Carregador de bateria LiPo - Open Electronics

Carregador de bateria LiPo – Open Electronics

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Carregador completo em formato breakout board baseado no BQ76920 integrado, capaz de gerenciar de 3 a 5 células.

O carregamento de baterias de lítio, seja comum Li-ion, LiPo ou LiFePO4, requer precauções particulares que a tornam mais difícil e delicada do que em acumuladores como baterias de chumbo (para as quais é suficiente colocar sob tensão com um limitador de corrente suave ) e NiCd ou NiMH; isso ocorre porque a química dos “íons de lítio” é mais exigente que a das outras baterias e envolve o risco de incêndio ou explosão se a corrente máxima permitida for excedida ou se a temperatura atingida pelas células durante o carregamento for além crítico. Portanto, se a carga não for gerenciada corretamente, há riscos para itens e pessoas na área circundante e para danos ou perda da qualidade da bateria. No que diz respeito a este último, eles se materializam na perda parcial da capacidade nominal, se a cobrança não ocorrer como esperado; além disso, se as baterias compostas por duas ou mais células são carregadas em série, aumentam os requisitos, pois surge o problema de conter o desequilíbrio da carga, que, dada a tensão relativamente alta de cada célula, pode ocorrer entre os elementos em série . Tudo isso impõe um certo requisito ao projetista em encontrar a solução de circuito adequada; Para evitar isso, é possível recorrer a produtos de fabricantes como a Texas Instruments, que disponibilizam circuitos integrados contendo todos os circuitos necessários para fornecer a carga ideal das baterias de íon de lítio e, possivelmente, interagir com microcontroladores ou microprocessadores (como é o caso da em PCs portáteis, tablets e smartphones) por meio de um barramento padrão como o I²C ou o SM-Bus (que é uma variante) para monitorar ou condicionar a cobrança.

Eles são integrados como o BQ76920, que usamos no projeto descrito nestas páginas, consistindo em uma placa de interrupção que facilita a experimentação e a integração do BQ76920 em sistemas existentes que exigem recarga de baterias Li-ion ou LiPo.

O projeto

A placa de interrupção permite usar o integrado, que, dependendo da configuração do hardware, permite carregar ou descarregar de 3 a 5 células, apenas no modo de três células; Não é coincidência que o conector que o conecta à bateria (BATT) tenha apenas 4 contatos: um para cada célula e o negativo, comum, conectado à terra.

Existem também outras versões do integrado que permitem gerenciar até 15 células, mantendo o mesmo esquema proposto (sem prejuízo da conexão diferente da bateria) e seguindo as instruções do fabricante, um carregador de lítio modular pode ser feito. O controle integrado ocorre via I²C-Bus, mas você deve prestar muita atenção à versão usada, pois, dependendo do modelo, os comandos são dados e devem ter endereços diferentes.

Nestas páginas, no entanto, focaremos o BQ76920; deixamos a experimentação com as outras versões integradas da família à qual ela pertence.

Uma peculiaridade do nosso integrado é que ele mede e comunica a quantidade de carga transferida para a bateria via barramento I²C, ou seja, os Coulombs; por esse motivo, deve-se tomar cuidado com a integração de que o carregamento balanceado das células, começando praticamente a partir da condição de bateria fraca.

Lembre-se de que a quantidade de carga acumulada em uma bateria, geralmente expressa em amperes / hora (Ah) ou watts / hora (Wh), também pode ser expressa em Coulomb (C), considerando que 1C se aplica:

Q = i x t

onde Q é a quantidade de carga expressa, precisamente, I Coulombs, é a corrente de carga et o tempo durante o qual é alimentada na bateria. Em resumo, é um pouco como carregar capacitores.

Outra característica da nossa placa de interrupção é a disponibilidade do conector para carregamento balanceado, que é claro que o BQ76920 é capaz de gerenciar: os contatos do conector de carga balanceada se referem aos pinos VC1 ÷ VC5 do integrado.

O protótipo que você vê nestas páginas foi preparado para 3 células; analisando o diagrama de fiação, explicaremos como configurar o número de células.

