Circuito cargador de batería de litio de dos pasos de 7,4 V

El avance en vehículos eléctricos, drones y otros dispositivos electrónicos móviles como los dispositivos IoT parece ser prometedor para el futuro. Una cosa común entre todos estos es que todos funcionan con baterías. Siguiendo la ley de Moore, los dispositivos electrónicos tienden a volverse más pequeños y más potables, estos dispositivos portátiles deben tener su propia fuente de energía para funcionar. La opción de batería más común para dispositivos electrónicos portátiles en la actualidad son las baterías de iones de litio o de polímero de litio. Si bien estas baterías tienen una densidad de carga muy buena, son químicamente inestables en condiciones difíciles, por lo que se debe tener cuidado al cargarlas y usarlas.

En este proyecto construiremos un cargador de batería de dos etapas (CC y CV) que podría usarse para cargar baterías de iones de litio o polímeros de litio. El circuito del cargador de batería está diseñado para un paquete de baterías de litio de 7.4V (dos 18650 en serie) que uso comúnmente en la mayoría de los proyectos de robótica, pero el circuito se puede modificar fácilmente para que quepa en paquetes de baterías más bajos o ligeramente más altos, como para construir un cargador de batería de litio 3.7 o Cargador de batería de iones de litio de 12v. Como sabrá, hay cargadores listos para usar disponibles para estas baterías, pero los que son baratos son muy lentos y los que son rápidos son muy caros. Entonces en este circuito decidí construir un cargador simple y crudo con circuitos integrados LM317 con modo CC y CV. Además, ¿qué es más divertido que construir tu propio dispositivo y aprender en su proceso?

Recuerde que las baterías de litio deben manipularse con cuidado. Sobrecargarlo o hacer un cortocircuito puede provocar una explosión o un incendio, así que manténgase a salvo cerca de él. Si es completamente nuevo en las baterías de litio, le recomiendo encarecidamente que lea el artículo sobre baterías de litio antes de continuar. Dicho esto, entremos en el proyecto.

Modo CC y CV para cargador de batería:

El cargador que intentamos construir aquí es un cargador de dos pasos, lo que significa que tendrá dos modos de carga, a saber, carga constante (CC) y voltaje constante (CV). Combinando estos dos modos podremos cargar la batería más rápido de lo habitual.

Carga constante (CC):

El primer modo en entrar en funcionamiento será el modo CC. Aquí se fija la cantidad de corriente de carga que debe ingresar a la batería. Para mantener esta corriente, el voltaje se variará en consecuencia.

Voltaje constante (CV):

Una vez que se completa el modo CC, se activa el modo CV. Aquí el voltaje se mantendrá fijo y se permitirá que la corriente varíe según el requisito de carga de la batería.

En nuestro caso tenemos una batería de litio de 7,4 V, que no es más que dos 18650 celdas de 3,7 V cada una conectadas en serie (3,7 V + 3,7 V = 7,4 V). Este paquete de baterías debe cargarse cuando el voltaje llegue a 6,4 V (3,2 V por celda) y se puede cargar hasta 8,4 V (4,2 V por celda). Por lo tanto, estos valores ya están fijados para nuestro paquete de baterías.

A continuación, hemos decidido la corriente de carga en modo CC, que normalmente se puede encontrar en la hoja de datos de la batería y el valor depende de la clasificación de Ah de la batería. En nuestro caso, he decidido un valor de 800 mA como corriente de carga constante. Entonces, inicialmente, cuando la batería está conectada para cargar, el cargador debe entrar en modo CC y presionar 800mA en la batería variando el voltaje de carga según. Esto cargará la batería y el voltaje de la batería comenzará a aumentar lentamente.

Dado que estamos introduciendo una corriente pesada en la batería con valores de voltaje más altos, no podemos dejarla en CC hasta que la batería esté completamente cargada. Tenemos que cambiar el cargador del modo CC al modo CV cuando el voltaje de la batería ha alcanzado un valor considerable. Nuestro paquete de baterías aquí debe ser de 8.4V cuando está completamente cargado para que podamos cambiarlo del modo CC al modo CV a 8.2V.

