7,4 V kétlépéses lítium akkumulátor töltő áramkör

A jövőre nézve ígéretesnek tűnik az elektromos járművek, a drónok és más mobil elektronikák, például az IoT-eszközök fejlődése. Mindezek között egy közös dolog, hogy mindegyiket akkumulátorok működtetik. Moore törvényét követve az elektronikus eszközök általában kisebbek és jobban ihatók, ezeknek a hordozható eszközöknek saját áramforrással kell rendelkezniük a működéshez. A hordozható elektronika leggyakoribb akkumulátor-választása a lítium-ion vagy a lítium-polimer akkumulátor. Míg ezeknek az akkumulátoroknak nagyon jó a töltési sűrűsége, kémiailag instabilak nehéz körülmények között, ezért körültekintően kell eljárni az akkumulátorok töltése és használata közben.

Ebben a projektben kétlépcsős akkumulátortöltőt (CC és CV) építünk, amely használható lítium-ion vagy lítium-polimer töltők töltésére. Az akkumulátortöltő áramkört 7,4 V- os lítium akkumulátorhoz tervezték (két 18650-es sorozatban), amelyet általában a legtöbb robotikai projektben használok, de az áramkört könnyen módosíthatjuk, hogy illeszkedjen alacsonyabb vagy kissé magasabb akkumulátorcsomagokba, például 3,7 lítium akkumulátortöltőt vagy 12v-os lítium-ion akkumulátor töltő. Mint tudhatja, rendelkezésre állnak kész töltők ezekhez az akkumulátorokhoz, de az olcsóak nagyon lassúak, a gyorsak pedig nagyon drágák. Ezért ebben az áramkörben úgy döntöttem, hogy építek egy egyszerű nyers töltőt LM317 IC-kkel CC és CV módban. Mi több, mint szórakoztatóbb, mint a saját szerkentyű elkészítése és a folyamat során történő tanulás.

Ne feledje, hogy a lítium elemeket óvatosan kell kezelni. A túltöltés vagy rövidzárlat robbanáshoz és tűzveszélyhez vezethet, ezért maradjon biztonságban körülötte. Ha Ön teljesen új a lítium akkumulátorok iránt, akkor azt javasoljuk, hogy olvassa el a lítium akkumulátorok cikkét, mielőtt tovább folytatja. Ennek ellenére menjünk bele a projektbe.

CC és CV mód az akkumulátortöltőhöz:

A töltő, amelyet itt meg akarunk építeni, egy kétlépcsős töltő, vagyis két töltési módja lesz, nevezetesen állandó töltés (CC) és állandó feszültség (CV). E két mód kombinálásával a szokásosnál gyorsabban tudjuk majd tölteni az akkumulátort.

Állandó töltés (CC):

Az első üzemmód a CC mód lesz. Itt rögzítik az akkumulátorba kerülő töltőáram mennyiségét. Ennek az áramnak a fenntartásához a feszültséget ennek megfelelően változtatják meg.

Állandó feszültség (CV):

Amint a CC üzemmód befejeződött, beindul a CV mód. Itt a feszültség rögzítve marad, és az áram változhat az akkumulátor töltési követelményeinek megfelelően.

Esetünkben van egy 7,4 V-os lítium akkumulátor-csomag, amely nem más, mint két 18650 cella, mindegyik 3,7 V-os, sorosan csatlakoztatva (3,7 V + 3,7 V = 7,4 V). Ezt az akkumulátort akkor kell tölteni, amikor a feszültség eléri a 6,4 V-ot (cellánként 3,2 V), és legfeljebb 8,4 V-ig (4,2 V cellánként). Ezért ezek az értékek már rögzítve vannak az akkumulátorunk számára.

Ezután CC módban döntöttünk a töltési áramról, ez általában megtalálható az akkumulátor adatlapján, és az érték az akkumulátor Ah besorolásától függ. Esetünkben 800mA értéket döntöttem állandó töltőáramként. Tehát kezdetben, amikor az akkumulátor csatlakoztatva van a töltéshez, a töltőnek CC üzemmódba kell lépnie, és a töltési feszültségnek megfelelő változtatással be kell tolnia 800 mA-t az akkumulátorba. Ez feltölti az akkumulátort, és az akkumulátor feszültsége lassan növekszik.

