METEO LAB · ПРОЕКТ

Charger v1

Экспериментальное четырёхканальное интеллектуальное зарядное устройство на Arduino Mega 2560. Полное описание прошивки: распиновка, регулятор, профили заряда, защиты.

Проект в стадии разработки. Это экспериментальная инженерная разработка лаборатории NARMOVION, а не законченный продукт. Возможны ошибки, изменения и неполная функциональность; использование — на свой риск.

🔋

Обзор

Charger v1 создан как инженерный стенд для разработки алгоритмов заряда, измерения параметров аккумуляторов и тестирования различных химических типов элементов.

Каждый канал имеет отдельное измерение напряжения, тока и температуры аккумулятора. Управление построено на PWM-регулировке buck-модуля через цепь обратной связи, с режимами предварительного заряда, постоянного тока и постоянного напряжения. Поддерживаются профили для Li-Ion, LiFePO4 и NiMH/NiCd.

Устройство использует два дисплея ST7920, четыре измерительных модуля INA219, NTC-датчики температуры, светодиодную индикацию, звуковое уведомление и автоматическую регулировку яркости.

4 канала Li-Ion LiFePO4 NiMH CC/CV Arduino Mega 2560

В архиве проекта доступны исходники, схема подключения, блок-схема и схема инжекции обратной связи buck-модуля.

Экспериментальная разработка.
Перед подключением аккумуляторов обязательны проверка монтажа, калибровка измерений и отдельное тестирование каждого канала.

Скачать полный архив →

1Железо одного канала

Комплект повторяется для каждого из 4 каналов.

Узел	Компонент	Назначение
Понижающий преобразователь	buck LM2596 / XL4015 (с выведенным FB)	источник регулируемого напряжения
Ключ	MOSFET IRLZ44N / AO3400 (logic-level)	разрыв «+» батареи — для замера OCV/-dV и безопасности
Измерение V/I	INA219 (шунт 0.1 Ω)	напряжение на батарее и ток заряда
Температура	NTC 10k β=3950 + делитель 10k к +5V	контроль перегрева банки
Держатель	кроватка 18650 / клеммы	сама батарея

2Принцип регулирования — инжекция в FB

Ток и напряжение регулируются не «умным» buck-контроллером, а инжекцией потенциала во вход обратной связи (FB) обычного buck-модуля:

PWM (Mega)→ RC-фильтр 1kΩ + 100nF→ резистор инжекции 10kΩ→ FB buck-модуля

Подъём напряжения на FB заставляет buck опускать выход. Зависимость инверсная: ↑PWM → ↓Vout. Знак инверсии учтён в PI-регуляторе (вычитание). PWM_MAX = 255 соответствует минимуму напряжения на выходе — безопасное состояние по умолчанию.

Настройка при сборке: подобрать резистор инжекции так, чтобы диапазон PWM 30…220 давал выход buck 3.0…4.3 В (для 18650) — это обеспечивает запас регулирования.

3Распиновка Arduino Mega 2560

Каналы заряда — 4 линии на канал

Канал	PWM→FB	MOSFET EN	NTC (ADC)	INA219 addr
Ch1	D5 OC3A	D32	A0	0x40
Ch2	D2 OC3B	D33	A1	0x41
Ch3	D3 OC3C	D34	A2	0x44
Ch4	D6 OC4A	D35	A3	0x45

Адреса INA219 задаются перемычками A0/A1 на модулях. MOSFET EN = HIGH → ток идёт в батарею.

Дисплеи ST7920 128×64 (программный SPI)

У ST7920 сигналы называются иначе, а порядок в конструкторе U8g2 — (clock, data, cs, reset): E=SCLK, RW=MOSI, RS=CS.

Дисплей	SCK (E)	MOSI (RW)	CS (RS)	RESET	Каналы
Display 0	D48	D47	D46	D8	Ch1, Ch2
Display 1	D52	D51	D53	D7	Ch3, Ch4

PSB = GND (режим SPI). Подсветка BLA обоих дисплеев → D9 (ШИМ, через транзистор, не напрямую).

Шина I²C · 100 кГц

SDA = D20 SCL = D21

Общие для 4× INA219 + VEML7700 (0x10).

Питание

+5V шина ≥ 1 А — Mega + все модули
+6…12V — вход VIN buck-ов (≈1.5 А/канал)
Общая земля Mega / buck / батарей — обязательна

UI и индикация

Функция	Пин	Примечание
Кнопка MODE	D30	INPUT_PULLUP, кнопка на GND
Кнопка START	D31	INPUT_PULLUP, кнопка на GND
Buzzer	D12	перенесён с D9
Backlight ST7920	D9	analogWrite (ШИМ)
LED READY (зелёный)	D10	→ 330Ω → LED → GND
LED FAULT (красный)	D11	→ 330Ω → LED → GND

LED-панель — 8 светодиодов, порт PA

D22–D29 = G G B B Y Y R R, каждый через 330Ω на GND. Пары R2 R1 Y2 Y1 B2 B1 G2 G1 образуют «SoC-бар» выбранного канала, заполняемый справа-налево (красный → зелёный).