Diagrama elétrico

Então, vamos ver como ele é fabricado no nível do hardware e como esse carregador funciona, que tem, como visível no diagrama de fiação relativo, o coração do U1, ou seja, o chip da Texas Instruments: você o vê alimentado pelo CHARGE + e CHARGE – (respectivamente positivo e negativo) que estão localizados em paralelo com dois contatos auxiliares que emitem a mesma tensão recebida do circuito. A interface de controle externo refere-se ao conector de tira de pinos rotulado CN1, no qual encontramos SCL, SDA e GND do barramento I²C, além da linha ALERT com a qual o integrado se comunica com o microcontrolador, com um impulso de alto nível lógico, uma condição de alarme (excedendo a temperatura máxima da bateria, absorção excessiva ou falta durante o carregamento) e a BOOT à qual o sensor de temperatura da bateria do tipo NTC está conectado (é um termistor). Esse termistor permite que o circuito detecte se a temperatura das baterias excede a crítica, o que pode levar à degradação das células (lembre-se de que a perda de capacidade desses acumuladores cresce rapidamente acima de 40 ° C) e, em casos extremos, a fogo da bateria. Se você não quiser usar o termistor, um resistor fixo de 10 kohm deve ser conectado.

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Através do barramento I²C, um controlador host pode gerenciar muitas das atividades e funções do BQ76920, como monitorar a tensão das células individuais (lida entre pares vizinhos de pinos de VC), carregar a corrente de todo o pacote e sua temperatura, ativando proteções, controle os MOSFETs de carga / descarga de células individuais para otimizar o equilíbrio.

As saídas para a carga balanceada das células individuais estão localizadas nos pinos 16 (VC1) 15 (VC2) 14 (VC3) 13 (VC4) e 12 (VC5) e entre cada uma delas e a adjacente existe um MOSFET que funciona como derivação, tomando em si parte da corrente celular que possui em paralelo quando a tensão medida pelo ADC que está entre dois pinos VC é maior que a das outras células.

No nível do hardware, embora o integrado possa carregar ou descarregar no máximo 5 células de lítio, estamos satisfeitos em gerenciar um pacote de três elementos em série. Para fazer isso, era necessário um curto-circuito em determinadas células para obter a versão em três células. De qualquer forma, lembre-se de que as conexões das saídas para as células do BQ76920 são as indicadas na tabela 1, que mostra como conectar um pacote de 5 células (usando todas as linhas) ou uma de 3 ou 4, reduzindo o excesso de saídas.

tabela 1

Conforme indicado, o integrado cuida do gerenciamento da recarga e, nesse sentido, é suficiente iniciar o procedimento de recarga quando desejado, simplesmente enviando um pino para cima ou para baixo, ou CHG para ativar a recarga ou DSG para operação normal. Esses pinos são conectados aos MOSFETs, que gerenciam o fluxo de corrente para a bateria ou a retirada de corrente dela; observe que a bateria está conectada à sua própria massa que não coincide com a fonte de alimentação negativa, que afeta apenas o circuito de entrada (CHARGE + e CHARGE-) e está conectada à bateria (cujo positivo é, em vez disso, comum da bateria) através dos MOSFETs Q1 e Q2, ativados um de cada vez pelos pinos CHG e DSG. Ao ler a tensão no resistor Rsns, o integrado detecta a corrente na bateria: a medição é feita associando os pinos SRP e SRN (respectivamente positivos e negativos da entrada correspondente) ao conversor A / D dentro do BQ76920.

Descrevemos, portanto, a operação do bloco de MOSFETS Q1, Q2 e Q3, que regem as atividades de carregamento e descarregamento, começando pelo primeiro: o pino CHG, que está em um nível baixo, é elevado a um nível alto e o Q3 MOSFET, sendo um canal P, entra em condução porque seu portão é aterrado e, portanto, com um potencial menor que o da fonte, que você vê conectado ao pino 2 do U1 integrado. Q3, portanto, carrega tensão no portão de Q, que é um canal N e é polarizado através de D1 (que causa um curto-circuito R12): com a fonte aterrada, o potencial em seu portão o envia para o estado LIGADO e os drenos de drenagem à terra do Q1, que, sendo o pino DSG do BQ76920 no zero lógico, entra em condução porque o potencial na fonte é positivo em relação ao pino 1, tornando a massa da bateria mais positiva que o ponto CHARGE. Assim começa o carregamento da bateria, equilibrada e regulada pelo U1, de acordo com as configurações fornecidas pelo I²Bus. A corrente flui através do resistor Rsns, que permite ler em tempo real a absorção da bateria e, portanto, a corrente fornecida, o que permite regular a intensidade e comunicá-la no barramento I²C e verificar os vários estágios da bateria. O carregamento, que lembramos, das baterias de íon-lítio é dividido em três fases:

