7.4V to-trinns litiumbatteriladerkrets

Fremgangen innen elektriske kjøretøyer, droner og annen mobil elektronikk som IoT-enheter ser ut til å være lovende for fremtiden. En vanlig ting blant alle disse er at de alle drives av batterier. I følge Moores lov har de elektroniske enhetene en tendens til å bli mindre og mer drikkbare, disse bærbare enhetene bør ha sin egen kraftkilde for å fungere. Det vanligste batterivalget for bærbar elektronikk i dag er litiumion- eller litiumpolymerbatterier. Selv om disse batteriene har en veldig god ladetetthet, er de kjemisk ustabile under tøffe forhold, og det bør derfor utvises forsiktighet når du lader dem og bruker dem.

I dette prosjektet vil vi bygge en to-trinns batterilader (CC og CV) som kan brukes til å lade litiumion- eller litiumpolymerbatterier. Den ladekretsen er konstruert for 7.4V litium batteripakke (to 18 650 i serie) som jeg vanligvis brukes i de fleste robotikk prosjektet, men kretsen kan lett modifiseres til å passe i lavere eller litt høyere batteripakkene som å bygge 3,7 litium batterilader eller 12v litiumionbatterilader. Som du kanskje vet er det ferdige ladere tilgjengelig for disse batteriene, men de som er billige er veldig sakte og de som er raske er veldig dyre. Så i denne kretsen bestemte jeg meg for å bygge en enkel rå lader med LM317 IC-er med CC- og CV-modus. Hva er mer morsomt enn å bygge din egen enhet og lære i prosessen.

Husk at litiumbatterier skal håndteres forsiktig. Overladning eller kortslutning kan føre til eksplosjon og brannfare, så vær trygg rundt den. Hvis du er helt fersk med litiumbatterier, vil jeg sterkt anbefale deg å lese gjennom artikkelen om litiumbatteri før du fortsetter videre. Når det er sagt, la oss komme inn i prosjektet.

CC- og CV-modus for batterilader:

Laderen som vi har tenkt å bygge her er en totrinnslader, noe som betyr at den vil ha to lademodi, nemlig Constant Charge (CC) og Constant Voltage (CV). Ved å kombinere disse to modusene vil vi kunne lade batteriet raskere enn vanlig.

Konstant lading (CC):

Den første modusen for å komme i drift vil være CC-modus. Her er mengden ladestrøm som skal komme inn i batteriet løst. For å opprettholde denne strømmen vil spenningen bli variert tilsvarende.

Konstant spenning (CV):

Når CC-modusen er fullført, vil CV-modusen sparke inn. Her vil spenningen holdes fast og strømmen vil kunne variere i henhold til ladekravet til batteriet.

I vårt tilfelle har vi en 7,4V litiumbatteripakke, som ikke er annet enn to 18650 celler på 3,7V hver er seriekoblet (3,7V + 3,7V = 7,4V). Denne batteripakken skal lades når spenningen når ned til 6,4V (3,2V per celle) og kan lades opptil 8,4V (4,2V per celle). Derfor er disse verdiene allerede faste for batteripakken vår.

Deretter har vi bestemt ladestrømmen i CC-modus, dette kan normalt finnes i databladet til batteriet, og verdien avhenger av Ah-verdien på batteriet. I vårt tilfelle har jeg bestemt en verdi på 800 mA som konstant ladestrøm. Så først når batteriet er koblet til for lading, bør laderen gå i CC-modus og skyve inn 800 mA i batteriet ved å variere ladespenningen i henhold til. Dette vil lade batteriet og batterispenningen vil begynne å øke sakte.

Siden vi skyver en sterk strøm inn i batteriet med høyere spenningsverdier, kan vi ikke la den være i CC før batteriet blir fulladet. Vi må skifte laderen fra CC-modus til CV-modus når batterispenningen har nådd en betydelig verdi. Batteripakken vår her skal være 8,4V når den er fulladet, slik at vi kan skifte den fra CC-modus til CV-modus ved 8.2V.

