Come promesso qualche tempo fà agli amici @Tabac @Cesga e @Wildhoney, pubblico lo schema di un circuito adatto per eseguire i test di scarica delle celle LiIon:
eload.pdf - Google Drive
Trattasi di un carico elettronico controllato da un microcontrollore che potrebbe essere un Arduino zero ma io ho usato il Teensy 3.2: costa meno ed ha prestazioni nettamente superiori.
Il circuito è modulare nel senso che che è costituito da due parti fisse ed uno o più moduli di carico da 10A ciascuno. Con un solo modulo di carico si arriva a correnti di scarica di 10A, con 2 a 20A, con 3 a 30A e così via.
Escludendo il microcontrollore (un Teensy3.2 costa 20€) il circuito è abbastanza econonico. I componenti più costosi sono
integrato INA219: 2€ circa
MOSFET P-channel IPB180P4: 2€ circa
MOSFET N-channel IRLB3034: 3€ circa e ne serve uno per ogni modulo da 10A. Si trovano facilmente anche in promozione per 1€.
Ventolina di raffreddamento (costo molto variabile ma è facile recuperarle da vecchi computer)
Tutto il resto sono componenti ordinari che si comprano con un paio di euro in tutto.
Vi è da dire che uno può spendere di più 0 di meno in funzione della qualità dei componenti. A esempio il termistore (che uso per misurare la temperatura della cella) può costare 20 centesimi oppure 2 € in funzione della sua precisione. Con precisione dell'1%, più che sufficiente allo scopo il costo è intorno all'euro.
Il circuito che vi presento l'ho finito di testare oggi stesso (un prototipo) con un solo modulo da 10A. Usando un dissipatore in alluminio per il MOSFET si può arrivare a circa 4/5A di scarica senza dover usare la ventola. Oltre ai 5A la temperatura del MOSFET supera i 100C, assolutamente tollerabile ma sconsigliato.
Il prototipo l'ho assemblato su una piastra millefori e devo dire che il circuito è così semplice che anche la versione finale potrebbe stare su millefori senza la necessità di fabbricare un PCB dedicato.
I miei piani adesso sono di completare il circuito con 3 moduli di carico (per arrivare a 30A e 90W circa di scarica continua) e sviluppare il software di controllo del circuito che si interfaccerà al PC attraverso la porta USB.
Ciò permetterà di testare le celle LiIon con pattern di scarica arbitrari a controllo di corrente o di potenza con timing arbitrario (ad esempio 4 secondi a 25W, 20 secondi di riposo).
Funzionamento del circuito
Siccome il circuito è modulare andiamo per moduli.
Commenti al circuito
Guardando lo schema si notano due operazionali di tipo LM324. In effetti l'integrato LM324 contiene 4 operazionali e nello schema ne uso solo 2. Gli altri due mi servono per gli altri due moduli di carico. Ho usato l'LM324 perchè non costa quasi nulla (ne ho presi 5 ad 1€) ma il prezzo da pagare è che vanno alimentati a 5V invece che a 3.3V. Questo perchè non sono operazionali di tipo Rail to rail ovvero non riescono a regolare l'output fino alla tensione di alimentazione. Siccome nel circuito l'output è poco sotto i 3V con alimentazione di 3.3V non ci arrivano. Pagandoli circa 2€ l'uno si possono usare degli opamp rail to rail, ad esempio l'OPA341, eliminado la necessità dei 5V ed usando 3.3V per alimentare tutto il circuito. Esistono anche in versione dual: OPA2341 due opamp nello stesso IC e si trovano per circa 2€. Con 2 IC tipo OPA2341, ovvero con 4€ si può costruire il circuito con 3 moduli di carico evitando la doppia alimentazione.
Nel modulo di misura ho indicato un transistor NPN 2SC1815 ma và bene un NPN generico ed infatti io ho usato un 2N3904 da 5 centesimi, il transistor più comune che ci sia.
Il MOSFET IPB180P04 serve solo a staccare la LiIon dal resto del circuito nel caso qualcosa vada storto. Ad esempio se uno dei mosfet dei moduli di carico andasse in corto si avrebbe un brusco innalzamento della corrente di scarica, situazione che viene intercettata dal micro che stacca di conseguenza la cella. Altro esempio: la temperatura della cella aumenta oltre il limite prestabilito.
