Pengecas Bateri Pintar Berasaskan Mikrokontroler: 9 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Litar yang akan anda lihat adalah pengecas bateri pintar berdasarkan ATMEGA8A dengan pemotongan automatik. Parameter berbeza ditunjukkan melalui LCD semasa keadaan caj berbeza. Juga litar akan mengeluarkan bunyi melalui buzzer setelah selesai mengecas.

Saya membina pengecas pada dasarnya untuk mengecas bateri Li-ion 11.1v / 4400maH saya. Firmware pada dasarnya ditulis untuk mengecas jenis bateri ini. Anda boleh memuat naik protokol pengecasan anda sendiri untuk memenuhi keperluan anda untuk mengecas jenis bateri lain.

Seperti yang anda ketahui, pengecas bateri pintar tersedia di pasaran. Tetapi sebagai peminat elektronik, lebih baik saya membina sendiri daripada membeli yang akan mempunyai fungsi statik / tidak berubah. Dalam modul ini, saya mempunyai rancangan untuk naik taraf pada masa akan datang jadi saya mempunyai ruang untuk perkara itu.

Semasa pertama kali membeli bateri Li-ion 11.1v / 2200mah sebelumnya, saya mencari pengecas bateri DIY dengan kawalan pintar di internet. Tetapi saya mendapat sumber yang sangat terhad. Oleh itu, saya membuat pengecas bateri berdasarkan LM317 dan ia berfungsi sangat baik untuk saya. Tetapi kerana bateri terdahulu saya mati dari masa ke masa (tanpa sebab), saya membeli bateri Li-ion 11.1v / 4400mah yang lain. Tetapi kali ini, persediaan sebelumnya tidak mencukupi untuk mengecas bateri baru saya. Syaratnya, saya belajar di internet, dan dapat merancang pengecas pintar saya sendiri.

Saya berkongsi ini kerana saya berpendapat bahawa banyak peminat / peminat di luar sana yang benar-benar bersemangat untuk mengusahakan elektronik & mikrokontroler kuasa dan juga perlu membina pengecas pintar mereka sendiri.

Mari lihat bagaimana mengecas bateri Li-ion.

Langkah 1: Mengisi Protokol untuk Bateri Li-ion

Untuk mengecas bateri Li-ion, syarat-syarat tertentu mesti dipenuhi. Sekiranya kita tidak mengekalkan syaratnya, bateri akan habis atau akan terbakar (jika berlebihan) atau akan rosak secara kekal.

Terdapat laman web yang sangat baik untuk mengetahui semua perkara yang diperlukan mengenai pelbagai jenis bateri dan tentunya anda mengetahui nama laman web tersebut jika anda biasa menggunakan bateri… Ya, saya bercakap mengenai batteryuniversity.com.

Berikut adalah pautan untuk mengetahui butiran yang diperlukan untuk mengecas bateri Li-ion.

Sekiranya anda cukup malas membaca semua teori tersebut, intinya adalah seperti berikut.

1. Pengisian penuh bateri Li-ion 3.7v adalah 4.2v. Dalam kes kami, bateri Li-ion 11.1v bermaksud bateri 3 x 3.7v. Untuk pengisian penuh, bateri mesti mencapai 12.6v tetapi atas sebab keselamatan, kami akan mengecasnya sehingga 12.5v.

2. Apabila bateri hampir habis, maka arus yang ditarik oleh bateri dari pengecas turun kepada serendah 3% dari kapasiti bateri yang dinilai. Sebagai contoh, kapasiti bateri pek sel saya ialah 4400mah. Oleh itu, apabila bateri akan dicas sepenuhnya, arus yang ditarik oleh bateri akan mencapai hampir 3% -5% dari 4400ma iaitu antara 132 hingga 220ma. Untuk menghentikan pengecasan dengan selamat, pengecasan akan dihentikan apabila arus yang ditarik akan turun di bawah 190ma (hampir 4% daripada kapasiti dinilai).