Mivel nagyobb áramot tolunk az akkumulátorba, nagyobb feszültségértékekkel, nem hagyhatjuk azt CC-ben, amíg az akkumulátor teljesen fel nem töltődik. Át kell állítanunk a töltőt CC üzemmódból CV üzemmódba, amikor az akkumulátor feszültsége jelentős értéket ér el. Akkumulátorunk itt teljesen feltöltött állapotban 8,4 V legyen, így CC üzemmódból CV üzemmódba kapcsolhatjuk 8,2 V feszültség mellett.

Ha a töltő tolódott CV módban kell fenntartani állandó feszültség, az értéke állandó feszültség 8.6V esetünkben. Az akkumulátor CV módban lényegesen kevesebb áramot merít, mint CC mód, mivel az akkumulátor maga CC módban majdnem fel van töltve. Ezért fix 8.6V esetén az akkumulátor kevesebb áramot fogyaszt, és ez az áram csökken, amint az akkumulátor feltöltődik. Tehát figyelemmel kell kísérnünk az áramot, amikor az nagyon alacsony értéket ér el, mondjuk kevesebb, mint 50 mA, feltételezzük, hogy az akkumulátor teljesen fel van töltve, és egy relé segítségével automatikusan leválasztjuk az akkumulátort a töltőről.

Összefoglalva, az alábbiak szerint sorolhatjuk fel az akkumulátor töltési eljárását

1. Lépjen be CC módba, és töltse fel az akkumulátort fix 800mA szabályozott árammal.
2. Figyelje az akkumulátor feszültségét, és amikor eléri a 8,2 V-ot, kapcsoljon CV üzemmódba.
3. CV üzemmódban az akkumulátort fix 8.6V szabályozott feszültséggel töltse fel.
4. Figyelje a töltőáramot, amikor csökken.
5. Amikor az áram eléri az 50 mA-t, válassza le automatikusan az akkumulátort a töltőről.

A 800mA, 8.2V és 8.6V értékek rögzítettek, mert van egy 7,4 V-os lítium akkumulátor-csomagunk. Könnyedén megváltoztathatja ezeket az értékeket az akkumulátor követelményeinek megfelelően. Vegye figyelembe azt is, hogy sok színpadi töltő létezik. Az ilyen kétfokozatú töltő a leggyakrabban használt. Egy háromfokozatú töltőben a CC, CV és a float szakaszok lesznek. Négy vagy hatfokozatú töltőben a belső ellenállást, hőmérsékletet stb. Most, hogy van egy rövid megértésünk arról, hogy a kétlépcsős töltőnek valójában hogyan kell működnie, térjünk be az áramkörre.

Kördiagramm

A lítium akkumulátortöltő teljes kapcsolási rajza alább található. Az áramkört az EasyEDA segítségével készítették, és a NYÁK-t is ugyanezzel fogják gyártani.

Mint látható, az áramkör nagyon egyszerű. Két LM317 változó feszültségszabályozó IC-t használtunk, az egyiket az áram szabályozására, a másikat a feszültség szabályozására. Az első relét a CC és a CV mód közötti váltásra, a második relét pedig az akkumulátor töltőhöz történő csatlakoztatására vagy leválasztására használják. Bontjuk szét az áramkört szegmensekre és értsük meg annak kialakítását.

LM317 áramszabályozó

Az LM317 IC áramszabályozóként működhet egyetlen ellenállás segítségével. Az áramkör az alábbiakban látható

A töltőnkhöz 800mA áramot kell szabályoznunk a fentiek szerint. A képlet az ellenállás értékének kiszámításához a szükséges áramra az adatlapon található

Ellenállás (ohm) = 1,25 / áram (amper)

Esetünkben az áram értéke 0,8A, ezért 1,56 Ohm értéket kapunk az ellenállás értékeként. De a legközelebbi érték, amelyet felhasználhatunk, 1,5 Ohm, amelyet a fenti kapcsolási rajz említ.

