מטען סוללות חכם מבוסס מיקרו -בקר: 9 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

המעגל מה שאתה עומד לראות הוא מטען סוללות חכם המבוסס על ATMEGA8A עם ניתוק אוטומטי. פרמטרים שונים מוצגים באמצעות LCD במהלך מצבי טעינה שונים. כמו כן המעגל ישמיע צליל באמצעות זמזם עם השלמת הטעינה.

בניתי את המטען בעצם כדי לטעון את סוללת הליתיום שלי 11.1v/4400maH. הקושחה בעצם כתובה לטעינת סוג הסוללה הספציפי הזה.אתה יכול להעלות פרוטוקול טעינה משלך כדי לענות על הצרכים שלך לטעינת סוגי סוללות אחרים.

כפי שאתה יודע, מטעני סוללות חכמים זמינים בשווקים. אך בהיותי חובב אלקטרוני, עדיף לי תמיד לבנות משלי ולא לקנות רכיבים עם פונקציות סטטיות/בלתי ניתנות לשינוי. במודול זה, יש לי תוכניות שדרג בעתיד כך שנותר לי מקום בנוגע לזה.

כשקניתי לראשונה את סוללת הליתיום הקודמת שלי 11.1v/2200mah, חיפשתי מטעני סוללות DIY עם שליטה חכמה באינטרנט. אבל מצאתי משאבים מוגבלים מאוד. אז עד אז יצרתי מטען סוללות המבוסס על LM317 וזה עבד ממש טוב לי. אבל מכיוון שהסוללה הקודמת שלי מתה עם הזמן (ללא סיבה), קניתי סוללת ליתיום נוספת של 11.1v/4400mah. אבל הפעם, ההתקנה הקודמת לא הייתה מספיקה כדי לטעון את הסוללה החדשה שלי. כדי לפגוש את שלי דרישה, למדתי קצת ברשת והצלחתי לעצב מטען חכם משלי.

אני משתף את זה כיוון שאני חושב שיש שם הרבה חובבים/חובבים שמתלהבים מאוד לעבוד על אלקטרוניקה חשמלית ובקרת מיקרו וגם בצורך לבנות מטען חכם משלהם.

בואו נסתכל במהירות על טעינת סוללת ליתיום.

שלב 1: טעינת פרוטוקול עבור סוללת ליתיום

כדי לטעון את סוללת הליתיום, יש להתקיים תנאים מסוימים. אם לא נשמור על התנאים, או שהסוללה תהיה טעונה בחסר או שהם יעלו באש (אם טעונים יתר) או ייפגעו לצמיתות.

יש אתר טוב מאוד לדעת כל מה שצריך לגבי סוגים שונים של סוללות וכמובן שאתה יודע את שם האתר אם אתה מכיר את העבודה על סוללות … כן, אני מדבר על batteryuniversity.com.

להלן הקישור כדי לדעת את הפרטים הדרושים לטעינת סוללת ליתיום.

אם אתה עצלן מספיק כדי לקרוא את כל התאוריות האלה, העיקר הוא כדלקמן.

1. טעינה מלאה של סוללת ליתיום 3.7v היא 4.2v. במקרה שלנו, סוללת ליתיום 11.1v פירושה סוללה 3 x 3.7V. לטעינה מלאה, הסוללה חייבת להגיע ל -12.6v אך מסיבות בטיחותיות, אנו יטעין אותו עד 12.5 וולט.

2. כאשר הסוללה עומדת להגיע לטעינה מלאה, אז הזרם שמושך הסוללה מהמטען יורד עד ל -3% מיכולת הסוללה המדורגת. לדוגמה, קיבולת הסוללה של חבילת התא שלי היא 4400mah. אז כאשר הסוללה תהיה טעונה במלואה, הזרם שמושך הסוללה יגיע לכמעט 3% -5% של 4400ma כלומר בין 132 ל 220ma. כדי לעצור את הטעינה בבטחה, הטעינה תיפסק כאשר הזרם המשוך יירד למטה 190ma (כמעט 4% מהקיבולת המדורגת).