Una vez que el cargador ha cambiado a modo CV debemos mantener un voltaje constante, el valor de voltaje constante es de 8.6V en nuestro caso. La batería consumirá una corriente considerablemente menor en el modo CV que en el modo CC, ya que la batería está casi cargada en el modo CC. Por lo tanto, a 8,6 V fijos, la batería consumirá menos corriente y esta corriente se reducirá a medida que se cargue la batería. Entonces tenemos que monitorear la corriente cuando alcanza un valor muy bajo digamos menos de 50mA asumimos que la batería está completamente cargada y desconectamos la batería del cargador automáticamente usando un relé.

Para resumir, podemos enumerar el procedimiento de carga de la batería de la siguiente manera

1. Ingrese al modo CC y cargue la batería con una corriente regulada fija de 800 mA.
2. Controle el voltaje de la batería y cuando llegue a 8.2V cambie al modo CV.
3. En el modo CV, cargue la batería con un voltaje regulado fijo de 8,6 V.
4. Controle la corriente de carga a medida que se reduce.
5. Cuando la corriente alcance los 50 mA, desconecte la batería del cargador automáticamente.

Los valores 800mA, 8.2V y 8.6V son fijos porque tenemos un paquete de baterías de litio de 7.4V. Puede cambiar fácilmente estos valores según los requisitos de su paquete de baterías. También tenga en cuenta que existen muchos cargadores de escenario. Un cargador de dos etapas como este es el más utilizado. En un cargador de tres etapas, las etapas serán CC, CV y ​​flotación. En un cargador de cuatro o seis etapas, se considerará la resistencia interna, la temperatura, etc. Ahora que tenemos una breve comprensión de cómo debería funcionar realmente el cargador de dos pasos, entremos en el diagrama de circuito.

Diagrama de circuito

El diagrama de circuito completo para este cargador de batería de litio se puede encontrar a continuación. El circuito se realizó con EasyEDA y la PCB también se fabricará con el mismo.

Como puede ver, el circuito es bastante simple. Hemos utilizado dos circuitos integrados reguladores de voltaje variable LM317, uno para regular la corriente y el otro para regular el voltaje. El primer relé se usa para cambiar entre los modos CC y CV y ​​el segundo relé se usa para conectar o desconectar la batería del cargador. Dividamos el circuito en segmentos y entendamos su diseño.

Regulador de corriente LM317

El LM317 IC puede actuar como regulador de corriente con la ayuda de una sola resistencia. El circuito para el mismo se muestra a continuación.

Para nuestro cargador, necesitamos regular una corriente de 800 mA como se discutió anteriormente. La fórmula para calcular el valor de la resistencia para la corriente requerida se da en la hoja de datos como

Resistencia (ohmios) = 1,25 / corriente (amperios)

En nuestro caso, el valor de la corriente es 0.8A y para eso obtenemos un valor de 1.56 Ohms como valor de resistencia. Pero el valor más cercano que podríamos usar es 1.5 ohmios que se menciona en el diagrama de circuito anterior.

Regulador de voltaje LM317

Para el modo CV del cargador de batería de litio, tenemos que regular el voltaje a 8,6 V como se discutió anteriormente. Nuevamente, el LM317 puede hacer esto con la ayuda de solo dos resistencias. El circuito para el mismo se muestra a continuación.

La fórmula para calcular el voltaje de salida para un regulador LM317 se da como

En nuestro caso, el voltaje de salida (Vout) debería ser de 8,6 V, y el valor de R1 (aquí R2) debería ser inferior a 1000 ohmios, por lo que he seleccionado un valor de 560 ohmios. Con esto si calculamos el valor de R2 obtenemos que sea 3.3k Ohms. Alternativamente, puede usar cualquier valor de combinación de resistencias siempre que obtenga el voltaje de salida en 8,6 V. Puede utilizar esta calculadora LM317 en línea para facilitar su trabajo.

Disposición del relé para alternar entre el modo CC y CV

Tenemos dos relés de 12V, cada uno de los cuales es impulsado por Arduino a través del transistor NPN BC547. Tanto la disposición del relé se muestra a continuación

El primer relé se utiliza para alternar entre el modo CC y CV del cargador, este relé se activa mediante el pin Arduino etiquetado como "Modo". Por defecto, el relé está en modo CC cuando se activa, cambia del modo CC al modo CV.

