました。小型化した為、半田付けが難しくなる。 半田付け作業の様子。
Rev04 PWB 2019/12/01〜Rev05です。SMD化  備考;最新PWBはRev05/2020/10/12版
TC20A_top 基板サイズは約 50*87.5
JLCPCBのガーバービューワですが円弧が変です。

 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。入出力端子は基板用ネジ式金具端子20A対応。入出力分離。小電流ラインはチップ部品も左側に配置。FETSW部はFETの真上にチップ部品で実装する。
TC20A-BTM  Botm Vew; 大電流ラインは全て裏面。FET、大電流ショットキーダイオードは基板外。10m3Wチップ抵抗2個を裏付けします。(5m7W)
Q1は3mmビスでPWBの穴を貫通しアルミ板に取付る。(ナットはFETに)
TC20A 部品実装  TC20A-Rev05 PWB SMDに変更。SMD実装した状態です。
ジェルフラックスを使用し、手作業半田しました
 
基板を小型化しても大電流部パターンは確保しています。従来通りの3mmアルミ板を使用します。入力電流は最大30Aも想定される。20A出力が連続する場合は十分な強制冷却も必要となる。
基板用ネジ端子、電圧調整VR2は多回転型
 半田面。以下基板Rev04
左図のFET高さは5mmスペーサに高さを合わせて足を折り曲げ、絶縁シートも噛ませて正確に高さ決定し半田付け。これが適当だと基板にストレスが掛かり後日故障する原因となります。
動作チェックは左図状態で行う。大電流テス前に補強1mm銅線を半田で沿着する。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。(TK100A06N1)
電流検出抵抗は10mΩ3W*2又は左画像は.5mΩ7Wを使用。
 部品面。3mmアルミベース取付前。

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をリード線でタッチするとLED点灯OUTに出力される。電圧調整は VR1右回転で電圧上昇。VR1は仮に目安センターに調整しておく。左一杯で約25A。

10uHインダクタはクランプ型フェライトコアでの作り方はこちら。1.6mm線通過7T*2。コアギャップ1mm。
OSコンを入出力に使用した。耐圧は16Vであるので16V以上の設定はOSコンを破壊ショートさせる為注意。
VR1電流制限は右回転で制限量増加。
ファンサーモ温度検出サーミスタ 温度検出はショットキーダイオード、インダクタ内部、出力側OSコンなど。 
サラグリ加工し突起を無くす。これで大型ヒートシンクを簡単取付出来る様になる。15Aを連続的に超えるようであればファンで冷却する。 オリジナル50℃ファンサーモ基板も用意しました。
FANサーモ基板
 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
2019/12/14〜Rev05  電流制限抵抗は10mΩ5W*2を7WにMC34063AはSOP8に変更

 電圧、電流調整: (無負荷又は1A程度の軽負荷で調整)
 設定電圧はVR2、電流制限はVR1で調整します。(
入力電圧印加しただけでは出力は出ません
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FETスイッチがオンとなりDCDCが起動します。無負荷調整可能です。充電電圧調整はVR2です。

20A電流計は10mΩ3W(±1%)を接続し両端電圧を電流として読み替えして使用可能です。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。ブログに作り方記事
 テスト風景。 2017/04/16 24.8Aを記録しています。
測定器類は高価なものは使用していません。
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分ほど20A運転してみた。発熱は整流ショットキーD、インダクタ、10mΩ、出力コンデンサ、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オーバー連続ではアルミブロック+強制空冷が必須。
総合入出力特性の測定
2017/4/29 訂正差換えました。
出力電流測定は1mΩ電線シャント抵抗とテスター200mVレンジで測定。入力電流計は10mΩシャント。電流制限VR1は制限最小。負荷抵抗を変えて測定。
シュミレーションでは70%台の効率でしたが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。
測定回路は10A級DCDCと同じです
効率=出力電流*出力電圧/入力電流+出力電流)*入力電圧

 部品表:ページ内説明、配線図、PWBから拾ってください。
追記 L1インダクタは1.6mm*2 7Tに変更。
基板の並列によるパワ^アップ TC20Aの3基シュミレーションでは問題なく動作するようです

 3台使えば75A 0.23C充電可能です(計算上)。2019/09現在数名の方がTC20Aを調整作業を行い複数駆動で実用に供しておられます。フルパワー運用でなければ多少バランスが取れなくても実用上問題ない。(TC20Aが最適とは言えませんが)
設置調整注意点
  • TC20AはDCDCコンバータですが起動用回路の電源をサブバッテリ側に接続しているので(暗電流防止の為です)サブバッテリを接続しなければ起動しません。無負荷電圧調整時は150Ω1W程度を入出力間に数秒間接続すれば起動します。又は入出力を瞬間タッチでも可。
  • 本来はDCDCコンバータ並列駆動はマスタースレーブ設定等の設計を行いますがTC20Aではその機能はないので基板調整を同一にしなければなりません。
  • 各基板の単独調整が出来る様にそれぞれの基板にはACC入力に個別にもSWを設けて下さい。
     運用時は束ねた充電オンオフSWで。個別設置しておくと保守点検モニター等便利です。
  • 各基板の充電電流、0.1V以下の電圧調整が必要です。電流測定はクランプ型DC電流計が便利です。
  • 調整で電流バランスに大きく影響するのは各基板同一にする設定です。無負荷又は10Ω程度の抵抗負荷でVR1は最大でVR2で電圧をそれぞれを同一に調整します。負荷が大きい場合は約25Aとなります。制限が必要な場合にVR1で絞っていく。実際に50%くらいまで放電したバッテリを充電し動作を確認します。スタート時は定電流で充電し電圧は充電が進むにつれて上昇していきます。鉛バッテリは定電圧充電に成る迄早く到達し、電流はなだらかに低下します。充電中期以降バランスは崩れますが問題とはなりません。
  • 電流バランスを電圧調整で行わないで下さい。
  • 単独設置と同じく各基板には入出力ヒューズを着けて下さい
  • 入出力ケーブルは電流値に応じた相当の配線サイズ、3.5SQ以上
  • 基板設置は通風の良い様に、冷却ファン設置して下さい。基板は基板上面を天方向に設置して下さい。天地逆付け禁止。電解コンデンサ温度上昇による破裂の恐れがあります。垂直取付は可。
  • 設置調整後、各基板毎の電流電圧のチェック、動作温度を定期的にチェックして下さい。大きなバランス崩れが無ければ実用上差し支えない。
  • 運用時に於いても常時動作状況が見える様に、走行充電中にもバッテリモニター可能とする事を推奨します。
     運転席側AVメーターの設置

