Caricabatterie/scaricatore intelligente Arduino Nano 4x 18650: 20 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Questo è il mio progetto open source Arduino Nano 4x 18650 Smart Charger/Discharger.

Questa unità è alimentata da 12V 5A. Può essere alimentato da un alimentatore per computer.

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Portale batteria:

Elenco delle parti:

Schema:

File Gerber PCB:

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La storia

Volevo realizzare un caricabatterie intelligente alimentato da Arduino, un tester per batterie scaricatore che potesse avere uno scanner di codici a barre che scansionasse i codici a barre sulle batterie e immettesse tutti i dati in un portale di database online. Ciò mi consentirebbe di ordinare e analizzare correttamente le tendenze in tutte le mie batterie al litio rigenerate.

Versione 1: inizialmente ho iniziato utilizzando un PCB a lato singolo fresato con il mio CNC. Questa unità aveva solo una cella e poteva caricare, scaricare e testare milli ohm.

Versione 2.2: sono passato all'utilizzo di PCB più piccoli che sono stati incisi, quindi ho avuto due moduli cella su un Arduino UNO.

Versione 3.2: ho usato gli stessi PCB più piccoli ma ho usato un Arduino Mega e ho montato il tutto su un supporto acrilico. Inizialmente avevo pianificato di avere 16 moduli, ma ho finito per utilizzare solo moduli da 8 celle poiché avrei dovuto utilizzare multiplexer di segnale analogico e il cablaggio era già molto disordinato.

Caricabatterie / scaricatore Arduino Mega 8x 1.1: ho progettato un PCB in EDA facile per un caricatore / scaricatore Arduino Mega 8x. Questo ha un LCD 20x4, codificatore rotante, lettore di schede SD (mai usato), Ethernet, host USB per la scansione di codici a barre direttamente nell'Arduino.

Caricabatterie / scaricatore Arduino Mega 8x 1.2+: in seguito ho apportato alcune piccole modifiche e aggiunto un adattatore ESP8266 per la comunicazione WIFI.

Arduino Nano 4x 18650 Smart Charger / Discharger 1.0: ho iniziato a progettare una versione 4x per renderla molto più economica e facile da costruire. Questa versione non ha uno scanner di codici a barre ma comunicava con il Vortex IT Battery Portal per inviare e ricevere dati via Internet.

Arduino Nano 4x 18650 Smart Charger / Discharger 1.1: Questo ha alcune piccole modifiche dalla versione 1.0 in quanto aveva alcuni piccoli bug nel design e questa versione è stata rilasciata al pubblico.

Passaggio 1: ottenere i componenti

File Gerber PCB

File Gerber PCB:

Componenti principali

• Arduino Nano 3.0 ATmega328P x1 AliExpresseBay
• Adattatore Arduino ESP8266 x1 AliExpresseBay
• ESP8266 ESP-01 x1 AliExpresseBay
• LCD 1602 16x2 seriale x1 AliExpresseBay
• Portabatterie 4 x 18650 x1 AliExpresseBay
• Modulo TP5100 x4 AliExpresseBay
• CD74HC4067 Modulo x1 AliExpresseBay
• 74HC595N DIP16 x1 AliExpresseBay
• Presa DIP16 x1 AliExpresseBay
• Sensore di temperatura DS18B20 x5 AliExpresseBay
• Interruttore tattile 6MM x1 AliExpresseBay
• Connettore KF301-2P 5.08mm x4 AliExpresseBay
• Jack DC 5,5 x 2,1 mm x1 AliExpresseBay
• Resistenza a Pellicola di Carbonio 3.3ohm 5W x4 AliExpresseBay
• Piedini Conici In Gomma 14x8mm x8 AliExpresseBay
• Rondelle isolanti 3x7x0.8mm x16 AliExpresseBay
• M3 x 12 mm a testa piatta in acciaio inox 304 vite a esagono incassato x20 AliExpresseBay
• Dadi esagonali M3 304 in acciaio inossidabile 304 x4 AliExpresseBay
• M3 Distanziatore 18mm Ottone F-F x4 AliExpresseBay
• M3 Standoff 35mm ottone F-F x4 AliExpresseBay
• Testata femmina 2,54 mm 1x4 x1 AliExpresseBay
• Intestazioni Maschio 2,54mm 1x40 Pin x1 AliExpresseBay
• Testata Femmina Angolo Retto 2,54mm 1x4 x1 AliExpresseBay
• USB a ESP8266 Programmatore ESP-01 x1 AliExpresseBay
• Cicalino attivo 5V x1 AliExpresseBay
• Alimentatore 12V 5A x1 AliExpresseBay

