7.4V dvojkrokový obvod nabíjačky lítiových batérií

Pokrok v oblasti elektrických vozidiel, dronov a ďalšej mobilnej elektroniky, ako sú IoT Devices, sa javí ako sľubný do budúcnosti. Jednou z bežných vecí je, že všetky sú napájané z batérií. Podľa Moorovho zákona majú elektronické prístroje tendenciu zmenšovať sa a stať sa použiteľnejšími. Tieto prenosné zariadenia by mali mať svoj vlastný zdroj napájania. Najbežnejšou voľbou batérií pre prenosnú elektroniku sú dnes lítium-iónové alebo lítium-polymérové batérie. Aj keď majú tieto batérie veľmi dobrú hustotu nabitia, sú chemicky nestabilné v náročných podmienkach, a preto je pri ich nabíjaní a používaní potrebné postupovať opatrne.

V tomto projekte postavíme dvojstupňovú nabíjačku batérií (CC a CV), ktorú je možné použiť na nabíjanie lítium-iónových alebo lítium-polymérových batérií. Nabíjačka okruh je určený pre 7.4V lítiovú batériu (dva 18650 v sérii), ktoré som bežne používajú vo väčšine robotike projektu, ale obvod možno ľahko upraviť tak, aby sa zmestili do nižšej alebo mierne vyššej akupacích ako stavať 3,7 lítium nabíjačke alebo 12v lítium-iónová batéria. Ako možno viete, pre tieto batérie sú k dispozícii hotové nabíjačky, ale lacné a lacné sú veľmi rýchle a rýchle a veľmi drahé. V tomto obvode som sa teda rozhodol postaviť jednoduchú surovú nabíjačku s integrovanými obvodmi LM317 s režimom CC a CV. A čo je ešte zábavnejšie ako zostaviť si svoj vlastný gadget a učiť sa na ňom.

Pamätajte, že s lítiovými batériami by sa malo manipulovať opatrne. Prebíjanie alebo skrat môže viesť k výbuchu a nebezpečenstvu požiaru, takže zostaňte v bezpečí. Ak ste s lítiovými batériami úplne nová, dôrazne vám odporúčam prečítať si článok o lítiových batériách skôr, ako budete pokračovať. To znamená, že poďme do projektu.

Režim CC a CV pre nabíjačku batérie:

Nabíjačka, ktorú tu chceme postaviť, je dvojstupňová nabíjačka, čo znamená, že bude mať dva režimy nabíjania, a to konštantné nabíjanie (CC) a konštantné napätie (CV). Kombináciou týchto dvoch režimov budeme schopní nabíjať batériu rýchlejšie ako obvykle.

Konštantný poplatok (CC):

Prvý režim, ktorý sa dostane do prevádzky, bude režim CC. Tu je pevne stanovené množstvo nabíjacieho prúdu, ktorý by mal vstúpiť do batérie. Na udržanie tohto prúdu sa bude príslušne meniť napätie.

Konštantné napätie (CV):

Po dokončení režimu CC sa naštartuje režim CV. Tu sa napätie udržiava na pevnej hodnote a prúd sa môže meniť podľa požiadaviek na nabíjanie batérie.

V našom prípade máme lítiovú batériu s veľkosťou 7,4 V, čo nie je nič iné ako dva 18 650 články, z ktorých každý má 3,7 V (3,7 V + 3,7 V = 7,4 V). Táto batéria by sa mala nabíjať, keď napätie klesne na 6,4 V (3,2 V na článok), a môže sa nabíjať až do 8,4 V (4,2 V na článok). Preto sú tieto hodnoty pre našu batériu už pevné.

Ďalej sme sa rozhodli pre nabíjací prúd v režime CC, ktorý je bežne uvedený v údajovom liste batérie a jeho hodnota závisí od hodnoty Ah batérie. V našom prípade som rozhodol ako hodnotu 800mA ako konštantný nabíjací prúd. Keď je teda batéria pripojená na nabíjanie, nabíjačka by sa mala dostať do režimu CC a zatlačiť do nej 800 mA zmenou nabíjacieho napätia podľa toho. To nabije batériu a napätie batérie sa začne pomaly zvyšovať.

