Inteligentná nabíjačka batérií na báze mikrokontroléra: 9 krokov (s obrázkami)

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

Okruh, ktorý sa chystáte vidieť, je inteligentná nabíjačka batérií na báze ATMEGA8A s automatickým vypnutím. Rôzne parametre sa zobrazujú na displeji LCD počas rôznych stavov nabitia. Po dokončení nabíjania obvod vydá zvuk aj pomocou bzučiaka.

Nabíjačku som postavil v zásade na nabíjanie lítium-iónovej batérie 11,1v/4400mAH. Firmvér je v zásade napísaný na nabíjanie tohto konkrétneho typu batérie. Môžete si nahrať vlastný protokol nabíjania, ktorý splní vaše potreby na nabíjanie iných typov batérií.

Ako viete, inteligentné nabíjačky batérií sú na trhoch ľahko dostupné. Ale ako elektronický nadšenec je pre mňa vždy výhodnejšie postaviť si vlastnú, než kupovať takú, ktorá bude mať statické/nezmeniteľné funkcie. V tomto module mám v pláne v budúcnosti aktualizovať, takže mi na to zostal priestor.

Keď som prvýkrát kúpil svoju predchádzajúcu lítium-iónovú batériu 11,1 V/2 200 mAh, hľadal som na internete nabíjačky batérií s inteligentným ovládaním. Našiel som však veľmi obmedzené zdroje. Preto som vyrobil nabíjačku batérií založenú na LM317 a fungovala naozaj dobre pre mňa. Ale pretože moja predchádzajúca batéria časom zomrela (bez dôvodu), kúpil som si inú lítium-iónovú batériu s výkonom 11,1 V/4400 mAh. Ale tentoraz predchádzajúce nastavenie nebolo dostatočné na nabitie mojej novej batérie. Aby som splnil moje Požiadavka, urobil som nejaké štúdium na internete a bol som schopný navrhnúť svoju vlastnú inteligentnú nabíjačku.

Zdieľam to, pretože si myslím, že je tu veľa nadšencov/nadšencov, ktorí sú naozaj zanietení pre prácu na výkonovej elektronike a mikrokontroléri a tiež pre potrebu vybudovať si vlastnú inteligentnú nabíjačku.

Poďme sa rýchlo pozrieť na to, ako nabíjať lítium-iónovú batériu.

Krok 1: Nabite protokol pre lítium-iónovú batériu

Na nabíjanie lítium-iónovej batérie musia byť splnené určité podmienky. Ak podmienky neudržíme, buď bude batéria málo nabitá, alebo sa zapáli (ak je prebitá), alebo bude trvalo poškodená.

Existuje veľmi dobrá webová stránka, kde sa dozviete všetko potrebné o rôznych typoch batérií, a samozrejme poznáte názov webovej stránky, ak poznáte prácu s batériami … Áno, hovorím o batteryuniversity.com.

Tu je odkaz, v ktorom sa dozviete potrebné podrobnosti o nabíjaní lítium-iónovej batérie.

Ak ste leniví čítať všetky tieto teórie, podstata je nasledovná.

1. Plné nabitie 3,7 V lítium-iónovej batérie je 4,2 V. V našom prípade 11,1 V lítium-iónová batéria znamená 3 x 3,7 V batériu. Na úplné nabitie musí batéria dosiahnuť 12,6 V, ale z bezpečnostných dôvodov sme bude nabíjať až 12,5 V.

2. Keď sa batéria blíži k úplnému nabitiu, prúd odoberaný batériou z nabíjačky klesne až na 3% menovitej kapacity batérie. Napr. Kapacita batérie môjho článku je 4400 mAh. Takže keď bude batéria úplne nabitá, prúd odoberaný batériou bude dosiahnutý ako takmer 3% -5% z 4400mA, tj medzi 132 až 220mA. Aby sa nabíjanie bezpečne zastavilo, nabíjanie sa zastaví, keď odberový prúd klesne pod 190 ma (takmer 4% menovitej kapacity).

