- Modalità CC e CV per caricabatteria:
- Schema elettrico
- Regolatore di corrente LM317
- Regolatore di tensione LM317
- Disposizione dei relè per passare dalla modalità CC alla modalità CV
- Misurazione della tensione della batteria al litio
- Misurazione della corrente di carica
- Arduino e LCD
- Progettazione e fabbricazione di PCB utilizzando EasyEDA
- Calcolo e ordinazione di campioni online
- Programmazione di Arduino per la ricarica della batteria al litio in due fasi
- Funzionamento del caricabatteria al litio a due fasi da 7,4 V.
Il progresso nei veicoli elettrici, nei droni e in altri dispositivi elettronici mobili come i dispositivi IoT sembra essere promettente per il futuro. Una cosa comune tra tutti questi è che sono tutti alimentati da batterie. Seguendo la legge di Moore i dispositivi elettronici tendono a diventare più piccoli e più potabili, questi dispositivi portatili dovrebbero avere una propria fonte di alimentazione per funzionare. La scelta di batterie più comune per l'elettronica portatile oggi è quella agli ioni di litio o ai polimeri di litio. Sebbene queste batterie abbiano una densità di carica molto buona, sono chimicamente instabili in condizioni difficili, quindi è necessario prestare attenzione durante la ricarica e l'utilizzo.
In questo progetto costruiremo un caricabatterie a due stadi (CC e CV) che potrebbe essere utilizzato per caricare le batterie agli ioni di litio o ai polimeri di litio. Il circuito caricabatteria è progettato per 7.4V pacco batteria al litio (due in serie 18650) che ho comunemente usato nella maggior robotica progetto ma il circuito può essere facilmente modificato per adattarsi inferiori o leggermente superiori pacchi batteria come ad accumulo 3,7 litio caricabatterie o Caricabatteria agli ioni di litio 12v. Come forse saprai, sono disponibili caricabatterie già pronti per queste batterie, ma quelli economici sono molto lenti e quelli veloci sono molto costosi. Quindi in questo circuito ho deciso di costruire un semplice caricatore grezzo con circuiti integrati LM317 con modalità CC e CV. Inoltre, cosa c'è di più divertente che costruire il tuo gadget e imparare nel suo processo.
Ricorda che le batterie al litio devono essere maneggiate con cura. Sovraccaricarlo o metterlo in corto potrebbe causare esplosioni e incendi, quindi stare al sicuro intorno ad esso. Se sei completamente nuovo alle batterie al litio, ti consiglio vivamente di leggere l'articolo sulle batterie al litio, prima di procedere oltre. Detto questo, entriamo nel progetto.
Modalità CC e CV per caricabatteria:
Il caricabatterie che intendiamo costruire qui è un caricatore a due fasi, il che significa che avrà due modalità di ricarica: carica costante (CC) e tensione costante (CV). Combinando queste due modalità saremo in grado di caricare la batteria più velocemente del solito.
Carica costante (CC):
La prima modalità ad entrare in funzione sarà la modalità CC. Qui la quantità di corrente di carica che dovrebbe entrare nella batteria è fissa. Per mantenere questa corrente la tensione sarà variata di conseguenza.
Tensione costante (CV):
Una volta completata la modalità CC, entrerà in funzione la modalità CV. Qui la tensione verrà mantenuta fissa e la corrente potrà variare in base ai requisiti di carica della batteria.
Nel nostro caso abbiamo un pacco batteria al litio da 7,4 V, che altro non è che due 18650 celle da 3,7 V ciascuna collegate in serie (3,7 V + 3,7 V = 7,4 V). Questa batteria deve essere caricata quando la tensione scende a 6,4 V (3,2 V per cella) e può essere caricata fino a 8,4 V (4,2 V per cella). Quindi questi valori sono già fissi per il nostro pacco batterie.
