Двоступінчаста схема зарядного пристрою з літієвою батареєю 7,4 В

Прогрес у галузі електромобілів, безпілотників та іншої мобільної електроніки, як IoT Devices, здається перспективним на майбутнє. Поширеним серед усіх цих факторів є те, що всі вони живляться від акумуляторів. Відповідно до закону Мура електронні пристрої, як правило, стають меншими та більш придатними для використання, ці портативні пристрої повинні мати власне джерело живлення для роботи. Сьогодні найпоширенішим вибором акумуляторів для портативної електроніки є літій-іонні або літій-полімерні батареї. Хоча ці акумулятори мають дуже хорошу щільність заряду, вони хімічно нестійкі в суворих умовах, отже, слід бути обережними під час їх заряджання та використання.

У цьому проекті ми побудуємо двоступеневий зарядний пристрій (CC та CV), який можна використовувати для заряджання літієвих іонних або літієвих полімерних тіл. Схема зарядного пристрою розроблена для літієвої батареї на 7,4 В (дві серії 18650), яку я зазвичай використовую в більшості проектів робототехніки, але схему можна легко модифікувати, щоб помістити в нижчі або трохи вищі акумуляторні батареї, як для створення 3,7 літієвих зарядних пристроїв або 12v літій-іонний зарядний пристрій. Як ви могли знати, для цих батарей доступні готові зарядні пристрої, але дешеві дуже повільні, а швидкі дуже дорогі. Тож у цій схемі я вирішив побудувати простий сирий зарядний пристрій із мікросхемами LM317 із режимами CC та CV. Крім того, що є цікавішим, ніж створення власного гаджета та навчання в цьому процесі.

Пам’ятайте, що з літієвими батареями слід поводитися обережно. Надмірне заряджання або коротке замикання може призвести до вибуху та пожежі, тому залишайтеся в безпеці біля нього. Якщо ви абсолютно не знайомі з літієвими батареями, то я настійно рекомендую вам прочитати статтю про літієві батареї, перш ніж продовжувати далі. Сказано, давайте займемося проектом.

Режим CC та CV для зарядного пристрою:

Зарядний пристрій, який ми маємо намір побудувати тут, - це двоступеневий зарядний пристрій, тобто він матиме два режими заряджання, а саме постійний заряд (CC) та постійну напругу (CV). Поєднавши ці два режими, ми зможемо зарядити акумулятор швидше, ніж зазвичай.

Постійний заряд (CC):

Першим режимом, що введе в експлуатацію, буде режим CC. Тут встановлено величину струму зарядки, який повинен надходити в акумулятор. Для підтримки цього струму напруга буде відповідно змінюватися.

Постійна напруга (CV):

Після завершення режиму CC вмикається режим CV. Тут напруга буде підтримуватися фіксованою, а струм буде змінюватися відповідно до вимог до зарядки акумулятора.

У нашому випадку у нас є літієвий акумулятор 7,4 В, який є нічим іншим, як двома 18650 елементами по 3,7 В кожному підключеним послідовно (3,7 В + 3,7 В = 7,4 В). Цей акумулятор слід заряджати, коли напруга досягає 6,4 В (3,2 В на осередок), а можна заряджати до 8,4 В (4,2 В на осередок). Отже, ці значення вже встановлені для нашого акумулятора.

Далі ми вирішили зарядний струм у режимі CC, який зазвичай можна знайти в технічному паспорті акумулятора, і значення залежить від номіналу Ah акумулятора. У нашому випадку я визначив значення 800 мА як постійний струм зарядки. Отже, спочатку, коли акумулятор підключений для заряджання, зарядний пристрій повинен перейти в режим CC і вставити 800 мА в акумулятор, змінюючи напругу зарядки відповідно. Це зарядить акумулятор, і напруга на батареї почне повільно зростати.

Оскільки ми штовхаємо сильний струм в батарею з вищими значеннями напруги, ми не можемо залишати її в CC, поки батарея не зарядиться повністю. Нам доведеться перевести зарядний пристрій з режиму CC в режим CV, коли напруга акумулятора досягла значного значення. Наш акумулятор тут повинен бути 8,4 В, коли він повністю заряджений, щоб ми могли перевести його з режиму CC в режим CV на 8,2 V.

