低成本迷你放电负载 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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专业版 低成本迷你放电负载

简介:配合IOTpowerCC表头制作一个可以记录电池放电曲线的迷你负载,使用模拟电路控制实现更线性的控制

开源协议: CC BY-NC-SA 4.0

(未经作者授权,禁止转载)

已参加:星火计划2024

创建时间: 2024-01-29 23:08:00
更新时间: 2024-04-20 14:55:51
描述

项目说明:

配合IOTpowerCC表头制作一个可以记录电池放电曲线的迷你负载,使用模拟电路控制实现更线性的控制。

请勿在无人值守环境使用本负载,尤其是电池放电时应当全程对设备及电池保持观察,以免引发意外事故!

 

由于我手上的两台电子负载在小电流(小于100mA)放电时会存在控制不精准、放电电流波动较大的情况,在我制作小型、微型电子设备时无法知道电池的实际放电曲线,只能通过理论值计算对应电量,从而导致电量检测不够精准。

因此我决定基于更加精准的模拟电路,自己制作一个迷你负载。与传统的电子负载更加注重大功率放电不同,本负载旨在对百毫安时级别的小型软包锂电进行百毫安以内的放电,使用IOTpowerCC表头配合上位机记录电池放电曲线使得制作产品时可以更加精确的通过电压反推出电量,也可以避免商家虚标电池容量、放电曲线等情况。

此外,本项目进行了低成本设计(更换部分元器件还可以成本更低,我是基于自己的设计习惯进行的选型),不算表头的整体成本仅不到30元(基于嘉立创免费PCB+免费面板打样)。

 

项目主要功能:

1、本负载模块具有恒电流/恒功率负载模式,可以通过拨动开关切换;

2、整体采用叠层设计减小体积,但保留了足够面积的散热片与降温风扇;

3、与IOTpowerCC表头采用香蕉插座+弹簧针进行连接,可以在不用时取下表头。

项目展示视频哔哩哔哩_bilibili_【开源】低成本迷你放电负载,感谢您的三连!

 

开源协议:

CC BY-NC-SA 4.0

 

项目属性:

本项目为首次公开,为本人原创项目。

项目未曾在别的比赛中获奖。

 

项目进度:

2024/1/29 完成初步设计论证,项目立项

咕~

2024/3/6 开始绘制电路图

2024/3/13 第一版验证测试完成,发现部分问题

2024/3/15 基本测试完成,修正了已知问题,增加电路图注释

2024/3/19 绘制了压克力叠层板,准备第二次打样

2024/3/25 完整整体测试,所有功能验证完成

2024/3/27 开始撰写开源工程,加测部分数据

2024/3/28 撰写组装说明便于用户复刻

 

设计原理:

1、通过DCDC电路的开关节点实现电荷泵效果,产生正负压

2、基于运放的负反馈特性,搭建模拟电路实现闭环控制

3、小功率三极管控制大功率三极管,使用达林顿电路控制负载

4、巧用开漏输出的比较器控制MOS管,减少器件数量

 

电路设计与电路原理:

本项目的电路主要在控制板上(下图左),部分直插元器件安装在散热片支架板上(下图右)

本项目电路比较简单,主要分为电源电路与负载控制电路两大部分,控制负载的核心是运放负反馈。

 

1、电流方向

将电池接入接线座,通过铜柱+香蕉插头输入表头,从表头流出再进入负载,从而通过IOTpowerCC表头进行放电曲线记录

开关同时承担表头供电与电池输入负载两条路径的控制

 

2、系统电源

系统电源来自IOTpowerCC表头的5V(使用该负载时需要使用外部电源给表头供电,并切换表头上的拨动开关)

风扇支架板不仅承担了风扇支架的作用,同时设置有弹簧针的焊盘(采购链接见”其他“章节),用于取电后送去控制板

电源部分采用MT3608作为主控,利用SW开关节点实现反压输出,获得±15V,再使用LDO获得较为稳定的±12V电源

电源部分如上图所示

 

3、参数设置电路

本模块具有恒电流/恒电阻负载模式,可以通过拨动开关切换,如上图所示,同时在PCB上通过丝印标注了CC与CR便于识别

恒电阻模式中可以RP1用于分压输出参考值,上方的R17用于限制参考电压上限,在不同电阻时对应的负载最小等效电阻在图中进行了标注,便于用户根据实际需求进行切换,默认使用82k电阻,不建议长时间大电流使用负载以免过热

恒电流模式原理类似,其中R19用以限制最大负载电流,目前限制的最大电流为200mA

 

恒电流/恒功率模式的主要区别就是反馈来源不同,由于负载本身是电流反馈,因此给一个固定的参考电压就是恒电流模式,而参考电压随着输入电压的变化而线性变化就是恒电阻模式

基于一样的道理,我们还可以设计出恒功率模式

 

4、负载电路

负载部分采用741运放构建负反馈,其中R0电阻不仅承担负载功能,兼做电流采样电阻,用以作为反馈,因此采用RX24-5W的大功率封装电阻

TIP41C为大功率三极管,不便使用运放直接控制,因此采用3904与其构成达林顿电路

在负载的工作过程中,功率电阻与TIP41C均会发热严重,因此需要使用主动散热系统防止过热

组装好的功率&散热组件如下:(最上方紫色的为风扇支架板)

功率电阻与功率三极管反向安装在散热片背面,如下图所示:

