Circuito carregador de bateria de lítio de duas etapas de 7,4 V

O avanço em veículos elétricos, drones e outros eletrônicos móveis como dispositivos IoT parece ser promissor para o futuro. Uma coisa comum entre todos esses é que todos são alimentados por baterias. Seguindo a lei de Moore, os dispositivos eletrônicos tendem a se tornar menores e mais potáveis, esses dispositivos portáteis devem ter sua própria fonte de energia para operar. A escolha de bateria mais comum para eletrônicos portáteis hoje são as baterias de íon de lítio ou de polímero de lítio. Embora essas baterias tenham uma densidade de carga muito boa, elas são quimicamente instáveis em condições adversas, portanto, deve-se tomar cuidado ao carregá-las e usá-las.

Neste projeto, construiremos um carregador de bateria de dois estágios (CC e CV) que pode ser usado para carregar baterias de íon de lítio ou polímero de lítio. O circuito do carregador de bateria é projetado para o pacote de bateria de lítio 7,4 V (dois 18650 na série) que eu normalmente uso na maioria dos projetos de robótica, mas o circuito pode ser facilmente modificado para caber em pacotes de bateria mais baixos ou um pouco mais altos, como para construir carregador de bateria de lítio 3,7 ou Carregador de bateria de íon de lítio 12v. Como você deve saber, existem carregadores prontos para essas baterias, mas os baratos são muito lentos e os rápidos são muito caros. Então, neste circuito eu decidi construir um carregador simples e bruto com LM317 ICs com modo CC e CV. Além disso, o que é mais divertido do que construir seu próprio gadget e aprender em seu processo.

Lembre-se de que as baterias de lítio devem ser manuseadas com cuidado. Sobrecarregá-lo ou colocá-lo em curto pode causar risco de explosão e incêndio, portanto, fique seguro perto dele. Se você não tem experiência com baterias de lítio, recomendo fortemente que você leia o artigo sobre baterias de lítio antes de prosseguir. Dito isso, vamos entrar no projeto.

Modo CC e CV para carregador de bateria:

O carregador que pretendemos construir aqui é um carregador de duas etapas, o que significa que terá dois modos de carregamento: carga constante (CC) e tensão constante (CV). Combinando esses dois modos, seremos capazes de carregar a bateria mais rápido do que o normal.

Carga Constante (CC):

O primeiro modo a entrar em operação será o modo CC. Aqui, a quantidade de corrente de carga que deve entrar na bateria é fixada. Para manter esta corrente, a tensão será variada de acordo.

Tensão constante (CV):

Assim que o modo CC for concluído, o modo CV será ativado. Aqui, a tensão será mantida fixa e a corrente poderá variar de acordo com os requisitos de carga da bateria.

Em nosso caso, temos uma bateria de lítio de 7,4 V, que nada mais é do que duas 18650 células de 3,7 V cada uma conectada em série (3,7 V + 3,7 V = 7,4 V). Esta bateria deve ser carregada quando a tensão atingir 6,4 V (3,2 V por célula) e pode ser carregada até 8,4 V (4,2 V por célula). Portanto, esses valores já estão fixos para nossa bateria.

Em seguida, decidimos a corrente de carga no modo CC, isso normalmente pode ser encontrado no datasheet da bateria e o valor depende da classificação Ah da bateria. Em nosso caso, decidi um valor de 800mA como corrente de carga constante. Portanto, inicialmente, quando a bateria é conectada para carregar, o carregador deve entrar no modo CC e inserir 800mA na bateria, variando a tensão de carga de acordo. Isso carregará a bateria e a tensão da bateria começará a aumentar lentamente.

Como estamos injetando uma corrente forte na bateria com valores de tensão mais altos, não podemos deixá-la em CC até que a bateria esteja totalmente carregada. Temos que mudar o carregador do modo CC para o modo CV quando a tensão da bateria atingir um valor considerável. Nossa bateria aqui deve ser de 8,4 V quando totalmente carregada para que possamos mudá-la do modo CC para o modo CV a 8,2 V.