3. Proses pengecasan keseluruhan dibahagikan kepada dua bahagian utama 1-arus berterusan (mod CC), voltan 2-malar (mod CV). (Juga terdapat mod pengisian topping, tetapi kami tidak akan melaksanakannya di pengecas kami sebagai pengecas akan memberitahu pengguna dengan pengisian penuh dengan membimbangkan, maka bateri mesti dilepaskan dari pengecas)

Mod CC -

Dalam mod CC, pengecas mengecas bateri dengan kadar cas 0.5c atau 1c. Sekarang apa sebenarnya 0.5c / 1c ???? Sederhananya, jika kapasiti bateri anda misalnya 4400mah, maka dalam mod CC, 0.5c akan menjadi 2200ma dan 1c akan menjadi arus cas 4400ma.'c 'bermaksud kadar cas / pelepasan. Sebilangan bateri juga menyokong 2c iaitu dalam mod CC, anda boleh menetapkan arus cas sehingga kapasiti 2xbateri tetapi itu tidak waras !!!!!

Tetapi untuk selamat, saya akan memilih arus pengecasan 1000ma untuk bateri 4400mah iaitu 0.22c. Dalam mod ini, pengecas akan memantau arus yang diambil oleh bateri bebas daripada voltan pengecasan. I Pengecas akan mengekalkan arus pengecasan 1A dengan meningkatkan / menurunkan voltan keluaran sehingga cas bateri mencapai 12.4v.

Mod CV -

Sekarang apabila voltan bateri mencapai 12.4v, pengecas akan mengekalkan 12.6 volt (tidak bergantung pada arus yang ditarik oleh bateri) pada outputnya. Sekarang pengecas akan menghentikan kitaran pengisian bergantung kepada dua perkara. Sekiranya voltan bateri melepasi 12.5v dan juga jika arus pengecasan turun di bawah 190ma (4% daripada kapasiti bateri dinilai seperti yang dijelaskan sebelumnya), maka kitaran pengecasan akan dihentikan dan pembunyikan akan dibunyikan.

Langkah 2: Skematik dan Penjelasan

Sekarang mari kita lihat rangkaian berfungsi. Skema dilampirkan dalam format pdf dalam fail BIN.pdf.

Voltan input litar boleh menjadi 19 / 20v. Saya telah menggunakan pengecas komputer riba lama untuk mendapatkan 19v.

J1 adalah penyambung terminal untuk menyambungkan litar ke sumber voltan input. Q1, D2, L1, C9 sedang membentuk penukar buck. Sekarang apa sebenarnya ??? Ini pada dasarnya adalah DC ke DC step down converter. Dalam jenis ini penukar, anda dapat mencapai voltan keluaran yang diingini dengan mengubah kitaran tugas. Sekiranya anda ingin mengetahui lebih lanjut mengenai penukar wang, sila lawati halaman ini. tetapi untuk terus terang, mereka sama sekali berbeza dengan teori. Untuk menilai nilai L1 yang betul & C9 untuk keperluan saya, saya memerlukan 3 hari percubaan & ralat. Sekiranya anda akan mengecas bateri yang berbeza, maka kemungkinan nilai-nilai ini akan berubah.

Q2 adalah transistor pemacu untuk mosfet kuasa Q1. R1 adalah perintang bias untuk Q1. Kami akan memberi isyarat pwm di pangkalan Q2 untuk mengawal voltan keluaran. C13 adalah penutup pemisah.

Sekarang outputnya kemudian diumpankan ke Q3. Pertanyaan dapat diajukan bahawa "Apa gunanya Q3 di sini ??". Jawapannya cukup mudah, Ia bertindak seperti suis sederhana. Setiap kali kita akan mengukur voltan bateri, kita akan mematikan Q3 untuk memutuskan output voltan Pengisian dari penukar buck. Q4 adalah pemacu Q3 dengan perintang berat sebelah R3.

Perhatikan bahawa terdapat diod D1 di jalan. Apa yang dioda lakukan di sini di jalan ?? Jawapan ini juga sangat mudah. Setiap kali litar akan terputus dari kuasa input semasa bateri terpasang pada output, arus dari bateri akan mengalir di jalan terbalik melalui dioda badan MOSFET Q3 & Q1 dan dengan itu U1 dan U2 akan mendapat voltan bateri pada input mereka dan akan menghidupkan litar dari voltan bateri. Untuk mengelakkan ini, D1 digunakan.

