網站主機的 UPS 不斷電系統 DIY

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不斷電系統不僅要供應電源給主機,還有小烏龜(寬頻撥接器)及 IP 分享器,都必須不斷電外界才連得進來網站。筆者目前恰使用這三台。但也需考量到以後的擴充,例如多加一台效能更好的主機。
目前,各設備用電量我們看 AC/DC Adapter 即可,皆是 12V,小烏龜是 2.5A,IP 分享器及主機各是 1.5A。而考量到未來若有擴充主機,其功耗,筆者先抓個假想對象,一樣訴求低功耗,選擇 Intel Atom 處理器族系的 Intel Atom C3000 系列,其效能測試,及 C3758 參考功耗。主機,我們抓 40瓦,即 3.33A。
故計算設備總用電量:12.25V x (2.5A + 1.5A + 1.5A + 3.33A) = 109 瓦

筆者是立基於微型網站,即同時人數不會超過 50 人,所使用的設備。在設備與用電都恰到好處的最低成本考量下,其 UPS 供電系統便可輕易地具體而微地且富樂趣性地與知識性與歴識性地 DIY。
因此,本文的主題精確的說,是 12V 100 瓦的不斷電系統 DIY。
讓我們內文詳。

深入整體配置之考量

首先要說的是在細節考量之下,主要是衡量實際狀況而所作的“自圓其說”,即,對於下述,已沒有對錯或合不合理之別了,純粹是基於成本與易實作性與個人喜好之下的一廂情願的考量罷了。

  • 所有裝置恰都使用直流電源 12V,我們可直接取 12V 大瓦數的交流轉直流的電源供應器,由裝置群並接,即可應付整個 UPS 系統。如圖一,是筆者購來的 AC/DC 電源供應器 12V 20A 240 瓦 AC/DC Adapter。
圖一。12V 20A 240 瓦 ACDC Adapter。另也可取 ATX 電腦電源供應器來利用。
圖二。12V 供電,只要一顆大瓦數的 ACDC Adapter 就夠了
  • 240 瓦供電源已相當餘裕。然而,要找到 12V 大容量的電池,機車的鉛酸電瓶應是選項且應也別無他選了。電瓶我們抓 8Ah 來看,前面計算過耗電流 8A 以上的話,一旦停電,整個系統可撐約一個小時。想要更久,粗略來說,只要加並接電池即可無虞,多一顆多一小時。或選用更高容量電瓶。
  • 以上,從電源供應器輸出給,讓三個裝置及一個電瓶並接在一起,整個 UPS 系統就完美完成了。
  • 不過沒那麼簡單。。。要特別注意的是,電源與電瓶之間必須要有一顆電瓶充電/保護器(DC/DC 規格)。缺了它是不行的。因為電源對電池充電必須是在受控的條件下(本案例主要是限流),即電瓶充電器的功用。此接法如圖三示。
圖三。使用 DCDC 充電器。請特別注意DCDC 充電器市面上少見,且選用時,必須特別指定輸出入是可共地的。否則將燒燬(一般都是不可共地,即只能用於輸出即是終端)。換言之,此圖可改為電源只接充電器,充電器接電瓶,電瓶只接終端裝置。然而此舉易使電瓶時時充放電而發熱且減低壽命。下圖圖四,是市面上的一顆 DCDC 充電器,不意外輸出輸入絕不能共地的否則燒燬就發生意外了。
其次,我們案例是雙電源系統,所以在現提到的應用方法下,必須確保充電器的輸出電壓是小於 ACDC Adapter 的,否則電瓶亦將經常充放電,而此點亦頗難掌控,並且亦是影響到接下來提到的。

圖四。DCDC 電池充電器。當然它可外接 ACDC Adapter 而成為 ACDC充電器。
  • 不過又,常見的充電器通常是 AC/DC 規格,即插 110V AC 插座,輸出 12V DC 對電池充電。如圖五所示。一旦停電,電源供應器與充電器本身無輸入/無作用,而此時便由電池供電給所有裝置,如圖六示。
圖五。ACDC 充電器
圖六。最終的採取方法。但電瓶與電源供應器的壓差會是個問題。
  • 註:電源供應器的輸出和電瓶充電器的輸出都必須是支援防倒灌的(即輸出有接了顆正向二極體)。一般是沒有的,換句話說,此二者的輸出就都強制加顆二極體;電池輸出也要。如圖七所示。
圖七。整流二極體。如圖是 40A 的。本案例 ACDC Adapter 和電瓶輸出都使用 20A 的即可,充電器則看輸出 (Max current) 規格選用之。
  • 以上,本文就這樣地近完美地結束了但卻帶了兩點瑕疪:難掌控源頭電源電壓與電瓶飽充電壓造成的壓差所致電瓶經常性放充電。及,找不到輸出入可共地的 DCDC 充電器(若使用 ACDC 充電器則無此問題)。
  • 因此,本文差一步之遙還未到結束。
  • 再者,筆者偏好無鉛環保(或許吧)的方案,那就,可選磷酸鐵鋰電瓶,結案。。。
  • 但筆者真正偏好於其在 3C 中廣泛被使用的 18650 3.7V 鋰聚合物國民電池。。。的話。。。那麼。。。本文才得以。。。重頭開始說下去了。。。
  • 對了附帶一提,此法仍是有轉圜的,即,加入繼電器,當 ACDC Adapter 斷電,才讓電瓶的電進到系統內。不過,繼電器是有時間差的(再補顆電容),故用固態繼電器或電子式繼電器不過電流大小又是接著的問題。