Når laderen har skiftet til CV-modus, bør vi opprettholde en konstant spenning, verdien av konstant spenning er 8,6V i vårt tilfelle. Batteriet vil tømme en betydelig mindre strøm i CV-modus enn CC-modus siden batteriet nesten er ladet i selve CC-modus. Derfor ved en fast 8.6V vil batteriet forbruke mindre strøm, og denne strømmen vil reduseres når batteriet blir ladet. Så vi må overvåke strømmen når den når en veldig lav verdi, si mindre enn 50 mA, vi antar at batteriet er fulladet og koble batteriet fra laderen automatisk ved hjelp av et relé.

For å oppsummere kan vi liste opp fremgangsmåten for batterilading som følger

Gå inn i CC-modus og lad batteriet med en fast 800 mA regulert strøm.
Overvåke batterispenningen og skifte til CV-modus når den når 8.2V.
I CV-modus lader du batteriet med en fast 8,6V regulert spenning.
Overvåk ladestrømmen når den blir redusert.
Når strømmen når 50 mA, kobler du batteriet fra laderen automatisk.

Verdiene 800mA, 8.2V og 8.6V er faste fordi vi har en 7.4V litiumbatteripakke. Du kan enkelt endre disse verdiene i henhold til kravet til batteripakken. Vær også oppmerksom på at det finnes mange sceneladere. En totrinnslader som denne er den mest brukte. I en tretrinns lader vil scenene være CC, CV og float. I en fire- eller seks-trinns lader vil den interne motstanden, temperaturen osv. Bli vurdert. Nå som vi har en kort forståelse av hvordan totrinnsladeren faktisk skal fungere, la oss gå inn i kretsdiagrammet.

Kretsdiagram

Det komplette kretsskjemaet for denne litiumbatteriladeren finner du nedenfor. Kretsen ble laget med EasyEDA, og PCB-en vil også bli produsert med det samme.

Som du kan se er kretsen ganske enkel. Vi har brukt to LM317 variabel spenningsregulator IC, den ene for å regulere strøm og den andre for å regulere spenningen. Det første reléet brukes til å veksle mellom CC- og CV-modus, og det andre reléet brukes til å koble eller koble fra batteriet til laderen. La oss dele kretsen i segmenter og forstå dens design.

LM317 Gjeldende regulator

LM317 IC kan fungere som en strømregulator ved hjelp av en enkelt motstand. Kretsen for det samme er vist nedenfor

For laderen vår må vi regulere en strøm på 800 mA som diskutert ovenfor. Formelen for beregning av motstandsverdien for den nødvendige strømmen er gitt i databladet som

Motstand (ohm) = 1,25 / strøm (ampere)

I vårt tilfelle er verdien av strøm 0,8A, og for det får vi en verdi på 1,56 ohm som motstandsverdi. Men den nærmeste verdien vi kunne bruke er 1,5 ohm, som er nevnt i kretsskjemaet ovenfor.

LM317 Spenningsregulator

For CV-modus for litiumbatterilader må vi regulere spenningen til 8,6V som diskutert tidligere. Igjen kan LM317 gjøre dette ved hjelp av bare to motstander. Kretsen for det samme er vist nedenfor.

Formelen for å beregne utgangsspenningen for en LM317-regulator er som

I vårt tilfelle skal utgangsspenningen (Vout) være 8,6V, og verdien på R1 (her R2) skal være mindre enn 1000 ohm, så jeg har valgt en verdi på 560 ohm. Med dette hvis vi beregner verdien av R2, får vi den til å være 3,3k ohm. Alternativt kan du bruke alle verdiene for motstandskombinasjon forutsatt at du får utgangsspenningen til 8,6 V. Du kan bruke denne online LM317-kalkulatoren for å gjøre arbeidet lettere.

Relay Arrangement for å veksle mellom CC- og CV-modus

Vi har to 12V-relé, som hver drives av Arduino gjennom BC547 NPN-transistor. Både stafettoppsettet er vist nedenfor

Det første reléet brukes til å veksle mellom CC- og CV-modus på laderen, dette reléet utløses av Arduino-pinnen merket som “Mode”. Reléet er som standard i CC-modus når det utløses, det skifter fra CC-modus til CV-modus.

På samme måte brukes det andre reléet til å koble eller koble laderen fra batteriet. dette stafetten utløses av Arduino-pinnen merket som "Charge". Reléet kobler som standard fra batteriet fra laderen, når det utløses, kobler det laderen til batteriet. Bortsett fra dette brukes de to diodene D1 og D2 for å beskytte kretsen mot motstrøm, og 1K-motstandene R4 og R5 brukes til å begrense strømmen som strømmer gjennom basen av transistoren.

