7.4V dua langkah sirkuit pengisi daya baterai lithium

Kemajuan Kendaraan Listrik, Drone, dan perangkat elektronik seluler lainnya seperti Perangkat IoT tampaknya menjanjikan untuk masa depan. Satu hal yang umum di antara semua ini adalah bahwa semuanya didukung oleh baterai. Mengikuti hukum Moore, perangkat elektronik cenderung menjadi lebih kecil dan lebih dapat diminum, perangkat portabel ini harus memiliki sumber daya sendiri untuk beroperasi. Pilihan baterai paling umum untuk elektronik portabel saat ini adalah Baterai Lithium Ion atau Lithium Polymer. Meskipun Baterai ini memiliki kepadatan muatan yang sangat baik, secara kimiawi Baterai tidak stabil dalam kondisi yang keras sehingga harus berhati-hati saat mengisi daya dan menggunakannya.

Dalam proyek ini kami akan membangun pengisi daya Baterai Dua Tahap (CC dan CV) yang dapat digunakan untuk mengisi baterai lithium ion atau baterai lithium polymer. The rangkaian pengisi baterai dirancang untuk 7.4V lithium baterai (dua 18650 di Seri) yang biasa saya gunakan di sebagian robotika memproyeksikan tapi sirkuit dapat dengan mudah dimodifikasi untuk menyesuaikan Paket baterai yang lebih rendah atau sedikit lebih tinggi seperti ke membangun 3,7 lithium battery charger atau Pengisi daya baterai lithium ion 12v. Seperti yang Anda ketahui, ada Pengisi daya siap pakai untuk baterai ini, tetapi yang murah sangat lambat dan yang cepat sangat mahal. Jadi di sirkuit ini saya memutuskan untuk membangun charger kasar sederhana dengan IC LM317 dengan mode CC dan CV. Juga, apa yang lebih menyenangkan daripada membangun gadget Anda sendiri dan belajar dalam prosesnya.

Ingatlah bahwa baterai Lithium harus ditangani dengan hati-hati. Pengisian yang berlebihan atau korslet dapat menyebabkan ledakan dan bahaya kebakaran, jadi tetap aman di sekitarnya. Jika Anda benar-benar baru mengenal baterai lithium, saya sangat menyarankan Anda untuk membaca artikel baterai Lithium, sebelum melanjutkan lebih jauh. Karena itu, mari masuk ke proyek.

Mode CC dan CV untuk Pengisi Daya Baterai:

Charger yang akan kita buat disini adalah Two Step Charger, artinya akan memiliki dua mode pengisian yaitu Constant Charge (CC) dan Constant Voltage (CV). Dengan menggabungkan kedua mode ini kita akan dapat mengisi baterai lebih cepat dari biasanya.

Muatan Konstan (CC):

Mode pertama yang akan beroperasi adalah mode CC. Di sini jumlah arus pengisian yang harus masuk ke baterai tetap. Untuk menjaga arus ini, tegangan akan divariasikan.

Tegangan Konstan (CV):

Setelah mode CC selesai, mode CV akan diaktifkan. Di sini Tegangan akan dijaga tetap dan arus akan diizinkan untuk bervariasi sesuai dengan kebutuhan pengisian baterai.

Dalam kasus kami, kami memiliki paket baterai Lithium 7.4V, yang tidak lain adalah dua sel 18650 dari 3.7V yang masing-masing dihubungkan secara seri (3.7V + 3.7V = 7.4V). Paket baterai ini harus diisi ketika voltase turun hingga 6,4V (3,2V per sel) dan dapat diisi hingga 8,4V (4,2V per sel). Karenanya nilai-nilai ini sudah ditetapkan untuk paket baterai kami.

Selanjutnya kami telah memutuskan arus pengisian dalam mode CC, ini biasanya dapat ditemukan di lembar data baterai dan nilainya tergantung pada peringkat Ah baterai. Dalam kasus kami, saya telah memutuskan nilai 800mA sebagai arus Pengisian Konstan. Jadi awalnya ketika baterai terhubung untuk pengisian, pengisi daya harus masuk ke mode CC dan mendorong 800mA ke baterai dengan memvariasikan tegangan pengisian sesuai. Ini akan mengisi baterai dan voltase baterai akan mulai meningkat secara perlahan.

