Preizkuševalnik kapacitete baterije z uporabo Arduina [Lithium-NiMH-NiCd]: 15 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Lastnosti:

• Prepoznajte ponarejeno litij-ionsko/litij-polimerno/NiCd/NiMH baterijo
• Nastavljiva konstantna tokovna obremenitev (lahko jo spremeni tudi uporabnik)
• Sposobnost merjenja zmogljivosti skoraj vseh vrst baterij (pod 5 V)
• Enostavno spajkanje, izdelava in uporaba, tudi za začetnike (vse komponente so Dip)
• Uporabniški vmesnik LCD

Specifikacije:

• Napajanje plošče: 7V do 9V (max)
• Vhod baterije: 0-5V (max)-konstanta povratne polarnosti ni
• Trenutna obremenitev: 37mA do 540mA (max) - 16 korakov - lahko spreminja uporabnik

Resnično merjenje zmogljivosti baterije je bistveno za številne scenarije. Naprava za merjenje zmogljivosti lahko reši problem odkrivanja ponarejenih baterij. Danes so ponarejene litijeve in NiMH baterije povsod, ki ne izpolnjujejo svojih oglaševanih zmogljivosti. Včasih je težko razlikovati med pravo in ponarejeno baterijo. Ta težava obstaja na trgu nadomestnih baterij, kot so baterije mobilnih telefonov. Poleg tega je v mnogih scenarijih bistveno določiti zmogljivost rabljene baterije (na primer baterije prenosnega računalnika). V tem članku se bomo naučili zgraditi vezje za merjenje kapacitete baterije z uporabo znane plošče Arduino-Nano. Oblikoval sem ploščo PCB za potopne komponente. Tako lahko tudi začetniki spajkajo in uporabljajo napravo.

1: Analiza vezja Slika 1 prikazuje shematski diagram naprave. Jedro vezja je plošča Arduino-Nano.

Korak 1: Slika 1, Shematski diagram naprave za merjenje kapacitete baterije

IC1 je čip LM358 [1], ki vsebuje dva operacijska ojačevalnika. R5 in C7 izdelata nizkoprepustni filter, ki pretvori impulz PWM v enosmerno napetost. Frekvenca PWM je okoli 500Hz. Za pregled PWM in obnašanja filtra sem uporabil osciloskop Siglent SDS1104X-E. CH1 sem priključil na izhod PWM (Arduino-D10), CH2 pa na izhod filtra (slika 2). Frekvenčni odziv filtra in njegovo mejno frekvenco lahko "v praksi" preverite tudi z grafikonom bode, kar je ena izmed lepo predstavljenih lastnosti SDS1104X-E.

Korak: Slika 2, signal PWM (CH1: 2V/div) in rezultat po prehodu skozi RC filter R5-C7 (CH2: 50mV/div)

R5 je 1M upor, ki močno omejuje tok, vendar izhod filtra prehaja skozi opamp (drugi opamp IC1) v konfiguraciji sledilnika napetosti. Prvi opamp IC1, R7 in Q2 gradi vezje konstantnega toka. Doslej smo zgradili PWM krmiljeno konstantno tokovno obremenitev.

2*16 LCD se uporablja kot uporabniški vmesnik, ki olajša upravljanje/prilagajanje. Potenciometer R4 nastavi kontrast LCD. R6 omejuje tok osvetlitve ozadja. P2 je 2 -pinski priključek Molex, ki se uporablja za priključitev 5 -voltnega brenčalnika. R1 in R2 sta vlečna upora za taktilna stikala. C3 in C4 se uporabljata za odstranitev tipk. C1 in C1 se uporabljata za filtriranje napajalne napetosti vezja. C5 in C6 se uporabljata za filtriranje hrupov tokokroga konstantnega toka, da ne poslabšata pretvorbe ADC. R7 deluje kot obremenitev za MOSFET Q2.

1-1: Kaj je enosmerna obremenitev z enosmernim tokom?