Successivamente abbiamo deciso la corrente di carica in modalità CC, che normalmente si trova nella scheda tecnica della batteria e il valore dipende dalla potenza in Ah della batteria. Nel nostro caso ho deciso un valore di 800mA come corrente di carica costante. Quindi, inizialmente, quando la batteria è collegata per la ricarica, il caricabatterie dovrebbe entrare in modalità CC e inserire 800 mA nella batteria variando la tensione di carica in base. Questo caricherà la batteria e la tensione della batteria inizierà ad aumentare lentamente.
Dato che stiamo spingendo una forte corrente nella batteria con valori di tensione più alti, non possiamo lasciarla in CC finché la batteria non è completamente carica. Dobbiamo spostare il caricabatterie dalla modalità CC alla modalità CV quando la tensione della batteria ha raggiunto un valore considerevole. Il nostro pacco batteria qui dovrebbe essere 8,4 V quando è completamente carico in modo da poterlo passare dalla modalità CC alla modalità CV a 8,2 V.
Una volta che il caricabatterie è passato alla modalità CV, dovremmo mantenere una tensione costante, il valore della tensione costante è 8,6 V nel nostro caso. La batteria consumerà una corrente notevolmente inferiore in modalità CV rispetto alla modalità CC poiché la batteria è quasi carica in modalità CC stessa. Quindi a 8,6 V fissi la batteria consumerà meno corrente e questa corrente andrà a ridursi man mano che la batteria si carica. Quindi dobbiamo monitorare la corrente quando raggiunge un valore molto basso diciamo inferiore a 50mA supponiamo che la batteria sia completamente carica e scolleghiamo automaticamente la batteria dal caricatore tramite un relè.
Per riassumere possiamo elencare la procedura di ricarica della batteria come segue
- Entrare in modalità CC e caricare la batteria con una corrente regolata da 800 mA fissa.
- Monitorare la tensione della batteria e quando raggiunge 8.2V passare alla modalità CV.
- In modalità CV, caricare la batteria con una tensione regolata fissa di 8,6 V.
- Monitorare la corrente di carica man mano che si riduce.
- Quando la corrente raggiunge i 50mA scollegare automaticamente la batteria dal caricatore.
I valori, 800mA, 8.2V e 8.6V sono fissi perché abbiamo un pacco batteria al litio da 7.4V. È possibile modificare facilmente questi valori in base ai requisiti del pacco batteria. Si noti inoltre che esistono molti caricatori da palco. Un caricabatterie a due stadi come questo è quello più comunemente usato. In un caricatore a tre fasi le fasi saranno CC, CV e galleggiante. In un caricatore a quattro o sei stadi verrà considerata la resistenza interna, la temperatura, ecc. Ora, che abbiamo una breve comprensione di come dovrebbe effettivamente funzionare il caricabatterie a due fasi, entriamo nel diagramma del circuito.
Schema elettrico
Di seguito è riportato lo schema elettrico completo di questo caricabatteria al litio. Il circuito è stato realizzato utilizzando EasyEDA e anche il PCB sarà fabbricato utilizzando lo stesso.
Come puoi vedere il circuito è piuttosto semplice. Abbiamo utilizzato due CI del regolatore di tensione variabile LM317, uno per regolare la corrente e l'altro per regolare la tensione. Il primo relè viene utilizzato per passare dalla modalità CC a quella CV e il secondo relè viene utilizzato per collegare o scollegare la batteria al caricabatterie. Rompiamo il circuito in segmenti e capiamo il suo design.
Regolatore di corrente LM317
L'IC LM317 può agire come un regolatore di corrente con l'aiuto di un singolo resistore. Il circuito per lo stesso è mostrato di seguito
Per il nostro caricabatterie dobbiamo regolare una corrente di 800 mA come discusso sopra. La formula per il calcolo del valore del resistore per la corrente richiesta è riportata nella scheda tecnica come
Resistenza (ohm) = 1,25 / corrente (amp)
Nel nostro caso il valore della corrente è 0,8 A e per questo otteniamo un valore di 1,56 Ohm come valore della resistenza. Ma il valore più vicino che potremmo usare è 1,5 Ohm, menzionato nello schema del circuito sopra.
