Caricabatteria per celle agli ioni di litio 4S 18650 alimentato da Sun: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

La motivazione per intraprendere questo progetto è stata quella di creare la mia stazione di ricarica delle celle della batteria 18650 che sarà una parte vitale nei miei futuri progetti wireless (per quanto riguarda l'alimentazione). Ho scelto un percorso wireless perché rende i progetti elettronici mobili, meno ingombranti e ho una pila di celle di batteria 18650 recuperate in giro.

Per il mio progetto ho scelto di caricare quattro batterie agli ioni di litio 18650 contemporaneamente e collegate in serie, il che rende questa batteria 4S. Solo per il gusto di farlo ho deciso di montare quattro pannelli solari sul mio dispositivo che caricano a malapena le celle delle batterie… ma sembra bello. Questo progetto è alimentato da un caricabatterie per laptop di riserva, ma andrà bene anche qualsiasi altra fonte di alimentazione superiore a +16,8 volt. Altre caratteristiche aggiuntive includono l'indicatore di carica della batteria agli ioni di litio per monitorare il processo di ricarica e la porta USB 2.0 utilizzata per caricare uno smartphone.

Passaggio 1: risorse

Elettronica:

• BMS 4S;
• Supporto per cella batteria 4S 18650;
• Indicatore di carica della batteria 4S 18650;
• 4 batterie 18650 agli ioni di litio;
• 4 pz 80x55 mm Pannelli solari;
• Presa USB 2.0 femmina;
• Presa femmina per caricabatterie per laptop;
• Convertitore buck con funzione di limitazione della corrente;
• Convertitore buck piccolo a +5 volt;
• Pulsante tattile per indicatore di carica della batteria;
• 4 diodi Schottky BAT45;
• 1N5822 Diodo Schottky o qualcosa di simile;
• 2 interruttori SPDT;

Costruzione:

• Lastra di vetro organico;
• Bulloni e dadi;
• Staffe angolari da 9 pezzi;
• Cerniere da 2 pezzi;
• Colla calda;
• Sega a mano;
• Trapano;
• Nastro adesivo (opzionale);

Passaggio 2: BMS

Prima di iniziare questo progetto, non sapevo molto sulla ricarica delle batterie agli ioni di litio e per quello che ho trovato posso dire che BMS (noto anche come sistema di gestione della batteria) è la soluzione principale per questo problema (non sto dicendo che È il migliore e l'unico). È una scheda che assicura che le celle della batteria agli ioni di litio 18560 funzionino in condizioni sicure e stabili. Ha le seguenti caratteristiche di protezione:

• Protezione da sovraccarico;

  • la tensione non supererà i +4.195 V per cella della batteria;
  • caricare le celle della batteria con una tensione superiore alla massima tensione operativa (tipicamente +4,2 V) le danneggerà;
  • se la cella della batteria agli ioni di litio viene caricata a un massimo di +4,1 V, la sua durata sarà maggiore rispetto alla batteria che è stata caricata a +4,2 V;

• Protezione da sottotensione;

  • la tensione delle celle della batteria non sarà inferiore a +2,55 V;
  • se la cella della batteria viene lasciata scaricare al di sotto della tensione di esercizio minima, si danneggerà, perderà parte della sua capacità e aumenterà la sua velocità di autoscarica;
  • Durante la carica di una cella agli ioni di litio la cui tensione è inferiore alla sua tensione operativa minima, può sviluppare un cortocircuito e mettere in pericolo l'ambiente circostante;

• Protezione da cortocircuito;

  La cella della batteria non verrà danneggiata in caso di cortocircuito nel sistema;

• Protezione da sovracorrente;

  BMS non permetterà alla corrente di superare il valore nominale;

• Bilanciamento della batteria;

  • Se il sistema contiene più celle della batteria collegate in serie questa scheda farà in modo che tutte le celle della batteria abbiano la stessa carica;
  • Se per es. abbiamo una cella della batteria agli ioni di litio che ha più carica delle altre e si scaricherà su altre celle, il che è molto malsano per loro;

Ci sono una varietà di circuiti BMS là fuori progettati per scopi diversi. Hanno diversi circuiti di protezione al loro interno e sono costruiti per diverse configurazioni della batteria. Nel mio caso, ho usato la configurazione 4S, il che significa che quattro celle della batteria sono collegate in serie (4S). Ciò produrrà approssimativamente una tensione totale di +16, 8 volt e 2 Ah a seconda della qualità delle celle della batteria. Inoltre, è possibile collegare in parallelo quasi tutte le serie di celle della batteria che si desidera per questa scheda. Ciò aumenterebbe la capacità della batteria. Per caricare questa batteria è necessario fornire al BMS circa +16,8 volt. Il circuito di collegamento di BMS è nelle immagini.

