Mikrocontroller-basiertes intelligentes Batterieladegerät - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Die Schaltung, die Sie gleich sehen werden, ist ein intelligentes Batterieladegerät basierend auf ATMEGA8A mit automatischer Abschaltung. Verschiedene Parameter werden während verschiedener Ladezustände über ein LCD angezeigt. Außerdem gibt die Schaltung nach Abschluss des Ladevorgangs einen Ton über einen Summer aus.

Ich habe das Ladegerät im Grunde gebaut, um meinen 11,1 V/4400 mAH Li-Ion-Akku aufzuladen.

Wie Sie wissen, sind intelligente Batterieladegeräte auf den Märkten leicht erhältlich. Aber als Elektronik-Enthusiast ist es für mich immer vorzuziehen, mein eigenes zu bauen, anstatt eines mit statischen / unveränderlichen Funktionen zu kaufen Upgrade in der Zukunft, also habe ich diesbezüglich Platz gelassen.

Als ich zum ersten Mal meinen vorherigen 11,1 V / 2200 mAh Li-Ion-Akku kaufte, suchte ich im Internet nach DIY-Ladegeräten mit intelligenter Steuerung. Aber ich fand nur sehr begrenzte Ressourcen wirklich gut für mich. Aber da mein vorheriger Akku im Laufe der Zeit (ohne Grund) leer war, kaufte ich einen anderen Li-Ion-Akku mit 11,1 V / 4400 mAh. Aber dieses Mal war das vorherige Setup nicht ausreichend, um meinen neuen Akku aufzuladen anforderung, ich habe im netz studiert und konnte mein eigenes intelligentes ladegerät entwerfen.

Ich teile dies, da ich denke, dass viele Bastler / Enthusiasten da draußen sind, die wirklich leidenschaftlich an der Arbeit an Leistungselektronik und Mikrocontrollern arbeiten und auch ein eigenes intelligentes Ladegerät bauen müssen.

Werfen wir einen kurzen Blick darauf, wie man einen Li-Ionen-Akku auflädt.

Schritt 1: Ladeprotokoll für einen Lithium-Ionen-Akku

Um den Li-Ionen-Akku aufzuladen, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein. Wenn wir die Bedingungen nicht einhalten, wird der Akku entweder unterladen oder in Brand gesetzt (bei Überladung) oder dauerhaft beschädigt.

Es gibt eine sehr gute Website, um alles Notwendige über verschiedene Arten von Batterien zu erfahren und natürlich kennen Sie den Namen der Website, wenn Sie mit der Arbeit an Batterien vertraut sind… Ja, ich spreche von Batteryuniversity.com.

Hier ist der Link, um die notwendigen Details zum Aufladen eines Li-Ionen-Akkus zu erfahren.

Wenn Sie faul genug sind, all diese Theorien zu lesen, dann ist das Wesentliche wie folgt.

1. Die volle Ladung eines 3,7 V Li-Ion-Akkus beträgt 4,2 V. In unserem Fall bedeutet 11,1 V Li-Ion-Akku 3 x 3,7 V-Akku. Zum vollständigen Aufladen muss der Akku 12,6 V erreichen, aber aus Sicherheitsgründen müssen wir lädt es bis zu 12,5 V auf.

2. Wenn der Akku seine volle Ladung erreicht, sinkt die Stromaufnahme des Akkus vom Ladegerät auf bis zu 3% der Nennkapazität des Akkus. Zum Beispiel beträgt die Akkukapazität meines Zellenpakets 4400 mAh. Wenn die Batterie also vollständig aufgeladen ist, wird die Stromaufnahme der Batterie auf fast 3%-5% von 4400mA, dh zwischen 132 und 220mA, erreicht. Um den Ladevorgang sicher zu stoppen, wird der Ladevorgang gestoppt, wenn die Stromaufnahme unterschreitet 190mA (fast 4% der Nennkapazität).

