پاوربانک هوشمند با آردوینو و مدار دوطرفه باک-بوست
بعضی پروژهها فقط یه ساخت ساده نیستن، بلکه نتیجه سالها تجربه و علاقهان. تو این آموزش از آیسیمدار قراره با یه پاوربانک حرفهای و کاملا هوشمند آشنا بشیم که با آردوینو کنترل میشه و میتونه هم دستگاههات رو شارژ کنه، هم از پریز برق یا پنل خورشیدی شارژ بگیره. این پاوربانک با 32 عدد سلول لیتیومی 18650 در آرایش 4S8P ساخته شده و ظرفیتی تا 414 واتساعت داره، در حالی که وزنش فقط حدود 2.4 کیلوگرمه و تو یه بدنه جمعوجور جا میگیره.
چیزی که این پروژه رو خاص میکنه، وجود یه ماژول دوطرفه برنامهپذیره که میتونه هم بهعنوان منبع ولتاژ خروجی کار کنه و هم بهعنوان ورودی شارژ با ردیابی نقطه توان بیشینه (MPPT). علاوه بر این، پاوربانک یه نمایشگر OLED برای نمایش اطلاعات لحظهای، پورتهای مختلف USB-C با توان بالا، خروجی برق شهری از طریق اینورتر تغییریافته، و سیستم مانیتورینگ دما و خنککننده فعال داره تا در بدترین شرایط هم امن و پایدار کار کنه.
تو ادامه این آموزش قدمبهقدم باهات پیش میریم؛ از پرینت قطعات سهبعدی و برش صفحات فایبرگلاس گرفته تا سیمکشی باتریها، ساخت بردهای مدار سفارشی، تغییر اینورتر برای کار در ولتاژ بالاتر و در نهایت مونتاژ کامل دستگاه. این یه پروژه پیشرفتهست و به دقت و تجربه کار با باتریهای لیتیومی و مدارات پرتوان نیاز داره، پس بریم سراغ ساختش.
- آرایش باتری 4S8P با سلولهای 18650، با ظرفیتی تا 414 واتساعت در صورت استفاده از سلولهای 3500 میلیآمپرساعتی
- بدنه جمعوجور با ابعاد 290 در 175 در 45 میلیمتر و وزن 2.4 کیلوگرم
- کنترل و اتوماسیون کامل با میکروکنترلر ESP32-C3
- نمایشگر OLED یکونیم اینچی همراه با دکمه ناوبری سهجهته
- قابلیت تنظیم زمان خاموشی خودکار (APO)
- پشتیبانی از وایفای در دو حالت STA و AP برای بهروزرسانی بیسیم فریمور
- پورت DC دوطرفه برنامهپذیر تا 20 ولت و 6 آمپر بر پایه چیپ SC8812A
- تنظیم ولتاژ و جریان ثابت در حالت خروجی
- جریان شارژ تطبیقی در حالت ورودی یا ردیابی خودکار در حالت MPPT
- پورت USB-C دوطرفه 100 وات بر پایه چیپ IP2368
- چهار پورت خروجی USB-C 36 واتی بر پایه چیپ XPM52C
- خروجی برق شهری 150 وات
- دسترسی مستقیم به باتری تا بیش از 400 وات (30 آمپر) از طریق کانکتور XT60
- طراحی بهینه از نظر حرارتی همراه با مانیتورینگ دما و خنکسازی فعال
- محافظت در برابر اضافهبار و اتصالکوتاه روی تمام خروجیها بهصورت افزونه
قطعات موردنیاز
- 32 عدد سلول لیتیوم-یون 18650
- ورق عایق باتری
- ماژول ESP32-C3 سوپر مینی