Pretože do batérie tlačíme silný prúd s vyššími hodnotami napätia, nemôžeme ho nechať v CC, kým sa batéria úplne nenabije. Keď napätie batérie dosiahne značnú hodnotu, musíme nabíjačku prepnúť z režimu CC do režimu CV. Naša batéria by tu mala byť 8,4 V, keď je úplne nabitá, aby sme ju mohli prepnúť z režimu CC do režimu CV pri 8,2 V.

Keď sa nabíjačka prepne do režimu CV, mali by sme udržiavať konštantné napätie, hodnota konštantného napätia je v našom prípade 8,6V. Batéria bude v režime CV vybíjať podstatne menej prúdu ako v režime CC, pretože v samotnom režime CC je batéria takmer nabitá. Preto pri pevnej hodnote 8,6 V bude batéria spotrebovávať menej prúdu a tento prúd sa bude pri dobíjaní batérie zmenšovať. Takže musíme monitorovať prúd, keď dosiahne veľmi nízku hodnotu povedzme menej ako 50mA, predpokladáme, že batéria je úplne nabitá a odpojíme ju automaticky od nabíjačky pomocou relé.

Ak to zhrnieme, môžeme uviesť postup nabíjania batérie nasledovne

Vstúpte do režimu CC a nabite batériu fixným regulovaným prúdom 800 mA.
Monitorujte napätie batérie a po dosiahnutí 8,2 V prepnite do režimu CV.
V režime CV nabíjajte batériu pevným regulovaným napätím 8,6 V.
Sledujte, ako sa nabíjací prúd znižuje.
Keď prúd dosiahne 50 mA, automaticky odpojte batériu od nabíjačky.

Hodnoty 800 mA, 8,2 V a 8,6 V sú pevne dané, pretože máme lítiovú batériu s napätím 7,4 V. Tieto hodnoty môžete ľahko zmeniť podľa požiadaviek vašej batérie. Upozorňujeme tiež, že existuje veľa nabíjačiek. Najčastejšie sa používa dvojstupňová nabíjačka, ako je táto. V trojstupňovej nabíjačke budú fázy CC, CV a float. U štvor alebo šesťstupňovej nabíjačky sa bude brať do úvahy vnútorný odpor, teplota atď. Teraz, keď máme krátke pochopenie toho, ako by mala dvojstupňová nabíjačka skutočne fungovať, poďme na obvodový diagram.

Schéma zapojenia

Kompletnú schému zapojenia tejto nabíjačky lítiových batérií nájdete nižšie. Obvod bol vyrobený pomocou EasyEDA a PCB bude tiež vyrobený s použitím toho istého.

Ako vidíte, okruh je dosť jednoduchý. Použili sme dva integrované obvody regulátora variabilného napätia LM317, jeden na reguláciu prúdu a druhý na reguláciu napätia. Prvé relé slúži na prepínanie medzi režimom CC a CV a druhé relé slúži na pripojenie alebo odpojenie batérie k nabíjačke. Poďme rozdeliť obvod na segmenty a porozumieť jeho dizajnu.

Regulátor prúdu LM317

LM317 IC môže pôsobiť ako regulátor prúdu pomocou jediného odporu. Obvod toho istého je uvedený nižšie

Pre našu nabíjačku musíme regulovať prúd 800 mA, ako je uvedené vyššie. Vzorec pre výpočet hodnoty odporu pre požadovaný prúd je uvedený v údajovom liste ako

Rezistor (ohmy) = 1,25 / prúd (ampér)

V našom prípade je hodnota prúdu 0,8A a za to dostaneme ako hodnotu odporu hodnotu 1,56 Ohm. Najbližšia hodnota, ktorú by sme mohli použiť, je 1,5 ohmov, ktorá je uvedená v schéme zapojenia vyššie.

