Carregador / descarregador inteligente Arduino Nano 4x 18650: 20 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Este é o meu projeto de código aberto Arduino Nano 4x 18650 Smart Charger / Discharger.

Esta unidade é alimentada por 12V 5A. Ele pode ser alimentado por uma fonte de alimentação de computador.

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Lista de peças:

Esquema:

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A história

Eu queria fazer um carregador Arduino inteligente, testador de bateria de descarregador que pudesse ter um leitor de código de barras que digitalizasse códigos de barras em baterias e colocasse todos os dados em um portal de banco de dados online. Isso me permitiria classificar e analisar corretamente as tendências em todas as minhas baterias de lítio recuperadas.

Versão 1: Originalmente, comecei usando uma placa de circuito impresso de face única fresada com meu CNC. Esta unidade tinha apenas uma célula e podia carregar, descarregar e testar mili ohms.

Versão 2.2: mudei para o uso de PCBs menores que foram gravados, então eu tinha dois módulos de células em um Arduino UNO.

Versão 3.2: Usei os mesmos PCBs menores, mas usei um Arduino Mega e montei tudo em um suporte de acrílico. Eu tinha planejado originalmente 16 módulos, mas acabei usando apenas 8 módulos de células, pois precisaria usar multiplexadores de sinal analógico e a fiação já estava muito bagunçada.

Arduino Mega 8x Charger / Discharger 1.1: Eu projetei uma PCB em EDA fácil para um Arduino Mega 8x Charger / Discharger. Este possui um LCD 20x4, Codificador Rotativo, Leitor de Cartão SD (nunca usado), Ethernet, Host USB para leitura de código de barras direto no Arduino.

Arduino Mega 8x Charger / Discharger 1.2+: Posteriormente, fiz algumas pequenas alterações e adicionei um adaptador ESP8266 para comunicação WIFI.

Arduino Nano 4x 18650 Smart Charger / Discharger 1.0: Comecei a projetar uma versão 4x para torná-la muito mais barata e fácil de construir. Esta versão não possui leitor de código de barras, mas se comunica com o Portal Vortex IT Battery para envio e recebimento de dados pela internet.

Arduino Nano 4x 18650 Smart Charger / Discharger 1.1: Este tem algumas pequenas alterações da versão 1.0, pois tinha alguns pequenos bugs no design e esta versão foi lançada para o público.

Etapa 1: obter os componentes

Arquivos Gerber PCB

Arquivos Gerber PCB:

Componentes principais

• Arduino Nano 3.0 ATmega328P x1 AliExpresseBay
• Adaptador Arduino ESP8266 x1 AliExpresseBay
• ESP8266 ESP-01 x1 AliExpresseBay
• LCD 1602 16x2 Serial x1 AliExpresseBay
• Suporte de bateria 4 x 18650 x1 AliExpresseBay
• Módulo TP5100 x4 AliExpresseBay
• Módulo CD74HC4067 x1 AliExpresseBay
• 74HC595N DIP16 x1 AliExpresseBay
• DIP16 Socket x1 AliExpresseBay
• Sensor de temperatura DS18B20 x5 AliExpresseBay
• Interruptor tátil 6MM x1 AliExpresseBay
• Conector KF301-2P 5,08 mm x 4 AliExpresseBay
• DC Jack 5,5 x 2,1 mm x 1 AliExpresseBay
• Resistor de filme de carbono 3,3 ohm 5W x4 AliExpresseBay
• Pés cônicos de borracha 14x8mm x8 AliExpresseBay
• Arruelas isolantes 3x7x0,8mm x16 AliExpresseBay
• Parafuso de encaixe hexagonal M3 x 12mm de cabeça plana de aço inoxidável 304 x20 AliExpresseBay
• Porcas sextavadas de aço inoxidável 304 M3 304 x4 AliExpresseBay
• M3 Standoff 18mm Latão F-F x4 AliExpresseBay
• M3 Standoff 35mm latão F-F x4 AliExpresseBay
• Cabeçalho Feminino 2,54 mm 1x4 x1 AliExpresseBay
• Cabeçalhos Macho 2,54 mm 1x40 Pin x1 AliExpresseBay
• Cabeçalho Feminino Ângulo Reto de 2,54 mm 1x4 x1 AliExpresseBay
• USB para ESP8266 ESP-01 Programador x1 AliExpresseBay
• 5V Active Buzzer x1 AliExpresseBay
• 12V 5A PSU x1 AliExpresseBay

