Inteligentna ładowarka akumulatorów oparta na mikrokontrolerze: 9 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:33

Obwód, który zobaczysz, to inteligentna ładowarka akumulatorów oparta na ATMEGA8A z automatycznym odcięciem. Różne parametry są wyświetlane na wyświetlaczu LCD podczas różnych stanów ładowania. Ponadto obwód wyda dźwięk za pomocą brzęczyka po zakończeniu ładowania.

Zbudowałem ładowarkę zasadniczo do ładowania mojego akumulatora litowo-jonowego 11,1 V/4400 mAH. Oprogramowanie układowe jest zasadniczo napisane w celu ładowania tego konkretnego typu akumulatora. Możesz przesłać własny protokół ładowania, aby spełnić swoje potrzeby w zakresie ładowania innych typów akumulatorów.

Jak wiesz, inteligentne ładowarki są łatwo dostępne na rynkach. Ale będąc entuzjastą elektroniki, zawsze wolę zbudować własną, niż kupować taką, która będzie miała statyczne/niezmienne funkcje. W tym module mam plany uaktualnić w przyszłości, więc zostawiłem na to miejsce.

Kiedy po raz pierwszy kupiłem moją poprzednią baterię litowo-jonową 11,1 v/2200 mAh, szukałem ładowarek do akumulatorów DIY z inteligentnym sterowaniem w Internecie. Ale znalazłem bardzo ograniczone zasoby. Na razie zrobiłem ładowarkę opartą na LM317 i zadziałało naprawdę dobrze dla mnie. Ale ponieważ moja poprzednia bateria z czasem się wyczerpała (bez powodu), kupiłem kolejną baterię litowo-jonową 11,1 v / 4400 mAh. Ale tym razem poprzednia konfiguracja była niewystarczająca do naładowania mojej nowej baterii. wymóg, zrobiłem trochę nauki w sieci i byłem w stanie zaprojektować własną inteligentną ładowarkę.

Dzielę się tym, ponieważ myślę, że jest wielu hobbystów / entuzjastów, którzy naprawdę pasjonują się pracą nad energoelektroniką i mikrokontrolerem, a także potrzebują zbudować własną inteligentną ładowarkę.

Rzućmy okiem na to, jak ładować akumulator litowo-jonowy.

Krok 1: Protokół ładowania akumulatora litowo-jonowego

Aby naładować akumulator litowo-jonowy, muszą być spełnione określone warunki. Jeśli nie utrzymamy tych warunków, albo akumulatory będą niedoładowane, albo zostaną podpalone (w przypadku przeładowania) lub ulegną trwałemu uszkodzeniu.

Istnieje bardzo dobra strona internetowa, na której można dowiedzieć się wszystkiego, co niezbędne o różnych typach baterii i oczywiście znasz nazwę strony internetowej, jeśli znasz się na pracy z bateriami… Tak, mówię o batteryuniversity.com.

Oto link, aby poznać niezbędne szczegóły dotyczące ładowania akumulatora litowo-jonowego.

Jeśli jesteś wystarczająco leniwy, aby przeczytać wszystkie te teorie, to sedno sprawy jest następujące.

1. Pełne naładowanie akumulatora litowo-jonowego 3,7 v wynosi 4,2 v. W naszym przypadku akumulator litowo-jonowy 11,1 v oznacza akumulator 3 x 3,7 v. W celu pełnego naładowania akumulator musi osiągnąć napięcie 12,6 v, ale ze względów bezpieczeństwa naładuje go do 12,5 v.

2. Kiedy bateria zbliża się do pełnego naładowania, prąd pobierany przez baterię z ładowarki spada do zaledwie 3% znamionowej pojemności baterii. Na przykład pojemność mojego zestawu ogniw wynosi 4400 mAh. Tak więc, gdy akumulator będzie w pełni naładowany, prąd pobierany przez akumulator osiągnie prawie 3%-5% 4400mA, tj. od 132 do 220mA. Aby bezpiecznie zatrzymać ładowanie, ładowanie zostanie zatrzymane, gdy pobierany prąd spadnie poniżej 190ma (prawie 4% pojemności znamionowej).

