Mikrokontroller alapú intelligens akkumulátortöltő: 9 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Az áramkör, amit látni fog, egy intelligens akkumulátortöltő, amely ATMEGA8A -n alapul, automatikus kikapcsolással. Különböző paraméterek jelennek meg az LCD -n a különböző töltési állapotok alatt. Az áramkör hangjelzést ad a töltés befejeztével.

A töltőt alapvetően a 11.1v/4400maH lítium-ion akkumulátor feltöltésére építettem. A firmware alapvetően ennek az akkutípusnak a feltöltésére van írva. Feltölthet saját töltési protokollt, hogy kielégítse más típusú akkumulátorok töltését.

Mint tudják, az intelligens akkumulátortöltők könnyen beszerezhetők a piacokon. Elektronikus rajongóként azonban mindig előnyösebb, ha sajátot építek, nem pedig olyat, amely statikus/megváltoztathatatlan funkciókkal rendelkezik. Ebben a modulban azt tervezem, hogy frissíteni kell a jövőben, így hagytam teret ezzel kapcsolatban.

Amikor először megvettem a korábbi 11,1 V/2200 mAh-es Li-ion akkumulátort, az interneten kerestem intelligens vezérlésű DIY akkumulátor-töltőket. De nagyon korlátozott erőforrásokat találtam. Akkor elkészítettem egy akkumulátortöltőt az LM317 alapján, és működött nagyon jó nekem. De mivel az előző akkumulátorom idővel lemerült (minden ok nélkül), vettem egy másik 11,1 V/4400 mAh Li-ion akkumulátort. De ezúttal az előző beállítás nem volt megfelelő az új akkumulátor feltöltéséhez. követelmény, tanulmányoztam a neten, és meg tudtam tervezni a saját okos töltőmet.

Megosztom ezt, mivel úgy gondolom, hogy sok hobbi/rajongó van ott, akik igazán szenvedélyesen dolgoznak a teljesítményelektronikán és a mikrokontrolleren, és szükségük van egy saját okos töltő építésére is.

Vessünk egy rövid pillantást a Li-ion akkumulátor feltöltésére.

1. lépés: Lítium-ion akkumulátor töltési protokollja

A Li-ion akkumulátor feltöltéséhez bizonyos feltételeknek teljesülniük kell. Ha nem tartjuk be a feltételeket, akkor vagy az akkumulátor töltöttsége alacsony lesz, vagy felgyújtják (ha túltöltötték), vagy véglegesen megsérülnek.

Van egy nagyon jó weboldal, ahol mindent megtudhat a különböző típusú elemekről, és természetesen ismeri a webhely nevét, ha ismeri az elemekkel való munkát … Igen, az batteryuniversity.com -ról beszélek.

Itt található a link a Li-ion akkumulátor töltéséhez szükséges részletek megismeréséhez.

Ha elég lusta vagy elolvasni ezeket az elméleteket, akkor a lényeg a következő.

1. A 3,7 V-os Li-ion akkumulátor teljes feltöltése 4,2 V. Esetünkben a 11,1 V-os Li-ion akkumulátor 3 x 3,7 V-os akkumulátort jelent. Teljes feltöltés esetén az akkumulátornak el kell érnie a 12,6 V-ot, de biztonsági okokból 12,5V -ig tölti fel.

2. Amikor az akkumulátor hamarosan eléri a teljes töltöttséget, akkor az akkumulátor által a töltőből származó áram a névleges akkumulátorkapacitás 3% -ára csökken. Például a cellás akkumulátorom kapacitása 4400 mAh. Tehát amikor az akkumulátor teljesen fel van töltve, az akkumulátor által felvett áram közel 4400ma 3% -5% -a, azaz 132-220 mA között lesz. A töltés biztonságos leállításához a töltés leáll, amikor a lehúzott áram alá csökken 190ma (a névleges kapacitás közel 4% -a).