Regulátor napätia LM317

Pre režim CV lítiovej nabíjačky typu battey musíme regulovať napätie na 8,6 V, ako už bolo uvedené. LM317 to opäť dokáže pomocou dvoch rezistorov. Obvod toho istého je uvedený nižšie.

Vzorec na výpočet výstupného napätia pre regulátor LM317 je uvedený ako

V našom prípade by výstupné napätie (Vout) malo byť 8,6 V a hodnota R1 (tu R2) by mala byť menšia ako 1 000 ohmov, takže som vybral hodnotu 560 Ohmov. S týmto, ak vypočítame hodnotu R2, dostaneme ju na 3,3 k Ohmov. Alternatívne môžete použiť ľubovoľné hodnoty kombinácie rezistorov za predpokladu, že výstupné napätie bude 8,6V. Túto online kalkulačku LM317 môžete použiť na uľahčenie práce.

Usporiadanie relé na prepínanie medzi režimom CC a CV

Máme dve 12V relé, z ktorých každé je riadené Arduinom cez NP5 tranzistor BC547. Nižšie je zobrazené obe usporiadania relé

Prvé relé sa používa pre prepínanie medzi CC a CV režimu nabíjačky, toto relé je spúšťaný Arduino čapu označené ako "Mode". Štandardne je relé v režime CC, keď je aktivované, zmení sa z režimu CC na režim CV.

Podobne sa druhé relé používa na pripojenie alebo odpojenie nabíjačky od batérie; toto relé je spustené pinom Arduino označeným ako „Charge“. Relé štandardne odpojí batériu od nabíjačky, pri spustení pripojí nabíjačku k batérii. Okrem toho sa na ochranu obvodu pred spätným prúdom používajú dve diódy D1 a D2 a na obmedzenie prúdu prechádzajúceho cez základňu tranzistora sa používajú rezistory 1K R4 a R5.

Meranie napätia lítiovej batérie

Na sledovanie procesu nabíjania musíme merať napätie batérie, až potom môžeme nabíjačku presunúť z režimu CC do režimu CV, keď napätie batérie dosiahne 8,2 V, ako je uvedené. Najbežnejšou technikou používanou na meranie napätia pomocou mikrokontrolérov, ako je Arduino, je použitie obvodu deliča napätia. Tu použitý je uvedený nižšie.

Ako vieme, maximálne napätie, ktoré môže pin Arduino Analog merať, je 5 V, ale naša batéria by mohla v režime CV dosiahnuť až 8,6 V, takže musíme znížiť toto napätie na nižšie napätie. To sa presne deje obvodom deliča napätia. Hodnotu rezistora môžete vypočítať pomocou tejto online kalkulačky deliča napätia. Tu sme odvodili výstupné napätie o polovicu pôvodného vstupného napätia, ktoré sa potom pošle na analógový pin Arduino prostredníctvom štítku „ B_Voltage “. Neskôr môžeme získať pôvodnú hodnotu pri programovaní Arduina.

Meranie nabíjacieho prúdu

Ďalším dôležitým parametrom, ktorý sa má merať, je nabíjací prúd. Počas režimu CV bude batéria odpojená od nabíjačky, keď nabíjací prúd klesne pod 50 mA, čo naznačuje dokončenie nabíjania. Existuje veľa metód na meranie prúdu, najbežnejšie používanou metódou je použitie bočníkového rezistora. Obvod toho istého je uvedený nižšie

Koncept, ktorý za tým stojí, je jednoduchý zákon o ohmoch. Celý prúd prúdiaci do batérie prúdi cez bočný odpor 2.2R. Potom podľa Ohmovho zákona (V = IR) vieme, že pokles napätia na tomto rezistore bude úmerný prúdu, ktorý ním preteká. Pretože vieme, že hodnotu odporu a napätia na ňom je možné merať pomocou analógového kolíka Arduino, je možné ľahko vypočítať hodnotu prúdu. Hodnota poklesu napätia na rezistore sa odosiela do Arduina cez štítok „B_Current “. Vieme, že maximálny nabíjací prúd bude 800 mA, takže pomocou vzorcov V = IR a P = I ² R môžeme vypočítať hodnotu odporu a hodnotu výkonu odporu.