3. Całkowity proces ładowania jest podzielony na dwie główne części 1-stały prąd (tryb CC), 2-stałe napięcie (tryb CV). (Istnieje również tryb ładowania doładowania, ale nie zaimplementujemy tego w naszej ładowarce jako ładowarce poinformuje użytkownika o pełnym naładowaniu alarmem, należy odłączyć akumulator od ładowarki)

Tryb CC -

W trybie CC ładowarka ładuje akumulator z szybkością ładowania 0,5 c lub 1 c. Teraz co do cholery to 0,5 c / 1 c???? Mówiąc prościej, jeśli pojemność baterii wynosi powiedzmy 4400 mAh, to w trybie CC, 0,5 c będzie 2200mA, a 1c będzie 4400mA prądem ładowania. 'c' oznacza szybkość ładowania/rozładowania. Niektóre baterie obsługują również 2c, tj. w trybie CC, można ustawić prąd ładowania do pojemności 2xbaterii, ale to jest szalone !!!!!

Ale na wszelki wypadek wybiorę prąd ładowania 1000mA dla akumulatora 4400mah, czyli 0,22c. W tym trybie ładowarka będzie monitorować prąd pobierany przez akumulator niezależnie od napięcia ładowania. Ładowarka utrzyma 1A prądu ładowania zwiększając /zmniejszanie napięcia wyjściowego do momentu naładowania akumulatora do 12,4V.

Tryb CV -

Teraz, gdy napięcie akumulatora osiągnie 12,4 V, ładowarka będzie utrzymywać na wyjściu 12,6 V (niezależnie od prądu pobieranego przez akumulator). Teraz ładowarka zatrzyma cykl ładowania w zależności od dwóch rzeczy. Jeśli napięcie akumulatora przekroczy 12,5 V a także jeśli prąd ładowania spadnie poniżej 190ma (4% pojemności znamionowej akumulatora, jak wyjaśniono wcześniej), cykl ładowania zostanie zatrzymany i zabrzmi brzęczyk.

Krok 2: Schemat i wyjaśnienie

Przyjrzyjmy się teraz działaniu układu. Schemat jest załączony w formacie pdf w pliku BIN.pdf.

Napięcie wejściowe obwodu może wynosić 19/20v. Użyłem starej ładowarki do laptopa, aby uzyskać 19v.

J1 to złącze zaciskowe do podłączenia obwodu do źródła napięcia wejściowego. Q1, D2, L1, C9 tworzy konwerter buck. Co to jest do cholery? konwertera, możesz osiągnąć pożądane napięcie wyjściowe, zmieniając cykl pracy. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o konwerterach buck, odwiedź tę stronę. Szczerze mówiąc, są one całkowicie różne od teorii. Aby ocenić prawidłowe wartości L1 i C9 jak na moje wymagania zajęło to 3 dni prób i błędów. Jeśli zamierzasz ładować różne baterie, może się zdarzyć, że te wartości się zmienią.

Q2 jest tranzystorem sterującym dla mosfetu mocy Q1. R1 jest rezystorem polaryzującym dla Q1. Do bazy Q2 podamy sygnał pwm, aby sterować napięciem wyjściowym. C13 to nasadka odsprzęgająca.

Teraz wyjście jest przesyłane do Q3. Można zadać pytanie: „Jaki jest tutaj pożytek z Q3?”. Odpowiedź jest dość prosta, działa jak prosty przełącznik. Za każdym razem, gdy będziemy mierzyć napięcie akumulatora, wyłączymy Q3, aby odłączyć wyjście napięcia ładowania z konwertera buck. Q4 jest sterownikiem dla Q3 z rezystorem polaryzującym R3.

Zauważ, że na ścieżce znajduje się dioda D1. Co dioda robi tutaj na ścieżce? Ta odpowiedź jest również bardzo prosta. Za każdym razem, gdy obwód zostanie odłączony od zasilania wejściowego, gdy akumulator jest podłączony do wyjścia, prąd z akumulatora będzie przepływa w odwrotnej ścieżce przez diody w korpusie tranzystorów MOSFET Q3 i Q1, dzięki czemu U1 i U2 otrzymają napięcie akumulatora na swoich wejściach i zasilą obwód z napięcia akumulatora. Aby tego uniknąć, stosuje się D1.