3. Celkový proces nabíjania je rozdelený na dve hlavné časti 1-Konštantný prúd (režim CC), 2-Konštantné napätie (režim CV). (Existuje aj režim nabíjania na doplnenie, ale v našej nabíjačke to nebudeme implementovať ako nabíjačku upozorní používateľa na úplné nabitie alarmom, potom je potrebné batériu odpojiť od nabíjačky)

Režim CC -

V režime CC nabíjačka nabíja batériu rýchlosťou 0,5 c alebo 1 c. Čo je to sakra 0,5 c/1 c ???? Aby to bolo jednoduché, ak je kapacita batérie povedzme 4400 mAh, potom v režime CC 0,5 c bude 2200mA a 1c bude 4400ma nabíjací prúd. 'c' znamená rýchlosť nabíjania/vybíjania. Niektoré batérie podporujú aj 2c, tj. v režime CC, môžete nastaviť nabíjací prúd až na 2x kapacitu batérie, ale to je šialené !!!!!

Ale pre istotu zvolím nabíjací prúd 1 000 ma pre batériu 4400 mAh, tj 0,22 c. V tomto režime bude nabíjačka monitorovať prúd odoberaný batériou nezávisle od nabíjacieho napätia. Tj Nabíjačka bude udržiavať nabíjací prúd 1 A zvýšením /zníženie výstupného napätia, kým nabitie batérie nedosiahne 12,4 V.

Režim CV -

Teraz, keď napätie batérie dosiahne 12,4 V, nabíjačka bude na svojom výstupe udržiavať 12,6 V (nezávisle od prúdu odoberaného batériou). Nabíjačka teraz zastaví nabíjací cyklus v závislosti od dvoch vecí. Ak napätie batérie prekročí 12,5 V a tiež ak nabíjací prúd klesne pod 190 mA (4% menovitej kapacity batérie, ako bolo vysvetlené vyššie), nabíjací cyklus sa zastaví a zaznie zvukový signál.

Krok 2: Schéma a vysvetlenie

Teraz sa pozrime na fungovanie obvodu. Schéma je pripojená vo formáte pdf v súbore BIN.pdf.

Vstupné napätie obvodu môže byť 19/20v. Na získanie 19v som použil starú nabíjačku na laptop.

J1 je koncový konektor na pripojenie obvodu k zdroju vstupného napätia. Q1, D2, L1, C9 tvorí prevodník Buck. Teraz čo to sakra je? Toto je v zásade menič DC - DC. V tomto type prevodníka, u môžete dosiahnuť požadované výstupné napätie zmenou pracovného cyklu. Ak sa chcete dozvedieť viac o prevodníkoch buck, navštívte túto stránku. Ale aby som bol úprimný, sú úplne odlišné od teórie. Na vyhodnotenie správnych hodnôt L1 a C9 pre moje požiadavky, trvalo to 3 dni pokusu a omylu. Ak sa chystáte nabíjať rôzne batérie, potom je možné, že sa tieto hodnoty zmenia.

Q2 je budiaci tranzistor pre napájanie MOSFET. Q1. R1 je predpätý odpor pre Q1. Budeme napájať signál pwm v základni Q2 na ovládanie výstupného napätia. C13 je oddeľovací kryt.

Teraz je výstup vedený do Q3. Otázku je možné položiť „Aké je tu využitie Q3?“. Odpoveď je veľmi jednoduchá, funguje ako jednoduchý prepínač. Kedykoľvek budeme merať napätie batérie, vypneme Q3, aby sme odpojili výstup nabíjacieho napätia od prevodníka buck. Q4 je ovládač pre Q3 s predpätím odporu R3.

