Dvostepeni krug punjača litijeve baterije od 7,4 V

Čini se da napredak u električnim vozilima, dronu i drugoj mobilnoj elektronici poput IoT uređaja obećava za budućnost. Jedna od uobičajenih stvari među svima njima je da se svi napajaju iz baterija. Slijedeći Mooreov zakon, elektronički uređaji obično postaju manji i pitkiji, ti bi prijenosni uređaji trebali imati vlastiti izvor energije za rad. Najčešći izbor baterija za prijenosnu elektroniku danas su litij-ionske ili litij-polimerne baterije. Iako ove baterije imaju vrlo dobru gustoću napunjenosti, one su kemijski nestabilne u teškim uvjetima, stoga treba pripaziti tijekom punjenja i upotrebe.

U ovom ćemo projektu izraditi dvostupanjski punjač baterija (CC i CV) koji se može koristiti za punjenje litij-ionskih ili litij-polimernih baterija. Sklop kruga za punjač baterija dizajniran je za litijev baterijski paket od 7,4 V (dvije serije 18650) koji obično koristim u većini projekata robotike, ali krug se lako može prilagoditi tako da stane u niže ili malo veće baterije, poput 3,7 litij baterija ili 12v litij-ionska baterija punjač. Kao što možda znate, za ove baterije postoje gotovi punjači, ali oni koji su jeftini vrlo su spori, a oni brzi vrlo skupi. Tako sam u ovom krugu odlučio izgraditi jednostavan sirovi punjač s IC-ovima LM317 s CC i CV načinom rada. Također, što je zabavnije od stvaranja vlastitog uređaja i učenja u tom procesu.

Imajte na umu da s litijevim baterijama treba pažljivo postupati. Prekomjerno punjenje ili skraćivanje može dovesti do eksplozije i opasnosti od požara, zato budite sigurni oko njega. Ako ste potpuno novi u litijevim baterijama, toplo bih vam savjetovao da pročitate članak o litijevoj bateriji, prije nego što nastavite dalje. Kad se to kaže, krenimo u projekt.

CC i CV način rada za punjač:

Punjač koji ovdje namjeravamo graditi je punjač u dva koraka, što znači da će imati dva načina punjenja, naime Konstantno punjenje (CC) i Konstantni napon (CV). Kombinacijom ova dva načina moći ćemo napuniti bateriju brže nego inače.

Stalno punjenje (CC):

Prvi način rada koji će započeti s radom bit će CC način rada. Ovdje je fiksna količina struje punjenja koja bi trebala ući u bateriju. Da bi se održala ova struja, napon će se u skladu s tim mijenjati.

Stalni napon (CV):

Kada se CC način rada dovrši, aktivirat će se CV način rada. Ovdje će se napon održavati fiksnim, a struja će se moći mijenjati prema zahtjevu za punjenje baterije.

U našem slučaju imamo 7,4 V litijevu bateriju, koja je ništa drugo do dvije 18650 ćelija od po 3,7 V povezane su u seriju (3,7 V + 3,7 V = 7,4 V). Ovaj paket baterija treba napuniti kad napon dosegne 6,4 V (3,2 V po ćeliji) i može se napuniti do 8,4 V (4,2 V po ćeliji). Stoga su ove vrijednosti već fiksne za našu bateriju.

Dalje smo odlučili struju punjenja u CC načinu rada, a to se obično može naći u tehničkom listu baterije, a vrijednost ovisi o Ah vrijednosti baterije. U našem slučaju sam odlučio vrijednost 800mA kao konstantnu struju punjenja. Dakle, u početku kada je baterija spojena za punjenje, punjač bi trebao ući u CC način rada i gurnuti 800mA u bateriju mijenjanjem napona punjenja prema. To će napuniti bateriju i napon će početi polako rasti.

Budući da u bateriju guramo jaku struju s višim vrijednostima napona, ne možemo je ostaviti u CC dok se baterija ne napuni do kraja. Punjač moramo prebaciti iz CC načina u CV način rada kada napon akumulatora dosegne značajnu vrijednost. Naš bi ovdje paket baterija trebao biti 8,4 V kad je potpuno napunjen, tako da ga možemo prebaciti iz CC načina u CV način rada na 8,2 V.

