Circuit de carregador de bateria de liti de 7,4 V en dos passos

L’avanç en vehicles elèctrics, drons i altres productes electrònics mòbils com els dispositius IoT sembla ser prometedor per al futur. Una cosa habitual entre tots aquests és que tots funcionen amb bateries. Seguint la llei de Moore, els dispositius electrònics tendeixen a ser més petits i més potables, aquests dispositius portàtils haurien de tenir la seva pròpia font d'energia per funcionar. Actualment, l’elecció de bateria més habitual per a l’electrònica portàtil és la de bateries de polímers de ions de liti o de liti. Tot i que aquestes bateries tenen una densitat de càrrega molt bona, són químicament inestables en condicions dures i, per tant, s’ha de tenir precaució en carregar-les i utilitzar-les.

En aquest projecte construirem un carregador de bateria de dues etapes (CC i CV) que es podria utilitzar per carregar batedors de ions de liti o de polímer de liti. El circuit del carregador de bateries està dissenyat per a un paquet de bateries de liti de 7,4 V (dos de la sèrie 18650) que faig servir habitualment en la majoria de projectes de robòtica, però el circuit es pot modificar fàcilment per adaptar-lo a paquets de bateries més baixos o lleugerament superiors, com ara construir un carregador de bateria de liti de 3,7 o Carregador de bateria de ions de liti de 12v. Com ja sabreu, hi ha carregadors preparats per a aquestes bateries, però els que són barats són molt lents i els que són ràpids són molt cars. Així que en aquest circuit vaig decidir construir un simple carregador de cru amb circuits integrats LM317 amb mode CC i CV. A més, el que és més divertit que construir el vostre propi gadget i aprendre en aquest procés.

Recordeu que les bateries de liti s’han de manipular amb cura. Sobrecarregar-lo o fer un curtcircuit pot provocar explosions i perill d'incendi, de manera que estigueu segur al seu voltant. Si sou completament nou en les bateries de liti, us recomanaria que llegiu l'article sobre les bateries de liti abans de continuar. Dit això, entrem en el projecte.

Mode CC i CV per al carregador de bateria:

El carregador que volem construir aquí és un carregador de dos passos, és a dir, que tindrà dos modes de càrrega, és a dir, càrrega constant (CC) i voltatge constant (CV). Combinant aquests dos modes, podrem carregar la bateria més ràpid de l’habitual.

Càrrega constant (CC):

El primer mode que entrarà en funcionament serà el mode CC. Aquí es fixa la quantitat de corrent de càrrega que hauria d’entrar a la bateria. Per mantenir aquest corrent, la tensió es variarà en conseqüència.

Tensió constant (CV):

Un cop s'hagi completat el mode CC, s'iniciarà el mode CV. Aquí es mantindrà fixat el voltatge i es permetrà que el corrent variï segons el requisit de càrrega de la bateria.

En el nostre cas, tenim un paquet de bateries de liti de 7,4 V, que no són més que dues cèl·lules de 18650 de 3,7 V cadascuna connectades en sèrie (3,7 V + 3,7 V = 7,4 V). Aquest paquet de bateries s'hauria de carregar quan el voltatge arribi a 6,4 V (3,2 V per cel·la) i es pugui carregar fins a 8,4 V (4,2 V per cel·la). Per tant, aquests valors ja estan fixats per a la nostra bateria.

A continuació, hem decidit el corrent de càrrega en mode CC, que normalment es pot trobar a la fitxa tècnica de la bateria i el valor depèn de la classificació Ah de la bateria. En el nostre cas, he decidit un valor de 800 mA com a corrent de càrrega constant. Així, inicialment, quan la bateria està connectada per carregar el carregador, hauria d’entrar en mode CC i introduir 800 mA a la bateria variant la tensió de càrrega segons. Això carregarà la bateria i el voltatge de la bateria començarà a augmentar lentament.

Com que estem empenyent un intens corrent a la bateria amb valors de tensió més elevats, no podem deixar-la en CC fins que la bateria es carregui completament. Hem de canviar el carregador del mode CC al mode CV quan la tensió de la bateria ha assolit un valor considerable. La nostra bateria hauria de tenir 8,4 V quan estigui completament carregada, de manera que puguem canviar-la del mode CC al mode CV a 8,2 V.