Karena kami mendorong arus deras ke dalam baterai dengan nilai tegangan yang lebih tinggi, kami tidak dapat membiarkannya di CC hingga baterai terisi penuh. Kita harus menggeser charger dari mode CC ke mode CV saat tegangan baterai sudah mencapai nilai yang cukup besar. Paket baterai kami di sini harus 8,4V saat terisi penuh sehingga kami dapat menggesernya dari mode CC ke mode CV pada 8,2V.

Setelah pengisi daya bergeser ke mode CV, kita harus menjaga tegangan konstan, nilai tegangan konstan dalam kasus kami adalah 8,6V. Baterai akan menghabiskan lebih sedikit arus dalam mode CV daripada mode CC karena baterai hampir diisi dalam mode CC itu sendiri. Karenanya pada 8.6V tetap baterai akan mengkonsumsi lebih sedikit arus dan arus ini akan berkurang saat baterai terisi. Jadi kita harus memonitor arus ketika mencapai nilai yang sangat rendah katakanlah kurang dari 50mA kita asumsikan baterai sudah terisi penuh dan lepaskan baterai dari charger secara otomatis menggunakan relay.

Untuk meringkas kita dapat membuat daftar prosedur pengisian baterai sebagai berikut

Masuk ke mode CC dan isi baterai dengan arus Teratur 800mA tetap.
Pantau voltase baterai dan saat sudah mencapai 8,2V geser ke CV Mode.
Dalam mode CV, isi baterai dengan Tegangan Teratur 8.6V tetap.
Pantau arus pengisian saat berkurang.
Ketika arus mencapai 50mA lepaskan baterai dari pengisi daya secara otomatis.

Nilai 800mA, 8,2V dan 8,6V ditetapkan karena kami memiliki paket baterai lithium 7,4V. Anda dapat dengan mudah mengubah nilai-nilai ini sesuai kebutuhan kemasan baterai Anda. Perhatikan juga bahwa ada banyak pengisi daya panggung. Pengisi daya dua tahap seperti ini adalah yang paling umum digunakan. Dalam pengisi daya tiga tahap, tahapannya adalah CC, CV, dan float. Dalam pengisi daya empat atau enam tahap, hambatan internal, suhu dll akan dipertimbangkan. Sekarang, setelah kita memiliki pemahaman singkat tentang bagaimana pengisi daya dua langkah sebenarnya bekerja, mari masuk ke Diagram Sirkuit.

Diagram Sirkuit

Diagram rangkaian lengkap untuk charger baterai lithium ini dapat dilihat di bawah ini. Rangkaian dibuat dengan menggunakan EasyEDA dan PCB juga akan dibuat dengan menggunakan yang sama.

Seperti yang Anda lihat, sirkuitnya cukup sederhana. Kami telah menggunakan dua IC regulator tegangan Variabel LM317, satu untuk mengatur Arus dan yang lainnya untuk mengatur Tegangan. Relai pertama digunakan untuk beralih antara mode CC dan CV dan relai kedua digunakan untuk menghubungkan atau melepaskan baterai ke pengisi daya. Mari kita pecahkan sirkuit menjadi beberapa segmen dan pahami desainnya.

Regulator Arus LM317

IC LM317 dapat bertindak sebagai pengatur arus dengan bantuan resistor tunggal. Sirkuit yang sama ditunjukkan di bawah ini

Untuk pengisi daya kami, kami perlu mengatur arus 800mA seperti yang dibahas di atas. Rumus untuk menghitung nilai resistor untuk arus yang dibutuhkan diberikan dalam lembar data sebagai

Resistor (Ohm) = 1,25 / Arus (Amps)

Dalam kasus kami nilai arus adalah 0.8A dan untuk itu kami mendapatkan nilai 1,56 Ohm sebagai nilai resistor. Tetapi nilai terdekat yang bisa kita gunakan adalah 1,5 Ohm yang disebutkan dalam diagram rangkaian di atas.