Nakon što se punjač prebaci u CV način rada, trebali bismo održavati konstantan napon, u našem slučaju vrijednost konstantnog napona iznosi 8,6 V. Baterija će isprazniti znatno manje struje u CV načinu rada nego CC način rada, jer je baterija gotovo napunjena u samom CC načinu rada. Stoga će pri fiksnih 8,6 V baterija trošiti manje struje, a ta će se struja smanjivati kako se baterija puni. Dakle, moramo pratiti struju kad dosegne vrlo malu vrijednost, recimo manje od 50mA, pretpostavljamo da je baterija potpuno napunjena i automatski odvojiti bateriju od punjača pomoću releja.

Da rezimiramo, postupak punjenja baterija možemo navesti na sljedeći način

Uđite u CC način rada i napunite bateriju fiksnom regulacijom struje od 800 mA.
Nadgledajte napon baterije i kad dosegne 8,2 V prebacite se u CV način rada.
U CV načinu rada bateriju punite fiksnim 8,6V reguliranim naponom.
Pratite struju punjenja kako se smanjuje.
Kad struja dosegne 50mA, automatski odvojite bateriju od punjača.

Vrijednosti 800mA, 8,2V i 8,6V su fiksne jer imamo 7,4V litijevu bateriju. Te vrijednosti možete lako promijeniti prema zahtjevu vašeg baterijskog paketa. Također imajte na umu da postoji mnogo scenskih punjača. Ovakav dvostupanjski punjač najčešće se koristi. U trostupanjskom punjaču stupnjevi će biti CC, CV i plutajući. U punjaču s četiri ili šest stupnjeva razmatrat će se unutarnji otpor, temperatura itd. Sad, kad kratko razumijemo kako bi punjač s dva koraka zapravo trebao raditi, krenimo u shemu krugova.

Kružni dijagram

Kompletnu shemu sklopa za ovaj punjač litijeve baterije možete pronaći u nastavku. Krug je napravljen pomoću EasyEDA-e, a PCB će također biti izrađen koristeći isti.

Kao što vidite, sklop je prilično jednostavan. Koristili smo dva IC-a s promjenjivim naponom LM317, jedan za regulaciju struje, a drugi za regulaciju napona. Prvi se relej koristi za prebacivanje između CC i CV načina rada, a drugi relej za spajanje ili odspajanje baterije na punjač. Razlomimo krug na segmente i shvatimo njegov dizajn.

LM317 Trenutni regulator

LM317 IC može djelovati kao regulator struje uz pomoć jednog otpora. Krug za isti prikazan je u nastavku

Za naš punjač moramo regulirati struju od 800 mA kako je gore rečeno. Formula za izračunavanje vrijednosti otpornika za potrebnu struju data je u tehničkom listu kao

Otpor (ohm) = 1,25 / struja (amperi)

U našem slučaju vrijednost struje je 0,8A i za to dobivamo vrijednost 1,56 Ohma kao vrijednost otpora. No, najbliža vrijednost koju bismo mogli koristiti je 1,5 Ohma, što je spomenuto u gornjoj shemi spojeva.

LM317 Regulator napona

Za CV način rada punjača s litijevim baterijama moramo regulirati napon na 8,6 V, kao što je prethodno rečeno. LM317 to opet može učiniti uz pomoć samo dva otpora. Krug za isti prikazan je u nastavku.

Formula za izračunavanje izlaznog napona za regulator LM317 daje se kao

U našem slučaju izlazni napon (Vout) trebao bi biti 8,6 V, a vrijednost R1 (ovdje R2) trebala bi biti manja od 1000 ohma, pa sam odabrao vrijednost od 560 Ohma. Ako izračunamo vrijednost R2, dobivamo 3,3 kOma. Alternativno možete koristiti bilo koje vrijednosti kombinacije otpornika pod uvjetom da izlazni napon iznosi 8,6V. Pomoću ovog mrežnog kalkulatora LM317 možete olakšati svoj rad.

Raspored releja za prebacivanje između CC i CV načina

Imamo dva 12V releja, od kojih svaki Arduino pokreće kroz BC547 NPN tranzistor. Oba rasporeda releja prikazana su u nastavku

Prvi Relej se koristi za prebacivanje između CC i CV načinu punjač, ovaj relej se aktivira na Arduino pin označen kao „Mode”. Prema zadanim postavkama relej je u CC načinu kada se aktivira, mijenja se iz CC u CV mod.

Slično se drugi relej koristi za spajanje ili odspajanje punjača od baterije; ovaj relej pokreće Arduino pin označen kao "Charge". Prema zadanim postavkama relej povezuje bateriju s punjačem, kada se aktivira, povezuje punjač s baterijom. Osim toga, dvije diode D1 i D2 koriste se za zaštitu kruga od reverzne struje, a 1K otpornici R4 i R5 koriste se za ograničavanje struje koja teče kroz bazu tranzistora.