Il limite di 10A che ho attribuito ad ogni modulo è molto arbitrario. Il vero limite è dato dalla temperatura raggiunta dal mosfet IRLB3034. Più il sistema di raffreddamento è efficiente e più si puo tirare con la corrente. Attenzione che anche la resistenza a valle del mosfet, da 50 milliOhm, dissipa una certa quantità di calore ed anch'essa deve essere ventilata aumentando la potenza. Io me la sono costruita con più d un metro di filo di rame da 0.6 mm avvolto a mò di coil ma con quasi 30 spire da 8 mm di diametro esterno.
Nel caso in cui si usino più moduli di carico, la soluzione ideale è quella di usare una barra di alluminio (o rame o acciaio) su cui fissare tutti i MOSFET IRLB3034. La ventola andrebbe a raffredda
e la barra. Nella foto che segue si vede il prototipo con il MOSFET IRLB3034 montato su un dissipatore in alluminio
Questo
è il modulo di misura della corrente erogata, tensione e potenza. Nel prototipo ho usato un modulo pre-assemblato prodotto da adafruit (INA219 High Side DC Current Sensor Breakout - 26V +-3.2A Max ID: 904 - $9.95 : Adafruit Industries, Unique & fun DIY electronics and kits) per accelerare i tempi di realizzazione del prototipo ed anche perchè ne ho sempre un paio disponibili. In particolare quello della foto l'ho modificato montandoci uno shunt da 1 milliOhm che consente di misurare correnti fino ad 80A con la sensibilità di 20 mA.
eload.pdf - Google Drive
Trattasi di un carico elettronico controllato da un microcontrollore che potrebbe essere un Arduino zero ma io ho usato il Teensy 3.2: costa meno ed ha prestazioni nettamente superiori.
Il circuito è modulare nel senso che che è costituito da due parti fisse ed uno o più moduli di carico da 10A ciascuno. Con un solo modulo di carico si arriva a correnti di scarica di 10A, con 2 a 20A, con 3 a 30A e così via.
Escludendo il microcontrollore (un Teensy3.2 costa 20€) il circuito è abbastanza econonico. I componenti più costosi sono
integrato INA219: 2€ circa
MOSFET P-channel IPB180P4: 2€ circa
MOSFET N-channel IRLB3034: 3€ circa e ne serve uno per ogni modulo da 10A. Si trovano facilmente anche in promozione per 1€.
Ventolina di raffreddamento (costo molto variabile ma è facile recuperarle da vecchi computer)
Tutto il resto sono componenti ordinari che si comprano con un paio di euro in tutto.
Vi è da dire che uno può spendere di più 0 di meno in funzione della qualità dei componenti. A esempio il termistore (che uso per misurare la temperatura della cella) può costare 20 centesimi oppure 2 € in funzione della sua precisione. Con precisione dell'1%, più che sufficiente allo scopo il costo è intorno all'euro.
Il circuito che vi presento l'ho finito di testare oggi stesso (un prototipo) con un solo modulo da 10A. Usando un dissipatore in alluminio per il MOSFET si può arrivare a circa 4/5A di scarica senza dover usare la ventola. Oltre ai 5A la temperatura del MOSFET supera i 100C, assolutamente tollerabile ma sconsigliato.
Il prototipo l'ho assemblato su una piastra millefori e devo dire che il circuito è così semplice che anche la versione finale potrebbe stare su millefori senza la necessità di fabbricare un PCB dedicato.
I miei piani adesso sono di completare il circuito con 3 moduli di carico (per arrivare a 30A e 90W circa di scarica continua) e sviluppare il software di controllo del circuito che si interfaccerà al PC attraverso la porta USB.
Ciò permetterà di testare le celle LiIon con pattern di scarica arbitrari a controllo di corrente o di potenza con timing arbitrario (ad esempio 4 secondi a 25W, 20 secondi di riposo).
Funzionamento del circuito
Siccome il circuito è modulare andiamo per moduli.
- Modulo di misura tensione corrente e potenza. Come dice il nome questo modulo misura con grande precisione e molte volte al secondo la tensione ai capi della cella e la corrente assorbita comunicandole al micro. Il compito è affidato ad un circuito integrato appositamente progettato l'INA219 della Texas Instruments assieme allo shunt R10 da 1 milliOhm e i tre componenti di supporto R11 R12 e C6. Con questa configurazione si possono leggere correnti fino a 80A con una risoluzione di 10 mA. Le misure vengono trasmesse al micro con il protocollo I2C mediante due soli fili (SCA ed SCK). Nel modulo ho inserito anche un interruttore allo stato solido comandato dal micro e costituito da MOSFET IPB18004 (Q2) e dal transistor npn (Q3) più i component accessori R7 ed R19. La resistenza R? non è necessaria. Se il micro individua una situazione anomala o pericolosa può staccare la cella.
