Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов 4S 18650 от солнца: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Мотивацией к реализации этого проекта было создание моей собственной зарядной станции для аккумуляторных элементов 18650, которая станет жизненно важной частью моих будущих проектов в области беспроводной связи (с точки зрения энергопотребления). Я выбрал беспроводной путь, потому что он делает электронные проекты мобильными, менее громоздкими, и у меня есть куча утилизированных аккумуляторных элементов 18650.

Для своего проекта я решил заряжать четыре литий-ионных аккумулятора 18650 одновременно и соединять их последовательно, что делает эту схему аккумуляторов 4S. Просто ради удовольствия я решил установить четыре солнечные панели поверх своего устройства, которые почти не заряжают элементы батареи… но это выглядит круто. Этот проект питается от запасного зарядного устройства для ноутбука, но подойдет и любой другой источник питания с напряжением выше +16,8 В. Другие дополнительные функции включают индикатор заряда литий-ионного аккумулятора для отслеживания процесса зарядки и порт USB 2.0, используемый для зарядки смартфона.

Шаг 1. Ресурсы

Электроника:

• 4S BMS;
• Держатель аккумуляторной батареи 4S 18650;
• Индикатор заряда аккумулятора 4S 18650;
• 4 литий-ионных аккумулятора 18650;
• 4 шт. Панели солнечных батарей 80х55 мм;
• Гнездо USB 2.0;
• Гнездо зарядного устройства ноутбука;
• Понижающий преобразователь с функцией ограничения тока;
• Малый понижающий преобразователь на +5 вольт;
• Тактильная кнопка индикатора заряда аккумулятора;
• 4 диода Шоттки BAT45;
• 1N5822 диод Шоттки или аналогичный;
• 2 шт. Переключателя SPDT;

Строительство:

• Листовое органическое стекло;
• Болты и гайки;
• Уголки 9 шт.;
• Петли 2 шт.;
• Горячий клей;
• Ручная пила;
• Дрель;
• Изолента (по желанию);

Шаг 2: BMS

До того, как я начал этот проект, я мало что знал о зарядке литий-ионных аккумуляторов, и по тому, что я обнаружил, я могу сказать, что BMS (также известная как система управления батареями) является основным решением этой проблемы (я не говорю, что Это самое лучшее и единственное). Это плата, которая гарантирует, что 18560 литий-ионных аккумуляторных элементов работают в безопасных и стабильных условиях. Он имеет следующие функции защиты:

• Защита от перезарядки;

  • напряжение не будет выше +4,195 В на элемент батареи;
  • зарядка аккумуляторных элементов напряжением выше максимального рабочего напряжения (обычно +4,2 В) приведет к их повреждению;
  • если литий-ионный аккумулятор заряжен максимум до +4,1 В, его срок службы будет больше по сравнению с аккумулятором, который был заряжен до +4,2 В;

• Защита от пониженного напряжения;

  • напряжение аккумуляторной батареи не будет ниже +2,55 В;
  • если позволить элементу батареи разрядиться ниже минимального рабочего напряжения, он будет поврежден, потеряет часть своей емкости и скорость его саморазряда увеличится;
  • Во время зарядки литий-ионного элемента, напряжение которого ниже его минимального рабочего напряжения, может возникнуть короткое замыкание и подвергнуть опасности окружающее пространство;

• Защита от короткого замыкания;

  Ячейка батареи не будет повреждена, если в вашей системе произойдет короткое замыкание;

• Защита от сверхтока;

  BMS не позволит току превысить номинальное значение;

• Балансировка аккумуляторов;

  • Если система содержит более одной аккумуляторной батареи, соединенной последовательно, эта плата гарантирует, что все аккумуляторные элементы имеют одинаковый заряд;
  • Если, например, у нас есть один литий-ионный аккумулятор, у которого больше заряда, чем у других, и он разряжается на другие элементы, что для них очень вредно;