Si noti che per caricare una batteria si collega la tensione di alimentazione necessaria ai pin P+ e P-. Per utilizzare la batteria carica, collega i tuoi componenti ai pin B+ e B-.

Passaggio 3: alimentazione della batteria 18650

L'alimentatore per la mia batteria 18650 è HP +19 volt e un caricabatterie per laptop da 4, 74 ampere che avevo in giro. Poiché la sua uscita di tensione è un po' troppo alta, ho aggiunto un convertitore buck per abbassare la tensione a +16,8 volt. Quando tutto era già stato costruito, ho testato questo dispositivo per vedere come si comporta. L'ho lasciato sul davanzale della finestra per ricaricarlo utilizzando l'energia solare. Quando sono tornato a casa ho notato che le celle della mia batteria non erano affatto cariche. In effetti, erano completamente scarichi e quando ho provato a caricarli utilizzando il caricabatterie per laptop, il chip del convertitore buck ha iniziato a emettere strani sibili e si è fatto molto caldo. Quando ho misurato la corrente andando a BMS ho ottenuto la lettura di più di 3,8 ampere! Questo era molto al di sopra delle valutazioni massime del mio convertitore buck. Il BMS stava assorbendo così tanta corrente perché le batterie erano completamente scariche.

In primo luogo, ho rifatto tutte le connessioni tra BMS e componenti esterni, quindi sono andato dopo il problema di scarica che si è verificato durante la ricarica con il solare. Penso che questo problema si sia verificato perché non c'era abbastanza luce solare per l'accensione del convertitore buck. Quando è successo, penso che il caricabatterie abbia iniziato ad andare nella direzione opposta: dalla batteria al convertitore buck (la spia del convertitore buck era accesa). Tutto ciò è stato risolto aggiungendo un diodo Schottky tra BMS e convertitore buck. In questo modo la corrente non tornerà sicuramente al convertitore buck. Questo diodo ha una tensione di blocco CC massima di 40 volt e una corrente diretta massima di 3 ampere.

Per risolvere l'enorme problema della corrente di carico, ho deciso di sostituire il mio convertitore buck con uno che avesse la funzione di limitazione della corrente. Questo convertitore buck è grande il doppio, ma fortunatamente avevo abbastanza spazio nel mio recinto per adattarlo. Ha garantito che la corrente di carico non supererà mai i 2 ampere.

Passaggio 4: alimentazione solare

Per questo progetto ho deciso di incorporare il pannello solare nel mix. In questo modo volevo capire meglio come funzionano e come usarli. Ho scelto di collegare quattro pannelli solari da 6 volt e 100 mA in serie che a loro volta mi forniscono 24 volt e 100 mA in totale nelle migliori condizioni di luce solare. Questo aggiunge fino a non più di 2,4 watt di potenza, che non è molto. Dal punto di vista utilitaristico questa aggiunta è abbastanza inutile e può caricare a malapena 18650 celle della batteria, quindi è più una decorazione che una caratteristica. Durante i miei test di questa parte ho scoperto che questa serie di pannelli solari carica solo 18650 celle della batteria in condizioni perfette. In una giornata nuvolosa potrebbe anche non accendere un convertitore buck che segue l'array di pannelli solari.