深入整體配置之考量(二)最終方案

考量到篇幅,筆者就不再多作不相關的描述,原因就解釋為筆者的個人偏好與製造樂趣所導向的。

  • DCDC converter,有分升壓及降壓及升降壓。舉個 12V 用電常例,5V 4.8A 升壓成 12V 2A,與 24V 1A 降壓成 12V 2A。單這段描述,前者 6.8A 在電路板上流竄,後者只有 3A。因此轉換效率通常而言是降壓優於升壓的。 筆者將採取 19V 筆電的變壓器作為唯一的供電源如圖八。
圖八。筆電用的 120 瓦 19V 6.32A ACDC Adapter
  • 傳統鎳氫電池充電是 0.2C,快充是 0.7C。鋰電池則來到 1C,2C甚至於更高,不過以電流大小來看或許更適切(因充電器規格的侷限),通常是 1A,2A,而 4A 已算相當高了(採用多少可看並聯數而定)。以本案例觀之,最高 1A 算恰當,因,復電後再停電的機率低,電池可以慢慢充。故,筆者採用的 120W 電源同時給裝置與充電,恰夠用(滿載才可能頂過 120W,但例如小烏龜的 2.5A 都是浮算,廠商不可能用電去頂到變壓器的額定功率)。
  • (使用 4S2P,見下文的電池的考量)採取 1A 的充電電流來檢視平衡電流;平衡保護板可能有平衡電流通常幾百 mA 以下,估計不會同時平衡而是逐顆做。故平衡功能不會失效。
  • 將採取二階段降壓,先降壓成四串電池的充電電壓 4.2×4=16.8V 給電池及裝置的前級,再降壓成 12V 給裝置。因此會用上兩顆降壓器。如此也就沒有電池常充放的問題了。
  • 接下來,我們會有幾個方面的實作(描述將不會按照如下綱目)提供給各位 DIY 的參考:
    a. 電池
    a1. 電池的選用與組合
    a2. 電池的充電器與保護板
    a3. 使用於電池的工具
    a4. 電池成品與放電測試
    b. 兩種降壓器的介紹
    c. 終版 UPS 系統圖,如下圖九所示
    d. 實際整個 UPS 系統的組件與成品圖
圖九。最終的 UPS 系統
  • 接著我們先來看看為何使用四串電池的考量。

動力電池之放電測試

圖十。18650 動力電池
  • 18650 鋰聚合物電池,高瓦輸出動力電池,如圖十
  • 品牌:淘雜牌,類松下特斯拉 18650B3.7V10A3400mAh
  • 批發價:13RMB
  • 電壓:2.5V-4.2V
  • 標稱內阻:23mOhm
  • 據稱容量:實
  • 實測容量:略
  • 額定可持續放電流:10A
  • 實測結果:

單顆從滿容量開始測試,放電流拉升至 6.5A,約 1 分鐘內就會壓降至 3V 以下。而若拉高至 7 A 不一會兒便會掉至 3V 以下。因此,可認定(抓),
6A 為最高穩定放電流,瞬間可放電 7A 以上

  • 評測等級為中高
  • 實用性考量之下(以 worst case consideration),以 12V 輸出電源而論,採用 4 串 16.8V 將是最合適的。而單顆提供 3V x 6A = 18 瓦的穩定上限驅動能力(即,能穩定供壓一小段時間),四顆最高將是 72 瓦,將不能應付筆者的目標 100 W,換言之,4S 這規格是無法採用了。於其他方法中,若採取 4 串 2 並, 72 W x 2 = 144 瓦,不僅超標,還有(144-100=44 瓦)上限彈性,亦可避免持續高電流放電帶來的電池壽命減短(即 100W / 4S2P = 12.5瓦,由單顆電池來負荷,以電池可利用的若最低電壓 3V 而言只要 4.66A,遠小於 6A)。因此 4S2P 就此定案。
  • (三串的電壓真的太尷尬,介於 7.5~12.6V 之間。)
  • 補測說明:建議極限,短時間可至 10A 至 13A,因為仍撐得住但會發高熱。而很關鍵的是使用多串保護板,其有優劣將影響著極限電流的大小,即保護板本身也有內阻不容忽略。