3. A teljes töltési folyamat két fő részre oszlik: 1-állandó áram (CC üzemmód), 2-állandó feszültség (CV mód). (Van feltöltési töltési mód is, de ezt nem fogjuk használni a töltőnkben, mint töltő riasztással értesíti a felhasználót a teljes feltöltésről, majd az akkumulátort le kell választani a töltőről)

CC mód -

CC módban a töltő 0,5c vagy 1c töltési sebességgel tölti az akkumulátort. Most mi a fene az 0,5c/1c ???? Egyszerű, ha az akkumulátor kapacitása mondjuk 4400mah, akkor CC módban 0,5c 2200ma és 1c 4400ma töltőáram lesz. Az "c" a töltési/kisütési sebességet jelenti. Egyes akkumulátorok a 2c -t is támogatják, azaz CC módban, a töltési áramot akár 2x akkumulátor kapacitásra is beállíthatja, de ez őrültség !!!!!

De a biztonság kedvéért 1000 mA -es töltőáramot fogok választani a 4400 mAh akkumulátorhoz, azaz 0,22 c -hez. Ebben az üzemmódban a töltő a töltési feszültségtől függetlenül figyeli az akkumulátor által felvett áramot. /a kimeneti feszültség csökkentése, amíg az akkumulátor töltöttsége el nem éri a 12,4 V -ot.

CV mód -

Most, hogy az akkumulátor feszültsége eléri a 12,4 V -ot, a töltő 12,6 V -ot tart fenn (függetlenül az akkumulátor által felvett áramtól) a kimenetén. Most a töltő két dologtól függően leállítja a töltési ciklust. Ha az akkumulátor feszültsége keresztezi a 12,5 V -ot és ha a töltési áram 190ma alá csökken (az akkumulátor névleges kapacitásának 4% -a, amint azt korábban kifejtettük), akkor a töltési ciklus leáll, és hangjelzés hallható.

2. lépés: Vázlat és magyarázat

Most nézzük meg az áramkör működését. A vázlat pdf formátumban van csatolva a BIN.pdf fájlban.

Az áramkör bemeneti feszültsége 19/20v lehet. Egy régi laptop töltőt használtam, hogy 19 V -ot kapjak.

A J1 egy terminálcsatlakozó, amely az áramkört a bemeneti feszültségforráshoz csatlakoztatja. A Q1, D2, L1, C9 egy buck konvertert képez. Most mi a fene ez ??? Ez alapvetően egy DC -DC lefelé irányuló átalakító. Ebben a típusban az átalakító, u elérheti a kívánt kimeneti feszültséget a munkaciklus megváltoztatásával. Ha többet szeretne tudni a bak konverterekről, akkor látogasson el erre az oldalra. de őszintén szólva, teljesen eltérnek az elmélettől. Az L1 és C9 az én igényeimhez, 3 napig tartott a próba és hiba. Ha különböző akkumulátorokat fog tölteni, akkor lehetséges, hogy ezek az értékek megváltoznak.

A Q2 a meghajtó tranzisztor a Q1 tápellátáshoz. Az R1 a Q1 előfeszítő ellenállása. A Q2 alapjában lévő pwm jelet tápláljuk a kimeneti feszültség szabályozására. A C13 egy leválasztó kupak.

Most a kimenetet a Q3 -ra táplálják. Felmerülhet a kérdés, hogy "Mi a haszna a Q3 -nak itt ??". A válasz nagyon egyszerű, úgy működik, mint egy egyszerű kapcsoló. Amikor megmérjük az akkumulátor feszültségét, lekapcsoljuk a Q3 -at, hogy leválasszuk a töltőfeszültség kimenetét a bak konverterről. A Q4 a Q3 meghajtója egy R3 előfeszítő ellenállással.

Ne feledje, hogy egy D1 dióda van az útvonalon. Mit csinál a dióda itt az útvonalon? Ez a válasz is nagyon egyszerű. Amikor az áramkört leválasztják a bemeneti feszültségről, miközben az akkumulátor a kimenethez van csatlakoztatva, az akkumulátorból származó áram A MOSFET Q3 & Q1 testdiódáin keresztül a fordított irányban áramlik, és így az U1 és U2 megkapja az akkumulátor feszültségét a bemenetükön, és táplálja az áramkört az akkumulátor feszültségéből. Ennek elkerülése érdekében a D1 -et használják.