Regolatore di tensione LM317
Per la modalità CV del caricabatterie a batteria al litio dobbiamo regolare la tensione a 8,6 V come discusso in precedenza. Anche in questo caso LM317 può farlo con l'aiuto di due soli resistori. Il circuito per lo stesso è mostrato di seguito.
La formula per calcolare la tensione di uscita per un regolatore LM317 è data come
Nel nostro caso la tensione di uscita (Vout) dovrebbe essere 8.6V, e il valore di R1 (qui R2) dovrebbe essere inferiore a 1000 ohm, quindi ho selezionato un valore di 560 ohm. Con questo se calcoliamo il valore di R2 otteniamo che sia 3,3k Ohm. In alternativa è possibile utilizzare qualsiasi valore di combinazione di resistori a condizione che la tensione di uscita sia 8,6 V. Puoi utilizzare questa calcolatrice LM317 online per semplificare il tuo lavoro.
Disposizione dei relè per passare dalla modalità CC alla modalità CV
Abbiamo due relè 12V, ciascuno dei quali è pilotato da Arduino tramite transistor BC547 NPN. Di seguito viene mostrata la disposizione dei relè
Il primo relè viene utilizzato per alternare tra la modalità CC e CV del caricabatterie, questo relè viene attivato dal pin Arduino etichettato come "Modalità". Per impostazione predefinita, il relè è in modalità CC quando viene attivato passa dalla modalità CC alla modalità CV.
Allo stesso modo il secondo relè viene utilizzato per collegare o scollegare il caricabatterie dalla batteria; questo relè è attivato dal pin Arduino etichettato come "Charge". Di default il relè scollega la batteria dal caricabatteria, quando attivato collega il caricabatteria alla batteria. Oltre a questo i due diodi D1 e D2 sono utilizzati per proteggere il circuito dalla corrente inversa e le resistenze 1K R4 e R5 sono utilizzate per limitare la corrente che scorre attraverso la base del transistor.
Misurazione della tensione della batteria al litio
Per monitorare il processo di ricarica dobbiamo misurare la tensione della batteria, solo allora possiamo spostare il caricabatterie dalla modalità CC alla modalità CV quando la tensione della batteria raggiunge 8,2 V come discusso. La tecnica più comune utilizzata per misurare la tensione con microcontrollori come Arduino è l'utilizzo di un circuito divisore di tensione. Quello usato qui è mostrato sotto.
Come sappiamo, la tensione massima che il pin analogico di Arduino può misurare è 5 V, ma la nostra batteria potrebbe arrivare fino a 8,6 V in modalità CV, quindi dobbiamo abbassarla a una tensione inferiore. Questo è esattamente fatto dal circuito del divisore di tensione. È possibile calcolare il valore del resistore e saperne di più sul partitore di tensione utilizzando questo calcolatore del partitore di tensione online. Qui abbiamo dedotto la tensione di uscita della metà della tensione di ingresso originale, questa tensione di uscita viene quindi inviata al pin Arduino Analog tramite l' etichetta " B_Voltage ". In seguito possiamo recuperare il valore originale durante la programmazione di Arduino.
