Circuit de chargeur de batterie au lithium à deux étapes de 7,4 V

Les progrès des véhicules électriques, des drones et d'autres appareils électroniques mobiles tels que les appareils IoT semblent prometteurs pour l'avenir. Une chose commune parmi tous ceux-ci est qu'ils sont tous alimentés par des piles. Suivant la loi de Moore, les appareils électroniques ont tendance à devenir plus petits et plus potables, ces appareils portables devraient avoir leur propre source d'énergie pour fonctionner. Le choix de batterie le plus courant pour l'électronique portable aujourd'hui est les batteries au lithium-ion ou au lithium polymère. Bien que ces batteries aient une très bonne densité de charge, elles sont chimiquement instables dans des conditions difficiles, par conséquent, des précautions doivent être prises lors de leur chargement et de leur utilisation.

Dans ce projet, nous allons construire un chargeur de batterie à deux étages (CC et CV) qui pourrait être utilisé pour charger des pâtes au lithium-ion ou au lithium polymère. Le circuit du chargeur de batterie est conçu pour une batterie au lithium de 7,4 V (deux 18650 en série) que j'utilise couramment dans la plupart des projets de robotique, mais le circuit peut être facilement modifié pour s'adapter à des batteries inférieures ou légèrement supérieures, comme pour construire un chargeur de batterie au lithium 3,7 ou Chargeur de batterie lithium-ion 12v. Comme vous le savez peut-être, il existe des chargeurs prêts à l'emploi pour ces batteries, mais ceux qui sont bon marché sont très lents et ceux qui sont rapides sont très chers. Donc, dans ce circuit, j'ai décidé de construire un simple chargeur brut avec des circuits intégrés LM317 avec mode CC et CV. De plus, quoi de plus amusant que de créer votre propre gadget et d'apprendre dans son processus.

N'oubliez pas que les piles au lithium doivent être manipulées avec soin. Le surcharger ou le court-circuiter pourrait entraîner des risques d'explosion et d'incendie, alors restez en sécurité à proximité. Si vous êtes complètement nouveau dans les batteries au lithium, je vous conseille vivement de lire l'article sur les batteries au lithium avant de continuer. Cela étant dit, entrons dans le projet.

Mode CC et CV pour chargeur de batterie:

Le chargeur que nous avons l'intention de construire ici est un chargeur à deux étapes, ce qui signifie qu'il aura deux modes de charge à savoir Charge constante (CC) et Tension constante (CV). En combinant ces deux modes, nous pourrons charger la batterie plus rapidement que d'habitude.

Charge constante (CC):

Le premier mode à entrer en service sera le mode CC. Ici, la quantité de courant de charge qui doit entrer dans la batterie est fixe. Pour maintenir ce courant, la tension variera en conséquence.

Tension constante (CV):

Une fois le mode CC terminé, le mode CV entrera en jeu. Ici, la tension sera maintenue fixe et le courant pourra varier selon les besoins de charge de la batterie.

Dans notre cas, nous avons une batterie au lithium de 7,4 V, qui n'est rien d'autre que deux cellules 18650 de 3,7 V chacune étant connectées en série (3,7 V + 3,7 V = 7,4 V). Cette batterie doit être chargée lorsque la tension atteint 6,4 V (3,2 V par cellule) et peut être chargée jusqu'à 8,4 V (4,2 V par cellule). Par conséquent, ces valeurs sont déjà fixées pour notre batterie.

Ensuite, nous avons décidé du courant de charge en mode CC, cela se trouve normalement dans la fiche technique de la batterie et la valeur dépend de la cote Ah de la batterie. Dans notre cas, j'ai décidé une valeur de 800mA comme courant de charge constant. Donc, au départ, lorsque la batterie est connectée pour charger, le chargeur doit entrer en mode CC et pousser 800 mA dans la batterie en faisant varier la tension de charge en fonction. Cela chargera la batterie et la tension de la batterie commencera à augmenter lentement.