Mjerenje napona litijeve baterije

Da bismo nadzirali postupak punjenja, moramo izmjeriti napon akumulatora, tek tada punjač možemo prebaciti iz CC načina u CV mod kada napon akumulatora dosegne 8,2 V, kako je već rečeno. Najčešća tehnika koja se koristi za mjerenje napona s mikrokontrolerima poput Arduina je pomoću kruga djelitelja napona. Ovdje korišten prikazan je u nastavku.

Kao što znamo da je maksimalni napon koji Arduino Analog pin može izmjeriti 5 V, ali naša bi baterija u načinu rada CV mogla doseći čak 8,6 V, pa ga moramo spustiti na niži napon. To je točno učinjeno krugom razdjelnika napona. Možete izračunati vrijednost otpornika i znati više o razdjelniku napona pomoću ovog kalkulatora mrežnog razdjelnika napona. Ovdje smo utvrdili izlazni napon za polovicu izvornog ulaznog napona, a taj se izlazni napon šalje na analogni pin Arduino putem oznake " B_Voltage ". Izvornu vrijednost možemo kasnije dobiti dok programiramo Arduino.

Mjerenje struje punjenja

Drugi vitalni parametar koji treba izmjeriti je struja punjenja. Tijekom CV načina rada baterija će biti odvojena od punjača kada struja punjenja padne ispod 50 mA što ukazuje na završetak punjenja. Postoje mnoge metode za mjerenje struje, najčešće korištena metoda je upotreba ranžerskog otpora. Krug za isti prikazan je u nastavku

Koncept koji stoji iza toga je jednostavan zakon oma. Cijela struja koja teče prema bateriji protječe kroz ranžirni otpor 2.2R. Tada prema Ohmovom zakonu (V = IR) znamo da će pad napona na ovom otporu biti proporcionalan struji koja kroz njega teče. Budući da znamo vrijednost otpora i napon na njemu može se izmjeriti pomoću Arduino Analog pin-a, vrijednost struje može se lako izračunati. Vrijednost pada napona na otporniku šalje se Arduinu kroz oznaku "B_Current ". Znamo da će maksimalna struja punjenja biti 800mA, pa pomoću formula V = IR i P = I ² R možemo izračunati vrijednost otpora i vrijednost snage otpornika.

Arduino i LCD

Konačno, na Arduino strani moramo spojiti LCD zaslon s Arduinom kako bi korisniku prikazali postupak punjenja i kontrolirali punjenje mjerenjem napona, struje i zatim aktiviranjem releja u skladu s tim.

Arduino Nano ima ugrađeni regulator napona, stoga se opskrbni napon osigurava za Vin, a regulirani 5V koristi se za pokretanje Arduino i LCD zaslona od 16x2. Napon i struja mogu se mjeriti pomoću analognih pinova A0 i A1 pomoću oznaka „B_Voltage“ i „B_Current“. Relej se može pokrenuti prebacivanjem GPIO pina D8 i D9 koji su povezani preko naljepnica "Način" i "Punjenje". Nakon što sheme budu spremne, možemo nastaviti s izradom PCB-a.

Dizajn i izrada PCB-a pomoću EasyEDA-e

Da bismo dizajnirali ovaj krug punjača za litijumske baterije, odabrali smo mrežni EDA alat nazvan EasyEDA. Već sam puno puta koristio EasyEDA i smatrao sam da je vrlo prikladan za upotrebu, jer ima dobru kolekciju otisaka stopala i otvoren je izvor. Nakon dizajniranja PCB-a, uzorke PCB-a možemo naručiti putem njihovih jeftinih usluga izrade PCB-a. Oni također nude uslugu nabave komponenata gdje imaju veliku zalihu elektroničkih komponenata, a korisnici mogu naručiti njihove potrebne komponente zajedno s narudžbom PCB-a.