- ماژول USB-C دوطرفه 120 وات مدل SC8812A
- ماژول USB-C دوطرفه 100 وات مدل IP2368
- دو عدد ماژول باک USB-C مدل XPM52C با توان 62 وات
- ماژول BMS چهار سلولی 30A
- ماژول اندازهگیری توان INA219
- نمایشگر OLED یکونیم اینچی
- اینورتر 12 ولت به برق شهری
- برد سوراخدار با فاصله پین 2.54 میلیمتر
- مبدل باک کوچک
- دو عدد فن 5 ولتی سایز 4010
- دو عدد مقاومت SMD ده میلیاهم سهواتی سایز 2512
- فیوز خودرویی 30 آمپر
- چهار عدد سنسور دمای DS18B20
- ترانزیستور موسفت کانال N مدل IRL3713
- سه عدد کلید فشاری لمسی سایز 6x6x7
- هفت عدد خازن سرامیکی 100 نانوفاراد
- خازن الکترولیتی 100 میکروفاراد 6.3 ولت
- رگولاتور LDO مدل AMS1117-33
- رگولاتور LDO مدل QN7533A
- ترانزیستور PNP مدل 2N5401
- ترانزیستور NPN مدل 2N2222
- ترانزیستور NPN مدل BD139
- مقاومت 330 اهم یکچهارم وات
- سه عدد مقاومت 4.7 کیلواهم یکچهارم وات
- دو عدد مقاومت 10 کیلواهم یکچهارم وات
- مقاومت 22 کیلواهم یکچهارم وات
- پنج عدد مقاومت 47 کیلواهم یکچهارم وات
- یک جفت کانکتور XT60
- کانکتور XT60F-E
- یک جفت کانکتور JST-XH هفتپین با فاصله پین 2.54 میلیمتر
- جک برق مادگی 5.5x2.1
- نوار نیکل 8x0.2 میلیمتر
- سیم مسی مربعی لخت 2.5 میلیمتر
- سیم مسی لاکی 0.5 میلیمتر
- سیم سیلیکونی در سایزهای 14، 18، 22 و 30
- سیم سیگنال هشترشته
- یک سری بدنه جانبی و بریکت پرینتشده سهبعدی
- صفحه فایبرگلاس G10 با ضخامت 1.5 میلیمتر
- صفحه آلومینیومی 2 میلیمتری
- 9 عدد فاصلهانداز برنجی مادگی-مادگی M3x40
- 7 عدد فاصلهانداز برنجی مادگی-مادگی M2x20
- 4 عدد فاصلهانداز برنجی مادگی-نری M2x8
- 4 عدد فاصلهانداز برنجی نری-نری M2x5
- 10 عدد اینسرت برنجی M3x3
- 12 عدد اینسرت برنجی M2x3
- یک سری مهره و پیچ فولادی M3
- یک سری مهره و پیچ فولادی M2
- یک سری مهره و پیچ نایلونی M2
- یک تکه توری فلزی ریزبافت
- پد حرارتی سیلیکونی 0.5 میلیمتری
- دو عدد گریل فن 40 میلیمتری
یه نگاه کلی به پروژه
قبل از شروع ساخت، بهتره یه نگاه کلی به قابلیتها و روند کار داشته باشی تا تصویر روشنی از پروژه پیدا کنی. تو این آموزش قراره هر مرحله از ساخت رو با جزئیات کامل بررسی کنیم تا بتونی خودت هم این پاوربانک رو از صفر بسازی.
فایلها و منابع مورد نیاز
برای شروع ساخت، اول باید فایلهای سهبعدی و شماتیک مدار این پاوربانک رو آماده کنی. کدهای برنامه هم بهمرور بهروزرسانی میشن، پس بهتره همیشه آخرین نسخهشون رو تهیه کنی تا با آخرین قابلیتهای دستگاه هماهنگ باشی.
