Suministra tres voltajes diferentes con el mismo paquete de pilas recargables de NiMH

Question

Tengo un paquete de baterías que me gustaría utilizar como fuente para todos mis componentes alimentados por baterías en una bicicleta de paseo.

Mi pack incluye (10) celdas de 1,2V conectadas en serie:

{[+ -][+ -][+ -][+ -][+ -][+ -][+ -][+ -][+ -][+ -]}  
|                                                  |
--------------------- 12 V -----------------------

El tema es que algunos de mis aparatos funcionan con (2) pilas AA, otros llevan (4), y otros que requieren 12V. Lo que me gustaría hacer es:

• Conecte todos los dispositivos a un paquete común, eliminando la necesidad de baterías individuales, y simplifique la recarga
• utilizan un diseño robusto, resistente a las vibraciones y a la intemperie
• utilizar un diseño adecuado para los componentes de bajo amperaje
• suministrar todos los componentes con un rendimiento de prácticamente el 100%.
• fácil de mantener (es decir, identificar y sustituir periódicamente las células defectuosas)

De toda la investigación que he podido encontrar, parece que hay dos soluciones comunes:

1) añadir convertidores electrónicos DC-to-DC para bajar la tensión a 6V y 3V respectivamente, y aceptar la ineficiencia de la conversión.

2) Empalmar la serie en puntos específicos para crear tres circuitos.

{[+ -][+ -][+ -][+ -][+ -][+ -][+ -][+ -][+ -][+ -]} 
|         |              |                         |
- 2.4 V -              |                         |
|                        |                         |
-------- 6 V -----------                         |
|                                                  |
--------------------- 12 V -----------------------

3) una tercera opción es simplemente vivir con el peso extra. Alimentar cada componente por separado y de forma independiente, y recargar/sustituir las baterías cuando sea necesario.

Cada una de estas opciones tiene sus desventajas. Pero la 2 parece ser la más prometedora. El problema más evidente es que la carga se distribuye de forma desigual entre las células del pack. Si pudiera superar eso, creo que tenemos una solución ganadora.

Así que mi pregunta es la siguiente:

¿Es posible, con un cableado inteligente y una electrónica mínima, suministrar tres voltajes diferentes con el mismo paquete de pilas recargables de NiMH?

Se agradecen los comentarios, las sugerencias y las ideas.

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Mi mejor suposición hasta ahora es la siguiente:

• combinando un temporizador y relés para hacer esencialmente un interruptor de dos polos y cinco tiros que hará un ciclo a través de cada par de células cada minuto más o menos, proporcionando un flujo constante de 2,4v
• combinando un temporizador y relés para hacer esencialmente un interruptor de doble polo y doble tiro que hará un ciclo a través de la mitad de las células cada minuto más o menos, proporcionando un flujo constante de 6v
• conectando todos los dispositivos de 12v al pack de forma normal

Por desgracia, estoy atascado en los relés, y cómo conectar el temporizador para disparar los relés, todo ello manteniendo tres circuitos independientes. También me gustaría mantener las cosas compactas. No es práctico tener una placa de circuito del tamaño de una caja de zapatos además del paquete de baterías. Idealmente me gustaría empacar todo en un Pelican 1010 caja impermeable.

Al principio pensé que podría usar diodos y conectar todo en una gran masa, pero abandoné esa opción después de algunas pruebas anteriores. Al parecer, los diodos se calentaban muchísimo, lo que significa, por supuesto, que disipaban una gran cantidad de energía que debía ir a los componentes.

Otra alternativa que he considerado es un regulador de tensión de diodos Zener. Esto sería bueno con una aplicación de bajo amperaje y la electrónica mínima, pero por desgracia también sufre de la ineficiencia de la conversión.

Para que conste, mis componentes son:

+---------------------------+---------+--------------+-------+  
| component                 | voltage | usage        | draw  |  
+---------------------------+---------+--------------+-------+  
| tail light                | 3V      | night time   |  25mA |  
| headlight                 | 6V      | night time   | 250mA |  
| cycling computer          | 3V      | always       |   1mA |  
| turn signals (automotive) | 12V     | intermittent |  55mA |  
+---------------------------+---------+--------------+-------+  

La buena noticia es que, como todos estos dispositivos funcionan con pilas, toleran las fluctuaciones normales de voltaje de la química de las pilas.

Planes de futuro:
Sistema de recarga de dinamo de buje de 6v

Answer 1

Deberías usar convertidores DC-DC o paquetes de baterías dedicados para cada voltaje.

No debe utilizar los puntos intermedios de los paquetes de baterías. Esto conduce a diferentes niveles de carga en las celdas. Como resultado, obtendrá una tensión inversa en las celdas que se descarguen primero y esto dañará la batería y posiblemente el equipo.

El siguiente esquema lo muestra.

La tensión inversa aparece cuando una de las vendas de una batería está completamente descargada y, por tanto, no tiene tensión a través de ella. Si las otras celdas siguen suministrando energía, la corriente seguirá fluyendo y así se "cargará" la celda muerta con una tensión negativa.

La carga conectada a la célula muerta de esta manera obtener la tensión de alimentación de polaridad inversa, por lo tanto, posiblemente, morir.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Lo más óptimo (si no quieres utilizar otros dispositivos de tensión nominal) creo que es alimentar el dispositivo más potente (faro de 6V) directamente y utilizar convertidores elevadores/bajadores para todos los demás.

Answer 2

Partiendo de lo que sugirió Vovanium, mira algo conocido como Doblador de tensión o charge-pump . Hice una búsqueda rápida y encontré ese paquete de circuito integrado que parece algo adecuado para tus aplicaciones - específicamente la baja corriente quiescente (110uA) y la eficiencia de conversión (98%). La hoja de datos indica que este circuito integrado en particular tiene una corriente de salida máxima de 45mA, por lo que tendrá que encontrar algo que pueda suministrar un poco más de corriente, pero sólo quería hacerle consciente de esta opción.

Por supuesto, se trata de convertidores CC-CC, así que en esencia es lo mismo. Podría ser igual de fácil de hacer con un step-up (bomba de carga) y un step-down (chopper) para su aplicación.

Tal vez sólo un par de estos convertidores lo harían. Podrías elevar 6V a 12V y buck 6V a 3V para tus necesidades. En la hoja de datos se indica que estos dispositivos tienen la capacidad de proporcionar hasta 20W.