Regulator Tegangan LM317

Untuk mode CV charger lithium battey kita harus mengatur voltase ke 8.6V seperti yang sudah dibahas sebelumnya. Sekali lagi LM317 dapat melakukan ini hanya dengan bantuan dua resistor. Sirkuit yang sama ditunjukkan di bawah ini.

Rumus untuk menghitung tegangan keluaran untuk Regulator LM317 diberikan sebagai

Dalam kasus kami tegangan keluaran (Vout) harus 8,6V, dan nilai R1 (di sini R2) harus kurang dari 1000 ohm jadi saya telah memilih nilai 560 Ohm. Dengan ini jika kita menghitung nilai R2 kita mendapatkannya menjadi 3,3k Ohm. Atau Anda dapat menggunakan nilai kombinasi resistor apa pun asalkan Anda mendapatkan tegangan output menjadi 8.6V. Anda bisa menggunakan Kalkulator LM317 online ini untuk mempermudah pekerjaan Anda.

Relay Arrangement untuk beralih antara mode CC dan CV

Kami memiliki dua Relay 12V, yang masing-masing digerakkan oleh Arduino melalui transistor BC547 NPN. Kedua susunan Relay ditunjukkan di bawah ini

The Pertama Relay digunakan untuk beralih antara CC dan CV modus pengisi daya, Relay ini dipicu oleh pin Arduino diberi label sebagai “Mode”. Secara default, relai berada dalam mode CC saat dipicu, relai berubah dari mode CC ke mode CV.

Demikian pula Relai kedua digunakan untuk menghubungkan atau melepaskan pengisi daya dari Baterai; Relay ini dipicu oleh pin Arduino yang diberi label "Charge". Secara default, relai melepaskan baterai dari pengisi daya, ketika dipicu, relai menghubungkan pengisi daya ke baterai. Selain itu, dua dioda D1 dan D2 digunakan untuk melindungi rangkaian dari arus balik dan Resistor 1K R4 dan R5 digunakan untuk membatasi arus yang mengalir melalui basis transistor.

Mengukur Tegangan Baterai Lithium

Untuk memantau proses charging kita harus mengukur tegangan aki, barulah kita bisa menggeser charger dari mode CC ke mode CV saat tegangan aki mencapai 8.2V seperti yang dibahas. Teknik yang paling umum digunakan untuk mengukur tegangan dengan Mikrokontroler seperti Arduino adalah dengan menggunakan rangkaian Pembagi Tegangan. Yang digunakan di sini ditunjukkan di bawah.

Seperti yang kita ketahui tegangan maksimum yang dapat diukur oleh pin Arduino Analog adalah 5V, tetapi baterai kita bisa mencapai 8,6V dalam mode CV jadi kita perlu menurunkannya ke tegangan yang lebih rendah. Ini persis dilakukan oleh rangkaian pembagi tegangan. Anda dapat menghitung nilai resistor dan mengetahui lebih banyak tentang pembagi tegangan dengan menggunakan kalkulator pembagi tegangan online ini. Di sini kita telah menyimpulkan tegangan keluaran setengah dari tegangan masukan asli, tegangan keluaran ini kemudian dikirim ke pin Arduino Analog melalui label " B_Voltage ". Nanti kita dapat mengambil nilai asli saat memprogram Arduino.

Mengukur Arus Pengisian

Parameter penting lainnya yang akan diukur adalah arus pengisian. Selama mode CV, baterai akan diputuskan ke pengisi daya saat arus pengisian turun di bawah 50mA yang menunjukkan pengisian selesai. Ada banyak cara untuk mengukur arus, cara yang paling umum digunakan adalah dengan menggunakan resistor shunt. Sirkuit yang sama ditunjukkan di bawah ini

Konsep di baliknya adalah hukum ohm sederhana. Seluruh arus yang mengalir ke baterai dialirkan melalui resistor shunt 2.2R. Kemudian menurut hukum Ohm (V = IR) kita tahu bahwa penurunan tegangan pada resistor ini akan sebanding dengan arus yang mengalir melaluinya. Karena kita mengetahui nilai resistor dan Tegangan yang melewatinya dapat diukur menggunakan pin Arduino Analog, nilai arus dapat dengan mudah dihitung. Nilai penurunan tegangan pada resistor dikirim ke Arduino melalui label "B_Current ". Kita ketahui arus pengisian maksimum akan menjadi 800mA sehingga dengan menggunakan rumus V = IR dan P = I ² R kita dapat menghitung nilai Resistance dan nilai Power dari Resistor tersebut.