Dok dizajnirate svoje sklopove i PCB-ove, također možete učiniti svoj dizajn kruga i PCB-a javnim, tako da ih drugi korisnici mogu kopirati ili uređivati i imati koristi od vašeg rada, također smo za ovaj sklop učinili javnim cijeli raspored krugova i PCB-a, provjerite donja poveznica:

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

Možete pregledati bilo koji sloj (gornji, donji, gornji dio dna, dno itd.) PCB-a odabirom sloja iz prozora "Slojevi". Također možete pogledati PCB punjača za litijsku bateriju, kako će izgledati nakon izrade pomoću gumba Photo View u EasyEDA-i:

Izračunavanje i naručivanje uzoraka putem interneta

Nakon dovršetka dizajna ovog PCB-a za punjač litijeve baterije, PCB možete naručiti putem JLCPCB.com. Da biste PCB naručili od JLCPCB, potrebna vam je datoteka Gerber. Da biste preuzeli Gerber datoteke s PCB-a, samo kliknite gumb Generiraj fabričku datoteku na stranici EasyEDA uređivača, a zatim odatle preuzmite datoteku Gerber ili možete kliknuti na Naruči na JLCPCB kako je prikazano na donjoj slici. Ovo će vas preusmjeriti na JLCPCB.com, gdje možete odabrati broj PCB-a koje želite naručiti, koliko slojeva bakra trebate, debljinu PCB-a, težinu bakra, pa čak i boju PCB-a, poput snimke prikazane dolje:

Nakon klika na gumb za narudžbu na JLCPCB, doći ćete do web mjesta JLCPCB gdje možete naručiti PCB po vrlo niskoj cijeni koja iznosi 2 USD. Njihovo vrijeme izrade također je vrlo manje, što je 48 sati s DHL-ovom isporukom od 3-5 dana, u osnovi ćete dobiti svoje PCB-ove u roku od tjedan dana od narudžbe.

Nakon narudžbe PCB-a možete provjeriti napredak u proizvodnji PCB-a s datumom i vremenom. Provjerite je tako da odete na stranicu računa i kliknete na vezu "Proizvodni napredak" ispod PCB-a poput, prikazanog na donjoj slici.

Nakon nekoliko dana naručivanja PCB-a, dobio sam uzorke PCB-a u lijepom pakiranju kao što je prikazano na slikama ispod.

Nakon što se uvjerio da su tragovi i otisci stopala točni. Nastavio sam sa sastavljanjem PCB-a, koristio sam ženska zaglavlja za postavljanje Arduino Nano-a i LCD-a kako bih ih kasnije mogao ukloniti ako mi zatrebaju za druge projekte. Potpuno zalemljena ploča izgleda ovako dolje

Programiranje Arduina za dvostupanjsko punjenje litijeve baterije

Kad je hardver spreman, možemo nastaviti s pisanjem koda za Arduino Nano. Kompletni program za ovaj projekt nalazi se na dnu stranice, a možete ga prenijeti izravno na vaš Arduino. Sada, razlomimo program na male isječke i shvatimo što kod zapravo čini.

Kao i uvijek započinjemo program inicijalizacijom I / O pinova. Kao što znamo iz našeg hardvera, pinovi A0 i A2 koriste se za mjerenje napona, odnosno struje, a pinovi D8 i D9 koriste se za upravljanje relejem načina rada i relejem punjenja. Kôd za isto definiranje prikazan je u nastavku

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Spomenimo broj pina za LCD vezu LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); int Naplata = 9; // Prikvačite za spajanje ili odvajanje baterije u krug int Mode = 8; // Prikvačite za prebacivanje između CC načina i CV načina int Voltage_divider = A0; // Za mjerenje napona baterije int Shunt_resistor = A1; // Za mjerenje struje punjenja plutajući Charge_Voltage; plutajuća Charge_current;

Unutar postavljanje funkcije, mi inicijalizirati LCD funkciju i prikazati intro poruku na zaslonu. Također definiramo igle releja kao izlazne igle. Zatim pokrenite relej za punjenje, spojite bateriju na punjač i punjač prema zadanim postavkama ostaje u CC načinu rada.

void setup () { lcd.begin (16, 2); // Inicirajte LCD LCD ispis s 16 * 2 ("7,4V Li + punjač"); // Uvodni redak poruke 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Uvodni redak poruke 2 lcd.clear (); pinMode (punjenje, izlaz); pinMode (Način rada, IZLAZ); digitalWrite (punjenje, VISOKO); // Započnite s Chargigom u početku spajanjem baterije digitalWrite (Način rada, LOW); // VISOKO za CV način rada i NISKO CC načina rada, prvobitno kašnjenje CC načina rada (1000); }

Dalje, unutar beskonačne petlje funkciju, možemo početi program mjerenjem napona baterije i struja punjenja. Vrijednost 0,0095 i 1,78 pomnožava se s analognom vrijednošću da bi se 0 pretvorilo u 1024 u stvarnu vrijednost napona i struje. Multimetrom i stezaljkom možete izmjeriti stvarnu vrijednost, a zatim izračunati vrijednost množitelja. Također je teoretski izračunati vrijednosti množitelja na temelju otpornika koje smo koristili, ali nije bilo toliko precizno koliko sam očekivao.

