Вы здесь:
Главная » Все записи » Самодельное зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328

Самодельное зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328

Самодельное зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328Анализируется возможность построения схемы зарядки литий-ионных аккумуляторов на базе МК ATMega328 и популярного программного обеспечения ARDUINO версии 1.8.5.

В интернете, в свободном доступе, размещена статья Рыкованова А., Беляева С. «Зарядные устройства для портативных литий-ионных аккумуляторных батарей», где рассмотрена методология построения зарядных устройств, без рассмотрения принципиальных схем. В данной статье сделана попытка разработки и изготовления одной из множества вероятных схем на основе радиолюбительской технологии «Сделай сам».

За основу взяты два графика, размещённых в плоскости Рис.3, заряда одиночного литий-ионного аккумулятора приводимого в указанной статье. График I – интерпретирует ток заряда аккумулятора, график U – напряжение на аккумуляторе.

Зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328

Рис.1. График АКБ

Первоначальный заряд малым током (этап 1’) используется для обеспечения безопасности аккумулятора (АК) при заряде. Если внутри АК произошло короткое замыкание (КЗ), то по истечении некоторого времени заряда напряжение на нем не будет возрастать. Этот факт может свидетельствовать о неисправности. Если начать заряд достаточно большим током сразу, то при КЗ может произойти сильный разогрев аккумулятора и его разгерметизация. Необходимо отметить, что данный этап часто исключают из цикла заряда батареи, начиная заряд сразу с этапа1.

На этапе 1 заряд осуществляется номинальным током, который измеряется в долях от номинальной емкости (Сh) АК. Например, емкость АК 1000мАч, ток заряда 0,1Сн, то есть 100 мА обеспечивается 10-и часовым режимом заряда. Чтобы заряд осуществлялся быстрее, например в течение 2 ч, что соответствует 0,5 Сн (500мА). Такой режим заряда называеся ускоренным. Для нормальной работы АК номинальный ток заряда лежит в пределах от 0,1 СН (100мА) до 2,8 Сн,т.е. 280 мА. Т.е. на этапе 1’ и 1 зарядное устройство (ЗУ) работает как стабилизатор тока, при этом напряжение на АК линейно возрастает.

На этапе 2 поддерживается постоянное напряжение близкое к напряжению полного заряда, при этом ток снижается по экспоненте практически до нуля.
Привязываем указанные этапы к Li-ion аккумуляторам с номинальным напряжением в 3,7 В, см.рис.2:

Зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328

Рис.2. Li-ion аккумуляторы.

Этап 1’ – напряжение на АК <2,5 В ток заряда 50 мА до 3 В

Этап 1 – напряжение на АК 4В > АК > 3 В ток заряда 100 мА

Этап 2 – напряжение на АК 4,2В => АК > 3 В ток в пределах 150-200 мА.

На всех этапах, напряжение подаваемое на АК постоянное, порядка 8В, через ограничивающий 2-х ваттный резистор R21 в 20 Ом. При достижении напряжения на АК 4,2 В, напряжение обнуляется путём подачи нулевого кода в порт D, см.Рис.4.

На Рис.3 представлена структурная схема ЗУ. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) фиксирует код от микроконтроллера (МК) в виде аналогового напряжения от 0 до 8 вольт с дискретностью 8/255=~30 мВ и через гасящий резистор R подаётся напряжение на АК. Ток контролируется и регулируется через измерение падения напряжения на R (АЦП2-АЦП1)/R. Напряжение на АК контролируется АЦП2.

Самодельное зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328

Рис.3. Структурная схема ЗУ.

Самодельное зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328

Рис.4. Принципиальная схема ЗУ.

Для управления ЗУ был выбран ATMega328 в виду относительной лёгкости написания и отладки программы на языке Arduino. ATMega328 имеет встроенный загрузчик, что позволяет комфортно производить отладку на персональном компьютере в среде Windows7 с использованием виртуального COM-порта. Порт D МК полностью задействован на управление 8-и разрядным параллельным ЦАП состоящим из 16-ти SMD-резисторов (R1÷R16) по 22 и 11 кОм соответственно. МК работает на частоте 16 мГц что обеспечивается кварцевым резонатором и соответствующей прошивкой фьюзов МК.