Puisque nous poussons un courant fort dans la batterie avec des valeurs de tension plus élevées, nous ne pouvons pas le laisser en CC jusqu'à ce que la batterie soit complètement chargée. Nous devons faire passer le chargeur du mode CC au mode CV lorsque la tension de la batterie a atteint une valeur considérable. Notre batterie ici devrait être de 8,4 V lorsqu'elle est complètement chargée afin que nous puissions la faire passer du mode CC au mode CV à 8,2 V.

Une fois que le chargeur est passé en mode CV, nous devons maintenir une tension constante, la valeur de la tension constante est de 8,6V dans notre cas. La batterie drainera beaucoup moins de courant en mode CV qu'en mode CC puisque la batterie est presque chargée en mode CC lui-même. Par conséquent, à 8,6 V fixe, la batterie consommera moins de courant et ce courant diminuera à mesure que la batterie se charge. Nous devons donc surveiller le courant lorsqu'il atteint une valeur très faible, disons inférieure à 50mA, nous supposons que la batterie est complètement chargée et déconnectons automatiquement la batterie du chargeur à l'aide d'un relais.

Pour résumer, nous pouvons énumérer la procédure de charge de la batterie comme suit

Entrez en mode CC et chargez la batterie avec un courant régulé fixe de 800 mA.
Surveillez la tension de la batterie et lorsqu'elle atteint 8,2 V, passez en mode CV.
En mode CV, chargez la batterie avec une tension régulée fixe de 8,6 V.
Surveillez le courant de charge à mesure qu'il diminue.
Lorsque le courant atteint 50 mA, déconnectez automatiquement la batterie du chargeur.

Les valeurs 800mA, 8.2V et 8.6V sont fixes car nous avons une batterie au lithium 7.4V. Vous pouvez facilement modifier ces valeurs selon les exigences de votre batterie. Notez également qu'il existe de nombreux chargeurs de scène. Un chargeur à deux étages comme celui-ci est le plus couramment utilisé. Dans un chargeur à trois étages, les étages seront CC, CV et flotteur. Dans un chargeur à quatre ou six étages, la résistance interne, la température, etc. seront prises en compte. Maintenant que nous avons une brève compréhension du fonctionnement du chargeur en deux étapes, entrons dans le schéma de circuit.

Schéma

Le schéma de circuit complet de ce chargeur de batterie au lithium se trouve ci-dessous. Le circuit a été réalisé en utilisant EasyEDA et le PCB sera également fabriqué en utilisant le même.

Comme vous pouvez le voir, le circuit est assez simple. Nous avons utilisé deux circuits intégrés de régulation de tension variable LM317, l'un pour réguler le courant et l'autre pour réguler la tension. Le premier relais est utilisé pour basculer entre les modes CC et CV et le second relais est utilisé pour connecter ou déconnecter la batterie au chargeur. Décomposons le circuit en segments et comprenons sa conception.

Régulateur de courant LM317

Le CI LM317 peut agir comme un régulateur de courant à l'aide d'une seule résistance. Le circuit pour le même est montré ci-dessous

Pour notre chargeur, nous devons réguler un courant de 800 mA comme indiqué ci-dessus. La formule de calcul de la valeur de la résistance pour le courant requis est donnée dans la fiche technique comme

Résistance (Ohms) = 1,25 / Courant (Ampères)

Dans notre cas, la valeur du courant est de 0,8 A et pour cela, nous obtenons une valeur de 1,56 Ohms comme valeur de résistance. Mais la valeur la plus proche que nous pourrions utiliser est de 1,5 Ohms, ce qui est mentionné dans le schéma de circuit ci-dessus.

Régulateur de tension LM317

Pour le mode CV du chargeur de batterie au lithium, nous devons réguler la tension à 8,6V comme indiqué précédemment. Encore une fois, le LM317 peut le faire à l'aide de seulement deux résistances. Le circuit pour le même est illustré ci-dessous.

