Pametni punjač baterija na bazi mikrokontrolera: 9 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:09

Krug koji ćete vidjeti je pametan punjač baterija baziran na ATMEGA8A sa automatskim isključivanjem. Različiti parametri se prikazuju na LCD -u tokom različitih stanja punjenja. Također, krug će se oglasiti zvučnim signalom po završetku punjenja.

Punjač sam u osnovi izgradio za punjenje Li-ionske baterije od 11,1v/4400maH. Firmver je u osnovi napisan za punjenje ove posebne vrste baterija. Možete učitati vlastiti protokol punjenja kako biste ispunili svoje potrebe za punjenjem drugih vrsta baterija.

Kao što znate, pametni punjači baterija lako su dostupni na tržištima. Ali pošto sam ljubitelj elektronike, uvijek mi je poželjnije da napravim vlastiti, a ne da kupim onaj koji će imati statičke/nepromjenjive funkcije. U ovom modulu planiram nadogradnju u budućnosti pa sam ostavio prostora u vezi s tim.

Kad sam prvi put kupio svoju prethodnu 11.1v/2200mah Li-ion bateriju, tražio sam DIY punjače baterija sa pametnom kontrolom na internetu. Ali pronašao sam vrlo ograničene resurse. Pa sam za tada napravio punjač baterija baziran na LM317 i to je uspjelo jako dobro za mene. Ali kako mi je prethodna baterija vremenom izumrla (bez razloga), kupio sam drugu Li-ion bateriju od 11,1v/4400mah. Ali ovaj put prethodna postavka nije bila dovoljna za punjenje moje nove baterije. zahtjev, studirao sam na internetu i uspio sam dizajnirati vlastiti pametni punjač.

Dijelim ovo jer mislim da postoje mnogi hobisti/entuzijasti koji su strastveni u radu s energetskom elektronikom i mikrokontrolerom, a također imaju potrebu za izgradnjom vlastitog pametnog punjača.

Pogledajmo nakratko kako napuniti Li-ion bateriju.

Korak 1: Protokol punjenja Li-ion baterije

Da biste napunili Li-ion bateriju, morate ispuniti određene uvjete. Ako ne održimo uslove, ili će baterija biti nedovoljno napunjena ili će biti zapaljena (ako je napunjena) ili će biti trajno oštećena.

Postoji vrlo dobra web stranica koja zna sve potrebno o različitim vrstama baterija i naravno znate naziv web stranice ako ste upoznati s radom na baterijama … Da, govorim o batteryuniversity.com.

Evo linka za informacije o potrebnim detaljima za punjenje Li-ion baterije.

Ako ste dovoljno lijeni da pročitate sve te teorije, onda je suština sljedeća.

1. Puno punjenje 3,7v Li-ion baterije je 4,2V. U našem slučaju, 11,1v Li-ion baterija znači 3 x 3,7v bateriju. Za potpuno punjenje baterija mora doseći 12,6V, ali iz sigurnosnih razloga, punit će ga do 12,5v.

2. Kada se baterija približi svom punom punjenju, tada struja koju baterija puni iz punjača pada na čak 3% nazivnog kapaciteta baterije. Na primjer, kapacitet baterije mojih ćelija iznosi 4400mah. Dakle, kada će se baterija potpuno napuniti, struja koju napuni baterija doseći će gotovo 3% -5% od 4400 ma, odnosno između 132 do 220 mA. Za sigurno zaustavljanje punjenja, punjenje će se zaustaviti kada iscrpljena struja padne ispod 190 mA (skoro 4% nazivnog kapaciteta).

3. Proces potpunog punjenja podijeljen je na dva glavna dijela: 1-konstantna struja (CC način), 2-konstantan napon (CV način). (Postoji i način punjenja, ali to nećemo implementirati u naš punjač kao punjač obavijestit će korisnika o potpunom punjenju alarmiranjem, tada se baterija mora odvojiti od punjača)

CC način rada -

U CC načinu rada, punjač puni bateriju s 0,5c ili 1c brzinom punjenja. Sada, dovraga, 0,5c/1c ???? Da budemo jednostavniji, ako je vaš kapacitet baterije recimo 4400mah, onda u CC načinu rada, 0,5c bit će 2200 mA, a 1c će biti 4400 mA struje punjenja.'c 'označava brzinu punjenja/pražnjenja. Neke baterije također podržavaju 2c tj. u CC načinu rada, možete postaviti struju punjenja do 2x kapaciteta baterije, ali to je suludo !!!!!

