Thiết kế mạch sạc pin Li-ion : Trong phần chỉ dẫn trước,

chúng tôi đã luận bàn 

những kiến ​​thức căn bản về pin Lithium-ion

 . 

không chỉ thế, tất cả chúng ta đã luận bàn về một cách trọng yếu là phải giải quyết những viên pin này một cách thận trọng.

như đã đề cập trong chỉ dẫn trước, pin Lithium-ion cần được sạc bằng mẹo CC-CV, trong chỉ dẫn này, bộ sạc pin Li-ion cho pin Li-ion một cell có điện áp danh định 3,7 V sẽ được thiết kế. 

Hình 1:  

Mạch sạc pin

Về căn bản có hai cấu tạo căn bản để thiết kế mạch sạc :

1. 

Bộ sạc sử dụng : Bộ bố trí tuyến tính

2. 

Bộ sạc sử dụng : Bộ bố trí chuyển mạch

Có các mô-đun hoặc bộ sạc có sẵn trên thị trường có thể được sử dụng để sạc pin Li-ion. Trong chỉ dẫn này, một bộ sạc được chế tác bằng các thành phần điện tử căn bản bao gồm Bộ bố trí tuyến tính sẽ được thiết kế từ đầu. Mạch sạc sẽ được tùy chỉnh theo thông số kỹ thuật kỹ thuật của pin & yêu cầu sạc. 

Pin Li-ion 3,7 V thông thường có điện áp định mức tối đa là 4,2 V trên mỗi cell. Điều đó có nghĩa là, khi điện áp của pin đạt đến 4,2 V, nó sẽ được sạc đầy & chẳng thể lưu trữ điện tích vượt quá mức đó. Ở hiện trạng đẳng áp, bộ sạc đặt với vận tốc không đổi tại các đầu cực của pin. Phấn đấu sạc pin bằng cách đặt điện áp cao hơn mức này có thể sạc pin nhanh nhưng làm giảm tuổi thọ của pin.

Ngoài điện áp danh định lớn nhất hoặc điện áp cực đại của đầu nối, 1 điểm trọng yếu khác cần chú ý khi thiết kế mạch sạc là vận tốc C (C-rate là thước đo vận tốc pin được xả đối với dung tích tối đa của nó. Vận tốc 1C có nghĩa là dòng phóng điện sẽ xả toàn thể pin trong 1 giờ. So với pin có công suất 100 Amp-giờ, điều này tương tự với dòng phóng điện 100 Amps.). Nếu pin Li-ion 3000 mAh được sạc với dòng điện tối đa 1500 mA thì nó sẽ được gọi là vận tốc sạc 0,5 C. Vì nguyên nhân an toàn, pin Li-ion phải được sạc với vận tốc sạc từ 0,5 C đến 0,8 C.

Chu kỳ sạc của Pin Li-ion về căn bản có hai công đoạn: 

1. 

Sạc dòng điện không đổi (viết tắt là chính sách CC)

2. 

Nạp điện áp không đổi (viết tắt là chính sách CV)

Nhưng một số bộ sạc được thiết kế để bỏ qua hoặc thêm nhiều công đoạn trong công cuộc sạc. Trong chỉ dẫn này, bộ sạc được thiết kế sẽ có cả hai công đoạn căn bản bao gồm chính sách Dòng điện không đổi & Điện áp không đổi. Hãy xem chỉ dẫn trước – “Khái niệm cơ bản về cách sạc pin Li-ion” để khám phá về các phép tắc căn bản của pin Li-ion & mẹo sạc của chúng. 

Mạch sạc được thiết kế trong chỉ dẫn này được chia thành hai phần: 

a) Thiết kế điện áp nguồn áp không đổi & dòng điện không đổi

b) Thiết kế chính sách chuyển mạch 

Trong chỉ dẫn này, việc thiết kế Điện áp nguồn áp không đổi & Dòng điện không đổi sẽ được luận bàn & thiết kế chính sách chuyển mạch sẽ được luận bàn trong chỉ dẫn kế đến. Chính vì như vậy, trong chỉ dẫn này, trước hết, Nguồn dòng điện không đổi có vận tốc sạc là 0,5 C sẽ được thiết kế. Kế đến sẽ là thiết kế Điện áp nguồn áp không đổi là 4,2 V.