Opção de componente THT (através do furo)

• 10k - 1 / 4w Resistor THT x7 AliExpresseBay
• 4.7k - Resistor de 1 / 4w THT x1 AliExpresseBay
• 1k - 1 / 4w Resistor THT x8 AliExpresseBay
• P-Channel MOSFET FQP27P06 TO-220 x4 AliExpresseBay
• Canal N MOSFET IRLZ44N TO-220 x8 AliExpresseBay
• NPN Transistor BC547 TO-92 x4 AliExpresseBay
• Diodo IN4007 x2 AliExpresseBay

Opção de componente SMD (montagem em superfície)

• 10k - 1 / 8w Resistor SMD 0603 x7 AliExpresseBay
• Resistor de 4,7k - 1 / 8w SMD 0603 x1 AliExpresseBay
• 1k - 1 / 8w Resistor SMD 0603 x8 AliExpresseBay
• Mosfet N-Channel IRLML2502TRPBF x8 AliExpresseBay
• Canal P MOSFET AO3407 SOT-23 x4 AliExpresseBay
• NPN Transistor SOT23 BC847 x4 AliExpresseBay
• Diodo 1N4148 0603 x2 AliExpresseBay

Ferramentas

• Fio de solda 60/40 0,7 mm AliExpresseBay
• Alicates diagonais AliExpresseBay
• Estação de retrabalho de solda Youyue 8586 SMD AliExpresseBay
• Multímetro digital UNI-T UT39A AliExpresseBay
• Decapantes de fios AliExpresseBay
• Leitor de código de barras AliExpresseBay
• Impressora de código de barras AliExpresseBay
• Etiquetas de código de barras 30 mm x 20 mm x 700 AliExpresseBay
• Pasta de solda MECÂNICA AliExpresseBay
• Pinça antiestática AliExpresseBay
• Suporte de solda de terceira mão AliExpresseBay
• AMTECH NC-559-ASM No-Clean Solder Flux AliExpresseBay
• Solder Wick AliExpresseBay
• Conjunto de chave de fenda magnética de precisão AliExpresseBay

Para obter uma lista atualizada, acesse meu site:

Etapa 2: Resistores de solda, transistores e MOSFETs

Solda SMD ou THT (não ambos) os componentes 1K, 4,7K, 10K, Canal P, Canal N e NPN

Etapa 3: solda nos cabeçalhos e soquete DIP

Solde os dois conectores fêmea de 15 pinos do Nano, Multiplexadores CD74HC4067 16x de 8 pinos e conectores fêmea de 16 pinos, adaptadores ESP8266 fêmea de 4 pinos, LCD 4 pinos fêmea e o Shift 74HC595N registra soquete DIP IC de 16 pinos.

Nota: solde todos os componentes no lado da tela de seda.

Etapa 4: Componentes básicos da solda

Solde e instale o conector DC de 5,5 mm, Arduino Nano 328p, multiplexador CD74HC4067 e registrador de deslocamento 74HC595N.

Ao soldar o Arduino Nano e o Multiplexer, recomendo primeiro colocar os pinos macho nos pinos fêmeas e depois soldar o componente no lugar.

Etapa 5: Solde a temperatura Dallas DS18B20

Primeiro coloque duas arruelas isolantes de 3 mm x 7 mm x 0,8 mm em cada sensor Dallas (isso é usado para criar um espaço fora do PCB para que você não meça a temperatura do PCB)

Solde os 4x Sensores Dallas na camada superior de cada módulo de célula mais o sensor de ambiente na camada inferior.

Tenha cuidado para não obstruir as juntas de solda nas almofadas de solda do TO-92. Uma vez soldada, meça no modo de diodo em seu multímetro entre cada perna em qualquer Sensor Dallas (eles estão todos conectados em paralelo)

Solde o 5V Active Buzzer na camada superior onde o pino + (positivo) está voltado para o Arduino Nano

Etapa 6: Solda no Diodo

Solda no diodo sob o multiplexador CD74HC4067

É uma boa prática limpar o fluxo com álcool isopropílico.