Arduino dan LCD

Akhirnya di sisi Arduino kita harus menghubungkan LCD dengan Arduino untuk menampilkan Proses pengisian kepada pengguna dan mengontrol pengisian dengan mengukur tegangan, arus dan kemudian memicu Relai yang sesuai.

Arduino Nano memiliki pengatur Tegangan on-board sehingga tegangan suplai diberikan ke Vin dan 5V yang diatur digunakan untuk menjalankan Arduino dan layar LCD 16x2. Tegangan dan Arus dapat diukur dengan pin Analog A0 dan A1 masing-masing menggunakan label "B_Voltage" dan "B_Current". Relay dapat dipicu dengan mengaktifkan pin GPIO D8 dan D9 yang dihubungkan melalui label “Mode” dan “Charge”. Setelah skema siap kita dapat melanjutkan dengan pembuatan PCB.

Desain dan Fabrikasi PCB menggunakan EasyEDA

Untuk merancang Sirkuit pengisi daya baterai Lithum ini, kami telah memilih alat EDA online yang disebut EasyEDA. Saya sebelumnya telah menggunakan EasyEDA beberapa kali dan merasa sangat nyaman untuk digunakan karena memiliki koleksi footprint yang bagus dan bersifat open-source. Setelah mendesain PCB, kita dapat memesan sampel PCB melalui layanan fabrikasi PCB berbiaya rendah. Mereka juga menawarkan layanan sumber komponen di mana mereka memiliki stok besar komponen elektronik dan pengguna dapat memesan komponen yang diperlukan bersama dengan pesanan PCB.

Saat mendesain sirkuit dan PCB, Anda juga dapat membuat desain sirkuit dan PCB Anda menjadi publik sehingga pengguna lain dapat menyalin atau mengeditnya dan dapat memanfaatkan pekerjaan Anda, kami juga telah membuat seluruh layout Sirkuit dan PCB kami publik untuk sirkuit ini, periksa tautan di bawah ini:

easyeda.com/CircuitDigest/7.4V-Lithium-Charger-with-MCU

Anda dapat melihat setiap Layer (Atas, Bawah, Topsilk, bottomsilk dll) dari PCB dengan memilih layer dari Window 'Layers'. Anda juga dapat melihat PCB Pengisi Daya Baterai Lithium, bagaimana tampilannya setelah pembuatan menggunakan tombol Tampilan Foto di EasyEDA:

Menghitung dan Memesan Sampel secara online

Setelah menyelesaikan desain PCB Pengisi Daya Baterai Lithium ini, Anda dapat memesan PCB tersebut melalui JLCPCB.com. Untuk memesan PCB dari JLCPCB, Anda membutuhkan File Gerber. Untuk mendownload file Gerber dari PCB anda cukup klik tombol Generate Fabrication File di halaman editor EasyEDA, kemudian download file Gerber dari sana atau anda bisa klik Order di JLCPCB seperti gambar dibawah ini. Ini akan mengarahkan Anda ke JLCPCB.com, di mana Anda dapat memilih jumlah PCB yang ingin Anda pesan, berapa banyak lapisan tembaga yang Anda butuhkan, ketebalan PCB, berat tembaga, dan bahkan warna PCB, seperti gambar di bawah ini:

Setelah mengklik pesan di tombol JLCPCB, Anda akan dibawa ke situs JLCPCB di mana Anda dapat memesan PCB dengan harga sangat rendah yaitu $ 2. Waktu pembuatannya juga sangat kurang yaitu 48 jam dengan pengiriman DHL 3-5 hari, pada dasarnya Anda akan mendapatkan PCB dalam waktu seminggu setelah pemesanan.