A D1 kimenetét ezután az áramérzékelő bemenetére (IP+) táplálja. Ez egy hall-effektusú alapáram-érzékelő, azaz az áramérzékelő rész és a kimeneti rész el van választva. Az aktuális érzékelő kimenet (IP-) ezután a akkumulátor. Itt R5, RV1, R6 feszültségosztó áramkört képez az akkumulátor feszültségének/kimeneti feszültségének mérésére.

Az atmega8 ADC -jét itt használják az akkumulátor feszültségének és áramának mérésére. Az ADC maximum 5 V -ot képes mérni. De maximum 20 V -ot fogunk mérni (némi fejmagassággal). Annak érdekében, hogy csökkentsük a feszültséget az ADC tartományba, 4: 1 feszültségosztót használnak. Az edényt (RV1) a finomhangoláshoz/kalibráláshoz használják. Később megvitatom. A C6 leválasztó kupak.

Az ACS714 áramérzékelő kimenetét az atmega8 ADC0 érintkezője is táplálja. Ezzel az ACS714 érzékelővel mérjük az áramot. Van egy 5A -s verziójú pololu -ból készült kitörőpanel, és nagyon jól működik. A következő szakaszban beszélek hogyan kell mérni az áramot.

Az LCD normál 16x2 lcd. Az itt használt lcd 4 bites módban van konfigurálva, mivel az atmega8 pin száma korlátozott. Az RV2 az LCD fényerejének beállítása.

Az atmega8 órajele 16 MHz, külső X1 kristály, két leválasztó kupakkal C10/11. Az atmega8 ADC -egysége az Avcc csapon keresztül táplálkozik egy 10uH -os induktoron keresztül. A C7, C8 az Agnd -hez csatlakoztatott leválasztó kupakok. Helyezze őket a lehető legközelebb az Avcc -hez és az Aref -hez a PCB készítése során. Vegye figyelembe, hogy az Agnd csap nem látható az áramkörben. Az Agnd csap csatlakozik a földhöz.

Az atmega8 ADC -jét úgy állítottam be, hogy külső Vref -et használjon, azaz a referenciafeszültséget az Aref tüskén keresztül szállítjuk. Ennek fő oka a maximális olvasási pontosság elérése. A belső 2.56v referenciafeszültség nem annyira nagy az avrs -ben. Ezért külsőleg konfiguráltam. Most itt van egy dolog, amire figyelni kell. A 7805 (U2) csak az ACS714 érzékelőt és az atmega8 Aref csapját szolgáltatja. Ez az optimális pontosság fenntartása érdekében. Az ACS714 stabil 2,5 voltos kimeneti feszültséget biztosít, amikor nincs áram áramlás rajta. De mondjuk, ha az ACS714 tápfeszültségét lecsökkentik (mondjuk 4,7 V), akkor az áram nélküli kimeneti feszültség (2,5 V) is csökken, és ez nem megfelelő/hibás áramleolvasást eredményez. Amint a feszültséget a Vref -hez viszonyítva mérjük, akkor az Aref referenciafeszültségének hibamentesnek és stabilnak kell lennie. Ezért van szükségünk stabil 5v -ra.

Ha az ACS714 -et és az Aref -et az U1 -ről táplálnánk, amely az atmega8 -at és az LCD -t táplálja, akkor az U1 kimenetén jelentős feszültségcsökkenés következik be, és az amper és a feszültség leolvasása hibás. Ezért az U2 -t használják itt a hiba kiküszöbölésére stabil 5V -os tápellátással csak az Aref -hez és az ACS714 -hez.

Az S1 gombot megnyomva kalibrálja a feszültség leolvasását. Az S2 a jövőbeli használatra van fenntartva. Ezt a gombot tetszés szerint hozzáadhatja/nem hozzáadhatja.