降壓器之介紹

筆者把 19V-to-16.8V 稱為第一級,16.8V-to-12V 稱為第二級,12V 稱為第三級。

19V-to-16.8V

從 19V 過來所接的 DCDC 降壓器,將用於降成 16.8V,且負荷整個系統的功率。因此筆者採用了可耐 12A 的。16.8V x 12A = 201.6W。圖十一示。更適切地考量,讓我們先看一下它的規格:

圖十一。用於 19V-to-16.8V 的降壓器
  • 批發價: 22RMB
  • Name: 12A 同步整流降壓恒壓恒流模組
  • PN: XY-JVA-12K
  • 其實小小的,70mm x 40mm x 30mm
  • IN: 4-32V
  • OUT: 1.2-32V
  • I/O 最小壓差:0.8V
  • 自然散熱:8A
  • 有輸出短路保護,無輸入反接保護,無輸出防反灌,輸出入不可共地
  • 掛負載上電無法進入正常工作狀態,須先上電再掛負載(合理,防止上電前短路)
    註記此點,經筆者實測確實有此困擾,這表示我們必須在負載 12V 前加顆繼電器,及電池前分路加顆繼電器及二極體。兩個降壓器進入工作狀態會快於繼電器啟動,若否可能設法加分壓來延遲繼電器。但加繼電器讓線路複雜了,故,且合宜假設,除第一次上電,永不斷電就無此困擾
  • 筆者對它的配置:調成至少 (16.8+0.5)V,可稍高點為佳,因一來有電池保護板對電池截止充電,二來第一級降壓壓降小點讓轉換效率好點應會優於讓第二級降壓轉換效率好點。限電流筆者調到了 10A。因考量到以後擴充因 120W 的電源供應器確實有點抓筋見拙。日後直接換顆供電源即可因為此降壓器是定壓型的改輸入不需再調過例如可換成一顆 32V 的電源。

粗估一下 UPS 滿載總功率 = 裝置功率 109W + 電池充電功率 16.8V x 1A = 125.8W (worst case)
結果是超過了我們提供的電源功率,但不多,且我們一開始便有預留及最差計算,故可放心忽略,我們之後還會再精算一次。(別忘了大廠的電源通常也是會多留一些負載能力的)
故粗估 125.8W / (16.8V + 0.5V[二極體壓降]) = 7.27A
故此降壓器是適用的且可自然散熱不過筆者還是會多加散熱片及風扇。
因它輸出是會接到電池的所以必須加顆整流二極體防倒灌,如圖十二,15SQ045,即規格 15A45V。二極體正向偏壓是會有些壓降的,降多少看規格或實測而定,筆者抓 0.5V。

圖十二。二極體正向偏壓會有約 0.7V 的壓降

總結,當然不能放過實測,並先精確計算如下:
A. Normal case 1:120W(電源) x 90%(第一級降壓器轉換效率) x 90%(第二級降壓器轉換效率) = 97.2W 的終端輸出。
B. Normal case 2:120W(電源) x 95%(第一級降壓器轉換效率) x 95%(第二級降壓器轉換效率) = 108.3W 的終端輸出。
C. Worst case:(109W / 90%(第二級轉換效率) + (16.8+0.5) x 1A = 138.4W) 的第一級輸出 / 90%(第一級降壓器轉換效率) = 153.8W 的供電源必需輸出。

因為 C,worst case 太卧屎了,故 A,B,二項是從實測抓出最接近的轉換效率再套到 C。因此會在電源輸出端掛顆電流計,並看看與 120 瓦的關係。
要準備好才能測試,故加開一小節如下。

導線線徑的選擇

若是電源工程師,是必須去計算所該用的合適的輸出入電線規格的。
通常電流數愈高,導線就要用得愈粗,更精確的說還要搭配導線上功率來看。多粗(多長)為合適,是可有理論上的參考表可用的,不過實際導線的材質與品質也是必須納入考量的。
以上並非是我們的問題,我們的問題只在這個案例及手上有沒有合適的導線。
兩點原則,通常直流電源導線,選用 1AWG ~ 18AWG 之間的線徑,假設素人我只有夠長的 18AWG 導線,那麼,就足以應付任何需求,即,並聯導線,將使 18AWG 的導線升級成 15 AWG 的導線,即,並聯 2 條 (Y) AWG 導線,將變成更粗的 (Y-3) AWG 的導線,以此類推。