Misurazione della corrente di carica
Un altro parametro fondamentale da misurare è la corrente di carica. Durante la modalità CV la batteria verrà scollegata dal caricatore quando la corrente di carica scende al di sotto di 50 mA indicando il completamento della carica. Esistono molti metodi per misurare la corrente, il metodo più comunemente utilizzato è quello di utilizzare un resistore shunt. Il circuito per lo stesso è mostrato di seguito
Il concetto alla base è la semplice legge di ohm. L'intera corrente che scorre alla batteria viene fatta fluire attraverso il resistore di shunt 2.2R. Quindi per la legge di Ohms (V = IR) sappiamo che la caduta di tensione attraverso questo resistore sarà proporzionale alla corrente che fluisce attraverso di essa. Poiché sappiamo che il valore del resistore e la tensione attraverso di esso possono essere misurati utilizzando il pin analogico di Arduino, il valore della corrente può essere facilmente calcolato. Il valore della caduta di tensione sul resistore viene inviato ad Arduino tramite l'etichetta “B_Current ”. Sappiamo che la corrente di carica massima sarà 800mA quindi utilizzando le formule V = IR e P = I 2 R possiamo calcolare il valore di resistenza e il valore di potenza del resistore.
Arduino e LCD
Infine sul lato Arduino dobbiamo interfacciare un LCD con Arduino per visualizzare il processo di ricarica all'utente e controllare la ricarica misurando la tensione, la corrente e quindi attivando i relè di conseguenza.
Arduino Nano ha un regolatore di tensione integrato, quindi la tensione di alimentazione viene fornita a Vin e il 5V regolato viene utilizzato per eseguire il display LCD Arduino e 16x2. La tensione e la corrente possono essere misurate dai pin analogici A0 e A1 rispettivamente utilizzando le etichette "B_Voltage" e "B_Current". Il relè può essere attivato alternando i pin GPIO D8 e D9 che sono collegati tramite le etichette "Modalità" e "Carica". Una volta che gli schemi sono pronti, possiamo procedere con la fabbricazione del PCB.
Progettazione e fabbricazione di PCB utilizzando EasyEDA
Per progettare questo circuito per caricabatterie al litio, abbiamo scelto lo strumento EDA online chiamato EasyEDA. In precedenza ho usato EasyEDA molte volte e l'ho trovato molto comodo da usare poiché ha una buona raccolta di impronte ed è open-source. Dopo aver progettato il PCB, possiamo ordinare i campioni di PCB tramite i loro servizi di fabbricazione di PCB a basso costo. Offrono anche un servizio di approvvigionamento di componenti in cui hanno un ampio stock di componenti elettronici e gli utenti possono ordinare i componenti richiesti insieme all'ordine del PCB.
Durante la progettazione dei tuoi circuiti e PCB, puoi anche rendere pubblici i tuoi progetti di circuiti e PCB in modo che altri utenti possano copiarli o modificarli e possano trarre vantaggio dal tuo lavoro, abbiamo anche reso pubblici tutti i nostri layout di circuiti e PCB per questo circuito, controlla il link sottostante:
easyeda.com/CircuitDigest/7.4V-Lithium-Charger-with-MCU
È possibile visualizzare qualsiasi strato (Top, Bottom, Topsilk, Bottomsilk ecc.) Del PCB selezionando il layer dalla finestra "Layers". È inoltre possibile visualizzare il PCB del caricatore della batteria al litio, come si occuperà della fabbricazione utilizzando il pulsante Photo View in EasyEDA:
Calcolo e ordinazione di campioni online
Dopo aver completato la progettazione di questo PCB per caricabatteria al litio, è possibile ordinare il PCB tramite JLCPCB.com. Per ordinare il PCB da JLCPCB, è necessario Gerber File. Per scaricare i file Gerber del tuo PCB, fai clic sul pulsante Genera file di fabbricazione nella pagina dell'editor EasyEDA, quindi scarica il file Gerber da lì oppure puoi fare clic su Ordina su JLCPCB come mostrato nell'immagine sottostante. Questo ti reindirizzerà a JLCPCB.com, dove puoi selezionare il numero di PCB che desideri ordinare, quanti strati di rame ti servono, lo spessore del PCB, il peso del rame e persino il colore del PCB, come l'istantanea mostrata di seguito:
Dopo aver fatto clic su ordine sul pulsante JLCPCB, ti porterà al sito Web JLCPCB dove puoi ordinare il PCB a un prezzo molto basso che è di $ 2. Anche il loro tempo di costruzione è molto inferiore, ovvero 48 ore con consegna DHL di 3-5 giorni, in pratica riceverai i tuoi PCB entro una settimana dall'ordine.
Dopo aver ordinato il PCB, puoi controllare lo stato di avanzamento della produzione del tuo PCB con data e ora. Lo controlli andando nella pagina Account e fai clic sul collegamento "Avanzamento produzione" sotto il PCB come, mostrato nell'immagine sottostante.
Dopo pochi giorni dall'ordinazione di PCB, ho ricevuto i campioni di PCB in una bella confezione come mostrato nelle immagini sottostanti.
Dopo esserti assicurato che le tracce e le impronte fossero corrette. Ho proceduto con l'assemblaggio del PCB, ho utilizzato header femminili per posizionare Arduino Nano e LCD in modo da poterli rimuovere successivamente se ne avessi bisogno per altri progetti. La scheda completamente saldata si presenta così sotto
Programmazione di Arduino per la ricarica della batteria al litio in due fasi
Una volta pronto l'hardware possiamo procedere con la scrittura del codice per Arduino Nano. Il programma completo per questo progetto è fornito in fondo alla pagina, puoi caricarlo direttamente sul tuo Arduino. Ora, suddividiamo il programma in piccoli frammenti e capiamo cosa fa effettivamente il codice.
Come sempre iniziamo il programma di inizializzazione i pin di I / O. Come sappiamo dal nostro hardware, i pin A0 e A2 vengono utilizzati per misurare rispettivamente la tensione e la corrente e i pin D8 e D9 vengono utilizzati per controllare il relè di modalità e il relè di carica. Il codice per definire lo stesso è mostrato di seguito
const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Indica il numero di pin per la connessione LCD LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); carica int = 9; // Pin per connettere o disconnettere la batteria al circuito int Mode = 8; // Pin per passare dalla modalità CC alla modalità CV int Voltage_divider = A0; // Per misurare la tensione della batteria int Shunt_resistor = A1; // Per misurare la corrente di carica float Charge_Voltage; float Charge_current;
All'interno della funzione di configurazione , inizializziamo la funzione LCD e visualizziamo un messaggio di introduzione sullo schermo. Definiamo anche i pin del relè come pin di uscita. Quindi attivare il relè di carica collegare la batteria al caricabatterie e per impostazione predefinita il caricabatterie rimane in modalità CC.
void setup () { lcd.begin (16, 2); // Inizializza 16 * 2 LCD lcd.print ("7.4V Li + caricatore"); // Intro Message line 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Intro Message line 2 lcd.clear (); pinMode (Charge, OUTPUT); pinMode (Mode, OUTPUT); digitalWrite (Charge, HIGH); // Inizia la carica inizialmente collegando la batteria digitalWrite (Mode, LOW); // HIGH per la modalità CV e LOW per la modalità CC, inizialmente ritardo in modalità CC (1000); }
Successivamente, all'interno della funzione loop infinito, iniziamo il programma misurando la tensione della batteria e la corrente di carica. Il valore 0,0095 e 1,78 viene moltiplicato per Valore analogico per convertire da 0 a 1024 in tensione e valore corrente effettivi.È possibile utilizzare un multimetro e una pinza amperometrica per misurare il valore reale e quindi calcolare il valore del moltiplicatore. In teoria, calcola anche i valori del moltiplicatore in base ai resistori che abbiamo usato, ma non era così preciso come mi aspettavo.
// Misura inizialmente tensione e corrente Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0092; // Misura la tensione della batteria Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Misura la corrente di carica
Se la tensione di carica è inferiore a 8,2 V entriamo in modalità CC e se è superiore a 8,2 V entriamo in modalità CV. Ogni modalità ha il proprio ciclo while . All'interno del ciclo della modalità CC manteniamo il pin della modalità su BASSO per rimanere in modalità CC e quindi continuare a monitorare la tensione e la corrente. Se la tensione supera la tensione di soglia di 8,2 V, interrompiamo il loop CC utilizzando un'istruzione break. Lo stato della tensione di carica viene visualizzato anche sul display LCD all'interno del loop CC.
// Se la tensione della batteria è inferiore a 8,2 V, entra in modalità CC mentre (Charge_Voltage <8.2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Rimani in modalità CC // Misura la tensione e la corrente Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0095; // Misura la tensione della batteria Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Misura corrente di carica // stampa detials sull'LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("In modalità CC"); ritardo (1000); lcd.clear (); // Controlla se dobbiamo uscire dalla modalità CC if (Charge_Voltage> = 8.2) // Se sì { digitalWrite (Mode, HIGH); // Passa all'interruzione della modalità CV ; } }
La stessa tecnica può essere seguita anche per la modalità CV. Se la tensione supera 8,2 V, il caricabatterie entra in modalità CV rendendo alto il pin della modalità. Ciò applica una tensione costante di 8,6 V sulla batteria e la corrente di carica può variare in base ai requisiti della batteria. Questa corrente di carica viene quindi monitorata e quando arriva al di sotto di 50mA possiamo terminare il processo di carica scollegando la batteria dal caricatore. Per fare ciò dobbiamo semplicemente disattivare il relè di carica come mostrato nel codice sottostante
// Se la tensione della batteria è maggiore di 8.2V, entra in modalità CV mentre (Charge_Voltage> = 8.2) // CV MODE Loop { digitalWrite (Mode, HIGH); // Rimani in modalità CV // Misura la tensione e la corrente Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Misura la tensione della batteria Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Misura la corrente di carica // Visualizza i dettagli all'utente in LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("In modalità CV"); ritardo (1000); lcd.clear (); // Controlla se la batteria è carica monitorando la corrente di carica se (Charge_current <50) // Se sì { digitalWrite (Charge, LOW); // Spegni la ricarica mentre (1) // Mantieni il caricabatterie spento fino al riavvio { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Charge Complete."); ritardo (1000); lcd.clear (); } } } }
Funzionamento del caricabatteria al litio a due fasi da 7,4 V.
Una volta che l'hardware è pronto, carica il codice nella scheda Arduino. Quindi collegare la batteria al terminale di ricarica della scheda. Assicurati di collegarli nella giusta polarità, invertire la polarità causerà seri danni alla batteria e alla scheda. Dopo aver collegato la batteria, alimentare il caricabatterie utilizzando un adattatore 12V. Sarai accolto con un testo introduttivo e il caricabatterie procederà alla modalità CC o CV in base allo stato della batteria. Se la batteria è completamente scarica al momento della ricarica, entrerà in modalità CC e il display LCD visualizzerà qualcosa del genere di seguito.
Man mano che la batteria si carica, la tensione aumenterà come mostrato nel video qui sotto . Quando questa tensione raggiunge 8,2 V, il caricabatterie entrerà in modalità CV dalla modalità CC e ora visualizzerà sia la tensione che la corrente come mostrato di seguito.
Da qui lentamente il consumo di corrente della batteria diminuirà man mano che viene caricata. Quando la corrente raggiunge 50 mA o meno, il caricabatterie presume che la batteria sia completamente carica, quindi scollega la batteria dal caricabatterie utilizzando il relè e visualizza la schermata seguente. Dopodiché puoi scollegare la batteria dal caricabatterie e utilizzarla nelle tue applicazioni.
Spero che tu abbia capito il progetto e ti sia piaciuto realizzarlo. La lavorazione completa la trovate nel video qui sotto. Se hai domande, pubblicale nella sezione commenti qui sotto, usa i forum per altre domande tecniche. Anche in questo caso il circuito è solo a scopo educativo, quindi usalo con responsabilità poiché le batterie al litio non sono stabili in condizioni difficili.