Všimnite si toho, že v ceste je dióda D1. Čo robí dióda tu v ceste? Táto odpoveď je tiež veľmi jednoduchá. Kedykoľvek bude obvod odpojený od vstupného napájania, zatiaľ čo na výstupe bude pripojená batéria, prúd z batérie bude prúdi reverznou cestou cez telesné diódy MOSFET Q3 a Q1, a teda U1 a U2 dostanú napätie batérie na svoje vstupy a napájajú obvod z napätia batérie. Aby sa tomu zabránilo, používa sa D1.

Výstup D1 je potom privádzaný na vstup aktuálneho snímača (IP+). Toto je základný prúdový snímač s Hallovým efektom, tj. Časť snímajúca prúd a výstupná časť sú izolované. Výstup prúdového snímača (IP-) je potom privádzaný do batéria. Tu R5, RV1, R6 tvoria obvod deliča napätia na meranie napätia batérie/výstupného napätia.

Tu sa používa ADC atmega8 na meranie napätia a prúdu batérie. ADC môže merať max. 5v. Ale budeme merať max. 20v (s určitou svetlou výškou). Aby sa znížilo napätie na rozsah ADC, 4 Používa sa delič napätia 1. Hrniec (RV1) sa používa na jemné doladenie/kalibráciu. Diskutujem o tom neskôr. C6 je oddeľovací uzáver.

Výstup prúdového senzora ACS714 je tiež napájaný na kolíku ADC0 atmega8. Prostredníctvom tohto senzora ACS714 zmeráme prúd. Mám oddeľovaciu dosku od pololu verzie 5A a funguje naozaj skvele. O tom budem hovoriť v ďalšej fáze ako merať prúd.

LCD je normálny 16x2 lcd. Tu používaný LCD je konfigurovaný v 4 -bitovom režime, pretože počet pinov atmega8 je obmedzený. RV2 je hrniec nastavenia jasu pre LCD.

Atmega8 je taktovaný na 16 MHz s externým kryštálom X1 s dvoma oddeľovacími krytkami C10/11. Jednotka ADC atmega8 je napájaná z kolíka Avcc cez induktor 10uH. C7, C8 sú oddeľovacie čiapky pripojené k Agnd. Umiestnite ich ako pri vytváraní DPS zodpovedajúcim spôsobom čo najbližšie k Avcc a Aref. Všimnite si, že pin Agnd nie je zobrazený v obvode. Pin Agnd bude pripojený k zemi.

Nakonfiguroval som ADC atmega8 tak, aby používal externý Vref, tj. Budeme dodávať referenčné napätie cez pin Aref. Hlavným dôvodom je dosiahnuť maximálnu možnú presnosť čítania. Interné referenčné napätie 2,56 V nie je v avrs také veľké. Preto som ho nakonfiguroval externe. Teraz si treba všimnúť. 7805 (U2) dodáva iba snímač ACS714 a pin Aref atmega8. To zaisťuje optimálnu presnosť. ACS714 poskytuje stabilné výstupné napätie 2,5 V, keď cez to neprúdi žiadny prúd. Ale povedzme, ak sa zníži napájacie napätie ACS714 (povedzme 4,7v), potom sa zníži aj výstupné napätie bez prúdu (2,5v) a spôsobí to nevhodné/chybné čítanie prúdu. Aj keď meriame napätie vzhľadom na Vref, potom referenčné napätie na Arefe musí byť bezchybné a stabilné. Preto potrebujeme stabilných 5V.

Ak by sme napájali ACS714 & Aref z U1, ktoré dodáva atmega8 a lcd, potom by na výstupe U1 došlo k značnému poklesu napätia a čítanie ampéra a napätia by bolo chybné. Preto sa tu používa U2 na odstránenie chyby dodávaním stabilných 5 V iba pre Aref a ACS714.

Stlačením S1 sa kalibruje odčítanie napätia. S2 je vyhradené pre budúce použitie. Toto tlačidlo môžete pridať alebo nie pridať podľa vlastného výberu.

