Bộ sạc pin thông minh dựa trên vi điều khiển: 9 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:36

Mạch những gì bạn sắp thấy là một bộ sạc pin thông minh dựa trên ATMEGA8A với tính năng tự động ngắt.

Về cơ bản, tôi đã chế tạo bộ sạc để sạc pin Li-ion 11.1v / 4400maH của mình. Phần mềm cơ bản được viết để sạc loại pin cụ thể này. Bạn có thể tải lên giao thức sạc của riêng mình để đáp ứng nhu cầu sạc các loại pin khác.

Như bạn đã biết, các bộ sạc pin thông minh luôn sẵn có trên thị trường, nhưng là một người đam mê điện tử, tôi luôn thích tự chế tạo hơn là mua một bộ sạc sẽ có các chức năng tĩnh / không thể thay đổi. nâng cấp trong tương lai vì vậy tôi đã để lại không gian liên quan đến điều đó.

Khi lần đầu tiên mua pin Li-ion 11.1v / 2200mah trước đó, tôi đã tìm kiếm bộ sạc pin tự làm có điều khiển thông minh trên internet, nhưng tôi thấy nguồn tài nguyên rất hạn chế. thực sự tốt đối với tôi. yêu cầu, tôi đã thực hiện một số nghiên cứu trên mạng và đã có thể thiết kế bộ sạc thông minh của riêng mình.

Tôi đang chia sẻ điều này vì tôi nghĩ rằng nhiều người có sở thích / đam mê đang thực sự đam mê làm việc về điện tử công suất & vi điều khiển và cũng có nhu cầu chế tạo một bộ sạc thông minh của riêng họ.

Chúng ta hãy xem nhanh cách sạc pin Li-ion.

Bước 1: Giao thức sạc cho pin Li-ion

Để sạc pin Li-ion, phải đáp ứng một số điều kiện nhất định, nếu chúng tôi không duy trì các điều kiện này, pin sẽ bị sạc thiếu hoặc chúng sẽ bị đốt cháy (nếu sạc quá mức) hoặc sẽ bị hỏng vĩnh viễn.

Có một trang web rất tốt để biết mọi thứ cần thiết về các loại pin khác nhau và tất nhiên bạn biết tên của trang web nếu bạn đã quen với việc làm việc với pin… Vâng, tôi đang nói về pinuniversity.com.

Đây là liên kết để biết các chi tiết cần thiết để sạc pin Li-ion.

Nếu bạn đủ lười để đọc tất cả những lý thuyết đó, thì ý chính là như sau.

1. sạc đầy pin Li-ion 3.7v là 4.2v. Trong trường hợp của chúng tôi, pin Li-ion 11.1v có nghĩa là pin 3 x 3.7v. Để sạc đầy, pin phải đạt ở mức 12.6v nhưng vì lý do an toàn, chúng tôi sẽ sạc nó lên đến 12,5v.

2. Khi pin sắp được sạc đầy, thì dòng điện do pin rút ra từ bộ sạc giảm xuống thấp nhất là 3% dung lượng pin định mức. Ví dụ: dung lượng pin của gói di động của tôi là 4400 mah. Vì vậy, khi pin sẽ được sạc đầy, dòng điện được rút ra bởi pin sẽ đạt gần 3% -5% của 4400ma tức là trong khoảng 132 đến 220ma. 190ma (gần 4% công suất định mức).

3. Quá trình sạc tổng được chia thành hai phần chính 1-Dòng điện không đổi (chế độ CC), 2-Điện áp không đổi (chế độ CV). sẽ thông báo cho người dùng khi sạc đầy bằng cách báo động, sau đó pin phải được ngắt kết nối với bộ sạc)

Chế độ CC -

Ở chế độ CC, bộ sạc sẽ sạc pin với tốc độ sạc 0,5c hoặc 1c. Bây giờ thì cái quái gì là 0,5c / 1c ???? Nói một cách đơn giản, nếu dung lượng pin của bạn là 4400 mah, thì ở chế độ CC là 0,5c sẽ là 2200ma và 1c sẽ là dòng sạc 4400ma. 'c' là viết tắt của tốc độ sạc / xả. Một số pin cũng hỗ trợ 2c tức là ở chế độ CC, bạn có thể đặt dòng sạc tối đa 2x dung lượng pin nhưng điều đó thật điên rồ !!!!!