Un cop el carregador hagi canviat al mode CV, hauríem de mantenir una tensió constant, el valor de la tensió constant és de 8,6 V en el nostre cas. La bateria esgotarà una intensitat considerablement inferior en mode CV que el mode CC, ja que la bateria està gairebé carregada en el mateix mode CC. Per tant, a 8,6 V fixos, la bateria consumirà menys corrent i aquest corrent es reduirà a mesura que es carregui la bateria. Per tant, hem de controlar la intensitat quan arriba a un valor molt baix, diguem que inferior a 50 mA, suposem que la bateria està completament carregada i desconnectem la bateria del carregador automàticament mitjançant un relé.

Per resumir, podem enumerar el procediment de càrrega de la bateria de la següent manera

1. Introduïu el mode CC i carregueu la bateria amb un corrent regulat fix de 800 mA.
2. Controleu la tensió de la bateria i quan arribi a 8,2 V canvieu al mode CV.
3. En mode CV, carregueu la bateria amb una tensió regulada fixa de 8,6 V.
4. Superviseu el corrent de càrrega a mesura que es redueix.
5. Quan el corrent arriba a 50 mA, desconnecteu la bateria del carregador automàticament.

Els valors, 800mA, 8,2V i 8,6V són fixos perquè tenim una bateria de liti de 7,4V. Podeu canviar aquests valors fàcilment segons el requisit de la vostra bateria. Tingueu en compte també que hi ha molts carregadors d’escenari. Un carregador de dues etapes com aquest és el més utilitzat. En un carregador de tres etapes, les etapes seran CC, CV i float. En un carregador de quatre o sis etapes es tindrà en compte la resistència interna, la temperatura, etc. Ara, ja que tenim una breu comprensió de com hauria de funcionar el carregador de dos passos, entrem al diagrama del circuit.

Esquema de connexions

El diagrama complet del circuit d’aquest carregador de bateria de liti es pot trobar a continuació. El circuit es va fer amb EasyEDA i el PCB també es fabricarà amb el mateix.

Com podeu veure, el circuit és força senzill. Hem utilitzat dos circuits reguladors de voltatge variable LM317, un per regular el corrent i l’altre per regular el voltatge. El primer relé s’utilitza per canviar entre el mode CC i el CV i el segon relé s’utilitza per connectar o desconnectar la bateria al carregador. Dividim el circuit en segments i entenem el seu disseny.

Regulador de corrent LM317

L'IC LM317 pot actuar com un regulador de corrent amb l'ajut d'una sola resistència. El circuit per al mateix es mostra a continuació

Per al nostre carregador, hem de regular un corrent de 800 mA tal com s’ha comentat anteriorment. La fórmula per calcular el valor de la resistència per al corrent requerit es dóna al full de dades com

Resistència (ohms) = 1,25 / Corrent (amplificadors)

En el nostre cas, el valor del corrent és de 0,8A i per a això obtenim un valor de 1,56 Ohms com a valor de la resistència. Però el valor més proper que podríem utilitzar és d’1,5 ohms, que s’esmenta al diagrama del circuit anterior.

Regulador de tensió LM317

Per al mode CV del carregador de bateria de liti, hem de regular el voltatge a 8,6 V, tal com s’ha comentat anteriorment. De nou, LM317 pot fer-ho amb l'ajut de només dues resistències. El circuit per al mateix es mostra a continuació.

La fórmula per calcular el voltatge de sortida d’un regulador LM317 és la següent

En el nostre cas, la tensió de sortida (Vout) ha de ser 8,6 V i el valor de R1 (aquí R2) ha de ser inferior a 1000 ohms, de manera que he seleccionat un valor de 560 ohms. Amb això, si calculem el valor de R2, aconseguirem que sigui de 3,3k Ohms. Alternativament, podeu utilitzar qualsevol valor de combinació de resistències sempre que obtingueu un voltatge de sortida de 8,6 V. Podeu utilitzar aquesta calculadora LM317 en línia per facilitar el treball.

Arranjament de retransmissió per alternar entre el mode CC i el CV

Disposem de dos relés de 12V, cadascun dels quals és impulsat per Arduino a través del transistor BC547 NPN. Tant la disposició del relé es mostra a continuació

El primer relé s’utilitza per alternar entre el mode CC i CV del carregador, aquest relé s’activa mitjançant el pin Arduino etiquetat com a “Mode”. Per defecte, el relé està en mode CC quan s'activa, canvia del mode CC al mode CV.

De la mateixa manera, el segon relé s’utilitza per connectar o desconnectar el carregador de la bateria; aquest relé s'activa mitjançant el pin Arduino etiquetat com a "Càrrega". Per defecte, el relé desconnecta la bateria del carregador, quan s’activa connecta el carregador a la bateria. A part d'això, els dos díodes D1 i D2 s'utilitzen per protegir el circuit del corrent invers i les resistències 1K R4 i R5 s'utilitzen per limitar el corrent que circula per la base del transistor.