Setelah memesan PCB, Anda dapat memeriksa Progres Produksi PCB Anda dengan tanggal dan waktu. Anda memeriksanya dengan masuk ke halaman Akun dan klik tautan "Kemajuan Produksi" di bawah PCB seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Setelah beberapa hari memesan PCB, saya mendapatkan sampel PCB dalam kemasan yang bagus seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Setelah memastikan jejak dan jejak kaki sudah benar. Saya melanjutkan dengan merakit PCB, saya menggunakan header wanita untuk menempatkan Arduino Nano dan LCD sehingga saya dapat menghapusnya nanti jika saya membutuhkannya untuk proyek lain. Papan yang benar-benar disolder terlihat seperti ini di bawah ini

Memprogram Arduino untuk Pengisian Baterai Lithium dua langkah

Setelah perangkat keras siap, kita dapat melanjutkan dengan menulis kode untuk Arduino Nano. Program lengkap untuk proyek ini disediakan di bagian bawah halaman, Anda dapat mengunggahnya langsung ke Arduino Anda. Sekarang, mari kita pecahkan program menjadi cuplikan kecil dan pahami apa yang sebenarnya dilakukan kode tersebut.

Seperti biasa kita mulai program dengan inisialisasi pin I / O. Seperti yang kita ketahui dari perangkat keras kita, pin A0 dan A2 digunakan untuk mengukur tegangan dan arus masing-masing dan pin D8 dan D9 digunakan untuk mengontrol relai Mode dan relai Pengisian. Kode untuk mendefinisikan hal yang sama ditunjukkan di bawah ini

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Sebutkan nomor pin untuk koneksi LCD LCD LiquidCrystal (rs, en, d4, d5, d6, d7); Int Mengisi = 9; // Pin untuk menghubungkan atau melepaskan baterai ke sirkuit int Mode = 8; // Sematkan untuk beralih antara mode CC dan mode CV ke Voltage_divider = A0; // Untuk mengukur Tegangan baterai int Shunt_resistor = A1; // Untuk mengukur pengisian float saat ini Charge_Voltage; float Charge_current;

Di dalam fungsi pengaturan , kami menginisialisasi fungsi LCD dan menampilkan pesan intro di layar. Kami juga mendefinisikan pin relai sebagai pin keluaran. Kemudian picu relai pengisian daya, sambungkan baterai ke pengisi daya dan secara default pengisi daya tetap dalam mode CC.

void setup () { lcd.begin (16, 2); // Inisialisasi 16 * 2 LCD lcd.print ("7.4V Li + charger"); // Baris Pesan Intro 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Baris Pesan Intro 2 lcd.clear (); pinMode (Mengisi, OUTPUT); pinMode (Mode, OUTPUT); digitalWrite (Charge, HIGH); // Mulai Chargig Awalnya dengan menghubungkan baterai digitalWrite (Mode, LOW); // TINGGI untuk mode CV dan RENDAH dari mode CC, awalnya penundaan mode CC (1000); }

Selanjutnya, di dalam fungsi infinite loop , kita memulai program dengan mengukur Tegangan Baterai dan arus Pengisian. Nilai 0,0095 dan 1,78 dikalikan dengan nilai Analog untuk mengubah 0 hingga 1024 menjadi nilai tegangan dan arus aktual Anda dapat menggunakan multimeter dan penjepit meter untuk mengukur nilai nyata dan kemudian menghitung nilai pengali. Itu juga secara teoritis menghitung nilai pengali berdasarkan resistor yang telah kami gunakan tetapi tidak seakurat yang saya harapkan.

// Ukur tegangan dan arus pada awalnya Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Ukur Tegangan Baterai Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Ukur arus pengisian

Jika Charge Voltage kurang dari 8.2V kita masuk ke mode CC dan jika lebih tinggi dari 8.2V maka kita masuk ke mode CV. Setiap mode memiliki while -nya sendiri. Di dalam loop mode CC kami menyimpan pin Mode sebagai RENDAH untuk tetap dalam mode CC dan kemudian terus memantau tegangan dan arus. Jika tegangan melebihi tegangan ambang 8,2V kami memutuskan loop CC menggunakan pernyataan putus. Status tegangan pengisian juga ditampilkan pada LCD di dalam loop CC.