3. תהליך הטעינה הכולל מחולק לשני חלקים עיקריים 1-זרם קבוע (מצב CC), מתח 2-קבוע (מצב CV). (כמו כן יש מצב טעינת ציפוי, אך לא ניישם זאת במטען שלנו כמטען יודיע למשתמש לאחר טעינה מלאה על ידי התראה, אז יש לנתק את הסוללה מהמטען)

מצב CC -

במצב CC, המטען טוען את הסוללה בקצב טעינה של 0.5c או 1c. עכשיו מה לעזאזל 0.5c/1c ???? אם להיות פשוט, אם קיבולת הסוללה שלך היא למשל 4400mah, אז במצב CC, 0.5c יהיה 2200ma ו 1c יהיה 4400ma הנוכחי טעינה. 'c' מייצג טעינה/פריקה. כמה סוללות תומכות גם ב 2c כלומר במצב CC, אתה יכול להגדיר את זרם הטעינה עד קיבולת 2xbattery אבל זה מטורף !!!!!

אך ליתר ביטחון, אבחר בזרם טעינה של 1000ma עבור סוללת 4400mah כלומר 0.22c. במצב זה, המטען יפקח על הזרם הנמשך על ידי הסוללה ללא תלות במתח הטעינה. E המטען ישמור על זרם טעינה של 1A על ידי הגדלה /הפחתת מתח המוצא עד שמטען הסוללה יגיע ל -12.4 וולט.

מצב קורות חיים -

כעת, כאשר מתח הסוללה מגיע ל -12.4 וולט, המטען ישמור על 12.6 וולט (ללא קשר לזרם שסוללה על ידי הסוללה) ביציאתו. כעת המטען יעצור את מחזור הטעינה בהתאם לשני דברים. אם מתח הסוללה חוצה 12.5 וולט וגם אם זרם הטעינה יורד מתחת ל -190ma (4% מקיבולת הסוללה המדורגת כפי שהוסבר קודם לכן), מחזור הטעינה יופסק וזמזם יישמע.

שלב 2: סכמטי והסבר

עכשיו בואו נסתכל על העבודה של המעגל. התרשים מצורף בפורמט pdf בקובץ BIN.pdf.

מתח הכניסה של המעגל יכול להיות 19/20V. השתמשתי במטען נייד ישן כדי לקבל 19V.

J1 הוא מחבר מסוף לחיבור המעגל למקור מתח הכניסה. Q1, D2, L1, C9 יוצר ממיר באק. עכשיו מה זה לעזאזל ??? זהו בעצם ממיר הורדת DC ל DC. בסוג זה של ממיר, אתה יכול להשיג את מתח המוצא הרצוי על ידי שינוי מחזור העבודה. אם אתה רוצה לדעת יותר על ממירים באק, בקר בדף זה. אבל למען האמת, הם שונים לחלוטין מהתיאוריה. כדי להעריך ערכים נכונים של L1 & C9 עבור הדרישות שלי, זה לקח 3 ימים של ניסוי וטעיה. אם אתה הולך לטעון סוללות שונות, אז זה יכול להיות אפשרי כי ערכים אלה הולכים להשתנות.

Q2 הוא טרנזיסטור הנהג עבור כוח mosfet Q1. R1 הוא נגד הטיה ל- Q1. נזין את האות pwm בבסיס Q2 כדי לשלוט במתח המוצא. C13 הוא מכסה ניתוק.

כעת הפלט מוזר ל- Q3. ניתן לשאול שאלה כי "מה התועלת ב- Q3 כאן ??". התשובה די פשוטה, היא פועלת כמו מתג פשוט. בכל פעם שנמדוד את המתח של הסוללה, נסגור את Q3 כדי לנתק את פלט מתח הטעינה מממיר הכסף. Q4 הוא מנהל ההתקן עבור Q3 עם הנגד R3.

שים לב שיש דיודה D1 בנתיב. מה הדיודה עושה כאן בנתיב? התשובה הזו היא גם פשוטה מאוד. בכל פעם שהמעגל ינותק מכוח הכניסה בעוד הסוללה מחוברת ביציאה, הזרם מהסוללה זרימה בנתיב ההפוך באמצעות דיודות הגוף של MOSFET Q3 & Q1 וכך U1 ו- U2 יקבלו את מתח הסוללה בכניסותיהם ויפעילו את המעגל ממתח הסוללה. כדי להימנע מכך, משתמשים ב- D1.