3. Der gesamte Ladevorgang ist in zwei Hauptteile unterteilt: 1-Konstantstrom (CC-Modus), 2-Konstantspannung (CV-Modus). (Auch es gibt einen Top-Lademodus, aber wir werden das nicht in unserem Ladegerät als Ladegerät implementieren benachrichtigt den Benutzer bei voller Ladung durch einen Alarm, dann muss die Batterie vom Ladegerät getrennt werden)

CC-Modus -

Im CC-Modus lädt das Ladegerät den Akku mit einer Laderate von 0,5 c oder 1 c. Was zum Teufel ist nun 0,5 c / 1 c?? Um es einfach zu machen, wenn Ihre Batteriekapazität beispielsweise 4400 mAh beträgt, dann im CC-Modus 0,5 c wird 2200mA sein und 1c wird 4400mA Ladestrom sein.'c' steht für Lade-/Entladerate. Einige Batterien unterstützen auch 2c dh im CC-Modus können Sie den Ladestrom auf 2xBatteriekapazität einstellen, aber das ist verrückt!!!!!

Aber um sicher zu gehen, wähle ich einen Ladestrom von 1000 mA für einen 4400-mAh-Akku, dh 0,22 c. In diesem Modus überwacht das Ladegerät den von der Batterie aufgenommenen Strom unabhängig von der Ladespannung /Verringern der Ausgangsspannung, bis die Batterieladung 12,4 V erreicht.

CV-Modus -

Wenn die Batteriespannung nun 12,4 V erreicht, hält das Ladegerät 12,6 Volt (unabhängig von dem von der Batterie gezogenen Strom) an seinem Ausgang. Jetzt stoppt das Ladegerät den Ladezyklus abhängig von zwei Dingen. Wenn die Batteriespannung 12,5 V überschreitet und auch wenn der ladestrom unter 190mA fällt (4 % der batterienennkapazität wie zuvor erläutert), wird der ladezyklus gestoppt und ein summer ertönt.

Schritt 2: Schema und Erklärung

Werfen wir nun einen Blick auf die Funktionsweise der Schaltung. Der Schaltplan ist im PDF-Format in der Datei BIN.pdf angehängt.

Die Eingangsspannung der Schaltung kann 19/20 V betragen. Ich habe ein altes Laptop-Ladegerät verwendet, um 19 V zu erhalten.

J1 ist ein Anschlussstecker, um die Schaltung mit der Eingangsspannungsquelle zu verbinden. Q1, D2, L1, C9 bildet einen Abwärtswandler. Was zum Teufel ist das nun? Dies ist im Grunde ein DC-DC-Abwärtswandler des Wandlers können Sie die gewünschte Ausgangsspannung durch Variieren des Tastverhältnisses erreichen. Wenn Sie mehr über Abwärtswandler erfahren möchten, besuchen Sie diese Seite. Aber um ehrlich zu sein, sie unterscheiden sich völlig von der Theorie. C9 für meine Anforderungen hat es 3 Tage Trial & Error gedauert. Wenn Sie verschiedene Akkus laden möchten, kann es sein, dass sich diese Werte ändern.

Q2 ist der Treibertransistor für den Power-Mosfet Q1. R1 ist ein Vorspannungswiderstand für Q1. Wir werden das PWM-Signal in die Basis von Q2 einspeisen, um die Ausgangsspannung zu steuern. C13 ist eine Entkopplungskappe.

Nun wird der Ausgang Q3 zugeführt. Es kann eine Frage gestellt werden, die "Was nützt hier Q3?". Die Antwort ist ziemlich einfach, Es verhält sich wie ein einfacher Schalter. Immer wenn wir die Spannung der Batterie messen, werden wir Q3 ausschalten, um den Ladespannungsausgang vom Abwärtswandler zu trennen. Q4 ist der Treiber für Q3 mit einem Vorspannungswiderstand R3.

Beachten Sie, dass sich im Pfad eine Diode D1 befindet. Was macht die Diode hier im Pfad? fließen im Rückwärtspfad über die Body-Dioden der MOSFETs Q3 & Q1 und somit erhalten die U1 und U2 die Batteriespannung an ihren Eingängen und versorgen die Schaltung aus der Batteriespannung. Um dies zu vermeiden, wird D1 verwendet.

Der Ausgang des D1 wird dann dem Stromsensoreingang (IP+) zugeführt. Dies ist ein Hall-Effekt-Basisstromsensor, dh der Stromsensorteil und der Ausgangsteil sind isoliert. Der Stromsensorausgang (IP-) wird dann dem zugeführt Batterie. Hier bilden R5, RV1, R6 eine Spannungsteilerschaltung, um die Batteriespannung/Ausgangsspannung zu messen.

