Carregador de bateria de íon-lítio 4S 18650 alimentado pela Sun: 7 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

A motivação para realizar este projeto foi criar minha própria estação de carregamento de bateria 18650, que será uma parte vital em meus futuros projetos sem fio (em termos de energia). Eu escolhi uma rota sem fio porque torna os projetos eletrônicos móveis, menos volumosos e eu tenho uma pilha de 18.650 células de bateria recuperadas por aí.

Para o meu projeto, escolhi carregar quatro baterias de íons de lítio 18650 de uma vez e conectá-las em série, o que torna esse arranjo de bateria 4S. Só por diversão, decidi montar quatro painéis solares em cima do meu dispositivo que mal carrega as células das baterias … mas parece legal. Este projeto é alimentado por um carregador de laptop sobressalente, mas qualquer outra fonte de energia acima de +16,8 volts servirá também. Outros recursos adicionais incluem indicador de carga da bateria de íon de lítio para rastrear o processo de carregamento e porta USB 2.0 usada para carregar um smartphone.

Etapa 1: Recursos

Eletrônicos:

• 4S BMS;
• Suporte da pilha da bateria 4S 18650;
• Indicador de carga da bateria 4S 18650;
• 4 unidades 18650 células de bateria de íon-lítio;
• 4 peças 80x55 mm Painéis solares;
• Conector USB 2.0 fêmea;
• Carregador de laptop fêmea jack;
• Conversor Buck com limitação de corrente;
• Conversor de pequeno valor para +5 volts;
• Botão tátil para indicador de carga da bateria;
• 4 unidades diodos BAT45 Schottky;
• 1N5822 diodo Schottky ou algo semelhante;
• Interruptores SPDT de 2 pcs;

Construção:

• Folha de vidro orgânico;
• Parafusos e porcas;
• Colchetes angulares de 9 peças;
• 2 dobradiças de pcs;
• Cola quente;
• Serra manual;
• Furar;
• Fita adesiva (opcional);

Etapa 2: BMS

Antes de começar este projeto, eu não sabia muito sobre carregamento de bateria de íon-lítio e pelo que descobri posso dizer que o BMS (também conhecido como sistema de gerenciamento de bateria) é a principal solução para este problema (não estou dizendo isso É o melhor e único). É uma placa que garante que as células da bateria 18560 Li-ion operem em condições seguras e estáveis. Possui os seguintes recursos de proteção:

• Sobre proteção de carga;

  • a tensão não ficará maior do que +4,195 V por célula de bateria;
  • carregar as células da bateria com tensão superior à tensão máxima de operação (normalmente +4,2 V) irá danificá-las;
  • se a célula da bateria de íons de lítio for carregada a no máximo +4,1 V, sua vida útil será maior em comparação com a bateria que foi carregada a +4,2 V;

• Proteção de subtensão;

  • a tensão da célula da bateria não será inferior a +2,55 V;
  • se a célula da bateria descarregar menos do que a tensão mínima de operação, ela será danificada, perderá parte de sua capacidade e sua taxa de autodescarga aumentará;
  • Ao carregar uma célula de íon-lítio cuja tensão está abaixo de sua tensão mínima de operação, ela pode desenvolver um curto-circuito e colocar em perigo o ambiente ao seu redor;

• Proteção contra curto-circuito;

  A célula da bateria não será danificada se houver um curto-circuito no sistema;

• Proteção de sobrecorrente;

  BMS não deixa a corrente ficar acima do valor nominal;

• Balanceamento de bateria;

  • Se o sistema contiver mais de uma célula de bateria conectada em série, esta placa garantirá que todas as células de bateria tenham a mesma carga;
  • Se por ex. temos uma célula de bateria de íon-lítio que tem mais carga do que as outras; ela irá descarregar em outras células, o que é muito prejudicial para elas;

Existem diversos circuitos BMS projetados para diferentes propósitos. Eles têm diferentes circuitos de proteção e são construídos para diferentes configurações de bateria. No meu caso, usei a configuração 4S, o que significa que quatro células de bateria estão conectadas em série (4S). Isso produzirá aproximadamente uma tensão total de +16, 8 volts e 2 Ah, dependendo da qualidade das células da bateria. Além disso, você pode conectar quase tantas séries de células de bateria em paralelo quanto desejar para esta placa. Isso aumentaria a capacidade da bateria. Para carregar esta bateria, você precisaria fornecer ao BMS cerca de +16,8 volts. O circuito de conexão do BMS está nas fotos.

Observe que, para carregar uma bateria, você conecta a tensão de alimentação necessária aos pinos P + e P-. Para usar a bateria carregada, você conecta seus componentes aos pinos B + e B-.

Etapa 3: Fonte de bateria 18650

A fonte de alimentação para minha bateria 18650 é um carregador de laptop HP de +19 volts e 4, 74 amperes que eu tinha por perto. Como a tensão de saída é um pouco alta demais, adicionei um conversor Buck para reduzir a tensão para +16,8 volts. Quando tudo já estava montado testei este dispositivo para ver como funciona. Deixei no peitoril da janela para carregá-lo usando energia solar. Quando voltei para casa, percebi que as células da minha bateria não estavam carregadas. Na verdade, eles estavam completamente descarregados e quando tentei carregá-los usando o carregador do laptop, o chip conversor do Buck começou a fazer sons estranhos de assobio e ficou muito quente. Quando eu medi a corrente indo para o BMS, obtive a leitura de mais de 3,8 amperes! Isso foi muito acima das classificações máximas do meu conversor de buck. A BMS estava consumindo muita corrente porque as baterias estavam completamente descarregadas.