הפלט של ה- D1 מוזר אז לקלט החיישן הנוכחי (IP+). זהו חיישן זרם בסיס של אפקט אולם כלומר החלק החישה הנוכחי וחלק הפלט מבודדים. פלט החיישן הנוכחי (IP-) מוזר אז אל כאן R5, RV1, R6 יוצרים מעגל מחלק מתח למדידת מתח/פלט הסוללה.

ה- ADC של atmega8 משמש כאן למדידת מתח הסוללה והזרם. ה- ADC יכול למדוד מקסימום של 5v.אבל נמדוד מקסימום של 20v (עם מרווח ראש). על מנת להפחית את המתח לטווח ה- ADC, 4: משמש מחלק מתח אחד. הסיר (RV1) משמש לכוונון/כיול. אדון בו מאוחר יותר. C6 מכסה ניתוק.

הפלט של חיישן הזרם ACS714 מוזר גם לפין ADC0 של atmega8. בעזרת חיישן ACS714 זה נמדוד את הזרם. יש לי לוח פריצה מפולו של גרסת 5A ועובד ממש מצוין. אדבר עליו בשלב הבא על כיצד למדוד את הזרם.

ה- LCD הוא מסך רגיל בגודל 16x2. המסך המשמש כאן מוגדר במצב 4 ביט מכיוון שמספר הסיכות של atmega8 מוגבל. RV2 הוא סיר התאמת הבהירות עבור ה- LCD.

ה- atmega8 נעון ב -16 מגה -הרץ עם קריסטל חיצוני X1 עם שני כובעי ניתוק C10/11. יחידת ה- ADC של האטמגה 8 מופעלת באמצעות סיכת Avcc באמצעות משרן 10uH. C7, C8 הם מכסים ניתוק המחוברים ל- Agnd. הצב אותם כ קרוב ככל האפשר ל- Avcc ו- Aref בהתאם בזמן ביצוע PCB. שים לב שהסיכה Agnd אינה מוצגת במעגל. הסיכה Agnd תחובר לקרקע.

הגדרתי את ה- ADC של ה- atmega8 לשימוש ב- Vref חיצוני כלומר אנו נספק את מתח ההתייחסות באמצעות סיכת Aref. הסיבה העיקרית מאחורי זה כדי להשיג דיוק קריאה מקסימלי אפשרי. מתח ההתייחסות הפנימי של 2.56v אינו גדול כל כך ב- AVRS. בגלל זה הגדרתי אותו חיצונית. עכשיו כאן יש לשים לב. 7805 (U2) מספק רק את חיישן ACS714 ואת סיכת Aref של atmega8. זאת כדי לשמור על דיוק אופטימלי. ACS714 נותן מתח יציאה של 2.5 וולט כאשר אין זרימת זרם דרכו. אבל למשל, אם מתח האספקה של ACS714 יורד (נניח 4.7v) אז גם מתח המוצא ללא זרם (2.5v) יוריד וגם זה ייצור קריאת זרם לא מתאימה/לא נכונה..כמו שאנו מודדים את המתח ביחס ל- Vref, אז מתח ההתייחסות ב- Aref חייב להיות נטול שגיאות ויציב. לכן אנו זקוקים ל- 5v יציב.

אם היינו מפעילים את ACS714 & Aref מה- U1 שמספק את ה- atmega8 וה- lcd, אז תהיה ירידה במתח מהותי ביציאת U1 והקריאה של אמפר ומתח תהיה שגויה. לכן משתמשים ב- U2 כאן כדי לסלק את השגיאה על ידי אספקת 5v יציב ל- Aref ו- ACS714 בלבד.

לוחצים על S1 כדי לכייל את קריאת המתח.2 שמורה לשימוש עתידי. ניתן להוסיף/לא להוסיף כפתור זה לפי בחירתך.