Linh kiện để thiết kế mạch sạc pin Li-ion

Các thành phần thiết yếu khi thiết kế Nguồn dòng điện không đổi & Điện áp nguồn áp không đổi sử dụng bộ bố trí tuyến tính được liệt kê trong bảng dưới đây: 

Hình 2: Mục lục các thành phần thiết yếu cho Điện áp nguồn áp không đổi & dòng điện không đổi cho bộ sạc pin Li-ion một cell

Sơ đồ khối – 

Hình 3: Sơ đồ khối của điện áp nguồn áp không đổi & dòng điện không đổi cho bộ sạc pin Li-ion một cell

Connect mạch – 

Mạch sạc tuân theo thuật toán sạc sau: 

Hình 4 : Sơ đồ thuật toán sạc cho Bộ bố trí tuyến tính dựa vào Bộ sạc pin Lithium-Ion 3.7 V

Để thiết kế nguồn dòng điện không đổi & điện áp nguồn áp không đổi cho mạch sạc, các bước sau được thực hiện: 

1) Kiểm soát các thông số kỹ thuật kỹ thuật của pin 

2) Xác nhận các thông số kỹ thuật thiết kế của mạch sạc

3) Thiết kế nguồn dòng điện không đổi sử dụng IC LM317

4) Thiết kế điện áp nguồn áp không đổi sử dụng IC LM317

Kiểm soát thông số kỹ thuật kỹ thuật của pin  

Trước khi thiết kế bộ sạc, điều trọng yếu trước hết là phải kiểm tra các thông số kỹ thuật kỹ thuật của pin. Đầu tiên, điều trọng yếu là phải kiểm soát vận tốc sạc tối đa cho pin. Trong mạch này, pin Li-ion 18650 với điện áp danh định tối đa là 4,2 V / 1000 mAh đã được sử dụng để sạc. Nếu pin này được sạc với vận tốc sạc 0,5 C, điều đó có nghĩa là dòng điện tối đa do mạch bộ sạc phân phối cho pin phải là 500 mA.

Trước tiên, pin sẽ được kiểm soát ở chính sách CC & sẽ được sạc với dòng điện tối đa là 500 mA. Trong chính sách này, điện áp của pin phải nằm trong khoảng từ 3 V đến 4 V theo điện áp danh định lớn nhất của pin. Ở chính sách CC, dòng sạc phải là 500 mA nhưng điện áp sạc phải được xác nhận cho chính sách này. Điện áp này có thể được xác nhận bằng đường cong sạc của pin được hiển thị bên dưới. 

Hình 5:  

Biểu đồ hiển thị Đường cong sạc của Pin Li-ion

Có thể xem xét thấy rằng ở chính sách CC, điện áp sạc của ắc quy tương tự với điện áp thực của ắc quy. Cho nên, ở chính sách này, pin cần phải có điện áp rơi trên nó phải bằng điện áp thực của nó. Khi điện áp của pin đạt đến 4,0 V thì phải phân phối cho nó một Điện áp không đổi bằng điện áp danh định lớn nhất của pin, tức là 4,2 V. Sau đó, dòng sạc pin sẽ khởi đầu giảm & khi nó đạt đến 0,1 C tức là 100 mA, thì pin phải được xem là đã sạc đầy. 

Xác nhận các thông số kỹ thuật Thiết kế mạch sạc pin Li-ion

Thực tiễn, các thông số kỹ thuật kỹ thuật về pin trên giấy có lẽ ít hữu hiệu hơn. So với dòng điện tối đa là 500 mA, có thể thiết kế nguồn dòng không đổi sử dụng IC tuyến tính. Bằng nguồn dòng điện không đổi này, khi nỗ lực sạc pin Li-ion ở chính sách CC, người ta xem xét thấy rằng trong công cuộc sạc, điện áp thực tiễn của pin là 3,5 V, khi sạc bằng dòng điện tối đa 500 mA, điện áp pin vượt quá 4 V. Theo tiêu chí, pin có thể chịu được mà không có bất kỳ sự sai lệch nào về điện áp thực tiễn của nó lên đến vận tốc sạc 1C. Nhưng xem xét thấy rằng điện áp pin có độ lệch đối với điện áp thực của nó ở chính sách CC. Dù rằng trên nhãn pin ghi 1000 mAh nhưng nó không được sạc ở 0,5 C. Cho nên, sau thời điểm kiểm soát mạch sạc ban đầu, có thể đơn giản tổng kết rằng pin không được sạc ở 500 mA. 