Måling av litiumbatterispenning

For å overvåke ladeprosessen må vi måle batterispenningen, bare da kan vi skifte laderen fra CC-modus til CV-modus når batterispenningen når 8.2V som diskutert. Den vanligste teknikken som brukes til å måle spenning med mikrokontrollere som Arduino, er å bruke en spenningsdelerkrets. Den som brukes her er vist nedenfor.

Som vi vet er den maksimale spenningen Arduino Analog pin kan måle 5V, men batteriet vårt kan gå så høyt som 8,6V i CV-modus, så vi må trappe ned dette til en lavere spenning. Dette gjøres nøyaktig av spenningsdelerkretsen. Du kan beregne verdien på motstand og vite mer om spenningsdeler ved å bruke denne online spenningsdeler-kalkulatoren. Her har vi trukket utgangsspenningen med halvparten av den opprinnelige inngangsspenningen, denne utgangsspenningen blir deretter sendt til Arduino Analog pin gjennom " B_Voltage " -merket. Vi kan senere hente den opprinnelige verdien mens vi programmerer Arduino.

Måling av ladestrøm

En annen viktig parameter som måles er ladestrømmen. I CV-modus kobles batteriet fra laderen når ladestrømmen går under 50mA, noe som indikerer at ladingen er fullført. Det er mange metoder for å måle strøm, den mest brukte metoden er å bruke en shuntmotstand. Kretsen for det samme er vist nedenfor

Konseptet bak er enkel ohm lov. Hele strømmen som strømmer til batteriet får strøm gjennom shuntmotstanden 2.2R. Så ved Ohms lov (V = IR) vet vi at spenningsfallet over denne motstanden vil være proporsjonalt med strømmen som strømmer gjennom den. Siden vi vet at verdien på motstand og spenning over den kan måles ved hjelp av Arduino Analog pin, kan verdien av strøm enkelt beregnes. Verdien av spenningsfall over motstanden sendes til Arduino gjennom etiketten "B_Current ". Vi vet at den maksimale ladestrømmen vil være 800mA, så ved å bruke formlene V = IR og P = I ² R kan vi beregne motstandsverdien og effektverdien til motstanden.

Arduino og LCD

Endelig på Arduino-siden må vi grensesnitt en LCD med Arduino for å vise ladeprosessen til brukeren og kontrollere ladingen ved å måle spenningen, strømmen og deretter utløse reléene tilsvarende.

Arduino Nano har en innebygd spenningsregulator, og forsyningsspenningen tilføres Vin og den regulerte 5V brukes til å kjøre Arduino og 16x2 LCD-skjerm. Spenningen og strømmen kan måles med henholdsvis de analoge pinnene A0 og A1 ved hjelp av etikettene "B_Voltage" og "B_Current". Reléet kan utløses ved å veksle mellom GPIO-pinnen D8 og D9 som er koblet til via etikettene "Mode" og "Charge". Når skjemaene er klare, kan vi fortsette med PCB-fabrikasjon.

PCB-design og fabrikasjon ved bruk av EasyEDA

For å designe denne Lithum-batteriladerkretsen har vi valgt det elektroniske EDA-verktøyet kalt EasyEDA. Jeg har tidligere brukt EasyEDA mange ganger, og syntes det er veldig praktisk å bruke, siden det har en god samling fotavtrykk og det er åpen kildekode. Etter å ha designet PCB, kan vi bestille PCB-prøvene etter deres lave kostnader PCB-fabrikasjonstjenester. De tilbyr også komponent sourcing-tjenester der de har et stort lager av elektroniske komponenter og brukere kan bestille de nødvendige komponentene sammen med PCB-bestillingen.