שלב 3: תפקוד …

עם ההפעלה, ה- atmega8 יפעיל את ממיר הכסף על ידי מתן תפוקת pwm של 25% בבסיס הרבעון השני. בתורו, Q2 יניע את Q1 וממיר הדלק יופעל. Q3 יופסק לנתק את תפוקת ממיר הדלק. ואז הסוללה. atmega8 ואז קורא את מתח הסוללה דרך מחלק הנגד. אם לא מחוברת סוללה, אז atmega8 מציג הודעה "הכנס סוללה" באמצעות 16x2 lcd ומחכה לסוללה. אם מצורפת לאחר מכן סוללה, atmega8 יבדוק את המתח. אם המתח נמוך מ- 9v, אז ה- atmega8 יראה "סוללה לא תקינה" ב- 16x2 lcd.

אם נמצאה סוללה עם יותר מ 9 וולט, המטען יכנס תחילה למצב CC ויפעיל את הפלט mosfet Q3. מצב המטען (CC) יעודכן להצגה מיידית. אם מתח הסוללה נמצא יותר מ 12.4 וולט, אז ה- mega8 יעזוב מיד את מצב ה- CC ויכנס למצב CV.אם מתח הסוללה נמוך מ -12.4 וולט, ה- mega8 ישמור על זרם טעינה של 1A על ידי הגדלת/הפחתת מתח המוצא של ממיר הכסף על ידי מחזור עבודה שונה של ה- pwm זרם הטעינה ייקרא על ידי חיישן הזרם ACS714. מתח יציאת הכסף, זרם הטעינה, מחזור הפעלה PWM יעודכן מעת לעת ב- lcd.

מתח הסוללה ייבדק על ידי כיבוי Q3 לאחר כל מרווח של 500ms. מתח הסוללה יעודכן מייד ל- lcd.

אם מתח הסוללה יעלה על 12.4 וולט במהלך הטעינה, אז ה- mega8 יעזוב את מצב ה- CC ויכנס למצב CV. מצב המצב יעודכן מייד ל- lcd.

אז ה- mega8 ישמור על מתח המוצא של 12.6 וולט על ידי שינוי מחזור הפעולה של הכסף. כאן מתח הסוללה ייבדק לאחר כל מרווח של 1 ש. ברגע שמתח הסוללה יהיה גדול מ -12.5 וולט, הוא ייבדק. אם הזרם הנמשך הוא מתחת ל 190ma. אם מתקיימים שני התנאים, מחזור הטעינה יופסק על ידי כיבוי קבוע של Q3 וזמזם יישמע על ידי הפעלת Q5. כמו כן, mega8 יציג "טעינה הושלמה" באמצעות ה- LCD.

שלב 4: דרושים חלקים

להלן החלקים הדרושים להשלמת הפרויקט. אנא עיין בגיליונות הנתונים עבור pinout. קישור גליון הנתונים של חלקים חיוניים בלבד מסופק

1) ATMEGA8A x 1. (גליון נתונים)

2) חיישן זרם ACS714 5A מ- Pololu x 1 (אני ממליץ בחום להשתמש בחיישן מ- Pololu מכיוון שהם המדויקים הטובים ביותר מבין כל החיישנים האחרים שהשתמשתי בהם. תוכל למצוא אותו כאן).פינאוט מתואר בתמונה.

3) IRF9540 x 2. (גליון נתונים)

4) 7805 x 2 (מומלץ מאת Toshiba genueinespare מכיוון שהם נותנים את הפלט 5V היציב ביותר). (גליון נתונים)

5) 2n3904 x 3. (גליון נתונים)

6) 1n5820 schottky x 2. (גליון נתונים)

7) 16x2 LCD x 1. (גליון נתונים)

8) משרן כוח 330uH/2A x 1 (מומלץ מ coilmaster)

9) משרן 10uH x 1 (קטן)

10) נגדים -(כל הנגדים הם מסוג MFR 1%)

150R x 3

680R x 2

1k x 1

2k2 x 1

10k x 2

22k x 1

סיר 5k x 2 (סוג הר לתקנים)

11) קבלים

הערה: לא השתמשתי ב- C4. אין צורך להשתמש בו אם אתה משתמש באספקת חשמל למחשב נייד/אספקת חשמל מוסדרת כמקור כוח של 19 וולט.

