Pengisi Daya Baterai Cerdas Berbasis Mikrokontroler: 9 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

Rangkaian yang akan Anda lihat adalah pengisi daya baterai pintar berdasarkan ATMEGA8A dengan pemutusan otomatis. Parameter yang berbeda ditampilkan melalui LCD selama status pengisian daya yang berbeda. Juga rangkaian akan mengeluarkan suara melalui bel setelah pengisian selesai.

Saya membuat pengisi daya pada dasarnya untuk mengisi baterai Li-ion 11.1v/4400maH saya. Firmware pada dasarnya ditulis untuk mengisi daya jenis baterai khusus ini. Anda dapat mengunggah protokol pengisian daya Anda sendiri untuk memenuhi kebutuhan Anda untuk mengisi daya jenis baterai lainnya.

Seperti yang Anda ketahui, pengisi daya baterai pintar sudah tersedia di pasar. Tetapi sebagai penggemar elektronik, selalu lebih baik bagi saya untuk membuatnya sendiri daripada membeli yang memiliki fungsi statis/tidak dapat diubah. Dalam modul ini, saya berencana untuk tingkatkan di masa depan jadi saya telah meninggalkan ruang tentang itu.

Ketika saya pertama kali membeli baterai Li-ion 11.1v/2200mah saya sebelumnya, saya mencari pengisi daya baterai DIY dengan kontrol pintar di internet. Tetapi saya menemukan sumber daya yang sangat terbatas. Jadi untuk itu, saya membuat pengisi daya baterai berdasarkan LM317 dan berhasil sangat baik untuk saya. Tetapi karena baterai saya sebelumnya mati seiring waktu (tanpa alasan), saya membeli baterai Li-ion lain 11.1v/4400mah. Tapi kali ini, pengaturan sebelumnya tidak cukup untuk mengisi baterai baru saya. persyaratan, saya melakukan beberapa belajar di internet, dan mampu merancang charger pintar saya sendiri.

Saya membagikan ini karena saya pikir banyak penghobi/penggemar di luar sana yang sangat bersemangat bekerja pada elektronika daya & mikrokontroler dan juga membutuhkan untuk membuat pengisi daya pintar mereka sendiri.

Mari kita lihat sekilas cara mengisi baterai Li-ion.

Langkah 1: Protokol Pengisian Daya untuk Baterai Li-ion

Untuk mengisi baterai Li-ion, kondisi tertentu harus dipenuhi. Jika kita tidak menjaga kondisi, baik baterai akan kekurangan daya atau mereka akan terbakar (jika diisi berlebihan) atau akan rusak secara permanen.

Ada situs web yang sangat bagus untuk mengetahui segala sesuatu yang diperlukan tentang berbagai jenis baterai dan tentu saja Anda tahu nama situs webnya jika Anda terbiasa bekerja dengan baterai…Ya, saya berbicara tentang batteryuniversity.com.

Berikut ini tautan untuk mengetahui detail yang diperlukan untuk mengisi baterai Li-ion.

Jika Anda malas membaca semua teori tersebut, maka intinya adalah sebagai berikut.

1. Pengisian penuh baterai Li-ion 3.7v adalah 4.2v. Dalam kasus kami, baterai Li-ion 11.1v berarti baterai 3 x 3.7v. Untuk pengisian penuh, baterai harus mencapai 12.6v tetapi untuk alasan keamanan, kami akan mengisinya hingga 12.5v.

2. Ketika baterai hampir mencapai pengisian penuh, maka arus yang ditarik oleh baterai dari pengisi daya turun hingga serendah 3% dari kapasitas baterai terukur. Sebagai contoh, kapasitas baterai paket sel saya adalah 4400mah. Jadi ketika baterai akan terisi penuh, arus yang ditarik oleh baterai akan mencapai hampir 3% -5% dari 4400ma yaitu antara 132 hingga 220ma. Untuk menghentikan pengisian dengan aman, pengisian akan dihentikan ketika arus yang ditarik akan turun di bawah 190ma (hampir 4% dari kapasitas pengenal).