La formule pour calculer la tension de sortie d'un régulateur LM317 est donnée comme

Dans notre cas, la tension de sortie (Vout) doit être de 8,6 V et la valeur de R1 (ici R2) doit être inférieure à 1000 ohms, j'ai donc sélectionné une valeur de 560 Ohms. Avec cela, si nous calculons la valeur de R2, nous obtenons 3,3k Ohms. Vous pouvez également utiliser toutes les valeurs de combinaison de résistances à condition que la tension de sortie soit de 8,6 V. Vous pouvez utiliser cette calculatrice LM317 en ligne pour faciliter votre travail.

Disposition des relais pour basculer entre les modes CC et CV

Nous avons deux relais 12V, chacun étant piloté par Arduino via un transistor BC547 NPN. La disposition des relais est illustrée ci-dessous

Le premier relais est utilisé pour basculer entre les modes CC et CV du chargeur, ce relais est déclenché par la broche Arduino étiquetée «Mode». Par défaut, le relais est en mode CC lorsqu'il est déclenché, il passe du mode CC au mode CV.

De même, le deuxième relais est utilisé pour connecter ou déconnecter le chargeur de la batterie; ce relais est déclenché par la broche Arduino étiquetée «Charge». Par défaut, le relais déconnecte la batterie du chargeur, lorsqu'il est déclenché, il connecte le chargeur à la batterie. En dehors de cela, les deux diodes D1 et D2 sont utilisées pour protéger le circuit du courant inverse et les résistances 1K R4 et R5 sont utilisées pour limiter le courant circulant à travers la base du transistor.

Mesure de la tension de la batterie au lithium

Pour surveiller le processus de charge, nous devons mesurer la tension de la batterie, ce n'est qu'alors que nous pouvons faire passer le chargeur du mode CC au mode CV lorsque la tension de la batterie atteint 8,2V, comme indiqué. La technique la plus courante utilisée pour mesurer la tension avec des microcontrôleurs comme Arduino consiste à utiliser un circuit diviseur de tension. Celui utilisé ici est illustré ci-dessous.

Comme nous le savons, la tension maximale que la broche analogique Arduino peut mesurer est de 5V, mais notre batterie peut atteindre 8,6V en mode CV, nous devons donc réduire cette tension à une tension inférieure. Ceci est fait exactement par le circuit diviseur de tension. Vous pouvez calculer la valeur de la résistance et en savoir plus sur le diviseur de tension en utilisant ce calculateur de diviseur de tension en ligne. Ici, nous avons déduit la tension de sortie de la moitié de la tension d'entrée d'origine, cette tension de sortie est ensuite envoyée à la broche analogique Arduino via l' étiquette « B_Voltage ». Nous pourrons ensuite récupérer la valeur d'origine lors de la programmation de l'Arduino.

Mesure du courant de charge

Un autre paramètre essentiel à mesurer est le courant de charge. Pendant le mode CV, la batterie sera déconnectée du chargeur lorsque le courant de charge passe en dessous de 50 mA indiquant la fin de la charge. Il existe de nombreuses méthodes pour mesurer le courant, la méthode la plus couramment utilisée étant l'utilisation d'une résistance shunt. Le circuit pour le même est montré ci-dessous

Le concept sous-jacent est la simple loi d'Ohm. Tout le courant circulant vers la batterie est amené à circuler à travers la résistance shunt 2.2R. Ensuite, par la loi d'Ohm (V = IR), nous savons que la chute de tension à travers cette résistance sera proportionnelle au courant qui la traverse. Puisque nous connaissons la valeur de la résistance et la tension à travers elle peut être mesurée à l'aide de la broche analogique Arduino, la valeur du courant peut être facilement calculée. La valeur de la chute de tension à travers la résistance est envoyée à Arduino via l'étiquette «B_Current ». Nous savons que le courant de charge maximal sera de 800 mA, donc en utilisant les formules V = IR et P = I ² R, nous pouvons calculer la valeur de résistance et la valeur de puissance de la résistance.

