7.4V dvoustupňový nabíjecí obvod lithiové baterie

Pokrok v oblasti elektrických vozidel, dronů a další mobilní elektroniky, jako jsou IoT Devices, se zdá být slibný do budoucna. Jedna společná věc mezi nimi je, že jsou všechny napájeny bateriemi. V souladu s Moorovým zákonem mají elektronická zařízení tendenci se zmenšovat a využívat, a proto by tato přenosná zařízení měla mít svůj vlastní zdroj energie pro provoz. Nejběžnější volbou baterií pro přenosnou elektroniku je dnes lithium-iontová nebo lithium-polymerová baterie. I když tyto baterie mají velmi dobrou hustotu nabití, jsou chemicky nestabilní za drsných podmínek, proto je při jejich nabíjení a používání je třeba dbát opatrnosti.

V tomto projektu postavíme dvoustupňovou nabíječku baterií (CC a CV), kterou lze použít k nabíjení lithium-iontových nebo lithium-polymerových baterií. Nabíječka okruh je určen pro 7.4V lithiovou baterii (dva 18650 v sérii), které jsem běžně používají ve většině robotice projektu, ale obvod lze snadno upravit tak, aby se vešly do nižší nebo mírně vyšší akupacích jako stavět 3,7 lithium nabíječce nebo 12v lithium-iontová nabíječka baterií. Jak možná víte, pro tyto baterie jsou k dispozici hotové nabíječky, ale levné, které jsou levné, jsou velmi pomalé a rychlé jsou velmi drahé. V tomto obvodu jsem se tedy rozhodl postavit jednoduchou surovou nabíječku s integrovanými obvody LM317 s režimem CC a CV. Co je také zábavnější než vytváření vlastních gadgetů a učení se v tomto procesu.

Pamatujte, že s lithiovými bateriemi je třeba zacházet opatrně. Přebíjení nebo zkrat může vést k výbuchu a nebezpečí požáru, proto zůstaňte v bezpečí. Pokud jste s lithiovými bateriemi úplně noví, důrazně vám doporučuji přečíst si článek o lithiových bateriích, než budete pokračovat. Jak již bylo řečeno, pojďme do projektu.

Režim CC a CV pro nabíječku baterií:

Nabíječka, kterou zde chceme postavit, je dvoustupňová nabíječka, což znamená, že bude mít dva režimy nabíjení, a to Constant Charge (CC) a Constant Voltage (CV). Kombinace těchto dvou režimů umožní nabíjet baterii rychleji než obvykle.

Konstantní poplatek (CC):

První režim, který se dostane do provozu, bude režim CC. Zde je pevně nastaveno množství nabíjecího proudu, který by měl vstoupit do baterie. K udržení tohoto proudu se napětí odpovídajícím způsobem změní.

Konstantní napětí (CV):

Jakmile je režim CC dokončen, nastartuje režim CV. Zde bude napětí udržováno pevné a proud se bude moci měnit podle požadavků na nabíjení baterie.

V našem případě máme lithiovou baterii 7,4 V, která není ničím jiným než dvěma 18650 články po 3,7 V zapojenými do série (3,7 V + 3,7 V = 7,4 V). Tento akumulátor by měl být nabíjen, když napětí dosáhne 6,4 V (3,2 V na článek) a lze jej nabíjet až 8,4 V (4,2 V na článek). Proto jsou tyto hodnoty pro naši baterii již pevné.

Dále jsme se rozhodli pro nabíjecí proud v režimu CC, který lze normálně najít v datovém listu baterie a hodnota závisí na hodnocení Ah baterie. V našem případě jsem se rozhodl pro hodnotu 800mA jako konstantní nabíjecí proud. Zpočátku, když je baterie připojena k nabíjení, měla by se nabíječka dostat do režimu CC a vtlačit do ní 800 mA změnou nabíjecího napětí podle toho. Tím se baterie nabije a napětí baterie se začne pomalu zvyšovat.

Protože do baterie tlačíme silným proudem s vyššími hodnotami napětí, nemůžeme jej nechat v CC, dokud se baterie plně nenabije. Když napětí baterie dosáhne značné hodnoty, musíme nabíječku přepnout z režimu CC do režimu CV. Naše baterie by zde měla být 8,4 V, když je plně nabitá, abychom ji mohli přepnout z režimu CC do režimu CV při 8,2 V.