Output D1 kemudian diumpankan ke input sensor arus (IP +). Ini adalah sensor arus asas kesan dewan iaitu bahagian penderiaan semasa dan bahagian output diasingkan. Output sensor arus (IP-) kemudian diumpankan ke bateri. Di sini R5, RV1, R6 membentuk litar pembahagi voltan untuk mengukur voltan / voltan keluaran bateri.

ADC atmega8 digunakan di sini untuk mengukur voltan dan arus bateri. ADC dapat mengukur maksimum 5v. Tetapi kita akan mengukur maksimum 20v (dengan beberapa ruang kepala). Untuk mengurangkan voltan ke julat ADC, 4: 1 pembahagi voltan digunakan. Periuk (RV1) digunakan untuk menyempurnakan penyesuaian / penentukuran. Saya akan membincangkannya kemudian. C6 adalah penutup topi.

Keluaran sensor ACS714 semasa juga dimasukkan ke pin ADC0 atmega8. Melalui sensor ACS714 ini, kami akan mengukur arus. Saya mempunyai papan pemecah dari pololu versi 5A dan berfungsi sangat hebat. Saya akan membincangkannya pada peringkat seterusnya pada cara mengukur arus.

LCD adalah 16x2 lcd biasa. LCD yang digunakan di sini dikonfigurasikan dalam mod 4 bit kerana jumlah pin atmega8 terhad. RV2 adalah periuk penyesuaian kecerahan untuk LCD.

Atmega8 dicatatkan pada 16mhz dengan kristal X1 luaran dengan dua penutup pemisah C10 / 11. Unit ADC atmega8 digerakkan melalui pin Avcc melalui induktor 10uH. C7, C8 adalah penutup pemisah yang disambungkan ke Agnd. Letakkannya sebagai sedekat mungkin ke Avcc dan Aref yang sesuai semasa membuat PCB. Perhatikan bahawa pin Agnd tidak ditunjukkan dalam litar. Pin Agnd akan disambungkan ke tanah.

Saya telah mengkonfigurasi ADC atmega8 untuk menggunakan Vref luaran iaitu kita akan membekalkan voltan rujukan melalui pin Aref. Sebab utama di sebalik ini untuk mencapai ketepatan bacaan yang maksimum. Voltan rujukan 2.56v dalaman tidak begitu banyak pada avrs. Itulah sebabnya saya mengkonfigurasinya secara luaran. Sekarang ini adalah perkara yang perlu diperhatikan. 7805 (U2) hanya membekalkan sensor ACS714 dan pin Aref atmega8. Ini untuk mengekalkan ketepatan optimum. ACS714 memberikan voltan output 2.5v yang stabil apabila tidak ada aliran arus melaluinya. Tetapi katakanlah, jika voltan bekalan ACS714 akan diturunkan (katakanlah 4.7v) maka voltan keluaran tanpa arus (2.5v) juga akan diturunkan dan ia akan menghasilkan pembacaan arus yang tidak sesuai / salah. Seperti kita mengukur voltan berkenaan dengan Vref, maka voltan rujukan di Aref mestilah bebas ralat dan stabil. Itulah sebabnya kita memerlukan 5v yang stabil.

Sekiranya kita mengaktifkan ACS714 & Aref dari U1 yang membekalkan atmega8 dan lcd, maka akan berlaku penurunan voltan substansial pada output U1 dan bacaan ampere dan voltan adalah salah. Itulah sebabnya U2 digunakan di sini untuk menghilangkan ralat dengan hanya membekalkan 5v stabil ke Aref dan ACS714.

S1 ditekan untuk menentukur bacaan voltan. S2 dikhaskan untuk penggunaan masa depan. Anda boleh menambah / tidak menambah butang ini mengikut pilihan anda.

