- 电池充电器的CC和CV模式：
- 电路原理图
- LM317电流调节器
- LM317稳压器
- 继电器配置在CC和CV模式之间切换
- 测量锂电池电压
- 测量充电电流
- Arduino和LCD
- 使用EasyEDA进行PCB设计和制造
- 在线计算和订购样品
- 为Arduino进行两步锂电池充电编程
- 7.4V两步式锂电池充电器的工作
电动汽车，无人机和其他移动电子设备（如IoT设备）的发展似乎对未来充满希望。所有这些中的一件事是它们全部由电池供电。根据摩尔定律，电子设备趋向于变得更小，更便携，这些便携式设备应具有自己的操作电源。如今，便携式电子产品最常见的电池选择是锂离子或锂聚合物电池。尽管这些电池具有很好的电荷密度，但它们在苛刻的条件下化学性质不稳定，因此在充电和使用时应格外小心。
在此项目中，我们将构建一个两级电池充电器（CC和CV），该充电器可用于为锂离子或锂聚合物电池充电。所述电池充电器电路被设计为7.4V的锂蓄电池组（两个串联的18650），我通常在大多数机器人使用项目，但该电路可以容易地被修改以适应较低的或稍高的电池组等，以生成3.7锂电池充电器或12v锂离子电池充电器。您可能知道有现成的充电器可用于这些电池，但是便宜的充电器非常慢，而快速的充电器非常昂贵。因此，在此电路中，我决定使用带有CC和CV模式的LM317 IC构建一个简单的粗充电器。而且，比构建自己的小工具并在此过程中学习更有趣。
请记住，锂电池应小心处理。过度充电或短路会导致爆炸和火灾危险，因此请注意安全。如果您不熟悉锂电池，那么我强烈建议您通读锂电池文章，然后再继续进行。话虽如此，让我们进入该项目。
电池充电器的CC和CV模式：
我们打算在此处构建的充电器是两步充电器，这意味着它将具有两种充电模式，即恒压（CC）和恒压（CV）。通过结合这两种模式，我们将能够比平常更快地给电池充电。
恒定充电（CC）：
开始运行的第一种模式将是CC模式。此处应进入电池的充电电流量是固定的。为了保持该电流，电压将相应地变化。
恒压（CV）：
一旦CC模式完成，CV模式就会启动。此处电压将保持固定，并且电流将根据电池的充电要求而变化。
在我们的案例中，我们有一个7.4V锂电池组，它只是串联连接了两个18650电池组，每个电池组的3.7V电压（3.7V + 3.7V = 7.4V）。当电压下降到6.4V（每节电池3.2V）时，应该给该电池组充电，并且可以充电到8.4V（每节电池4.2V）。因此，这些值对于我们的电池组已经是固定的。
接下来，我们确定了CC模式下的充电电流，这通常可以在电池的数据表中找到，该值取决于电池的Ah额定值。在我们的案例中，我已将800mA的值确定为恒定充电电流。因此，最初在连接电池进行充电时，充电器应进入CC模式，并根据变化的充电电压将800mA的电流推入电池。这将为电池充电，并且电池电压将开始缓慢增加。
由于我们正在以较高的电压值将大电流推入电池，因此在电池充满电之前，我们无法将其留在CC中。当电池电压达到相当大的值时，我们必须将充电器从CC模式转换为CV模式。充满电后，此处的电池组应为8.4V，因此我们可以将其从CC模式转换为8.2V的CV模式。
充电器转换到CV模式后，我们应保持恒定电压，在本例中，恒定电压值为8.6V。在CV模式下，电池消耗的电流要比CC模式少得多，因为电池本身几乎是在CC模式下充电的。因此，在8.6V的固定电压下，电池将消耗较少的电流，并且随着电池充电，该电流将减小。因此，我们必须监视电流达到非常低的值（例如小于50mA）时，我们假设电池已充满电，并使用继电器自动将电池与充电器断开连接。
总而言之，我们可以列出以下电池充电程序
- 进入CC模式，并以固定的800mA调节电流为电池充电。
- 监控电池电压，并在电池电压达到8.2V时切换到CV模式。
- 在CV模式下，请使用固定的8.6V稳压电压为电池充电。
- 监测充电电流的减小情况。
- 当电流达到50mA时，请自动从充电器断开电池。
800mA，8.2V和8.6V是固定值，因为我们有7.4V锂电池组。您可以根据电池组的要求轻松更改这些值。另请注意，存在许多舞台充电器。像这样的两级充电器是最常用的充电器。在三阶段充电器中，阶段将为CC，CV和浮动。在四级或六级充电器中，将考虑内部电阻，温度等。现在，我们对两步充电器应该如何实际工作有了一个简要的了解，让我们进入电路图。
电路原理图
可以在下面找到该锂电池充电器的完整电路图。该电路是使用EasyEDA制作的，而PCB也将使用EasyEDA制作。