Jakmile se nabíječka přepne do režimu CV, měli bychom udržovat konstantní napětí, hodnota konstantního napětí je v našem případě 8,6V. Baterie vybije v režimu CV podstatně méně proudu než v režimu CC, protože v samotném režimu CC je baterie téměř nabitá. Proto při pevném napětí 8,6 V bude baterie spotřebovávat méně proudu a tento proud se bude s dobíjením baterie snižovat. Takže musíme sledovat proud, když dosáhne velmi nízké hodnoty, řekněme menší než 50 mA, předpokládáme, že je baterie plně nabitá a odpojíme ji automaticky od nabíječky pomocí relé.

Abychom to shrnuli, můžeme uvést postup nabíjení baterie následovně

Vstupte do režimu CC a nabijte baterii pevným regulovaným proudem 800 mA.
Sledujte napětí baterie a po dosažení 8,2 V přepněte do režimu CV.
V režimu CV nabijte baterii pevným regulovaným napětím 8,6 V.
Sledujte, jak se nabíjecí proud snižuje.
Když proud dosáhne 50 mA, automaticky odpojte baterii od nabíječky.

Hodnoty 800 mA, 8,2 V a 8,6 V jsou pevné, protože máme lithiovou baterii 7,4 V. Tyto hodnoty můžete snadno změnit podle požadavků vaší baterie. Všimněte si také, že existuje mnoho nabíječek. Dvoustupňová nabíječka, jako je tato, je nejčastěji používanou. U třístupňové nabíječky budou fáze CC, CV a float. U čtyřstupňového nebo šestistupňového nabíječe se zohlední vnitřní odpor, teplota atd. Nyní, když máme krátkou představu o tom, jak by dvoustupňová nabíječka měla ve skutečnosti fungovat, pojďme se dostat do schématu zapojení.

Kruhový diagram

Kompletní schéma zapojení pro tuto nabíječku lithiových baterií naleznete níže. Obvod byl vyroben pomocí EasyEDA a PCB bude také vyrobeno pomocí stejného.

Jak vidíte, okruh je docela jednoduchý. Použili jsme dva integrované obvody regulátoru proměnného napětí LM317, jeden pro regulaci proudu a druhý pro regulaci napětí. První relé slouží k přepínání mezi režimem CC a CV a druhé relé slouží k připojení nebo odpojení baterie k nabíječce. Rozdělme obvod na segmenty a pochopme jeho design.

Regulátor proudu LM317

LM317 IC může fungovat jako regulátor proudu pomocí jediného odporu. Obvod stejného je uveden níže

U naší nabíječky musíme regulovat proud 800 mA, jak je uvedeno výše. Vzorec pro výpočet hodnoty odporu pro požadovaný proud je uveden v datovém listu jako

Rezistor (ohmy) = 1,25 / proud (zesilovače)

V našem případě je hodnota proudu 0,8A a za to dostaneme jako hodnotu odporu hodnotu 1,56 Ohm. Ale nejbližší hodnota, kterou bychom mohli použít, je 1,5 Ohmu, která je uvedena ve schématu zapojení výše.

Regulátor napětí LM317

Pro režim CV lithiové baterie nabíječky musíme regulovat napětí na 8,6 V, jak bylo popsáno výše. LM317 to dokáže opět pomocí pouhých dvou rezistorů. Obvod stejného je uveden níže.

Vzorec pro výpočet výstupního napětí pro regulátor LM317 je uveden jako

V našem případě by mělo být výstupní napětí (Vout) 8,6 V a hodnota R1 (zde R2) by měla být menší než 1000 ohmů, takže jsem vybral hodnotu 560 Ohmů. S tím, když vypočítáme hodnotu R2, dostaneme ji na 3,3 k Ohm. Alternativně můžete použít libovolné hodnoty kombinace rezistorů za předpokladu, že výstupní napětí bude 8,6V. Tuto online kalkulačku LM317 můžete použít k usnadnění práce.

Uspořádání relé pro přepínání mezi režimem CC a CV

Máme dvě 12V relé, z nichž každé je řízeno Arduinem přes NP5 tranzistor BC547. Níže je uvedeno obě uspořádání relé

První relé se používá pro přepínání mezi CC a CV režimu nabíječky, toto relé je spouštěn Arduino čepu označené jako „Mode“. Ve výchozím nastavení je relé v režimu CC, když je spuštěno, změní se z režimu CC na režim CV.