Obremenitev s konstantnim tokom je vezje, ki vedno črpa konstantno količino toka, tudi če se uporabljena vhodna napetost spreminja. Če na primer priključimo konstantno tokovno obremenitev na napajalnik in nastavimo tok na 250mA, se tok ne bo spremenil, tudi če je vhodna napetost 5V ali 12V ali karkoli drugega. Ta lastnost tokokroga s konstantnim tokom nam omogoča izdelavo naprave za merjenje kapacitete baterije. Če uporabimo enostaven upor kot obremenitev za merjenje kapacitete baterije, ko se napetost baterije zmanjša, se zmanjša tudi tok, zaradi česar so izračuni zapleteni in netočni.

2: PCB plošča

Slika 3 prikazuje načrtovano postavitev vezja na vezju. Za pritrditev komponent se uporabljata obe strani plošče. Ko nameravam oblikovati shemo/tiskano vezje, vedno uporabljam knjižnice komponent SamacSys, ker te knjižnice sledijo industrijskim standardom IPC in so vse brezplačne. Te knjižnice sem uporabljal za IC1 [2], Q2 [3] in tudi jaz sem našel knjižnico Arduino-Nano (AR1) [4], ki je veliko prihranila pri načrtovalskem času. Uporabljam programsko opremo Altium Designer CAD, zato sem za namestitev knjižnic komponent uporabil vtičnik Altium [5]. Slika 4 prikazuje izbrane komponente.

Korak 3: Slika 3, plošča PCB v vezju za merjenje kapacitete baterije

Ko nameravam oblikovati shemo/tiskano vezje, vedno uporabljam knjižnice komponent SamacSys, ker te knjižnice sledijo industrijskim standardom IPC in so vse brezplačne. Te knjižnice sem uporabljal za IC1 [2], Q2 [3] in tudi jaz sem našel knjižnico Arduino-Nano (AR1) [4], ki je veliko prihranila pri načrtovalskem času. Uporabljam programsko opremo Altium Designer CAD, zato sem za namestitev knjižnic komponent uporabil vtičnik Altium [5]. Slika 4 prikazuje izbrane komponente.

4. korak: Slika 4, Nameščene komponente iz vtičnika SamacSys Altium

Plošča tiskanega vezja je nekoliko večja od 2*16 LCD, da se prilega trem taktilnim gumbom. Slike 5, 6 in 7 prikazujejo 3D pogled na ploščo.

Korak 5: Slika 5: 3D pogled na sestavljeno ploščo PCB (TOP), Slika 6: 3D pogled na sestavljeno ploščo PCB (stran), Slika 7: 3D pogled na sestavljeno ploščo PCB (spodaj)

3: Montaža in preskus Uporabil sem pol-domačo PCB ploščo za izdelavo hitrega prototipa in testiranje vezja. Slika 8 prikazuje sliko plošče. Ni mi treba slediti, samo naročite tiskano vezje pri profesionalnem podjetju za izdelavo tiskanih vezij in sestavite napravo. Za R4 uporabite stoječi potenciometer, ki vam omogoča prilagajanje kontrasta LCD s strani plošče.

Korak 6: Slika 8: Slika prvega prototipa na pol domači plošči iz PCB

Po spajkanju komponent in pripravi preskusnih pogojev smo pripravljeni preizkusiti naše vezje. Ne pozabite namestiti velikega hladilnika na MOSFET (Q2). R7 sem izbral za 3-ohmski upor. To nam omogoča generiranje konstantnih tokov do 750mA, toda v kodi sem nastavil največji tok nekje na 500mA, kar je dovolj za naš namen. Znižanje vrednosti upora (na primer na 1,5 ohma) lahko povzroči večje tokove, vendar morate uporabiti močnejši upor in spremeniti kodo Arduino. Slika 9 prikazuje ploščo in njene zunanje napeljave.

7. korak: Slika 9: Ožičenje naprave za merjenje kapacitete baterije

Na vhod za napajanje pripravite napetost okoli 7V do 9V. Za izdelavo tirnice +5V sem uporabil regulator plošče Arduino. Zato na napajalni vhod nikoli ne uporabljajte napetosti višje od 9 V, sicer lahko poškodujete čip regulatorja. Plošča bo vklopljena in na LCD-ju bi morali videti besedilo, podobno sliki 10. Če uporabljate modro osvetlitev 2*16 LCD, bo vezje porabilo približno 75 mA.