Chính vì như vậy, để sạc pin này, dòng sạc phải được giảm xuống để có thể đạt được điện áp mong chờ tại các cực của pin. Chính vì như vậy, pin được thí nghiệm ở các dòng điện khác nhau bé hơn 500 mA. Trải qua một số thí nghiệm & thí nghiệm, người ta xem xét thấy rằng điện áp của pin gần gần với điện áp thực của nó ở dòng sạc 60 mA. Chính vì như vậy mạch sạc phải được thiết kế để sạc pin ở 60 mA ở chính sách CC. 

Cuối cùng, thông số kỹ thuật thiết kế của mạch sạc sau thời điểm thí nghiệm ban đầu của pin với mạch sạc như sau: 

– Dòng sạc ở chính sách CC phải là 60 mA

– Điện áp sạc ở chính sách CV phải là 4,2 V

Để sạc pin ở chính sách CC & CV, thiết yếu kế biệt lập dòng điện không đổi & điện áp nguồn áp không đổi. Cả hai điện áp nguồn áp không đổi & dòng điện không đổi đều có thể được thiết kế bằng cách dùng IC bố trí điện áp LM317. Cần sử dụng hai IC LM317 biệt lập, một IC hoạt động như một nguồn Điện áp Không đổi & một IC khác hoạt động như một Nguồn Dòng điện Không đổi. 

Hoạt động của LM317 như Nguồn dòng điện không đổi & Điện áp nguồn áp không đổi có thể được hiểu từ các chỉ dẫn sau:  

– LM317 làm nguồn dòng điện không đổi có thể bố trí

– Nguồn phân phối LM317

Thiết kế nguồn dòng điện không đổi

Mạch sau đây của LM317 hoạt động như một nguồn dòng điện không đổi –

Hình 6:  

Sơ đồ mạch của nguồn dòng điện không đổi LM317 cho bộ sạc tuyến tính pin Lithium Ion

Để thiết kế mạch này, giá trị của điện trở R phải được xác nhận. Giá trị của nó có thể được tính bằng cách dùng phương trình trực tiếp cho mạch nguồn dòng điện không đổi. Bước này điện trở R 

quyết định dòng điện ở đầu ra & giá trị của nó có thể được tính theo phương trình sau:

I = 1,25 / R s   (Cách thức được đề ra trong biểu dữ liệu của LM317)

Dòng điện mong chờ, I = 60mA

R s = 1,25 / 0,06

R s = 20 ohm (áng chừng)

Giá trị của dòng điện không đổi mong chờ có thể được biến đổi bằng cách biến đổi giá trị của R s. Vì LM317 có thể phân phối dòng điện tối đa là 1,5 A, này là nguyên nhân vì sao giá trị của R s chẳng thể bé hơn 0,83E.

Trong việc lựa chọn bất kỳ điện trở nào, về căn bản có hai thông số kỹ thuật phải được suy xét, một là điện trở của nó & một là nhận xét công suất của nó. Định mức công suất được biểu thị bằng watt lệ thuộc vào dòng điện tối đa có thể chạy qua điện trở mà không làm hỏng điện trở. Chính vì như vậy, nếu một điện trở watt thấp được sử dụng, thì dòng điện cao sẽ làm nóng điện trở & làm hỏng nó. Chính vì như vậy, điều trọng yếu không kém là xác nhận định mức công suất của điện trở. Nó có thể được tính như sau:

Dòng điện cực đại phải chạy qua điện trở R s là 60mA.

Chính vì như vậy, Công suất = (điện áp rơi trên R s ) * (dòng điện tối đa trên R s )

Công suất = 1,25 * 0,06

Công suất = 75 mW (áng chừng)

Cho nên, công suất cực đại do R s tiêu tán là 75 mW.

Tùy thuộc vào thực trạng sẵn có, có thể sử dụng điện trở 0,25W hoặc 250 mW.