筆者的選用:
第一級 19V-to-16.8V:短的 15 AWG
第二級 16.8V-to-12V:12 AWG
第三級 12V:18 AWG

實測 19V-to-16.8V

圖十三之一。降壓器掛上 5V 風扇,故還須接一 16V-to-5V 降壓小板
圖十三之二。降壓器成品。輸入是 XT60H 公頭,因電源通常是母頭(防人為短路機率)。輸出有接了一顆防倒灌二極體,而除了要接另一顆降壓器外,也要接電池,當然電池是母頭,所以於此也是用公頭。
圖十三之三。電源串接了電流計,接到降壓器,輸出接到負載器。如下二圖,微調到了最大負載。
圖十三之四。電源輸出了 156 瓦,超出了額定 120 瓦。(而先前有計算到 worst case 153.8W 的供電源必需輸出,比較下可認定當整個系統最大負載時,供電源端尚不會馬上停止工作)
圖十三之五。負載了 145 瓦,所以可求出轉換效率是 93%。有大約 10 瓦的熱耗損,其必須適量帶離。

接線及實測如圖十三。
不過實測馬上又變了卦。前述三點實測其實是筆者脫褲子放屁。筆者已有負載器及電流計了,直接就可量測出來轉換效率及部件的電源實力到多高了。因此測果如下:
1. 120W 19V 6.32A 供電源之電流到 8.45A 後便會斷電保護,必須重插 AC 才能回復。
2. 供電源可先接 8A 負載再上電。
3. 供電源在 6.85A 下 burn-in test,就會很燙了。
4. 這顆降壓器的轉換效率是 93%。
5. 這顆降壓器效能如規格所述無誤。
6. 正向二極體的壓降在 0.16V(no load)~0.37V(16.8V/8.64A) 不等。

小結:so far so good

16.8V-to-12V

圖十四之一。16.8V-to-12V 降壓器正面
圖十四之二。16.8V-to-12V 降壓器背面
圖十四之三。選用它,就是看上它能顯示所有裝置的耗電流。不過實測檢驗,它電流的精準度差強人意勉強可用。
  • 如圖十四。規格如下(跟前一顆降壓器差不多不過不同廠家做的)
  • 批發價: 42RMB
  • Name: 帶液晶顯示 12A 降壓模組
  • PN: ZK-JVA-12KX,ZK-12KX V2
  • 其實小小的,82mm x 52mm x 32mm
  • IN: 5.3-32V
  • OUT: 1.2-32V
  • I/O 最小壓差:0.8V
  • 自然散熱:8A (120W,加強散熱 12A160W)
  • 有輸出短路保護,有輸入反接保護,無輸出防反灌,輸出入不可共地
  • 掛負載上電無法進入正常工作狀態,須先上電再掛負載(合理,防止上電前短路)
  • 筆者對它的配置:輸出調成 12.5V,因稍高點為佳,跟輸入 16.8V 壓差小點效率可能好點。限電流調到了(109W/12.5V=8.72A,那就抓它表上 10A)10A/125W。並且加散熱片及 12V 風扇。
  • 實測下其效率 94%,其能力與前一顆相似便省篇幅了。

4 串 2 並電池的製作

圖十五。排列電池
  • 電池出廠電壓通常是 4.2V 或 3.7V,隨著時間上的閒置電池會自然放電,買到手我們便對電池量電壓,將現電壓由低而高排列並標示如圖十五示。我們藉以判斷內阻或特性相近的電池。當然有測內阻的儀器再好不過了。原則是,串在一起的電池最好是內阻值一樣或相近的而在此前提下並在一起的電池最好是內阻值一樣或相近的。
    因此,筆者無測內阻儀且恰只有八顆電池無法挑出,只能以較佳的方式排列。排列方式是 1234 串在一起,5678 串在一起。但並聯呢?所以會是 1234 與 5678,不,是 8765 並在一起。有差嗎?見下點。
  • 4 串結合後,由 4S 的鋰聚電池保護板框守著並由保護板執行對外收放電過流過壓過溫反接等保護等功能,對內則作短壓保護及對各單元 (cell)作電壓平衡。這表示 2 並,筆者得用上 2 張保護板,然後再將其並接。即便這些並中它們串內阻和差異很大,但卻都由各自的串保護板完善保護著,無虞。但筆者只想用一張保護板,因此只能先兩兩並接,再將其串接起來。故才會有 18,27,36,45 先並接起來,再 (18)(27)(36)(45)串接起來。而為何要 18 而非 15?因為(1+8)(2+7)(3+6)(4+5)用來象徵內阻。
  • 接著透過點焊機與鎳片將電池結合起來並焊上保護板,但在此之前,所有電池都要先充電或平衡到一樣的電壓。因此,以下增開幾小節做這部份的分享。而電池的製作成品也要考量到整體的散熱,此點就不再贅言。
    1. 保護板
    2. 充電器
    3. 點焊機
    4. 筆者自己期待很久的 4S2P 測試