Для контроля и измерения напряжения и тока на АК служат два аналоговых канала А0 и А1. Непрерывно измеряемая информация поступает в МК для обработки и выдаётся на OLED-дисплей, управляемый по протоколу программной шины I2C сигналами SDA и SCK. Вывод информации на OLED производится на основе библиотеки iarduino_OLED_txt.h, см.Приложение1. Для выдачи звуковых сигналов служит мини-динамик управляемый каналом МК PB2. Для формирования звука использовалась функция языка Arduino tone(), см. на сайте arduino «Программирование Ардуино».

Напряжение ЦАП формируется кодом D0÷D7 и не может превышать на выходе цепи R-2R 5-и вольт. ( R1÷R18, операционный усилитель (ОУ) MCP602 вход 3,выход 1, см.рис.4). Для создания эффективного тока для ЗУ на всех этапах требуется напряжение превышающее 5 В. Имеющийся в наличии ОУ MCP602 имеет следующие характеристики:

  • Рабочее напряжение питания от 2,7В до 5,5В
  • Амплитуда выходного сигнала до напряжения питания
  • Допускается входной сигнал с амплитудой ниже нуля
  • Полоса частот до 2,8МГц
  • Низкое энергопотребление Idd=325мкА
  • Рабочий температурный диапазон от -40 до +85гр.С
  • Два операционных усилителя в одном корпусе

Прекрасная микросхема, но на нет сводит всю работу. Нужен усилитель до 10 вольт. Что я теряю, если запитаю её на 10 вольт? Максимум она сгорит, а мне придётся искать однополярное ОУ на 10 вольт. Сказано, сделано. После того, как ЗУ надёжно проработало с данным ОУ целый месяц, стало понятно что рабочее напряжение микросхемы занижено. Повышение питания не сказалось на линейности выдаваемого напряжения на усилитель мощности на Т1 и Т2.

Cхема усилителя на MCP602 представлена 2-мя каскадами. Первый каскад неинвертирующий усилитель, ножки 1,2,3 с коэффициентом усиления равным (R17+R18)/R17=3.(См. В.С.Гутников «Применение операционных усилителей в измерительной технике», стр.29).

Второй каскад, ножки 5,6,7 – прецезионный повторитель с относительно мощным выходом способным работать на повторитель на транзисторах Т1, Т2 не загружая предварительный усилитель.

Силовая часть ЗУ состоящая из Т1, Т2, D1, R21 через разъёмы типа «мама/папа» формирует напряжение на АК. Напряжение на АК в точке А1 контролируется АЦП(А1) МК, канал PC1/ADC1, контакт 24 МК. Для измерения тока служит цепочка из R19 и R20, по 22кОм и 11кОм соответственно. Используя закон Ома для участка цепи:

  1. Измеряется напряжение в точке соединения R19 и R20 АЦП(А0), канал PC0/ADC0, контакт 23 МК.
  2. Вычисляется ток на участке цепи R20 как АЦП(А0)/R20.
  3. Вычисляется напряжение в узле цепи D1 и R21 как (АЦП(А0)/R20)*( R19 + R20).
  4. Вычисляется ток подаваемый в АК как ((АЦП(А0)/R20)*( R19 + R20))/R21.

Почему так вычисляется ток на АК? Это связано с тем что 5-и вольтовое АЦП МК не сможет измерять напряжение свыше 5-и вольт. Поэтому стоит делитель R19 и R20 на канале А0. АЦП меряет часть напряжения и программа путём расчётов вычисляет требуемые значения тока и напряжения.
Узел питания для МК и OLED выполнен на регулируемом стабилитроне ТL431, транзисторе КТ815Б и потенциометре R24 на 10 кОм. На Рис.5 ЗУ в стадиях разработки и испытаний.

Зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328

Рис.5. Настройка ЗУ.

Левая часть рис.5 – отладка и испытания макета с использованием отладочного комплекса Arduino Uno с выводом результатов испытаний на дисплей ПК, справа — наработка на надёжность готового ЗУ с выводом результатов испытаний на дисплей OLED, рис.6.

Самодельное зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328

Рис.6. Внешний вид платы ЗУ.

Укрупнённое фото ЗУ в момент зарядки АК. Зарядка идёт через разъём OUT помеченного белой изолентой. OLED-дисплей фиксирует момент зарядки 2-го этапа, т.е. когда напряжение на АК равно 4,153В, что меньше 4,2В и больше 4В. При этом порт D выдаёт максимальный код равный 255 и ток зарядки равный 194 мА. При этом резистор зелёного цвета в 20 Ом гасит избыточное напряжение для АК. При окончании зарядки, т.е. когда напряжение на АК превысит 4,2 В, программа формирует малый ток (поддержка 4.2 В), при этом динамик выдаёт октаву октаву звукового ряда до,ре,ми, фа,соля,си и т.д. до отсоединения АК от ЗУ.