3. Proses pengisian total dibagi menjadi dua bagian utama 1-Arus konstan (mode CC), 2-Tegangan konstan (mode CV). (Juga ada mode pengisian topping, tetapi kami tidak akan menerapkannya di pengisi daya kami sebagai pengisi daya akan memberi tahu pengguna saat terisi penuh dengan mengkhawatirkan, maka baterai harus diputuskan dari pengisi daya)

Modus CC-

Dalam mode CC, pengisi daya mengisi baterai dengan tingkat pengisian 0,5c atau 1c. Sekarang apa itu 0,5c/1c????Sederhananya, jika kapasitas baterai Anda katakanlah 4400mah, maka dalam mode CC, 0,5c akan menjadi 2200ma dan 1c akan menjadi arus pengisian 4400ma.'c' singkatan dari tingkat pengisian/pengosongan. Beberapa baterai juga mendukung 2c yaitu dalam mode CC, Anda dapat mengatur arus pengisian hingga kapasitas baterai 2x tapi itu gila!!!!!

Tapi untuk amannya, saya akan memilih arus pengisian 1000ma untuk baterai 4400mah yaitu 0.22c. Dalam mode ini, pengisi daya akan memantau arus yang ditarik oleh baterai terlepas dari tegangan pengisian daya. Pengisi daya akan mempertahankan arus pengisian 1A dengan meningkatkan /menurunkan tegangan output hingga daya baterai mencapai 12.4v.

Modus CV -

Sekarang ketika tegangan baterai mencapai 12.4v, pengisi daya akan mempertahankan 12,6 volt (terlepas dari arus yang ditarik oleh baterai) pada outputnya. Sekarang pengisi daya akan menghentikan siklus pengisian tergantung pada dua hal. Jika tegangan baterai melintasi 12.5v dan juga jika arus pengisian turun di bawah 190ma (4% dari kapasitas baterai terukur seperti yang dijelaskan sebelumnya), maka siklus pengisian daya akan dihentikan dan bel akan berbunyi.

Langkah 2: Skema dan Penjelasan

Sekarang mari kita lihat rangkaian kerja. Skema terlampir dalam format pdf dalam file BIN.pdf.

Tegangan input rangkaian dapat 19/20v. Saya telah menggunakan pengisi daya laptop lama untuk mendapatkan 19v.

J1 adalah konektor terminal untuk menghubungkan rangkaian ke sumber tegangan input. Q1, D2, L1, C9 membentuk buck converter. Sekarang apa itu??? Ini pada dasarnya adalah konverter step down DC ke DC. Pada tipe ini konverter, Anda dapat mencapai tegangan output yang diinginkan dengan memvariasikan siklus kerja. Jika Anda ingin tahu lebih banyak tentang konverter buck, kunjungi halaman ini. C9 untuk kebutuhan saya, butuh 3 hari trial & error. Jika Anda akan mengisi baterai yang berbeda, maka ada kemungkinan bahwa nilai-nilai ini akan berubah.

Q2 adalah transistor driver untuk power mosfet Q1. R1 adalah resistor biasing untuk Q1. Kami akan memberi makan sinyal pwm di basis Q2 untuk mengontrol tegangan output. C13 adalah tutup decoupling.

Sekarang output kemudian diumpankan ke Q3. Sebuah pertanyaan dapat diajukan bahwa "Apa gunanya Q3 di sini??". Jawabannya cukup sederhana, Ini bertindak seperti sakelar sederhana. Kapan pun kita akan mengukur tegangan baterai, kami akan mematikan Q3 untuk memutuskan output tegangan Pengisian dari konverter buck. Q4 adalah driver untuk Q3 dengan resistor biasing R3.

Perhatikan bahwa ada dioda D1 di jalurnya. Apa yang dilakukan dioda di jalur ini?? Jawaban ini juga sangat sederhana. Setiap kali rangkaian akan terputus dari daya input saat baterai terpasang pada output, arus dari baterai akan mengalir di jalur terbalik melalui dioda tubuh MOSFET Q3 & Q1 dan dengan demikian U1 dan U2 akan mendapatkan tegangan baterai pada inputnya dan akan menyalakan rangkaian dari tegangan baterai. Untuk menghindari hal ini, D1 digunakan.