4S 鋰聚電池保護板

圖十六之一。電池保護板
圖十六之二。電池保護板規格
圖十六之三。電池保護板區塊功能
圖十六之四。電池保護板接線法
  • 如圖十六。規格如下
  • 批發價: 9RMB
  • PN: HX-4S-F30A
  • 其實小小的,56mm x 48mm x 4mm
  • 持續放電流 30A,瞬間最高 56A
  • 充電電流 Max 20A
  • 解除過流保護:斷開負載
  • 無輸出短路保護
  • 用法制式,筆者就不再贅述了。
  • 但,好事多磨,有發現到什麼問題了嗎?保護板允許最大充電流 20A,這表示在我們建構的 UPS 系統下,還好我們用上了動力電池允許大電流充電,加上第一級降壓板限電流 10A,預估現階段裝置用了 5A 不到,故預估電池充電流最高可能超過 6A(別擔心因分攤到了,單顆電池只有 3A),且降壓器可能 10A 滿載是該顧慮溫度問題,其次,輸入阻抗帶來的裝置與電池搶電問題/此系統下無解,只能說保護板陽春沒有限電流功能。就留待電池成品測試或最終系統測試來看。(只發生在復電後。而電池會放會充故樂觀猜測電池會搶輸。此時又聯想到,極大電流極小壓降的極小體積非電化學電池是終極電池)

裸電池成品

介紹完保護板,接著組好四串二並的電池,我們就可以把保護板焊上去了。這當中有幾個可以談的東西。讓您們先看看筆者的裸電池成品如圖十七。因此要談的東西,直接看接續的那些標題,重點是看到此成品,筆者就迫不急待,先來個 4S2P 裸電池的放電測試,再來個前面談到搶電問題的測試,因為,在焊上保護板前是最適合測試的時機。

圖十七。4s2p 裸電池

4S2P 裸電池放電測試

圖十八之一。掛上負載器準備測試
  • 4S2P 在充飽到 16.7V(單體都 4.19V)後掛上負載器。因負載器的電壓顯示有點不準,然而功率累計是負載器計算及顯示的故所有數據都以負載器為準。
  • 最開頭提到 12V 8.83A = 109W 是裝置總功率,故索性讓電池組電壓在 12V 以上時放電 8.83A,如圖十八之二,十八之三所示,而當小於 12V 時,調成 10.5A(以 109W/10V 觀點)。當電池電壓小於 10V 時停止放電。
圖十八之二。初始電壓 16.7V,以 8.83A 開始放電
圖十八之三。目前看起來樂觀,功率來到 131.85 瓦
  • 以下為測試結果:
  • 16.7V,CC 8.83A 開始放電。
  • 當電池組電壓小於 12V 時,手動調至 10.5A,隨即電壓掉到 11.4V 左右,如圖十八之四,即輸出功率 119.7W,此時,累計容量 83.46Wh,已歴時 41 分半,過程中電池的手感溫度約 65 度 C 以下
圖十八之四。調升放電流
  • 接著電池溫度飇升,不一會兒電壓便掉到 10V 以下,隨即停止放電。但電壓又緩慢回升,因此,決定再放電一次,以求出容量。而此時的數據如圖十八之五。累計容量 87.59Wh,已歴時 43 分多,電池的手感溫度約 65~75 度 C 間,即燙手無法久放。
圖十八之五。第一次短壓,停放,先讓電池冷卻
  • 電池冷卻後再一次以 10.5A 的一半 5.25A 放電,但不一會兒,電壓便掉至 10V 以下,如圖十八之六所示為最終狀態。
  • 累計容量 88.16Wh,已歴時 44 分多。而電池長時間閒置後,電壓來到恰 12V。
圖十八之六。終態
  • 結論:
  • 此實測,讓我們很清楚發現電池單體可用電壓 3.0V 至 4.2V
  • 四串二並容量 88Wh,台幣 500 元的動力電池。很興奮地讓我們做一點計算及兩點比較:
  • 前面提到第二級降壓器效率 94%,109 瓦的滿載裝置,故 88Wh x 94% / 109W x 60Minutes = 45.5 分鐘,這是這顆電池在我們系統下,停電後能撐的時間。(可能稍再短因還未加保護板)
  • 以機車鉛酸電池 8Ah 來看,是 96Wh,跟這顆 DIY 電池差不了太多。而體積是鉛酸的約四分之一(不過絕大部份場合仍無法拿它取代鉛酸)。反過來看,相同體積的鋰聚價格約略鉛酸的兩倍,容量約略超過三倍。但。。。CCA 若以鉛酸 150 來看,可能還是頗有差距(筆者認為約 60 而已。找更好點的動力鋰聚有機會超越)
  • 接著要看電池額定容量 3400mAh 實不實了:88Wh / (4 x 2) / 3.7V x 1000 = 2973mAh。2973 / 3400 x 100% = 87% 這數據告訴我們,若容量實,則電池大電流放電(8.83A/2 = 4.42 A)其效率 87%。小電流建議 1A 放電效率會好點且或許以它做為基準容量吧。
  • 下一節就是實測電池是否搶電的實驗
圖十九。對無保護板的 4s2p 電池充電