Самодельное зарядное устройство li-ion аккумуляторов на базе МК ATMega328

Рис.7. Обратная сторона готовой платы ЗУ.

СКАЧАТЬ Приложение:

17-06-20.ino – скетч (программа) под Arduino
17-06-20.ino.standard.hex – прошивка скетча для программирования флэш-памяти МК любым программатором для МК фирмы Atmel.
17-06-20.ino.with_bootloader.standard.hex – загрузчик, при использовании Arduino Uno (Nano) встроен в память МК и через COM-порт загружает скетч пользователя

Инструменты при разработке ЗУ:

  1. Сервисное ПО для разработки и отладки, Arduino версия 1.8.5.
  2. sPlain 7.0, графический редактор – вычерчивание принципиальной схемы.
  3. Sprint Layout 6.0 — вычерчивание печатной платы (ПП) и экспорт ПП в предварительные текстовые форматы фрезеровки и сверловки для фрезерного станка.
  4. CNC_Converter_v1.72.exe — конвертер экспорта ПП в текстовые форматы для фрезерного станка.
  5. Указанные программы находятся в свободном доступе в Интернете.
  6. Фрезерный станок СНС-3 Луганского завода малого машиностроения – изготовление ПП.

Выводы:

  1. ЗУ уверенно распознаёт диапазон в котором оно будет работать, с выдачей и контролем тока и напряжения для данного диапазона.
  2. Если диапазон этапа 1’, ЗУ с задержкой в 1 сек каждого кода порта D, наращивает ток до 50 мА и заряжает АКБ данным током до 3В, т.е. в первую секунду формируется код 01, во вторую секунду 02 и т.д., контролируя ток до 50мА, после чего наращивание тока прекращается. По мере зарядки АК напряжение на нём растёт и ток падает ниже 50мА, ЗУ распознаёт уменьшение и наращивает ток до 50мА и т.д. до 3-х вольт.
  3. Переходя в диапазон этапа 1, ЗУ наращивает ток до 100 мА и заряжает АК данным током до 4В.
  4. Переходя в диапазон этапа 2, ЗУ наращивает ток до 150÷200 мА и заряжает АК данным током до 4,2 В. При достижении 4,2 В, ЗУ малым током поддерживает АК с выдачей звукового сигнала.
  5. Для любопытного читателя отсылаем к статье, в свободном доступе, по применению используемого ЦАП — «Параллельный Цифро Аналоговый Преобразователь по схеме R-2R»

Автор: Владимир Шишмаков, Кузнецовск (Вараш), июнь 2020 г.


Метки: [ ]

ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ



П О П У Л Я Р Н О Е:

  • Ремонт зарядного устройства «Рассвет» своими руками
  • Ремонт зарядного устройства "Рассвет" своими руками

    Устройство зарядное «Рассвет» модель КМ-14 хоть и выпускалось ещё в 80-х годах, но ещё используется у некоторых автовладельцев для зарядки АКБ.

    Несколько раз приносили в ремонт данное устройство, поэтому решил написать небольшую статью с фото и таблицей напряжений, возможно кому-то пригодится.

    Подробнее…

  • Зарядка для телефона от солнца
  • Зарядка для телефона от солнцаСолнечная батарея для зарядки телефона

    Конечно, хорошо было бы если телефон заряжался или хотя бы частично подзаряжался от источника солнечной энергии. Производители телефонов почему-то не производят самозаряжающиеся телефоны. Но всё же есть такой телефон (Samsung E1107), который в идеальных условиях может полностью зарядится от солнца за 55 часов. Жалко не везде есть так называемые идеальные условия.

    Подробнее…

  • Зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов
  • Зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов

    Существует много разных схем зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов. Любая из них обладает своими достоинствами и недостатками. В статье, ниже рассмотрим несколько схем ЗУ для автомобильных АКБ.

    Большинство простейших схем зарядных устройств построено по принципу регулятора напряжения с выходным узлом, собранным на тиристорах или мощных транзисторах.

    Эти схемы обладают существенными недостатками…   Подробнее…


Популярность: 132 просм.
Вы можете следить за комментариями к этой записи через RSS 2.0. Вы можете оставить комментарий:.

Ваш комментарий


- НАВИГАТОР -




Прислать свою поделку!

А ТАКЖЕ ЕЩЁ ИНТЕРЕСНОЕ:



MasterVintik