Arduino et LCD

Enfin, du côté Arduino, nous devons interfacer un écran LCD avec Arduino pour afficher le processus de charge à l'utilisateur et contrôler la charge en mesurant la tension, le courant, puis en déclenchant les relais en conséquence.

L'Arduino Nano dispose d'un régulateur de tension intégré, la tension d'alimentation est donc fournie à Vin et le 5V régulé est utilisé pour faire fonctionner l'Arduino et l'écran LCD 16x2. La tension et le courant peuvent être mesurés par les broches analogiques A0 et A1 respectivement en utilisant les étiquettes «B_Voltage» et «B_Current». Le relais peut être déclenché en basculant les broches GPIO D8 et D9 qui sont connectées via les étiquettes «Mode» et «Charge». Une fois les schémas prêts, nous pouvons procéder à la fabrication des PCB.

Conception et fabrication de circuits imprimés avec EasyEDA

Pour concevoir ce circuit de chargeur de batterie au lithium, nous avons choisi l'outil EDA en ligne appelé EasyEDA. J'ai déjà utilisé EasyEDA à plusieurs reprises et je l'ai trouvé très pratique à utiliser car il a une bonne collection d'empreintes et il est open-source. Après avoir conçu le PCB, nous pouvons commander les échantillons de PCB par leurs services de fabrication de PCB à faible coût. Ils offrent également un service d'approvisionnement en composants où ils ont un grand stock de composants électroniques et les utilisateurs peuvent commander les composants nécessaires avec la commande de PCB.

Lors de la conception de vos circuits et PCB, vous pouvez également rendre publics vos conceptions de circuits et de PCB afin que d'autres utilisateurs puissent les copier ou les modifier et profiter de votre travail, nous avons également rendu public l'ensemble de nos schémas de circuits et de PCB pour ce circuit, vérifiez le lien ci-dessous:

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

Vous pouvez afficher n'importe quelle couche (Haut, Bas, Topsilk, Bottomsilk, etc.) du PCB en sélectionnant le calque dans la fenêtre «Couches». Vous pouvez également afficher le circuit imprimé du chargeur de batterie au lithium et son apparence après la fabrication à l'aide du bouton Photo View dans EasyEDA:

Calcul et commande d'échantillons en ligne

Après avoir terminé la conception de ce circuit imprimé de chargeur de batterie au lithium, vous pouvez le commander via JLCPCB.com. Pour commander le PCB auprès de JLCPCB, vous avez besoin du fichier Gerber. Pour télécharger les fichiers Gerber de votre PCB, cliquez simplement sur le bouton Générer un fichier de fabrication sur la page de l'éditeur EasyEDA, puis téléchargez le fichier Gerber à partir de là ou vous pouvez cliquer sur Commander à JLCPCB comme indiqué dans l'image ci-dessous. Cela vous redirigera vers JLCPCB.com, où vous pourrez sélectionner le nombre de PCB que vous souhaitez commander, le nombre de couches de cuivre dont vous avez besoin, l'épaisseur du PCB, le poids du cuivre et même la couleur du PCB, comme l'image ci-dessous:

Après avoir cliqué sur le bouton commander au JLCPCB, il vous mènera au site Web de JLCPCB où vous pouvez commander le PCB à un prix très bas qui est de 2 $. Leur temps de construction est également très inférieur, soit 48 heures avec une livraison DHL de 3 à 5 jours.En gros, vous obtiendrez vos circuits imprimés dans la semaine suivant la commande.

Après avoir commandé le PCB, vous pouvez vérifier la progression de la production de votre PCB avec la date et l'heure. Vous le vérifiez en allant sur la page du compte et en cliquant sur le lien "Progression de la production" sous le PCB comme, illustré dans l'image ci-dessous.