پرینت قطعات سهبعدی
کار رو با پرینت گرفتن همه قطعات سهبعدی مورد نیاز شروع کن. تنظیماتی که برای پرینت استفاده شده به این شکل بودن:
- فیلامنت ABS مشکی
- ارتفاع لایه 0.2 میلیمتر
- نازل 0.4 میلیمتری
- عرض خط 0.4 میلیمتر
- ضخامت دیواره 1.2 میلیمتر
- ضخامت کف و سقف 1.2 میلیمتر
- پرشدگی داخلی 25 درصد
ساخت صفحات بالا و پایین بدنه
از صفحه فایبرگلاس G10 با ضخامت 1.5 میلیمتر برای ساخت صفحات بالا و پایین بدنه استفاده کن. بهتره این صفحات با دستگاه CNC برش بخورن، ولی اگه به این دستگاه دسترسی نداری، میتونی مثل روش این پروژه، بهصورت دستی هم اونها رو برش بزنی.
برای برش دستی، اول طرح صفحات بالا و پایین رو روی یه برگه کاغذ پرینت بگیر و دور خطوطش رو ببر. بعد کاغذ رو روی صفحه بچسبون و بر اساس همون طرح، صفحه رو برش بزن. یه مقدار حاشیه اضافه هم نگه دار، چون بعدا با سمباده و سوهان دقیقشون میکنی.
مونتاژ بدنه اصلی
برای مونتاژ بدنه، همه قطعات برنجی رو داخل سوراخهای مخصوص خودشون جا بزن و تمام پیچها رو محکم کن. توری فلزی ریزبافت رو هم روی شیار تهویه نصب کن. بدنه نهایی بهخاطر ساختار لایهایاش باید کاملا محکم و بدون هیچ لقی حس بشه.
پرداخت نهایی بدنه
اگه صفحاتت با دستگاه CNC برش خوردن، میتونی این مرحله رو رد کنی. در غیر این صورت، برای صاف کردن لبهها و همتراز کردنشون با قطعات پرینتشده کناری، لبه بدنه رو با سمبادههای با دانهبندی رو به ریزتر پرداخت کن. در آخر هم با یه اسپری رنگ مشکی مات، ظاهر یکدست بدنه رو برگردون.
مونتاژ ماژول باتری
هشدار! از این مرحله به بعد، کار با سلولهای لیتیوم-یون فعال شروع میشه که در صورت بیاحتیاطی میتونن خطرناک باشن. حتما با دقت کامل و آگاهی کافی این مرحله رو انجام بده.
بریکت باتری پرینتشده رو روی صفحه پایین نصب کن و سلولهای 18650 رو داخلش جا بده. با یه قطره چسب فوری سلولها رو محکم سر جاشون نگه دار. این روند رو تکرار کن تا دو ماژول باتری کامل آماده بشه.
سیمکشی ماژول باتری
نوار نیکل رو با اسپاتولدر به پایه سلولها جوش بده تا آرایش 2S8P روی هر ماژول شکل بگیره. سمت مجاور ماژولهای باتری رو عایقکاری کن و بعد طبق شماتیک مدار، ماژولها رو به هم سیمکشی کن.
ساخت برد توزیع توان
یه برد سوراخدار رو به اندازه لازم برش بزن و قطعات این بخش رو آماده کن. بعد از جا زدن هر قطعه، مسیرهای هادی رو با مقدار زیادی لحیم پوشش بده تا بتونن جریان کامل بار رو بدون مشکل تحمل کنن.
ساخت هیتسینک سفارشی
هیتسینک از یه صفحه آلومینیومی 2 میلیمتری ساخته میشه. ماشینکاری این قطعه بهشدت توصیه میشه، هرچند ساخت دستیاش هم امکانپذیره. برای روش دستی، مراحل تقریبا مثل همون روش برش صفحات بالا و پایینه. تنها تفاوت اینه که اینجا از یه راهنمای پرینتشده سهبعدی استفاده میشه تا نتیجه نهایی خیلی دقیقتر دربیاد.
نصب ماژولها روی هیتسینک
از پد حرارتی 0.5 میلیمتری و پیچهای نایلونی M2 برای نصب ماژولها روی هیتسینک استفاده کن. قبل از نصب ماژول SC8812A، میکروکنترلر روی آن (که نزدیک پورت USB-C قرار داره) رو با هیتگان جدا کن و پایههای بلند خازن زیرش رو هم کوتاه کن تا پد حرارتی رو پاره نکنه.