- Modulo di carico. Il modulo si comporta come una resistenza variabile tra il pin LINE e GND. Il valore della resistenza è governato dal micro attraverso il segnale DAC di cui BUF_DAC è una copia (eseguita dal circuito buffer in alto a sinistra nello schema). Indicata con VDAC la tensione del segnale, il circuito assorbe una corrente pari a VDAC/0.05 ovvero VDAC*20 essendo 0.05 la resistenza di R3. Avendo concepito il modulo per un assorbimento massimo di 10A la tensione VDAC non dovrà superare 0.5V o almeno non per troppo tempo. Siccome il micro è in grado di arrivare a VDAC = 3.3V, in linea di principio si può arrivare ad assorbire 66A che farebbero fondere immediatamente R3 se non si fonde prima il MOSFET IRL3034.
Commenti al circuito
Guardando lo schema si notano due operazionali di tipo LM324. In effetti l'integrato LM324 contiene 4 operazionali e nello schema ne uso solo 2. Gli altri due mi servono per gli altri due moduli di carico. Ho usato l'LM324 perchè non costa quasi nulla (ne ho presi 5 ad 1€) ma il prezzo da pagare è che vanno alimentati a 5V invece che a 3.3V. Questo perchè non sono operazionali di tipo Rail to rail ovvero non riescono a regolare l'output fino alla tensione di alimentazione. Siccome nel circuito l'output è poco sotto i 3V con alimentazione di 3.3V non ci arrivano. Pagandoli circa 2€ l'uno si possono usare degli opamp rail to rail, ad esempio l'OPA341, eliminado la necessità dei 5V ed usando 3.3V per alimentare tutto il circuito. Esistono anche in versione dual: OPA2341 due opamp nello stesso IC e si trovano per circa 2€. Con 2 IC tipo OPA2341, ovvero con 4€ si può costruire il circuito con 3 moduli di carico evitando la doppia alimentazione.
Nel modulo di misura ho indicato un transistor NPN 2SC1815 ma và bene un NPN generico ed infatti io ho usato un 2N3904 da 5 centesimi, il transistor più comune che ci sia.
Il MOSFET IPB180P04 serve solo a staccare la LiIon dal resto del circuito nel caso qualcosa vada storto. Ad esempio se uno dei mosfet dei moduli di carico andasse in corto si avrebbe un brusco innalzamento della corrente di scarica, situazione che viene intercettata dal micro che stacca di conseguenza la cella. Altro esempio: la temperatura della cella aumenta oltre il limite prestabilito.
Il limite di 10A che ho attribuito ad ogni modulo è molto arbitrario. Il vero limite è dato dalla temperatura raggiunta dal mosfet IRLB3034. Più il sistema di raffreddamento è efficiente e più si puo tirare con la corrente. Attenzione che anche la resistenza a valle del mosfet, da 50 milliOhm, dissipa una certa quantità di calore ed anch'essa deve essere ventilata aumentando la potenza. Io me la sono costruita con più d un metro di filo di rame da 0.6 mm avvolto a mò di coil ma con quasi 30 spire da 8 mm di diametro esterno.
Nel caso in cui si usino più moduli di carico, la soluzione ideale è quella di usare una barra di alluminio (o rame o acciaio) su cui fissare tutti i MOSFET IRLB3034. La ventola andrebbe a raffredda
e la barra. Nella foto che segue si vede il prototipo con il MOSFET IRLB3034 montato su un dissipatore in alluminio
Questo
è il modulo di misura della corrente erogata, tensione e potenza. Nel prototipo ho usato un modulo pre-assemblato prodotto da adafruit (INA219 High Side DC Current Sensor Breakout - 26V +-3.2A Max ID: 904 - $9.95 : Adafruit Industries, Unique & fun DIY electronics and kits) per accelerare i tempi di realizzazione del prototipo ed anche perchè ne ho sempre un paio disponibili. In particolare quello della foto l'ho modificato montandoci uno shunt da 1 milliOhm che consente di misurare correnti fino ad 80A con la sensibilità di 20 mA.