如您所见，电路非常简单。我们已经使用了两个LM317可变电压调节器IC，一个用于调节电流，另一个用于调节电压。第一个继电器用于在CC和CV模式之间切换，第二个继电器用于将电池连接至充电器或从充电器断开。让我们将电路划分为多个部分并了解其设计。
LM317电流调节器
LM317 IC可以借助单个电阻器充当电流调节器。相同的电路如下所示
对于我们的充电器，我们需要如上所述调节800mA的电流。数据表中给出了计算所需电流的电阻值的公式，如下所示：
电阻（Ohms）= 1.25 /电流（Amps）
在本例中，电流值为0.8A，为此，我们获得1.56欧姆的电阻值。但是我们可以使用的最接近的值为1.5欧姆，这在上面的电路图中已提到。
LM317稳压器
如前所述，对于锂电池充电器的CV模式，我们必须将电压调节至8.6V。同样，LM317只需两个电阻即可完成此操作。相同的电路如下所示。
LM317稳压器的输出电压计算公式为：
在我们的情况下，输出电压（Vout）应为8.6V，R1（此处为R2）的值应小于1000欧姆，因此我选择了560欧姆。这样，如果我们计算R2的值，则得出的值为3.3k Ohms。或者，您可以使用任何电阻组合值，只要您将输出电压设为8.6V即可。您可以使用此在线LM317计算器简化您的工作。
继电器配置在CC和CV模式之间切换
我们有两个12V继电器，每个继电器都由Arduino通过BC547 NPN晶体管驱动。两种继电器的配置如下图所示
第一个继电器用于在充电器的CC和CV模式之间切换，该继电器由标记为“模式”的Arduino引脚触发。默认情况下，继电器在触发时处于CC模式，从CC模式变为CV模式。
同样，第二个继电器用于将充电器与电池连接或断开；该继电器由标记为“ Charge”的Arduino引脚触发。默认情况下，继电器将电池与充电器断开连接，触发后，它将充电器与电池连接。除此之外，两个二极管D1和D2用于保护电路免受反向电流的影响，而1K电阻器R4和R5用于限制流经晶体管基极的电流。
测量锂电池电压
为了监控充电过程，我们必须测量电池电压，只有在电池电压达到8.2V时，我们才能将充电器从CC模式切换到CV模式。用微控制器（如Arduino）测量电压的最常见技术是使用分压器电路。此处使用的一个如下所示。
我们知道Arduino Analog引脚可以测量的最大电压为5V，但是在CV模式下，我们的电池可能高达8.6V，因此我们需要将其降低至更低的电压。这正是由分压器电路完成的。您可以使用此在线分压器计算器来计算电阻器的值，并进一步了解分压器。在这里，我们将输出电压 减去 原始输入电压的一半，然后通过“ B_Voltage ”标签将此输出电压发送到Arduino Analog引脚。我们稍后可以在对Arduino编程时检索原始值。
测量充电电流
另一个要测量的重要参数是充电电流。在CV模式下，当充电电流低于50mA表示充电完成时，电池将与充电器断开连接。测量电流的方法有很多，最常用的方法是使用分流电阻器。相同的电路如下所示
其背后的概念是简单的欧姆定律。使流向电池的全部电流流过分流电阻器2.2R。然后根据欧姆定律（V = IR），我们知道该电阻两端的电压降将与流过该电阻的电流成比例。由于我们知道可以使用Arduino Analog引脚来测量电阻器的值和两端的电压，因此可以轻松计算出电流值。电阻两端的压降值通过标签 “ B_Current ”发送到Arduino 。我们知道最大充电电流将为800mA，因此通过使用公式V = IR和P = I 2 R，我们可以计算电阻的电阻值和功率值。
Arduino和LCD
最后，在Arduino方面，我们必须将LCD与Arduino相连，以向用户显示充电过程，并通过测量电压，电流然后触发继电器来控制充电。
Arduino Nano具有板载稳压器，因此将电源电压提供给Vin并使用经调节的5V电压运行Arduino和16x2 LCD显示屏。电压和电流可以通过模拟引脚A0和A1分别使用标签“ B_Voltage”和“ B_Current”来测量。可以通过切换通过标签“ Mode”和“ Charge”连接的GPIO引脚D8和D9来触发继电器。一旦原理图准备就绪，我们就可以进行PCB制造。
使用EasyEDA进行PCB设计和制造