Uma vez que o carregador mudou para o modo CV, devemos manter uma tensão constante, o valor da tensão constante é 8,6 V em nosso caso. A bateria irá drenar uma corrente consideravelmente menor no modo CV do que no modo CC, pois a bateria está quase carregada no próprio modo CC. Portanto, em 8,6 V fixos, a bateria consumirá menos corrente e essa corrente irá reduzir conforme a bateria é carregada. Portanto, temos que monitorar a corrente quando ela atinge um valor muito baixo, digamos, menos de 50mA, assumimos que a bateria está totalmente carregada e desconectamos a bateria do carregador automaticamente usando um relé.

Para resumir, podemos listar o procedimento de carregamento da bateria da seguinte forma

Entre no modo CC e carregue a bateria com uma corrente regulada fixa de 800mA.
Monitore a tensão da bateria e quando atingir 8,2 V mude para o modo CV.
No modo CV, carregue a bateria com uma tensão regulada de 8,6 V fixa.
Monitore a corrente de carga conforme ela é reduzida.
Quando a corrente atingir 50mA, desconecte a bateria do carregador automaticamente.

Os valores 800mA, 8,2 V e 8,6 V são fixos porque temos uma bateria de lítio de 7,4 V. Você pode alterar facilmente esses valores de acordo com os requisitos de sua bateria. Observe também que existem muitos carregadores de estágio. Um carregador de dois estágios como este é o mais comumente usado. Em um carregador de três estágios, os estágios serão CC, CV e float. Em um carregador de quatro ou seis estágios, a resistência interna, a temperatura etc. serão consideradas. Agora que temos uma breve compreensão de como o carregador de duas etapas deve realmente funcionar, vamos entrar no Diagrama de Circuito.

Diagrama de circuito

O diagrama completo do circuito para este carregador de bateria de lítio pode ser encontrado abaixo. O circuito foi feito usando EasyEDA e o PCB também será fabricado usando o mesmo.

Como você pode ver, o circuito é bem simples. Usamos dois CIs reguladores de tensão variável LM317, um para regular a corrente e o outro para regular a tensão. O primeiro relé é usado para alternar entre os modos CC e CV e o segundo relé é usado para conectar ou desconectar a bateria do carregador. Vamos dividir o circuito em segmentos e entender seu design.

Regulador de corrente LM317

O LM317 IC pode atuar como um regulador de corrente com a ajuda de um único resistor. O circuito para o mesmo é mostrado abaixo

Para nosso carregador, precisamos regular uma corrente de 800mA conforme discutido acima. A fórmula para calcular o valor do resistor para a corrente necessária é fornecida na folha de dados como

Resistor (Ohms) = 1,25 / Corrente (Amps)

No nosso caso, o valor da corrente é 0,8A e para isso obtemos um valor de 1,56 Ohms como o valor do resistor. Mas o valor mais próximo que poderíamos usar é 1,5 Ohms, que é mencionado no diagrama do circuito acima.

Regulador de tensão LM317

Para o modo CV do carregador de bateria de lítio, temos que regular a tensão para 8,6 V, conforme discutido anteriormente. Novamente, o LM317 pode fazer isso com a ajuda de apenas dois resistores. O circuito para o mesmo é mostrado abaixo.

A fórmula para calcular a tensão de saída para um regulador LM317 é dada como

Em nosso caso, a tensão de saída (Vout) deve ser 8,6 V e o valor de R1 (aqui R2) deve ser menor que 1000 ohms, então selecionei um valor de 560 ohms. Com isso, se calcularmos o valor de R2, chegamos a 3,3 k Ohms. Alternativamente, você pode usar qualquer valor de combinação de resistor, desde que obtenha a tensão de saída de 8,6V. Você pode usar esta calculadora LM317 online para tornar seu trabalho mais fácil.

Arranjo de relé para alternar entre os modos CC e CV

Temos dois Relés de 12 V, cada um dos quais acionado por Arduino através do transistor NPN BC547. Tanto o arranjo do relé é mostrado abaixo

O primeiro relé é usado para alternar entre os modos CC e CV do carregador, este relé é acionado pelo pino do Arduino rotulado como “Modo”. Por padrão, o relé está no modo CC quando é acionado, ele muda do modo CC para o modo CV.