Après quelques jours de commande de PCB, j'ai reçu les échantillons de PCB dans un bel emballage comme le montrent les images ci-dessous.

Après vous être assuré que les traces et les empreintes étaient correctes. J'ai procédé à l'assemblage du PCB, j'ai utilisé des en-têtes femelles pour placer l'Arduino Nano et l'écran LCD afin que je puisse les retirer plus tard si j'en ai besoin pour d'autres projets. La carte complètement soudée ressemble à ceci ci-dessous

Programmation de l'Arduino pour le chargement de la batterie au lithium en deux étapes

Une fois que le matériel est prêt, nous pouvons procéder à l'écriture du code pour l'Arduino Nano. Le programme complet de ce projet est fourni en bas de page, vous pouvez le télécharger directement sur votre Arduino. Maintenant, décomposons le programme en petits extraits et comprenons ce que fait réellement le code.

Comme toujours, nous commençons le programme en initialisant les broches d' E / S. Comme nous le savons de notre matériel, les broches A0 et A2 sont utilisées pour mesurer la tension et le courant respectivement et les broches D8 et D9 sont utilisées pour contrôler le relais de mode et le relais de charge. Le code pour définir la même chose est indiqué ci-dessous

const int rs = 2, en = 3, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7; // Mentionnez le numéro de broche pour la connexion LCD LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7); charge int = 9; // Broche pour connecter ou déconnecter la batterie au circuit int Mode = 8; // Broche pour basculer entre le mode CC et le mode CV int Voltage_divider = A0; // Pour mesurer la tension de la batterie int Shunt_resistor = A1; // Pour mesurer le courant de charge float Charge_Voltage; float Charge_current;

Dans la fonction de configuration , nous initialisons la fonction LCD et affichons un message d'introduction à l'écran. Nous définissons également les broches de relais comme des broches de sortie. Ensuite, déclenchez le relais de charge connectez la batterie au chargeur et par défaut le chargeur reste en mode CC.

void setup () { lcd.begin (16, 2); // Initialise 16 * 2 LCD lcd.print ("7.4V Li + chargeur"); // Ligne de message d'introduction 1 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("- CircuitDigest"); // Message d'introduction ligne 2 lcd.clear (); pinMode (Charge, SORTIE); pinMode (Mode, SORTIE); digitalWrite (Charge, ÉLEVÉ); // Commencer Chargig Initialement en connectant la batterie digitalWrite (Mode, LOW); // HIGH pour le mode CV et LOW pour le mode CC, délai initial du mode CC (1000); }

Ensuite, à l'intérieur de la fonction de boucle infinie, nous commençons le programme en mesurant la tension de la batterie et le courant de charge. La valeur 0,0095 et 1,78 est multipliée par la valeur analogique pour convertir 0 à 1024 en tension et valeur de courant réelles.Vous pouvez utiliser un multimètre et une pince multimètre pour mesurer la valeur réelle, puis calculer la valeur du multiplicateur. Il s'agit également de calculer théoriquement les valeurs du multiplicateur en fonction des résistances que nous avons utilisées, mais ce n'était pas aussi précis que je m'y attendais.

// Mesure initialement la tension et le courant Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Mesurer la tension de la batterie Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Mesurer le courant de charge

Si la tension de charge est inférieure à 8,2 V, nous entrons en mode CC et si elle est supérieure à 8,2 V, nous entrons en mode CV. Chaque mode a son propre en boucle. À l'intérieur de la boucle de mode CC, nous gardons la broche Mode sur BAS pour rester en mode CC, puis continuons à surveiller la tension et le courant. Si la tension dépasse la tension de seuil de 8,2 V, nous interrompons la boucle CC à l'aide d'une instruction break. L'état de la tension de charge est également affiché sur l'écran LCD à l'intérieur de la boucle CC.