Podobně se druhé relé používá k připojení nebo odpojení nabíječky od baterie; toto relé je spouštěno pinem Arduino označeným jako „Charge“. Ve výchozím nastavení relé odpojí baterii od nabíječky, když je spuštěno, připojí nabíječku k baterii. Kromě toho se dvě diody D1 a D2 používají k ochraně obvodu před zpětným proudem a rezistory 1K R4 a R5 se používají k omezení proudu protékajícího základnou tranzistoru.

Měření napětí lithiové baterie

Abychom mohli monitorovat proces nabíjení, musíme měřit napětí baterie, teprve potom můžeme přepnout nabíječku z režimu CC do režimu CV, když napětí baterie dosáhne 8,2 V, jak je uvedeno. Nejběžnější technikou používanou k měření napětí u mikrokontrolérů, jako je Arduino, je použití obvodu děliče napětí. Zde použitý je uveden níže.

Jak víme, maximální napětí, které pin Arduino Analog může měřit, je 5 V, ale naše baterie by mohla v režimu CV dosáhnout až 8,6 V, takže musíme toto snížit na nižší napětí. To je přesně provedeno obvodem děliče napětí. Hodnotu rezistoru můžete vypočítat pomocí této online kalkulačky děliče napětí. Zde jsme odvodili výstupní napětí o polovinu původního vstupního napětí, toto výstupní napětí je poté odesláno na analogový pin Arduino přes štítek „ B_Voltage “. Při programování Arduina můžeme později získat původní hodnotu.

Měření nabíjecího proudu

Dalším důležitým parametrem, který se má měřit, je nabíjecí proud. Během režimu CV bude baterie odpojena od nabíječky, když nabíjecí proud klesne pod 50 mA, což indikuje dokončení nabíjení. Existuje mnoho metod pro měření proudu, nejběžněji používanou metodou je použití bočníku. Obvod stejného je uveden níže

Koncept za tím je jednoduchý zákon o ohmech. Celý proud protékající do baterie protéká bočním rezistorem 2.2R. Pak podle Ohmova zákona (V = IR) víme, že pokles napětí na tomto rezistoru bude úměrný proudu protékajícímu tímto odporem. Protože víme, že hodnotu odporu a napětí napříč lze měřit pomocí analogového kolíku Arduino, lze snadno vypočítat hodnotu proudu. Hodnota poklesu napětí na rezistoru se odesílá do Arduina pomocí štítku „B_Current “. Víme, že maximální nabíjecí proud bude 800 mA, takže pomocí vzorců V = IR a P = I ² R můžeme vypočítat hodnotu odporu a hodnotu výkonu odporu.

Arduino a LCD

Nakonec na straně Arduina musíme propojit LCD s Arduino, abychom uživateli zobrazili proces nabíjení a kontrolovali nabíjení měřením napětí, proudu a následným spuštěním relé.

Arduino Nano má integrovaný regulátor napětí, proto je napájecí napětí dodáváno do Vin a regulovaných 5 V se používá ke spuštění LCD displeje Arduino a 16x2. Napětí a proud lze měřit analogovými piny A0 a A1 pomocí štítků „B_Voltage“ a „B_Current“. Relé lze spustit přepnutím pinů GPIO D8 a D9, které jsou připojeny pomocí štítků „Mode“ a „Charge“. Jakmile budou schémata připravena, můžeme pokračovat ve výrobě desek plošných spojů.

Návrh a výroba desek plošných spojů pomocí EasyEDA

Abychom navrhli tento obvod nabíječky lithiových baterií, vybrali jsme si online nástroj EDA s názvem EasyEDA. EasyEDA jsem již mnohokrát použil a zjistil jsem, že je velmi pohodlné ji používat, protože má dobrou sbírku stop a je open-source. Po návrhu desky plošných spojů si můžeme objednat vzorky desek plošných spojů pomocí jejich nízko nákladových služeb výroby desek plošných spojů. Nabízejí také službu sourcingu komponent, kde mají velkou zásobu elektronických součástek a uživatelé si mohou spolu s objednávkou PCB objednat požadované komponenty.