Langkah 3: Berfungsi…

Semasa dihidupkan, atmega8 akan menghidupkan penukar buck dengan memberikan output pwm 25% di pangkalan Q2. Sebaliknya, Q2 kemudian akan mendorong Q1 dan penukar buck akan dimulakan. Q3 akan dihalau untuk memutuskan output penukar buck dan bateri. Atmega8 kemudian membaca voltan bateri melalui pembahagi perintang. Sekiranya tiada bateri disambungkan, maka atmega8 menunjukkan mesej "Masukkan bateri" melalui 16x2 lcd dan menunggu bateri. Sekiranya bateri dilampirkan, atmega8 akan memeriksa voltan. Jika voltan lebih rendah daripada 9v, maka atmega8 akan menunjukkan "Bateri rosak" pada 16x2 lcd.

Sekiranya bateri dengan lebih daripada 9v dijumpai, maka pengecas pertama kali memasuki mod CC dan menghidupkan output mosfet Q3. Mod pengecas (CC) akan dikemas kini untuk dipaparkan dengan segera. Sekiranya voltan bateri didapati lebih dari 12.4v, maka mega8 akan segera meninggalkan mod CC dan masuk ke mod CV. Jika voltan bateri kurang dari 12.4v, maka mega8 akan mengekalkan arus pengecasan 1A dengan meningkatkan / menurunkan voltan keluaran penukar buck dengan pelbagai kitaran tugas pwm. Arus cas akan dibaca oleh sensor arus ACS714. Voltan keluaran wang, arus cas, kitaran tugas PWM akan dikemas kini secara berkala dalam lcd.

Voltan bateri akan diperiksa dengan mematikan Q3 setelah selang 500ms. Voltan bateri akan segera dikemas kini ke lcd.

Sekiranya voltan bateri mendapat lebih daripada 12.4 volt semasa pengisian, maka mega8 akan meninggalkan mod CC dan akan memasuki mod CV. Status mod akan segera dikemas kini ke lcd.

Kemudian mega8 akan mengekalkan voltan output 12.6 volt dengan mengubah kitaran tugas wang. Di sini voltan bateri akan diperiksa selepas selang setiap 1s. Sebaik sahaja voltan bateri lebih besar daripada 12.5v, maka ia akan diperiksa jika arus yang ditarik adalah di bawah 190ma. Sekiranya kedua-dua syarat itu dipenuhi, maka kitaran pengecasan akan dihentikan dengan mematikan Q3 secara kekal dan buzzer akan dibunyikan dengan menghidupkan Q5. Juga mega8 akan menunjukkan "Charge complete" melalui lcd.

Langkah 4: Bahagian Diperlukan

Berikut adalah bahagian yang diperlukan untuk menyelesaikan projek. Sila rujuk lembar data untuk pinout. Hanya pautan lembar data bahagian penting yang disediakan

1) ATMEGA8A x 1. (lembaran data)

2) Sensor ACS714 5A semasa dari Pololu x 1 (Saya sangat mengesyorkan untuk menggunakan sensor dari Pololu kerana ia adalah yang paling tepat di antara semua sensor lain yang telah saya gunakan. Anda boleh mencarinya di sini). Pin dijelaskan dalam gambar.

3) IRF9540 x 2. (lembaran data)

4) 7805 x 2 (disyorkan dari Toshiba genuinespare kerana mereka memberikan output 5v yang paling stabil). (Lembar data)

5) 2n3904 x 3. (lembaran data)

6) 1n5820 schottky x 2. (lembaran data)

7) LCD 16x2 x 1. (lembaran data)

8) Induktor kuasa 330uH / 2A x 1 (disyorkan dari coilmaster)

9) Induktor 10uH x 1 (kecil)

10) Perintang - (Semua perintang adalah 1% jenis MFR)

150R x 3

680R x 2

1k x 1

2k2 x 1

10k x 2

22k x 1

5k periuk x 2 (jenis pemasangan pcb)

11) Kapasitor

Catatan: Saya tidak menggunakan C4. Tidak perlu menggunakannya jika anda menggunakan bekalan kuasa Laptop / Power supply yang dikawal selia sebagai sumber kuasa 19v

100uF / 25v x 3

470uF / 25v x 1

1000uF / 25v x 1

100n x 8

22 p x 2

12) PCB memasang suis tolak seketika x 2

13) Buzzer 20v x 1

14) Penyambung blok terminal 2 pin x 2

15) Kabinet (saya menggunakan kabinet seperti ini.). Anda boleh menggunakan apa sahaja yang anda suka.