Krok 3: Fungovanie … …

Po zapnutí atmega8 zapne prevodník buck poskytnutím 25% výkonu pwm na základni Q2. Na druhej strane bude Q2 poháňať Q1 a spustí sa prevodník buck. Q3 bude vypnutý, aby sa odpojil výstup prevodníka dolára a batéria. Atmega8 potom odčíta napätie batérie cez delič odporu. Ak nie je pripojená žiadna batéria, potom atmega8 zobrazí správu „Vložte batériu“pomocou 16 x 2 lcd a čaká na batériu. Ak je batéria pripojená, atmega8 skontroluje napätie. Ak je napätie nižšie ako 9v, potom atmega8 zobrazí na 16x2 lcd „Chybná batéria“.

Ak je nájdená batéria s viac ako 9 V, nabíjačka najskôr prejde do režimu CC a zapne výstupný mosfet Q3. Nabíjací režim (CC) sa aktualizuje tak, aby sa okamžite zobrazil. Ak je napätie batérie vyššie ako 12,4 V, potom mega8 okamžite opustí režim CC a prejde do režimu CV. Ak je napätie batérie menšie ako 12,4 V, mega8 bude udržiavať nabíjací prúd 1 A zvýšením/znížením výstupného napätia prevodníka buck podľa meniaceho sa pracovného cyklu pwm Nabíjací prúd bude odčítaný snímačom prúdu ACS714. Výstupné napätie, nabíjací prúd a pracovný cyklus PWM sa budú pravidelne aktualizovať v LCD.

. Napätie batérie sa skontroluje vypnutím Q3 po každých 500 ms intervale. Napätie batérie sa okamžite aktualizuje na LCD.

Ak sa napätie batérie počas nabíjania zvýši na viac ako 12,4 voltov, mega8 opustí režim CC a prejde do režimu CV. Stav režimu sa okamžite aktualizuje na LCD.

Potom mega8 udržiava výstupné napätie 12,6 voltov zmenou pracovného cyklu dolára. Tu sa napätie batérie skontroluje po každých 1 s intervale. Hneď ako bude napätie batérie vyššie ako 12,5 V, skontroluje sa. ak je odberový prúd nižší ako 190 mA. Ak sú splnené obe podmienky, nabíjací cyklus sa zastaví trvalým vypnutím Q3 a zapnutím Q5 zaznie bzučiak. Mega8 tiež zobrazí „Nabíjanie dokončené“cez LCD.

Krok 4: Potrebné diely

Nižšie sú uvedené požadované diely na dokončenie projektu. Pinout nájdete v technických listoch. Poskytnutý je iba odkaz na zásadný údajový list

1) ATMEGA8A x 1. (technický list)

2) Snímač prúdu ACS714 5A od firmy Pololu x 1 (dôrazne odporúčam použiť snímač od spoločnosti Pololu, pretože sú najpresnejšie zo všetkých ostatných senzorov, ktoré som použil. Nájdete ho tu). Pinout je popísaný na obrázku.

3) IRF9540 x 2. (technický list)

4) 7805 x 2 (odporúča sa od Toshiba genuinespare, pretože poskytujú najstabilnejší výstup 5 V). (Technický list)

5) 2n3904 x 3. (technický list)

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

7) 16x2 LCD x 1. (technický list)

8) Výkonový induktor 330uH/2A x 1 (odporúča sa od Coilmaster)

9) 10uH induktor x 1 (malý)

10) Rezistory -(Všetky rezistory sú typu 1% MFR)

150R x 3

680R x 2

1k x 1

2 x 2 x 1

10 k x 2

22k x 1

5k hrniec x 2 (typ montáže na PCB)

11) Kondenzátory

Poznámka: C4 som nepoužil. Nie je potrebné ho používať, ak ako zdroj napájania 19 V používate napájanie z prenosného počítača/regulovaný zdroj napájania.

100uF/25v x 3

470uF/25v x 1

1 000 uF/25 v x 1

100n x 8

22p x 2

12) Dočasný spínač montáže na DPS x 2

13) 20v bzučiak x 1

14) 2 -pólový konektor svorkovnice x 2

15) Skrinka (použil som takú skriňu.). Môžete použiť, čo sa vám páči.