سیمکشی ماژولها
مجموعه هیتسینک رو روی صفحه پایین نصب کن و سیمکشی ماژولها رو شروع کن. برای وصل کردن ماژولها و قطعات به هم، دقیقا طبق دیاگرام سیمکشی پیش برو. موسفت رو هم بین صفحه پایین و هیتسینک پایینی همراه با یه پد حرارتی قرار بده تا خنک بمونه.
مونتاژ پنل نمایشگر
یه برد سوراخدار رو به شکل مورد نیاز برش بزن و همه قطعات رو طبق چیدمانش لحیم کن. بعد همه قطعات رو روی پنل پرینتشده سهبعدی نصب کن و طبق شماتیک، سیمکشی کامل رو انجام بده.
مونتاژ برد کنترل اصلی
یه برد سوراخدار رو به شکل مورد نیاز برش بزن و قطعات و ماژولها رو طبق چیدمانش لحیم کن. پتانسیومتر روی مبدل باک کوچک رو بردار و خروجیاش رو روی 5 ولت تنظیم کن. مقاومت پولآپ I2C و مقاومت حس جریان روی سنسور INA219 رو هم حذف کن.
طبق شماتیک، تمام قطعات رو به هم سیمکشی کن. بعد کد برنامه رو روی ماژول ESP32 آپلود کن و عملکرد و مقادیر خواندهشده رو بررسی کن.
باز کردن اینورتر و بررسی قطعاتش
هشدار! از این مرحله به بعد، کار با مدارات ولتاژ بالا شروع میشه که در صورت بیاحتیاطی میتونن خطرناک باشن. حتما با دقت کامل و آگاهی کافی این مرحله رو انجام بده.
برد اینورتر رو از بدنهاش جدا کن. چون این یه اینورتر 12 ولتیه که قراره با ولتاژ بالاتر باتری 4S کار کنه، باید از این موارد مطمئن بشی:
- خازن ورودی باید حداقل برای ولتاژ 25 ولت رتبهبندی شده باشه.
- موسفتهای پوش-پول باید حداقل ولتاژ درین-به-سورس 40 ولت رو تحمل کنن.
- توپولوژی کنترلر (شامل تغذیه، پایهها و غیره) بتونه ولتاژ بالاتر رو تحمل کنه.
در صورت نیاز تغییرات لازم رو اعمال کن و اگه هر سه مورد بالا تأیید شدن، به مرحله بعد برو.
جدا کردن و باز کردن ترانسفورماتور
ترانسفورماتور اینورتر برای ورودی 12 ولت پیچیده شده و برای کارکرد امن در ولتاژ بالاتر باید دوباره سیمپیچی بشه؛ راه دیگهای وجود نداره. افزایش تعداد دور سیمپیچ اولیه از 4 به 5 دور، این مشکل رو حل میکنه.
اول ترانسفورماتور رو از روی برد جدا کن و نیمه اول سیمپیچ ثانویه و کل سیمپیچ اولیه رو باز کن. نیمه دوم سیمپیچ ثانویه رو دستنخورده باقی بذار.
سیمپیچی مجدد و لحیمکاری ترانسفورماتور
سیمپیچ اولیه رو با 4+4 دور دوباره بپیچ و نیمه اول سیمپیچ ثانویه رو هم دقیقا مثل قبل بازسازی کن. حواست به جهت سیمپیچی باشه. ترانسفورماتور رو دوباره روی برد لحیم کن و با یه منبع تغذیه آزمایشگاهی، عملکردش رو تست کن. ولتاژ خروجی حالا باید حدود 20 درصد پایینتر از قبل باشه.
تغییر مدار حس ولتاژ
برای اینکه اینورتر بدون فعال شدن محافظ اضافهولتاژ کار کنه، باید مدار تقسیمکننده ولتاژ که مسئول حس ولتاژه رو تغییر بدی. یه مقاومت با مقدار بالا موازی با مقاومت پایینی اضافه کن تا نقطه کارکرد کمی بالاتر بره. در این پروژه، یه مقاومت 22 کیلواهم اضافه شد که نقطه فعالسازی اضافهولتاژ رو به 16.9 ولت رسوند.