No, radi sigurnosti, odabrat ću struju punjenja od 1000 mA za bateriju od 4400 mA, tj. 0,22 C. U ovom načinu rada punjač će pratiti struju koju baterija vuče neovisno o naponu punjenja. /smanjenje izlaznog napona sve dok napunjenost baterije ne dostigne 12,4v.

CV način rada -

Sada kada napon baterije dosegne 12,4 V, punjač će na izlazu održavati 12,6 V (neovisno o struji koju vuče baterija). Sada će punjač prekinuti ciklus punjenja ovisno o dvije stvari. Ako naponi baterije pređu 12,5 V i ako struja punjenja padne ispod 190 mA (4% nazivnog kapaciteta baterije kao što je prethodno objašnjeno), tada će se ciklus punjenja zaustaviti i oglasit će se zvučni signal.

Korak 2: Shema i objašnjenje

Pogledajmo sada rad kola. Shema je priložena u pdf formatu u datoteci BIN.pdf.

Ulazni napon kruga može biti 19/20v. Koristio sam stari punjač za prijenosno računalo da dobijem 19v.

J1 je terminalni konektor za povezivanje kruga s izvorom ulaznog napona. Q1, D2, L1, C9 tvore pretvarač u dolarima. Što je to dovraga ??? Ovo je u osnovi DC do DC pretvarač. pretvarača, možete postići željeni izlazni napon promjenom radnog ciklusa. Ako želite znati više o pretvaračima u dolarima, posjetite ovu stranicu. ali da budemo iskreni, oni se potpuno razlikuju od teorije. Za procjenu ispravnih vrijednosti L1 i C9 za moje zahtjeve, trebalo je 3 dana probe i pogreška. Ako ćete puniti različite baterije, moguće je da će se te vrijednosti promijeniti.

Q2 je upravljački tranzistor za napajanje mosfet Q1. R1 je otpornik za Q1. Mi ćemo napajati pwm signal u bazi Q2 za kontrolu izlaznog napona. C13 je kapa za razdvajanje.

Sada se izlaz dovodi na Q3. Može se postaviti pitanje "Kakva je ovdje korist Q3?". Odgovor je prilično jednostavan, djeluje kao jednostavan prekidač. Kad god ćemo mjeriti napon baterije, isključit ćemo Q3 kako bismo odvojili izlaz napona punjenja od pretvarača napona. Q4 je upravljački program za Q3 s otporom otpornika R3.

Imajte na umu da se na putu nalazi dioda D1. Šta dioda radi ovdje na putu? Ovaj odgovor je također vrlo jednostavan. Kad god će se krug isključiti iz ulaznog napajanja dok je baterija priključena na izlaz, struja iz baterije će protok u obrnutom smjeru preko dioda kućišta MOSFET -a Q3 & Q1, pa će U1 i U2 dobiti napon baterije na svojim ulazima i napajat će krug iz napona baterije. Da bi se to izbjeglo, koristi se D1.

Izlaz D1 se zatim dovodi na ulaz trenutnog osjetnika (IP+). Ovo je osnovni osjetnik struje po Hall-ovom efektu, tj. Dio osjetnika struje i izlazni dio su izolirani. Izlaz trenutnog osjetnika (IP-) se zatim dovodi na baterija. Ovdje R5, RV1, R6 formiraju krug razdjelnika napona za mjerenje napona/izlaznog napona baterije.

Atmega8 -ov ADC se ovdje koristi za mjerenje napona i struje baterije. ADC može mjeriti max 5v. Ali mjerit ćemo maksimalno 20v (s određenim prostorom za glavu). Da bismo smanjili napon na raspon ADC -a, 4: Koristi se 1 razdjelnik napona. Lonac (RV1) se koristi za fino podešavanje/kalibraciju. Razgovarat ću o tome kasnije. C6 je odvajanje kapice.

Izlaz trenutnog osjetnika ACS714 također se napaja na atmega8 -ov ADC0 pin. Preko ovog senzora ACS714 mjerit ćemo struju. Imam probojnu ploču od pololu verzije 5A i radi zaista odlično. Govorit ću o tome u sljedećoj fazi na kako izmjeriti struju.

LCD je normalni 16x2 lcd. LCD koji se ovdje koristi konfiguriran je u 4 -bitnom načinu rada jer je broj pinova atmega8 ograničen. RV2 je posuda za podešavanje svjetline za LCD.