LM317 feszültségszabályozó

A lítium akkumulátor töltő CV üzemmódjához a feszültséget 8,6V-ra kell állítanunk, amint azt korábban tárgyaltuk. Az LM317 ismét csak két ellenállás segítségével képes erre. Az áramkör az alábbiakban látható.

Az LM317 szabályozó kimeneti feszültségének kiszámításához képletet adjuk meg

Esetünkben a kimeneti feszültségnek (Vout) 8,6 V-nak kell lennie, és az R1 (itt R2) értékének 1000 ohmnál kisebbnek kell lennie, ezért 560 Ohm értéket választottam. Ezzel, ha kiszámítjuk az R2 értékét, akkor 3,3 k Ohmot kapunk. Alternatív megoldásként használhatja az ellenállás kombinációjának bármely értékét, feltéve, hogy a kimeneti feszültség értéke 8,6 V. Használhatja ezt az online LM317 kalkulátort, hogy megkönnyítse a munkáját.

Relé elrendezés a CC és CV mód közötti váltáshoz

Két 12 V-os relénk van, amelyek mindegyikét Arduino hajtja a BC547 NPN tranzisztoron keresztül. Mindkét relé elrendezés az alábbiakban látható

Az első relét a töltő CC és CV módja közötti váltásra használják, ezt a relét a „Mode” feliratú Arduino tű váltja ki. Alapértelmezés szerint a relé CC üzemmódban van, amikor beindul, CC üzemmódról CV módra vált.

Hasonlóképpen a második relét használják a töltő csatlakoztatására vagy leválasztására az akkumulátorról; ezt a váltót a „Charge” feliratú Arduino tű váltja ki. Alapértelmezés szerint a relé leválasztja az akkumulátort a töltőről, aktiválásakor pedig a töltőt az akkumulátorral. Ettől eltekintve a két D1 és D2 diódát használják az áramkör ellenirányú áram elleni védelmére, az 1K R4 és R5 ellenállásokat pedig a tranzisztor bázisán átfolyó áram korlátozására használják.

Lítium akkumulátor feszültségének mérése

A töltési folyamat nyomon követéséhez meg kell mérnünk az akkumulátor feszültségét, csak akkor tudjuk a töltőt CC üzemmódból CV üzemmódba kapcsolni, amikor az akkumulátor feszültsége eléri a 8.2V-ot, amint azt megbeszéltük. Az Arduino-hoz hasonló mikrovezérlőkkel a feszültség mérésére a leggyakoribb módszer a Feszültségosztó áramkör használata. Az itt használtat az alábbiakban mutatjuk be.

Mint tudjuk, az Arduino Analog csap maximális feszültsége 5 V, de akkumulátorunk CV üzemmódban akár 8,6 V is lehet, ezért ezt alacsonyabb feszültségre kell csökkentenünk. Ezt pontosan a feszültségosztó áramkör végzi. Az online feszültségosztó kalkulátor segítségével kiszámíthatja a Resistor értékét, és többet tudhat meg a feszültségosztóról. Itt levezettük a kimeneti feszültséget az eredeti bemeneti feszültség felével, majd ezt a kimeneti feszültséget a „ B_Feszültség ” címke segítségével elküldjük az Arduino Analog tűre. Később visszakereshetjük az eredeti értéket az Arduino programozása közben.

Töltőáram mérése

A másik mérendő létfontosságú paraméter a töltőáram. CV üzemmódban az akkumulátort leválasztják a töltőről, ha a töltési áram 50 mA alá csökken, ami a töltés befejezését jelzi. Az áram mérésére számos módszer létezik, a leggyakrabban alkalmazott módszer a söntellenállás használata. Az áramkör az alábbiakban látható

A koncepció mögött az egyszerű ohmos törvény áll. Az akkumulátorhoz áramló teljes áram átfolyik a 2.2R söntellenálláson. Ekkor Ohm törvény alapján (V = IR) tudjuk, hogy az ellenállás feszültségesése arányos lesz a rajta átáramló árammal. Mivel tudjuk, hogy az ellenállás értéke és a rajta lévő feszültség az Arduino Analog csap segítségével mérhető, az áram értéke könnyen kiszámítható. Az ellenállás feszültségesésének értékét a „B_Current ” címkén keresztül küldjük el az Arduino- nak . Tudjuk, hogy a maximális töltőáram 800 mA lesz, így a V = IR és P = I ² R képletek segítségével kiszámíthatjuk az ellenállás ellenállási és teljesítményértékét.

