Cargador de celda de batería de iones de litio 4S 18650 con tecnología Sun: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

La motivación para emprender este proyecto fue crear mi propia estación de carga de celdas de batería 18650 que será una parte vital en mis futuros proyectos inalámbricos (en términos de energía). Elegí tomar una ruta inalámbrica porque hace que los proyectos electrónicos sean móviles, menos voluminosos y tengo un montón de celdas de batería 18650 recuperadas por ahí.

Para mi proyecto, elegí cargar cuatro baterías de iones de litio 18650 a la vez y conectarlas en serie, lo que hace que este sea un arreglo de batería 4S. Solo por el gusto de hacerlo, decidí montar cuatro paneles solares en la parte superior de mi dispositivo que apenas carga las celdas de las baterías … pero se ve genial. Este proyecto funciona con un cargador de computadora portátil de repuesto, pero cualquier otra fuente de alimentación de más de +16.8 voltios también funcionará. Otras características adicionales incluyen el indicador de carga de la batería de iones de litio para rastrear el proceso de carga y el puerto USB 2.0 utilizado para cargar un teléfono inteligente.

Paso 1: Recursos

Electrónica:

• 4S BMS;
• Soporte de celda de batería 4S 18650;
• Indicador de carga de la batería 4S 18650;
• 4 piezas 18650 celdas de batería de iones de litio;
• 4 paneles solares de 80x55 mm;
• Conector hembra USB 2.0;
• Conector hembra para cargador de portátil;
• Convertidor reductor con función de limitación de corriente;
• Convertidor reductor pequeño a +5 voltios;
• Botón táctil para indicador de carga de la batería;
• 4 piezas de diodos Schottky BAT45;
• 1N5822 diodo Schottky o algo similar;
• 2 interruptores SPDT;

Construcción:

• Lámina de vidrio orgánico;
• Tornillos y nueses;
• 9 soportes angulares;
• 2 piezas de bisagras;
• Pegamento caliente;
• Sierra de mano;
• Taladro;
• Cinta adhesiva (opcional);

Paso 2: BMS

Antes de comenzar este proyecto, no sabía mucho sobre la carga de baterías de iones de litio y, por lo que encontré, puedo decir que BMS (también conocido como sistema de administración de baterías) es la principal solución para este problema (no estoy diciendo eso Es el mejor y el único). Es una placa que garantiza que las celdas de batería de iones de litio 18560 funcionen en condiciones seguras y estables. Tiene las siguientes características de protección:

• Protección contra sobrecargas;

  • el voltaje no superará los +4,195 V por celda de batería;
  • cargar las celdas de la batería con un voltaje superior al voltaje operativo máximo (normalmente +4,2 V) las dañará;
  • si la celda de la batería de iones de litio se carga a un máximo de +4,1 V, su vida útil será más larga en comparación con la batería que se cargó a +4,2 V;

• Protección de subtensión;

  • el voltaje de la celda de la batería no será inferior a +2,55 V;
  • si se permite que la celda de la batería se descargue menos del voltaje de operación mínimo, se dañará, perderá parte de su capacidad y aumentará su tasa de autodescarga;
  • Mientras se carga una celda de iones de litio cuyo voltaje está por debajo de su voltaje de funcionamiento mínimo, puede desarrollar un cortocircuito y poner en peligro su entorno;

• Protección contra cortocircuitos;

  La celda de su batería no se dañará si hay un cortocircuito en su sistema;

• Protección contra la sobretensión;

  BMS no permitirá que la corriente supere el valor nominal;

• Equilibrio de batería;

  • Si el sistema contiene más de una celda de batería conectada en serie, esta placa se asegurará de que todas las celdas de la batería tengan la misma carga;
  • Si por ej. tenemos una celda de batería de iones de litio que tiene más carga que las otras y se descarga en otras celdas, lo cual es muy perjudicial para ellos;

