Alimentación de un rastreador GPS de automóvil a bordo

Hice un rastreador de autos (un módulo GPS/LTE conectado a un arduino que se comunica con mi servidor web) para registrar datos de posicionamiento gps. Planeo usar esto para rastrear mi auto nuevo en caso de que me lo roben.

Mi idea inicial sería conectar el rastreador a la batería de 12 V del automóvil, seguido de un convertidor CC-CC a 5 V.

Por redundancia, también estaba planeando alimentar el rastreador con una batería 18650 en caso de que el ladrón desconecte la batería del automóvil.

Mi problema es que me gustaría usar la batería del automóvil como fuente principal de energía, luego la batería 18650 integrada. Finalmente, la batería del automóvil se usaría para cargar el 18650 cuando fuera necesario.

El rastreador sería de bajo consumo de energía (por ejemplo, envío de ubicación cada 10 minutos, en modo de suspensión de lo contrario).

¿Cuál sería la mejor manera de alimentar dicho sistema sin agotar la batería del automóvil con múltiples convertidores de CC?

¿Cómo piensas conectarlos juntos? Lo que describes parece extraño... Yo usaría un convertidor de CC a CC para alimentar el dispositivo con la batería del automóvil.
¿Puede ejecutar el módulo GPS/LTE con voltaje de batería de iones de litio sin procesar (3,8-4,2 V) y el Arduino (AVR) con 3,3 V? Eso haría un poco más fácil trabajar con este diseño...
Así parece. El módulo GPS/LTE que utilizo se basa en el chip SIM7000 (rango de tensión de alimentación: 3,0 V~ 4,3 V, tipo: 3,8 V). Sin embargo, la antena GPS puede necesitar un poco más para proporcionar una recepción satelital correcta.
@Fredovsky: ¿qué dicen las especificaciones de la antena?
@ThreePhaseEel Acabo de verificar y la antena acepta 2.7V-5V, por lo que no estoy restringido a 5V. Gracias, ya estoy en el buen camino.
@Fredovsky: ¿tiene alguna limitación sobre los paquetes de chips que puede usar?
Además, ¿planea usar un 18650 desnudo o una celda que tenga un circuito de protección como parte del paquete?
Con respecto al GPS/4G, compré el SIM7000 para este propósito y obtuve un prototipo funcional, pero si se sugieren mejores chips/módulos, con gusto lo cambiaré si es necesario. El Arduino también se usa porque tenía uno a mano pero puedo intercambiar. Todavía estoy en la creación de prototipos y estaba comenzando con los problemas de administración de energía antes de seguir adelante, así que soy bastante flexible.
Usaré una celda de batería con circuito de protección ya que no quiero que mi auto se queme si hago algo mal.
@ThreePhaseEel Leí mal su pregunta. Los componentes de orificio pasante y SMD están bien, siempre y cuando se puedan soldar a mano sin demasiados problemas.
@Fredovsky, una última cosa, ¿está familiarizado con el uso del restablecimiento de caída de tensión en los AVR, así como con la función de apagado por bajo voltaje en el SIM7000?
@ThreePhaseEel Nunca tuve que usarlos, pero estoy feliz de aprender.

Respuestas (2)

Debe resolver dos problemas aquí: carga de la batería y bloqueo por bajo voltaje

La buena noticia es que el rango de voltaje de sus partes (el microcontrolador AVR de Arduino y el módulo SIM7000) es lo suficientemente amplio como para que una vez que reduzcamos el voltaje de su 18650, no necesitemos alterarlo más, funcionarán. tan bien con 4.2V de una celda completamente cargada como con los 3.algo voltios de una vacía. Sin embargo, aún necesitaremos un protector de bajo voltaje/caída de voltaje para evitar que el circuito de protección de la celda se active regularmente, y también necesitaremos un controlador de carga adecuado que pueda tomar "12V" del automóvil y cargar la batería.

Si bien las instalaciones de carga de iones de litio son comunes, la mayoría de ellas funcionan con 5 V, no directamente con el voltaje de suministro automotriz variable de "12 V", y lo mismo ocurre con el cargador del módulo SIM7000, por lo que no es útil para nuestra aplicación. Como resultado de esto, debemos buscar más lejos un cargador de batería IC, y Linear Technology (ahora parte de Analog Devices) aparece con el LTC4002-4.2 .

Por menos de $4 en unidades, no es particularmente costoso, y con la adición de un MOSFET de canal P, dos diodos Schottky y un puñado de pasivos, proporciona una solución completa de carga de batería de conmutación reductora. También viene en un paquete SO-8 fácil de soldar y está bien documentado, con procedimientos de diseño detallados y modelos de simulación (usando LTspice, por supuesto). Junto con un PMOS de baja pérdida en SO-8 o IPAK, un par de diodos Schottky de 20 V/3 A y un inductor adecuado con al menos 2 A de capacidad de manejo de corriente, podrá cargar la batería y manejar el consumo de corriente. picos del módulo SIM7000.