16) napájací zdroj pre laptop 19v (upravil som napájací zdroj pre prenosný počítač hp, môžete použiť ľubovoľný typ napájania, ako chcete. Ak si ho chcete postaviť, navštívte môj tento návod.)

17) Stredne veľký chladič pre U1 a Q1. Tento typ môžete použiť. Alebo sa môžete pozrieť na moje obrázky obvodov. Ale pre obidva určite použite chladič.

18) Banánový konektor - zásuvka (čierna a červená) x 1 + zásuvka (čierna a červená) (v závislosti od vašej potreby konektorov)

Krok 5: Čas na výpočet ……

Výpočet merania napätia:

Maximálne napätie, ktoré budeme merať pomocou atmega8 adc, je 20v. Ale adme atmega8 môže merať max. 5v. Aby sa dosiahlo 20v v rozsahu 5v, používa sa tu delič napätia 4: 1 (ako 20v/4 = 5v). Mohli by sme to implementovať jednoduchým použitím dvoch rezistorov, ale v našom prípade som pridal hrniec medzi dva pevné rezistory, aby sme mohli manuálne nastaviť presnosť otáčaním potenciometra. Rozlíšenie ADC je 10 bitov, tj. bude predstavovať 0v až 5v ako 0 až 1023 desatinných čísel alebo 00h až 3FFh. („h“znamená hexadecimálne čísla). Referencia je nastavená na 5v externe prostredníctvom kolíka Aref.

Takže namerané napätie = (čítanie adc) x (Vref = 5v) x (faktor deliča odporu, v tomto prípade 4) / (maximálne čítanie adc, tj 1023 pre 10bit adc).

Predpokladajme, že dostaneme hodnotu adc 512. Potom bude namerané napätie -

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

Výpočet aktuálneho merania:

ACS714 bude poskytovať 2,5 V stabilný výstup na výstupnom kolíku, keď nebude prúdiť žiadny prúd z IP+ smerom k IP-. Bude dávať 185 mv/A cez 2,5 V, tj. Povedzme, ak obvodom preteká prúd 3 A, acs714 poskytne 2,5v+(0,185 x 3) v = 3,055v na svojom výstupnom kolíku.

Aktuálny vzorec merania je teda nasledujúci -

Nameraný prúd = (((čítanie adc)*(Vref = 5v)/1023) -2,5)/0,185.

povedzme, že hodnota adc je 700, potom bude nameraný prúd - ((((700 x 5)/1023) - 2,5)/0,185 = 4,98A.

Krok 6: Softvér

Tento softvér je kódovaný vo formáte Winavr pomocou GCC. Kód som modularizoval, tj. Vytvoril som rôzne knižnice, ako napríklad knižnica adc, knižnica lcd atď. Knižnica adc obsahuje potrebné príkazy na nastavenie a interakciu s adc. Knižnica lcd obsahuje všetky funkcie na pohon 16x2 lcd. Môžete tiež použiť lcd_updated _library.c, pretože v tejto knižnici je upravená štartovacia sekvencia lcd. Ak chcete použiť aktualizovanú knižnicu, premenujte ju pomocou lcd.c

Súbor main.c obsahuje hlavné funkcie. Tu je zapísaný nabíjací protokol pre lítium-ión. Definujte odkaz_volt v súbore main.c meraním výstupu U2 (7805) presným multimetrom, aby ste získali presné hodnoty ako výpočty. vychádzajú z toho.

Súbor.hex môžete jednoducho napáliť priamo vo svojom zariadení mega8 a obísť tak súbor headche.