De manera similar, el segundo relé se utiliza para conectar o desconectar el cargador de la batería; este relé es activado por el pin Arduino etiquetado como "Carga". Por defecto, el relé desconecta la batería del cargador, cuando se activa, conecta el cargador a la batería. Aparte de esto, los dos diodos D1 y D2 se utilizan para proteger el circuito de la corriente inversa y las resistencias 1K R4 y R5 se utilizan para limitar la corriente que fluye a través de la base del transistor.

Medición del voltaje de la batería de litio

Para monitorear el proceso de carga tenemos que medir el voltaje de la batería, solo entonces podemos cambiar el cargador del modo CC al modo CV cuando el voltaje de la batería alcanza los 8.2V como se discutió. La técnica más común utilizada para medir el voltaje con microcontroladores como Arduino es mediante el uso de un circuito divisor de voltaje. El que se usa aquí se muestra a continuación.

Como sabemos, el voltaje máximo que puede medir el pin Arduino Analog es de 5 V, pero nuestra batería podría llegar a 8,6 V en modo CV, por lo que debemos reducirlo a un voltaje más bajo. Esto se hace exactamente mediante el circuito divisor de voltaje. Puede calcular el valor de la resistencia y saber más sobre el divisor de voltaje utilizando esta calculadora de divisor de voltaje en línea. Aquí hemos deducido el voltaje de salida a la mitad del voltaje de entrada original, este voltaje de salida luego se envía al pin Arduino Analog a través de la etiqueta " B_Voltage ". Posteriormente podemos recuperar el valor original mientras programamos el Arduino.

Medición de la corriente de carga

Otro parámetro vital a medir es la corriente de carga. Durante el modo CV, la batería se desconectará del cargador cuando la corriente de carga sea inferior a 50 mA, lo que indica que la carga se completó. Hay muchos métodos para medir la corriente, el método más comúnmente utilizado es usar una resistencia de derivación. El circuito para el mismo se muestra a continuación.

El concepto detrás de esto es simple ley de ohmios. Se hace que toda la corriente que fluye hacia la batería fluya a través de la resistencia de derivación 2.2R. Entonces, por la ley de Ohm (V = IR), sabemos que la caída de voltaje a través de esta resistencia será proporcional a la corriente que fluye a través de ella. Como sabemos que el valor de la resistencia y el voltaje a través de él se puede medir usando el pin analógico Arduino, el valor de la corriente se puede calcular fácilmente. El valor de la caída de voltaje a través de la resistencia se envía a Arduino a través de la etiqueta "B_Current ". Sabemos que la corriente de carga máxima será de 800 mA, por lo que utilizando las fórmulas V = IR y P = I ² R podemos calcular el valor de resistencia y el valor de potencia de la resistencia.

Arduino y LCD

Finalmente, en el lado de Arduino, tenemos que conectar una pantalla LCD con Arduino para mostrar el proceso de carga al usuario y controlar la carga midiendo el voltaje, la corriente y luego activando los relés en consecuencia.

El Arduino Nano tiene un regulador de voltaje incorporado, por lo tanto, el voltaje de suministro se proporciona a Vin y los 5V regulados se utilizan para ejecutar el Arduino y la pantalla LCD de 16x2. El voltaje y la corriente se pueden medir mediante los pines analógicos A0 y A1, respectivamente, usando las etiquetas “B_Voltage” y “B_Current”. El relé se puede activar alternando los pines GPIO D8 y D9 que están conectados a través de las etiquetas "Modo" y "Carga". Una vez que los esquemas estén listos, podemos proceder con la fabricación de PCB.

Diseño y fabricación de PCB con EasyEDA

Para diseñar este Circuito cargador de batería Lithum, hemos elegido la herramienta EDA en línea llamada EasyEDA. Anteriormente he usado EasyEDA muchas veces y lo encontré muy conveniente de usar ya que tiene una buena colección de huellas y es de código abierto. Después de diseñar la PCB, podemos solicitar las muestras de PCB mediante sus servicios de fabricación de PCB de bajo costo. También ofrecen un servicio de abastecimiento de componentes donde tienen un gran stock de componentes electrónicos y los usuarios pueden solicitar los componentes necesarios junto con el pedido de PCB.