Arduino a LCD

Nakoniec na strane Arduina musíme prepojiť LCD s Arduino, aby sme používateľovi zobrazili proces nabíjania a kontrolovali nabíjanie meraním napätia, prúdu a následným spúšťaním relé.

Arduino Nano má zabudovaný regulátor napätia, preto sa napájacie napätie dodáva do Vin a regulovaných 5 V sa používa na chod displeja Arduino a 16 x 2 LCD. Napätie a prúd je možné merať pomocou analógových pinov A0 a A1 pomocou štítkov „B_Voltage“ a „B_Current“. Relé je možné spustiť prepnutím pinov GPIO D8 a D9, ktoré sú prepojené štítkami „Mode“ a „Charge“. Len čo budú schémy hotové, môžeme pokračovať vo výrobe PCB.

Dizajn a výroba PCB pomocou EasyEDA

Aby sme navrhli tento obvod pre nabíjačku lítiových batérií, vybrali sme si online nástroj EDA s názvom EasyEDA. Aplikáciu EasyEDA som už používal mnohokrát a zistil som, že je veľmi pohodlné ju používať, pretože má dobrú zbierku stôp a je otvorený. Po dizajne DPS si môžeme objednať vzorky DPS prostredníctvom ich lacných služieb výroby DPS. Ponúkajú tiež službu sourcingu komponentov, kde majú veľkú zásobu elektronických komponentov a používatelia si môžu objednať požadované komponenty spolu s objednávkou PCB.

Pri navrhovaní vašich obvodov a dosiek plošných spojov môžete tiež zverejniť svoje návrhy obvodov a dosiek plošných spojov, aby ich ostatní používatelia mohli kopírovať alebo upravovať a využívať tak výhody vašej práce. Pre tento obvod sme tiež zverejnili celé naše usporiadania obvodov a dosiek plošných spojov, skontrolujte odkaz nižšie:

easyeda.com/CircuitDigest/7.4V-Lithium-Charger-with-MCU

Môžete si pozrieť ktorúkoľvek vrstvu (vrchná, spodná, vrchná vrstva, spodná vrstva atď.) DPS výberom vrstvy z okna „Vrstvy“. Môžete si tiež prezrieť PCB nabíjačky na lítiové batérie, ako to bude vyzerať po výrobe pomocou tlačidla Photo View v EasyEDA:

Výpočet a objednávanie vzoriek online

Po dokončení návrhu tohto PCB s nabíjačkou na lítiové batérie si môžete PCB objednať prostredníctvom JLCPCB.com. Na objednanie DPS od JLCPCB potrebujete Gerber File. Ak chcete stiahnuť súbory Gerber z vašej PCB, stačí kliknúť na tlačidlo Generovať súbor výroby na stránke editora EasyEDA, odtiaľ si stiahnuť súbor Gerber alebo môžete kliknúť na Objednávku na JLCPCB, ako je znázornené na obrázku nižšie. To vás presmeruje na JLCPCB.com, kde si môžete zvoliť počet DPS, ktoré chcete objednať, koľko medených vrstiev potrebujete, hrúbku DPS, hmotnosť medi a dokonca aj farbu DPS, ako je to na nasledujúcom obrázku:

Po kliknutí na objednávku na tlačidle JLCPCB sa dostanete na webovú stránku JLCPCB, kde si môžete objednať PCB vo veľmi nízkej miere, čo je 2 doláre. Ich doba výroby je tiež veľmi krátka, čo je 48 hodín s dodávkou DHL 3 - 5 dní, v podstate dostanete PCB do týždňa od objednania.