Etapa 7: teste e ajuste o contraste da tela LCD / jumpers seriais

Contraste LCD

Conecte o LCD Serial 4 pinos fêmea a 4 pinos Macho -> Fêmea Dupont Jumper fios. Certifique-se de conectar você se conecta exatamente:

GND -> GND

VCC -> 5V

SDA -> SDA

SCL -> SCL

Carregue o Arduino Sketch do github: ASCD_Nano_Test_LCD_Screen

Desconecte o cabo USB e use um cabo de alimentação de 12 V no conector DC de 5,5 mm (+ centro positivo / - externo negativo)

Ajuste o potenciômetro no adaptador serial na parte traseira da tela LCD CC ou CW até ver o texto exibido.

Quando estiver satisfeito com o contraste, remova os fios Dupont Jumper.

Jumpers em série

Conecte 2 jumpers de 2,54 mm nos pinos 1-2 para comunicação serial de software com o ESP8266

Etapa 8: Ventilador PWM

Componentes

Solde os seguintes componentes:

Conector JST 2.0 PH de 2 pinos (Nota: a tela de seda está invertida na versão PCB 1.11)

Capacitor eletrolítico 100uF 16V

BD139 NPN Transistor

Diodo

Teste

Carregue o Arduino Sketch do github: ASCD_Nano_Test_Fan

Desconecte o cabo USB e use um cabo de alimentação de 12 V no conector DC de 5,5 mm (+ centro positivo / - externo negativo)

Conecte o ventilador de 30 mm

O ventilador deve acelerar e depois parar

Etapa 9: Testando os MOSFETs

Testando MOSFETs de descarga de resistor de canal N

Carregue o Arduino Sketch do github: ASCD_Nano_Test_Charge_Discharge_Mosfets

Desconecte o cabo USB e use um cabo de alimentação de 12 V no conector DC de 5,5 mm (+ centro positivo / - externo negativo)

Com o PCB voltado para a camada inferior, defina seu multímetro para o modo diodo / continuidade.

Coloque a ponta de prova negativa em uma fonte GND e a ponta de prova positiva no primeiro módulo, carregue os conectores do lado direito (como mostrado nas imagens).

Seu multímetro deve emitir um bipe por 1 segundo e nenhum bipe por 1 segundo.

Repita isso para cada módulo.

Testando MOSFETs de carga TP5100 do canal P

Carregue o Arduino Sketch do github: ASCD_Nano_Test_Charge_Discharge_Mosfets (o mesmo que acima, você pode usar este esboço para ambos os testes)

Desconecte o cabo USB e use um cabo de alimentação de 12 V no conector DC de 5,5 mm (+ centro positivo / - externo negativo)

Com o PCB voltado para a camada inferior, defina seu multímetro para o modo de tensão DC (geralmente faixa de 20 V).

Coloque a ponta de prova negativa em uma fonte GND e a ponta de prova positiva no primeiro módulo TP5100 lado direito + conector positivo (como mostrado nas imagens). Seu multímetro deve mostrar 12 V por 1 segundo, em seguida, uma tensão baixa por 1 segundo. Repita isso para cada módulo.

Etapa 10: Obtenha os Seriais do Sensor de Temperatura Dallas DS18B20

Carregue o Arduino Sketch do github: ASCD_Nano_Get_DS18B20_Serials

Deixe o cabo USB. Não conecte o ventilador ou alimentação de 12V.

Abra o monitor serial no Arduino IDE na taxa de baud 115200.

Deve detectar / localizar dispositivos 5x.

Aqueça o primeiro sensor de temperatura DS18B20 com a ponta superior do seu ferro de soldar por um curto período de tempo.

Nota: o número do módulo é da esquerda para a direita com o PCB voltado para cima na camada superior

Ele deve imprimir "Bateria detectada: 1" e "Sensor de bateria de aquecimento: 2"

Isso irá sequencialmente percorrer cada 4 x módulos até que diga "Detected Ambient Sensor Completed"

Ele exibirá os números de série hexadecimais de todos os sensores de temperatura DS18B20 na parte inferior.

Copie os números de série 5x e cole-os em "Temp_Sensor_Serials.h" dentro do esboço "ASCD_Nano_1-0-0". Certifique-se de emitir a última vírgula (mostrada na imagem)

Nota: Se você obtiver uma leitura de temperatura de 99 graus Celsius, significa que há um erro ao ler esse sensor. O serial está errado ou o dispositivo está com defeito.