3. lépés: Működés…

Bekapcsoláskor az atmega8 bekapcsolja a bak konvertert, 25% -os pwm kimenetet adva a Q2 bázisán. A Q2 viszont a Q1 -et hajtja, és a buck konverter elindul. és az akkumulátort. Az atmega8 ezután leolvassa az akkumulátor feszültségét az ellenálláselosztón keresztül. Ha nincs csatlakoztatva akkumulátor, akkor az atmega8 16x2 lcd -n keresztül üzenetet jelenít meg, és várja az akkumulátort. Az atmega8 ellenőrzi a feszültséget. Ha a feszültség alacsonyabb, mint 9 V, akkor az atmega8 a „Hibás akkumulátor” feliratot mutatja a 16x2 lcd -n.

Ha 9 V -nál több akkumulátort talált, akkor a töltő először CC üzemmódba lép, és bekapcsolja a mosfet Q3 kimenetet. A töltő üzemmód (CC) azonnal megjelenik, ha megjelenik. Ha az akkumulátor feszültsége meghaladja a 12,4 V -ot, akkor A mega8 azonnal kilép a CC módból és CV üzemmódba lép. Ha az akkumulátor feszültsége kisebb, mint 12,4 V, akkor a mega8 1A töltőáramot fog fenntartani a Buck konverter kimeneti feszültségének növelésével/csökkentésével a pwm változó ciklusával. A töltési áramot az ACS714 áramérzékelő olvassa le. A bak kimeneti feszültsége, töltési árama, PWM terhelési ciklusa rendszeresen frissül az LCD -n.

. Az akkumulátor feszültségét a Q3 kikapcsolásával minden 500 ms intervallum után ellenőrizni kell. Az akkumulátor feszültsége azonnal frissül az LCD -re.

Ha a töltés során az akkumulátor feszültsége meghaladja a 12,4 voltot, akkor a mega8 elhagyja a CC módot, és CV módba lép. A mód állapota azonnal frissül az LCD -re.

Ezután a mega8 megtartja a 12,6 voltos kimeneti feszültséget a bak működési ciklusának változtatásával. Itt az akkumulátor feszültségét minden 1 másodperc után ellenőrizni fogják. Amint az akkumulátor feszültsége meghaladja a 12,5 voltot, ellenőrizni kell ha a húzott áram 190ma alatt van. Ha mindkét feltétel teljesül, akkor a töltési ciklus leáll a Q3 végleges kikapcsolásával, és a Q5 bekapcsolásával hangjelzés hallható. A mega8 a "Charge complete" feliratot is megjeleníti az LCD -n keresztül.

4. lépés: Szükséges alkatrészek

Az alábbiakban felsoroljuk a projekt befejezéséhez szükséges alkatrészeket. Kérjük, tekintse meg az adatlapokat a pinout számára. Csak a legfontosabb alkatrészek adatlap linkje biztosított

1) ATMEGA8A x 1. (adatlap)

2) ACS714 5A áramérzékelő a Pololu x 1 -ből (erősen javaslom a Pololu érzékelőjének használatát, mivel ezek a legjobbak az összes többi használt érzékelő között. Itt megtalálhatja). A kiütést a kép írja le.

3) IRF9540 x 2. (adatlap)

4) 7805 x 2 (a Toshiba eredeti gyártótól ajánlott, mivel a legstabilabb 5 V -os kimenetet adják). (Adatlap)

5) 2n3904 x 3. (adatlap)

6) 1n5820 schottky x 2. (adatlap)

7) 16x2 LCD x 1. (adatlap)

8) 330uH/2A teljesítményinduktor x 1 (a Coilmastertől ajánlott)

9) 10uH induktor x 1 (kicsi)

10) Ellenállások -(Minden ellenállás 1% MFR típusú)

150R x 3

680R x 2

1 k x 1

2k2 x 1

10k x 2

22k x 1

5k edény x 2 (nyákra szerelhető típus)

11) Kondenzátorok

Megjegyzés: Nem a C4 -et használtam. Nincs szükség rá, ha laptop tápegységet/szabályozott tápegységet használ 19 V -os áramforrásként

100uF/25v x 3

470uF/25v x 1

1000uF/25v x 1

100n x 8

22p x 2

12) NYÁK -szerelés pillanatnyi nyomógomb x 2

13) 20v zümmögő x 1

14) 2 tűs sorkapocs csatlakozó x 2

15) Szekrény (én ilyen szekrényt használtam.). Bármit használhat, amit akar.