Po objednaní DPS môžete skontrolovať priebeh výroby DPS s dátumom a časom. Skontrolujete to tak, že prejdete na stránku Účet a kliknete na odkaz „Postup výroby“ pod PCB, ako je to zobrazené na obrázku nižšie.

Po niekoľkých dňoch objednania DPS som dostal vzorky DPS v peknom obale, ako je znázornené na obrázkoch nižšie.

Po skontrolovaní správnosti stôp a stôp. Pokračoval som v zostavovaní DPS, pomocou ženských hlavičiek som umiestnil Arduino Nano a LCD, aby som ich mohol neskôr odstrániť, ak ich potrebujem pre ďalšie projekty. Kompletne spájkovaná doska vyzerá nižšie

Programovanie Arduina pre dvojstupňové nabíjanie lítiovej batérie

Keď je hardvér pripravený, môžeme pokračovať v písaní kódu pre Arduino Nano. Kompletný program pre tento projekt je uvedený v spodnej časti stránky, môžete ho nahrať priamo do svojho Arduina. Poďme teraz program rozdeliť na malé útržky a pochopiť, čo tento kód vlastne robí.

Ako vždy začneme program inicializáciou I / O pinov. Ako vieme z nášho hardvéru, kolíky A0 a A2 sa používajú na meranie napätia a prúdu a kolíky D8 a D9 sa používajú na riadenie relé režimu a nabíjania relé. Kód, ktorý ho definuje, je uvedený nižšie

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Uveďte číslo kolíka pre pripojenie LCD LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); int náboj = 9; // Pin na pripojenie alebo odpojenie batérie k obvodu int Mode = 8; // Pripnutie prepína medzi režimom CC a režimom CV int Voltage_divider = A0; // Na meranie napätia batérie int Shunt_resistor = A1; // Na meranie nabíjacieho prúdu float Charge_Voltage; float Charge_current;

Vnútri nastavenie funkcie, sme inicializovať funkciu LCD a zobrazí intro na obrazovke správu. Taktiež definujeme reléové piny ako výstupné piny. Potom spustite nabíjacie relé, pripojte batériu k nabíjačke a predvolene zostane nabíjačka v režime CC.

void setup () { lcd.begin (16, 2); // Inicializácia 16 * 2 LCD lcd.print („7,4 V Li + nabíjačka“); // Úvod Riadok správy 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Úvod Riadok správy 2 lcd.clear (); pinMode (Charge, OUTPUT); pinMode (režim, VÝSTUP); digitalWrite (nabíjanie, VYSOKÉ); // Začnite nabíjať Spočiatku pripojením batérie digitalWrite (Mode, LOW); // HIGH pre režim CV a LOW režimu CC, počiatočné oneskorenie režimu CC (1000); }

Ďalej vo funkcii nekonečnej slučky začneme program meraním napätia batérie a nabíjacieho prúdu. Hodnota 0,0095 a 1,78 sa vynásobí analógovou hodnotou na prepočet 0 na 1024 na skutočnú hodnotu napätia a prúdu. Na meranie skutočnej hodnoty môžete použiť multimetr a kliešťový merač a potom vypočítať hodnotu multiplikátora. Teoreticky sa tiež počíta multiplikátor na základe odporov, ktoré sme použili, ale nebol taký presný, ako som čakal.

// Najprv namerajte napätie a prúd Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Zmerajte napatie baterie Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Zmerajte nabíjací prúd

Ak je nabíjacie napätie nižšie ako 8,2 V, vstúpime do režimu CC a ak je vyššie ako 8,2 V, vstúpime do režimu CV. Každý režim má svoju vlastnú smyčku while. Vo vnútri slučky režimu CC ponecháme kolík režimu ako NÍZKY, aby sme zostali v režime CC a potom neustále monitorovali napätie a prúd. Ak napätie prekročí prahové napätie 8,2 V, prerušíme slučku CC pomocou príkazu prerušenia. Stav nabíjacieho napätia sa zobrazuje aj na LCD displeji v CC slučke.