Mientras diseña sus circuitos y PCB, también puede hacer públicos sus diseños de circuitos y PCB para que otros usuarios puedan copiarlos o editarlos y puedan beneficiarse de su trabajo, también hemos hecho públicos todos nuestros diseños de circuitos y PCB para este circuito, verifique el siguiente enlace:

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

Puede ver cualquier Capa (Superior, Inferior, Topsilk, bottomsilk, etc.) de la PCB seleccionando la capa de la Ventana 'Capas'. También puede ver la PCB del cargador de batería de litio, cómo se verá después de la fabricación usando el botón Vista de fotos en EasyEDA:

Cálculo y pedido de muestras en línea

Después de completar el diseño de este PCB cargador de batería de litio, puede solicitar el PCB a través de JLCPCB.com. Para pedir el PCB de JLCPCB, necesita Gerber File. Para descargar archivos Gerber de su PCB, simplemente haga clic en el botón Generar archivo de fabricación en la página del editor EasyEDA, luego descargue el archivo Gerber desde allí o puede hacer clic en Solicitar en JLCPCB como se muestra en la imagen de abajo. Esto lo redireccionará a JLCPCB.com, donde puede seleccionar la cantidad de PCB que desea pedir, cuántas capas de cobre necesita, el grosor de la PCB, el peso del cobre e incluso el color de la PCB, como la instantánea que se muestra a continuación:

Después de hacer clic en el botón de pedido en JLCPCB, lo llevará al sitio web de JLCPCB, donde puede solicitar el PCB a una tarifa muy baja, que es de $ 2. Su tiempo de construcción también es muy inferior, que es de 48 horas con una entrega de DHL de 3-5 días, básicamente obtendrá sus PCB dentro de una semana de realizar el pedido.

Después de pedir la PCB, puede verificar el progreso de producción de su PCB con fecha y hora. Puede verificarlo yendo a la página de Cuenta y haciendo clic en el enlace "Progreso de producción" debajo del PCB como, que se muestra en la imagen de abajo.

Después de unos días de ordenar PCB, obtuve las muestras de PCB en un buen empaque como se muestra en las imágenes a continuación.

Después de asegurarse de que las pistas y las huellas fueran correctas. Procedí a ensamblar el PCB, usé encabezados hembra para colocar el Arduino Nano y el LCD para poder quitarlos más tarde si los necesito para otros proyectos. La placa completamente soldada se ve así a continuación

Programación del Arduino para carga de batería de litio de dos pasos

Una vez que el hardware esté listo, podemos proceder a escribir el código del Arduino Nano. El programa completo para este proyecto se proporciona en la parte inferior de la página, puede cargarlo directamente en su Arduino. Ahora, dividamos el programa en pequeños fragmentos y entendamos qué hace realmente el código.

Como siempre empezamos el programa de inicialización de los pines de E / S. Como sabemos por nuestro hardware, los pines A0 y A2 se utilizan para medir el voltaje y la corriente respectivamente y los pines D8 y D9 se utilizan para controlar el relé de modo y el relé de carga. El código para definir lo mismo se muestra a continuación.

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Mencione el número de pin para la conexión LCD LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); int Cargo = 9; // Pin para conectar o desconectar la batería al circuito int Mode = 8; // Pin para alternar entre el modo CC y el modo CV int Voltage_divider = A0; // Para medir el voltaje de la batería int Shunt_resistor = A1; // Para medir la corriente de carga float Charge_Voltage; float Charge_current;

Dentro de la función de configuración , inicializamos la función LCD y mostramos un mensaje de introducción en la pantalla. También definimos los pines del relé como pines de salida. Luego active el relé de carga, conecte la batería al cargador y, por defecto, el cargador permanece en modo CC.

configuración vacía () { lcd.begin (16, 2); // Inicializar 16 * 2 LCD lcd.print ("7.4V Li + cargador"); // Mensaje de introducción, línea 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Mensaje de introducción línea 2 lcd.clear (); pinMode (carga, SALIDA); pinMode (Modo, SALIDA); digitalWrite (carga, ALTA); // Inicie Chargig inicialmente conectando la batería digitalWrite (Mode, LOW); // HIGH para el modo CV y ​​LOW para el modo CC, inicialmente el retardo del modo CC (1000); }

A continuación, dentro de la función de bucle infinito, comenzamos el programa midiendo el voltaje de la batería y la corriente de carga. El valor 0.0095 y 1.78 se multiplica por el valor analógico para convertir 0 a 1024 en voltaje real y valor actual. Puede usar un multímetro y una pinza amperimétrica para medir el valor real y luego calcular el valor del multiplicador. También teóricamente calcula los valores del multiplicador en función de las resistencias que hemos utilizado, pero no fue tan preciso como esperaba.