100uF/25v x 3

470uF/25v x 1

1000uF/25v x 1

100n x 8

22p x 2

12) מתג דחיפה רגעי של לוח PCB x 2

13) 20v באזר x 1

14) מחבר בלוק מסוף בעל 2 פינים x 2

15) ארון (השתמשתי בארון כזה.) אתה יכול להשתמש במה שאתה אוהב.

16) ספק כוח למחשב נייד 19V (שיניתי ספק כוח של מחשב נייד של HP, אתה יכול להשתמש בכל ספק כוח כרצונך. אם אתה רוצה לבנות אחד, בקר במדריך הזה שלי.)

17) גוף קירור בגודל בינוני עבור U1 & Q1. אתה יכול להשתמש בסוג זה. או שאתה יכול להתייחס לתמונות המעגל שלי. אבל הקפד להשתמש בגוף קירור לשניהם.

18) מחבר בננה - נקבה (שחור ואדום) x 1 + זכר (שחור ואדום) (בהתאם לצורך שלך במחברים)

שלב 5: זמן לחישוב ……

חישוב מדידת מתח:

המתח המרבי, שנמדוד באמצעות admega8 adc הוא 20v. אבל adc של atmega8 יכול למדוד מקסימום של 5v. אז בכדי להפוך 20v לטווח של 5v, נעשה שימוש כאן במחלק מתח 4: 1 (כמו 20v/4 = 5v). אז נוכל ליישם זאת פשוט על ידי שימוש בשני נגדים, אך במקרה שלנו, הוספתי סיר בין שני נגדים קבועים כדי שנוכל להתאים את הדיוק ידנית על ידי סיבוב הסיר. הרזולוציה של ה- ADC היא 10bit כלומר ה- ADC ייצג את 0v עד 5v כ 0 עד 1023 מספרים עשרוניים או 00h עד 3FFh. ('h' מייצג מספרי hex). ההפניה מוגדרת ל- 5v חיצונית באמצעות סיכת Aref.

אז המתח הנמדד = (קריאת adc) x (Vref = 5v) x (גורם מחלק הנגד כלומר 4 במקרה זה) / (קריאת adc מקסימלית כלומר 1023 עבור 10bit adc).

נניח שנקבל קריאת ADC של 512. אז המתח הנמדד יהיה -

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

חישוב המדידה הנוכחית:

ה- ACS714 ייתן פלט יציב של 2.5v בסיכה החוצה כאשר לא יזרום זרם מ- IP+ לכיוון IP- הוא ייתן 185mv/A מעל ה -2.5v כלומר, למשל, אם זרם 3A זורם דרך המעגל, ה- acs714 ייתן 2.5v+(0.185 x 3) v = 3.055v בעת סיכת החוצה.

אז נוסחת המדידה הנוכחית היא כדלקמן -

זרם נמדד = (((קריאת adc)*(Vref = 5v)/1023) -2.5) /0.185.

למשל, קריאת ה ADC היא 700, ואז הזרם הנמדד יהיה - (((700 x 5)/1023) - 2.5) /0.185 = 4.98A.

שלב 6: התוכנה

התוכנה מקודדת ב- Winavr באמצעות GCC. שיניתי את הקוד, כלומר יצרתי ספריות שונות כמו ספריית adc, ספריית lcd וכו '. ספריית adc מכילה את הפקודות הדרושות להתקנה ואינטראקציה עם adc. ספריית lcd מכילה את כל פונקציות להנעת lcd 16x2. תוכל גם להשתמש ב- lcd_updated _library.c מכיוון שרצף ההפעלה של ה- lcd משתנה בספרייה זו. אם ברצונך להשתמש בספרייה המעודכנת, שנה את שמו ב- lcd.c

הקובץ main.c מכיל את הפונקציות העיקריות. פרוטוקול הטעינה של ליון יון כתוב כאן. אנא הגדר את ref_volt ב- main.c על ידי מדידת הפלט של U2 (7805) עם מולטימטר מדויק כדי לקבל קריאות מדויקות כחישובים מבוססים על זה.

אתה יכול פשוט לצרוב את קובץ ה- hex ישירות במגה 8 שלך כדי לעקוף את כאב הראש.