Da mesma forma, o segundo relé é usado para conectar ou desconectar o carregador da bateria; este relé é acionado pelo pino do Arduino rotulado como “Carga”. Por padrão, o relé desconecta a bateria do carregador, quando acionado conecta o carregador à bateria. Além disso, os dois diodos D1 e D2 são usados para proteger o circuito da corrente reversa e os resistores 1K R4 e R5 são usados para limitar a corrente que flui através da base do transistor.

Medindo a tensão da bateria de lítio

Para monitorar o processo de carregamento, temos que medir a tensão da bateria, só então podemos mudar o carregador do modo CC para o modo CV quando a tensão da bateria atingir 8,2 V conforme discutido. A técnica mais comum usada para medir a tensão com microcontroladores como o Arduino é usar um circuito divisor de tensão. O usado aqui é mostrado abaixo.

Como sabemos, a tensão máxima que o pino Arduino Analog pode medir é de 5 V, mas nossa bateria pode chegar a 8,6 V no modo CV, então precisamos reduzir para uma tensão mais baixa. Isso é feito exatamente pelo circuito divisor de tensão. Você pode calcular o valor do resistor e saber mais sobre o divisor de tensão usando esta calculadora online do divisor de tensão. Aqui, deduzimos a tensão de saída pela metade da tensão de entrada original, esta tensão de saída é então enviada para o pino Arduino Analog através da etiqueta “ B_Voltage ”. Posteriormente, podemos recuperar o valor original durante a programação do Arduino.

Medindo a corrente de carga

Outro parâmetro vital a ser medido é a corrente de carga. Durante o modo CV, a bateria será desconectada do carregador quando a corrente de carga ficar abaixo de 50 mA, indicando a conclusão da carga. Existem muitos métodos para medir a corrente, o método mais comumente usado é usando um resistor shunt. O circuito para o mesmo é mostrado abaixo

O conceito por trás disso é a lei de ohms simples. Toda a corrente que flui para a bateria é feita para fluir através do resistor shunt 2.2R. Então, pela lei de Ohms (V = IR), sabemos que a queda de tensão neste resistor será proporcional à corrente que flui por ele. Uma vez que sabemos o valor do resistor e da tensão, ele pode ser medido usando o pino Arduino Analog, o valor da corrente pode ser facilmente calculado. O valor da queda de tensão no resistor é enviado ao Arduino por meio do rótulo “B_Current ”. Sabemos que a corrente máxima de carga será de 800mA, portanto, usando as fórmulas V = IR e P = I ² R, podemos calcular o valor da resistência e o valor da potência do resistor.

Arduino e LCD

Finalmente, no lado do Arduino, temos que fazer a interface de um LCD com o Arduino para exibir o processo de carregamento para o usuário e controlar o carregamento medindo a tensão, a corrente e, em seguida, acionando os relés de acordo.

O Arduino Nano tem um regulador de tensão integrado, portanto, a tensão de alimentação é fornecida ao Vin e o 5V regulado é usado para executar o Arduino e o display LCD 16x2. A tensão e a corrente podem ser medidas pelos pinos analógicos A0 e A1, respectivamente, usando os rótulos “B_Voltage” e “B_Current”. O relé pode ser acionado alternando os pinos GPIO D8 e D9, que são conectados por meio dos rótulos “Modo” e “Carga”. Assim que os esquemas estiverem prontos, podemos prosseguir com a fabricação do PCB.

Projeto e fabricação de PCB usando EasyEDA

Para projetar este circuito do carregador de bateria de lítio, escolhemos a ferramenta online EDA chamada EasyEDA. Eu já usei EasyEDA muitas vezes e achei muito conveniente usar, pois tem uma boa coleção de pegadas e é de código aberto. Depois de projetar o PCB, podemos solicitar as amostras de PCB por seus serviços de fabricação de PCB de baixo custo. Eles também oferecem serviço de fornecimento de componentes, onde têm um grande estoque de componentes eletrônicos e os usuários podem solicitar seus componentes necessários junto com o pedido de PCB.