Существует множество схем BMS, предназначенных для разных целей. Они имеют разные схемы защиты и рассчитаны на разные конфигурации батарей. В моем случае я использовал конфигурацию 4S, что означает, что четыре элемента батареи соединены последовательно (4S). Это будет примерно обеспечивать общее напряжение +16, 8 В и 2 Ач в зависимости от качества ячеек батареи. Кроме того, вы можете подключить к этой плате почти столько серий аккумуляторных ячеек параллельно, сколько захотите. Это увеличит емкость аккумулятора. Чтобы зарядить эту батарею, вам необходимо запитать BMS примерно +16,8 вольт. Схема подключения BMS представлена на рисунках.

Обратите внимание, что для зарядки аккумулятора необходимо подключить необходимое напряжение питания к контактам P + и P-. Чтобы использовать заряженную батарею, вы подключаете свои компоненты к контактам B + и B-.

Шаг 3: аккумулятор 18650

Источник питания для моей батареи 18650 - HP +19 В и зарядное устройство для ноутбука 4,74 А, которое у меня было под рукой. Поскольку его выходное напряжение слишком высокое, я добавил понижающий преобразователь, чтобы понизить напряжение до +16,8 вольт. Когда все было собрано, я протестировал это устройство, чтобы посмотреть, как оно работает. Я оставил его на подоконнике, чтобы он заряжался от солнечной энергии. Вернувшись домой, я заметил, что аккумуляторные элементы совсем не заряжены. Фактически, они были полностью разряжены, и когда я попытался зарядить их с помощью зарядного устройства для ноутбука, микросхема понижающего преобразователя начала издавать странные шипящие звуки, и стало очень жарко. Когда я измерил ток, идущий в BMS, я получил значение более 3,8 ампер! Это было намного выше максимальных номиналов моего понижающего преобразователя. BMS потребляла так много тока, потому что батареи были полностью разряжены.

Во-первых, я переделал все соединения между BMS и внешними компонентами, а затем занялся проблемой разряда, которая возникла при зарядке от солнечной батареи. Я думаю, что эта проблема возникла из-за недостаточного количества солнечного света для включения понижающего преобразователя. Когда это произошло, я думаю, что зарядное устройство начало двигаться в противоположном направлении - от аккумулятора к понижающему преобразователю (индикатор понижающего преобразователя был включен). Все это было решено добавлением диода Шоттки между BMS и понижающим преобразователем. Таким образом, ток точно не вернется в понижающий преобразователь. Этот диод имеет максимальное напряжение блокировки постоянного тока 40 вольт и максимальный прямой ток 3 ампера.

Чтобы решить огромную проблему тока нагрузки, я решил заменить свой понижающий преобразователь на тот, который имеет функцию ограничения тока. Этот понижающий преобразователь вдвое больше, но, к счастью, у меня в корпусе было достаточно места для него. Это гарантировало, что ток нагрузки никогда не превысит 2 ампера.

Шаг 4: Источник солнечной энергии

Для этого проекта я решил добавить солнечные батареи. Поступая таким образом, я хотел лучше понять, как они работают и как их использовать. Я решил соединить четыре панели солнечных батарей на 6 В и 100 мА последовательно, что, в свою очередь, дает мне в сумме 24 В и 100 мА в наилучших условиях солнечного света. В сумме получается не более 2,4 Вт мощности, что немного. С утилитарной точки зрения это дополнение совершенно бесполезно и едва ли может заряжать аккумуляторные батареи 18650, так что это скорее украшение, чем функция. Во время моих тестовых прогонов этой части я обнаружил, что этот массив солнечных панелей заряжает только 18650 аккумуляторных элементов в идеальных условиях. В пасмурный день он может даже не включить понижающий преобразователь, который следует за солнечной панелью.