آخرین تغییر روی برد اینورتر
همه قطعات مربوط به خروجی USB رو حذف کن و مقاومت جامپر نزدیک کانکتور کلید برق رو هم بردار. با این کار، اتصال کوتاه این کانکتور عملا باعث تغذیه مدار کنترل و فعال شدن اینورتر میشه. این پایه همونیه که میکروکنترلر برای فعال کردن اینورتر ازش استفاده میکنه.
نصب برد اینورتر
برد اینورتر رو روی صفحه پایین نصب کن و سیمکشیاش رو به برد توزیع توان و برد کنترل انجام بده.
نصب سنسورهای دمای DS18B20
سنسورهای دمای DS18B20 رو سیمکشی کن و با چسب حرارتی روی یکی از سلولها، هیتسینک بالایی، هیتسینک پایینی و ماژول اینورتر نصبشون کن. همه سنسورها رو روی یه باس مشترک به هم وصل کن و خط سیگنال رو به پایه 0 ESP32 که پولآپ شده وصل کن. آدرسهای داخل کد رو هم متناسب با آدرس واقعی هر سنسور تنظیم کن.
نصب فن خنککننده
فنها و گریلهاشون رو روی قطعه کناری پرینتشده سهبعدی محکم کن و هر دو فن رو موازی با هم سیمکشی کن.
در نهایت فنها رو به برد کنترل وصل کن.
تست عملکرد و مونتاژ نهایی
تا اینجا سیمکشی همه قطعات و ماژولها کامل شده. حالا همه عملکردهای پاوربانک رو تست کن و اگه همه چیز درست کار میکرد، با بستن نهایی بدنه، مراحل ساخت رو کامل کن. ساخت پاوربانک Omnibus 4X8 بالاخره به پایان میرسه.
جمعبندی
ممنون که تا اینجای این پروژه همراه آیسیمدار بودی! بعد از هشت سال از آخرین ساخت پاوربانک، بالاخره این فرصت پیش اومد که به همون پاوربانک آرمانی که اونموقع نتونستم بسازمش برسم. البته مثل همیشه، برای پروژه بعدی هم چند تا آرزو و ایده جدید دارم. اینها بخشی از قابلیتهایی هستن که دوست دارم تو نسخه بعدی داشته باشم:
- طراحی برد مدار چاپی سفارشی و در سطح تجاری
- سیستم باتری دو ریلی و قابل تعویض گرم بر پایه سلولهای 21700 (دو مجموعه 92 واتساعتی)
- پورت USB-C دوطرفه 100 واتی
- پورت DC دوطرفه 100 واتی
- خروجیهای USB-C با توان 36 وات
- چراغهای الایدی
- خنککننده غیرفعال بهینهشده
- ماژولهای قابل توسعه
- کنترل پیشرفته با میکروکنترلر و ارتباط بیسیم
- رابط کاربری اطلاعاتی و تعاملی
فعلا همینا رو داشتم که باهات به اشتراک بذارم. امیدوارم بهزودی فرصت کار روی این پروژه بلندپروازانه رو پیدا کنم و خوشحال میشم نظرات و پیشنهاداتت رو با آیسیمدار در میون بذاری.
فایلهای پیوست
تو میتونی اولین سازنده باشی!
اگه پروژه رو ساختی به اشتراک بزار و اعتبار هدیه بگیر
این آموزش با استانداردهای اختصاصی آیسیمدار بازنویسی و بهینهسازی شده و تمامی حقوق انتشار آن متعلق به این مجموعه است و در صورت کپی یا بازنشر پیگرد قانونی خواهد داشت.
آموزشهای مشابه
گفتگوهای کاربران
هنوز نظری ثبت نشده؛ تو شروع کن!
هنوز نظری ثبت نشده؛ تو شروع کن!