Output dari D1 kemudian diumpankan ke input sensor arus (IP+). Ini adalah sensor arus basis efek hall yaitu bagian penginderaan arus dan bagian keluaran diisolasi. Output sensor arus (IP-) kemudian diumpankan ke baterai. Di sini R5, RV1, R6 membentuk rangkaian pembagi tegangan untuk mengukur tegangan baterai / tegangan output.

ADC atmega8 digunakan di sini untuk mengukur tegangan dan arus baterai. ADC dapat mengukur maksimum 5v. Tetapi kami akan mengukur maksimum 20v (dengan beberapa ruang kepala). Untuk mengurangi tegangan ke kisaran ADC, 4:1 pembagi tegangan digunakan. Pot(RV1) digunakan untuk fine tune/kalibrasi. Saya akan membahasnya nanti. C6 adalah decoupling cap.

Output dari sensor arus ACS714 juga diumpankan ke pin ADC0 atmega8. Melalui sensor ACS714 ini, kami akan mengukur arus. Saya memiliki papan breakout dari pololu versi 5A dan bekerja dengan sangat baik. Saya akan membicarakannya di tahap selanjutnya pada cara mengukur arus.

LCD adalah lcd 16x2 normal. LCD yang digunakan di sini dikonfigurasi dalam mode 4 bit karena jumlah pin atmega8 terbatas. RV2 adalah pot penyesuaian kecerahan untuk LCD.

Atmega8 memiliki clock pada 16mhz dengan kristal X1 eksternal dengan dua tutup decoupling C10/11. Unit ADC atmega8 diberi daya melalui pin Avcc melalui induktor 10uH. C7, C8 adalah tutup decoupling yang terhubung ke Agnd. Tempatkan sebagai sedekat mungkin ke Avcc dan Aref secara bersamaan saat membuat PCB. Perhatikan bahwa pin Agnd tidak ditampilkan di sirkuit. Pin Agnd akan terhubung ke ground.

Saya telah mengonfigurasi ADC atmega8 untuk menggunakan Vref eksternal yaitu kami akan memasok tegangan referensi melalui pin Aref. Alasan utama di balik ini untuk mencapai akurasi pembacaan maksimum. Tegangan referensi 2.56v internal tidak begitu bagus di avrs. Itu sebabnya saya mengonfigurasinya secara eksternal. Sekarang ada hal yang perlu diperhatikan. 7805 (U2) hanya memasok sensor ACS714 dan pin Aref atmega8. Ini untuk menjaga akurasi optimal. ACS714 memberikan tegangan output 2.5v yang stabil saat tidak ada arus yang mengalir melaluinya. Tetapi katakanlah, jika tegangan suplai ACS714 akan diturunkan (katakanlah 4.7v) maka tegangan keluaran tanpa arus (2.5v) juga akan diturunkan dan itu akan membuat pembacaan arus yang tidak sesuai/salah. Juga saat kita mengukur tegangan terhadap Vref, maka tegangan referensi pada Aref harus bebas dari kesalahan dan stabil. Itu sebabnya kita membutuhkan 5v yang stabil.

Jika kita menyalakan ACS714 & Aref dari U1 yang mensuplai atmega8 dan lcd, maka akan ada penurunan tegangan yang cukup besar pada output U1 dan pembacaan ampere dan tegangan akan menjadi salah. Itu sebabnya U2 digunakan di sini untuk menghilangkan kesalahan dengan memasok 5v stabil ke Aref dan ACS714 saja.

S1 ditekan untuk mengkalibrasi pembacaan tegangan. S2 dicadangkan untuk penggunaan di masa mendatang. Anda dapat menambahkan/tidak menambahkan tombol ini sesuai pilihan Anda.

