4S 18650 litij-ionski polnilec baterij, ki ga poganja Sonce: 7 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Motivacija za ta projekt je bila ustvariti lastno polnilno postajo za baterijske celice 18650, ki bo bistven del mojih prihodnjih brezžičnih (energetsko) projektov. Odločil sem se za brezžično pot, ker omogoča, da so elektronski projekti mobilni, manj obsežni in imam naokoli kup rešenih 18650 baterijskih celic.

Za svoj projekt sem se odločil napolniti štiri 18650 litij-ionske baterije hkrati in jih povezati zaporedno, zaradi česar je to 4S baterija. Samo za zabavo sem se odločil, da bom na svojo napravo namestil štiri sončne celice, ki komajda celo napolnijo baterije … ampak izgleda kul. Ta projekt poganja rezervni polnilnik za prenosni računalnik, vendar bo primeren tudi kateri koli drug vir napajanja nad +16,8 voltov. Druge dodatne funkcije vključujejo indikator napolnjenosti litij-ionske baterije za sledenje postopku polnjenja in vrata USB 2.0, ki se uporabljajo za polnjenje pametnega telefona.

1. korak: Viri

Elektronika:

• 4S BMS;
• Držalo za baterije 4S 18650;
• 4S indikator napolnjenosti baterije 18650;
• 4 kosi 18650 litij-ionskih baterijskih celic;
• 4 kosi 80x55 mm sončne celice;
• Ženski priključek USB 2.0;
• Ženski vtič za polnilnik za prenosni računalnik;
• Pretvornik dolarjev s funkcijo omejevanja toka;
• Mali pretvornik dolarjev na +5 voltov;
• Tipka za indikator napolnjenosti baterije;
• 4 kos BAT45 Schottkyjeve diode;
• 1N5822 Schottkyjeva dioda ali kaj podobnega;
• 2 kosa stikala SPDT;

Gradnja:

• Pločevina iz organskega stekla;
• Vijaki in matice;
• Kotni nosilci 9 kosov;
• 2 kosa tečajev;
• Vroče lepilo;
• Ročna žaga;
• Vrtalnik;
• Lepilni trak (neobvezno);

Korak: BMS

Preden sem začel s tem projektom, nisem vedel veliko o polnjenju litij-ionskih baterij in po tem, kar sem ugotovil, lahko rečem, da je BMS (znan tudi kot sistem za upravljanje baterije) glavna rešitev te težave (ne rečem, da To je najboljše in edino). To je plošča, ki zagotavlja, da 18560 litij-ionskih baterijskih celic deluje v varnih in stabilnih pogojih. Ima naslednje zaščitne lastnosti:

• Zaščita pred prenapolnjenostjo;

  • napetost ne bo višja od +4,195 V na baterijsko celico;
  • polnjenje baterijskih celic z napetostjo višjo od največje delovne napetosti (običajno +4,2 V) jih bo poškodovalo;
  • če je litij-ionska baterija napolnjena do največ +4,1 V, bo njena življenjska doba daljša v primerjavi z baterijo, ki je bila napolnjena do +4,2 V;

• Zaščita pred prenapetostjo;

  • napetost baterijske celice ne bo manjša od +2,55 V;
  • če se baterijski celici izprazni manj kot minimalna delovna napetost, se poškoduje, izgubi nekaj zmogljivosti in poveča se stopnja samopraznjenja;
  • Med polnjenjem litij-ionske celice, katere napetost je pod najnižjo delovno napetostjo, lahko pride do kratkega stika in ogrozi njeno okolico;

• Zaščita pred kratkim stikom;

  Če je v vašem sistemu kratek stik, se vaša baterijska celica ne poškoduje;

• Zaščita pred pretokom;

  BMS ne dovoli, da tok preseže nazivno vrednost;

• Uravnoteženje baterije;

  • Če sistem vsebuje več kot eno zaporedno povezanih baterijskih celic, bo ta plošča poskrbela, da bodo vse baterije enake napolnjene;
  • Če za pr. imamo eno baterijo z litij-ionsko baterijo, ki ima več naboja kot ostale, ki jih bo izpraznila v druge celice, kar je zanje zelo nezdravo;

Obstajajo različna vezja BMS, zasnovana za različne namene. V njih so različni zaščitni tokokrogi in so izdelani za različne konfiguracije baterij. V mojem primeru sem uporabil konfiguracijo 4S, kar pomeni, da so štiri baterije povezane v seriji (4S). To bo približno proizvedlo skupno napetost +16, 8 voltov in 2 Ah, odvisno od kakovosti baterijskih celic. Za to ploščo lahko vzporedno povežete skoraj toliko baterijskih celic. To bi povečalo zmogljivost baterije. Za polnjenje te baterije bi morali BMS napajati s približno +16, 8 voltov. Povezovalno vezje BMS je na slikah.