Ao projetar seus circuitos e PCBs, você também pode tornar seus circuitos e projetos de PCB públicos para que outros usuários possam copiá-los ou editá-los e possam tirar proveito de seu trabalho. Também tornamos públicos todos os nossos circuitos e layouts de PCB para este circuito, verifique o link abaixo:

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

Você pode visualizar qualquer camada (superior, inferior, superior, inferior, etc.) do PCB selecionando a camada da janela 'Camadas'. Você também pode ver o PCB do carregador de bateria de lítio, como ficará após a fabricação usando o botão Photo View no EasyEDA:

Cálculo e pedido de amostras online

Depois de concluir o design desta placa de carregamento de bateria de lítio, você pode solicitar a placa de circuito impresso em JLCPCB.com. Para solicitar o PCB do JLCPCB, você precisa do Arquivo Gerber. Para baixar os arquivos Gerber de seu PCB, basta clicar no botão Gerar Arquivo de Fabricação na página do editor EasyEDA, depois baixar o arquivo Gerber de lá ou clicar em Pedido no JLCPCB, conforme mostrado na imagem abaixo. Isso o redirecionará para JLCPCB.com, onde você pode selecionar o número de PCBs que deseja solicitar, quantas camadas de cobre você precisa, a espessura do PCB, o peso do cobre e até mesmo a cor do PCB, como o instantâneo mostrado abaixo:

Depois de clicar no botão pedido no JLCPCB, você será levado ao site do JLCPCB, onde poderá solicitar o PCB com uma taxa muito baixa, que é $ 2. Seu tempo de construção também é muito menor, que é de 48 horas com entrega DHL de 3-5 dias, basicamente você receberá seus PCBs dentro de uma semana após o pedido.

Após fazer o pedido do PCB, você pode verificar o andamento da produção de seu PCB com data e hora. Você verifica indo na página da conta e clica no link "Progresso da Produção" sob o PCB como, mostrado na imagem abaixo.

Depois de alguns dias pedindo PCBs, recebi as amostras de PCB em uma bela embalagem, conforme mostrado nas fotos abaixo.

Depois de se certificar de que as pegadas e pegadas estavam corretas. Prossegui com a montagem do PCB, usei cabeçalhos fêmeas para colocar o Arduino Nano e o LCD para que eu possa removê-los mais tarde se precisar deles para outros projetos. A placa completamente soldada tem a seguinte aparência abaixo

Programando o Arduino para carregamento de bateria de lítio em duas etapas

Assim que o hardware estiver pronto, podemos prosseguir com a escrita do código para o Arduino Nano. O programa completo para este projeto é fornecido na parte inferior da página, você pode carregá-lo diretamente para o seu Arduino. Agora, vamos quebrar o programa em pequenos trechos e entender o que o código realmente faz.

Como sempre, começamos o programa, inicializar os pinos de E / S. Como sabemos de nosso hardware, os pinos A0 e A2 são usados para medir a tensão e a corrente respectivamente e os pinos D8 e D9 são usados para controlar o relé de modo e o relé de carga. O código para definir o mesmo é mostrado abaixo

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Mencione o número do pino para conexão de LCD LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); Int Charge = 9; // Pino para conectar ou desconectar a bateria do circuito int Mode = 8; // Pin para alternar entre o modo CC e o modo CV int Voltage_divider = A0; // Para medir a tensão da bateria int Shunt_resistor = A1; // Para medir a corrente de carga float Charge_Voltage; float Charge_current;

Dentro da função de configuração , inicializamos a função LCD e exibimos uma mensagem de introdução na tela. Também definimos os pinos do relé como pinos de saída. Em seguida, acione o relé de carga, conecte a bateria ao carregador e, por padrão, o carregador permanece no modo CC.

configuração vazia () { lcd.begin (16, 2); // Inicializar 16 * 2 LCD lcd.print ("7,4 V Li + carregador"); // Linha 1 da mensagem de introdução lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Linha 2 da mensagem de introdução lcd.clear (); pinMode (carga, SAÍDA); pinMode (Mode, OUTPUT); digitalWrite (carga, ALTO); // Comece o carregamento inicialmente conectando a bateria digitalWrite (Mode, LOW); // HIGH para modo CV e LOW para modo CC, inicialmente modo CC delay (1000); }

A seguir, dentro da função de loop infinito, começamos o programa medindo a tensão da bateria e a corrente de carga. Os valores 0,0095 e 1,78 são multiplicados pelo valor analógico para converter 0 a 1024 em tensão e valor de corrente reais. Você pode usar um multímetro e um alicate amperímetro para medir o valor real e calcular o valor do multiplicador. Também é teoricamente calcular os valores do multiplicador com base nos resistores que usamos, mas não foi tão preciso quanto eu esperava.