Langkah 3: Berfungsi…

Saat dihidupkan, atmega8 akan menghidupkan konverter buck dengan memberikan output 25% pwm di basis Q2. Pada gilirannya, Q2 kemudian akan menggerakkan Q1 dan konverter buck akan dimulai. Q3 akan dimatikan untuk memutuskan output konverter buck dan baterai. Atmega8 kemudian membaca tegangan baterai melalui pembagi resistor. Jika tidak ada baterai yang terhubung, maka atmega8 menampilkan pesan "Masukkan baterai" melalui lcd 16x2 dan menunggu baterai. Jika baterai kemudian dipasang, atmega8 akan memeriksa tegangannya. Jika tegangan lebih rendah dari 9v, maka atmega8 akan menampilkan "Faulty battery" pada lcd 16x2.

Jika ditemukan baterai lebih dari 9v, maka charger akan masuk ke mode CC terlebih dahulu dan menyalakan output mosfet Q3. Mode pengisi daya (CC) akan segera di update untuk ditampilkan. Jika tegangan baterai ditemukan lebih dari 12.4v, maka mega8 akan segera keluar dari mode CC dan akan masuk ke mode CV. Jika tegangan baterai kurang dari 12.4v, maka mega8 akan mempertahankan arus pengisian 1A dengan menaikkan/menurunkan tegangan output konverter buck dengan memvariasikan duty cycle pwm Arus pengisian akan dibaca oleh sensor arus ACS714. Tegangan keluaran uang, arus pengisian, siklus tugas PWM akan diperbarui secara berkala di lcd.

. Tegangan baterai akan diperiksa dengan mematikan Q3 setelah setiap interval 500ms. Tegangan baterai akan segera diperbarui ke lcd.

Jika tegangan baterai mendapat lebih dari 12,4 volt saat pengisian, maka mega8 akan meninggalkan mode CC dan akan masuk ke mode CV. Status mode akan segera diperbarui ke lcd.

Kemudian mega8 akan mempertahankan tegangan output 12,6 volt dengan memvariasikan siklus kerja buck. Di sini tegangan baterai akan diperiksa setelah setiap interval 1 detik. Begitu tegangan baterai akan lebih besar dari 12,5 v, maka akan diperiksa jika arus yang ditarik di bawah 190mA. Jika kedua kondisi terpenuhi, maka siklus pengisian daya akan dihentikan dengan mematikan Q3 secara permanen dan bel akan berbunyi dengan menyalakan Q5. Juga mega8 akan menampilkan "Pengisian selesai"melalui lcd.

Langkah 4: Bagian yang Diperlukan

Tercantum di bawah ini adalah bagian yang diperlukan untuk menyelesaikan proyek. Silakan merujuk ke lembar data untuk pinout. Hanya tautan lembar data bagian penting yang disediakan

1) ATMEGA8A x 1. (lembar data)

2) Sensor arus ACS714 5A dari Pololu x 1 (Saya sangat menyarankan untuk menggunakan sensor dari Pololu karena sensor ini paling akurat di antara semua sensor lain yang pernah saya gunakan. Anda dapat menemukannya di sini). Pinout dijelaskan dalam gambar.

3) IRF9540 x 2. (lembar data)

4) 7805 x 2 (direkomendasikan dari suku cadang asli Toshiba karena memberikan output 5v paling stabil). (lembar data)

5) 2n3904 x 3. (lembar data)

6) 1n5820 schottky x 2. (lembar data)

7) LCD 16x2 x 1. (lembar data)

8) 330uH/2A induktor daya x 1 (direkomendasikan dari coilmaster)

9) induktor 10uH x 1 (kecil)

10) Resistor - (Semua resistor adalah tipe MFR 1%)

150R x 3

680R x 2

1k x 1

2k2x1

10k x 2

22k x 1

5k pot x 2 (tipe pemasangan PCB)

11) Kapasitor

Catatan: Saya tidak menggunakan C4. Tidak perlu menggunakannya jika Anda menggunakan catu daya Laptop / Catu daya teregulasi sebagai sumber daya 19v

100uF/25v x 3

470uF/25v x 1

1000uF/25v x 1

100n x 8

22p x 2

12) PCB mount sakelar dorong sesaat x 2

13) Bel 20v x 1

14) Konektor blok terminal 2 pin x 2

15) Kabinet (Saya menggunakan kabinet seperti ini.). Anda dapat menggunakan apa pun yang Anda suka.