Upoštevajte, da za polnjenje baterije priključite potrebno napajalno napetost na P+ in P- nožice. Če želite uporabiti napolnjeno baterijo, priključite komponente na vtiča B+ in B-.

Korak: Dobava baterije 18650

Napajalnik za mojo baterijo 18650 je HP +19 volt in 4, 74 amperski polnilnik za prenosnik, ki sem ga imel naokoli. Ker je njegova izhodna napetost nekoliko previsoka, sem dodal pretvornik za znižanje napetosti na +16, 8 voltov. Ko je bilo vse že zgrajeno, sem preizkusil to napravo, da vidim, kako deluje. Pustil sem ga na okenski polici, da se napolni s sončno energijo. Ko sem se vrnil domov, sem opazil, da moje baterije sploh niso napolnjene. Pravzaprav so bili popolnoma izpraznjeni in ko sem jih poskusil napolniti s polnilnikom za prenosni računalnik, je čip pretvornika dolarjev začel oddajati čudne sikajoče zvoke in postalo je res vroče. Ko sem meril tok, ki gre v BMS, sem odčitil več kot 3,8 ampera! To je bilo precej nad najvišjimi ocenami mojega pretvornika dolarjev. BMS je črpal toliko toka, ker so bile baterije popolnoma prazne.

Najprej sem obnovil vse povezave med BMS in zunanjimi komponentami, nato pa sem šel po težavi s praznjenjem, ki se je pojavila med polnjenjem s sončno energijo. Mislim, da je prišlo do te težave, ker ni bilo dovolj sončne svetlobe, da bi se pretvornik dolarjev vklopil. Ko se je to zgodilo, mislim, da je polnilnik začel obratovati v nasprotni smeri - od akumulatorja do pretvornika dolarjev (svetila je lučka pretvornika bucka). Vse to je bilo rešeno z dodajanjem Schottkyjeve diode med BMS in pretvornikom dolarjev. Tako se tok zagotovo ne bo vrnil v pretvornik dolarjev. Ta dioda ima največjo blokirno napetost DC 40 voltov in največji tok naprej 3 ampere.

Da bi rešil velik problem toka obremenitve, sem se odločil, da zamenjam pretvornik denarja s takšnim, ki ima funkcijo omejevanja toka. Ta pretvornik denarja je dvakrat večji, a na srečo sem imel dovolj prostora v ohišju, da sem ga lahko namestil. Zagotavljal je, da obremenitveni tok nikoli ne bo presegel 2 ampera.

4. korak: Napajanje s sončno energijo

Za ta projekt sem se odločil, da v mešanico vključim sončne celice. S tem sem hotel bolje razumeti, kako delujejo in kako jih uporabljati. Odločil sem se, da zaporedno povežem štiri sončne celice po 6 voltov in 100 mA, kar mi v najboljših pogojih sončne svetlobe zagotavlja 24 voltov in 100 mA skupaj. To dodaja največ 2,4 vata moči, kar ni veliko. Z utilitarističnega vidika je ta dodatek precej neuporaben in komaj napolni 18650 baterijskih celic, zato je bolj kot dekoracija kot funkcija. Med preizkusi tega dela sem ugotovil, da ta niz sončnih kolektorjev v popolnih pogojih polni le 18650 baterijskih celic. V oblačnem dnevu morda sploh ne bo vklopil pretvornika dolarjev, ki sledi po nizu sončnih celic.