Existe una variedad de circuitos BMS diseñados para diferentes propósitos. Tienen diferentes circuitos de protección y están construidos para diferentes configuraciones de batería. En mi caso, utilicé la configuración 4S, lo que significa que cuatro celdas de batería están conectadas en serie (4S). Esto producirá aproximadamente un voltaje total de +16, 8 voltios y 2 Ah dependiendo de la calidad de las celdas de la batería. Además, puede conectar casi tantas series de celdas de batería en paralelo como desee para esta placa. Esto aumentaría la capacidad de la batería. Para cargar esta batería, necesitaría suministrar al BMS aproximadamente +16, 8 voltios. El circuito de conexión de BMS está en las imágenes.

Tenga en cuenta que para cargar una batería, conecte la tensión de alimentación necesaria a los pines P + y P-. Para usar una batería cargada, conecte sus componentes a los pines B + y B-.

Paso 3: Suministro de batería 18650

La fuente de alimentación para mi batería 18650 es HP de +19 voltios y un cargador de portátil de 4,74 amperios que tenía por ahí. Como su salida de voltaje es demasiado alta, agregué un convertidor reductor para reducir el voltaje a +16, 8 voltios. Cuando todo estaba ya construido, probé este dispositivo para ver cómo funciona. Lo dejé en el alféizar de la ventana para que se cargara con energía solar. Cuando volví a casa, noté que las celdas de mi batería no estaban cargadas. De hecho, estaban completamente descargados y cuando intenté cargarlos con el cargador de la computadora portátil, el chip convertidor de dinero comenzó a hacer extraños sonidos de silbido y se puso muy caliente. Cuando medí la corriente que iba a BMS, ¡obtuve una lectura de más de 3.8 amperios! Esto estaba muy por encima de las calificaciones máximas de mi convertidor de dólar. BMS consumía tanta corriente porque las baterías estaban completamente agotadas.

En primer lugar, rehice todas las conexiones entre BMS y los componentes externos y luego busqué el problema de descarga que se produjo durante la carga con energía solar. Creo que este problema estaba sucediendo porque no había suficiente luz solar para encender el convertidor buck. Cuando eso sucedió, creo que el cargador comenzó a ir en la dirección opuesta: de la batería al convertidor reductor (la luz del convertidor reductor estaba encendida). Todo eso se resolvió agregando un diodo Schottky entre BMS y convertidor reductor. De esa manera, la corriente definitivamente no volverá al convertidor de dinero. Este diodo tiene un voltaje de bloqueo de CC máximo de 40 voltios y una corriente directa máxima de 3 amperios.

Para resolver el enorme problema de la corriente de carga, decidí reemplazar mi convertidor reductor por uno que tuviera una función de limitación de corriente. Este convertidor de dólar es dos veces más grande, pero afortunadamente tenía suficiente espacio en mi gabinete para colocarlo. Garantizó que la corriente de carga nunca superará los 2 amperios.

Paso 4: suministro de energía solar

Para este proyecto decidí incorporar paneles solares a la mezcla. Al hacerlo, quería comprender mejor cómo funcionan y cómo usarlos. Elegí conectar cuatro paneles solares de 6 voltios y 100 mA en serie, lo que a su vez me proporciona 24 voltios y 100 mA en total en las mejores condiciones de luz solar. Esto suma no más de 2,4 vatios de potencia, que no es mucho. Desde el punto de vista utilitario, esta adición es bastante inútil y apenas puede cargar 18650 celdas de batería, por lo que es más una decoración que una característica. Durante mis pruebas de esta parte, descubrí que este conjunto de paneles solares solo carga 18650 celdas de batería en perfectas condiciones. En un día nublado, es posible que ni siquiera encienda un convertidor reductor que sigue a la matriz de paneles solares.