Nhưng để an toàn, tôi sẽ chọn dòng sạc 1000ma cho pin 4400mah tức là 0,22c. Ở chế độ này, bộ sạc sẽ theo dõi dòng điện được rút ra bởi pin độc lập với điện áp sạc. I Bộ sạc sẽ duy trì dòng sạc 1A bằng cách tăng / giảm điện áp đầu ra cho đến khi sạc pin xuống 12,4v.

Chế độ CV -

Bây giờ khi điện áp của pin đạt đến 12,4 v, bộ sạc sẽ duy trì 12,6 vôn (không phụ thuộc vào dòng điện được rút ra bởi pin) ở đầu ra của nó. Bây giờ bộ sạc sẽ dừng chu kỳ sạc tùy thuộc vào hai điều. Nếu điện áp của pin vượt qua 12,5 v và cũng như nếu dòng điện sạc giảm xuống dưới 190ma (4% dung lượng pin định mức như đã giải thích trước đó), thì chu kỳ sạc sẽ bị dừng lại và một tiếng còi sẽ phát ra.

Bước 2: Sơ đồ và giải thích

Bây giờ chúng ta hãy xem hoạt động của mạch. Sơ đồ được đính kèm ở định dạng pdf trong tệp BIN.pdf.

Điện áp đầu vào của mạch có thể là 19 / 20v, mình đã dùng sạc laptop cũ là 19v.

J1 là một đầu nối đầu cuối để kết nối mạch với nguồn điện áp đầu vào. Q1, D2, L1, C9 đang tạo thành một bộ chuyển đổi buck. của bộ chuyển đổi, u có thể đạt được điện áp đầu ra mong muốn bằng cách thay đổi chu kỳ làm việc. Nếu bạn muốn biết thêm về bộ chuyển đổi buck, hãy truy cập trang này. nhưng thành thật mà nói, chúng hoàn toàn khác với lý thuyết. Đối với yêu cầu của tôi, C9 đã mất 3 ngày dùng thử và có lỗi, nếu bạn định sạc các loại pin khác nhau thì có thể các giá trị này sẽ thay đổi.

Q2 là bóng bán dẫn điều khiển cho mosfet công suất Q1. R1 là điện trở phân cực cho Q1. Chúng tôi sẽ cấp tín hiệu pwm trong cơ sở của Q2 để điều khiển điện áp đầu ra. C13 là nắp tách.

Bây giờ đầu ra sau đó được đưa đến Q3. Một câu hỏi có thể được đặt ra là "Q3 ở đây dùng để làm gì ??". Câu trả lời khá đơn giản, Nó hoạt động giống như một công tắc đơn giản. Bất cứ khi nào chúng ta đo điện áp của pin., chúng tôi sẽ tắt Q3 để ngắt kết nối đầu ra Điện áp sạc từ bộ chuyển đổi buck. Q4 là trình điều khiển cho Q3 với điện trở phân cực R3.

Lưu ý rằng có một diode D1 trong đường dẫn. Diode đang làm gì ở đây trong đường dẫn ?? Câu trả lời này cũng rất đơn giản. chảy theo đường ngược lại qua các điốt trên thân của MOSFET Q3 & Q1 và do đó U1 và U2 sẽ nhận được điện áp pin tại đầu vào của chúng và sẽ cấp nguồn cho mạch từ điện áp pin. Để tránh điều này, D1 được sử dụng.