Atmega8 radi na 16mhz s vanjskim kristalom X1 s dvije kapice za odvajanje C10/11. ADC jedinica atmega8 se napaja preko Avcc pina preko 10uH induktora. C7, C8 su odvojene kape spojene na Agnd. Postavite ih kao što je moguće bliže Avcc -u i Arefu pri izradi PCB -a. Uočite da Agnd pin nije prikazan u krugu. Agnd pin će biti spojen na masu.

Konfigurirao sam ADC atmega8 za korištenje vanjskog Vrefa, tj. Referentni napon opskrbit ćemo putem Aref pina. Glavni razlog za ovo je postizanje maksimalne moguće točnosti očitanja. Interni napon 2,56 V nije toliko velik u avrs -u. Zato sam ga konfigurirao izvana. Sada treba primijetiti. 7805 (U2) opskrbljuje samo ACS714 senzor i Aref pin atmega8. Ovo je za održavanje optimalne točnosti. ACS714 daje stabilan izlazni napon od 2,5 V kada nema protoka struje kroz njega. Ali, na primjer, ako se napon napajanja ACS714 spusti (recimo 4,7 V), tada će se i trenutni izlazni napon (2,5 V) također smanjiti i stvorit će neprikladno/pogrešno očitanje struje. Također mjerimo napon u odnosu na Vref, tada referentni napon na Arefu mora biti bez grešaka i stabilan. Zato nam je potrebno stabilno 5v.

Ako bismo napajali ACS714 & Aref iz U1 koji napaja atmega8 i LCD, tada bi došlo do pada substanijalnog napona na izlazu U1 i očitavanje ampera i napona bilo bi pogrešno. Zato se ovdje koristi U2 za uklanjanje greške snabdijevanjem stabilnih 5V samo za Aref i ACS714.

S1 je pritisnut za kalibriranje očitanja napona. S2 je rezerviran za buduću upotrebu. Možete dodati ili ne dodati ovo dugme prema vašem izboru.

Korak 3: Funkcionisanje…

Kada se napaja, atmega8 će uključiti pretvarač dolara dajući 25% pwm izlaza na bazi Q2. Zauzvrat, Q2 će tada pokretati Q1 i bit će pokrenut pretvarač. Q3 će se otjerati kako bi se isključio izlaz pretvarača dolara. i baterija. Atmega8 tada očitava napon baterije preko razdjelnika otpornika. Ako nije spojena baterija, tada atmega8 prikazuje poruku "Umetni bateriju" preko 16x2 lcd i čeka bateriju. Ako je baterija zatim priključena, atmega8 će provjeriti napon. Ako je napon manji od 9v, tada će atmega8 na 16x2 lcd -u prikazati "Neispravna baterija".

Ako je pronađena baterija s više od 9v, punjač će prvo ući u CC način rada i uključiti izlazni MOSFET Q3. Način punjača (CC) će se odmah ažurirati za prikaz. Ako je napon baterije veći od 12,4 V, tada mega8 će odmah napustiti CC način rada i ući će u CV način rada. Ako je napon baterije manji od 12,4 V, tada će mega8 održavati struju punjenja od 1A povećanjem/smanjenjem izlaznog napona pretvarača u promjeni radnog ciklusa pwm. Struju ACS714 očitava struja punjenja. Izlazni napon, struja punjenja, radni ciklus PWM periodično će se ažurirati na LCD -u.

. Napon baterije će se provjeravati isključivanjem Q3 nakon svakih 500 ms. Napon baterije će se odmah ažurirati na lcd.

Ako napon baterije prijeđe više od 12,4 volta tijekom punjenja, mega8 će napustiti CC način rada i ući u CV način rada. Status načina rada bit će odmah ažuriran na lcd.

Tada će mega8 održavati izlazni napon od 12,6 volta promjenom radnog ciklusa. Ovdje će se napon baterije provjeravati nakon svakih 1 s interval. Čim napon baterije bude veći od 12,5 V, tada će se provjeriti ako je izvučena struja ispod 190 mA. Ako su ispunjena oba uvjeta, ciklus punjenja će se zaustaviti trajnim isključivanjem Q3, a zvučni signal će se oglasiti uključivanjem Q5. Također će mega8 prikazati "Charge complete" preko LCD -a.

Korak 4: Potrebni dijelovi

Dolje su navedeni potrebni dijelovi za dovršetak projekta. Molimo vas da pogledate listove s podacima za ispis.