Wyjście D1 jest następnie podawane do wejścia czujnika prądu (IP+). Jest to czujnik prądu bazowego z efektem Halla, tj. część wykrywająca prąd i część wyjściowa są izolowane. Wyjście czujnika prądu (IP-) jest następnie podawane do battery. Tutaj R5, RV1, R6 tworzą obwód dzielnika napięcia do pomiaru napięcia akumulatora/napięcia wyjściowego.

ADC atmega8 służy tutaj do pomiaru napięcia i prądu akumulatora. ADC może mierzyć maksymalnie 5 V. Ale zmierzymy maksymalnie 20 V (z pewnym zapasem). Aby obniżyć napięcie do zakresu ADC, 4 Używany jest: 1 dzielnik napięcia. Potencjometr (RV1) służy do dostrajania/kalibracji. Omówię to później. C6 jest czapką odsprzęgającą.

Wyjście czujnika prądu ACS714 jest również podawane na pin ADC0 atmega8. Za pomocą tego czujnika ACS714 będziemy mierzyć prąd. Posiadam płytkę zaciskową z pololu w wersji 5A i działa naprawdę świetnie. Opowiem o tym w kolejnym etapie na jak zmierzyć prąd.

Wyświetlacz LCD to normalny wyświetlacz 16x2. Używany tutaj wyświetlacz jest skonfigurowany w trybie 4-bitowym, ponieważ liczba pinów atmega8 jest ograniczona. RV2 to potencjometr regulacji jasności wyświetlacza LCD.

Atmega8 jest taktowana na 16mhz z zewnętrznym kryształem X1 z dwoma nasadkami odsprzęgającymi C10/11. Jednostka ADC atmega8 jest zasilana przez pin Avcc przez cewkę 10uH. C7, C8 są nasadkami odsprzęgającymi podłączonymi do Agnd. Umieść je jako jak najbliżej Avcc i Aref odpowiednio podczas tworzenia PCB. Zauważ, że pin Agnd nie jest pokazany w obwodzie. Pin Agnd zostanie podłączony do masy.

Skonfigurowałem ADC atmega8 do korzystania z zewnętrznego Vref, tj. dostarczymy napięcie odniesienia przez pin Aref. Głównym powodem tego jest osiągnięcie maksymalnej możliwej dokładności odczytu. Wewnętrzne napięcie odniesienia 2,56 V nie jest tak duże w avrs. Dlatego skonfigurowałem go zewnętrznie. Teraz warto zauważyć. 7805(U2) dostarcza tylko czujnik ACS714 i pin Aref atmega8. Ma to na celu utrzymanie optymalnej dokładności. ACS714 daje stabilne napięcie wyjściowe 2,5 V, gdy nie przepływa przez niego prąd. Ale powiedzmy, że jeśli napięcie zasilania ACS714 zostanie obniżone (powiedzmy 4,7 V), to napięcie wyjściowe bez prądu (2,5 V) również zostanie obniżone i spowoduje nieodpowiedni/błędny odczyt prądu. Ponieważ mierzymy napięcie w odniesieniu do Vref, napięcie odniesienia na Aref musi być wolne od błędów i stabilne. Dlatego potrzebujemy stabilnego 5V.

Gdybyśmy zasilali ACS714 i Aref z U1, który dostarcza atmega8 i lcd, to na wyjściu U1 wystąpiłby znaczny spadek napięcia, a odczyt ampera i napięcia byłby błędny. Dlatego zastosowano tutaj U2 w celu wyeliminowania błędu dostarczając stabilne napięcie 5V tylko do Aref i ACS714.

S1 jest wciśnięty, aby skalibrować odczyt napięcia. S2 jest zarezerwowany do użytku w przyszłości. Możesz dodać lub nie dodać tego przycisku zgodnie z własnym wyborem.