Mesurament del voltatge de la bateria de liti

Per controlar el procés de càrrega hem de mesurar el voltatge de la bateria, només llavors podem canviar el carregador del mode CC al mode CV quan el voltatge de la bateria arriba a 8,2V, tal com s’ha comentat. La tècnica més comuna per mesurar la tensió amb microcontroladors com Arduino és utilitzar un circuit divisor de tensió. El que s'utilitza aquí es mostra a continuació.

Com sabem, la tensió màxima que pot mesurar el pin Arduino Analog és de 5 V, però la nostra bateria pot arribar a 8,6 V en mode CV, de manera que cal reduir-la fins a obtenir una tensió més baixa. Això ho fa exactament el circuit divisor de tensió. Podeu calcular el valor de Resistor i saber més sobre el divisor de tensió mitjançant aquesta calculadora de divisor de tensió en línia. Aquí hem deduït el voltatge de sortida per la meitat del voltatge d'entrada original, que després s'envia al pin Arduino Analog mitjançant l' etiqueta " B_Voltage ". Més endavant podem recuperar el valor original mentre programem l’Arduino.

Mesurant el corrent de càrrega

Un altre paràmetre vital que cal mesurar és el corrent de càrrega. Durant el mode CV, la bateria es desconnectarà del carregador quan el corrent de càrrega baixi de 50 mA, cosa que indica que s'ha completat la càrrega. Hi ha molts mètodes per mesurar el corrent, el mètode més utilitzat és utilitzar una resistència de derivació. El circuit per al mateix es mostra a continuació

El concepte que hi ha darrere és la simple llei d’ohms. Es fa que tot el corrent que flueix a la bateria flueixi a través de la resistència de derivació 2.2R. Aleshores per la llei d’Ohms (V = IR) sabem que la caiguda de tensió a través d’aquesta resistència serà proporcional al corrent que hi circula. Com que sabem el valor de la resistència i el voltatge que es pot mesurar mitjançant el pin analògic Arduino, es pot calcular fàcilment el valor del corrent. El valor de la caiguda de tensió a través de la resistència s’envia a Arduino mitjançant l’etiqueta “B_Current ”. Sabem que el corrent de càrrega màxim serà de 800 mA, de manera que mitjançant les fórmules V = IR i P = I ² R podem calcular el valor de resistència i el valor de potència de la resistència.

Arduino i LCD

Finalment, al costat d’Arduino hem de connectar una pantalla LCD amb Arduino per mostrar el procés de càrrega a l’usuari i controlar la càrrega mesurant el voltatge, el corrent i desencadenant els relés en conseqüència.

L'Arduino Nano té un regulador de tensió incorporat, per tant, la tensió d'alimentació es proporciona a Vin i el regulat de 5 V s'utilitza per fer funcionar la pantalla LCD Arduino i 16x2. El voltatge i el corrent es poden mesurar mitjançant els pins analògics A0 i A1, respectivament, mitjançant les etiquetes "B_Voltage" i "B_Current". El relé es pot activar alternant els pins GPIO D8 i D9 que es connecten a través de les etiquetes "Mode" i "Càrrega". Un cop preparats els esquemes, podem procedir a la fabricació de PCB.

Disseny i fabricació de PCB amb EasyEDA

Per dissenyar aquest circuit de carregador de bateria Lithum, hem escollit l'eina EDA en línia anomenada EasyEDA. Abans he utilitzat EasyEDA moltes vegades i m’ha semblat molt còmode d’utilitzar, ja que té una bona col·lecció d’empremtes i és de codi obert. Després de dissenyar el PCB, podem demanar les mostres de PCB pels seus serveis de fabricació de PCB de baix cost. També ofereixen un servei d’aprovisionament de components on tenen un gran estoc de components electrònics i els usuaris poden demanar els components necessaris juntament amb la comanda de PCB.