Đầu ra của D1 sau đó được đưa đến đầu vào cảm biến hiện tại (IP +). Đây là cảm biến dòng điện cơ bản hiệu ứng hội trường tức là phần cảm biến hiện tại và phần đầu ra được cách ly. Đầu ra cảm biến hiện tại (IP-) sau đó được cấp cho pin. Ở đây R5, RV1, R6 tạo thành mạch phân áp để đo điện áp / điện áp đầu ra của pin.

ADC của Atmega8 được sử dụng ở đây để đo điện áp và dòng điện của pin. ADC có thể đo tối đa là 5v, nhưng chúng tôi sẽ đo tối đa là 20v (với một số khoảng trống). Để cắt giảm điện áp xuống phạm vi ADC, a 4: 1 bộ chia điện áp được sử dụng. Nồi (RV1) được sử dụng để tinh chỉnh / hiệu chỉnh, tôi sẽ thảo luận sau. 6 là nắp tách.

Đầu ra của cảm biến dòng ACS714 cũng được cấp cho chân ADC0 của Atmega8. Với cảm biến ACS714 này, chúng ta sẽ đo dòng điện. cách đo dòng điện.

Màn hình LCD là màn hình LCD 16x2 thông thường. Màn hình LCD được sử dụng ở đây được định cấu hình ở chế độ 4 bit vì số lượng chân của atmega8 bị hạn chế. RV2 là bộ điều chỉnh độ sáng cho màn hình LCD.

Atmega8 có tốc độ 16mhz với tinh thể bên ngoài X1 với hai nắp tách C10 / 11. Đơn vị ADC của atmega8 đang được cấp nguồn qua chân Avcc thông qua cuộn cảm 10uH. 7, C8 là các nắp tách được kết nối với Agnd. gần nhất có thể với Avcc và Aref tương ứng trong khi chế tạo PCB. Lưu ý rằng chân Agnd không được hiển thị trong mạch. Chân Agnd sẽ được kết nối với đất.

Tôi đã cấu hình ADC của atmega8 để sử dụng Vref bên ngoài, tức là chúng tôi sẽ cung cấp điện áp tham chiếu qua chân Aref. Lý do chính đằng sau điều này để đạt được độ chính xác đọc tối đa. Đó là lý do tại sao tôi đã định cấu hình nó ở bên ngoài. không có dòng điện chạy qua nó. Nhưng ví dụ, nếu điện áp cung cấp của ACS714 sẽ bị hạ xuống (ví dụ 4,7v) thì điện áp đầu ra không có dòng điện (2,5v) cũng sẽ bị hạ xuống và nó sẽ tạo ra dòng đọc không phù hợp / sai Ngoài ra, khi chúng ta đo điện áp đối với Vref, thì điện áp tham chiếu trên Aref phải không có lỗi và ổn định. Đó là lý do tại sao chúng ta cần một 5v ổn định.

Nếu chúng ta cấp nguồn cho ACS714 & Aref từ U1 đang cung cấp cho atmega8 và màn hình LCD, thì sẽ có sự sụt giảm điện áp cơ bản ở đầu ra của U1 và việc đọc ampe và điện áp sẽ bị sai. bằng cách chỉ cung cấp 5v ổn định cho Aref và ACS714.

S1 được nhấn để hiệu chỉnh việc đọc điện áp. 2 được dành để sử dụng trong tương lai. Bạn có thể thêm / không thêm nút này tùy theo lựa chọn của mình.

Bước 3: Chức năng….

Khi được cấp nguồn, atmega8 sẽ bật bộ chuyển đổi buck bằng cách cung cấp 25% đầu ra pwm ở cơ sở của Q2. Đến lượt nó, Q2 sẽ điều khiển Q1 và bộ chuyển đổi buck sẽ được khởi động. Q3 sẽ được điều khiển để ngắt kết nối đầu ra của bộ chuyển đổi buck và pin. Atmega8 sau đó đọc điện áp của pin thông qua bộ chia điện trở. atmega8 sẽ kiểm tra điện áp. Nếu điện áp thấp hơn 9v, thì atmega8 sẽ hiển thị "Pin bị lỗi" trên màn hình LCD 16x2.