Krok 3: Funkcjonowanie…

Po włączeniu atmega8 włączy konwerter buck, dając 25% mocy wyjściowej pwm u podstawy Q2. Z kolei Q2 będzie napędzał Q1 i konwerter buck zostanie uruchomiony. Q3 zostanie wyłączony, aby odłączyć wyjście konwertera buck i akumulator. Atmega8 odczytuje wtedy napięcie akumulatora przez dzielnik rezystorowy. Jeśli nie jest podłączony akumulator, to atmega8 pokazuje komunikat „Włóż akumulator” przez wyświetlacz 16x2 i czeka na akumulator. atmega8 sprawdzi napięcie. Jeśli napięcie jest niższe niż 9v, atmega8 pokaże "Wadliwy akumulator" na wyświetlaczu 16x2.

Jeśli zostanie znaleziona bateria o napięciu powyżej 9 V, ładowarka najpierw przejdzie w tryb CC i włączy wyjściowy mosfet Q3. Tryb ładowarki (CC) zostanie natychmiast zaktualizowany, aby wyświetlić. Jeśli napięcie akumulatora zostanie znalezione powyżej 12,4 V, to mega8 natychmiast opuści tryb CC i przejdzie w tryb CV. Jeśli napięcie akumulatora jest mniejsze niż 12,4 V, mega8 utrzyma prąd ładowania 1 A poprzez zwiększenie/zmniejszenie napięcia wyjściowego konwertera buck poprzez zmianę cyklu pracy PWM Prąd ładowania zostanie odczytany przez czujnik prądu ACS714. Napięcie wyjściowe złotówki, prąd ładowania, cykl pracy PWM będą okresowo aktualizowane na wyświetlaczu LCD.

. Napięcie akumulatora będzie sprawdzane przez wyłączenie Q3 co 500ms. Napięcie akumulatora zostanie natychmiast zaktualizowane na wyświetlaczu LCD.

Jeśli podczas ładowania napięcie akumulatora przekroczy 12,4 V, mega8 opuści tryb CC i przejdzie w tryb CV. Status trybu zostanie natychmiast zaktualizowany na wyświetlaczu LCD.

Wtedy mega8 będzie utrzymywał napięcie wyjściowe 12,6 V poprzez zmianę cyklu pracy złotówki. Tutaj napięcie akumulatora będzie sprawdzane co 1 s. Gdy tylko napięcie akumulatora będzie większe niż 12,5 V, zostanie to sprawdzone jeśli pobierany prąd jest poniżej 190ma. Jeśli oba warunki są spełnione, cykl ładowania zostanie zatrzymany przez trwałe wyłączenie Q3, a brzęczyk zostanie uruchomiony po włączeniu Q5. Również mega8 pokaże „Ładowanie zakończone” na wyświetlaczu LCD.

Krok 4: Wymagane części

Poniżej wymienione są części wymagane do ukończenia projektu. Proszę zapoznać się z arkuszami danych, aby uzyskać informacje na temat pinów. Dostarczono tylko łącze do arkusza danych kluczowych części

1) ATMEGA8A x 1. (arkusz danych)

2) Przetwornik prądu ACS714 5A firmy Pololu x 1 (gorąco polecam zastosować czujnik firmy Pololu, ponieważ są one najdokładniejsze spośród wszystkich innych używanych przeze mnie czujników. Można go znaleźć tutaj). Pinout jest opisany na zdjęciu.

3) IRF9540 x 2. (arkusz danych)

4) 7805 x 2 (zalecane od oryginalnych części zamiennych Toshiba, ponieważ zapewniają najbardziej stabilne wyjście 5 V). (arkusz danych)

5) 2n3904 x 3. (arkusz danych)

6) 1n5820 Schottky x 2. (arkusz danych)

7) 16x2 LCD x 1. (arkusz danych)

8) Cewka mocy 330uH/2A x 1 (zalecane od coilmaster)

9) Induktor 10uH x 1 (mały)

10) Rezystory -(Wszystkie rezystory są typu 1% MFR)

150R x 3

680R x 2

1k x 1

2k2 x 1

10 tys. x 2

22 tys. x 1

Doniczka 5k x 2 (typ do montażu na płytce drukowanej)

11) Kondensatory

Uwaga: nie użyłem C4. Nie ma potrzeby używania go, jeśli używasz zasilacza laptopa/regulowanego zasilacza jako źródła zasilania 19 v

100uF/25v x 3

470uF/25v x 1

1000uF/25v x 1

100n x 8

22p x 2

12) Chwilowy przełącznik wciskany do montażu na płytce drukowanej x 2

13) Brzęczyk 20 V x 1

14) 2-stykowe złącze bloku zacisków x 2

15) Szafka (użyłem takiej szafki). Możesz użyć, co chcesz.