Opzione componente THT (foro passante)

• 10k - Resistenza 1/4w THT x7 AliExpresseBay
• 4.7k - Resistenza 1/4w THT x1 AliExpresseBay
• 1k - Resistore 1/4w THT x8 AliExpresseBay
• MOSFET a canale P FQP27P06 TO-220 x4 AliExpresseBay
• N-Channel MOSFET IRLZ44N TO-220 x8 AliExpresseBay
• Transistor NPN BC547 TO-92 x4 AliExpresseBay
• Diodo IN4007 x2 AliExpresseBay

Opzione componente SMD (montaggio superficiale)

• Resistore 10k - 1/8w SMD 0603 x7 AliExpresseBay
• 4.7k - Resistore 1/8w SMD 0603 x1 AliExpresseBay
• 1k - Resistore 1/8w SMD 0603 x8 AliExpresseBay
• Mosfet a canale N IRLML2502TRPBF x8 AliExpresseBay
• MOSFET a canale P AO3407 SOT-23 x4 AliExpresseBay
• Transistor NPN SOT23 BC847 x4 AliExpresseBay
• Diodo 1N4148 0603 x2 AliExpresseBay

Utensili

• Filo di saldatura 60/40 0,7 mm AliExpresseBay
• Pinze diagonali AliExpresseBay
• Stazione di rilavorazione per saldatura SMD Youyue 8586 AliExpresseBay
• Multimetro digitale UNI-T UT39A AliExpresseBay
• Spelafili AliExpresseBay
• Scanner di codici a barre AliExpresseBay
• Stampante per codici a barre AliExpresseBay
• Etichette con codice a barre 30 mm x 20 mm x 700 AliExpresseBay
• Pasta Saldante MECCANICA AliExpresseBay
• Pinzette antistatiche AliExpresseBay
• Supporto per saldatura di terza mano AliExpresseBay
• Flusso di saldatura non pulito AMTECH NC-559-ASM AliExpresseBay
• Saldare Stoppino AliExpresseBay
• Set di cacciaviti magnetici di precisione AliExpresseBay

Per un elenco aggiornato vai al mio sito Web:

Passaggio 2: resistori a saldare, transistor e MOSFET

Saldare SMD o THT (non entrambi) i componenti 1K, 4.7K, 10K, P-Channel, N-Channel e NPN

Passaggio 3: saldare nelle intestazioni e nella presa DIP

Saldare i due connettori femmina a 15 pin del Nano, 16 connettori multiplexer CD74HC4067 a 8 pin e 16 pin femmina, adattatori ESP8266 femmina a 4 pin, LCD a 4 pin femmina e la presa DIP IC a 16 pin con registri a scorrimento 74HC595N.

Nota: saldare tutti i componenti sul lato serigrafia.

Passaggio 4: componenti di base della saldatura

Saldare e installare il jack DC da 5,5 mm, Arduino Nano 328p, multiplexer CD74HC4067 e registro a scorrimento 74HC595N.

Quando si salda l'Arduino Nano e il Multiplexer, consiglio di posizionare prima i pin dell'intestazione maschio nei pin dell'intestazione femmina, quindi saldare il componente in posizione.

Passaggio 5: saldare la temperatura di Dallas DS18B20

Posizionare prima due rondelle isolanti da 3 mm x 7 mm x 0,8 mm su ciascun sensore Dallas (questo viene utilizzato per creare uno spazio fuori dal PCB in modo da non misurare la temperatura del PCB)

Saldare i 4 sensori Dallas sullo strato superiore per ogni modulo cella più il sensore ambientale sullo strato inferiore.

Fare attenzione a non sovrapporre i giunti di saldatura sui pad di saldatura TO-92. Una volta saldato, misura in modalità diodo sul tuo multimetro tra ogni gamba su qualsiasi Dallas Sensor (sono tutti collegati in parallelo)

Saldare il cicalino attivo 5V sullo strato superiore dove il pin + (positivo) è rivolto verso l'Arduino Nano

Passaggio 6: saldatura nel diodo

Saldare nel diodo sotto il multiplexer CD74HC4067

È buona norma pulire il fondente con alcool isopropilico.