4S2P 裸電池充電測試

搶電?多奇怪的名稱。沒錯是筆者自己發明的名稱。其實電就都是符合歐姆定律,所以沒有搶不搶的問題。今扯到”搶“,就只是因為源頭不足,且很顯然的,裝置就必然需要那麼多,然而,電池卻是可多可少,單看其輸入阻抗與內阻。誰的輸入阻抗低同時間就可得到更多電。因此,打著僥倖心態看電池能不能要少點:若裝置取得工作電壓流後,電池使用剩餘的扣答充電,同時降壓器限流在 10A 那再好不過的了。
線已接好如圖十九。接上電池後,19V 變壓器保護住了,筆者恍然大悟了。。。
前面實測出供電源輸出超過 156 瓦就會保護住了。降壓器限流 10A,17.3V,173 瓦,唉真是忘了。。。
所以,接下來也只能是等整個系統完善後再測一次,而可預期除了換成更高瓦的電源好像別無他法了。咦,前面不是談到電池只能給 1A 嗎?唉真是忘了。。。
問題是,如何限在 1A?再加個 DCDC 充電器嗎?但它不是有輸出入不能共地問題?
看來,另尋廉價且無效率的解法是。。。加限流電阻了。。。。。。。。。哈,還好只是 1A。

4S2P 1A 充電流考量

  • 線路將會是,保護板的終端(P+/P-)會有兩顆方向相反的整流二極體各司輸出入。輸入部份還加了顆限流電阻。
  • 考量多大的限流電阻:
  • 先前實驗電池放電到 12V 後就會整個弱掉/易掉到 10V 以下,預期必使保護板保護住,因此 12V~10V 區間是很快速的充放電/電壓變動區間,以致於我們以最低電壓 12V 來考量即可。
  • 保護板終端電壓的變化 12V~16.8V
  • (16.8V-12V) / 1A = 4.8ohm
  • 這個歐姆值表示,在 1A 以內的電流,保護板會有 12V~16.8V 此區間的端電壓,換言之若電流超過 1A,此區間將整個向零點偏移,故確保了當電池要求電流大於 1A 時供電壓將小於電池電壓,也就是沒辦法充。故限住了最大 1A。
  • 我們必須確保經過電阻及二極體壓降後輸入保護板的電壓是 16.8V 以上,因此須加上二極體壓降 0.7V
  • 16.8V + 0.7V = 17.5V 這是我們必須確保在經過電阻前的供電壓的最小值
  • 故將取 5 歐姆水泥電阻,1A x 1A x 5ohm = 5 瓦規格。
  • 而實際最大電流將可能略小於 1A。
  • 所以當電池處於充電時將有最大 5 瓦的額外熱損耗。
  • 使用充電器是一個 CC/CV 曲線充法,而我們加了限流電阻,致以線性的充法充電池,較為不當。
  • 電池放電輸出因加了顆二極體致輸出電壓區間往零點偏移。而第二級降壓器規格至少要有 0.8V 壓差,表示電池本體大概在 13V 時降壓器便無法工作,而轉圜的做法是把降壓器調降至 11.8V(大負載及線阻可能還會有終端壓降[先前是調為 12.5V]),而終端裝置內部應都還有 DCDC 轉換所以應是影響不到。算一下單顆電池只利用到 (11.8+0.8+0.7)/4=3.33V
  • 文章前部份,降壓器及防倒灌而以 17.3V 為調整電壓,將須修改稍高點,筆者將不回修文章前部份的描述。
  • 原本想要一顆二級降壓器就能兼顧電池及裝置,但看來要不是保護板要有限流功能要不就是甩不開 DCDC 充電器的使用。
  • 圖二十之一是對應的線材。
圖二十之一。
  • 圖二十之二是完整的 UPS 系統連接。
圖二十之二。UPS 系統掛負載器來測試
  • 圖二十之三是對整個系統的測試,其中,電池以 12V 開始充電,讓供電源滿載後(6.32A),裝置只能用到的功率。而電池只以最高 0.8A 在充。也就是說裝置最高只能用到 95 瓦
圖二十之三。
  • 圖二十之四,之五,是供電源保護前最大功率下,電池充電下,裝置能用到的功率。116 瓦。
  • 故看來,到目前為止 UPS 系統都還算是可行的。
圖二十之四。裝置最高可用 116 瓦
圖二十之五。供電源最大輸出功率 144 瓦