Esto deja la protección contra bajo voltaje, y esto es fácil: se puede usar casi cualquier IC supervisor de reinicio con un umbral en el rango de 3.3-3.6V, ya que mantener el AVR y el SIM7000 en reinicio los pondrá en un bajo consumo de energía. dibujar estado. Opcionalmente, el supervisor también puede proporcionar la funcionalidad de reinicio manual y/o temporizador de vigilancia, ya que es posible que el vigilante necesite restablecer tanto el AVR como el SIM7000 para eliminar una condición de bloqueo.

Realmente aprecio tu entrada. ¿Puede confirmar que el PMOS estaría conectado al pin GATE del chip de carga de la batería, y su función es seleccionar la energía de la batería del automóvil (sujeta a 8 V por debajo de acuerdo con la hoja de datos (= 4 V)), o, si el automóvil la batería no está disponible, para proporcionar energía desde la batería de iones de litio?
@Fredovsky, tienes la idea correcta de cómo está conectado el PMOS, pero en realidad está haciendo algo más sofisticado de lo que piensas. El LTC4002 en realidad está reduciendo el voltaje de 12 V a 4,2 V mediante una topología de convertidor reductor , encendiendo y apagando el PMOS para regular el voltaje de carga que va a la celda de iones de litio (y, por lo tanto, al resto del circuito).
Ya veo, así que cuando la celda de Li-Ion está completamente cargada después de un ciclo de carga, el resto del circuito consumirá energía del Li-Ion hasta que su carga caiga por debajo de un límite, momento en el cual el LTC4002 se activa nuevamente y supera- el Li-Ion? Mi preocupación es que estaríamos constantemente drenando/cargando el Li-Ion (tal vez causando un desgaste prematuro), donde podríamos usar la batería del automóvil de 12 V (si está disponible) en su lugar, ahorrando ciclos de carga de Li-Ion.
@Fredovsky: el Li-Ion estará sentado en su voltaje de flotación de 4.2V, absorbiendo energía para evitar que se descargue automáticamente , mientras el resto del circuito funciona. Es un poco travieso hacer esto con un Li-Ion (la carga flotante es más una cosa de plomo-ácido) pero no tan malo como uno piensa, AIUI

Después de que @ThreePhaseEel me puso en el camino correcto, encontré prácticamente un chip dedicado exactamente a mi aplicación (excepto que no viene en un paquete fácil de soldar a mano, pero no imposible): Analog LTC4091 .

El LTC®4091 es un cargador de batería de iones de litio de 36 V y administrador de respaldo de energía. El regulador de conmutación reductor integrado carga una batería desde una fuente de alimentación primaria mientras proporciona energía a la carga. Si se pierde la alimentación principal, la carga se transfiere sin inconvenientes a la batería de respaldo de iones de litio/polímero.

Aplicaciones:

  • Seguimiento de flotas y activos
  • Registradores de datos GPS para automóviles
  • Sistemas Telemáticos Automotrices
  • Sistemas de respaldo de batería

Para aquellos que buscan una aplicación similar, hay IC dedicados que se ocupan de la carga de la batería llamados Battery Manager IC.

La característica de cambiar de la fuente de alimentación principal a la fuente de alimentación de la batería si se quita la energía (es decir, usar la batería como energía de respaldo), generalmente se denomina Power Path Management.

Parece prometedor. ¿Cómo está funcionando? Tengo dos consultas al respecto para el caso en que el automóvil esté inactivo durante un período prolongado. 1. Supongamos que si lo conectamos directamente con la batería del automóvil y el automóvil está inactivo durante un período prolongado (por ejemplo, un mes), el gps funcionará con lipo y la lipo seguirá absorbiendo la carga de la batería. Esto puede agotar la batería del automóvil. 2. Si lo conectamos con el encendido, es posible que la lipo no agote la batería del automóvil, pero la lipo se agotará por completo si el automóvil está inactivo. ¿No sería bueno encender el dispositivo solo desde la lipo y apagar el LTC4091 cuando la lipo esté cargada al 100 % y encender el LTC4091 cuando la lipo esté cargada al 15 %?
Estoy planeando rastrear mi bicicleta y quiero que mi dispositivo esté siempre ENCENDIDO. su caso puede agotar la batería de mi bicicleta si la bicicleta está inactiva por mucho tiempo. Quiero que el dispositivo se alimente con la batería/alternador de la bicicleta cuando la bicicleta se esté moviendo y quiero que se alimente con la lipo cuando la bicicleta no se esté moviendo. Pero si la bicicleta está inactiva por mucho tiempo y la lipo se está agotando, entonces quiero encender automáticamente el LTC4091 para cargar la lipo de la batería de la bicicleta. Básicamente, me gustaría controlar LTC4091 en función de la capacidad de carga de mi lipo.
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