Arduino és LCD

Végül az Arduino oldalán össze kell kapcsolnunk egy LCD-t az Arduinóval, hogy megjelenítsük a felhasználó számára a töltési folyamatot, és a feszültség, áram mérésével, majd a relék ennek megfelelő kioldásával vezéreljük a töltést.

Az Arduino Nano beépített feszültségszabályozóval rendelkezik, így a tápfeszültség a Vin számára biztosított, és a szabályozott 5 V-ot az Arduino és a 16x2 LCD kijelző futtatására használják. A feszültséget és az áramot az A0, illetve az A1 analóg csapok segítségével lehet mérni a „B_Feszültség” és a „B_ Áram” címkékkel. A relét a „Mode” és a „Charge” címkékkel összekapcsolt D8 és D9 GPIO csapok kapcsolásával lehet kiváltani. Miután a sémák elkészültek, folytathatjuk a NYÁK gyártását.

NYÁK tervezés és gyártás az EasyEDA segítségével

Ennek a Lithum akkumulátortöltő áramkörnek a tervezéséhez az online EDA eszközt választottuk az EasyEDA néven. Korábban sokszor használtam az EasyEDA-t, és nagyon kényelmesnek találtam a használatát, mivel jó a lábnyomok gyűjteménye, és nyílt forráskódú. A NYÁK megtervezése után megrendelhetjük a NYÁK-mintákat olcsó PCB-gyártási szolgáltatásaikkal. Komponens beszerzési szolgáltatást is kínálnak, ahol nagy mennyiségű elektronikus alkatrész áll rendelkezésükre, és a felhasználók megrendelhetik a szükséges alkatrészeket a NYÁK megrendeléssel együtt.

Az áramkörök és a NYÁK-k tervezése közben az áramköri és a NYÁK-terveket is nyilvánossá teheti, hogy más felhasználók másolhassák vagy szerkeszthessék azokat, és kihasználhassák munkáját, mi is az egész áramkör- és NYÁK-elrendezésünket nyilvánossá tettük ehhez az áramkörhöz, ellenőrizze az alábbi link:

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

Megtekintheti a NYÁK bármely rétegét (felső, alsó, felső tej, alsó tej stb.), Ha kiválasztja a réteget a „Rétegek” ablakból. Az EasyEDA Photo View gombjával megtekintheti a lítium akkumulátortöltő NYÁK -ját is, hogy hogyan fog kinézni a gyártás után:

Minták kiszámítása és megrendelése online

A lítium akkumulátortöltő NYÁK tervezésének befejezése után megrendelheti a NYÁK-t a JLCPCB.com oldalon keresztül. A NYÁK megrendeléséhez a JLCPCB-től Gerber File szükséges. A NYÁK-ból származó Gerber fájlok letöltéséhez kattintson az EasyEDA szerkesztő oldalán a Gyártási fájl előállítása gombra, majd töltse le onnan a Gerber fájlt, vagy kattintson a Rendelés a JLCPCB-n gombra, az alábbi képen látható módon. Ez átirányítja a JLCPCB.com webhelyre, ahol kiválaszthatja a megrendelni kívánt NYÁK-k számát, hány rézréteget, a NYÁK vastagságát, a réz súlyát és még a NYÁK színét is, például az alább látható pillanatképet:

Miután rákattintott a megrendelésre a JLCPCB gombra, az eljut a JLCPCB weboldalára, ahol nagyon alacsony áron rendelheti meg a NYÁK-t, ami 2 dollár. Gyártási idejük szintén rövidebb, ami 48 óra 3-5 napos DHL szállítás esetén, alapvetően a PCB-ket a megrendeléstől számított egy héten belül megkapja.

A NYÁK megrendelése után ellenőrizheti a NYÁK előrehaladását dátummal és idővel. Ezt a Fiók oldalon keresztül ellenőrizheti, és kattintson a "Gyártás előrehaladása" linkre a NYÁK alatt, hasonlóan az alábbi képhez.