充電器的選用

與電池相關的內容還有充電器的選用。因截至此止篇幅已經很長了,故筆者打算草草結束掉XD,有機會的話再來此補充這一點。

點焊機的介紹

這一點也是,涉及到用電來源的選用。以後再談。
我們來看最後一個主題,第三級 12V 的輸出/接給終端裝置。

終端輸出

  • 使用如圖的並接盒便利許多,並陳列出用到的零件。當中少不了三台裝置的輸入接頭及另一端的 XT60 接頭,導線目前只找到一條,而降壓器過來的接頭一樣是 XT60,同三裝置一起並插也就是說盒上四孔就已會被用掉了。
  • 名稱:XT60 充電並接盒(含平衡連接座)
  • 電流:穩定 40A,最高 60A
  • 批發價:36RMB
圖二十一。XT60 並接盒

結論

  • 筆者完成本文後審文但自己看不下去XD。。。故寫在這裏強調:很多基本電學的常識,建議 follow 整個思路想法做法程序以細看及思考之,必定對鮮少接觸電的讀者有不少的收穫與認知的。
  • 最終成品,圖二十二示。離剛開始的想法差距沒有很大但,
  • 當電池充電時,會有 5W 的限流電阻熱損耗
  • 實測下電池最高只以 0.8A 在充,且電壓稍升高電流就稍下降。筆者實測下(未完成實測),等電池充飽的時間可能要經過三天以上XD
  • 本系統使用了兩顆恒流降壓器。還記得一開始的 12V20A 供電源嗎?是否可以配置成直接供給裝置,並接一顆恒流升壓器給電池充電,再降壓接回源頭但降壓不能再使用恒流;問題是停電時電池供電降壓後又給恒流升壓器對電池充電?
圖二十二。100 瓦 UPS 不斷電系統最終成品
參數規格:
目標 109W。穩定 95W。最高 116W。電池供應時間分鐘/109W。電池充電時間 3 天以上。
  • 本文至此算是功德圓滿了。
  • 但筆者的測試還未結束,因為電池現正邁入第三天充電,還在充XD,筆者要等其充飽來量電壓確認於 16.8V 截止並量各 cell 電壓值看保護板的可靠度。也要看完整的系統下讓電池以 8.83A 放電多久會保護住及再量各 cell 電壓。最重要一點,見下一點。最後一點,還有實際掛上裝置看現電流及裝置在 11.8V 下能否正常工作。將於完成後補充如下。
  • 前面提到的搶電問題:當電池以 12V 起充及掛了負載 8.83A,且此時供電壓是 16.8V 限流 10A 時,到底會有什麼現象發生?若順利負載了 8.83A,則在限流下只有 1.17A 可被電池拿來充電。關鍵問題是:鋰電池 CC 充電階段,當電池電壓 12V,而供電壓在 12V 多一滴滴時,電池輸入阻抗就已低到會要求超過 1.17A,我們假設 12A 好了。但現在是供電壓是 16.8V,充電時電壓會保持在 16.8V 嗎還是拉下至 12V?若是保持在 16.8V 豈不是違反歐姆定律了?若拉下來了那不就成了筆者的整個 UPS 系統的最大敗筆,系統崩潰了。。。若真如此,那筆者加那導致要充電三天的限流電阻啟不是解救筆者 UPS 系統的最大功臣了!
  • 看規格,充電保護板的適用電壓是 17~18V。若能耐壓至 19V 或是能找到 17~18V 的大瓦數供電源,那麼第一級的降壓器便可省掉,不過仍用上限流電阻是逃不掉的命運。

補充

  • 充電至約 16.7V 時(B+/B-),保護板便停止充電(供電壓有 17.1V),P+/P- 為 16.34V,各 cell 分別為 4.19,4.17,4.17,4.17。研判只要有一 cell 到達 4.20V 便停充。且應開始漏電流。
  • 電池放電時,從電池源頭(B+/B-)到第二級降壓器輸入有 0.87V 的壓差
  • 電池放到 11.8V 時(B+/B-),保護板便保護住停止輸出,第二級降壓器輸入電壓在 0.6V。而系統復加上供電源後,包含保護板,整個系統開始正常工作,即,若又移除供電源,電池又會開始放電。而第二級降壓器的部份,輸出設定在且穩定在 11.87V。而當輸入電壓過低,與輸出壓差仍會保持在 0.4V~0.5V 之間,輸入電壓掉,輸出會跟著掉,即,輸出入保持在 0.4~0.5V 壓差。此次測試整個放電數據:電容量 78.93Wh,耗時 46 分 47 秒。
  • 關於搶電問題,就必須移除限流電阻來測,但測試結果未果。因為電池取電流少說 7A 以上,配合電壓 16.8V 就已超過供電源功率致斷電保護起來。實際有觀察到電壓從 16.8V 被拉下至 14.6V,且以 7.5A 在充電池,但只有偶遇,大多供電源保護起來。據此推測,一級降壓器因以 16.8V 充電池,若頂到了限電流,將會降下電壓以應付電池,極端地說若,供電壓 16.8V,12V 現電壓電池,要求 30A 電流,那麼供電壓降下來至 12.5V 將可使電池只要求 12A 電流,供電壓降下來至 12.001V 將可使電池只要求剛好 10A,這應便是恒流降壓器透過反覆偵測電流,調節電壓,達到限流的效果。
    我們回來看若不使用限流電阻且供電源足瓦的假設下,在不限流下,電池將會以全速在充,若電池 12V,總內阻 100mOhm,供電源 16.8V,單顆電池將受到 24A 的電流相當危險!若限流 10A 下,一級降壓器最低輸出將是 12V,經過二級降壓器 0.8V 壓差,輸出將是 11V 左右,將可能導致裝置短壓無法正常工作。
    是故,限流電阻真是本專案的唯一廉價解法了。
  • 上線:
    一樣使用壁掛,如圖二十三。
    意料之外,當啟動 Siege,跑 users=50,time=3,耗電流只有 1.4A 上下如圖二十四示。閒置時,耗電流只有 1A 上下。也就是 IP 分享器 + cable modem + 迷你電腦,三台裝置的閒置功耗約十二瓦。XD。真是夠了XD。。。
    這表示,以目前的配備一旦停電將能撐 6 個小時以上。
  • 20210201 補充:
  • 今天筆者做了首次的電池放電測試。耗時恰 7 個小時後沒電,保護板短壓保護了起來。回復後,量測電池電壓是 12.53V。
圖二十三。UPS 系統上線。
圖二十四。非閒置狀態的總耗能:11.90V(終端應在 11.75V 以上),1.42A。約 17.3 瓦