16) Catu daya laptop 19v (Saya memodifikasi catu daya laptop hp, Anda dapat menggunakan catu daya jenis apa pun yang Anda inginkan. Jika Anda ingin membuatnya, kunjungi instruksi saya ini.)

17) Heat sink berukuran sedang untuk U1 & Q1. Anda dapat menggunakan tipe ini. Atau Anda dapat merujuk ke gambar rangkaian saya. Tapi pastikan untuk menggunakan heat sink untuk keduanya.

18) Konektor Pisang - Wanita (Hitam & Merah) x 1 + Pria (Hitam & Merah) (tergantung pada kebutuhan konektor Anda)

Langkah 5: Saatnya Menghitung……

Perhitungan pengukuran tegangan:

Tegangan maks, yang akan kita ukur menggunakan atmega8 adc adalah 20v. Tetapi adc atmega8 dapat mengukur maksimum 5v. Jadi untuk membuat 20v dalam kisaran 5v, pembagi tegangan 4:1 digunakan di sini (sebagai 20v/4=5v). Jadi kita dapat menerapkannya hanya dengan menggunakan dua resistor, tetapi dalam kasus kami, saya telah menambahkan pot di antara dua resistor tetap sehingga kami dapat menyesuaikan akurasi secara manual dengan memutar pot. Resolusi ADC adalah 10bit yaitu adc akan mewakili 0v hingga 5v sebagai 0 hingga 1023 angka desimal atau 00h hingga 3FFh. ('h' adalah singkatan dari angka hex). Referensi diatur ke 5v secara eksternal melalui pin Aref.

Jadi tegangan terukur = (pembacaan adc) x (Vref=5v) x (faktor pembagi resistor yaitu 4 dalam kasus ini) / (pembacaan adc maks yaitu 1023 untuk 10bit adc).

Misalkan kita mendapatkan pembacaan adc 512. Maka tegangan yang diukur adalah -

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

Perhitungan pengukuran saat ini:

ACS714 akan memberikan output stabil 2.5v pada pin keluar ketika tidak ada arus yang mengalir dari IP+ menuju IP-. Ini akan memberikan 185mv/A di atas 2.5v yaitu misalnya, jika arus 3A mengalir melalui rangkaian, ACS714 akan memberikan 2.5v+(0.185 x 3)v = 3.055v pada pin out.

Jadi rumus pengukuran saat ini adalah sebagai berikut -

Arus terukur=(((pembacaan adc)*(Vref=5v)/1023)-2.5)/0.185.

misalnya, pembacaan adc adalah 700, maka arus yang diukur adalah - (((700 x 5)/1023) - 2.5)/0.185 = 4.98A.

Langkah 6: Perangkat Lunak

Perangkat lunak ini dikodekan dalam Winavr menggunakan GCC. Saya telah memodulasi kode yaitu saya telah membuat perpustakaan yang berbeda seperti perpustakaan adc, perpustakaan lcd dll. Pustaka adc berisi perintah yang diperlukan untuk setup & interaksi dengan adc. Pustaka lcd berisi semua berfungsi untuk menggerakkan lcd 16x2. Anda juga dapat menggunakan lcd_updated _library.c karena urutan start up lcd dimodifikasi di perpustakaan ini. Jika Anda ingin menggunakan perpustakaan yang diperbarui, ganti namanya dengan lcd.c

File main.c berisi fungsi utama. Protokol pengisian untuk li-ion ditulis di sini. Harap tentukan ref_volt di main.c dengan mengukur output U2(7805) dengan multimeter yang tepat untuk mendapatkan pembacaan yang akurat sebagai perhitungan didasarkan padanya.

Anda cukup membakar file.hex langsung di mega8 Anda untuk melewati headche.

Bagi mereka, yang ingin menulis protokol pengisian daya lain, saya telah memberikan komentar yang cukup sehingga seorang anak pun dapat memahami apa yang terjadi untuk setiap eksekusi baris. Anda hanya perlu menulis protokol Anda sendiri untuk jenis baterai yang berbeda. Jika Anda menggunakan Li- ion tegangan yang berbeda, Anda hanya perlu mengubah parameter. (Meskipun ini tidak diuji untuk jenis baterai li-ion/lainnya. Anda harus mengerjakannya sendiri).