16) 19V laptop tápegység (Módosítottam egy HP laptop tápegységet. Bármilyen típusú tápegységet használhat, ahogy akar. Ha ilyet szeretne építeni, akkor látogasson el az útmutatóba.)

17) Közepes méretű hűtőborda U1 és Q1 esetén. Használhatja ezt a típust. Vagy nézze meg az áramköri képeimet. De mindenképpen használjon hűtőbordát mindkettőhöz.

18) Banán csatlakozó - Nő (fekete és piros) x 1 + férfi (fekete és piros) (a csatlakozók igényétől függően)

5. lépés: A számítás ideje ……

Feszültségmérés számítása:

A maximális feszültség, amelyet az atmega8 adc használatával fogunk mérni, 20v. De az atmega8 adc -ja max 5v -ot képes mérni. Tehát annak érdekében, hogy a 20v 5V tartományon belül legyen, itt 4: 1 feszültségosztót használnak (20v/4 = 5v). Tehát megvalósíthatjuk ezt egyszerűen két ellenállás használatával, de a mi esetünkben egy edényt tettem két rögzített ellenállás közé, hogy manuálisan beállíthassuk a pontosságot az edény elforgatásával. Az ADC felbontása 10 bites, azaz az adc a 0v -tól 5v -ig 0-1023 tizedes szám vagy 00h és 3FFh között fog megjelenni.

Tehát a mért feszültség = (adc leolvasás) x (Vref = 5v) x (ellenállásosztó tényező, azaz ebben az esetben 4) / (max. Adc leolvasás, azaz 1023 10 bites adc esetén).

Tegyük fel, hogy adc értéket kapunk 512 -ben. Ekkor a mért feszültség -

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

Aktuális mérési számítás:

Az ACS714 2,5 V stabil kimenetet ad a kimeneti tűn, amikor nem áramlik az IP+ irányból az IP- felé. Ez 185 mv/A-t ad a 2,5 V felett, azaz például, ha 3A áram folyik az áramkörön, az acs714 2,5v+(0,185 x 3) v = 3,055v a kimeneti tűn.

Tehát a jelenlegi mérési képlet a következő:

Mért áram = (((adc leolvasás)*(Vref = 5v)/1023) -2,5)/0,185.

mondjuk az adc leolvasása 700, akkor a mért áram - - (((700 x 5)/1023) - 2,5)/0,185 = 4,98A lesz.

6. lépés: A szoftver

A szoftver Winavr -ben van kódolva a GCC használatával. Moduláltam a kódot, azaz különböző könyvtárakat hoztam létre, például adc könyvtárat, lcd könyvtárat stb. Az adc könyvtár tartalmazza az adc beállításához és interakciójához szükséges parancsokat. Az lcd könyvtár tartalmazza az összes funkciók a 16x2 -es lcd meghajtásához. Használhatja az lcd_updated _library.c fájlt is, mivel az LCD indítási sorrendje módosul ebben a könyvtárban. Ha használni szeretné a frissített könyvtárat, nevezze át az lcd.c fájlra

A main.c fájl tartalmazza a fő funkciókat. A li-ion töltési protokollja itt van leírva. Kérjük, határozza meg a ref_volt értéket a main.c-ben úgy, hogy pontos multiméterrel méri az U2 (7805) kimenetét, hogy pontos leolvasást kapjon számításként azon alapulnak.

Egyszerűen elégetheti a.hex fájlt közvetlenül a mega8 -ban, hogy elkerülje a fejfájást.