Etapa 11: instalar e testar os módulos de carregamento TP5100

Instalar

Com uma faca ou um alicate diagonal corte 20x cabeçalhos simples Macho de 2,54 mm.

Coloque 5 cabeçalhos machos por módulo TP5100 na camada inferior do PCB. Eu recomendo colocar o lado comprido no buraco.

Coloque um módulo TP5100 em cada módulo e solde-o no lugar. Use uma pinça para manipular os cabeçalhos Male se eles não se alinharem.

Na camada superior da placa de circuito impresso, solde os conectores o mais nivelados possível com a placa de circuito impresso. (Você precisará encaixar o suporte de bateria de plástico na parte superior de modo que quanto menos furar, melhor)

Nota: Certifique-se de conectar o pino de carga no TP5100. É o pino mais próximo ao VCC no GND acima do MOSFET do Canal P

Teste

Carregue o Arduino Sketch do github: ASCD_Nano_Test_Charge_Discharge_Mosfets (o mesmo que acima, você pode usar este esboço para ambos os testes)

Desconecte o cabo USB e use um cabo de alimentação de 12 V no conector DC de 5,5 mm (+ centro positivo / - externo negativo)

Todos os módulos TP5100 devem ser ligados por 1 segundo e desligados por 1 segundo.

Etapa 12: Perfure os orifícios de desobstrução do sensor de temperatura DS18B20

Ferramentas necessárias

• Broca de 0,7 mm ou Escriba
• Broca de 3 mm (opcional)
• Broca de 6,5 mm - 7 mm

Furar

Obtenha uma placa de circuito impresso em branco sobressalente e um suporte de bateria 18650 4x

Monte o suporte da bateria 4x 18650 com a marca + voltada para a parte superior da placa

Marque as posições dos furos com uma broca de 0,7 mm ou um Scribe por meio do pino central em cada um dos sensores de temperatura TO-92 DS18B20

Remova o suporte da bateria 4x 18650 e faça um orifício de 6,5 mm - 7 mm. Eu recomendo usar uma broca menor primeiro.

Teste o encaixe do suporte de bateria 4x 18650 e veja se o sensor de temperatura DS18B20 tem espaço suficiente.

Nota: Não solde o suporte da bateria 4x 18650 até que todos os outros componentes tenham sido soldados.

Etapa 13: Monte os resistores de descarga

Cabeçalhos de montagem e solda

Primeiro monte os cabeçalhos. Você pode usar o terminal de parafuso de 5,08 mm ou o cabeçote macho JST de 2,54 mm.

Nota: Eu uso um pouco de blu tack para manter o conector / terminal no lugar durante a soldagem.

Solde-os.

Medir Ohms de Resistores (Opcional)

Meça, numere e registre a resistência de cada resistor.

Eu uso meu testador LCR-T4 para isso. Você pode usar um multímetro de qualidade (não é 100% preciso, mas é uma boa medida de base)

Edite o Arduino Sketch do github: ASCD_Nano_1-0-0 adicione os valores de resistor corrigidos.

Monte os resistores

Neste exemplo, estou usando os terminais de parafuso de 5,08 mm e estou escalonando cada resistor de fio enrolado. Posteriormente, adicionarei etapas para resistores revestidos de alumínio em um dissipador de calor.

Etapa 14: Solde os componentes finais

Solda no suporte de bateria 4x 18650.

Nota: Você pode precisar cortar alguns contatos com alguns alicates nivelados / diagonais.

Solde o botão de pressão de 6 mm.

Etapa 15: Monte todo o hardware

Adaptador Arduino ESP8266

4x Use espaçadores M2.5 M-F ou F-F

8 parafusos M2.5 ou 4 parafusos M2.5 e 4 porcas M2.5, dependendo se você usar espaçadores M-F ou F-F

Use um conector de 4 pinos de 2,54 mm em ângulo reto para conectar os conectores Fêmea a Macho.

Nota: pode ser necessário estanhar o conector para obter uma boa conexão se estiver solto.

LCD

4x M3 Standoff 18 mm Latão F-F e 8 parafusos M3 x 12 mm para o LCD

Fã

Caixa impressa em 3D apenas: Rosqueie alguns parafusos M3 x 18 mm nos orifícios dos parafusos do Ventilador para adicionar o Ventilador.