Der ADC des atmega8 wird hier verwendet, um die Batteriespannung und den Strom zu messen. Der ADC kann maximal 5 V messen. Aber wir werden maximal 20 V messen (mit etwas Spielraum). Um die Spannung auf den ADC-Bereich zu reduzieren, muss ein 4: 1 Spannungsteiler wird verwendet. Der Pot (RV1) wird zur Feinabstimmung / Kalibrierung verwendet. Ich werde es später besprechen. C6 ist die Entkopplungskappe.

Der Ausgang des ACS714-Stromsensors wird auch an den ADC0-Pin von atmega8 gespeist. Über diesen ACS714-Sensor werden wir den Strom messen. Ich habe ein Breakout-Board von Pololu in der 5A-Version und funktioniert wirklich großartig wie man den Strom misst.

Das LCD ist ein normales 16x2 LCD. Das hier verwendete LCD ist im 4-Bit-Modus konfiguriert, da die Pinanzahl von atmega8 begrenzt ist. RV2 ist der Helligkeitsregler für das LCD.

Der atmega8 wird mit 16 MHz mit einem externen Quarz X1 mit zwei Entkopplungskappen C10/11 getaktet. Die ADC-Einheit des atmega8 wird über den Avcc-Pin durch eine 10uH-Induktivität mit Strom versorgt. C7, C8 sind Entkopplungskappen, die an Agnd angeschlossen sind so nah wie möglich an Avcc und Aref entsprechend beim Herstellen der Leiterplatte. Beachten Sie, dass der Agnd-Pin im Stromkreis nicht angezeigt wird. Der Agnd-Pin wird mit Masse verbunden.

Ich habe den ADC des atmega8 so konfiguriert, dass er externe Vref verwendet, dh wir liefern die Referenzspannung über den Aref-Pin. Der Hauptgrund dafür ist die maximale Lesegenauigkeit. Deshalb habe ich es extern konfiguriert. Jetzt ist hier etwas zu beachten. Der 7805 (U2) versorgt nur den ACS714-Sensor und den Aref-Pin von atmega8. Dies dient der Aufrechterhaltung der optimalen Genauigkeit. Der ACS714 liefert eine stabile 2,5-V-Ausgangsspannung, wenn es fließt kein Strom durch ihn. Aber wenn beispielsweise die Versorgungsspannung des ACS714 gesenkt wird (z. B. 4,7 V), wird auch die Ausgangsspannung ohne Strom (2,5 V) gesenkt und es werden unangemessene / fehlerhafte Stromwerte erzeugt. Auch wenn wir die Spannung in Bezug auf Vref messen, muss die Referenzspannung an Aref fehlerfrei und stabil sein. Deshalb brauchen wir stabile 5V.

Wenn wir den ACS714 & Aref über den U1 mit Strom versorgen würden, der den atmega8 und das LCD versorgt, dann würde ein erheblicher Spannungsabfall am Ausgang von U1 auftreten und die Ampere- und Spannungsanzeige wäre falsch. Deshalb wird hier U2 verwendet, um den Fehler zu beseitigen indem Sie Aref und ACS714 nur mit stabilen 5 V versorgen.

S1 wird gedrückt, um den Spannungswert zu kalibrieren. S2 ist für die zukünftige Verwendung reserviert. Sie können diese Schaltfläche nach Ihrer Wahl entweder hinzufügen oder nicht hinzufügen.

Schritt 3: Funktionieren…

Beim Einschalten schaltet der atmega8 den Abwärtswandler ein, indem er 25% PWM-Ausgang an der Basis des Q2 gibt. Im Gegenzug treibt Q2 dann Q1 an und der Abwärtswandler wird gestartet. Q3 wird ausgeschaltet, um den Ausgang des Abwärtswandlers zu trennen und die Batterie. Der atmega8 liest dann die Batteriespannung über den Widerstandsteiler. Wenn keine Batterie angeschlossen ist, dann zeigt der atmega8 über 16x2 lcd eine Meldung „Batterie einsetzen“an und wartet auf die Batterie atmega8 überprüft die Spannung. Wenn die Spannung niedriger als 9 V ist, zeigt der atmega8 "Fehlerhafte Batterie" auf dem 16x2-LCD an.