In genere, collegheresti un diodo di blocco dopo il pannello PV4 (guarda nello schema). Ciò impedirebbe alla corrente di tornare ai pannelli solari quando non c'è luce solare e i pannelli non producono energia. Quindi un pacco batteria inizierebbe a scaricarsi sull'array di pannelli solari che potrebbe potenzialmente danneggiarli. Dato che ho già aggiunto un diodo D5 tra il convertitore buck e il pacco batteria 18650 per evitare che la corrente rifluisca, non ho bisogno di aggiungerne un altro. Si consiglia di utilizzare un diodo Schottky per questo scopo perché hanno una caduta di tensione inferiore rispetto a un normale diodo.

Un'altra linea di precauzione per i pannelli solari sono i diodi di by-pass. Sono necessari quando i pannelli solari sono collegati in una configurazione in serie. Aiutano nei casi in cui uno o più pannelli solari collegati sono in ombra. Quando ciò accade, il pannello solare ombreggiato non produrrà alcuna potenza e la sua resistenza aumenterà, bloccando il flusso di corrente dai pannelli solari non ombreggiati. Ecco dove entra il diodo di bypass. Quando, ad esempio, il pannello solare PV2 è ombreggiato, la corrente prodotta dal pannello solare PV1 seguirà il percorso di minor resistenza, il che significa che fluirà attraverso il diodo D2. Ciò si tradurrà in una potenza totale inferiore (a causa del pannello ombreggiato) ma almeno la corrente non verrà bloccata del tutto. Quando nessuno dei pannelli solari è bloccato, la corrente ignorerà i diodi e scorrerà attraverso i pannelli solari perché è il percorso di minor resistenza. Nel mio progetto ho utilizzato diodi Schottky BAT45 collegati in parallelo ad ogni pannello solare. I diodi Schottky sono consigliati perché hanno una caduta di tensione inferiore che a sua volta renderà più efficiente l'intero array di pannelli solari (in situazioni in cui alcuni dei pannelli solari sono in ombra).

In alcuni casi, i diodi di bypass e di blocco sono già integrati nel pannello solare, il che rende molto più semplice la progettazione del tuo dispositivo.

L'intero array di pannelli solari è collegato al convertitore buck A1 (riducendo la tensione a +16,8 volt) tramite l'interruttore SPDT. In questo modo l'utente può selezionare come alimentare le celle della batteria 18650.

Passaggio 5: funzionalità aggiuntive

Per comodità ho aggiunto un indicatore di carica della batteria 4S collegato tramite interruttore tattile per mostrare se il pacco batteria 18650 è stato ancora caricato. Un'altra caratteristica che ho aggiunto è la porta USB 2.0 utilizzata per la ricarica del dispositivo. Questo potrebbe tornare utile quando porterò fuori il mio caricabatterie 18650. Poiché gli smartphone hanno bisogno di +5 volt per la ricarica, ho aggiunto un convertitore buck step-down per abbassare la tensione da +16,8 volt a +5 volt. Inoltre, ho aggiunto uno switch SPDT in modo che nessuna potenza aggiuntiva venga sprecata dal convertitore buck A2 quando la porta USB non viene utilizzata.

Passaggio 6: costruzione di alloggi

Come base dell'involucro dell'alloggiamento ho utilizzato lastre di vetro organico trasparente che ho tagliato con una sega a mano. È un materiale relativamente economico e facile da usare. Per fissare tutto in un posto ho usato staffe angolari metalliche in combinazione con bulloni e dadi. In questo modo puoi montare e smontare rapidamente la custodia, se necessario. D'altra parte, questo approccio aggiunge peso inutile al dispositivo perché utilizza il metallo. Per fare i fori necessari per i dadi ho usato un trapano elettrico. I pannelli solari sono stati incollati al vetro organico usando la colla a caldo. Quando tutto è stato messo insieme mi sono reso conto che l'aspetto di questo dispositivo non era perfetto perché si poteva vedere tutto il disordine elettronico attraverso il vetro trasparente. Per risolvere il problema ho ricoperto il vetro organico con diversi colori di nastro adesivo.

Passaggio 7: ultime parole

Sebbene questo fosse un progetto relativamente facile, ho avuto la possibilità di acquisire esperienza nell'elettronica, costruendo custodie per i miei dispositivi elettronici e sono stato introdotto a nuovi (per me) componenti elettronici.

Spero che questo tutorial sia stato interessante e informativo per te. Se avete domande o suggerimenti non esitate a commentare?

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