为了设计这种 锂电池充电器电路，我们选择了名为EasyEDA的在线EDA工具。我以前使用过EasyEDA多次，发现它使用起来非常方便，因为它具有良好的外观集合并且是开源的。设计完PCB之后，我们可以通过低成本的PCB制造服务订购PCB样品。他们还提供元件采购服务，其中有大量的电子元件库存，用户可以与PCB订单一起订购所需的元件。
在设计电路和PCB时，您还可以公开您的电路和PCB设计，以便其他用户可以复制或编辑它们并从您的工作中受益，我们还对该电路公开了整个电路和PCB布局，请检查下面的链接：
easyeda.com/CircuitDigest/7.4V-Lithium-Charger-with-MCU
您可以 通过选择“层”窗口中的层来 查看PCB的任何层（顶层，底层，顶层丝绸，底层丝绸等）。您还可以使用 EasyEDA中的“照片查看”按钮查看锂电池充电器PCB，其外观如何 ：
在线计算和订购样品
完成此锂电池充电器PCB的设计后 ，您可以通过JLCPCB.com订购PCB。要从JLCPCB订购PCB，您需要Gerber File。要下载PCB的Gerber文件，只需单击EasyEDA编辑器页面上的Generate Fabrication File按钮，然后从那里下载Gerber文件，或者您可以单击JLCPCB上的订购，如下图所示。这会将您重定向到JLCPCB.com，您可以在其中选择要订购的PCB数量，所需的铜层数，PCB厚度，铜重量以及甚至是PCB颜色，如下图所示：
单击JLCPCB按钮上的订购后，它将带您到JLCPCB网站，在此您可以以非常低的价格订购PCB，即2美元。他们的构建时间也非常短，DHL交付3-5天的时间为48小时，基本上，您将在订购一周后获得PCB。
订购PCB后，您可以 查看 日期和时间以显示 PCB的 生产进度 。您可以通过在“帐户”页面上进行检查，然后单击PCB下方的“生产进度”链接，如下图所示。
订购几天的PCB后，我得到了包装良好的PCB样品，如下图所示。
确保轨道和脚印正确后。我开始组装PCB，我使用了母接头来放置Arduino Nano和LCD，以便以后在其他项目中需要它们时可以将其卸下。完全焊接的板如下图所示
为Arduino进行两步锂电池充电编程
硬件准备就绪后，我们可以继续编写Arduino Nano的代码。该项目的完整程序位于页面底部，您可以将其直接上传到Arduino。现在，让我们将程序分成几小段，并了解代码的实际作用。
和往常一样，我们通过初始化I / O引脚开始程序。从硬件中我们知道，引脚A0和A2分别用于测量电压和电流，而引脚D8和D9用于控制模式继电器和充电继电器。定义相同的代码如下所示
const int rs = 2，en = 3，d4 = 4，d5 = 5，d6 = 6，d7 = 7；//提到LCD连接 LiquidCrystal lcd（rs，en，d4，d5，d6，d7） 的引脚号; int费用= 9; //将电池连接或断开至电路的引脚 int Mode = 8; //通过引脚在CC模式和CV模式之间切换 int Voltage_divider = A0; //测量电池电压 int Shunt_resistor = A1; //测量充电电流 float Charge_Voltage; float Charge_current;
在 设置 功能中，我们初始化LCD功能并在屏幕上显示介绍性消息。我们还将继电器引脚定义为输出引脚。然后触发充电继电器，将电池连接到充电器，默认情况下，充电器保持CC模式。
void setup（）{ lcd.begin（16，2）; //初始化16 * 2 LCD lcd.print（“ 7.4V Li + charger”）; //简介消息行1 lcd.setCursor（0，1）; lcd.print（“-CircuitDigest”）; //简介消息第2行 lcd.clear（）; pinMode（充电，输出）; pinMode（模式，输出）; digitalWrite（Charge，HIGH）; //开始Chargig最初通过连接电池 digitalWrite（Mode，LOW）; // CV模式为高电平，CC模式为低电平，初始CC模式 延时为1000； }
接下来，在无限 循环 功能内，我们通过测量电池电压和充电电流开始程序。将0.0095和1.78值与模拟值相乘，以将0到1024转换为实际电压和电流值，您可以使用万用表和钳形表来测量实际值，然后计算乘数。从理论上讲，它也是根据我们使用的电阻来计算乘数的值，但它不如我预期的那样准确。