Mentre dissenyeu els vostres circuits i PCBs, també podeu fer públics els vostres dissenys de circuits i PCBs perquè altres usuaris puguin copiar-los o editar-los i aprofitar-se del vostre treball, també hem fet públics tots els dissenys de circuits i PCB d’aquest circuit. l'enllaç següent:

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

Podeu veure qualsevol capa (superior, inferior, topsilk, seda inferior, etc.) del PCB seleccionant la capa de la finestra "Capes". També podeu veure el PCB del carregador de bateria de liti, com quedarà després de la fabricació mitjançant el botó Vista de foto d’EasyEDA:

Càlcul i ordenació de mostres en línia

Després de completar el disseny d’aquest PCB de carregador de bateria de liti, podeu demanar el PCB a través de JLCPCB.com. Per demanar el PCB a JLCPCB, necessiteu Gerber File. Per descarregar fitxers Gerber del vostre PCB, feu clic al botó Generar fitxer de fabricació de la pàgina de l'editor EasyEDA i, a continuació, descarregueu el fitxer Gerber des d'allà o podeu fer clic a Comanda a JLCPCB com es mostra a la imatge següent. Això us redirigirà a JLCPCB.com, on podeu seleccionar el nombre de PCB que voleu demanar, quantes capes de coure necessiteu, el gruix del PCB, el pes del coure i fins i tot el color del PCB, com la instantània que es mostra a continuació:

Després de fer clic a la comanda al botó JLCPCB, us dirigirà al lloc web de JLCPCB, on podreu demanar el PCB a una tarifa molt baixa, que és de $ 2. El seu temps de construcció també és molt inferior, és a dir, 48 hores amb un lliurament DHL de 3-5 dies, bàsicament obtindreu els vostres PCB en una setmana després de la comanda.

Després de demanar el PCB, podeu comprovar el progrés de producció del PCB amb la data i l'hora. Per comprovar-ho, aneu a la pàgina del compte i feu clic a l'enllaç "Progrés de producció" que hi ha a sota del PCB, com es mostra a la imatge següent

Després d’uns dies de demanar PCB, vaig obtenir les mostres de PCB en un bon embalatge, tal com es mostra a les imatges següents.

Després d'assegurar-se que les petjades i les petjades eren correctes. Vaig procedir al muntatge del PCB, vaig utilitzar capçaleres femenines per col·locar l'Arduino Nano i el LCD perquè puguin eliminar-les més endavant si les necessito per a altres projectes. El tauler completament soldat té aquest aspecte a continuació

Programació de l'Arduino per a la càrrega de la bateria de liti en dos passos

Un cop el maquinari estigui a punt, podem procedir a escriure el codi de l'Arduino Nano. El programa complet per a aquest projecte es proporciona a la part inferior de la pàgina; podeu penjar-lo directament al vostre Arduino. Ara, dividim el programa en petits fragments i entenem què fa realment el codi.

Com sempre vam començar el programa d' inicialització dels pins d'E / S. Com sabem pel nostre maquinari, els pins A0 i A2 s’utilitzen per mesurar el voltatge i el corrent respectivament i els pins D8 i D9 s’utilitzen per controlar el relé de mode i el relé de càrrega. A continuació es mostra el codi per definir-lo

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Esmenta el número de pin de la connexió LCD LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); int Càrrega = 9; // Fixa per connectar o desconnectar la bateria al circuit int Mode = 8; // Fixa per alternar entre el mode CC i el mode CV int Voltage_divider = A0; // Per mesurar el voltatge de la bateria int Shunt_resistor = A1; // Per mesurar el corrent flotant de càrrega Charge_Voltage; flotant Corrent_càrrega;

Dins de la funció de configuració , inicialitzem la funció LCD i mostrem un missatge d'introducció a la pantalla. També definim els pins de relé com a pins de sortida. A continuació, activeu el relé de càrrega, connecteu la bateria al carregador i, per defecte, el carregador es mantindrà en mode CC.

void setup () { lcd.begin (16, 2); // Inicialitzar 16 * 2 LCD lprint.print ("7.4V Li + carregador"); // Línia inicial del missatge 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Línia inicial del missatge 2 lcd.clear (); pinMode (Charge, OUTPUT); pinMode (Mode, SORTIDA); digitalWrite (Charge, HIGH); // Comenceu a carregar inicialment connectant la bateria digitalWrite (Mode, BAIX); // ALTA per al mode CV i BAIX del mode CC, inicialment retard del mode CC (1000); }

A continuació, dins de la funció de bucle infinit, comencem el programa mesurant el voltatge de la bateria i el corrent de càrrega. El valor 0,0095 i 1,78 es multiplica per valor analògic per convertir de 0 a 1024 a tensió real i valor de corrent. Podeu utilitzar un multímetre i un mesurador de pinça per mesurar el valor real i després calcular el valor multiplicador. També es calcula teòricament els valors multiplicadors en funció de les resistències que hem utilitzat, però no va ser tan precís com esperava.