20211217 更新

  • 後來,追加入一台主機 i5,閒置待機時,輸出電流約在 2.5A ~ 2.9A 間飄動。我們抓 2.7A,故平均總耗能成為 32 瓦。當此機重載時,偶爾頂一下 5A 多,我們抓平均 4.5A,故總耗能是 55 瓦。此狀態已穩定跑了近半年。
  • 底下是新成員電源(NT$ 520),可能會加入至 UPS 系統當中,因為現在又有了另一新成員主機 5900HX 等待合適的電源環境以加入。
  • 底下是此 DCDC 升壓器的規格。(風扇規格 4cm x 4cm,12V,0.1A,溫啟)
  • 而根據後面文章關於 5900HX miniPC 的功耗量測的結論,關於第二階降壓器,可再換用第一階降壓器。不過筆者手邊已沒有這顆備品,但還有另一顆,規格如下:
  • buck 150KHz,NT$ 95
  • 300 瓦,短期最高 20A,長期可 15A,但超過 8w / (1-90%) = 80 瓦,需加裝風扇。
  • 輸入 6-40V
  • 輸出 1.2-35V
  • CV/CC
  • Vdiff-io 3V
  • CC 0.2-20A
  • output short protection,no other protections.

20211219 更新

  • 為了將 5900HX mimiPC 加入 UPS 系統中,已改版了這套 UPS 系統。其中就是汰換 12V10A 具顯示功能的那顆降壓器,成上圖這顆。其中,16.8V 降壓器的限流在 10A,而這顆 12V 的則限在 14A。此外如 5900HX 功耗量測那篇文章中提到的也加入了那一顆 19V 的升壓器。如下圖所示。其中標示出了未負載時的各端點電壓。此升壓器限在 7A;故分別是 168 瓦,168 瓦,133 瓦。168 瓦預期將可承載 i5 + 5900HX 的同時重載(不過此參數也差不多在上限了/還有空間上調)
  • 不過如下圖示,現在的瓶頸轉到源頭身上了,單只有終點 115 瓦的輸出,電源供應器就會停止輸出/上限了。因此再換掉它勢在必行了。
  • 因此,最後的版本如上圖外,應是換成源頭 8A 以上的電源,19V 或是 24V 皆可適用。屆時再來壓測看看。
  • 最後,沒功耗可觀察了,所以可以 DIY 一套走無線網路回報的 arduino 電源監控器。
  • 構想上,如下圖所示從箭頭處嵌入,並佔用原本風扇所用的電埠/之所以換上大風扇是因小風扇常壞,一來監控所有裝置的總電流,再來可根據負載開關或調速風扇。此外,升壓器有 UART 輸出它的電壓流等狀態如前面規格手冊中載的那些功能,再來找來磁感式的偵壓流的電子積木;分別用於源頭與電池端用以計費及可通知 servers 預先關機/因電池將耗盡;如此,加入這一套 arduino 專案,就是一整套完善的 UPS 系統了。筆者若閒到發慌時再來啟動這個專案了(所以遙遙無期了)。
  • 對了,還是會把超級電容(因為閒置不知該用到哪去;該顆電容有附帶保護板,所以危險性應不高,唯只怕品質問題)插上 12V 埠上以應付瞬態重載不過,筆者應有在別處提過,它(超級電容的構造,應該),充電阻抗極小,放電阻抗或容抗極大,是真不適用才是。

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