★運用についてのご注意事項★

 実際の20Aでの運用は安全性の配慮が必要です。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。充電初期レギュレータ制御時では発熱ロスも増加します。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。不要輻射成分、入出力リップルについて考慮していません。実装の際クランプ型ノイズフィルターなどの追加対策が必要となる事も予想されます。他機器への影響も確認してください。フルパワー運用より、余裕をみてTC20Aでは15A程度の運用をお勧めします。

注:TC20A定電流充電の性能は電流制限程度です。電流制限を正確に行うのはTC20Aは適切な選択ではありません。オルタネータの様な電流制限付き定電圧充電と考えて下さい。最大20A充電ができるバッテリが最適であると考えられます。小型バッテリーにTC20Aを電流無制限で使うと過充電になる可能性があるので必ず電流制限VR2にて制限して下さい。
充電電圧だけでなく電流チェックは必ず行う事!こんなものが安価で便利目安程度ですが
 
注:TC20A並列駆動調整について
大容量バッテリに使用するにはTC20Aを並列駆動する事で可能となりますが、TC20Aは簡易的な電流制限であり、調整が難しいですが電流バランスに大きく影響するのは電圧の設定です。無負荷又は10Ω程度の抵抗負荷でVR1は最大でVR2で電圧をそれぞれを同一に調整します。負荷が大きい場合は約25Aとなります。制限が必要な場合にVR1で絞っていく。実際に50%くらいまで放電したバッテリを充電し動作を確認します。スタート時は定電流で充電し電圧は充電が進むにつれて上昇していきます。鉛バッテリは定電圧充電に成る迄早く到達し、電流はなだらかに低下します。充電中期以降バランスは崩れますが問題とはなりません。電圧調整は充電モードでは触らぬ様に。
リン酸鉄リチウムイオンバッテリは定電流域が長く、充電終期になって設定充電電圧に到達する充電特性を持ちます。TC20Aの各部発熱状況、電流バランス、入出力電圧をモニターして下さい。
リン酸鉄リチウムイオンバッテリ充電にも使用されています。LIFEPO4・リン酸鉄リチウムイオンバッテリにBMS機能が内蔵されており設定電圧可能範囲内であれば使用可能と思われます。SLエブリイH・M・CではLFP12-50AHを2019/12導入しました
 
2018/10/15 
 TC20A基板3枚並列駆動で60Aの走行充電器を完成されました。
 【ジルとうなぎの・・・・・】ブログ 組込調整法など記事を掲載されています。
 バランスの調整や、基板の実装組立は大変参考になります。
2019/07/20
 【ジルとうなぎの・・・・・】ブログ 3基並列ハイパワー走行充電器を組み込まれています。
 
モニター報告にも掲載しています。

★大電力昇圧走行充電を並列運転を可能とするには当サイト開発のマイコン制御、入力電流制御同期整流方式を採用したTC10C  TC20Cを推奨します。LCD表示操作ユーザーインターフェースを備えていますので設定や電流電圧表示も常時表示が出来ます。高効率、低発熱、電力分割やフェイルセーフにおいても優利。最大16A×3=48A(ファン冷却要) 

★さらなる大電流昇圧方式走行充電の構想
 
105AH超級バッテリ3基並列接続がキャンピングカーに採用されています。0.1C充電でも30A以上必要になります。TC20Aでは最大出力25Aを得る事が出来ました。しかし、30Aは未到達です。様々な手段が考えられますがアマチュアの領域で簡単には1枚の基板では達成困難です。コスト的にも20Aが限度と思います。

モニター販売実施中。  実装方法、コンソールボックスのページはこちらに

TC20Aの並列駆動走行充電器の簡単な設置調整をブログ記事で注意点を含め紹介しました。

【この記事を元に自作され、不具合や事故等が発生しても一切責任を負う事はできません。自己責任でお願い致します。】
【TC20A 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、設置、取り扱いには安全に充分ご注意下さい】
 

注:
ハイパワーDCDCコンバータですので不要輻射、リップル、ノイズはパワーに応じて大きくなります。必要に応じてフィルター、クランプ型コア等の対策が必要となります。

サブバッテリ関連記事    シャント式デジタル電流計を安価に自作

★★お奨めはユーザーインターフェースを備えた TC20C 並列接続のハードウェアバランス調整は不要です。
   LCD&SWでのモニターが出来ます。
しかし過大な負荷状態、能力を超える大容量バッテリーや過放電バッテリに対してはTC20Aが有利な場合があります。
 

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