Cần chú ý rằng mạch sạc đã được thiết kế cho dòng sạc 60 mA ở chính sách CC. Nhưng theo dòng sạc của một pin rõ ràng và cụ thể, nó có thể biến đổi đến giá trị cực đại 1,25 A bằng cách biến đổi giá trị của điện trở R s trong mạch LM317. 

Thiết kế điện áp nguồn áp không đổi

Đoạn mạch sau đây của LM317 hoạt động như một nguồn có hiệu điện thế không đổi.

Hình 7: Sơ đồ mạch của điện áp nguồn áp không đổi LM317 cho bộ sạc tuyến tính pin Lithium Ion

Để sử dụng LM317 làm điện áp nguồn áp không đổi, một mạch phân áp điện trở được sử dụng giữa chân đầu ra & đất. Mạch phân áp có một điện trở lập trình (Điện trở R p ) & một điện trở khác là điện trở đặt đầu ra (Điện trở R s ). Bằng cách lấy một tỷ lệ hoàn hảo của điện trở lập trình & điện trở đầu ra, giá trị mong chờ của điện áp đầu ra có thể được xác nhận. Điện áp đầu ra V ra có thể được tính theo cách thức sau:

V out = 1,25 * (1 + (R c / R p ) (Phương trình được đề ra trong biểu dữ liệu của LM317)

Giá trị điển hình của điện trở R p phải từ 220E đến 240E để mạch ổn định. Trong mạch này, giá trị của điện trở lập trình R p được lấy là 220E. Hiện giờ theo yêu cầu, điện áp đầu ra phải là 4,2V, chính vì như vậy giá trị của điện trở R c sẽ như sau:

Điện áp đầu ra mong chờ, V ra = 4.2V

Điện trở bộ đầu ra, R p = 220E

Mang các giá trị của V ra & R p vào phương trình,

4.2 = 1.25*(1+ (Rc / 220)

Sau thời điểm giải phương trình, giá trị của Rc được tính như sau:

R c = 520 ohm ( áng chừng ) để sử dụng LM317 làm điện áp nguồn áp không đổi, một mạch phân áp điện trở được sử dụng giữa chân đầu ra & đất. Mạch phân áp có một điện trở lập trình (Điện trở R p ) & một điện trở khác là điện trở đặt đầu ra (Điện trở R s ). Bằng cách lấy một tỷ lệ hoàn hảo của điện trở lập trình & điện trở đầu ra, giá trị mong chờ của điện áp đầu ra có thể được xác nhận. Điện áp đầu ra V ra có thể được tính theo cách thức sau:

V out = 1,25 * (1 + (R c / R p ) (Phương trình được đề ra trong biểu dữ liệu của LM317)

Giá trị điển hình của điện trở R p phải từ 220E đến 240E để mạch ổn định. Trong mạch này, giá trị của điện trở lập trình R p được lấy là 220E. Hiện giờ theo yêu cầu, điện áp đầu ra phải là 4,2V, chính vì như vậy giá trị của điện trở R c sẽ như sau:

Điện áp đầu ra mong chờ, V ra = 4.2V

Điện trở bộ đầu ra, R p = 220E

Mang các giá trị của V ra & R p vào phương trình,

4.2 = 1.25*(1+ (Rc / 220)

Sau thời điểm giải phương trình, giá trị của Rc được tính như sau:

R c = 520 ohm (áng chừng)

Cho nên, bằng cách dùng hai IC LM317, Nguồn dòng điện không đổi 60 mA & Điện áp nguồn áp không đổi 4,2 V cuối cùng đã được thiết kế. Cả hai mạch bé hơn này sẽ là một phần của mạch sạc cho pin Li-ion. 

Hình 8: Sơ đồ mạch của điện áp nguồn áp không đổi & nguồn dòng điện không đổi trong bộ sạc tuyến tính pin Lithium Ion

Điều trọng yếu là phải kiểm soát dòng điện định mức & điện áp danh định lớn nhất của pin trước khi thiết kế bộ sạc & sử dụng mạch sạc với nó. Điện áp sạc của ắc quy phải to hơn điện áp danh định lớn nhất của nó ở chính sách CV. Pin phải được sạc với vận tốc sạc từ 0,5 C đến 0,8 C. Điện trở R cần phải có định mức watt phù hợp để ngăn điện trở khỏi bất kỳ hư hại nào. 