Saya sangat menyarankan untuk tidak membangun sirkuit ini, jika ini adalah proyek pertama Anda atau Anda baru mengenal mikrokontroler/elektronika daya.

Saya telah mengunggah setiap file sebagai format aslinya kecuali Makefile karena menimbulkan masalah untuk dibuka. Saya telah mengunggahnya dalam format.txt. Cukup salin konten dan tempel ke Makefile baru dan bangun seluruh proyek. Voila….you siap untuk membakar file hex.

Langkah 7: Cukup Teorinya…..mari Kita Bangun

Berikut adalah foto-foto prototipe saya dari papan tempat memotong roti hingga selesai di pcb. Silakan baca catatan foto untuk mengetahui lebih banyak. Gambar-gambar disusun secara berurutan dari awal hingga akhir.

Langkah 8: Sebelum Siklus Pengisian Pertama……. Kalibrasi!!

Sebelum mengisi baterai menggunakan charger, Anda harus mengkalibrasi terlebih dahulu. Jika tidak maka tidak akan dapat mengisi baterai/overcharge.

Ada dua jenis kalibrasi 1) Kalibrasi tegangan. 2) Kalibrasi saat ini. Langkah-langkahnya adalah sebagai berikut untuk mengkalibrasi.

Pada awalnya, ukur tegangan output U2. Kemudian tentukan di main.c sebagai ref_volt. Milik saya adalah 5.01. Ubah sesuai pengukuran Anda. Ini adalah langkah utama yang diperlukan untuk kalibrasi Tegangan & Arus. Untuk kalibrasi saat ini, tidak ada lain diperlukan. Semuanya akan diurus oleh perangkat lunak itu sendiri

Sekarang karena Anda telah membakar file hex setelah menentukan volt ref di main.c, matikan daya unit.

. Sekarang ukur tegangan baterai yang akan Anda isi dengan menggunakan multimeter dan hubungkan baterai ke unit.

Sekarang tekan tombol S1 dan tahan dan nyalakan sirkuit saat tombol ditekan. Setelah penundaan singkat sekitar 1 detik, lepaskan tombol S1. Perhatikan bahwa unit tidak akan masuk ke mode kalibrasi jika Anda menyalakan sirkuit terlebih dahulu, lalu tekan S1.

Sekarang Anda dapat melihat di layar bahwa rangkaian masuk ke mode kalibrasi. "Mode cal" akan ditampilkan di lcd bersama dengan tegangan baterai. Sekarang cocokkan tegangan baterai yang ditampilkan pada lcd dengan pembacaan multimeter Anda dengan memutar panci. Setelah Anda selesai, tekan sakelar S1 lagi, tahan selama sekitar satu detik dan lepaskan. Anda akan keluar dari mode kalibrasi. Setel ulang pengisi daya dengan mematikan dan menghidupkannya.

Proses di atas juga dapat dilakukan tanpa baterai terhubung. Anda harus menghubungkan sumber daya eksternal ke terminal output (J2). Setelah masuk ke mode kalibrasi, kalibrasi menggunakan panci. Namun kali ini putuskan dulu sumber daya eksternal lalu tekan S1 untuk keluar dari mode kalibrasi. Hal ini diperlukan untuk terlebih dahulu memutuskan sumber daya eksternal untuk menghindari segala jenis kerusakan unit apa pun.

Langkah 9: Menghidupkan Setelah Kalibrasi…..sekarang Anda Siap untuk Bergoyang

Sekarang setelah kalibrasi selesai, Anda sekarang dapat memulai proses pengisian daya. Pasang baterai terlebih dahulu, lalu hidupkan unit. Sisanya akan diurus oleh pengisi daya.

Sirkuit saya 100% berfungsi dan diuji. Tetapi jika Anda melihat sesuatu, beri tahu saya. Juga jangan ragu untuk menghubungi untuk pertanyaan apa pun.

Selamat membangun.

Rgds//Sharanya