Passaggio 7: testare e regolare il contrasto dello schermo LCD / i ponticelli seriali

Contrasto LCD

Collegare l'LCD seriale a 4 pin femmina a un cavo Dupont Jumper a 4 pin maschio -> femmina. Assicurati di connetterti, di connetterti esattamente:

GND -> GND

VCC -> 5V

SDA -> SDA

SCL -> SCL

Carica lo schizzo Arduino da github: ASCD_Nano_Test_LCD_Screen

Scollegare il cavo USB e utilizzare un cavo di alimentazione da 12 V nel jack CC da 5,5 mm (+ centro positivo / - esterno negativo)

Regolare il potenziometro sull'adattatore seriale sul retro dello schermo LCD CC o CW finché non viene visualizzato il testo.

Una volta che sei soddisfatto del contrasto, rimuovi i cavi del ponticello Dupont.

Ponticelli seriali

Collegare 2 ponticelli da 2,54 mm sui pin 1-2 per la comunicazione seriale del software con ESP8266

Passaggio 8: ventola PWM

Componenti

Saldare i seguenti componenti:

Connettore JST 2.0 PH 2pin (Nota: la serigrafia è al contrario sul PCB versione 1.11)

Condensatore elettrolitico da 100uF 16V

Transistor NPN BD139

Diodo

Test

Carica lo schizzo Arduino da github: ASCD_Nano_Test_Fan

Scollegare il cavo USB e utilizzare un cavo di alimentazione da 12 V nel jack CC da 5,5 mm (+ centro positivo / - esterno negativo)

Collega la ventola da 30 mm

La ventola dovrebbe accelerare e poi fermarsi

Passaggio 9: test dei MOSFET

Test dei MOSFET a scarica con resistore a canale N

Carica lo schizzo Arduino da github: ASCD_Nano_Test_Charge_Discharge_Mosfets

Scollegare il cavo USB e utilizzare un cavo di alimentazione da 12 V nel jack CC da 5,5 mm (+ centro positivo / - esterno negativo)

Con il PCB rivolto verso lo strato inferiore, imposta il multimetro in modalità diodo/continuità.

Posizionare la sonda negativa su una sorgente GND e la sonda positiva sul lato destro dei connettori delle resistenze di carico del 1° modulo (come mostrato nelle immagini).

Il multimetro dovrebbe emettere un segnale acustico per 1 secondo, quindi nessun segnale acustico per 1 secondo.

Ripetere questa operazione per ogni modulo.

Test dei MOSFET di carica TP5100 a canale P

Carica lo schizzo Arduino da github: ASCD_Nano_Test_Charge_Discharge_Mosfets (Come sopra puoi usare questo schizzo per entrambi i test)

Scollegare il cavo USB e utilizzare un cavo di alimentazione da 12 V nel jack CC da 5,5 mm (+ centro positivo / - esterno negativo)

Con il PCB rivolto verso lo strato inferiore, imposta il multimetro sulla modalità di tensione CC (di solito un intervallo di 20 V).

Posizionare la sonda negativa su una sorgente GND e la sonda positiva sul lato destro del 1° modulo TP5100 + connettore positivo (come mostrato nelle immagini). Il multimetro dovrebbe mostrare 12V per 1 secondo quindi una bassa tensione per 1 secondo. Ripetere questa operazione per ogni modulo.

Passaggio 10: ottenere i seriali del sensore di temperatura Dallas DS18B20

Carica lo schizzo Arduino da github: ASCD_Nano_Get_DS18B20_Serials

Lasciare il cavo USB. Non collegare la ventola o l'alimentazione a 12V.

Apri il monitor seriale in Arduino IDE a 115200 baud rate.

Dovrebbe rilevare/localizzare 5x dispositivi.

Riscaldare il primo sensore di temperatura DS18B20 con la punta superiore del saldatore per un breve periodo di tempo.

Nota: il numero del modulo è da sinistra a destra con il PCB rivolto verso l'alto sullo strato superiore

Dovrebbe stampare "Rilevata batteria: 1", quindi "Riscalda sensore batteria: 2"

Questo passerà in sequenza attraverso ogni modulo 4 x fino a quando non dice "Sensore ambientale rilevato completato"

Visualizzerà i numeri di serie esadecimali di tutti i sensori di temperatura DS18B20 in basso.

Copia i 5 numeri di serie e incollali in "Temp_Sensor_Serials.h" all'interno dello schizzo "ASCD_Nano_1-0-0". Assicurati di inserire l'ultima virgola (mostrata nell'immagine)

Nota: se si ottiene una lettura della temperatura di 99 gradi Celsius, significa che si è verificato un errore durante la lettura di quel sensore. O il seriale è sbagliato o il dispositivo è difettoso.