Wenn eine Batterie mit mehr als 9 V gefunden wird, wechselt das Ladegerät zuerst in den CC-Modus und schaltet den Ausgangs-Mosfet Q3 ein. Der Lademodus (CC) wird aktualisiert, um sofort angezeigt zu werden. Wenn die Batteriespannung mehr als 12,4 V beträgt, dann Der mega8 verlässt sofort den CC-Modus und wechselt in den CV-Modus. Wenn die Batteriespannung weniger als 12,4 V beträgt, hält der mega8 1A Ladestrom aufrecht, indem er die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers durch Variieren des Tastverhältnisses des pwm. erhöht / verringert. Der Ladestrom wird vom ACS714-Stromsensor gelesen. Die Buck-Ausgangsspannung, der Ladestrom und das PWM-Tastverhältnis werden regelmäßig im LCD aktualisiert.

. Die Batteriespannung wird durch Ausschalten von Q3 alle 500 ms Intervall überprüft. Die Batteriespannung wird sofort auf dem LCD aktualisiert.

Wenn die Batteriespannung während des Ladevorgangs mehr als 12,4 Volt beträgt, verlässt der mega8 den CC-Modus und geht in den CV-Modus über. Der Modusstatus wird sofort auf das LCD aktualisiert.

Dann hält der mega8 die Ausgangsspannung von 12,6 Volt, indem er das Tastverhältnis des Bucks variiert. Hier wird die Batteriespannung nach jedem 1s-Intervall überprüft. Sobald die Batteriespannung größer als 12,5 V ist, wird sie überprüft Wenn die Stromaufnahme unter 190 mA liegt. Wenn beide Bedingungen erfüllt sind, wird der Ladezyklus durch dauerhaftes Ausschalten von Q3 gestoppt und ein Summer ertönt durch Einschalten von Q5. Auch mega8 zeigt "Charge Complete" über das LCD an.

Schritt 4: Erforderliche Teile

Nachfolgend sind die erforderlichen Teile aufgeführt, um das Projekt abzuschließen. Bitte beachten Sie die Datenblätter für die Pinbelegung. Nur der Link zum Datenblatt für wichtige Teile wird bereitgestellt

1) ATMEGA8A x 1. (Datenblatt)

2) ACS714 5A Stromsensor von Pololu x 1 (Ich empfehle dringend, den Sensor von Pololu zu verwenden, da er von allen anderen Sensoren, die ich verwendet habe, am genauesten ist. Sie finden ihn hier). Die Pinbelegung ist im Bild beschrieben.

3) IRF9540 x 2. (Datenblatt)

4) 7805 x 2 (empfohlen von Toshiba-Originalersatz, da sie den stabilsten 5-V-Ausgang liefern). (Datenblatt)

5) 2n3904 x 3. (Datenblatt)

6) 1n5820 Schottky x 2. (Datenblatt)

7) 16x2 LCD x 1. (Datenblatt)

8) 330uH/2A Leistungsinduktivität x 1 (empfohlen von Coilmaster)

9) 10uH Induktivität x 1 (klein)

10) Widerstände -(Alle Widerstände sind vom Typ 1% MFR)

150R x 3

680R x 2

1k x 1

2k2 x 1

10k x 2

22k x 1

5k Topf x 2 (Typ Leiterplattenmontage)

11) Kondensatoren

Hinweis: Ich habe C4 nicht verwendet. Es ist nicht erforderlich, es zu verwenden, wenn Sie ein Laptop-Netzteil / ein geregeltes Netzteil als 19-V-Stromquelle verwenden

100uF/25v x 3

470uF/25v x 1

1000uF/25v x 1

100n x 8

22p x 2

12) Druckschalter für Leiterplattenmontage x 2

13) 20v Summer x 1

14) 2-poliger Klemmenblockstecker x 2

15) Schrank (Ich habe so einen Schrank verwendet.). Sie können verwenden, was Sie möchten.

