ماژول تغذیه و BMS باتری LiFePO4 با افزاینده ۵ ولت

قبل از شروع ساخت، بد نیست کمی بیشتر با باتری‌های LiFePO4 آشنا بشیم. تو این پروژه ما از یک باتری سایز 32700 با ولتاژ 3.2 ولت و ظرفیت عالی 6000 میلی‌آمپر ساعت استفاده می‌کنیم. باتری‌های لیتیوم آهن فسفات در حال حاضر یکی از ایمن‌ترین و قابل‌اعتمادترین تکنولوژی‌های ذخیره انرژی هستن. برخلاف باتری‌های لیتیوم-یون معمولی، این سلول‌ها پایداری حرارتی بهتری دارن و خطر آتش‌سوزی در اونا تقریبا صفره.

1. ایمنی بسیار بالا (خطر بسیار پایین داغ شدن بیش از حد یا آتش‌سوزی)
2. طول عمر و چرخه شارژ بسیار طولانی
3. خروجی ولتاژ کاملا پایدار تا آخرین لحظات دشارژ
4. عملکرد عالی هنگام کشیدن جریان‌های بالا

هر سلول LiFePO4 ولتاژ نامی 3.2 ولت داره و می‌تونه بین 2000 تا 5000 چرخه شارژ و دشارژ رو به راحتی تحمل کنه؛ همین ویژگی اون‌ها رو برای پروژه‌های طولانی‌مدت ایده‌آل می‌کنه. از این باتری‌ها معمولا تو سیستم‌های خورشیدی، خودروهای الکتریکی، سیستم‌های برق اضطراری و البته پروژه‌های حرفه‌ای الکترونیک استفاده می‌شه.

بریم سراغ مغز متفکر این مدار. برای طراحی PCB ما از سه بخش اصلی استفاده کردیم: آیسی CN3058 برای شارژ، آیسی HY2112 برای محافظت از باتری (BMS) و آیسی ME2108 برای افزاینده ولتاژ به 5 ولت. تمام پارامترهای این قطعات بر اساس ویژگی‌های یک سلول 3.2 ولتی LiFePO4 تنظیم شدن.

آیسی CN3058 یک شارژر خطی و اختصاصی برای باتری‌های LiFePO4 تک‌سلولی هست که از پروفایل شارژ استاندارد جریان‌ثابت/ولتاژثابت (CC/CV) استفاده می‌کنه. این آیسی ولتاژ شارژ رو دقیقا روی 3.6 ولت (ولتاژ فول‌شارژ استاندارد این باتری‌ها) نگه می‌داره و جریان شارژ هم با یک مقاومت خارجی برنامه‌ریزی می‌شه.

وقتی ولتاژ باتری به 3.6 ولت نزدیک می‌شه، مدار از حالت جریان‌ثابت به ولتاژثابت تغییر حالت می‌ده و در نهایت وقتی جریان به حدود 10 درصد مقدار تنظیمی رسید، فرآیند شارژ کاملا متوقف می‌شه تا به باتری آسیبی نرسه.

بخش محافظت یا همون BMS به عهده آیسی HY2112 هست. این قطعه به طور مداوم باتری رو زیر نظر داره تا از شارژ بیش از حد (Over-charge)، دشارژ عمیق و جریان‌کشی غیرمجاز جلوگیری کنه. اگه ولتاژ باتری موقع شارژ به حدود 3.9 ولت برسه، این آیسی فورا اتصال رو قطع می‌کنه.

از طرف دیگه، برای جلوگیری از خرابی باتری بر اثر دشارژ عمیق، ولتاژ قطع پایین روی 2.0 تا 2.5 ولت تنظیم شده. همچنین در صورت بروز اتصالی یا کشیدن جریان بیش از حد، ماسفت‌های خارجی مدار مسیر رو مسدود می‌کنن.

در نهایت، آیسی مبدل افزاینده ME2108 ولتاژ متغیر باتری (بین 2.5 تا 3.6 ولت) رو دریافت کرده و اون رو به یک ولتاژ ثابت و رگوله‌شده 5 ولت تبدیل می‌کنه که برای تغذیه بردهای ESP32 و قطعات 5 ولتی کاملا ایده‌آله. راندمان این بخش بسته به جریان کشیده‌شده بین 80 تا 90 درصده.