// Mide el voltaje y la corriente inicialmente Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0092; // Medir el voltaje de la batería Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Medir la corriente de carga

Si el Voltaje de Carga es menor a 8.2V entramos en modo CC y si es superior a 8.2V entramos en modo CV. Cada modo tiene su propio tiempo de bucle. Dentro del bucle del modo CC, mantenemos el pin de modo en BAJO para permanecer en el modo CC y luego seguir monitoreando el voltaje y la corriente. Si el voltaje excede el voltaje umbral de 8.2V, rompemos el circuito CC usando una declaración de interrupción. El estado del voltaje de carga también se muestra en la pantalla LCD dentro del bucle CC.

// Si el voltaje de la batería es inferior a 8.2V, ingrese al modo CC mientras (Charge_Voltage <8.2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Permanecer en modo CC // Medir voltaje y corriente Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0095; // Medir el voltaje de la batería Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Mida corriente de carga // impresión detials en la pantalla LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("En modo CC"); retraso (1000); lcd.clear (); // Compruebe si tenemos que salir del modo CC if (Charge_Voltage> = 8.2) // Si es así { digitalWrite (Mode, HIGH); // Cambiar al modo CV break; } }

La misma técnica se puede seguir también para el modo CV. Si el voltaje supera los 8,2 V, el cargador entra en modo CV haciendo que el pin de modo sea alto. Esto aplica una constante de 8,6 V a través de la batería y la corriente de carga puede variar según los requisitos de la batería. Luego, esta corriente de carga se monitorea y cuando llega a menos de 50 mA, podemos terminar el proceso de carga desconectando la batería del cargador. Para hacer esto simplemente tenemos que apagar el relé de carga como se muestra en el código a continuación

// Si el voltaje de la batería es superior a 8.2V, ingrese al modo CV while (Charge_Voltage> = 8.2) // CV MODE Loop { digitalWrite (Mode, HIGH); // Permanecer en modo CV // Medir voltaje y corriente Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0.0092; // Medir el voltaje de la batería Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Medir la corriente de carga // Mostrar los detalles al usuario en LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("En modo CV"); retraso (1000); lcd.clear (); // Verifique si la batería está cargada monitoreando la corriente de carga si (Charge_current <50) // Si es así { digitalWrite (carga, BAJA); // Apague la carga mientras (1) // Mantenga el cargador apagado hasta reiniciar { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Carga completa"); retraso (1000); lcd.clear (); } } } }

Funcionamiento del cargador de batería de litio de dos pasos de 7,4 V

Una vez que el hardware esté listo, cargue el código en la placa Arduino. Luego conecte la batería al terminal de carga de la placa. Asegúrese de conectarlos en la polaridad correcta, invertir la polaridad causará daños graves a la batería y la placa. Después de conectar la batería, alimente el cargador con un adaptador de 12V. Se le dará la bienvenida con un texto de introducción y el cargador pasará al modo CC o al modo CV según el estado de la batería. Si la batería está completamente descargada en el momento de la carga, entrará en modo CC y su pantalla LCD mostrará algo como esto a continuación.

A medida que la batería se carga, el voltaje aumentará como se muestra en el video a continuación . Cuando este voltaje alcance 8.2V, el cargador ingresará al modo CV desde el modo CC y ahora mostrará tanto el voltaje como la corriente como se muestra a continuación.

A partir de aquí, lentamente, el consumo de corriente de la batería disminuirá a medida que se carga. Cuando la corriente llega a 50 mA o menos, el cargador asume que la batería está completamente cargada y luego desconecta la batería del cargador usando el relé y muestra la siguiente pantalla. Después de lo cual puede desconectar la batería del cargador y usarla en sus aplicaciones.

Espero que haya entendido el proyecto y haya disfrutado construyéndolo. El trabajo completo se puede encontrar en el video a continuación. Si tiene alguna pregunta, publíquela en la sección de comentarios a continuación del uso de los foros para otras consultas técnicas. Nuevamente, el circuito es solo para fines educativos, así que úselo con responsabilidad ya que las baterías de litio no son estables en condiciones difíciles.