Nếu tìm thấy pin có hơn 9v thì trước tiên bộ sạc sẽ chuyển sang chế độ CC và bật mosfet đầu ra Q3. Chế độ bộ sạc (CC) sẽ được cập nhật để hiển thị ngay lập tức. mega8 sẽ ngay lập tức rời khỏi chế độ CC và sẽ chuyển sang chế độ CV. Dòng sạc sẽ được đọc bởi cảm biến dòng ACS714. Điện áp đầu ra buck, dòng sạc, chu kỳ nhiệm vụ PWM sẽ được cập nhật định kỳ trong màn hình LCD.

Điện áp pin sẽ được kiểm tra bằng cách tắt Q3 sau mỗi khoảng thời gian 500ms. Điện áp pin sẽ được cập nhật ngay lập tức vào màn hình LCD.

Nếu điện áp pin cao hơn 12,4 volt trong quá trình sạc, mega8 sẽ rời khỏi chế độ CC và chuyển sang chế độ CV. Trạng thái chế độ sẽ được cập nhật ngay lập tức vào màn hình LCD.

Sau đó, mega8 sẽ duy trì điện áp đầu ra là 12,6 vôn bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động của đồng xu. Tại đây, điện áp pin sẽ được kiểm tra sau mỗi khoảng thời gian 1s. Nếu dòng điện được rút ra dưới 190ma. Nếu cả hai điều kiện được đáp ứng, chu kỳ sạc sẽ bị dừng lại bằng cách tắt vĩnh viễn Q3 và còi sẽ phát ra khi bật Q5. Ngoài ra mega8 sẽ hiển thị "Đã sạc xong" qua màn hình LCD.

Bước 4: Các bộ phận cần thiết

Dưới đây là các phần cần thiết để hoàn thành dự án. Vui lòng tham khảo bảng dữ liệu để biết sơ đồ.

1) ATMEGA8A x 1. (biểu dữ liệu)

2) Cảm biến dòng ACS714 5A từ Pololu x 1 (Tôi thực sự khuyên bạn nên sử dụng cảm biến từ Pololu vì chúng có độ chính xác tốt nhất trong số tất cả các cảm biến khác mà tôi đã sử dụng. Bạn có thể tìm thấy nó ở đây). Pinout được mô tả trong hình ảnh.

3) IRF9540 x 2. (biểu dữ liệu)

4) 7805 x 2 (khuyến nghị từ cửa hàng chính hãng Toshiba vì chúng cho đầu ra 5v ổn định nhất). (Biểu dữ liệu)

5) 2n3904 x 3. (biểu dữ liệu)

6) 1n5820 schottky x 2. (biểu dữ liệu)

7) LCD 16x2 x 1. (biểu dữ liệu)

8) Cuộn cảm công suất 330uH / 2A x 1 (được khuyến nghị từ nhà cung cấp dịch vụ cuộn dây)

9) Cuộn cảm 10uH x 1 (nhỏ)

10) Điện trở - (Tất cả các điện trở đều là loại MFR 1%)

150R x 3

680R x 2

1k x 1

2k2 x 1

10k x 2

22k x 1

Nồi 5k x 2 (loại gắn pcb)

11) Tụ điện

Lưu ý: Tôi không sử dụng C4, không cần sử dụng nếu bạn đang sử dụng bộ nguồn Laptop / Bộ nguồn điều chỉnh là nguồn 19v

100uF / 25v x 3

470uF / 25v x 1

1000uF / 25v x 1

100n x 8

22p x 2

12) Công tắc đẩy tạm thời gắn PCB x 2

13) Buzzer 20v x 1

14) Đầu nối khối đầu cuối 2 pin x 2

15) Tủ (Tôi đã sử dụng một chiếc tủ như thế này.) Bạn có thể sử dụng bất cứ thứ gì bạn thích.