Không được vượt quá hạn chế điện áp đầu vào & dòng điện đầu ra của IC LM317 vì điều này có thể làm hỏng IC bố trí. Các thông số kỹ thuật kỹ thuật này phải được kiểm soát từ biểu dữ liệu của IC. Nếu dòng điện cao (500 mA trở lên) được sử dụng ở chính sách CC từ IC LM317, thì phải sử dụng bộ tản nhiệt với nó để bổ trợ làm giảm nhiệt độ & tăng tuổi thọ của nó. Tản nhiệt cũng là một vật dẫn điện chính vì như vậy cần Note không nên để các chân của IC bị chập với tản nhiệt vì có thể kéo theo chập & hỏng IC. 

Trong chỉ dẫn kế đến, chính sách chuyển hóa để chuyển từ chính sách dòng điện không đổi sang chính sách điện áp không đổi sẽ được luận bàn & mạch sạc hoàn chỉnh cho pin Li-ion 3,7 V sử dụng bộ bố trí tuyến tính sẽ được thiết kế. 

Code Thiết kế mạch sạc pin Li-ion

//Program to 

*Linear regulator single 3.7V Li-ion battery charger 

*Charges the battery in Constant Current(CC) with 60mA current and in Constant Voltage(CV) mode with 4.2V 

*/

/*IN/OUT Pin connection 

*Sense battery voltage - A0

*Sense resistor voltage - A1

*BJT for Switching state relay - 11

*BJT for isolation relay - 12

*CC mode LED - 9

*CV mode LED - 8

*Fully charged battery LED - 7

*/


// They're used to give names

// to the pins used:

#define analogInPin_V_bat A0    // Analog input pin at battery positive

#define analogInPin_I_bat A1    // Analog input pin at sense resistor

#define switch_pin 11           // switching state relay 

#define isolation_pin 12        // Isolation pin relay 

//#define PowerSupply 10        // PowerSupply relay 

#define CC_LED 9                // LED indication for cv mode 

#define CV_LED 8                // LED indication for cc mode

#define BAT_FULL_LED 7          // LED indication for FULLY CHARGE battery 

int Flag = 0;                   // variable to set CC and CV mode


/////function declaration

float senseVoltage(void);              // Battery Voltage sensing 

float senseCurrent(float);             // Charging current sensing


/////Function definition

/*

* Function Name - senseVoltage

* Function to read voltage of battery

* Input parameters - none

* Return - float

*/

float senseVoltage(){

///read analog voltage

int senseV_bat = analogRead(analogInPin_V_bat);

// map it to the range of the analog out:

float  V_bat =(senseV_bat/1024.0)*5.0;   

Serial.println("currentBatteryVoltage");

Serial.println(V_bat);

return(V_bat);

}



/*

* Function Name - senseCurrent

* Function to read charging current of battery

* Input parameters - float

* Return - float

*/

float senseCurrent(float currentBatteryVoltage){

///read analog voltage

float senseResistor = analogRead(analogInPin_I_bat);

// map it to the range of the analog out:

float  senseResistorVoltage =(senseResistor/1024.0)*5.0; 

float actualResistor_Voltage = (senseResistorVoltage-currentBatteryVoltage); 

////calculating current from voltage difference of sense resistor 

float I_bat = (actualResistor_Voltage)*1000;

//print at serial monitor

Serial.println("currentBatteryVoltage");

Serial.println(currentBatteryVoltage);

Serial.println("senseResistorVoltage");

Serial.println(senseResistorVoltage);

Serial.println("actualResistor_Voltage");

Serial.println(actualResistor_Voltage);

Serial.println("I_bat");

Serial.println(I_bat);

return(I_bat);

}


void cài đặt() {

  // initialize serial communications at 9600 bps:

 Serial.begin(9600);

  /////////set IN/OUT pins

  pinMode(switch_pin,OUTPUT);

  pinMode(isolation_pin,OUTPUT);

  pinMode(CC_LED,OUTPUT);

  pinMode(CV_LED,OUTPUT);

  pinMode(BAT_FULL_LED,OUTPUT);

  

  //initially both relays are OFF

  digitalWrite(switch_pin,LOW);

  digitalWrite(isolation_pin,LOW);