16) zasilacz laptopa 19 v (zmodyfikowałem zasilacz laptopa hp, możesz użyć dowolnego typu zasilacza, jak chcesz. Jeśli chcesz go zbudować, odwiedź moje instrukcje.)

17) Średniej wielkości radiator dla U1 i Q1. Możesz użyć tego typu. Możesz też odnieść się do moich zdjęć obwodu. Ale pamiętaj, aby użyć radiatora dla obu z nich.

18) złącze bananowe-żeńskie (czarne i czerwone) x 1 + męskie (czarne i czerwone) (w zależności od potrzeb złączy)

Krok 5: Czas na obliczenie……

Obliczanie pomiaru napięcia:

Maksymalne napięcie, które zmierzymy za pomocą atmega8 adc, wynosi 20v. Ale atmega8's adc może mierzyć maksymalnie 5v. Więc, aby zrobić 20v w zakresie 5v, stosuje się tutaj dzielnik napięcia 4:1 (jako 20v/4=5v). Możemy więc to zaimplementować, używając po prostu dwóch rezystorów, ale w naszym przypadku dodałem potencjometr pomiędzy dwa stałe rezystory, dzięki czemu możemy ręcznie dostosować dokładność, obracając potencjometr. Rozdzielczość ADC wynosi 10 bitów, tj. ADC będzie reprezentować 0V do 5V jako od 0 do 1023 liczb dziesiętnych lub od 00h do 3FFh.('h' oznacza liczby szesnastkowe). Odniesienie jest ustawione na 5V zewnętrznie przez pin Aref.

Tak więc zmierzone napięcie = (odczyt ADC) x (Vref=5v) x (współczynnik dzielnika rezystora, tj. 4 w tym przypadku) / (maksymalny odczyt ADC, tj. 1023 dla 10bit ADC).

Załóżmy, że otrzymujemy odczyt adc 512. Wtedy zmierzone napięcie będzie -

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

Aktualna kalkulacja pomiaru:

ACS714 zapewni stabilne wyjście 2,5 V na styku wyjściowym, gdy prąd nie będzie płynął z IP + w kierunku IP-. Da 185 mv / A ponad 2,5 V, tj. Powiedzmy, że jeśli przez obwód płynie prąd 3 A, ACS714 da 2,5v+(0,185 x 3)v = 3,055v na wyjściu pinu.

Tak więc aktualna formuła pomiaru jest następująca -

Mierzony prąd=(((odczyt adc)*(Vref=5v)/1023)-2,5)/0,185.

powiedzmy, że odczyt ADC wynosi 700, wtedy zmierzony prąd wyniesie - (((700 x 5)/1023) - 2,5)/0,185 = 4,98A.

Krok 6: Oprogramowanie

Oprogramowanie jest kodowane w Winavr za pomocą GCC. Zmodularyzowałem kod, tj. stworzyłem różne biblioteki, takie jak biblioteka adc, biblioteka lcd itp. Biblioteka adc zawiera niezbędne polecenia do konfiguracji i interakcji z adc. Biblioteka lcd zawiera wszystkie funkcje do sterowania wyświetlaczem LCD 16x2. Możesz również użyć lcd_updated _library.c, ponieważ sekwencja uruchamiania wyświetlacza LCD jest modyfikowana w tej bibliotece.

Plik main.c zawiera główne funkcje. Protokół ładowania dla akumulatorów litowo-jonowych jest napisany tutaj. Proszę zdefiniować ref_volt w main.c, mierząc wyjście U2(7805) za pomocą precyzyjnego multimetru, aby uzyskać dokładne odczyty jako obliczenia są na nim oparte.

Możesz po prostu nagrać plik.hex bezpośrednio w mega8, aby ominąć ból głowy.