16) Bộ nguồn máy tính xách tay 19v (Tôi đã sửa đổi bộ cấp nguồn máy tính xách tay hp, Bạn có thể sử dụng bất kỳ loại nguồn điện nào tùy thích. Nếu bạn muốn chế tạo, hãy truy cập trang hướng dẫn này của tôi.)

17) Tản nhiệt cỡ trung bình cho U1 & Q1. Bạn có thể sử dụng loại này, hoặc bạn có thể tham khảo hình ảnh mạch của tôi, nhưng hãy chắc chắn sử dụng tản nhiệt cho cả hai.

18) Đầu nối chuối - Nữ (Đen & Đỏ) x 1 + Nam (Đen & Đỏ) (tùy thuộc vào nhu cầu của bạn về đầu nối)

Bước 5: Thời gian tính toán ……

Tính toán đo điện áp:

Điện áp tối đa, chúng tôi sẽ đo bằng cách sử dụng adc của atmega8 là 20v, nhưng adc của atmega8 có thể đo tối đa là 5v. Vì vậy, chúng tôi có thể thực hiện điều đó đơn giản bằng cách sử dụng hai điện trở, nhưng trong trường hợp của chúng tôi, tôi đã thêm một nồi ở giữa hai điện trở cố định để chúng tôi có thể điều chỉnh độ chính xác theo cách thủ công bằng cách xoay nồi. sẽ đại diện cho 0v đến 5v dưới dạng số thập phân 0 đến 1023 hoặc 00h đến 3FFh. ('h' là viết tắt của số hex). Tham chiếu được đặt thành 5v bên ngoài thông qua chân Aref.

Vì vậy, điện áp đo được = (đọc adc) x (Vref = 5v) x (hệ số chia điện trở, tức là 4 trong trường hợp này) / (đọc adc tối đa, tức là 1023 cho adc 10bit).

Giả sử chúng ta nhận được số đọc adc là 512, khi đó điện áp đo được sẽ là:

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

Tính toán đo lường hiện tại:

ACS714 sẽ cung cấp đầu ra ổn định 2,5v ở chân ra khi không có dòng điện nào chạy từ IP + về phía IP-. Nó sẽ cung cấp 185mv / A trên 2,5v tức là, nếu dòng điện 3A chạy qua mạch, acs714 sẽ cung cấp 2,5v + (0,185 x 3) v = 3,055v tại chân ra của nó.

Vì vậy, công thức đo lường hiện tại như sau:

Dòng đo được = (((đọc adc) * (Vref = 5v) / 1023) -2.5) /0.185.

chẳng hạn, số đọc adc là 700, thì dòng điện đo được sẽ là - (((700 x 5) / 1023) - 2,5) /0,185 = 4,98A.

Bước 6: Phần mềm

Phần mềm được mã hóa trong Winavr bằng GCC. Tôi đã mô-đun hóa mã tức là tôi đã tạo các thư viện khác nhau như thư viện adc, thư viện lcd, v.v. Thư viện adc chứa các lệnh cần thiết để thiết lập và tương tác với adc. Thư viện lcd chứa tất cả các các chức năng để điều khiển màn hình LCD 16x2. Bạn cũng có thể sử dụng lcd_updated _library.c vì trình tự khởi động của màn hình LCD được sửa đổi trong thư viện này. Nếu bạn muốn sử dụng thư viện đã cập nhật, hãy đổi tên nó bằng lcd.c

Tệp main.c có chứa các chức năng chính. dựa trên nó.

Bạn chỉ cần ghi trực tiếp tệp.hex trong mega8 của mình để vượt qua khó khăn.

Đối với những người muốn viết một giao thức tính phí khác, tôi đã đưa ra đủ nhận xét mà ngay cả một đứa trẻ cũng có thể hiểu được điều gì đang xảy ra cho mỗi lần thực thi dòng. ion có điện áp khác nhau, bạn chỉ phải thay đổi các thông số. (Mặc dù điều này không được thử nghiệm cho loại pin li-ion khác / loại pin khác. Bạn phải tự mình giải quyết).