למי שרוצה לכתוב עוד פרוטוקול חיוב, שמתי מספיק הערות שבגללן אפילו ילד יכול להבין מה קורה לכל ביצוע שורה. פשוט עליך לכתוב פרוטוקול משלך לסוג סוללה אחר. אם אתה משתמש ב- Li- יון במתח שונה, עליך לשנות רק את הפרמטרים. (אם כי זה לא נבדק עבור סוג ליון/סוללה אחר. עליך לפתור זאת בעצמך).

אני ממליץ בחום לא לבנות מעגל זה, אם זהו הפרויקט הראשון שלך או שאתה חדש בתחום המיקרו -בקר/אלקטרוניקה.

העליתי כל קובץ כפי שהוא בפורמט המקורי למעט Makefile מכיוון שהוא יוצר בעיה לפתיחה. העליתי אותו בפורמט.txt פשוט העתק את התוכן והדבק אותו ב- Makefile חדש ובנה את כל הפרויקט. Voila ….אתה מוכן לצרוב את קובץ ה- hex.

שלב 7: די לתיאוריה … בואו נצליח

להלן התמונות של אב הטיפוס שלי מלוח הלוח עד לסיום במחשב הלוח. אנא עיין בהערות התמונות כדי לדעת יותר. התמונות מסודרות באופן סדרתי מההתחלה ועד הסוף.

שלב 8: לפני מחזור הטעינה הראשון…. כיול !!

לפני טעינת סוללה באמצעות המטען, עליך לכייל אותה תחילה, אחרת היא לא תוכל לטעון את הסוללה/להטעין אותה יתר על המידה.

ישנם שני סוגים של כיול 1) כיול מתח. 2) כיול נוכחי. השלבים הם כדלקמן לכיול.

בתחילה, מדוד את מתח המוצא של U2. לאחר מכן הגדר אותו ב- main.c כ ref_volt. המכרה היה 5.01. שנה אותו לפי המדידה שלך. זהו השלב הדרוש העיקרי לכיול מתח וזרם. לכיול הנוכחי, שום דבר אחרת נחוצה. הכל יטופל על ידי התוכנה עצמה

כעת כששרפת את קובץ ה- hex לאחר הגדרת וולט ref ב main.c, הרג את כוח היחידה.

.מדוד כעת את מתח הסוללה אותו תטען באמצעות מודד וחבר את הסוללה ליחידה.

כעת לחץ על כפתור S1 והחזק אותו והפעל את המעגל בזמן לחיצה על הלחצן. לאחר עיכוב קצר של כ -1 שניות, שחרר את כפתור S1. שים לב שהמכשיר לא יכנס למצב כיול אם אתה מפעיל את המעגל תחילה ולאחר מכן לחץ על S1.

עכשיו אתה יכול לראות בתצוגה שהמעגל נכנס למצב כיול. "מצב cal" יוצג ב- lcd יחד עם מתח הסוללה. כעת התאם את מתח הסוללה המוצג על ה- LCD עם קריאת המולטימטר שלך על ידי סיבוב הסיר לאחר שתסיים, לחץ שוב על מתג S1, החזק אותו למשך כשנייה ושחרר אותו. אתה תהיה מחוץ למצב הכיול. שוב אפס את המטען על ידי כיבוי והדלקה.

התהליך הנ ל יכול להתבצע גם ללא חיבור סוללה. עליך לחבר מקור מתח חיצוני למסוף הפלט (J2). לאחר כניסה למצב כיול, כיול באמצעות הסיר. אך הפעם נתק תחילה את מקור החשמל החיצוני ולאחר מכן לחץ על S1 כדי לצאת ממצב הכיול. יש צורך קודם לנתק את מקור החשמל החיצוני כדי למנוע כל סוג של תקלה ביחידות כלשהן.

שלב 9: הפעלה לאחר כיול … עכשיו אתה מוכן לסלע

לאחר שהכיול הושלם, כעת תוכל להתחיל את תהליך הטעינה. חבר תחילה את הסוללה ולאחר מכן הפעל את היחידה. המנוחה תטופל על ידי המטען.

המעגל שלי עובד ונבדק 100%. אבל אם אתה מבחין במשהו, אנא יידע אותי. כמו כן אל תהסס לפנות לכל שאלה.

בניין שמח.

Rgds // שרניה