Mens du designer kretsene og kretskortene dine, kan du også gjøre krets- og kretskortsdesign offentlig, slik at andre brukere kan kopiere eller redigere dem og dra nytte av arbeidet ditt, vi har også gjort hele krets- og kretskortoppsett offentlig for denne kretsen, sjekk lenken nedenfor:

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

Du kan se hvilket som helst lag (topp, bunn, overflatemelk, bunnmelk osv.) På PCB ved å velge laget fra vinduet "Lag". Du kan også se litiumbatteriladerkortet, hvordan det vil se ut etter fabrikasjon ved hjelp av Photo View- knappen i EasyEDA:

Beregning og bestilling av prøver online

Etter å ha fullført utformingen av denne litiumbatteriladeren, kan du bestille kretskortet via JLCPCB.com. For å bestille PCB fra JLCPCB, trenger du Gerber File. For å laste ned Gerber-filer på PCB-en klikker du bare på Generer fabrikasjonsfil-knappen på EasyEDA-redigeringssiden, og deretter laster du ned Gerber-filen derfra, eller du kan klikke på Bestill på JLCPCB som vist i bildet nedenfor. Dette vil omdirigere deg til JLCPCB.com, hvor du kan velge antall PCB du vil bestille, hvor mange kobberlag du trenger, PCB-tykkelsen, kobbervekten og til og med PCB-fargen, som øyeblikksbildet vist nedenfor:

Etter å ha klikket på bestillingen ved JLCPCB-knappen, tar den deg til JLCPCB-nettstedet hvor du kan bestille PCB i veldig lav pris, som er $ 2. Byggetiden deres er også veldig mindre, som er 48 timer med DHL-levering på 3-5 dager, i utgangspunktet får du PCB-ene dine innen en uke etter bestilling.

Etter at du har bestilt PCB, kan du kontrollere produksjonsfremdriften til PCB med dato og klokkeslett. Du sjekker det ved å gå til kontosiden og klikke på "Produksjonsfremdrift" -koblingen under PCB som vist i bildet nedenfor.

Etter noen dager med bestilling av PCB fikk jeg PCB-prøvene i fin emballasje som vist på bildene nedenfor.

Etter å ha sørget for at sporene og fotavtrykkene var riktige. Jeg fortsatte med å montere PCB, jeg brukte kvinnelige overskrifter for å plassere Arduino Nano og LCD slik at jeg kan fjerne dem senere hvis jeg trenger dem til andre prosjekter. Det helt lodde brettet ser slik ut nedenfor

Programmering av Arduino for totrinns litiumbatterilading

Når maskinvaren er klar, kan vi fortsette med å skrive koden for Arduino Nano. Hele programmet for dette prosjektet er gitt nederst på siden, du kan laste det opp direkte til din Arduino. La oss nå dele programmet opp i små utdrag og forstå hva koden faktisk gjør.

Som alltid starter vi programmet med å initialisere I / O-pinnene. Som vi vet fra maskinvaren vår, brukes pinnene A0 og A2 til å måle henholdsvis spenning og strøm, og pinnen D8 og D9 brukes til å kontrollere modusreléet og ladningsreléet. Koden for å definere det samme er vist nedenfor

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Nevn PIN-koden for LCD-tilkobling LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); int Charge = 9; // Pin for å koble eller koble fra batteriet til kretsen int Mode = 8; // Fest for å veksle mellom CC-modus og CV-modus int Voltage_divider = A0; // For å måle batterispenning int Shunt_resistor = A1; // For å måle ladestrøm flyt Charge_Voltage; flyte Charge_current;

Inne i setup -funksjonen, vi initialisere LCD-funksjonen og vise en intro melding på skjermen. Vi definerer også relépinnene som utgangspinner. Utløs deretter ladningsreléet, koble batteriet til laderen, og laderen forblir som standard i CC-modus.

ugyldig oppsett () { lcd.begin (16, 2); // Initialiser 16 * 2 LCD lcd.print ("7.4V Li + lader"); // Intro Meldingslinje 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Intro Meldingslinje 2 lcd.clear (); pinMode (Charge, OUTPUT); pinMode (Mode, OUTPUT); digitalWrite (Charge, HIGH); // Begynn Chargig Opprinnelig ved å koble til batteriet digitalWrite (Mode, LOW); // HØY for CV-modus og LAV av CC-modus, initialt CC-modusforsinkelse (1000); }

Deretter, inne i den uendelige sløyfefunksjonen , begynner vi programmet med å måle batterispenningen og ladestrømmen. Verdien 0,0095 og 1,78 multipliseres med analog verdi for å konvertere 0 til 1024 til faktisk spenning og nåværende verdi. Du kan bruke et multimeter og en klemmemåler til å måle den virkelige verdien og deretter beregne multiplikatorverdien. Det beregnes også teoretisk multiplikatorverdiene basert på motstandene vi har brukt, men det var ikke så nøyaktig som jeg forventet å være.