Passaggio 11: installare e testare i moduli di ricarica TP5100

Installare

Con un coltello o delle pinze diagonali tagliare 20 intestazioni maschili singole da 2,54 mm.

Posizionare 5 connettori maschio per modulo TP5100 sullo strato inferiore del PCB. Consiglio di far passare il lato lungo attraverso il foro.

Posizionare un modulo TP5100 su ciascun modulo e saldarlo in posizione. Usa delle pinzette per manipolare le intestazioni maschili se non si allineano.

Sullo strato superiore del PCB saldare i connettori il più a filo possibile con il PCB. (Dovrai montare il supporto della batteria in plastica sulla parte superiore in modo che meno sporga, meglio è)

Nota: assicurarsi di collegare il pin di ricarica sul TP5100. È il pin più vicino accanto al VCC in GND sopra il MOSFET a canale P

Test

Carica lo schizzo Arduino da github: ASCD_Nano_Test_Charge_Discharge_Mosfets (Come sopra puoi usare questo schizzo per entrambi i test)

Scollegare il cavo USB e utilizzare un cavo di alimentazione da 12 V nel jack CC da 5,5 mm (+ centro positivo / - esterno negativo)

Tutti i moduli TP5100 dovrebbero accendersi per 1 secondo e spegnersi per 1 secondo.

Passaggio 12: praticare i fori di passaggio del sensore di temperatura DS18B20

Strumenti richiesti

• Punta da trapano o scriba da 0,7 mm
• Punta da trapano da 3 mm (opzionale)
• Punta da trapano da 6,5 mm - 7 mm

Trapano

Ottieni un PCB vuoto di ricambio e un supporto per batterie 4x 18650

Montare il supporto per batterie 4x 18650 con il segno + rivolto verso la parte superiore della scheda

Segna le posizioni dei fori con una punta da trapano da 0,7 mm o uno scriba tramite il perno centrale su ciascuno dei sensori di temperatura TO-92 DS18B20

Rimuovere il supporto per batterie 4x 18650 e praticare un foro da 6,5 mm - 7 mm. Consiglio di usare prima una punta da trapano più piccola.

Testare il supporto della batteria 4x 18650 e vedere se il sensore di temperatura DS18B20 ha spazio sufficiente.

Nota: non saldare il portabatterie 4x 18650 fino a quando tutti gli altri componenti non sono stati saldati.

Passaggio 13: montare i resistori di scarica

Montare e saldare le intestazioni

Montare prima le intestazioni. È possibile utilizzare il terminale a vite da 5,08 mm o l'intestazione maschio JST da 2,54 mm.

Nota: utilizzo del blu tack per tenere in posizione l'intestazione/terminale durante la saldatura.

Saldarli dentro.

Misura Ohm dei resistori (opzionale)

Misura, numera e registra la resistenza di ciascun resistore.

Uso il mio tester LCR-T4 per questo. Potresti usare un multimetro di qualità (non è accurato al 100% ma è una buona misura di base)

Modifica lo schizzo Arduino da github: ASCD_Nano_1-0-0 aggiungi i valori del resistore modificati.

Montare i resistori

In questo esempio sto usando i terminali a vite da 5,08 mm e sto scaglionando ogni resistore a filo avvolto. In seguito aggiungerò i passaggi per i resistori rivestiti in alluminio su un dissipatore di calore.

Passaggio 14: saldare i componenti finali

Saldare nel supporto per batterie 4x 18650.

Nota: potrebbe essere necessario tagliare alcuni contatti con alcune pinze a filo / diagonali.

Saldare il pulsante da 6 mm.

Passaggio 15: montare tutto l'hardware

Adattatore Arduino ESP8266

4x Usa distanziali M2.5 M-F o F-F

8 viti M2.5 o 4 viti M2.5 e 4 dadi M2.5 a seconda se si utilizzano distanziali M-F o F-F

Utilizzare un connettore a 4 pin da 2,54 mm ad angolo retto per collegare i connettori femmina a maschio.

Nota: potrebbe essere necessario stagnare il connettore per ottenere una buona connessione se è allentato.

LCD

4x M3 Standoff 18mm Ottone F-F e 8x M3 x 12mm Viti per LCD

Fan

Solo custodia stampata in 3D: infilare alcune viti M3 x 18 mm, i fori delle viti della ventola aggiungono la ventola.