安装时先把散热片粘在散热片支架上(PCB或亚克力),按下图弯折器件引脚,再把器件黏在散热片支架的对应开口中

完成以上组装与控制板的焊接及测试后,便可将功率&散热组件与控制板插在一起(注意,此时先不要焊接)

 

本项目的叠层较为复杂,组装时的叠层结构如下:

1、上面板

2、2mm厚度垫片(M2.5)

3、IOTpowerCC表头

    3.1、表头连接用铜柱

4、垫片、螺母

    以上1-4采用M2.5*8螺丝固定

5、香蕉插头(M2螺纹)

    6.1、M2螺丝

6、风扇支架板

    6.2、M2*7螺柱

    6.3、3510风扇

    6.4、M2沉头螺丝

    以上6.1-6.4固定在⑥风扇支架板上

7、M2*21+3螺柱

8、散热片支架

9、M2*9双通螺柱

10、负载控制板

11、2mm厚度垫片(M2)

12、亚克力底板

13、M2*8螺丝

图文组装说明详见文章:低成本迷你放电负载组装说明 - 嘉立创EDA开源硬件平台 (oshwhub.com)

 

5、风扇温控电路

为了避免负载过热,模块设置有温度控制的风扇启停电路

通过采用AP331比较器的开漏输出特性,可以便捷的控制AO3401 MOS管,从而减少了外围电路

为了兼容5V或12V两种不同电压的散热风扇,可以通过J1跳线焊盘进行电压选择(建议0805封装的0Ω电阻进行跳线),如果觉得风扇噪音较大,可以使用带有阻值的电阻作为跳线限制风扇转速过高的问题(一般不建议超过5Ω,设置完电阻后请进行测试,以避免风扇无法启动)

P1不需要焊接排针,P1的目的是提供两个焊盘用以焊接风扇的电源线,具体安装方法请参考组装说明

 

电路功能测试:

以下为测试实拍,为了便于不同电压条件下测试,使用数控电源代替电池输入负载

1、恒电阻模式

改变输入电压,负载电阻不变

 

2、恒电流模式

改变输入电压,负载电流不变

 

3、电池放电曲线测试

使用IOTpowerCC表头配合上位机记录电池放电曲线,这也是我设计本模块的主要功能,实现精准的小电流放电,从而获得小型软包锂电池的精确放电曲线,使得制作产品时可以更加精确的通过电压反推出电量

样品电池放电曲线如图所示(设置放电电流为100mA)

 

注意事项:

本项目仅用于小功率场景,请勿长时间大功率使用

输入电压不建议超过10V,否则控制系统可能出现异常

 

在使用完负载后,应养成好习惯将负载功率归零(电位器都逆时针旋转到底),防止下次使用时带载上电!

 

固定或拆卸电池引线至连接座时,应当避免螺丝刀触碰到表头的TypeC口外壳,否则将会把电池短路,十分危险!

为了避免以上情况发生,建议在使用负载前,将表头的TypeC口上插一个防尘塞,或使用胶布遮盖,便可有效避免上述情况的发生

 

请勿在无人值守环境使用本负载,尤其是电池放电时应当全程对设备及电池状态保持观察,以免引发意外事故!

注意:部分电池没有保护板,长时间放电将可能导致电池过放,从而造成电池发生不可逆的损坏,包括但不限于膨胀、起火、爆炸!

 

使用本开源项目需自负风险,开源作者及平台不对因使用本项目而导致的任何损失负责,包括但不限于人身伤害和财产损失。请在测试并确保负载工作正常后使用,确保合法合规使用,对于任何结果责任自负。

 

 

其他:

部分元器件淘宝购买链接:(其他元器件都可以在立创商城直接购买)

非广告,仅供参考

10K电位器:拨盘/齿轮电位器B503单联三脚50K 直径16*2MM唱戏机音量调节开关-淘宝网 (taobao.com)

散热风扇:盈讯3510 35X35X10MM 3.5*3.5*1CM 3.5CM/厘米 5/12/24V 散热风扇-淘宝网 (taobao.com)

散热片:(35*35*10)铝散热片剖槽带导热背胶贴 树莓派 CPU 路由 主板 电子芯片散热器-淘宝网 (taobao.com)

香蕉插头:2mm香蕉插头/2毫米纯铜镀金/六角螺纹/装面板式banana接头香蕉座-淘宝网 (taobao.com)

表头连接用铜柱:( C2*C4*5+C3*1.6 )铜套¢2¢2.5¢3¢4凸台阶铜柱SMT贴片pcb焊接支撑隔离柱通孔无牙-淘宝网 (taobao.com)

弹簧针:(型号H053)针管直径1.5mm分类 弹簧顶针连接器pogo pin端子铜针电流信号探针-淘宝网 (taobao.com)

2mm厚度垫片:(d2.1*D4*2)铝套管铝合金轴加厚垫片螺丝节管套圆形金属圈垫圈M2M2.5M3M4M5-淘宝网 (taobao.com)

大功率电阻:(1Ω)黄金铝壳电阻RX24 5W/10W/50W/200W/500W汽车大功率电阻元件大全-淘宝网 (taobao.com)

 

图文组装说明详见文章:低成本迷你放电负载组装说明 - 开源硬件平台OSHWHub

负载使用说明详见视频:哔哩哔哩_bilibili_【开源】低成本迷你放电负载

 

如果对项目有任何疑问或建议,欢迎留言讨论

也欢迎加入我的技术交流群:1016193632

 

 

 

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