Tôi thực sự khuyên bạn không nên xây dựng mạch này, nếu đây là dự án đầu tiên của bạn hoặc bạn là người mới sử dụng vi điều khiển / điện tử công suất.

Tôi đã tải lên từng tệp ở định dạng ban đầu ngoại trừ Makefile vì nó đang tạo ra vấn đề để mở. Tôi đã tải lên ở định dạng.txt. Chỉ cần sao chép nội dung và dán vào Makefile mới và xây dựng toàn bộ dự án..bạn đã sẵn sàng để ghi tệp hex.

Bước 7: Đủ lý thuyết…..có thể làm được

Dưới đây là các bức ảnh nguyên mẫu của tôi từ breadboarded đến hoàn thiện trong pcb. Vui lòng xem qua ghi chú của các bức ảnh để biết thêm.

Bước 8: Trước chu kỳ sạc đầu tiên ……. Hiệu chỉnh !!!

Trước khi sạc pin bằng bộ sạc, bạn phải hiệu chỉnh nó trước, nếu không nó sẽ không thể sạc pin / sạc quá mức.

Có hai loại hiệu chuẩn 1) Hiệu chuẩn điện áp. 2) Hiệu chuẩn hiện tại Các bước như sau để hiệu chuẩn.

Đầu tiên, đo điện áp đầu ra của U2, sau đó xác định nó trong main.c là ref_volt. Mine là 5.01. Thay đổi nó theo phép đo của bạn Đây là bước cần thiết chính để hiệu chuẩn Điện áp & Dòng điện. khác là cần thiết. Mọi thứ sẽ do phần mềm tự đảm nhận

Bây giờ khi bạn đã ghi tệp hex sau khi xác định vôn tham chiếu trong main.c, hãy loại bỏ nguồn điện của thiết bị.

Bây giờ đo điện áp pin mà u sẽ sạc bằng cách sử dụng đồng hồ vạn năng và kết nối pin với thiết bị.

Bây giờ nhấn nút S1 và giữ nó và cấp nguồn cho mạch trong khi nút được nhấn. Sau một khoảng thời gian ngắn khoảng 1 giây, thả nút S1. Lưu ý rằng thiết bị sẽ không vào chế độ hiệu chuẩn nếu bạn cấp nguồn cho mạch trước, sau đó nhấn S1.

Bây giờ bạn có thể thấy trên màn hình rằng mạch đã được đưa vào chế độ hiệu chuẩn. "Chế độ cal" sẽ được hiển thị trong màn hình LCD cùng với điện áp của pin. Sau khi hoàn tất, hãy nhấn lại công tắc S1, giữ nó trong khoảng một giây và thả nó ra, bạn sẽ thoát khỏi chế độ hiệu chuẩn. Tiếp tục đặt lại bộ sạc bằng cách tắt và bật nguồn.

Quá trình trên cũng có thể được thực hiện mà không cần kết nối pin, bạn phải kết nối nguồn điện bên ngoài với đầu ra (J2). Sau khi vào chế độ hiệu chuẩn, hãy hiệu chỉnh bằng nồi. S1 để thoát khỏi chế độ hiệu chuẩn. Điều này là cần thiết trước tiên ngắt kết nối nguồn điện bên ngoài để tránh bất kỳ loại trục trặc nào của bất kỳ thiết bị nào.

Bước 9: Bật Sau khi Hiệu chỉnh….. Bạn đã sẵn sàng để chơi

Bây giờ khi quá trình hiệu chuẩn hoàn tất, bạn có thể bắt đầu quá trình sạc. Hãy gắn pin trước, sau đó bật thiết bị. Kiểm tra sẽ do bộ sạc đảm nhận.

Mạch của tôi đang hoạt động và đã được kiểm tra 100%, nhưng nếu bạn nhận thấy bất cứ điều gì, xin vui lòng cho tôi biết.

Tòa nhà hạnh phúc.

Rgds // Sharanya