1) ATMEGA8A x 1. (podatkovni list)

2) ACS714 5A senzor struje iz Pololu x 1 (toplo preporučujem da koristite senzor iz Pololua jer su oni najprecizniji od svih ostalih senzora koje sam koristio. Ovdje ga možete pronaći). Izlaz je opisan na slici.

3) IRF9540 x 2. (tehnički list)

4) 7805 x 2 (preporučuje se od Toshiba genuinespare jer daju najstabilniji izlaz od 5 V). (Podatkovni list)

5) 2n3904 x 3. (tehnički list)

6) 1n5820 schottky x 2. (tehnički list)

7) 16x2 LCD x 1. (tehnički list)

8) Prigušnica snage 330uH/2A x 1 (preporučeno od coilmaster -a)

9) 10uH induktor x 1 (mali)

10) Otpornici -(Svi otpornici su 1% tipa MFR)

150R x 3

680R x 2

1k x 1

2k2 x 1

10k x 2

22k x 1

5k pot x 2 (tip nosača za PCB)

11) Kondenzatori

Napomena: Nisam koristio C4. Ne treba ga koristiti ako koristite napajanje za prijenosno računalo/regulirano napajanje kao izvor napajanja 19v

100uF/25v x 3

470uF/25v x 1

1000uF/25v x 1

100n x 8

22p x 2

12) Prekidač za montažu na PCB, 2 x

13) 20v zujalica x 1

14) 2 -polni priključak stezaljke x 2

15) Ormarić (koristio sam ovakav ormarić.) Možete koristiti šta god želite.

16) Napajanje laptopa 19v (izmijenio sam napajanje laptopa hp. Možete koristiti napajanje bilo koje vrste kako želite. Ako ga želite izgraditi, posjetite ove upute.)

17) Srednji hladnjak za U1 i Q1. Možete koristiti ovaj tip. Ili možete pogledati moje slike kola. Ali svakako koristite hladnjak za oboje.

18) Konektor za banane - ženski (crno -crveni) x 1 + muški (crni i crveni) (ovisno o potrebama konektora)

Korak 5: Vrijeme je za izračunavanje ……

Proračun mjerenja napona:

Maksimalni napon, mjerit ćemo pomoću atmega8 adc -a, je 20v. Ali atmega8 -ov adc može izmjeriti max 5v. Dakle, kako bi bio 20v unutar 5v raspona, ovdje se koristi razdjelnik napona 4: 1 (kao 20v/4 = 5v). Tako bismo to mogli implementirati jednostavnom upotrebom dva otpornika, ali u našem slučaju, dodao sam lonac između dva fiksna otpornika kako bismo mogli ručno podesiti točnost okretanjem lonca. Rezolucija ADC -a je 10 bita, tj. predstavljat će 0v do 5v kao 0 do 1023 decimalni broj ili 00h do 3FFh. ('h' označava heksadecimalne brojeve). Referenca je postavljena na 5v izvana putem Aref pina.

Dakle, izmjereni napon = (očitanje adc -a) x (Vref = 5v) x (faktor djelitelja otpornika, tj. 4 u ovom slučaju) / (maksimalno očitanje adc -a, tj. 1023 za 10 -bitni adc).

Pretpostavimo da dobijemo adc očitanje od 512. Tada će izmjereni napon biti -

(512 x 5 x 4) / 1023 = 10V

Proračun trenutnog mjerenja:

ACS714 će dati stabilan izlaz od 2.5v na izlaznom pinu kada struja neće teći od IP+ prema IP-. Dat će 185mv/A preko 2.5v, npr. Ako struja 3A teče kroz krug, acs714 će dati 2.5v+(0.185 x 3) v = 3.055v na svom vanjskom pinu.

Dakle, trenutna formula mjerenja je sljedeća -

Izmjerena struja = (((očitanje po adc-u)*(Vref = 5v)/1023) -2,5)/0,185.

recimo, očitanje adc -a je 700, tada će izmjerena struja biti - (((700 x 5)/1023) - 2,5)/0,185 = 4,98A.

Korak 6: Softver

Softver je kodiran u Winavr -u pomoću GCC -a. Modularizirao sam kôd, tj. Stvorio sam različite biblioteke poput biblioteke adc, lcd biblioteke itd. Biblioteka adc sadrži potrebne naredbe za postavljanje i interakciju s adc -om. Lcd biblioteka sadrži sve funkcije za pogon 16x2 lcd -a. Također možete koristiti lcd_updated _library.c jer se redoslijed pokretanja lcd -a mijenja u ovoj biblioteci. Ako želite koristiti ažuriranu biblioteku, preimenujte je u lcd.c

Datoteka main.c sadrži glavne funkcije. Ovdje je zapisan protokol punjenja za li-ion. Molimo vas da definirate ref_volt u main.c mjerenjem izlaza U2 (7805) preciznim multimetrom kako biste dobili tačna očitanja kao proračune zasnivaju se na njoj.