Em primeiro lugar, refiz todas as conexões entre o BMS e os componentes externos, depois fui atrás do problema de descarga que ocorreu durante o carregamento com energia solar. Acho que esse problema estava acontecendo porque não havia luz solar suficiente para que o conversor Buck ligasse. Quando isso aconteceu, acho que o carregador começou a ir na direção oposta - da bateria para o conversor Buck (a luz do conversor Buck estava acesa). Tudo isso foi resolvido com a adição de um diodo Schottky entre o BMS e o conversor Buck. Dessa forma, a corrente definitivamente não voltará ao conversor de buck. Este diodo tem tensão de bloqueio CC máxima de 40 volts e corrente direta máxima de 3 amperes.

Para resolver o grande problema da corrente de carga, decidi substituir meu conversor Buck por um que tivesse o recurso de limitação de corrente. Este conversor de dólares tem o dobro do tamanho, mas felizmente eu tinha espaço suficiente em meu gabinete para encaixá-lo. Ele garantiu que a corrente de carga nunca passará de 2 amperes.

Etapa 4: Fonte de energia solar

Para este projeto, decidi incorporar o painel solar à mistura. Ao fazer isso, eu queria entender melhor como eles funcionam e como usá-los. Eu escolhi conectar quatro painéis solares de 6 volts e 100 mA em série que por sua vez me fornecem 24 volts e 100 mA no total nas melhores condições de luz solar. Isso soma não mais do que 2,4 watts de potência, o que não é muito. Do ponto de vista utilitário, esta adição é bastante inútil e mal consegue carregar 18.650 células de bateria, por isso é mais uma decoração do que um recurso. Durante meus testes desta parte, descobri que este conjunto de painéis solares carrega apenas 18.650 células de bateria em perfeitas condições. Em um dia nublado, ele pode nem mesmo ligar um conversor de buck que segue após a matriz de painel solar.

Normalmente, você conectaria um diodo de bloqueio após o painel PV4 (veja no esquema). Isso evitaria que a corrente flua de volta para os painéis solares quando não há luz solar e os painéis não produzem energia. Então, uma bateria começaria a descarregar no painel de painéis solares, o que poderia danificá-los. Como já adicionei um diodo D5 entre o conversor Buck e a bateria 18650 para evitar que a corrente volte, não precisei adicionar outro. É recomendado usar um diodo Schottky para esta finalidade porque eles têm uma queda de tensão menor do que um diodo regular.

Outra linha de precaução para os painéis solares são os diodos by-pass. Eles são necessários quando os painéis solares são conectados em uma configuração em série. Eles ajudam nos casos em que um ou mais painéis solares conectados estão sombreados. Quando isso acontece, o painel solar sombreado não produzirá energia e sua resistência ficará alta, bloqueando o fluxo de corrente dos painéis solares não sombreados. Aqui está o diodo de desvio. Quando, por exemplo, o painel solar PV2 é sombreado, a corrente produzida pelo painel solar PV1 tomará o caminho de menor resistência, o que significa que fluirá através do diodo D2. Isso resultará em menor potência total (por causa do painel sombreado), mas pelo menos a corrente não será totalmente bloqueada. Quando nenhum dos painéis solares está bloqueado, a corrente irá ignorar os diodos e irá fluir através dos painéis solares porque é o caminho de menor resistência. Em meu projeto, usei diodos BAT45 Schottky conectados em paralelo com cada painel solar. Os diodos Schottky são recomendados porque têm uma queda de tensão menor que, por sua vez, tornará todo o conjunto de painéis solares mais eficiente (em situações em que alguns dos painéis solares estão sombreados).

Em alguns casos, os diodos de by-pass e de bloqueio já estão integrados no painel solar, o que torna o design do seu dispositivo muito mais fácil.

Todo o conjunto de painéis solares é conectado ao conversor A1 Buck (baixando a tensão para +16,8 volts) por meio do interruptor SPDT. Desta forma, o usuário pode selecionar como 18.650 células de bateria devem ser alimentadas.

Etapa 5: recursos adicionais

Por conveniência, adicionei um indicador de carga da bateria 4S conectado por meio de um interruptor tátil para mostrar se a bateria 18650 já foi carregada. Outro recurso que adicionei é a porta USB 2.0 usada para carregar o dispositivo. Isso pode ser útil quando eu levo meu carregador de bateria 18650 para fora. Como os smartphones precisam de +5 volts para carregar, adicionei um conversor de buck redutor para diminuir a tensão de +16,8 volts para +5 volts. Além disso, adicionei um switch SPDT para que nenhuma energia adicional seja desperdiçada pelo conversor A2 buck quando a porta USB não estiver sendo usada.

Etapa 6: construção de moradias

Como base do invólucro da caixa, usei lâminas de vidro orgânico transparente que cortei com um serrote. É um material relativamente barato e fácil de usar. Para prender tudo em um lugar, usei cantoneiras de metal em combinação com parafusos e porcas. Dessa forma, você pode montar e desmontar rapidamente o gabinete, se necessário. Por outro lado, essa abordagem adiciona peso desnecessário ao dispositivo porque usa metal. Para fazer os furos necessários para as porcas, usei uma furadeira elétrica. Os painéis solares foram colados ao vidro orgânico com cola quente. Quando tudo foi montado, percebi que o visual desse aparelho não era perfeito porque dava para ver toda a bagunça eletrônica através do vidro transparente. Para resolver isso, cobri o vidro orgânico com diferentes cores de fita adesiva.

Etapa 7: últimas palavras

Embora este tenha sido um projeto relativamente fácil, eu tive a chance de ganhar experiência em eletrônica, construindo gabinetes para meus dispositivos eletrônicos e fui apresentado a novos (para mim) componentes eletrônicos.

Espero que este instrutivo tenha sido interessante e informativo para você. Se você tiver dúvidas ou sugestões, por favor, sinta-se à vontade para comentar?

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