Passaggio 16: carica l'Arduino Nano Sketch

Prima di caricare lo schizzo, controlla l'uscita di tensione a 5 V dal regolatore di tensione di Arduino. Ci sono due punti sonda sullo schermo LCD.

Modifica l'Arduino Sketch da github: ASCD_Nano_1-0-0 Cambia questa linea nell'Arduino Sketch con la tua lettura di tensione

const float riferimentoVoltage = 5,01; // Uscita 5V di Arduino

Puoi anche modificare altre impostazioni personalizzate per le tue esigenze di test

const float shuntResistor[4] = {3.3, 3.3, 3.3, 3.3};

const float riferimentoVoltage = 5,01; // Uscita 5V di Arduino const float defaultBatteryCutOffVoltage = 2.8; // Tensione che interrompe la scarica const byte restTimeMinutes = 1; // Il tempo in minuti per far riposare la batteria dopo la carica. 0-59 sono validi const int lowMilliamps = 1000; // Questo è il valore di Milli Amps che è considerato basso e non viene ricaricato perché considerato difettoso const int highMilliOhms = 500; // Questo è il valore di Milli Ohm considerato alto e la batteria considerata guasta const int offsetMilliOhms = 0; // Calibrazione offset per Milli Ohm const byte ChargingTimeout = 8; // Il timeout in ore per l'addebito const byte tempThreshold = 7; // Soglia di avviso in gradi sopra la temperatura iniziale const byte tempMaxThreshold = 20; // Soglia massima in gradi sopra la temperatura iniziale - Considerata difettosa const float batteryVolatgeLeak = 0.50; // Nella schermata iniziale "BATTERY CHECK" osservare la tensione più alta di ogni modulo e impostare questo valore leggermente più alto const byte moduleCount = 4; // Numero di moduli const byte screenTime = 4; // Tempo in secondi (cicli) per schermo attivo const int scaricaReadInterval = 5000; // Intervalli di tempo tra le letture di scarica. Regola per mAh +/-

Collega Arduino Nano al tuo computer e carica lo sketch ASCD_Nano_1-0-0

Potrebbe essere necessario utilizzare ATmega328P (vecchio boot loader) come processore in Arduino IDE

Seleziona la porta COM corretta e carica lo sketch

Passaggio 17: carica lo schizzo ESP8266

Se non hai ancora registrato il tuo account Vortex It - Battery Portal vai al passaggio successivo.

Devi installare l'add-on Arduino ESP8266 nel tuo IDE Arduino usa questa guida:

Modifica quanto segue in ESP8266_Wifi_Client_1-0-0 Arduino Sketch

const char ssid = ""; -> ai tuoi router WIFI

SSID const char password = ""; -> alla password del tuo router WIFI

const char userHash = ""; -> al tuo UserHash (ottieni questo da "Menu caricatore / scaricatore -> Visualizza" nel portale della batteria Vortex It)

const byte CDUnitID =; -> al tuo CDUnitID (ottieni questo da "Menu caricatore / scaricatore -> Visualizza -> Seleziona il tuo caricatore / scaricatore" nel portale della batteria Vortex It)

Utilizzare il programmatore da USB a ESP8266 ESP-01 per caricare lo schizzo ESP8266_Wifi_Client_01.ino su ESP8266 con l'interruttore su PROG

Passaggio 18: configura il tuo Vortex It - Account del portale della batteria

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Se non sei già registrato per un account.

Accedi con le tue credenziali

Nel menu cliccare su "Caricatore/scaricatore" -> "Nuovo"

Seleziona dall'elenco a discesa "Arduino 4x C/D"

Fare clic su "Nuovo caricatore/scaricatore"

Nel menu cliccare su "Caricatore/scaricatore" -> "Visualizza"

Selezionare dall'elenco a discesa "xx - Arduino 4x C/D" (dove xx è il CDUnitID)

Non fare il tuo "UserHash" e "CDUnitID"

Fare clic su "Modulo Live View" per visualizzare il caricatore/scaricatore online

Passaggio 19: Opzionale: creare un involucro stampato in 3D

Se hai una stampante 3D puoi stampare un involucro che ho progettato io. Sentiti libero di creare il tuo stile di recinzione e condividerlo:

Fusione 360

gallery.autodesk.com/fusion360/projects/asdc-nano-4x-arduino-charger--discharger-enclosure

Thingiverse STL

www.thingiverse.com/thing:3502094

Passaggio 20: iniziare a testare 18650 celle

Inserisci alcune batterie nei moduli cella e vai alla pagina "Modulo Live View" scansiona i tuoi codici a barre e sei fuori.