}


void loop() {

uint8_t BatteryState=0 ;                         // Variable to keep track of battery state


//Every time eet these pin low

digitalWrite(isolation_pin,LOW);

digitalWrite(CC_LED,LOW);

digitalWrite(CV_LED,LOW);



//////////****read the analogvalues

  float batteryVoltage = senseVoltage();                 //return battery voltage

  float  batteryCurrent = senseCurrent(batteryVoltage);  // return battery charging current

 if(Flag == 1)

 {

  // After CC mode enter in CV mode

  BatteryState = 2;

  Flag = 0;}// Battery enter in CV mde after CC mode

  

 else if(Flag == 2){

  while(batteryVoltagevàgt;=4.0){

    batteryVoltage = senseVoltage(); 

    //test for when battery is removed or battery is discharged below 4V

    if(batteryVoltage <4){

    Flag = 0;

    digitalWrite(BAT_FULL_LED,LOW);

    break;}}}// battery fully charged scanning for battery removed or not

    

 else if(batteryVoltage < 3.0){

 //do nothing

  }// No Battery or bad battery,Ideal state


 else if(batteryVoltagevàlt;4.0 && batteryVoltagevàgt;3.0){

   digitalWrite(isolation_pin,LOW);

   BatteryState = 1;

   }//charge battery in CC MODE


 else if(batteryVoltage >= 4.0){

  BatteryState = 2;

  }//charge battery in CV MODE


  /////////////*****MODE SELECT****///////////

  switch(BatteryState){

    case 1: // CC MODE

    ///Switch ON CC mode LED and trigger relay 

    digitalWrite(isolation_pin,HIGH);         

    digitalWrite(switch_pin,HIGH);

    digitalWrite(CC_LED,HIGH);

    Serial.println("CC mode");

    //when battery voltage is in between 3V and 4V enter in while loop

    while(batteryVoltage <4.0 && batteryVoltagevàgt;=3.0){

    batteryVoltage = senseVoltage();

    

  //test for when battery is charging in CC mode

    if(batteryVoltagevàgt;=4.0){

    digitalWrite(isolation_pin,LOW);

    //delay to compensate switching time of relay with phần mềm

    delay(100);

    Flag = 1;

    digitalWrite(CC_LED,LOW);

    break;}

    //test for when battery is removed

    else if(batteryVoltagevàlt;3.0){   

    digitalWrite(isolation_pin,LOW);

    digitalWrite(switch_pin,LOW);

    digitalWrite(CC_LED,LOW);

    Serial.println("EXIT ");

     //delay to compensate switching time of relay with phần mềm

    delay(100);

    break;}

    }

    break;  /// exit case 1.

    

    case 2: // CV MODE

     ///Switch ON CV mode LED and trigger relay 

    digitalWrite(isolation_pin,HIGH);

    digitalWrite(CV_LED,HIGH);

    Serial.println("Cv mode");

  

    batteryVoltage = senseVoltage(); 

    //when battery voltage is in 4V enter in while loop

    while(batteryVoltage >=4.0 ){

    batteryVoltage = senseVoltage();

    batteryCurrent = senseCurrent(batteryVoltage);


     //test for when battery is charging in CV mode

    if(batteryCurrent < 10){

    digitalWrite(isolation_pin,LOW); 

    //delay to compensate switching time of relay with phần mềm

    delay(100); 

    digitalWrite(CV_LED,LOW);

    digitalWrite(BAT_FULL_LED,HIGH);

    Flag = 2;

    Serial.println("Battery charged");

    break;}

    //test for when battery is removed

    else if(batteryVoltagevàlt;3.0){

    digitalWrite(isolation_pin,LOW);  

    //delay to compensate switching time of relay with phần mềm

    delay(100); 

    digitalWrite(CV_LED,LOW); 

    break;}

  }

  break; /////end of switch case 2.

  }

}

Sơ đồ mạch Thiết kế mạch sạc pin Li-ion

Sơ đồ mạch sạc pin Li-ion click để xem phóng to :

Xem Thêm  Lạc đà dự trữ nước ở đâu? (2021) ✔️ Cẩm Nang Tiếng Anh ✔️

By ads_law

Trả lời