Dla tych, którzy chcą napisać inny protokół ładowania, umieściłem wystarczająco dużo komentarzy, dzięki którym nawet dziecko może zrozumieć, co się dzieje przy każdym wykonaniu linii. Po prostu musisz napisać własny protokół dla innego typu baterii. Jeśli używasz Li- jonów o innym napięciu, wystarczy zmienić parametry. (Chociaż nie jest to testowane dla innego typu akumulatora litowo-jonowego/innego. Musisz to rozpracować sam).

Zdecydowanie odradzam budowanie tego układu, jeśli jest to Twój pierwszy projekt lub jesteś nowy w mikrokontrolerze/elektronice mocy.

Przesłałem każdy plik w oryginalnym formacie, z wyjątkiem Makefile, ponieważ powoduje to problem z otwarciem. Przesłałem go w formacie.txt. Po prostu skopiuj zawartość i wklej ją do nowego Makefile i zbuduj cały projekt..jesteś gotowy, aby nagrać plik szesnastkowy.

Krok 7: Dość teorii… zbudujmy to

Oto zdjęcia mojego prototypu od płyty prototypowej do sfinalizowanego w pcb. Proszę przejrzeć notatki ze zdjęć, aby dowiedzieć się więcej. Zdjęcia są ułożone seryjnie od początku do końca.

Krok 8: Przed pierwszym cyklem ładowania……. Skalibruj!!

Przed ładowaniem akumulatora za pomocą ładowarki należy go najpierw skalibrować. W przeciwnym razie nie będzie w stanie naładować akumulatora/przeładować go.

Istnieją dwa rodzaje kalibracji 1) Kalibracja napięcia. 2) Bieżąca kalibracja. Kroki kalibracji są następujące.

Najpierw zmierz napięcie wyjściowe U2. Następnie zdefiniuj je w main.c jako ref_volt. Mine wynosił 5.01. Zmień go zgodnie z pomiarem. Jest to główny niezbędny krok do kalibracji napięcia i prądu. W przypadku kalibracji prądu nic inne jest konieczne. Wszystkim zajmie się samo oprogramowanie

Teraz, gdy spaliłeś plik hex po zdefiniowaniu napięcia referencyjnego w main.c, zabij moc urządzenia.

. Teraz zmierz napięcie akumulatora, które będziesz ładować za pomocą multimetru i podłącz akumulator do urządzenia.

Teraz naciśnij przycisk S1 i przytrzymaj go i zasil obwód, podczas gdy przycisk jest wciśnięty. Po krótkim opóźnieniu około 1 s zwolnij przycisk S1. Pamiętaj, że urządzenie nie wejdzie w tryb kalibracji, jeśli najpierw zasilisz obwód, a następnie naciśnij S1.

Teraz możesz zobaczyć na wyświetlaczu, że obwód został wprowadzony w tryb kalibracji. „Tryb kalibracyjny” zostanie wyświetlony na wyświetlaczu LCD wraz z napięciem baterii. Teraz dopasuj napięcie baterii pokazane na wyświetlaczu do odczytu multimetru, obracając potencjometr Po zakończeniu naciśnij ponownie przełącznik S1, przytrzymaj go przez około sekundę i zwolnij. Wyjdziesz z trybu kalibracji. Ponownie zresetuj ładowarkę, wyłączając ją i włączając.

Powyższy proces można również wykonać bez podłączonej baterii. Musisz podłączyć zewnętrzne źródło zasilania do zacisku wyjściowego (J2). Po wejściu w tryb kalibracji wykonaj kalibrację za pomocą potencjometru. Ale tym razem najpierw odłącz zewnętrzne źródło zasilania, a następnie naciśnij S1, aby wyjść z trybu kalibracji. Konieczne jest najpierw odłączenie zewnętrznego źródła zasilania, aby uniknąć wszelkiego rodzaju awarii jakichkolwiek jednostek.

Krok 9: Włączanie po kalibracji…..teraz jesteś gotowy do rocka

Teraz, gdy kalibracja jest zakończona, możesz rozpocząć proces ładowania. Najpierw podłącz akumulator, a następnie włącz urządzenie. Resztą zajmie się ładowarka.

Mój obwód jest w 100% sprawny i przetestowany. Ale jeśli coś zauważysz, daj mi znać. Zachęcamy również do kontaktu w przypadku jakichkolwiek pytań.

Szczęśliwy budynek.

Rgds//Sharanya