16) Bekalan kuasa komputer riba 19v (Saya mengubah suai bekalan kuasa komputer riba hp, Anda boleh menggunakan sebarang jenis bekalan kuasa yang anda mahukan. Sekiranya anda ingin membinanya, sila lawati arahan ini.)

17) Singki haba bersaiz sederhana untuk U1 & Q1. Anda boleh menggunakan jenis ini. Atau anda boleh merujuk kepada gambar litar saya. Tetapi pastikan anda menggunakan pendingin untuk kedua-duanya.

18) Penyambung pisang - Perempuan (Hitam & Merah) x 1 + Lelaki (Hitam & Merah) (bergantung pada keperluan penyambung anda)

Langkah 5: Masa untuk Mengira ……

Pengiraan pengukuran voltan:

Voltan maksimum, kita akan mengukur menggunakan atmega8 adc adalah 20v. Tetapi atmega8 adc dapat mengukur maksimum 5v. Jadi untuk membuat 20v dalam jarak 5v, pembahagi voltan 4: 1 digunakan di sini (sebagai 20v / 4 = 5v). Oleh itu, kita dapat melaksanakannya dengan hanya menggunakan dua perintang, tetapi dalam kes kita, saya telah menambahkan periuk di antara dua perintang tetap sehingga kita dapat menyesuaikan ketepatan secara manual dengan memutar periuk. Resolusi ADC adalah 10bit iaitu adc akan mewakili 0v hingga 5v sebagai 0 hingga 1023 nombor perpuluhan atau 00h hingga 3FFh. ('h' bermaksud nombor hex). Rujukan ditetapkan ke 5v secara luaran melalui pin Aref.

Jadi voltan yang diukur = (bacaan adc) x (Vref = 5v) x (faktor pembahagi perintang iaitu 4 dalam kes ini) / (bacaan adc maksimum iaitu 1023 untuk 10bit adc).

Katakan kita mendapat bacaan adc 512. Kemudian voltan yang diukur akan -

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

Pengiraan pengukuran semasa:

ACS714 akan memberikan output stabil 2.5v pada pin keluar apabila tidak ada arus yang akan mengalir dari IP + menuju IP-. Ia akan memberikan 185mv / A melebihi 2.5v, misalnya, jika arus 3A mengalir melalui litar, acs714 akan memberikan 2.5v + (0.185 x 3) v = 3.055v pada pin keluar.

Jadi formula pengukuran semasa adalah seperti berikut -

Arus yang diukur = (((bacaan adc) * (Vref = 5v) / 1023) -2.5) /0.185.

misalnya, bacaan adc adalah 700, maka arus yang diukur akan - (((700 x 5) / 1023) - 2.5) /0.185 = 4.98A.

Langkah 6: Perisian

Perisian ini dikodkan dalam Winavr menggunakan GCC. Saya telah memodulasi kod iaitu saya telah membuat perpustakaan yang berbeza seperti perpustakaan adc, perpustakaan lcd dan lain-lain. Perpustakaan adc mengandungi arahan yang diperlukan untuk mengatur & berinteraksi dengan iklan. Perpustakaan lcd mengandungi semua berfungsi untuk menggerakkan lcd 16x2. Anda juga boleh menggunakan lcd_updated _library.c kerana urutan permulaan lcd diubah suai di perpustakaan ini. Sekiranya anda ingin menggunakan perpustakaan yang dikemas kini, namakan semula dengan lcd.c

Fail main.c mengandungi fungsi utama. Protokol pengecasan untuk li-ion ditulis di sini. Tentukan ref_volt di main.c dengan mengukur output U2 (7805) dengan multimeter tepat untuk mendapatkan bacaan yang tepat sebagai pengiraan berdasarkannya.

Anda hanya boleh membakar fail.hex secara langsung di mega8 anda untuk memintas kepala.