// Meça a tensão e a corrente inicialmente Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Mede a tensão da bateria Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Medir a corrente de carga

Se a tensão de carga for inferior a 8,2 V entramos no modo CC e se for superior a 8,2 V entramos no modo CV. Cada modo tem o seu próprio enquanto loop. Dentro do loop do modo CC, mantemos o pino do modo BAIXO para permanecer no modo CC e, em seguida, monitoramos a tensão e a corrente. Se a tensão exceder a tensão limite de 8,2 V, interrompemos o circuito CC usando uma instrução break. O status da tensão de carga também é exibido no LCD dentro do circuito CC.

// Se a tensão da bateria for menor que 8,2 V, entre no modo CC while (Charge_Voltage <8.2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Permanece no modo CC // Mede a tensão e a corrente Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0095; // Medir a tensão da bateria Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Mede a corrente de carga // imprime detials no LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Em modo CC"); atraso (1000); lcd.clear (); // Verifique se temos que sair do modo CC if (Charge_Voltage> = 8.2) // Se sim { digitalWrite (Mode, HIGH); // Muda para o modo CV break; } }

A mesma técnica também pode ser seguida para o modo CV. Se a tensão exceder 8,2 V, o carregador entra no modo CV tornando o pino de modo alto. Isso aplica uma constante de 8,6 V em toda a bateria e a corrente de carga pode variar com base nos requisitos da bateria. Essa corrente de carga é então monitorada e quando atinge menos de 50mA, podemos encerrar o processo de carga desconectando a bateria do carregador. Para fazer isso, simplesmente temos que desligar o relé de carga conforme mostrado no código abaixo

// Se a tensão da bateria for maior que 8,2 V, entre no modo CV while (Charge_Voltage> = 8.2) // CV MODE Loop { digitalWrite (Mode, HIGH); // Permanece no modo CV // Mede a tensão e a corrente Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Medir a tensão da bateria Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Medir a corrente de carga // Exibir detalhes para o usuário no LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Em modo CV"); atraso (1000); lcd.clear (); // Verifique se a bateria está carregada monitorando a corrente de carga if (Charge_current <50) // Se sim { digitalWrite (carga, BAIXO); // Desligue o carregamento enquanto (1) // Mantenha o carregador desligado até reiniciar { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Carga concluída."); atraso (1000); lcd.clear (); } } } }

Funcionamento do carregador de bateria de lítio de duas etapas de 7,4 V

Assim que o hardware estiver pronto, carregue o código na placa Arduino. Em seguida, conecte a bateria ao terminal de carregamento da placa. Certifique-se de conectá-los na polaridade correta, inverter a polaridade causará sérios danos à bateria e à placa. Depois de conectar a bateria, o carregador usa um adaptador de 12V. Você será saudado com um texto de introdução e o carregador irá para o modo CC ou modo CV com base no status da bateria. Se a bateria estiver totalmente descarregada no momento do carregamento, ela entrará no modo CC e seu LCD exibirá algo assim abaixo.

Conforme a bateria é carregada, a voltagem aumenta, conforme mostrado no vídeo abaixo . Quando esta tensão atinge 8,2 V, o carregador entrará no modo CV a partir do modo CC e agora exibirá a tensão e a corrente conforme mostrado abaixo.

A partir daqui, lentamente, o consumo de corrente da bateria irá diminuir à medida que é carregada. Quando a corrente atinge 50mA ou menos, o carregador assume que a bateria está totalmente carregada e, em seguida, desconecta a bateria do carregador usando o relé e exibe a tela a seguir. Depois disso, você pode desconectar a bateria do carregador e usá-la em seus aplicativos.

Espero que você tenha entendido o projeto e gostado de construí-lo. O trabalho completo pode ser conferido no vídeo abaixo. Se você tiver alguma dúvida, poste-as na seção de comentários abaixo do use os fóruns para outras dúvidas técnicas. Novamente, o circuito é apenas para fins educacionais, portanto, use-o com responsabilidade, pois as baterias de lítio não são estáveis em condições adversas.