Při navrhování vašich obvodů a desek plošných spojů můžete také zveřejnit své návrhy obvodů a desek plošných spojů, aby je mohli ostatní uživatelé kopírovat nebo upravovat a mohli těžit z vaší práce. Také jsme pro tento obvod zveřejnili celé naše rozvržení obvodů a desek plošných spojů, zkontrolujte níže uvedený odkaz:

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

Můžete zobrazit libovolnou vrstvu (nahoře, dole, Topsilk, bottomsilk atd.) Desky plošných spojů výběrem vrstvy z okna „Layers“. Můžete si také prohlédnout desku plošných spojů lithiové baterie, jak bude vypadat po výrobě, pomocí tlačítka Zobrazit fotografie v EasyEDA:

Výpočet a objednávání vzorků online

Po dokončení konstrukce této desky plošných spojů s lithiovou baterií si můžete desku objednat přes JLCPCB.com. Chcete-li objednat desku plošných spojů z JLCPCB, potřebujete soubor Gerber. Chcete-li stáhnout soubory Gerber z vašeho PCB, jednoduše klikněte na tlačítko Generovat soubor výroby na stránce editoru EasyEDA, odtud si stáhněte soubor Gerber nebo klikněte na Objednávka na JLCPCB, jak je znázorněno na následujícím obrázku. To vás přesměruje na JLCPCB.com, kde můžete vybrat počet desek plošných spojů, které chcete objednat, kolik měděných vrstev potřebujete, tloušťku desky plošných spojů, hmotnost mědi a dokonce i barvu desky plošných spojů, jako je snímek zobrazený níže:

Po kliknutí na objednávku na tlačítku JLCPCB se dostanete na web JLCPCB, kde si můžete objednat PCB ve velmi nízké sazbě, což je 2 $. Jejich doba výroby je také velmi kratší, což je 48 hodin s dodávkou DHL 3-5 dní, v podstatě dostanete PCB do týdne od objednání.

Po objednání desky plošných spojů můžete zkontrolovat průběh výroby desky plošných spojů s datem a časem. Zkontrolujete to tak, že přejdete na stránku Účet a kliknete na odkaz „Průběh výroby“ pod PCB, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Po několika dnech objednání desek plošných spojů jsem dostal vzorky desek plošných spojů v pěkném obalu, jak je znázorněno na obrázcích níže.

Poté, co se ujistil, že stopy a stopy jsou správné. Pokračoval jsem v sestavování desky plošných spojů, pomocí samičích hlaviček jsem umístil Arduino Nano a LCD, abych je mohl později odstranit, pokud je budu potřebovat pro jiné projekty. Níže kompletně připájená deska vypadá takto

Programování Arduina pro dvoustupňové nabíjení lithiové baterie

Jakmile je hardware připraven, můžeme pokračovat v psaní kódu pro Arduino Nano. Kompletní program pro tento projekt je uveden ve spodní části stránky, můžete jej nahrát přímo do svého Arduina. Nyní rozdělíme program na malé úryvky a pochopme, co kód vlastně dělá.

Jako vždy začneme program inicializací I / O pinů. Jak víme z našeho hardwaru, kolíky A0 a A2 se používají k měření napětí a proudu a kolíky D8 a D9 se používají k ovládání relé režimu a relé nabíjení. Níže uvedený kód definuje totéž

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Uveďte číslo pinu pro připojení LCD LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); int poplatek = 9; // Pin pro připojení nebo odpojení baterie k obvodu int Mode = 8; // Pin přepíná mezi režimem CC a režimem CV int Voltage_divider = A0; // Měření napětí baterie int Shunt_resistor = A1; // Pro měření nabíjecího proudu float Charge_Voltage; float Charge_current;

Uvnitř nastavení funkce, jsme inicializovat funkci LCD a zobrazí intro na obrazovce zprávu. Také definujeme reléové piny jako výstupní piny. Poté spusťte nabíjecí relé, připojte baterii k nabíječce a ve výchozím nastavení nabíječka zůstane v režimu CC.

void setup () { lcd.begin (16, 2); // Inicializace 16 * 2 LCD lcd.print ("7.4V Li + nabíječka"); // Úvod Řádek zprávy 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Úvod Řádek zprávy 2 lcd.clear (); pinMode (Charge, OUTPUT); pinMode (režim, VÝSTUP); digitalWrite (poplatek, VYSOKÝ); // Zahájení nabíjení Zpočátku připojením baterie digitalWrite (Mode, LOW); // HIGH pro režim CV a LOW režimu CC, zpoždění režimu CC (1000); }

Dále uvnitř nekonečné smyčky funkce, budeme začíná program na základě měření napětí baterie a nabíjecí proud. Hodnota 0,0095 a 1,78 se vynásobí analogovou hodnotou k převodu 0 na 1024 na skutečnou hodnotu napětí a proudu. K měření skutečné hodnoty můžete použít multimetr a klešťový měřič a poté vypočítat hodnotu multiplikátoru. Je také teoreticky vypočítat hodnoty multiplikátoru na základě odporů, které jsme použili, ale nebylo to tak přesné, jak jsem očekával.