//最初测量电压和电流 Charge_Voltage = AnalogRead（Voltage_divider）* 0.0092; //测量电池电压 Charge_current = AnalogRead（Shunt_resistor）* 1.78; //测量充电电流
如果充电电压小于8.2V，则进入CC模式；如果充电电压高于8.2V，则进入CV模式。每种模式都有自己的 while 循环。在CC模式循环内，我们将Mode引脚保持为LOW保持CC模式，然后继续监视电压和电流。如果电压超过8.2V阈值电压，我们将使用break语句断开CC回路。充电电压的状态也显示在CC回路内的LCD上。
//如果电池电压小于8.2V，则进入CC模式， 同时（Charge_Voltage <8.2）// CC MODE Loop { digitalWrite（Mode，LOW）; //保持CC模式 //测量电压和电流 Charge_Voltage = AnalogRead（Voltage_divider）* 0.0095; //测量电池电压 Charge_current = AnalogRead（Shunt_resistor）* 1.78; //测量充电电流 //打印detials上LCD lcd.print（ “V =”）; lcd.print（Charge_Voltage）; lcd.setCursor（0，1）; lcd.print（“在CC模式下”）; 延迟（1000）; lcd.clear（）; //检查是否必须退出CC模式if（Charge_Voltage> = 8.2）//如果是{数字写（Mode，HIGH）; //更改为CV模式中断； } }
CV模式也可以遵循相同的技术。如果电压超过8.2V，则充电器通过将Mode引脚设为高电平而进入CV模式。这会在电池两端施加一个恒定的8.6V电压，并且允许充电电流根据电池要求而变化。然后监控该充电电流，当其达到50mA以下时，我们可以通过断开电池与充电器的连接来终止充电过程。为此，我们只需要关闭充电继电器即可，如下面的代码所示
//如果电池电压大于8.2V，则进入CV模式， 同时（Charge_Voltage> = 8.2）// CV MODE Loop { digitalWrite（Mode，HIGH）; //保持在CV模式 //测量电压和电流 Charge_Voltage = AnalogRead（Voltage_divider）* 0.0092; //测量电池电压 Charge_current = AnalogRead（Shunt_resistor）* 1.78; //测量充电电流 //在LCD lcd.print（“ V =”）;中向用户显示详细信息lcd.print（Charge_Voltage）; lcd.print（“ I =”）; lcd.print（Charge_current）; lcd.setCursor（0，1）; lcd.print（“在CV模式下”）;延迟（1000）; lcd.clear（）; //通过监视充电电流if（Charge_current <50）//如果是 { digitalWrite（Charge，LOW）; //关闭 while期间的 充电（1）//关闭充电器，直到重新启动{ lcd.setCursor（0，1）; lcd.print（“充电完成。”）; 延迟（1000）; lcd.clear（）; } } } }
7.4V两步式锂电池充电器的工作
硬件准备就绪后，将代码上传到Arduino开发板。然后将电池连接到板子的充电端子。确保以正确的极性连接它们，极性颠倒会严重损坏电池和电路板。连接电池电源后，使用12V适配器充电。您会看到一个介绍性文字，并且充电器将根据电池的状态进入CC模式或CV模式。如果电池在充电时已完全放电，它将进入CC模式，并且您的LCD将在下面显示类似内容。
随着电池充电，电压将增加，如下视频所示。当此电压达到8.2V时，充电器将从CC模式进入CV模式，现在它将显示电压和电流，如下所示。
从这里开始，电池的电流消耗将随着充电而下降。当电流达到50mA或更低时，充电器假定电池已充满电，然后使用继电器将电池与充电器断开连接，并显示以下屏幕。之后，您可以断开电池与充电器的连接，并在您的应用中使用它。
希望您理解该项目并喜欢构建它。完整的工作可以在下面的视频中找到。如果您有任何问题，请在使用论坛进行其他技术查询的以下评论部分中发布。同样，该电路仅用于教学目的，因此请谨慎使用，因为锂电池在恶劣的条件下不稳定。