Як тільки зарядний пристрій перейде в режим CV, ми повинні підтримувати постійну напругу, у нашому випадку значення постійної напруги становить 8,6 В. Акумулятор буде розряджати значно менше струму в режимі CV, ніж режим CC, оскільки акумулятор майже заряджається в самому режимі CC. Отже, при фіксованому 8,6 В акумулятор буде споживати менше струму, і цей струм буде зменшуватися, коли акумулятор заряджається. Тому ми повинні контролювати струм, коли він досягає дуже низького значення, скажімо, менше 50 мА, ми припускаємо, що акумулятор повністю заряджений, і автоматично відключаємо акумулятор від зарядного пристрою за допомогою реле.

Підсумовуючи, ми можемо перерахувати процедуру заряджання акумулятора наступним чином

Увійдіть в режим CC і зарядіть акумулятор фіксованим регульованим струмом 800 мА.
Відстежуйте напругу акумулятора і, коли вона досягне 8,2 В, переходьте в режим CV.
У режимі CV заряджайте акумулятор фіксованою регульованою напругою 8,6 В.
Контролюйте струм зарядки, коли він зменшується.
Коли струм досягне 50 мА, від'єднайте акумулятор від зарядного пристрою автоматично.

Значення 800 мА, 8,2 В та 8,6 В є фіксованими, оскільки у нас є літієвий акумулятор 7,4 В. Ви можете легко змінити ці значення відповідно до вимог вашого акумулятора. Також зауважте, що існує багато сценічних зарядних пристроїв. Двоступеневий зарядний пристрій, подібний до цього, є найбільш часто використовуваним. У триступеневому зарядному пристрої етапи будуть CC, CV та float. У чотири-шестиступеневому зарядному пристрої враховуватимуться внутрішній опір, температура тощо. Тепер, коли ми коротко розуміємо, як насправді має працювати двоступеневий зарядний пристрій, давайте перейдемо до схеми.

Кругова діаграма

Повну електричну схему цього зарядного пристрою з літієвою батареєю можна знайти нижче. Схема була виготовлена за допомогою EasyEDA, і друкована плата також буде виготовлена з використанням тієї ж.

Як бачите, схема досить проста. Ми використали дві мікросхеми регулятора напруги LM317, одну для регулювання струму, а іншу для регулювання напруги. Перше реле використовується для перемикання між режимами CC та CV, а друге - для підключення або відключення акумулятора до зарядного пристрою. Давайте розіб’ємо схему на сегменти і зрозуміємо її конструкцію.

LM317 Поточний регулятор

Схема LM317 може виконувати функцію регулятора струму за допомогою одного резистора. Схема для цього ж показана нижче

Для нашого зарядного пристрою нам потрібно регулювати струм 800 мА, як обговорювалося вище. Формула для розрахунку значення резистора для необхідного струму наведена в технічному паспорті як

Резистор (Ом) = 1,25 / Струм (А)

У нашому випадку значення струму дорівнює 0,8 А, і для цього ми отримуємо значення 1,56 Ом як значення резистора. Але найближчим значенням, яке ми могли б використати, є 1,5 Ом, що згадується на схемі вище.

LM317 Регулятор напруги

Для режиму CV літієвого зарядного пристрою ми повинні регулювати напругу до 8,6 В, як обговорювалося раніше. Знову LM317 може зробити це за допомогою всього лише двох резисторів. Схема для цього ж показана нижче.

Формула для розрахунку вихідної напруги для регулятора LM317 подана як

У нашому випадку вихідна напруга (Vout) повинна бути 8,6 В, а значення R1 (тут R2) має бути менше 1000 Ом, тому я вибрав значення 560 Ом. Якщо розрахувати значення R2, отримаємо 3,3 кОм. В якості альтернативи ви можете використовувати будь-які значення комбінації резисторів за умови отримання вихідної напруги 8,6 В. Ви можете використовувати цей онлайн-калькулятор LM317, щоб полегшити вам роботу.

Розташування реле для перемикання між режимами CC та CV

У нас є два реле на 12 В, кожна з яких управляється Arduino через транзистор BC547 NPN. Обидва пристрої реле показані нижче

Перше реле використовується для перемикання між CC і CV режимом зарядного пристрою, це реле спрацьовують по Arduino штифтом, позначений як «Режим». За замовчуванням реле перебуває в режимі CC, коли воно спрацьовує, воно переходить з режиму CC на режим CV.

Подібним чином друге реле використовується для підключення або відключення зарядного пристрою від акумулятора; це реле спрацьовує штирком Arduino, позначеним як “Charge”. За замовчуванням реле відключає акумулятор від зарядного пристрою, коли спрацьовує, воно підключає зарядний пристрій до акумулятора. Крім цього, два діоди D1 і D2 використовуються для захисту ланцюга від зворотного струму, а резистори 1K R4 і R5 використовуються для обмеження струму, що протікає через основу транзистора.