Možete jednostavno narezati.hex datoteku direktno u svoj mega8 kako biste zaobišli zaglavlje.

Za one koji žele napisati još jedan protokol punjenja, stavio sam dovoljno komentara pomoću kojih čak i dijete može razumjeti šta se događa za svaku izvedbu linije. Samo morate napisati vlastiti protokol za različite vrste baterija. Ako koristite Li- jona različitog napona, morate promijeniti samo parametre. (iako ovo nije testirano za druge litij-ionske/druge vrste baterija. Morate to sami riješiti).

Toplo preporučujem da ne gradite ovo kolo, ako je ovo vaš prvi projekt ili ste tek započeli s mikrokontrolerom/energetskom elektronikom.

Učitao sam svaku datoteku u izvornom formatu osim Makefile -a jer stvara problem za otvaranje. Otpremio sam ga u.txt formatu. Samo kopirajte sadržaj i zalijepite ga u novi Makefile i izgradite cijeli projekt..spremni ste da narežete heksadecimalnu datoteku.

Korak 7: Dosta je bilo teorije … ajmo to razviti

Evo slika mog prototipa od matične do završene u PCB -u. Molimo vas da pročitate bilješke sa slika da biste saznali više. Slike su raspoređene serijski od početka do kraja.

Korak 8: Prije prvog ciklusa punjenja …….. Kalibrirajte !!

Prije nego što napunite bateriju pomoću punjača, morate je prvo kalibrirati. U suprotnom neće moći napuniti bateriju/previše je napuniti.

Postoje dvije vrste kalibracije 1) Kalibracija napona. 2) Trenutna kalibracija. Koraci su sljedeći za kalibraciju.

Prvo izmjerite izlazni napon U2. Zatim ga definirajte u main.c kao ref_volt. Moj je bio 5.01. Mijenite ga prema svom mjerenju. Ovo je glavni neophodni korak za kalibraciju napona i struje. Za kalibraciju struje ništa drugo je potrebno. Sve će se pobrinuti sam softver

Pošto ste spalili heksadecimalnu datoteku nakon definiranja ref volta u main.c, ubijte snagu jedinice.

. Sada izmjerite napon baterije koju ćete napuniti pomoću multimetra i spojite bateriju na uređaj.

Sada pritisnite gumb S1 i držite ga te napajajte krug dok je gumb pritisnut. Nakon kratkog odgode od otprilike 1 s, otpustite gumb S1. Imajte na umu da jedinica neće ući u način kalibracije ako prvo uključite strujno kolo, a zatim pritisnite S1.

Sada možete vidjeti na ekranu da je krug ušao u način kalibracije. Na LCD -u će se prikazati "cal mode" zajedno s naponom baterije. Sada uporedite napon baterije prikazan na LCD -u sa očitanjem vašeg multimetra okretanjem posude. Nakon što ste završili, ponovo pritisnite prekidač S1, držite ga otprilike jednu sekundu i otpustite. Bit ćete izvan načina kalibracije. Ponovno postavite punjač tako što ćete ga isključiti i uključiti.

Gore navedeni postupak se može izvesti i bez priključene baterije. Morate spojiti vanjski izvor napajanja na izlazni terminal (J2). Nakon ulaska u način kalibracije kalibrirajte pomoću lonca. Ali ovaj put prvo isključite vanjski izvor napajanja, a zatim pritisnite S1 za izlazak iz načina kalibracije. Ovo je potrebno prvo isključiti vanjski izvor napajanja kako bi se izbjegla bilo kakva neispravnost bilo koje jedinice.

Korak 9: Uključivanje nakon kalibracije …..sada ste spremni za rock

Kad je kalibracija završena, sada možete započeti proces punjenja. Prvo priključite bateriju, a zatim uključite jedinicu. Punjač će se pobrinuti za ostalo.

Moje kolo je 100% ispravno i testirano. Ali ako primijetite bilo šta, javite mi. Također se slobodno obratite za sva pitanja.

Srećna zgrada.

Rgds // Sharanya