Pre tých, ktorí chcú napísať ďalší protokol o nabíjaní, som vložil dostatok pripomienok, pomocou ktorých aj dieťa dokáže pochopiť, čo sa deje pri každom vykonaní riadka. Stačí, ak si napíšete vlastný protokol pre iný typ batérie. Ak používate Li- iónov rôzneho napätia, musíte iba zmeniť parametre. (Aj keď to nie je testované pre iný typ li-ion/iného typu batérie. Musíte to vypracovať sami).

Dôrazne odporúčam tento obvod nestavať, ak je to váš prvý projekt alebo ste nováčikom v mikrokontroléri/výkonovej elektronike.

Odovzdal som každý súbor v pôvodnom formáte, s výnimkou súboru Makefile, ktorý pri otváraní vytvára problém. Odovzdal som ho vo formáte.txt. Skopírujte obsah a prilepte ho do nového súboru Makefile a vytvorte celý projekt. Voila….ste pripravení napáliť hexadecimálny súbor.

Krok 7: Dosť teórie ….. Buld It

Tu sú obrázky môjho prototypu od breadboarded po finalizáciu v pcb. Ak chcete vedieť viac, prečítajte si poznámky k obrázkom. Obrázky sú usporiadané sériovo od začiatku do konca.

Krok 8: Pred prvým cyklom nabíjania ……. Kalibrácia !!!

Pred nabíjaním batérie pomocou nabíjačky ju musíte najskôr kalibrovať. V opačnom prípade nebude možné batériu nabiť/prebíjať.

Existujú dva typy kalibrácie 1) Kalibrácia napätia. 2) Aktuálna kalibrácia. Postup kalibrácie je nasledujúci.

Najprv zmerajte výstupné napätie U2. Potom ho definujte v main.c ako ref_volt. Môj bol 5,01. Zmeňte ho podľa svojho merania. Toto je hlavný potrebný krok pre kalibráciu napätia a prúdu. Pri kalibrácii prúdu nič inak je to nevyhnutné. O všetko sa postará samotný softvér

Teraz, keď ste spálili hexadecimálny súbor po definovaní referenčného napätia v main.c, zabite výkon jednotky.

. Teraz zmerajte napätie batérie, ktoré sa bude nabíjať, pomocou multimetra a pripojte batériu k jednotke.

Teraz stlačte a podržte tlačidlo S1 a napájajte obvod, kým je tlačidlo stlačené. Po krátkom oneskorení asi 1 s uvoľnite tlačidlo S1. Upozorňujeme, že jednotka neprejde do režimu kalibrácie, ak najskôr napájate obvod a potom stlačte S1.

Teraz môžete na displeji vidieť, že obvod je zaradený do režimu kalibrácie. Na LCD sa spolu s napätím batérie zobrazí „režim cal“. Teraz napätie batérie zobrazené na LCD displeji odčítajte pomocou multimetra otáčaním hrnca. Potom, čo skončíte, znova stlačte spínač S1, podržte ho asi jednu sekundu a uvoľnite ho. Budete mimo kalibračného režimu. Nabíjačku znova resetujte vypnutím a zapnutím.

Vyššie uvedený postup je možné vykonať aj bez pripojenej batérie. Na výstupný terminál (J2) musíte pripojiť externý zdroj energie. Po vstupe do režimu kalibrácie kalibrujte pomocou hrnca. Tentoraz však najskôr odpojte externý zdroj napájania a potom stlačte S1, aby ste sa dostali z režimu kalibrácie. Toto je potrebné najskôr odpojiť externý zdroj energie, aby ste predišli akémukoľvek druhu poruchy akýchkoľvek jednotiek.

Krok 9: Zapnutie po kalibrácii ….. teraz ste pripravení začať

Teraz, keď je kalibrácia dokončená, môžete začať proces nabíjania. Najprv vložte batériu a potom zapnite jednotku. O odpočinok sa postará nabíjačka.

Môj obvod je 100% funkčný a testovaný. Ak si však niečo všimnete, dajte mi prosím vedieť. V prípade akýchkoľvek otázok ma neváhajte kontaktovať.

Šťastná budova.

Rgds // Sharanya