Normalmente, conectaría un diodo de bloqueo después del panel PV4 (mire en el esquema). Esto evitaría que la corriente regrese a los paneles solares cuando no hay luz solar y los paneles no producen energía. Luego, un paquete de baterías comenzaría a descargarse en la matriz de paneles solares, lo que podría dañarlos. Como ya agregué un diodo D5 entre el convertidor buck y el paquete de baterías 18650 para evitar que la corriente fluya hacia atrás, no necesité agregar otro. Se recomienda utilizar un diodo Schottky para este propósito porque tienen una caída de voltaje más baja que un diodo normal.

Otra línea de precaución para los paneles solares son los diodos de derivación. Son necesarios cuando los paneles solares están conectados en una configuración en serie. Ayudan en los casos en que uno o más de los paneles solares conectados están a la sombra. Cuando esto sucede, el panel solar sombreado no producirá energía y su resistencia será alta, bloqueando el flujo de corriente de los paneles solares sin sombra. Aquí es donde entra el diodo de derivación. Cuando, por ejemplo, el panel solar PV2 está sombreado, la corriente producida por el panel solar PV1 tomará el camino de menor resistencia, lo que significa que fluirá a través del diodo D2. Esto dará como resultado una menor potencia en total (debido al panel sombreado) pero al menos la corriente no se bloqueará por completo. Cuando ninguno de los paneles solares está bloqueado, la corriente ignorará los diodos y fluirá a través de los paneles solares porque es el camino de menor resistencia. En mi proyecto utilicé diodos Schottky BAT45 conectados en paralelo con cada panel solar. Se recomiendan los diodos Schottky porque tienen una caída de voltaje más baja, lo que a su vez hará que todo el conjunto de paneles solares sea más eficiente (en situaciones en las que algunos de los paneles solares están sombreados).

En algunos casos, los diodos de derivación y bloqueo ya están integrados en el panel solar, lo que facilita mucho el diseño de su dispositivo.

Todo el conjunto de paneles solares está conectado al convertidor reductor A1 (bajando el voltaje a +16.8 voltios) a través del interruptor SPDT. De esta manera, el usuario puede seleccionar cómo deben alimentarse las celdas de la batería 18650.

Paso 5: Funciones adicionales

Por conveniencia, agregué un indicador de carga de batería 4S conectado a través de un interruptor táctil para mostrar si la batería 18650 ya se cargó. Otra característica que agregué es el puerto USB 2.0 que se usa para cargar el dispositivo. Esto puede ser útil cuando llevo afuera mi cargador de batería 18650. Dado que los teléfonos inteligentes necesitan +5 voltios para cargar, agregué un convertidor reductor para reducir el voltaje de +16.8 voltios a +5 voltios. Además, agregué un interruptor SPDT para que el convertidor A2 buck no desperdicie energía adicional cuando no se usa el puerto USB.

Paso 6: Construcción de la vivienda

Como base del cerramiento de la carcasa utilicé láminas de vidrio orgánico transparente que corté con una sierra de mano. Es un material relativamente barato y fácil de usar. Para sujetar todo en un solo lugar, utilicé escuadras de metal en combinación con pernos y tuercas. De esa manera, puede ensamblar y desmontar rápidamente el gabinete si es necesario. Por otro lado, este enfoque agrega un peso innecesario al dispositivo porque usa metal. Para hacer los agujeros necesarios para las tuercas usé un taladro eléctrico. Los paneles solares se pegaron al vidrio orgánico con pegamento caliente. Cuando todo estuvo armado, me di cuenta de que el aspecto de este dispositivo no era perfecto porque se podía ver todo el desorden electrónico a través del vidrio transparente. Para solucionar eso, cubrí el vidrio orgánico con diferentes colores de cinta adhesiva.

Paso 7: Últimas palabras

Aunque este fue un proyecto relativamente fácil, tuve la oportunidad de ganar experiencia en electrónica, construir carcasas para mis dispositivos electrónicos y me presentaron componentes electrónicos nuevos (para mí).

Espero que este instructivo haya sido interesante e informativo para ti. Si tiene alguna pregunta o sugerencia, no dude en comentarla.

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