// Nejprve změřte napětí a proud Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Měření napětí baterie Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Změřte nabíjecí proud

Pokud je nabíjecí napětí menší než 8,2 V, přejdeme do režimu CC a pokud je vyšší než 8,2 V, přejdeme do režimu CV. Každý režim má svou vlastní smyčku while . Uvnitř smyčky režimu CC ponecháme kolík režimu jako NÍZKÝ, abychom zůstali v režimu CC a poté pokračovali v monitorování napětí a proudu. Pokud napětí překročí prahové napětí 8,2 V, rozbijeme smyčku CC pomocí příkazu break. Stav nabíjecího napětí se také zobrazuje na LCD uvnitř CC smyčky.

// Pokud je napětí baterie menší než 8,2 V, přejděte do režimu CC, zatímco (Charge_Voltage <8,2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Zůstaňte v režimu CC // Měření napětí a proudu Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0095; // Měření napětí baterie Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Měření nabíjecí proud // tiskové detials na LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print („V režimu CC“); zpoždění (1000); lcd.clear (); // Zkontrolujte, zda musíme opustit režim CC if (Charge_Voltage> = 8,2) // Pokud ano { digitalWrite (Mode, HIGH); // Přechod na konec režimu CV ; } }

Stejnou techniku lze použít i pro režim CV. Pokud napětí překročí 8,2 V, nabíječka přejde do režimu CV tak, že nastaví kolík režimu vysoko. To na baterii aplikuje konstantní hodnotu 8,6 V a nabíjecí proud se může lišit podle požadavku na baterii. Tento nabíjecí proud je poté monitorován a když dosáhne hodnoty nižší než 50 mA, můžeme proces nabíjení ukončit odpojením baterie od nabíječky. K tomu musíme jednoduše vypnout relé nabíjení, jak je uvedeno v níže uvedeném kódu

// Pokud je napětí baterie vyšší než 8,2 V, přejděte do režimu CV, zatímco (Charge_Voltage> = 8,2) // CV MODE Loop { digitalWrite (režim, VYSOKÝ); // Zůstaňte v režimu CV // Měření napětí a proudu Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Měření napětí baterie Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Změřte nabíjecí proud // Zobrazit podrobnosti uživateli na LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("V režimu CV"); zpoždění (1000); lcd.clear (); // Zkontrolujte, zda je baterie nabitá, sledováním nabíjecího proudu if (Charge_current <50) // Pokud ano { digitalWrite (Charge, LOW); // Vypněte nabíjení while (1) // Udržujte nabíječku vypnutou až do restartu { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print („Charge Complete.“); zpoždění (1000); lcd.clear (); } } } }

Fungování dvoustupňové nabíječky lithiových baterií 7,4 V

Jakmile je hardware připraven, nahrajte kód na desku Arduino. Poté připojte baterii k nabíjecí svorce desky. Ujistěte se, že jste je připojili ve správné polaritě, opačná polarita způsobí vážné poškození baterie a desky. Po připojení napájení z nabíječky pomocí 12V adaptéru. Budete uvítáni úvodním textem a nabíječka přejde do režimu CC nebo CV na základě stavu baterie. Pokud je baterie v době nabíjení zcela vybitá, přepne se do režimu CC a na displeji LCD se zobrazí něco podobného níže.

Jakmile se baterie nabije, napětí se zvýší, jak ukazuje video níže . Když toto napětí dosáhne 8,2 V, nabíječka přejde do režimu CV z režimu CC a nyní bude zobrazovat napětí i proud, jak je uvedeno níže.

Od této chvíle pomalu klesá aktuální spotřeba baterie při jejím nabíjení. Když proud dosáhne 50 mA nebo méně, nabíječka předpokládá, že je baterie plně nabitá, poté odpojí baterii od nabíječky pomocí relé a zobrazí následující obrazovku. Poté můžete odpojit baterii od nabíječky a použít ji ve svých aplikacích.

Doufám, že jste pochopili projekt a užili jste si jeho stavbu. Kompletní práci najdete ve videu níže. Máte-li jakékoli dotazy, pošlete je v sekci komentářů níže na fórech pro další technické dotazy. Obvod je opět pouze pro vzdělávací účely, proto jej používejte zodpovědně, protože lithiové baterie nejsou za drsných podmínek stabilní.