Вимірювання напруги літієвої батареї

Для моніторингу процесу зарядки ми повинні виміряти напругу акумулятора, лише тоді ми можемо перевести зарядний пристрій з режиму CC в режим CV, коли напруга акумулятора досягне 8,2 В. Найбільш поширеною методикою вимірювання напруги на мікроконтролерах, таких як Arduino, є використання схеми дільника напруги. Той, що використовується тут, показаний нижче.

Оскільки ми знаємо, що максимальна напруга, яку може вимірювати аналоговий штифт Arduino, становить 5 В, але наша батарея може досягати 8,6 В у режимі CV, тому нам потрібно зменшити це значення до нижчої напруги. Це точно зроблено схемою дільника напруги. Ви можете розрахувати значення резистора і дізнатись більше про дільник напруги за допомогою цього онлайн-калькулятора дільника напруги. Тут ми визначили вихідну напругу вдвічі менше вихідної напруги, ця вихідна напруга потім надсилається на аналоговий штифт Arduino за допомогою позначки “ B_Voltage ”. Пізніше ми можемо отримати вихідне значення під час програмування Arduino.

Вимірювання струму зарядки

Іншим важливим параметром, який слід виміряти, є струм зарядки. У режимі CV акумулятор буде від'єднано від зарядного пристрою, коли струм зарядки опуститься нижче 50 мА, що свідчить про завершення заряду. Існує багато методів вимірювання струму, найчастіше застосовується метод використання шунтуючого резистора. Схема для цього ж показана нижче

Поняття цього - простий закон Омів. Весь струм, що надходить до акумулятора, змушений протікати через шунтуючий резистор 2.2R. Тоді за законом Ома (V = IR) ми знаємо, що падіння напруги на цьому резисторі буде пропорційним струму, що протікає через нього. Оскільки ми знаємо значення резистора і напругу на ньому можна виміряти за допомогою аналогового виводу Arduino, значення струму можна легко розрахувати. Значення падіння напруги на резисторі надсилається в Arduino через ярлик “B_Current ”. Ми знаємо, що максимальний струм зарядки становитиме 800 мА, тому, використовуючи формули V = IR та P = I ² R, ми можемо розрахувати значення опору та значення потужності резистора.

Arduino та LCD

Врешті-решт, на стороні Arduino ми повинні зв’язати РК-дисплей з Arduino, щоб відобразити користувачеві процес зарядки та контролювати зарядку, вимірюючи напругу, струм, а потім спрацьовуючи реле.

Arduino Nano має вбудований регулятор напруги, отже напруга живлення подається на Vin, а регульоване 5 В використовується для роботи Arduino та РК-дисплея 16x2. Напруга та струм можуть бути виміряні аналоговими контактами A0 та A1 відповідно за допомогою міток “B_Voltage” та “B_Current”. Реле можна спрацьовувати, перемикаючи штифти GPIO D8 і D9, які з'єднані за допомогою міток "Режим" і "Зарядка". Після того, як схеми готові, ми можемо продовжувати виготовлення друкованих плат.

Дизайн і виготовлення друкованих плат із використанням EasyEDA

Для розробки цієї схеми зарядного пристрою для літієвих батарей ми обрали онлайн-інструмент EDA, який називається EasyEDA. Раніше я багато разів використовував EasyEDA і вважав його дуже зручним у використанні, оскільки він має хорошу колекцію слідів та відкритий код. Після проектування друкованої плати ми можемо замовити зразки друкованих плат завдяки їх недорогим послугам з виготовлення друкованих плат. Вони також пропонують послугу пошуку компонентів, де вони мають великий запас електронних компонентів, і користувачі можуть замовити необхідні компоненти разом із замовленням друкованих плат.