ترکیب این سه قطعه با هم یک سیستم کاملا ایزوله و هوشمند می‌سازه که هم باتری رو استاندارد شارژ می‌کنه، هم از خطرات محافظتش می‌کنه و هم توان خروجی پایدار رو برای پروژه‌های توکی‌کارت (Embedded) فراهم می‌کنه.

طراحی این برد تو نرم‌افزار EasyEDA انجام شده و تمام قطعات SMD روی یک برد جمع‌وجور چیده شدن. می‌تونی فایل‌های گربر (Gerber) رو دانلود کنی و بدی شرکت‌های تولیدکننده تا برات چاپ کنن یا اینکه خودت دست‌به‌کار بشی و با روش‌های خانگی اون رو بسازی.

بعد از آماده شدن برد، نوبت به لحیم‌کاری قطعات می‌رسه. چون قطعات SMD هستن، استفاده از خمیر قلع و هیتر (یا هویه نوک‌تیز با دقت بالا) پیشنهاد می‌شه. تمام فایل‌های مورد نیاز برای تولید و مونتاژ این برد رو می‌تونی تهیه کنی:

1. فایل‌های طراحی مدار چاپی (PCB و Gerber)
2. لیست کامل قطعات و مقادیر (BOM)
3. فایل‌های مختصات جایگذاری قطعات (PNP)

پیدا کردن یک هولدر یا نگهدارنده آماده تو بازار برای باتری‌های غول‌پیکر 32700 کار راحتی نیست. برای همین بهتره خودمون یه نگهدارنده اختصاصی براش بسازیم. با استفاده از نرم‌افزار Fusion 360 یک قاب مینیمال و دقیق متناسب با ابعاد این باتری طراحی کردیم و اون رو با پرینتر سه‌بعدی چاپ کردیم.

حالا که هم مدار آماده است و هم قاب باتری، بریم سراغ مونتاژ نهایی. اول از همه یه مقدار چسب حرارتی یا قطره‌ای کف هولدر پرینت‌شده بزن و باتری رو محکم داخلش قرار بده تا تکون نخوره.

دو تکه نوار نیکل به طول حدودی 13 میلی‌متر ببر. نوک هر کدوم رو از فاصله 2 میلی‌متری به شکل حرف L خم کن. این خمیدگی کمک می‌کنه نوار نیکل خیلی راحت روی پدهای مدار بخوابه.

حالا قسمت خم‌شده نوار نیکل‌ها رو روی پدهای مثبت و منفی که روی PCB مشخص شده قرار بده و با هویه حسابی لحیمشون کن تا اتصال قوی بشه.

در قدم آخر، قاب باتری رو کنار مدار قرار بده و حواست به قطب‌های مثبت و منفی باشه که اشتباه وصل نکنی. حالا با استفاده از دستگاه نقطه جوش، نوارهای نیکل رو به دو سر باتری جوش بده. اگه نقطه جوش نداری می‌تونی با یه هویه توان بالا و سرعت عمل زیاد، این اتصال رو با سیم لحیم برقرار کنی.

خسته نباشی! الان می‌تونی کابل USB-C رو به پورت روی مدار وصل کنی تا شارژ باتری شروع بشه. جریان شارژ روی 1 آمپر تنظیم شده که سرعت قابل قبولی برای این باتری داره.

روی برد دو تا ال‌ای‌دی تعبیه شده که یکی وضعیت "در حال شارژ" و دیگری وضعیت "شارژ کامل" رو بهت نشون می‌ده. از طریق پین‌هدرهای خروجی هم می‌تونی همون 5 ولت جذاب و پایدار رو برای روشن کردن مداراتت بگیری. حالا که دستگاه آماده شده، برای اینکه خیالت از بابت عملکرد صحیح مدار راحت بشه، حتما این موارد رو چک کن:

1. بررسی خروجی دقیق 5 ولت با استفاده از مولتی‌متر
2. تست قطع‌کن BMS در ولتاژ پایین (خاموش شدن خروجی در ولتاژ زیر 2.5 ولت)
3. تست قطع‌کن شارژ کامل مدار در ولتاژ حدود 3.6 تا 3.9 ولت
4. بررسی عملکرد و تغییر رنگ ال‌ای‌دی‌های نشانگر وضعیت شارژ
5. اطمینان از عدم داغ شدن غیرطبیعی آیسی‌ها هنگام کشیدن جریان از خروجی