// U početku izmjerite napon i struju Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0092; // Izmjerite napon baterije Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Izmjerite struju punjenja

Ako je napon punjenja manji od 8,2V, ulazimo u CC način rada, a ako je veći od 8,2V, ulazimo u CV način rada. Svaki način rada ima svoju while petlju. Unutar petlje načina rada CC držimo pin Mode (način rada) kao LOW (Nisko) da bismo ostali u CC načinu rada, a zatim nastavljamo nadzirati napon i struju. Ako napon premaši prag od 8,2 V, prekidamo CC petlju pomoću naredbe prekida. Status napona napunjenosti također se prikazuje na LCD-u unutar CC petlje.

// Ako je napon baterije manji od 8,2 V, uđite u CC način dok je (Charge_Voltage <8,2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Ostati u CC načinu // Mjerenje napona i struje Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0095; // Izmjerite napon baterije Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Mjera struja punjenja // ispis detials na LCD lcd.print ("v ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.setCursor (0,1); lcd.print ("U CC načinu"); kašnjenje (1000); lcd.clear (); // Provjerimo trebamo li izaći iz CC načina if (Charge_Voltage> = 8.2) // Ako da { digitalWrite (Mode, HIGH); // Promjena u prekid načina rada ; } }

Ista tehnika može se slijediti i za CV način rada. Ako napon prelazi 8,2 V, punjač prelazi u CV način rada, postavljajući modni pin visokim. To se odnosi na konstantnih 8,6 V na bateriji, a struja punjenja može varirati ovisno o potrebama baterije. Zatim se prati ta struja punjenja i kad dosegne ispod 50mA, postupak punjenja možemo prekinuti odvajanjem baterije od punjača. Da bismo to učinili, jednostavno moramo isključiti relej punjenja kao što je prikazano u donjem kodu

// Ako je napon akumulatora veći od 8,2 V, uđite u CV način dok je (Charge_Voltage> = 8,2) // CV MODE Loop { digitalWrite (Mode, HIGH); // Ostanite u CV načinu // Izmjerite napon i struju Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0092; // Izmjerite napon baterije Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Mjerenje struje punjenja // Prikaz pojedinosti korisniku u LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0,1); lcd.print ("U CV načinu"); kašnjenje (1000); lcd.clear (); // Provjeravamo je li baterija napunjena praćenjem struje punjenja ako (Charge_current <50) // Ako da { digitalWrite (Naplati, NISKO); // Isključite punjenje dok (1) // Punjač držite isključenim dok se ponovno ne pokrene { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Naplata dovršena."); kašnjenje (1000); lcd.clear (); } } } }

Rad punjača od litijeve baterije od 7,4 V u dva koraka

Kad je hardver spreman, prenesite kôd na ploču Arduino. Zatim spojite bateriju na terminal za punjenje ploče. Obavezno ih spojite u pravilnom polaritetu, jer će poniranje polariteta ozbiljno oštetiti bateriju i ploču. Nakon spajanja baterije punjač pomoću 12V adaptera. Dočekat će vas uvodni tekst, a punjač će prijeći u CC ili CV način rada na temelju stanja baterije. Ako se baterija potpuno isprazni u vrijeme punjenja, preći će u CC način rada, a vaš LCD prikazat će nešto slično u nastavku.

Kako se baterija puni, napon će se povećavati, kao što je prikazano na donjem videu . Kada ovaj napon dosegne 8,2 V, punjač će ući u CV način rada iz CC načina rada, a sada će prikazati i napon i struju kao što je prikazano dolje.

Odavde će polako trenutna potrošnja baterije opadati kako se puni. Kad struja dosegne 50 mA ili manje, punjač pretpostavlja da je baterija potpuno napunjena, a zatim odspoji bateriju od punjača pomoću releja i prikazuje sljedeći zaslon. Nakon toga možete odspojiti bateriju od punjača i koristiti je u svojim aplikacijama.

Nadam se da ste razumjeli projekt i uživali u njegovoj izradi. Kompletan rad možete pronaći u videozapisu ispod. Ako imate pitanja, objavite ih u odjeljku za komentare ispod, koristite forume za ostale tehničke upite. Ponovno je strujni krug samo u obrazovne svrhe, stoga ga koristite s odgovornošću, jer litijeve baterije nisu stabilne u teškim uvjetima.