Néhány napos PCB-k megrendelése után kaptam a PCB-mintákat szép csomagolásban, az alábbi képeken látható módon.

Miután megbizonyosodott arról, hogy a nyomok és a lábnyomok helyesek-e. Folytattam a NYÁK összeállítását, női fejlécekkel helyeztem el az Arduino Nano és az LCD-t, hogy később eltávolíthassam őket, ha szükségem van rájuk más projektekhez. A teljesen forrasztott tábla az alábbiakban így néz ki

Az Arduino programozása kétlépéses lítium akkumulátor töltésre

Miután a hardver készen áll, folytathatjuk az Arduino Nano kódjának megírását. A projekt teljes programja az oldal alján található, közvetlenül feltöltheti Arduino készülékére. Most bontsuk szét a programot apró részletekre és értsük meg, hogy a kód valójában mit csinál.

Mint mindig, az I / O csapok inicializálásával kezdjük a programot. Mint hardverünkből tudjuk, az A0 és A2 csapokat használjuk a feszültség és az áram mérésére, a D8 és a D9 csapokat pedig a mód relé és a töltés relé vezérlésére használjuk. Az alábbiakban a kódot definiáljuk

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Meg kell említeni a LiquidCrystal lcd LCD-csatlakozás PIN-kódját (rs, en, d4, d5, d6, d7); int töltés = 9; // Tű az akkumulátor áramkörhöz történő csatlakoztatásához vagy leválasztásához int Mode = 8; // Tűz a CC mód és a CV mód közötti váltáshoz int Voltage_divider = A0; // Az akkumulátor feszültségének mérésére int Shunt_resistor = A1; // A töltőáram mérésére float Charge_Voltage; float Charge_current;

A beállítási funkción belül inicializáljuk az LCD funkciót, és egy intro üzenetet jelenítünk meg a képernyőn. Azt is meghatározzuk, hogy a relé csapjai kimeneti csapok. Ezután indítsa el a töltőrelét, csatlakoztassa az akkumulátort a töltőhöz, és alapértelmezés szerint a töltő CC üzemmódban marad.

void setup () { lcd.begin (16, 2); // 16 * 2 LCD lcd.print inicializálása ("7,4 V Li + töltő"); // Intro Message line 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Intro Message line 2 lcd.clear (); pinMode (töltés, OUTPUT); pinMode (mód, OUTPUT); digitalWrite (töltés, HIGH); // Töltés kezdete Kezdetben az akkumulátor digitalWrite (Mode, LOW) csatlakoztatásával; // HIGH CV üzemmódhoz és LOW CC módhoz, eredetileg CC mód késleltetés (1000); }

Ezután a végtelen hurok funkció belsejében kezdjük el a programot az akkumulátor feszültségének és a töltőáram mérésével. A 0,0095 és 1,78 értékeket megszorozzuk az Analóg értékkel, hogy a 0-t 1024-re alakítsuk át tényleges feszültség- és áramértékre. Használhat multimétert és bilincsmérőt a valós érték mérésére, majd a szorzó értékének kiszámítására. Elméletileg kiszámítja a szorzó értékeket az általunk használt ellenállások alapján, de nem volt olyan pontos, mint amire számítottam.

// Feszültség és áram mérése kezdetben Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Mérjük meg az akkumulátor feszültségét töltési_áram = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Töltőáram mérése

Ha a töltési feszültség kisebb, mint 8,2 V, akkor CC módba lépünk, és ha nagyobb, mint 8,2 V, akkor CV módba lépünk. Minden módnak megvan a maga while hurka. A CC üzemmód hurok belsejében a Mode csapot LOW-ként tartjuk, hogy CC módban maradjunk, majd folyamatosan figyeljük a feszültséget és az áramot. Ha a feszültség meghaladja a 8,2 V küszöbfeszültséget, akkor megszakítjuk a CC hurokot egy törés utasítással. A töltési feszültség állapota az LCD-n is megjelenik a CC hurok belsejében.