Običajno priključite blokirno diodo po plošči PV4 (glejte shemo). To bi preprečilo, da bi tok tekel nazaj v sončne celice, kadar ni sončne svetlobe in plošče ne bodo proizvajale energije. Nato bi se akumulatorska baterija začela prazniti na solarno ploščo, kar bi jim lahko škodovalo. Ker sem med pretvornikom Buck in baterijo 18650 že dodal diodo D5, da preprečim povratni tok, mi ni bilo treba dodati še ene. V ta namen je priporočljivo uporabiti Schottkyjevo diodo, ker imajo nižji padec napetosti kot običajna dioda.

Druga previdnostna točka za sončne celice so obvodne diode. Potrebne so, če so sončne celice povezane v serijsko konfiguracijo. Pomagajo v primerih, ko je ena ali več povezanih sončnih celic zasenčeno. Ko se to zgodi, senčena sončna plošča ne bo proizvedla energije, njen upor pa bo postal visok, kar bo blokiralo pretok toka iz nezasenčenih sončnih plošč. Tu je prišla obvodna dioda. Ko je na primer zasenčena sončna celica PV2, bo tok, ki ga proizvaja sončna plošča PV1, šel po poti najmanjšega upora, kar pomeni, da bo tekel skozi diodo D2. To bo povzročilo skupno manjšo moč (zaradi osenčene plošče), vendar vsaj tok ne bo blokiran skupaj. Ko nobena od sončnih celic ni blokirana, tok ne upošteva diod in bo tekel skozi sončne celice, ker je to pot najmanjšega upora. V svojem projektu sem uporabil diode BAT45 Schottky, vzporedno povezane z vsako solarno ploščo. Priporočljive so Schottkyjeve diode, ker imajo manjši padec napetosti, zaradi česar bo celoten niz sončnih celic učinkovitejši (v primerih, ko so nekatere sončne celice zasenčene).

V nekaterih primerih so obvodne in blokirne diode že vgrajene v solarno ploščo, kar olajša oblikovanje vaše naprave.

Celoten niz sončnih celic je povezan s pretvornikom A1 (znižanje napetosti na +16,8 voltov) prek stikala SPDT. Na ta način lahko uporabnik izbere način napajanja 18650 baterijskih celic.

5. korak: Dodatne funkcije

Zaradi udobja sem dodal indikator napolnjenosti baterije 4S, ki je povezan s taktilnim stikalom, da pokaže, ali je bila baterija 18650 še napolnjena. Druga značilnost, ki sem jo dodal, so vrata USB 2.0, ki se uporabljajo za polnjenje naprave. To bi mi lahko prišlo prav, ko bom polnilnik baterij 18650 odnesel ven. Ker pametni telefoni potrebujejo +5 voltov za polnjenje, sem dodal znižani pretvornik, ki zniža napetost s +16,8 voltov na +5 voltov. Prav tako sem dodal stikalo SPDT, tako da pretvornik A2 ne porabi dodatne energije, če vrata USB ne uporabljate.

Korak 6: Gradnja stanovanj

Kot osnovo ohišja ohišja sem uporabil prozorne liste iz organskega stekla, ki sem jih razrezal z ročno žago. Je relativno poceni in enostaven za uporabo material. Za pritrditev vsega na enem mestu sem uporabil kovinske kotne nosilce v kombinaciji z vijaki in maticami. Tako lahko po potrebi hitro sestavite in razstavite ohišje. Po drugi strani pa ta pristop doda nepotrebno težo napravi, ker uporablja kovino. Za izdelavo potrebnih lukenj za matice sem uporabil električni vrtalnik. Sončne plošče smo z vročim lepilom prilepili na organsko steklo. Ko je bilo vse sestavljeno, sem spoznal, da videz te naprave ni popoln, saj si skozi prozorno steklo videl ves elektronski nered. Da bi to rešila, sem organsko steklo prekrila z različnimi barvami lepilnega traku.

7. korak: Zadnje besede

Čeprav je bil to razmeroma enostaven projekt, sem imel priložnost pridobiti izkušnje na področju elektronike, izdelati ohišja za svoje elektronske naprave in se seznaniti z novimi (zame) elektronskimi komponentami.

Upam, da vam je bil ta pouk zanimiv in poučen. Če imate kakršna koli vprašanja ali predloge, vas prosimo, da komentirate?

Za najnovejše posodobitve o mojih elektronskih in drugih projektih me spremljajte na facebooku:

facebook.com/eRadvilla