16) 19-V-Laptop-Netzteil (Ich habe ein HP-Laptop-Netzteil modifiziert. Sie können jede Art von Netzteil verwenden, wie Sie möchten. Wenn Sie eines bauen möchten, besuchen Sie meine Anleitungen.)

17) Mittelgroßer Kühlkörper für U1 & Q1. Sie können diesen Typ verwenden. Oder Sie können sich auf meine Schaltungsbilder beziehen. Verwenden Sie jedoch unbedingt einen Kühlkörper für beide.

18) Bananenstecker - Weiblich (Schwarz & Rot) x 1 + Männlich (Schwarz & Rot) (abhängig von Ihrem Bedarf an Anschlüssen)

Schritt 5: Zeit zum Berechnen……

Berechnung der Spannungsmessung:

Die maximale Spannung, die wir mit dem atmega8-ADC messen, beträgt 20 V. Der ADC von atmega8 kann jedoch maximal 5 V messen. Um also 20 V innerhalb des 5 V-Bereichs zu erreichen, wird hier ein 4: 1-Spannungsteiler verwendet (als 20 V / 4 = 5 V). Wir könnten das also einfach mit zwei Widerständen implementieren, aber in unserem Fall habe ich einen Pot zwischen zwei Festwiderständen hinzugefügt, damit wir die Genauigkeit manuell durch Drehen des Pots einstellen können. Die Auflösung des ADC beträgt 10 Bit, dh der ADC stellt die 0v bis 5v als 0 bis 1023 Dezimalzahlen oder 00h bis 3FFh dar. ('h' steht für Hex-Zahlen). Die Referenz wird extern über den Aref-Pin auf 5v gesetzt.

Die gemessene Spannung = (ADC-Messwert) x (Vref = 5 V) x (Widerstandsteilerfaktor, dh 4 in diesem Fall) / (maximaler AD-Messwert, dh 1023 für 10 Bit-ADC).

Angenommen, wir erhalten einen ADC-Wert von 512. Dann ist die gemessene Spannung -

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

Berechnung der aktuellen Messung:

Der ACS714 liefert am Ausgangspin einen stabilen 2,5-V-Ausgang, wenn kein Strom von IP+ in Richtung IP- fließt 2,5 V + (0,185 x 3) V = 3,055 V an seinem Ausgangsstift.

Die aktuelle Messformel lautet also wie folgt -

Gemessener Strom = (((adc-Messwert) * (Vref = 5 V) / 1023) - 2,5) / 0,185.

zum Beispiel beträgt der ADC-Wert 700, dann beträgt der gemessene Strom - (((700 x 5)/1023) - 2,5) / 0,185 = 4,98 A.

Schritt 6: Die Software

Die Software ist in Winavr mit GCC codiert. Ich habe den Code modularisiert, dh ich habe verschiedene Bibliotheken wie die Adc-Bibliothek, die LCD-Bibliothek usw. erstellt. Die Adc-Bibliothek enthält die notwendigen Befehle zum Einrichten und zur Interaktion mit dem Adc Funktionen zum Ansteuern des 16x2-LCD. Sie können auch die lcd_updated _library.c verwenden, da die Startsequenz des LCD in dieser Bibliothek geändert wird. Wenn Sie die aktualisierte Bibliothek verwenden möchten, benennen Sie sie in lcd.c um

Die Datei main.c enthält die wichtigsten Funktionen. Das Ladeprotokoll für Li-Ion ist hier geschrieben. Bitte definieren Sie die ref_volt in der main.c, indem Sie die Ausgabe von U2 (7805) mit einem präzisen Multimeter messen, um genaue Messwerte als Berechnungen zu erhalten basieren darauf.

Sie können die.hex-Datei einfach direkt in Ihren mega8 brennen, um den Headche zu umgehen.

Für diejenigen, die ein anderes Ladeprotokoll schreiben möchten, habe ich genug Kommentare geschrieben, mit denen auch ein Kind verstehen kann, was bei jeder Linienausführung vor sich geht. Sie müssen nur Ihr eigenes Protokoll für verschiedene Batterietypen schreiben. Wenn Sie Li- Ionen unterschiedlicher Spannung, müssen Sie nur die Parameter ändern.

Ich empfehle dringend, diese Schaltung nicht zu bauen, wenn dies Ihr erstes Projekt ist oder Sie neu in der Mikrocontroller- / Leistungselektronik sind.