  1. pré-condicionamento, durante o qual a corrente é aumentada gradualmente, especialmente se a tensão lida através das células for muito baixa;
  2. carga de corrente constante até que uma tensão de 4V por célula seja atingida;
  3. carregue a uma tensão constante, visando um valor de aproximadamente 4.2V.
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Além disso, conhecer a corrente que flui através de Rsns permite saber a quantidade de carga armazenada na bateria durante a fase de recarga, calculando a média da corrente e multiplicando seu valor pelo tempo decorrido.

Quando o carregamento estiver concluído, o pino 2 do circuito integrado retornará ao zero lógico, para que o MOSFET Q3 seja desativado e Q2 e Q1 com ele.

Quanto à descarga, é realizado, por exemplo, o preparo da bateria para uma nova carga, possivelmente descarregando as células da mesma maneira para equilibrá-las; Além disso, neste caso, o resistor Rsns permite detectar a corrente e determinar a quantidade de carga subtraída, desta vez, da bateria.

Durante o ciclo de carregamento, será possível monitorar o bit “CC_READY” do registro “SYS_STAT” (Figura 1) para descobrir se um novo dado Coulomb está presente. Se novos dados estiverem disponíveis, será suficiente ler os registros “CC_HI” e “CC_LO” e adicionar esse valor ao lido anteriormente para obter o total de Coulombs armazenados na bateria.

Através do registro de status, também é possível obter outras informações, como se o integrado estiver pronto para as leituras, se houver erros ou alarmes, como temperatura muito alta e muito mais (consulte a folha de dados).

Figura 1

É possível entender a partir deste registro que também é possível monitorar a temperatura das baterias, desde que um sensor NTC de 10 kohm seja inserido externamente (Figura 2), que no nosso caso pode ser inserido no conector NTC. Se este termistor estiver presente no circuito, a temperatura pode ser lida através do registro apropriado e as notificações de alarme podem ser recebidas através do registro de status.

Lista de componentes:

R1: 10 kohm (0805)

NTC: 10 kohm NTC

R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10: 100 ohm (0805)

R12, R13, R11: 1 Mohm (0805)

RSNS: 0,05 ohm 3 W (3015)

C11, C12, C13: 100 nF 50V em cerâmica (0805)

C1, C2, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10: 1 µF de cerâmica 35V de cerâmica (0805)

C3: 4,7 µF 25 VL de cerâmica (0805)

Q1, Q2: IPD034N06N3 G

Q3: NTR1P02T1G

U1: BQ7692006PWR

D1: MBRA140TRPBF

BATT: JST 2.5mm conector de 4 vias

PACK, OUT: Conector macho XT60 com 10 cm de fio

Outros:

Figura 2

Biblioteca Arduino

Como mencionado, o BQ76920 deve ser gerenciado pelo I²C-Bus e esse modo de operação mais uma vez atende ao inevitável Arduino, que é um candidato a ser o controlador eleitoral; não é de surpreender que, para gerenciar o sistema integrado, criamos e disponibilizamos uma biblioteca para o Arduino, que gerenciará o breakout board via I²C-Bus.

A biblioteca que propomos deriva da que pode ser baixada da página da web ArduinoLibrary que modificamos para implementar algumas melhorias, mas também para implementar a contagem de quantidade de carga (I Coulomb) que não estava disponível na biblioteca original.

Como a contagem de Coulomb é precisamente o objetivo do projeto, além de ativar a recarga automática, criamos um esboço para o Arduino que permitirá executar essas funções simples. É um programa de teste simples dos modos operacionais do BQ76920, que propomos nestas páginas em Listagem 1.

Listagem 1

De Openstore

Carregador LiPo de 3 células

Bateria recarregável LIPO 2000 mAh – 7,4 V

Bateria LIPO recarregável de 2200 mAh – 11,1 V

jlcpcb.com

Sites imperdíveis:

https://holidayservice-tn.com/dicas-para-comecar-a-investir-no-mercado-de-acoes-parte-2-de-2/

https://draincleaningdenverco.com/50-2/

https://clipstudio.com.br/30-dia-do-desafio-2-comecar-um-diario-de-gratidao/

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