8. korak: Slika 10: Indikator pravilnega vklopa tokokroga na LCD-prikazovalniku

Po približno 3 sekundah bo besedilo izbrisano in na naslednjem zaslonu lahko s pomočjo gumbov gor/dol prilagodite vrednost konstantnega toka (slika 11).

9. korak: Slika 11: Nastavitev obremenitve konstantnega toka s pritiskom na gumbe gor/dol

Preden baterijo priključite na napravo in izmerite njeno zmogljivost, lahko preverite vezje z napajalnikom. V ta namen priključite priključek P3 na napajanje.

Pomembno: Nikoli ne uporabljajte napetosti, višje od 5 V, ali v obratni polarnosti, na vhod baterije, sicer boste trajno poškodovali priključek digitalnega pretvornika Arduino

Nastavite želeno mejo toka (na primer 100 mA) in se igrajte z napajalno napetostjo (ostanite pod 5 V). Kot lahko vidite pri kateri koli vhodni napetosti, tok ostane nespremenjen. Točno to želimo! (Slika 12).

10. korak: Slika 12: Tok ostaja konstanten tudi pred variacijami napetosti (preizkušeno z vhodi 4,3 V in 2,4 V)

Tretji gumb je Ponastavi. To pomeni, da preprosto znova zaženete ploščo. To je uporabno, ko nameravate znova začeti postopek, da preizkusite drugo maslo.

Kakorkoli že, zdaj ste prepričani, da vaša naprava deluje brezhibno. Lahko odklopite napajanje in priključite baterijo na vhod za baterijo ter nastavite želeno omejitev toka.

Za začetek lastnega testa sem izbral popolnoma novo litij-ionsko baterijo z nazivno močjo 8, 800 mA (slika 13). Izgleda fantastično, kajne ?! Ampak nekako ne morem verjeti:-), zato preizkusimo.

11. korak: Slika 13: 8, 800mA ocenjena litij-ionska baterija, prava ali ponarejena ?

Preden priključimo litijevo baterijo na ploščo, jo moramo napolniti, zato prosimo, da z napajalnikom pripravite fiksne 4,20 V (omejitev 500 mA CC ali manj) (na primer z uporabo spremenljivega stikalnega napajanja v prejšnjem članku) in napolnite baterijo, dokler tok ne doseže nizke ravni. Ne polnite neznane baterije z visokimi tokovi, ker nismo prepričani o njeni dejanski zmogljivosti! Visoki polnilni tokovi lahko eksplodirajo baterijo! Bodi previden. Zato sem sledil temu postopku in naša 8, 800mA baterija je pripravljena za merjenje zmogljivosti.

Za priključitev baterije na ploščo sem uporabil držalo za baterijo. Uporabljajte debele in kratke žice, ki uvajajo nizek upor, ker odvajanje moči v žicah povzroči padec napetosti in netočnost.

Nastavimo tok na 500 mA in dolgo pritisnemo gumb »GOR«. Nato zaslišite pisk in postopek se začne (slika 14). Izklopno napetost (nizek prag baterije) sem nastavil na 3,2 V. Ta prag v kodi lahko po želji spremenite.

12. korak: Slika 14: Postopek izračuna kapacitete baterije

V bistvu bi morali izračunati "življenjsko dobo" baterije, preden njena napetost doseže prag nizke ravni. Slika 15 prikazuje čas, ko naprava odklopi enosmerno obremenitev iz akumulatorja (3,2 V) in se izvedejo izračuni. Naprava odda tudi dva dolga piska, ki označujeta konec postopka. Kot lahko vidite na LCD zaslonu, je dejanska zmogljivost baterije 1, 190 mAh, kar je daleč od zahtevane zmogljivosti! Po istem postopku lahko preizkusite katero koli baterijo (nižjo od 5 V).

Korak 13: Slika 15: Resnično izračunana zmogljivost 8.800mA ocenjene litij-ionske baterije

Slika 16 prikazuje kosovnico tega vezja.

14. korak: Slika 16: Predmet materiala

15. korak: Reference

Vir članka:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: