Nabíjačka lítium-iónových batérií 4S 18650 so systémom Sun: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Motiváciou pre realizáciu tohto projektu bolo vytvorenie vlastnej nabíjacej stanice batériových článkov 18650, ktorá bude dôležitou súčasťou mojich budúcich projektov v oblasti bezdrôtových (energeticky). Rozhodol som sa pre bezdrôtovú cestu, pretože robí elektronické projekty mobilnými, menej objemnými a mám okolo seba hromadu zachránených batériových článkov 18650.

Pre môj projekt som sa rozhodol nabíjať štyri 18650 li-ion batérie naraz a zapojiť ich do série, vďaka čomu je zostava batérií 4S. Len pre zábavu, rozhodol som sa namontovať na svoj prístroj štyri solárne panely, ktoré sotva dokonca nabíjajú články batérie … ale vyzerá to super. Tento projekt je napájaný náhradnou nabíjačkou pre laptop, ale bude fungovať aj akýkoľvek iný zdroj napájania nad +16,8 voltov. Medzi ďalšie doplnkové funkcie patrí indikátor nabitia li-ion batérie na sledovanie procesu nabíjania a port USB 2.0 slúžiaci na nabíjanie smartfónu.

Krok 1: Zdroje

Elektronika:

• 4S BMS;
• 4S 18650 držiak batériového článku;
• Indikátor nabitia batérie 4S 18650;
• 4 ks lítium-iónových batériových článkov 18650;
• 4 ks solárne panely 80 x 55 mm;
• Zásuvka USB 2.0 pre ženy;
• Zásuvka nabíjačky pre prenosné počítače;
• Buck prevodník s funkciou obmedzenia prúdu;
• Small buck prevodník na +5 voltov;
• Hmatové tlačidlo pre indikátor nabitia batérie;
• 4 ks diódy Schottky BAT45;
• 1N5822 Schottkyho dióda alebo čokoľvek podobné;
• 2 ks prepínače SPDT;

Konštrukcia:

• Tabuľa z organického skla;
• Skrutky a matice;
• 9 ks uhlové konzoly;
• 2 ks pánty;
• Horúce lepidlo;
• Ručná píla;
• Vŕtačka;
• Lepiaca páska (voliteľné);

Krok 2: BMS

Predtým, ako som začal s týmto projektom, som toho o nabíjaní lítium-iónových batérií veľa nevedel a za to, čo som zistil, môžem povedať, že BMS (známy tiež ako systém správy batérie) je hlavným riešením tohto problému (nehovorím, že Je to najlepšie a jediné). Je to doska, ktorá zaisťuje, aby lítium-iónové batérie 18560 pracovali v bezpečných a stabilných podmienkach. Má nasledujúce ochranné funkcie:

• Ochrana proti prebitiu;

  • napätie nepresiahne +4,195 V na batériový článok;
  • nabitie batériových článkov napätím vyšším ako je maximálne prevádzkové napätie (spravidla +4,2 V) ich poškodí;
  • ak je lítium-iónový batériový článok nabitý maximálne na +4,1 V, jeho životnosť bude dlhšia v porovnaní s batériou, ktorá bola nabitá na +4,2 V;

• Podpäťová ochrana;

  • napätie článkov batérie neklesne pod +2,55 V;
  • ak sa batériovému článku umožní vybiť menej ako minimálne prevádzkové napätie, poškodí sa, stratí časť svojej kapacity a zvýši sa rýchlosť samovybíjania;
  • Pri nabíjaní lítium-iónového článku, ktorého napätie je nižšie ako jeho minimálne prevádzkové napätie, môže dôjsť k skratu a ohrozeniu okolia;

• Ochrana proti skratu;

  Ak dôjde k skratu vo vašom systéme, váš akumulátor sa nepoškodí;

• Nadprúdová ochrana;

  BMS nenechá prúd prekročiť menovitú hodnotu;

• Vyvažovanie batérií;

  • Ak systém obsahuje viac ako jeden sériovo zapojený batériový článok, táto doska zaistí, aby všetky akumulátorové články mali rovnaký náboj;
  • Ak napr. máme jeden lítium-iónový batériový článok, ktorý má väčší náboj ako ostatné, a vybije sa do iných článkov, čo je pre nich veľmi nezdravé;

Existuje množstvo obvodov BMS navrhnutých na rôzne účely. Majú v sebe rôzne ochranné obvody a sú stavané pre rôzne konfigurácie batérií. V mojom prípade som použil konfiguráciu 4S, čo znamená, že štyri články batérie sú zapojené do série (4S). To približne produkuje celkové napätie +16, 8 voltov a 2 Ah v závislosti od kvality článkov batérie. K tejto doske môžete tiež pripojiť paralelne toľko sérií batériových článkov, koľko chcete. Tým by sa zvýšila kapacita batérie. Na nabitie tejto batérie budete potrebovať batériu BMS s napätím asi +16,8 voltov. Pripojovací obvod BMS je na obrázkoch.

Berte na vedomie, že na nabitie batérie pripojíte potrebné napájacie napätie na kolíky P+ a P-pin. Ak chcete používať nabitú batériu, pripojte svoje komponenty k pinom B+ a B.

Krok 3: Napájanie batériou 18650

Napájanie pre moju batériu 18650 je nabíjačka HP +19 voltov a prenosný počítač 4,74 ampéra, ktoré som okolo seba položil. Pretože jeho výstup napätia je príliš vysoký, pridal som prevodník Buck na zníženie napätia na +16, 8 voltov. Keď už bolo všetko postavené, testoval som toto zariadenie, aby som zistil, ako funguje. Nechal som ho na parapete, aby sa nabíjal pomocou solárnej energie. Keď som sa vrátil domov, všimol som si, že moje články batérie nie sú vôbec nabité. V skutočnosti boli úplne vybité, a keď som sa ich pokúsil nabiť pomocou nabíjačky na prenosný počítač, čip prevodníka dolára začal vydávať podivné syčivé zvuky a začalo byť skutočne horúco. Keď som meral prúd idúci do BMS, čítal som viac ako 3,8 ampéra! To bolo výrazne nad maximálnym hodnotením môjho prevodníka peňazí. BMS čerpalo toľko prúdu, pretože batérie boli úplne vybité.

Najprv som prerobil všetky spojenia medzi BMS a externými komponentmi, potom som sa zaoberal problémom s vybíjaním, ku ktorému došlo pri nabíjaní solárnou energiou. Myslím si, že k tomuto problému došlo, pretože nebolo dostatok slnečného svetla na zapnutie prevodníka buck. Keď sa to stalo, myslím, že nabíjačka začala ísť opačným smerom - od batérie k prevodníku buck (kontrolka konvertora Buck svietila). Všetko sa vyriešilo pridaním Schottkyho diódy medzi BMS a prevodník buck. Takto sa prúd určite nevráti do prevodníka buck. Táto dióda má maximálne DC blokovacie napätie 40 voltov a maximálny dopredný prúd 3 ampéry.

Aby som vyriešil problém s obrovským zaťažovacím prúdom, rozhodol som sa vymeniť môj prevodník za ten, ktorý mal funkciu obmedzujúcu prúd. Tento prevodník peňazí je dvakrát taký veľký, ale našťastie som mal vo svojom kryte dostatok miesta na to, aby sa mi tam zmestil. Zaručilo to, že záťažový prúd nikdy neprekročí 2 ampéry.

Krok 4: Solárne napájanie

Pre tento projekt som sa rozhodol začleniť do mixu solárny panel. Chcel som tým lepšie porozumieť tomu, ako fungujú a ako ich používať. Rozhodol som sa zapojiť štyri 6 voltové a 100 mA solárne panely do série, čo mi zase poskytuje 24 voltov a 100 mA celkom za najlepších slnečných podmienok. To spolu dodáva nie viac ako 2,4 wattov energie, čo nie je veľa. Z úžitkového hľadiska je tento doplnok celkom zbytočný a sotva nabije 18 650 batériových článkov, takže je skôr ozdobou ako funkciou. Počas testovania tejto časti som zistil, že tento rad solárnych panelov nabíja iba 18 650 batériových článkov za perfektných podmienok. V zamračenom dni nemusí dokonca zapnúť prevodník dolárov, ktorý nasleduje po poli solárnych panelov.

Spravidla by ste za panel PV4 pripojili blokovaciu diódu (pozrite sa na schému). To by zabránilo prúdeniu prúdu späť do solárnych panelov, ak nie je slnečné svetlo a panely nebudú vyrábať žiadnu energiu. Potom by sa batéria začala vybíjať do poľa solárnych panelov, čo by im mohlo potenciálne ublížiť. Pretože som už pridal diódu D5 medzi prevodník buck a batériu 18650, aby som zabránil spätnému toku prúdu, nepotreboval som pridať ďalšiu. Na tento účel sa odporúča použiť Schottkyho diódu, pretože majú nižší pokles napätia ako bežná dióda.

Ďalšou líniou prevencie pre solárne panely sú by-pass diódy. Sú potrebné vtedy, ak sú solárne panely zapojené v sériovej konfigurácii. Pomáhajú v prípadoch, keď je jeden alebo viac spojených solárnych panelov zatienených. Keď sa to stane, zatienený solárny panel nebude produkovať žiadnu energiu a jeho odpor bude vysoký, čím sa zablokuje tok prúdu z netienených solárnych panelov. Tu sú uvedené obchádzajúce diódy. Keď je napríklad solárny panel PV2 zatienený, prúd produkovaný solárnym panelom PV1 prejde cestou najmenšieho odporu, čo znamená, že bude prúdiť diódou D2. To bude mať za následok celkový nižší výkon (kvôli zatienenému panelu), ale aspoň prúd nebude blokovaný spoločne. Keď nie je žiadny zo solárnych panelov zablokovaný, prúd bude diódy ignorovať a bude pretekať cez solárne panely, pretože je to cesta najmenšieho odporu. Vo svojom projekte som použil diódy BAT45 Schottky zapojené paralelne s každým solárnym panelom. Odporúčajú sa diódy Schottky, pretože majú nižší pokles napätia, čo zase zefektívni celé pole solárnych panelov (v situáciách, keď sú niektoré solárne panely zatienené).

V niektorých prípadoch sú obtokové a blokovacie diódy už integrované do solárneho panelu, čo výrazne uľahčuje návrh vášho zariadenia.

Celé pole solárnych panelov je prepojené s prevodníkom A1 buck (zníženie napätia na +16,8 voltov) pomocou prepínača SPDT. Užívateľ si tak môže zvoliť, ako bude napájané 18650 článkov batérie.

Krok 5: Ďalšie funkcie

Kvôli pohodliu som pridal indikátor nabitia batérie 4S pripojený hmatovým spínačom, ktorý ukazuje, či je batéria 18650 ešte nabitá. Ďalšou funkciou, ktorú som pridal, je port USB 2.0 používaný na nabíjanie zariadenia. To sa môže hodiť, keď vezmem nabíjačku batérií 18650 von. Pretože smartfóny na nabíjanie potrebujú +5 voltov, pridal som redukovaný prevodník na zníženie napätia z +16,8 voltov na +5 voltov. Tiež som pridal prepínač SPDT, aby prevodník A2 buck nevyužil ďalšie napájanie, ak sa nepoužíva port USB.

Krok 6: Výstavba bývania

Ako základ krytu som použil priehľadné tabule z organického skla, ktoré som narezal ručnou pílou. Je to relatívne lacný a ľahko použiteľný materiál. Na upevnenie všetkého na jednom mieste som použil kovové uhlové konzoly v kombinácii so skrutkami a maticami. V prípade potreby tak môžete skriňu rýchlo zostaviť a rozobrať. Na druhej strane tento prístup dodáva zariadeniu zbytočnú váhu, pretože používa kov. Na vytvorenie otvorov potrebných pre matice som použil elektrickú vŕtačku. Solárne panely boli prilepené k organickému sklu pomocou horúceho lepidla. Keď bolo všetko dohromady, uvedomil som si, že vzhľad tohto zariadenia nie je dokonalý, pretože ste cez priehľadné sklo videli všetok elektronický neporiadok. Aby som to vyriešil, pokryl som organické sklo rôznymi farbami lepiacej pásky.

Krok 7: Posledné slová

Aj keď to bol relatívne ľahký projekt, mal som šancu získať skúsenosti v elektronike, stavať kryty pre svoje elektronické zariadenia a zoznámil som sa s novými (pre mňa) elektronickými komponentmi.

Dúfam, že tento návod bol pre vás zaujímavý a poučný. Ak máte akékoľvek otázky alebo návrhy, neváhajte sa k nám vyjadriť?

Ak chcete získať najnovšie informácie o svojich elektronických a iných projektoch, pokračujte a sledujte ma na Facebooku:

facebook.com/eRadvilla