Ich habe jede einzelne Datei im Originalformat hochgeladen, mit Ausnahme des Makefiles, da es Probleme beim Öffnen verursacht. Ich habe sie im.txt-Format hochgeladen. Kopieren Sie einfach den Inhalt und fügen Sie ihn in ein neues Makefile ein und erstellen Sie das gesamte Projekt. Voila…. Sie sind bereit, die Hex-Datei zu brennen.

Schritt 7: Genug der Theorie…..lass es uns bauen

Hier sind die Bilder meines Prototyps vom Steckbrett bis zum fertigen in der Leiterplatte. Bitte gehen Sie die Notizen der Bilder durch, um mehr zu erfahren. Die Bilder sind von Anfang bis Ende seriell angeordnet.

Schritt 8: Vor dem ersten Ladezyklus……. Kalibrieren!!

Bevor Sie einen Akku mit dem Ladegerät aufladen, müssen Sie ihn zuerst kalibrieren. Andernfalls kann der Akku nicht geladen/überladen werden.

Es gibt zwei Arten der Kalibrierung 1) Spannungskalibrierung. 2) Aktuelle Kalibrierung. Die Schritte zur Kalibrierung sind wie folgt.

Messen Sie zuerst die Ausgangsspannung des U2. Definieren Sie sie dann in main.c als ref_volt. Mine war 5.01. Ändern Sie sie gemäß Ihrer Messung. Dies ist der wichtigste Schritt für die Spannungs- und Stromkalibrierung. Für die Stromkalibrierung nichts alles andere wird von der Software selbst erledigt

Nachdem Sie nun die Hex-Datei gebrannt haben, nachdem Sie die Referenzspannung in main.c definiert haben, beenden Sie die Stromversorgung des Geräts.

. Messen Sie nun mit einem Multimeter die zu ladende Batteriespannung und schließen Sie die Batterie an das Gerät an.

Drücken Sie nun die S1-Taste und halten Sie sie gedrückt und schalten Sie den Stromkreis ein, während die Taste gedrückt wird. Lassen Sie die Taste S1 nach einer kurzen Verzögerung von etwa 1 s los. Beachten Sie, dass das Gerät nicht in den Kalibrierungsmodus wechselt, wenn Sie zuerst den Stromkreis einschalten und dann drücken S1.

Jetzt können Sie im Display sehen, dass die Schaltung in den Kalibrierungsmodus geschaltet ist. Ein "Kal-Modus" wird im LCD zusammen mit der Batteriespannung angezeigt. Passen Sie nun die auf dem LCD angezeigte Batteriespannung mit Ihrem Multimeter-Messwert durch Drehen des Potis an. Wenn Sie fertig sind, drücken Sie den S1-Schalter erneut, halten Sie ihn etwa eine Sekunde lang gedrückt und lassen Sie ihn los. Sie verlassen den Kalibrierungsmodus. Setzen Sie das Ladegerät erneut zurück, indem Sie es aus- und wieder einschalten.

Der obige Vorgang kann auch ohne angeschlossene Batterie durchgeführt werden. Sie müssen eine externe Stromquelle an den Ausgangsanschluss (J2) anschließen. Nachdem Sie in den Kalibrierungsmodus gewechselt sind, kalibrieren Sie mit dem Pot. Aber diesmal trennen Sie zuerst die externe Stromquelle und drücken dann S1, um den Kalibrierungsmodus zu verlassen. Dies ist notwendig, um zuerst die externe Stromquelle zu trennen, um jegliche Art von Fehlfunktion von Geräten zu vermeiden.

Schritt 9: Einschalten nach der Kalibrierung…..jetzt sind Sie bereit zu rocken

Nachdem die Kalibrierung abgeschlossen ist, können Sie nun den Ladevorgang starten. Schließen Sie zuerst den Akku an und schalten Sie dann das Gerät ein. Den Rest erledigt das Ladegerät.

Meine Schaltung ist zu 100% funktionsfähig und getestet. Aber wenn Sie etwas bemerken, lassen Sie es mich bitte wissen. Bei Fragen können Sie sich auch gerne an uns wenden.

Fröhliches Bauen.

Rgds//Sharanya