// Mesureu el voltatge i el corrent inicialment Voltatge de càrrega = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Mesura el voltatge de la bateria Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Mesureu el corrent de càrrega

Si el voltatge de càrrega és inferior a 8,2 V entrem en mode CC i si és superior a 8,2 V, entrem en mode CV. Cada manera té el seu propi temps de bucle. Dins del bucle de mode CC mantenim el pin Mode com BAIX per mantenir-se en mode CC i després seguim supervisant la tensió i el corrent. Si la tensió supera la tensió llindar de 8,2 V, trenquem el bucle CC mitjançant una sentència break. L'estat de la tensió de càrrega també es mostra a la pantalla LCD dins del bucle CC.

// Si la tensió de la bateria és inferior a 8,2 V, accediu al mode CC mentre que (Carrega_Voltatge <8,2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, BAIX); // Mantingueu-vos en mode CC // Mesureu la tensió i la càrrega de corrent_Voltatge = analògicLlegir (divisor_tensió) * 0,0095; // Mesura el voltatge de la bateria Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Mesura el corrent de càrrega // imprimeix detalls a LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Voltatge_Càrrega); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("En mode CC"); retard (1000); lcd.clear (); // Comproveu si hem de sortir del mode CC si (Charge_Voltage> = 8.2) // Si sí { digitalWrite (Mode, HIGH); // Canvia a interrupció del mode CV ; } }

També es pot seguir la mateixa tècnica per al mode CV. Si el voltatge supera els 8,2 V, el carregador entra en mode CV augmentant el pin Mode. Això aplica una constant de 8,6 V a la bateria i es pot variar el corrent de càrrega en funció del requisit de la bateria. Es controla aquest corrent de càrrega i, quan arriba a menys de 50 mA, podem finalitzar el procés de càrrega desconnectant la bateria del carregador. Per fer-ho, simplement hem d’apagar el relé de càrrega tal com es mostra al codi següent

// Si la tensió de la bateria és superior a 8,2 V, introduïu el mode CV mentre que (Voltatge de càrrega> = 8,2) // bucle MODE CV { digitalWrite (Mode, ALTA); // Mantingueu-vos en mode CV // Mesureu la tensió i la càrrega de corrent_Voltatge = Llegir analògic (divisor_tensió) * 0,0092; // Mesura el voltatge de la bateria Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Mesura el corrent de càrrega // Mostra els detalls a l' usuari a LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Voltatge_Càrrega); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("En mode CV"); retard (1000); lcd.clear (); // Comproveu si la bateria està carregada controlant el corrent de càrrega si (Charge_current <50) // Si és així { digitalWrite (Càrrega, BAIX); // Desactiveu la càrrega mentre (1) // Mantingueu el carregador apagat fins que reinicieu { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Càrrega completa"); retard (1000); lcd.clear (); } } } }

Funcionament del carregador de bateria de liti de dos passos de 7.4V

Un cop el maquinari estigui a punt, pengeu el codi a la placa Arduino. A continuació, connecteu la bateria al terminal de càrrega de la placa. Assegureu-vos de connectar-los amb la polaritat adequada; invertir-la causarà greus danys a la bateria i a la placa. Després de connectar la bateria, carregueu-lo mitjançant un adaptador de 12 V. El rebreu amb un text d'introducció i el carregador passarà al mode CC o CV en funció de l'estat de la bateria. Si la bateria està completament descarregada en el moment de la càrrega, entrarà en mode CC i la pantalla LCD mostrarà una cosa així a continuació.

A mesura que es carregui la bateria, el voltatge augmentarà tal com es mostra al vídeo següent . Quan aquest voltatge arriba a 8,2 V, el carregador entrarà en mode CV des del mode CC i ara mostrarà tant el voltatge com el corrent, tal com es mostra a continuació.

A partir d’aquí lentament, el consum actual de la bateria baixarà a mesura que es carregui. Quan el corrent arriba a 50 mA o menys, el carregador assumeix que la bateria està completament carregada i, a continuació, desconnecta la bateria del carregador mitjançant el relé i mostra la pantalla següent. Després podeu desconnectar la bateria del carregador i utilitzar-la a les vostres aplicacions.

Espero que hagueu entès el projecte i us hagi agradat construir-lo. El funcionament complet es pot trobar al vídeo següent. Si teniu alguna pregunta, publiqueu-los a la secció de comentaris que hi ha a continuació de l’ús dels fòrums per a altres consultes tècniques. Un cop més, el circuit només té una finalitat educativa; per tant, utilitzeu-lo amb responsabilitat, ja que les bateries de liti no són estables en condicions severes.