// Ha az akkumulátor feszültsége kisebb, mint 8,2 V, lépjen be a CC üzemmódba, miközben (Charge_Voltage <8.2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Maradjon CC üzemmódban // Feszültség és áramfeszültség mérése_feszültség = analogRead (Feszültség_osztó) * 0,0095; // Mérjük meg az akkumulátor feszültségét töltési_áram = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Mérjük töltőáram // nyomtatási detials LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (töltés_feszültség); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("CC módban"); késés (1000); lcd.clear (); // Ellenőrizze, hogy ki kell-e lépnünk a CC módból, ha (Charge_Voltage> = 8.2) // Ha igen { digitalWrite (Mode, HIGH); // Váltás CV üzemmódra ; } }

Ugyanez a technika követhető a CV módban is. Ha a feszültség meghaladja a 8,2 V-ot, a töltő CV üzemmódba lép, ha a Mode csapot magasra teszi. Ez az akkumulátoron állandó 8,6 V feszültséget alkalmaz, és a töltési áram az akkumulátorigénytől függően változhat. Ezt követően figyeljük ezt a töltési áramot, és amikor eléri az 50mA-t, le tudjuk állítani a töltési folyamatot az akkumulátor leválasztásával a töltőről. Ehhez egyszerűen ki kell kapcsolnunk a töltés relét, amint az az alábbi kódban látható

// Ha az akkumulátor feszültsége meghaladja a 8,2 V-ot, lépjen CV üzemmódba, miközben (Charge_Voltage> = 8.2) // CV MODE Loop { digitalWrite (Mode, HIGH); // Maradjon CV üzemmódban // Feszültség és áramfeszültség mérése_feszültség = analogRead (Feszültség_osztó) * 0,0092; // Mérjük meg az akkumulátor feszültségét töltési_áram = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Töltési áram mérése // Részletek megjelenítése a felhasználó számára az LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (töltés_feszültség); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("CV módban"); késés (1000); lcd.clear (); // A töltési áram figyelemmel kísérésével ellenőrizze, hogy az akkumulátor töltődik-e, ha (Charge_current <50) // Ha igen { digitalWrite (töltés, alacsony); // Kapcsolja ki a töltést, amíg (1) // Tartsa kikapcsolva a töltőt, amíg újra nem indul { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Töltés befejezve."); késés (1000); lcd.clear (); } } } }

7,4 V kétlépéses lítium akkumulátor töltő működése

Miután a hardver készen áll, töltse fel a kódot az Arduino táblára. Ezután csatlakoztassa az akkumulátort a kártya töltő kapcsához. Ügyeljen arra, hogy megfelelő polaritással csatlakoztassa őket, mert a polaritás megfordítása súlyos károkat okoz az akkumulátorban és a lapban. Miután csatlakoztatta az akkumulátort a töltőhöz 12 V-os adapterrel. Bevezető szöveggel üdvözöljük, és a töltő CC vagy CV módba lép az akkumulátor állapota alapján. Ha az akkumulátor a töltéskor teljesen lemerült, CC üzemmódba lép, és az LCD- je az alábbiakat fogja megjeleníteni.

Amint az akkumulátor feltöltődik, a feszültség növekszik, amint azt az alábbi videó mutatja . Amikor ez a feszültség eléri a 8,2 V-ot, a töltő CV üzemmódba lép CC üzemmódból, és most a feszültséget és az áramot is megjeleníti az alábbiak szerint.

Innen lassan csökken az akkumulátor jelenlegi fogyasztása, amikor töltődik. Amikor az áram eléri az 50mA-t vagy annál kevesebbet, a töltő feltételezi, hogy az akkumulátor teljesen fel van töltve, majd a relével kihúzza az akkumulátort a töltőből, és megjeleníti a következő képernyőt. Ezt követően leválaszthatja az akkumulátort a töltőről, és felhasználhatja az alkalmazásokban.

Remélem, megértette a projektet, és élvezte az építését. A teljes munka az alábbi videóban található. Ha bármilyen kérdése van, tegye őket az alábbi megjegyzés szakaszba, és használja a fórumokat más technikai kérdésekhez. Az áramkör ismét csak oktatási célokat szolgál, ezért használja felelősséggel, mivel a lítium elemek nem stabilak nehéz körülmények között.