Обычно вы подключаете блокирующий диод после панели PV4 (см. Схему). Это предотвратит протекание тока обратно к солнечным панелям, когда нет солнечного света и панели не будут производить никакой энергии. Тогда аккумулятор начнет разряжаться на массив солнечных панелей, что потенциально может нанести им вред. Поскольку я уже добавил диод D5 между понижающим преобразователем и аккумуляторной батареей 18650, чтобы предотвратить обратный ток, мне не нужно было добавлять еще один. Для этой цели рекомендуется использовать диод Шоттки, потому что он имеет меньшее падение напряжения, чем обычный диод.

Еще одна мера предосторожности для солнечных панелей - это байпасные диоды. Они нужны при последовательном подключении солнечных батарей. Они помогают в тех случаях, когда одна или несколько подключенных солнечных панелей затенены. Когда это произойдет, затемненная солнечная панель не будет производить никакой энергии, и ее сопротивление станет высоким, блокируя прохождение тока от незатененных солнечных панелей. Вот тут и появился обходной диод. Когда, например, солнечная панель PV2 затенена, ток, производимый солнечной панелью PV1, будет иметь путь наименьшего сопротивления, то есть он будет протекать через диод D2. Это приведет к снижению общей мощности (из-за затемненной панели), но, по крайней мере, ток не будет полностью заблокирован. Когда ни одна из солнечных панелей не заблокирована, ток будет игнорировать диоды и будет проходить через солнечные панели, потому что это путь наименьшего сопротивления. В своем проекте я использовал диоды Шоттки BAT45, подключенные параллельно каждой солнечной панели. Рекомендуются диоды Шоттки, потому что они имеют меньшее падение напряжения, что, в свою очередь, сделает всю решетку солнечных панелей более эффективной (в ситуациях, когда некоторые солнечные панели затемнены).

В некоторых случаях байпасные и блокирующие диоды уже встроены в солнечную панель, что значительно упрощает конструкцию вашего устройства.

Вся солнечная панель подключена к понижающему преобразователю A1 (понижающее напряжение до +16,8 В) через переключатель SPDT. Таким образом, пользователь может выбрать способ питания аккумуляторных батарей 18650.

Шаг 5: Дополнительные функции

Для удобства я добавил индикатор заряда батареи 4S, подключенный через тактильный переключатель, чтобы показать, заряжен ли аккумулятор 18650. Еще одна функция, которую я добавил, - порт USB 2.0, используемый для зарядки устройства. Это может пригодиться, когда я вынесу зарядное устройство 18650 на улицу. Поскольку смартфонам требуется +5 вольт для зарядки, я добавил понижающий понижающий преобразователь, чтобы понизить напряжение с +16,8 до +5 вольт. Кроме того, я добавил переключатель SPDT, чтобы понижающий преобразователь A2 не тратил впустую дополнительную мощность, когда порт USB не используется.

Шаг 6: Строительство жилья

В качестве основы корпуса я использовал прозрачные листы оргстекла, которые вырезал ножовкой. Это относительно дешевый и простой в использовании материал. Чтобы скрепить все в одном месте, я использовал металлические уголки в сочетании с болтами и гайками. Таким образом, при необходимости вы сможете быстро собрать и разобрать корпус. С другой стороны, такой подход добавляет устройству лишний вес, поскольку в нем используется металл. Чтобы проделать отверстия для гаек, я использовал электродрель. Солнечные панели были приклеены к органическому стеклу с помощью горячего клея. Когда все было собрано, я понял, что внешний вид этого устройства не идеален, потому что весь электронный беспорядок можно увидеть через прозрачное стекло. Чтобы решить эту проблему, я заклеил органическое стекло изолентой разных цветов.

Шаг 7: Последние слова

Хотя это был относительно простой проект, у меня была возможность приобрести опыт в электронике, построить корпуса для своих электронных устройств и познакомиться с новыми (для меня) электронными компонентами.

Надеюсь, это руководство было для вас интересным и информативным. Если у вас есть вопросы или предложения, не стесняйтесь комментировать?

Чтобы получать последние новости о моих электронных и других проектах, подпишитесь на меня в facebook:

facebook.com/eRadvilla