// Ak je napätie batérie nižšie ako 8,2 V, vstúpte do režimu CC while (Charge_Voltage <8,2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Zostaňte v režime CC // Merajte napätie a prúd Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0095; // Zmerajte napatie baterie Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Meranie nabíjací prúd // tlačovej detials na LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("V režime CC"); oneskorenie (1 000); lcd.clear (); // Skontrolujte, či musíme opustiť režim CC, ak (Charge_Voltage> = 8,2) // Ak áno { digitalWrite (režim, VYSOKÝ); // Prepnutie do režimu CV break; } }

Rovnakou technikou je možné postupovať aj v režime CV. Ak napätie presiahne 8,2 V, nabíjačka vstúpi do režimu CV tak, že kolík režimu nastaví na vysokú hodnotu. Toto platí na batériu konštantných 8,6 V a nabíjací prúd sa môže meniť podľa potreby batérie. Tento nabíjací prúd je potom monitorovaný a keď dosiahne menej ako 50 mA, môžeme nabíjací proces ukončiť odpojením batérie od nabíjačky. Aby sme to dosiahli, musíme jednoducho vypnúť relé nabíjania, ako je uvedené v nižšie uvedenom kóde

// Ak je napätie batérie väčšie ako 8,2 V, vstúpte do režimu CV, zatiaľ čo (Charge_Voltage> = 8,2) // CV MODE Loop { digitalWrite (režim, VYSOKÝ); // Zostaňte v režime CV // Merajte napätie a prúd Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Zmerajte napatie baterie Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Zmerajte nabíjací prúd // Zobraziť podrobnosti užívateľovi na LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("V režime CV"); oneskorenie (1 000); lcd.clear (); // Skontrolujte, či je batéria nabitá, monitorovaním nabíjacieho prúdu if (Charge_current <50) // Ak áno { digitalWrite (nabíjanie, LOW); // Vypnite nabíjanie, kým (1) // Ponechajte nabíjačku vypnutú až do reštartu { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print („Charge Complete.“); oneskorenie (1 000); lcd.clear (); } } } }

Funguje na dvojkrokovú nabíjačku lítiových batérií 7.4V

Keď je hardvér pripravený, nahrajte kód na dosku Arduino. Potom pripojte batériu k nabíjaciemu terminálu dosky. Uistite sa, že ste ich pripojili v správnej polarite, opačná polarita spôsobí vážne poškodenie batérie a dosky. Po pripojení batérie k nabíjačke pomocou 12V adaptéra. Privíta vás úvodný text a nabíjačka prejde do režimu CC alebo CV na základe stavu batérie. Ak je batéria v čase nabíjania úplne vybitá, prepne sa do režimu CC a na displeji LCD sa zobrazí niečo podobné nižšie.

Keď sa batéria nabije, napätie sa zvýši, ako ukazuje video nižšie . Keď toto napätie dosiahne 8,2 V, nabíjačka prejde do režimu CV z režimu CC a teraz bude zobrazovať napätie aj prúd, ako je uvedené nižšie.

Od tejto chvíle pomaly klesá aktuálna spotreba batérie pri jej nabíjaní. Keď prúd dosiahne 50 mA alebo menej, nabíjačka predpokladá, že je batéria úplne nabitá, potom odpojí batériu od nabíjačky pomocou relé a zobrazí nasledujúcu obrazovku. Potom môžete odpojiť batériu od nabíjačky a použiť ju vo svojich aplikáciách.

Dúfam, že ste pochopili projekt a páčilo sa vám jeho zostavenie. Kompletné fungovanie nájdete vo videu nižšie. Ak máte nejaké otázky, pošlite ich v sekcii komentárov nižšie na fórach pre ďalšie technické dotazy. Obvod má opäť iba vzdelávací účel, preto ho používajte so zodpovednosťou, pretože lítiové batérie nie sú za náročných podmienok stabilné.