Bagi mereka, yang ingin menulis protokol caj lain, saya telah memberikan komen yang cukup sehingga seorang kanak-kanak dapat memahami apa yang berlaku untuk setiap pelaksanaan baris. Hanya anda mesti menulis protokol anda sendiri untuk jenis bateri yang berbeza. Sekiranya anda menggunakan Li- ion dengan voltan berbeza, anda hanya perlu menukar parameternya. (Walaupun ini tidak diuji untuk jenis li-ion / jenis bateri lain. Anda mesti mengusahakannya sendiri).

Saya sangat mengesyorkan agar tidak membina litar ini, jika ini adalah projek pertama anda atau anda baru menggunakan mikrokontroler / elektronik kuasa.

Saya telah memuat naik setiap fail seperti format asalnya kecuali Makefile kerana ia menimbulkan masalah untuk dibuka. Saya telah memuat naiknya dalam format.txt. Cukup salin kandungannya dan tampalkannya ke Makefile baru dan bina keseluruhan projek. Voila….anda bersedia untuk membakar fail hex.

Langkah 7: Cukup Teori….. Berikan Ini

Berikut adalah gambar prototaip saya dari papan roti hingga diselesaikan di pcb. Sila baca nota gambar untuk mengetahui lebih lanjut. Gambar disusun secara bersiri dari awal hingga akhir.

Langkah 8: Sebelum Kitaran Pengecasan Pertama …… Kalibrasi !!

Sebelum mengecas bateri menggunakan pengecas, anda mesti menentukurkannya terlebih dahulu. Jika tidak, bateri tidak dapat mengecas / mengecasnya terlebih dahulu.

Terdapat dua jenis penentukuran 1) Kalibrasi voltan. 2) Penentukuran semasa. Langkah adalah seperti berikut untuk menentukur.

Pada mulanya, ukur voltan keluaran U2. Kemudian tentukannya di main.c sebagai ref_volt. Tambang adalah 5.01. Tukar mengikut pengukuran anda. Ini adalah langkah utama yang perlu untuk penentukuran Voltan & Semasa. Untuk penentukuran semasa, tidak ada yang lain perlu. Segala-galanya akan dijaga oleh perisian itu sendiri

Sekarang kerana anda telah membakar fail hex setelah menentukan volt ref di main.c, matikan kekuatan unit.

Sekarang mengukur voltan bateri yang anda akan cas dengan menggunakan multimeter dan sambungkan bateri ke unit.

Sekarang tekan butang S1 dan tahan dan hidupkan litar semasa butang ditekan. Selepas kelewatan pendek kira-kira 1s, lepaskan butang S1. Perhatikan bahawa unit tidak akan memasuki mod penentukuran jika anda menghidupkan litar terlebih dahulu, kemudian tekan S1.

Sekarang anda dapat melihat di layar bahawa litar dimasukkan ke dalam mod penentukuran. "Mod cal" akan dipaparkan di lcd bersama dengan voltan bateri. Sekarang sepadan dengan voltan bateri yang ditunjukkan pada lcd dengan bacaan multimeter anda dengan memutar periuk Setelah selesai, tekan suis S1 sekali lagi, tahan sekejap dan lepaskan. Anda akan keluar dari mod penentukuran. Sekali lagi tetapkan semula pengecas dengan mematikan dan menghidupkannya.

Proses di atas juga boleh dilakukan tanpa bateri disambungkan. Anda harus menyambungkan sumber kuasa luaran ke terminal output (J2). Setelah memasuki mod penentukuran, kalibrasi menggunakan periuk. Tetapi kali ini pertama kali cabut sumber kuasa luaran kemudian tekan S1 untuk keluar dari mod penentukuran. Ini perlu untuk memutuskan sumber kuasa luaran terlebih dahulu untuk mengelakkan sebarang jenis kerosakan unit.

Langkah 9: Menghidupkan Selepas Penentukuran…..sekarang Anda Sedia Bergoyang

Setelah penentukuran selesai, anda kini dapat memulakan proses pengecasan. Pasang bateri terlebih dahulu, kemudian hidupkan unit. Sisa akan dijaga oleh pengecas.

Litar saya 100% berfungsi dan diuji. Tetapi jika anda melihat apa-apa, sila beritahu saya. Jangan ragu untuk menghubungi sebarang pertanyaan.

Selamat membina.

Rgds // Sharanya