// Si la tension de la batterie est inférieure à 8,2 V, entrer en mode CC tandis que (Charge_Voltage <8,2) // CC MODE Loop { digitalWrite (Mode, LOW); // Rester en mode CC // Mesurer la tension et le courant Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0095; // Mesurer la tension de la batterie Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Mesurer le courant de charge // Imprimer les détails sur LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("En mode CC"); retard (1000); lcd.clear (); // Vérifier si nous devons quitter le mode CC if (Charge_Voltage> = 8.2) // Si oui { digitalWrite (Mode, HIGH); // Passage en mode CV break; } }

La même technique peut également être suivie pour le mode CV. Si la tension dépasse 8,2 V, le chargeur entre en mode CV en mettant la broche Mode au niveau haut. Cela applique une constante de 8,6 V à travers la batterie et le courant de charge peut varier en fonction des besoins de la batterie. Ce courant de charge est ensuite surveillé et lorsqu'il atteint moins de 50 mA, nous pouvons terminer le processus de charge en déconnectant la batterie du chargeur. Pour ce faire, nous devons simplement désactiver le relais de charge comme indiqué dans le code ci-dessous

// Si la tension de la batterie est supérieure à 8,2 V, entrer en mode CV tandis que (Charge_Voltage> = 8,2) // Boucle de MODE CV { digitalWrite (Mode, HIGH); // Rester en mode CV // Mesurer la tension et le courant Charge_Voltage = analogRead (Voltage_divider) * 0,0092; // Mesurer la tension de la batterie Charge_current = analogRead (Shunt_resistor) * 1.78; // Mesurer le courant de charge // Afficher les détails à l' utilisateur sur l'écran LCD lcd.print ("V ="); lcd.print (Charge_Voltage); lcd.print ("I ="); lcd.print (Charge_current); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("En mode CV"); retard (1000); lcd.clear (); // Vérifiez si la batterie est chargée en surveillant le courant de charge si (Charge_current <50) // Si oui { DigitalWrite (Charge, FAIBLE); // Désactiver la charge while (1) // Garder le chargeur éteint jusqu'au redémarrage { lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Charge Complete."); retard (1000); lcd.clear (); } } } }

Fonctionnement du chargeur de batterie au lithium à deux étapes de 7,4 V

Une fois que le matériel est prêt, téléchargez le code sur la carte Arduino. Ensuite, connectez la batterie à la borne de charge de la carte. Assurez-vous de les connecter dans la bonne polarité, l'inversion de la polarité causera de graves dommages à la batterie et à la carte. Après avoir connecté la batterie, alimentez le chargeur à l'aide d'un adaptateur 12V. Vous serez accueilli par un texte d'introduction et le chargeur passera en mode CC ou en mode CV en fonction de l'état de la batterie. Si la batterie est complètement déchargée au moment de la charge, elle entrera en mode CC et votre écran LCD affichera quelque chose comme ceci ci-dessous.

Au fur et à mesure que la batterie se charge, la tension augmente comme indiqué dans la vidéo ci-dessous . Lorsque cette tension atteint 8,2 V, le chargeur entre en mode CV à partir du mode CC et maintenant il affiche à la fois la tension et le courant comme indiqué ci-dessous.

À partir de là, lentement, la consommation de courant de la batterie diminuera au fur et à mesure qu'elle se charge. Lorsque le courant atteint 50 mA ou moins, le chargeur suppose que la batterie est complètement chargée, puis déconnecte la batterie du chargeur à l'aide du relais et affiche l'écran suivant. Après quoi, vous pouvez déconnecter la batterie du chargeur et l'utiliser dans vos applications.

J'espère que vous avez compris le projet et que vous avez apprécié sa construction. Le travail complet peut être trouvé dans la vidéo ci-dessous. Si vous avez des questions, postez-les dans la section commentaires ci-dessous de l'utilisation des forums pour d'autres questions techniques. Encore une fois, le circuit est uniquement à des fins éducatives, alors utilisez-le avec responsabilité car les piles au lithium ne sont pas stables dans des conditions difficiles.