Azok számára, akik egy másik töltési protokollt szeretnének írni, elég megjegyzést fűztem ahhoz, hogy még egy gyerek is megértse, mi történik minden sor végrehajtásakor. Csak meg kell írnia a saját protokollját a különböző típusú akkumulátorokhoz. Ha Li- különböző feszültségű ionok esetén csak a paramétereket kell megváltoztatni. (Bár ezt más li-ion/más típusú akkumulátorokra nem tesztelik. Önnek kell megoldania).

Erősen javaslom, hogy ne építse ezt az áramkört, ha ez az első projektje, vagy még nem ismeri a mikrovezérlőt/teljesítményelektronikát.

Mindegyik fájlt eredeti formátumban töltöttem fel, kivéve a Makefile fájlt, amely megnyitja a problémát. Feltöltöttem.txt formátumban. Csak másolja a tartalmat, illessze be egy új Makefile -ba, és építse fel az egész projektet. Voila…. készen áll a hexafájl írására.

7. lépés: Elég az elméletből

Itt vannak a prototípusom képei, a kenyérpanelről a PCB -re véglegesítve. Kérjük, nézze át a képek jegyzeteit, hogy többet tudjon. A képek sorba vannak rendezve az elejétől a végéig.

8. lépés: Az első töltési ciklus előtt ……. Kalibrálás !!

Mielőtt töltené az akkumulátort a töltővel, először kalibrálnia kell. Ellenkező esetben nem tudja feltölteni/túltölteni.

Kétféle kalibrálás létezik: 1) Feszültség kalibrálás. 2) Aktuális kalibrálás. A kalibrálás lépései a következők.

Először mérje meg az U2 kimeneti feszültségét. Ezután határozza meg a main.c -ben, mint ref_volt. Az enyém 5,01 volt. Módosítsa a mérés szerint. Ez a fő szükséges lépés a feszültség és áram kalibrálásához. Az áram kalibrálásához semmi minden egyéb szükséges. Mindenről maga a szoftver gondoskodik

Most, hogy elégette a hexafájlt, miután definiálta a ref.oltot a main.c -ben, öld meg az egység áramellátását.

. Most mérje meg az akkumulátor feszültségét, amelyet u tölteni fog multiméterrel, és csatlakoztassa az akkumulátort a készülékhez.

Most nyomja meg és tartsa lenyomva az S1 gombot, és kapcsolja be az áramkört, amíg a gombot lenyomják. Rövid, körülbelül 1 másodperces késleltetés után engedje el az S1 gombot. Ne feledje, hogy a készülék nem lép kalibrálási módba, ha először bekapcsolja az áramkört, majd nyomja meg a gombot. S1.

Most láthatja a kijelzőn, hogy az áramkör kalibrálási módba lépett. A "cal mód" megjelenik az LCD -n az akkumulátor feszültségével együtt. Most egyeztesse az LCD -n látható akkumulátorfeszültséget a multiméter leolvasásával. Miután végzett, nyomja meg ismét az S1 kapcsolót, tartsa lenyomva körülbelül egy másodpercig, majd engedje el. Kikapcsolja a kalibrálási módot. Állítsa vissza a töltőt a ki- és bekapcsolásával.

A fenti folyamat elvégezhető akkumulátor csatlakoztatása nélkül is. Külső áramforrást kell csatlakoztatnia a kimeneti terminálhoz (J2). A kalibrálási módba lépés után kalibráljon az edény segítségével. De ezúttal először válassza le a külső áramforrást, majd nyomja meg a gombot S1, hogy kilépjen a kalibrálási módból. Ez szükséges ahhoz, hogy először válassza le a külső áramforrást, hogy elkerülje az egységek bármilyen hibáját.

9. lépés: Bekapcsolás a kalibrálás után….. most készen áll a rockra

Most, hogy a kalibrálás befejeződött, megkezdheti a töltési folyamatot. Először csatlakoztassa az akkumulátort, majd kapcsolja be a készüléket. A pihenésről a töltő gondoskodik.

Az áramkör 100% -ban működik és tesztelt. De ha bármit észlel, kérjük, tudassa velem. Bármilyen kérdés esetén forduljon bizalommal.

Boldog épület.

Rgds // Sharanya