// Jika tegangan baterai kurang dari 8.2V masuk ke mode CC sementara (Charge_Voltage <8.2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Tetap dalam mode CC // Ukur Tegangan dan Arus Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0095; // Ukur Tegangan Baterai Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Mengukur arus pengisian // cetak detials pada LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Dalam mode CC"); penundaan (1000); lcd.clear (); // Periksa apakah kita harus keluar dari mode CC jika (Charge_Voltage> = 8.2) // Jika ya { digitalWrite (Mode, HIGH); // Ubah ke mode CV istirahat; } }

Teknik yang sama juga dapat diikuti untuk mode CV. Jika voltase melebihi 8.2V charger masuk ke mode CV dengan membuat pin Mode tinggi. Ini menerapkan 8.6V konstan di seluruh baterai dan arus pengisian dibiarkan bervariasi berdasarkan kebutuhan baterai. Arus pengisian daya ini kemudian dimonitor dan ketika mencapai di bawah 50mA kita dapat menghentikan proses pengisian dengan melepaskan baterai dari pengisi daya. Untuk melakukan ini kita hanya perlu mematikan Charge relay seperti yang ditunjukkan pada kode di bawah ini

// Jika tegangan baterai lebih besar dari 8.2V masuk ke mode CV sementara (Charge_Voltage> = 8.2) // CV MODE Loop { digitalWrite (Mode, HIGH); // Tetap dalam mode CV // Ukur Tegangan dan Arus Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Ukur Tegangan Baterai Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Ukur arus pengisian daya // Tampilkan detail ke pengguna di LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.print ("I ="); lcd.print (Arus_ Biaya); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Dalam mode CV"); penundaan (1000); lcd.clear (); // Periksa apakah baterai sudah diisi dengan memantau arus pengisian jika (Charge_current <50) // Jika ya { digitalWrite (Charge, LOW); // Matikan pengisian sementara (1) // Biarkan pengisi daya sampai restart { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Pengisian Selesai."); penundaan (1000); lcd.clear (); } } } }

Bekerja dari Pengisi Daya Baterai Lithium Dua Langkah 7.4V

Setelah perangkat keras siap, unggah kode ke papan Arduino. Kemudian hubungkan baterai ke terminal pengisian papan. Pastikan Anda menghubungkannya dengan polaritas yang benar, membalik polaritas akan menyebabkan kerusakan serius pada baterai dan papan. Setelah menghubungkan daya baterai, pengisi daya menggunakan Adaptor 12V. Anda akan disambut dengan teks intro dan charger akan melanjutkan ke mode CC atau mode CV berdasarkan status baterai. Jika baterai benar-benar habis pada saat pengisian maka akan masuk ke mode CC dan LCD Anda akan menampilkan sesuatu seperti ini di bawah ini.

Saat baterai terisi, Tegangan akan meningkat seperti yang ditunjukkan pada video di bawah ini . Ketika tegangan ini mencapai 8.2V pengisi daya akan masuk ke mode CV dari mode CC dan sekarang akan menampilkan Tegangan dan arus seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Dari sini perlahan-lahan konsumsi baterai akan turun saat terisi. Ketika arus mencapai 50mA atau kurang, pengisi daya mengasumsikan baterai terisi penuh dan kemudian melepaskan baterai dari pengisi daya menggunakan relai dan menampilkan layar berikut. Setelah itu Anda dapat melepaskan baterai dari pengisi daya dan menggunakannya dalam aplikasi Anda.

Harap Anda memahami proyek tersebut dan menikmati membangunnya. Pekerjaan lengkap dapat ditemukan di video di bawah ini. Jika Anda memiliki pertanyaan, kirimkan di bagian komentar di bawah ini menggunakan forum untuk pertanyaan teknis lainnya. Sekali lagi sirkuit ini hanya untuk tujuan pendidikan jadi gunakanlah dengan tanggung jawab karena baterai lithium tidak stabil dalam kondisi yang keras.