Проектуючи свої схеми та друковані плати, ви також можете зробити свої схеми та конструкції друкованих плат загальнодоступними, щоб інші користувачі могли їх копіювати або редагувати та отримувати користь від вашої роботи; ми також зробили всі наші схеми схем та друкованих плат друкованими для цієї схеми, перевірте посилання нижче:

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

Ви можете переглянути будь-який шар (верхній, нижній, верхній, молочний та ін.) Друкованої плати, вибравши шар у вікні "Шари". Ви також можете переглянути друковану плату зарядного пристрою з літієвою батареєю, як вона виглядатиме після виготовлення, використовуючи кнопку перегляду фотографій у EasyEDA:

Розрахунок та замовлення зразків через Інтернет

Після завершення проектування цієї плати із зарядним пристроєм для літієвих батарей ви можете замовити друковану плату через JLCPCB.com. Щоб замовити друковану плату у JLCPCB, вам потрібен файл Gerber. Щоб завантажити файли Gerber з вашої друкованої плати, просто натисніть кнопку «Створити файл виготовлення» на сторінці редактора EasyEDA, а потім завантажте файл Gerber звідти або натисніть кнопку «Замовити в JLCPCB», як показано на малюнку нижче. Це перенаправить вас на JLCPCB.com, де ви зможете вибрати кількість друкованих плат, які ви хочете замовити, скільки шарів міді вам потрібно, товщину друкованої плати, масу міді і навіть колір друкованої плати, як наведений нижче знімок:

Після натискання кнопки замовлення на кнопці JLCPCB ви перейдете на веб-сайт JLCPCB, де ви зможете замовити друковану плату за дуже низькою ціною, яка становить 2 долари. Їхній час збірки також дуже менший, що становить 48 годин при доставці DHL 3-5 днів, в основному ви отримаєте свої друковані плати протягом тижня з моменту замовлення.

Після замовлення друкованої плати ви можете перевірити виробничий прогрес вашої друкованої плати з датою та часом. Ви перевіряєте це, перейшовши на сторінку облікового запису та клацніть на посилання "Прогрес виробництва" під друкованою платою, як показано на малюнку нижче.

Через кілька днів замовлення друкованих плат я отримав зразки друкованої плати в гарній упаковці, як показано на малюнках нижче.

Переконавшись, що сліди та сліди правильні. Я приступив до збірки друкованої плати, використовував жіночі заголовки, щоб розмістити Arduino Nano та LCD, щоб я міг їх видалити пізніше, якщо вони знадобляться для інших проектів. Повністю припаяна дошка виглядає так нижче

Програмування Arduino для двоступеневої зарядки літієвої батареї

Коли обладнання буде готове, ми можемо продовжувати писати код для Arduino Nano. Повна програма для цього проекту наведена внизу сторінки, ви можете завантажити її безпосередньо на свій Arduino. Тепер давайте розбиємо програму на невеликі фрагменти та зрозуміємо, що насправді робить код.

Як завжди, ми починаємо програму з ініціалізації контактів вводу-виводу. Як ми знаємо з нашого обладнання, висновки A0 та A2 використовуються для вимірювання напруги та струму відповідно, а висновки D8 та D9 використовуються для управління реле режиму та реле заряду. Код для його визначення наведено нижче

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Згадайте номер контакту для підключення РК- дисплея LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); int Charge = 9; // Штифт для підключення або відключення акумулятора до схеми int Mode = 8; // Закріпити для перемикання між режимом CC та режимом CV int Voltage_divider = A0; // Для вимірювання напруги батареї int Shunt_resistor = A1; // Для вимірювання струму зарядки з поплавком Charge_Voltage; float Charge_current;

Усередині функції налаштування ми ініціалізуємо функцію РК-дисплея та виводимо на екран вступне повідомлення. Ми також визначаємо виводи реле як вихідні висновки. Потім спрацьовує реле заряду, підключаючи акумулятор до зарядного пристрою, і за замовчуванням зарядний пристрій залишається в режимі CC.

void setup () { lcd.begin (16, 2); // Ініціалізація рідкокристалічного друку на РК- дисплеї 16 * 2 ("7,4 В Li + зарядний пристрій"); // Вступний рядок повідомлення 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Вступний рядок повідомлення 2 lcd.clear (); pinMode (заряд, вихід); pinMode (Режим, ВИХІД); digitalWrite (заряд, ВИСОКИЙ); // Початок заряджання спочатку з підключення акумулятора digitalWrite (режим, LOW); // HIGH для режиму CV та LOW режиму CC, початкова затримка режиму CC (1000); }

Далі, всередині функції нескінченного циклу , ми починаємо програму, вимірюючи напругу акумулятора та струм зарядки. Значення 0,0095 та 1,78 множаться з аналоговим значенням, щоб перетворити 0 на 1024 у фактичне значення напруги та струму. Ви можете використовувати мультиметр та затискач для вимірювання реального значення, а потім обчислити значення множника. Також теоретично обчислюють значення множника на основі використовуваних нами резисторів, але це було не так точно, як я очікував.