// Måle spenning og strøm i utgangspunktet Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0092; // Måle batterispenning Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Mål ladestrøm

Hvis ladningsspenningen er mindre enn 8,2 V, går vi inn i CC-modus, og hvis den er høyere enn 8,2 V, går vi inn i CV-modus. Hver modus har sin egen mens loop. Inne i CC-modus-sløyfen holder vi Mode-stiften som LAV for å holde oss i CC-modus og fortsetter å overvåke spenningen og strømmen. Hvis spenningen overstiger 8.2V terskelspenningen, bryter vi CC-sløyfen ved hjelp av en bruddmelding. Status for ladningsspenning vises også på LCD-skjermen inne i CC-sløyfen.

// Hvis batterispenningen er mindre enn 8,2 V, går du inn i CC-modus mens (Charge_Voltage <8.2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Hold deg i CC-modus // Måle spenning og strømladning_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0095; // Måle batterispenning Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Mål ladestrøm // utskrifts detials på LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("I CC-modus"); forsinkelse (1000); lcd.clear (); // Sjekk om vi må avslutte CC-modus hvis (Charge_Voltage> = 8.2) // Hvis ja { digitalWrite (Mode, HIGH); // Bytt til pause i CV-modus ; } }

Den samme teknikken kan følges for CV-modus også. Hvis spenningen overstiger 8,2 V, går laderen i CV-modus ved å gjøre Mode-pinnen høy. Dette gjelder konstant 8,6 V over batteriet, og ladestrømmen kan variere ut fra batterikravet. Denne ladestrømmen blir deretter overvåket, og når den når under 50 mA, kan vi avslutte ladeprosessen ved å koble batteriet fra laderen. For å gjøre dette må vi ganske enkelt slå av ladningsreléet som vist i koden nedenfor

// Hvis batterispenningen er større enn 8,2 V, går du inn i CV-modus mens (Charge_Voltage> = 8.2) // CV MODE Loop { digitalWrite (Mode, HIGH); // Hold deg i CV-modus // Måle spenning og strømladning_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0092; // Måle batterispenning Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1,78; // Mål ladestrøm // Vis detaljer for bruker i LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("I CV-modus"); forsinkelse (1000); lcd.clear (); // Sjekk om batteriet er ladet ved å overvåke ladestrømmen hvis (Charge_current <50) // Hvis ja { digitalWrite (Charge, LOW); // Slå av lading mens (1) // Hold laderen av til omstart { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Charge Complete."); forsinkelse (1000); lcd.clear (); } } } }

Arbeid med 7.4V totrinns litiumbatterilader

Når maskinvaren er klar, last opp koden til Arduino-kortet. Koble deretter batteriet til ladeterminalen på kortet. Forsikre deg om at du kobler dem i riktig polaritet. Hvis du snur polariteten, vil det skade batteriet og kortet. Etter at du har koblet batteriet til laderen med en 12V adapter. Din vil bli møtt med en introtekst, og laderen vil gå videre til CC-modus eller CV-modus basert på batteriets status. Hvis batteriet er fullstendig utladet når det lades, går det over i CC-modus, og LCD-skjermen din vil vise noe sånt nedenfor.

Når batteriet blir ladet, vil spenningen øke som vist i videoen nedenfor . Når denne spenningen når 8.2V, vil laderen gå over i CV-modus fra CC-modus, og nå vil den vise både spenning og strøm som vist nedenfor.

Herfra vil strømforbruket til batteriet sakte gå ned når det blir ladet. Når strømmen når 50mA eller mindre, antar laderen at batteriet er fulladet, og kobler deretter batteriet fra laderen ved hjelp av reléet og viser følgende skjermbilde. Deretter kan du koble batteriet fra laderen og bruke det i applikasjonene dine.

Håper du forsto prosjektet og likte å bygge det. Komplett arbeid finner du i videoen nedenfor. Hvis du har spørsmål, kan du legge dem inn i kommentarfeltet nedenfor for å bruke forumene til andre tekniske spørsmål. Igjen er kretsen kun for pedagogisk formål, så bruk den med ansvar, siden litiumbatterier ikke er stabile under tøffe forhold.