Etapa 16: faça upload do Arduino Nano Sketch

Antes de fazer o upload do esboço, verifique a saída de tensão de 5 V do regulador de tensão do Arduino. Existem dois pontos de sondagem sobre a tela LCD.

Edite o Arduino Sketch do github: ASCD_Nano_1-0-0 Altere esta linha no Arduino Sketch para sua leitura de tensão

const float referenceVoltage = 5.01; // Saída 5V do Arduino

Você também pode alterar alguma outra configuração personalizada para suas necessidades de teste

const float shuntResistor [4] = {3,3, 3,3, 3,3, 3,3};

const float referenceVoltage = 5.01; // Saída de 5 V do Arduino const float defaultBatteryCutOffVoltage = 2.8; // Tensão que a descarga pára const byte restTimeMinutes = 1; // O tempo em minutos para descansar a bateria após a carga. 0-59 são válidos const int lowMilliamps = 1000; // Este é o valor de Milli Amps que é considerado baixo e não é recarregado porque é considerado defeituoso const int highMilliOhms = 500; // Este é o valor de Mili Ohms que é considerado alto e a bateria é considerada defeituosa const int offsetMilliOhms = 0; // Calibração de compensação para Milli Ohms const byte loadingTimeout = 8; // O tempo limite em horas para carregar const byte tempThreshold = 7; // Limite de aviso em graus acima da temperatura inicial const byte tempMaxThreshold = 20; // Limite máximo em graus acima da temperatura inicial - considerado defeituoso const float batteryVolatgeLeak = 0.50; // Na tela inicial "BATTERY CHECK" observe a tensão mais alta de cada módulo e configure este valor um pouco mais alto const byte moduleCount = 4; // Número de módulos const byte screenTime = 4; // Tempo em segundos (ciclos) por tela ativa const int descargaReadInterval = 5000; // Intervalos de tempo entre as leituras de descarga. Ajuste para mAh + /

Conecte o Arduino Nano ao seu computador e carregue o esboço ASCD_Nano_1-0-0

Você pode precisar usar ATmega328P (carregador de inicialização antigo) como o processador no Arduino IDE

Selecione a porta COM correta e carregue o esboço

Etapa 17: faça upload do esboço ESP8266

Se você ainda não registrou sua conta do Vortex It - Battery Portal, vá para a próxima etapa.

Você precisa instalar o ESP8266 Arduino Addon em seu Arduino IDE, use este guia:

Altere o seguinte no ESP8266_Wifi_Client_1-0-0 Arduino Sketch

const char ssid = ""; -> para seus roteadores WIFI

SSID const char password = ""; -> para sua senha de roteadores WIFI

const char userHash = ""; -> para seu UserHash (obtenha-o em "Menu Carregador / Descarregador -> Visualizar" no Portal da bateria Vortex It)

const byte CDUnitID =; -> para o seu CDUnitID (obtenha isso em "Menu Carregador / Descarregador -> Exibir -> Selecione seu Carregador / Descarregador" no Portal da Bateria Vortex It)

Use USB para ESP8266 ESP-01 Programmer para carregar o sketch ESP8266_Wifi_Client_01.ino para o ESP8266 com o switch em PROG

Etapa 18: Configure seu Vortex It - Conta do portal da bateria

Acesse

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No menu, clique em "Carregador / Descarregador" -> "Novo"

Selecione na lista suspensa "Arduino 4x C / D"

Clique em "Novo Carregador / Descarregador"

No menu, clique em "Carregador / Descarregador" -> "Exibir"

Selecione na lista suspensa "xx - Arduino 4x C / D" (onde xx é o CDUnitID)

Não faça do seu "UserHash" e "CDUnitID"

Clique em "Módulo Live View" para ver seu carregador / descarregador online

Etapa 19: opcional - faça um gabinete impresso em 3D

Se você tiver uma impressora 3D, pode imprimir um gabinete que eu projetei. Sinta-se à vontade para criar seu estilo de gabinete e compartilhá-lo:

Fusion 360

gallery.autodesk.com/fusion360/projects/asdc-nano-4x-arduino-charger--discharger-enclosure

Thingiverse STL

www.thingiverse.com/thing:3502094

Etapa 20: começar a testar células 18650

Insira algumas baterias nos Módulos de Célula e vá para a página "Módulo de Visualização ao Vivo", faça a varredura em seus códigos de barras e você estará pronto.