// Вимірюємо напругу та струм спочатку Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Вимірювання напруги акумулятора Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Виміряти зарядний струм

Якщо напруга заряду менше 8,2 В, ми переходимо в режим CC, а якщо воно вище 8,2 В, тоді ми переходимо в режим CV. Кожен режим має свій власний той час як цикл. Всередині петлі режиму CC ми зберігаємо штифт Mode як LOW, щоб залишатися в режимі CC, а потім продовжуємо контролювати напругу та струм. Якщо напруга перевищує порогову напругу 8,2 В, ми розриваємо петлю CC за допомогою оператора break. Стан напруги заряду також відображається на РК-дисплеї всередині контуру СС.

// Якщо напруга акумулятора менше 8,2 В, переходьте в режим CC під час (Charge_Voltage <8,2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Перебування в режимі CC // Вимірювання напруги та струму Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0095; // Вимірювання напруги акумулятора Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Вимірюємо струм зарядки // друкуємо деталі на РК- дисплеї ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("У режимі CC"); затримка (1000); lcd.clear (); // Перевірте, чи потрібно нам виходити з режиму CC, якщо (Charge_Voltage> = 8.2) // Якщо так { digitalWrite (Mode, HIGH); // Перехід на перерву режиму CV ; } }

Цю ж техніку можна дотримуватися і в режимі резюме. Якщо напруга перевищує 8,2 В, зарядний пристрій переходить у режим CV, роблячи високим штифт режиму. Це стосується постійного напруги 8,6 В для акумулятора, і струм зарядки може змінюватися залежно від вимог до акумулятора. Потім цей зарядний струм контролюється, і коли він досягає рівня нижче 50 мА, ми можемо припинити процес зарядки, від'єднавши акумулятор від зарядного пристрою. Для цього нам просто потрібно вимкнути реле заряду, як показано в коді нижче

// Якщо напруга акумулятора перевищує 8,2 В, переходьте в режим CV, поки (Charge_Voltage> = 8,2) // Цикл режиму CV { digitalWrite (Mode, HIGH); // Перебування в режимі CV // Вимірювання напруги та струму Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0092; // Вимірювання напруги акумулятора Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Вимірювання струму зарядки // Відображення деталей для користувача на РК- дисплеї ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("У режимі резюме"); затримка (1000); lcd.clear (); // Перевіряємо, чи акумулятор заряджений, контролюючи струм заряду, якщо (Charge_current <50) // Якщо так { digitalWrite (заряд, НИЗЬКИЙ); // Вимкніть зарядку під час (1) // Тримайте зарядний пристрій вимкненим до перезапуску { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Заряд завершено."); затримка (1000); lcd.clear (); } } } }

Працює зарядний пристрій з двома кроками літієвої батареї 7,4 В

Як тільки обладнання буде готове, завантажте код на плату Arduino. Потім підключіть акумулятор до зарядного терміналу плати. Переконайтеся, що ви з’єднали їх з правильною полярністю, зміна полярності призведе до серйозних пошкоджень акумулятора та плати. Після підключення заряду зарядного пристрою за допомогою зарядного пристрою 12 В. Вас зустріне вступний текст, а зарядний пристрій перейде в режим CC або CV на основі стану акумулятора. Якщо акумулятор повністю розрядиться під час заряджання, він перейде в режим CC, і на РК-дисплеї буде показано щось подібне нижче.

У міру заряджання акумулятора напруга зростатиме, як показано на відео нижче . Коли ця напруга досягне 8,2 В, зарядний пристрій перейде в режим CV із режиму CC, і тепер він буде відображати як напругу, так і струм, як показано нижче.

Звідси повільно поточне споживання батареї зменшується, коли вона заряджається. Коли струм досягає 50 мА або менше, зарядний пристрій передбачає, що акумулятор повністю заряджений, а потім від'єднує акумулятор від зарядного пристрою за допомогою реле і відображає наступний екран. Після чого ви можете від'єднати акумулятор від зарядного пристрою та використовувати його у своїх програмах.

Сподіваюся, ви зрозуміли проект і сподобалось його будувати. Повну роботу можна знайти на відео нижче. Якщо у вас виникли запитання, опублікуйте їх у розділі коментарів нижче, використовуйте форуми для інших технічних запитів. Знову ж ланцюг призначений лише для навчальних цілей, тому використовуйте його з відповідальністю, оскільки літієві батареї не стабільні в суворих умовах.