PWM (Timer3/4) ADC (NTC) I²C SW SPI +5V / питание

4ШИМ-настройки (быстрый PWM)

Timer3 (D2/D3/D5) и Timer4 (D6): Fast PWM 8-bit, non-inverting, prescaler /1 → ≈62.5 кГц.
Timer0 не трогается — millis()/delay() работают штатно.
Значения пишутся напрямую в регистры OCR3AL/BL/CL, OCR4AL через setPwmFast().
Высокая частота даёт ripple ≈1 мВ после RC-фильтра.

5Конечный автомат заряда (на канал)

Литий:

IDLE→CHECK→ PRECHARGE→CC→ CV→DONE

NiMH:

IDLE→CHECK→ NIMH_CC⇄TERM_CHECK→ DONE

Состояние	Что делает
`IDLE`	ждёт START, MOSFET разомкнут
`CHECK`	размыкает ключ, читает OCV, проверяет присутствие/переполюсовку, оценивает стартовый SoC
`PRECHARGE`	trickle 10% тока, пока V < v_precharge (реанимация глубокого разряда)
`CC`	постоянный ток = уставке (PI по току) до V_max
`CV`	постоянное напряжение V_max, пока ток не упадёт ниже i_term_pct
`NIMH_CC`	только CC + мониторинг -dV / dT/dt
`TERM_CHECK`	раз в минуту размыкает ключ, читает OCV для детекта -dV
`DONE`	заряд завершён, рассчитывается ёмкость
`FAULT`	авария; автосброса нет — оператор жмёт START

PI-регулятор

Единый для тока и напряжения. Анти-виндап интеграла, ограничение ±1000, rate-limit 5 шагов PWM за итерацию (защита от токовых спайков при входе в CC).

Оценка ёмкости

По мА·ч и стартовому SoC (таблица OCV): Cap ≈ mAh·100/(100−SoC). При SoC>30% — грубая («~»), при ≥90% не считается.

6Профили химий

Значения на одну банку (1S).

Параметр	Li-Ion	LiFePO4	NiMH
V_max (CV)	4.20 В	3.55 В	1.55 В (лимит)
V_precharge	3.00 В	2.50 В	0.90 В
Ток precharge	10%	10%	20%
Ток окончания CV	5%	7%	— (нет CV)
-dV	—	—	10 мВ
dT/dt	—	—	1 °C/мин
Таймаут	240 мин	240 мин	300 мин
Reverse	<100 мВ	<100 мВ	<100 мВ

Ток заряда выбирается кнопкой из списка: 500 / 1000 мА (I_TARGET_LIST_MA).

7Защиты

Проверяются на каждом шаге автомата.

WDT 4 сек — wdt_enable(WDTO_4S)
Перенапряжение: V > V_max + 100 мВ → F_OVERVOLT
Жёсткая отсечка тока: I > 1500 мА → F_OVERCURRENT
Температура: T > 45 °C → F_TEMP_HIGH
Температура: T < 0 °C → F_TEMP_LOW (гистерезис 3°)
Обрыв NTC (ADC <20 или >1000) → F_NTC_OPEN

Переполюсовка (OCV < v_reverse) → F_REVERSE
Батарея снята (V < 500 мВ) → F_NO_BATTERY
Таймаут профиля → F_TIMEOUT
Потеря INA219 → F_INA_LOST
PWM упёрся в границу >5 сек при большой ошибке → F_LOOP_STUCK
MOSFET разомкнут во всех состояниях кроме PRECHARGE/CC/CV/NIMH_CC

8Измерения

INA219: калибровка 32V/2A (100 мкА/бит), IIR-фильтр EMA y += (x−y)/4 для V и I.
NTC → °C: β-уравнение, R_ntc = 10k·ADC/(1023−ADC), результат в °C×10, доп. сглаживание (old·3+new)/4.
OCV: размыкает MOSFET, 200 мс релаксации, читает VBUS. Обратно ключ не включает — это делает автомат.

9Интерфейс

Экраны: Display 0 — каналы 1/2 (верх/низ), Display 1 — каналы 3/4. На канал: имя+химия+ток, крупно V/A, состояние/T/накопленные мА·ч, прогресс-бар.

Кнопка MODE (D30)

короткое — переключение канала 1→2→3→4
длинное — вход/выход edit (в IDLE/DONE/FAULT)
в edit коротко — след. поле (химия → ток → выход)

Кнопка START (D31)

короткое — START/STOP канала
в edit — изменение значения поля

Звук: короткий писк — переключение; писк — START/STOP; длинный — DONE; короткий — FAULT.

Автояркость: VEML7700 читается раз в 1 с; подсветка плавно подъезжает к цели по освещённости (в темноте — минимум 20/255, при комнатном свете — максимум).

10Замечания по сборке

MOSFET обязательно logic-level (Vgs(th) < 3 В), иначе не откроется от 5 В.
Подстроить резистор инжекции: PWM 30…220 → выход buck 3.0…4.3 В (для 18650) — запас регулирования.
Проверка при первом запуске по Serial (115200): 4× INA[x] OK + VEML OK.
При PWM=255 выход buck ≤ 3 В, при PWM=0 — максимум (~4.3–4.5 В).
PSB дисплеев на GND, общая земля обязательна.

← В лабораторию