Тестер емкости аккумулятора с использованием Arduino [Lithium-NiMH-NiCd]: 15 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Функции:

• Определите поддельный литий-ионный / литий-полимерный / никель-кадмиевый / никель-металлгидридный аккумулятор
• Регулируемая постоянная токовая нагрузка (также может быть изменена пользователем)
• Возможность измерения емкости практически любого типа аккумулятора (ниже 5 В)
• Легко паять, собирать и использовать даже для новичков (все компоненты Dip)
• ЖК-интерфейс пользователя

Характеристики:

• Питание платы: от 7 В до 9 В (макс.)
• Вход батареи: 0-5 В (макс.) - без обратной полярности.
• Текущая нагрузка: от 37 мА до 540 мА (макс.) - 16 ступеней - может быть изменена пользователем

Истинное измерение емкости батареи необходимо для многих сценариев. Устройство для измерения емкости также может решить проблему обнаружения поддельных батарей. В настоящее время повсюду можно найти поддельные литиевые и никель-металлгидридные батареи, которые не соответствуют заявленной емкости. Иногда бывает сложно отличить настоящую батарею от поддельной. Эта проблема существует на рынке запасных батарей, например батарей для сотовых телефонов. Кроме того, во многих сценариях важно определить емкость бывшего в употреблении аккумулятора (например, аккумулятора ноутбука). В этой статье мы научимся строить схему измерения емкости аккумулятора, используя знаменитую плату Arduino-Nano. Я разработал печатную плату для погружных компонентов. Так что паять и пользоваться устройством могут даже новички.

1: Анализ цепи На рисунке 1 показана принципиальная схема устройства. Ядром схемы является плата Arduino-Nano.

Шаг 1. Рисунок 1. Принципиальная схема устройства для измерения емкости аккумулятора

IC1 - это микросхема LM358 [1], которая содержит два операционных усилителя. R5 и C7 создают фильтр нижних частот, который преобразует импульс ШИМ в напряжение постоянного тока. Частота ШИМ составляет около 500 Гц. Я использовал осциллограф Siglent SDS1104X-E, чтобы исследовать ШИМ и поведение фильтра. Я подключил канал CH1 к выходу PWM (Arduino-D10), а канал CH2 - к выходу фильтра (рисунок 2). Вы даже можете проверить частотную характеристику фильтра и его частоту среза «на практике» по графику Боде, который является одной из замечательных особенностей SDS1104X-E.

Шаг 2: Рисунок 2, сигнал ШИМ (канал 1: 2 В / дел) и результат после прохождения через RC-фильтр R5-C7 (канал 2: 50 мВ / дел)

R5 представляет собой резистор 1 МОм, который сильно ограничивает ток, однако выходной сигнал фильтра проходит через операционный усилитель (второй операционный усилитель IC1) в конфигурации повторителя напряжения. Первые операционные усилители IC1, R7 и Q2 создают цепь нагрузки с постоянным током. На данный момент мы создали нагрузку с постоянным током, управляемую ШИМ.

ЖК-дисплей 2 * 16 используется в качестве пользовательского интерфейса, который упрощает управление / настройку. Потенциометр R4 устанавливает контрастность ЖК-дисплея. R6 ограничивает ток подсветки. P2 - это 2-контактный разъем Molex, который используется для подключения зуммера на 5 В. R1 и R2 - подтягивающие резисторы для тактильных переключателей. C3 и C4 используются для дребезга кнопок. C1 и C1 используются для фильтрации напряжения питания схемы. C5 и C6 используются для фильтрации помех цепи нагрузки постоянного тока, чтобы не ухудшать характеристики преобразования АЦП. R7 действует как нагрузка для полевого МОП-транзистора Q2.

1-1: Что такое постоянная нагрузка постоянного тока?

Нагрузка с постоянным током - это цепь, которая всегда потребляет постоянный ток, даже если приложенное входное напряжение изменяется. Например, если мы подключим нагрузку с постоянным током к источнику питания и установим ток на 250 мА, потребляемый ток не изменится, даже если входное напряжение составляет 5 В или 12 В или что-то еще. Эта особенность схемы нагрузки постоянного тока позволяет нам построить устройство для измерения емкости аккумулятора. Если мы используем простой резистор в качестве нагрузки для измерения емкости батареи, по мере уменьшения напряжения батареи ток также уменьшается, что делает вычисления сложными и неточными.

2: Печатная плата

На рисунке 3 показана разработанная схема печатной платы. Обе стороны платы используются для крепления компонентов. Когда я намереваюсь разработать схему / печатную плату, я всегда использую библиотеки компонентов SamacSys, потому что эти библиотеки соответствуют промышленным стандартам IPC и все бесплатны. Я использовал эти библиотеки для IC1 [2], Q2 [3], и даже мне удалось найти библиотеку Arduino-Nano (AR1) [4], которая значительно сэкономила время на проектирование. Я использую программное обеспечение САПР Altium Designer, поэтому я использовал подключаемый модуль Altium для установки библиотек компонентов [5]. На рисунке 4 показаны выбранные компоненты.

Шаг 3. Рисунок 3, печатная плата схемы измерения емкости аккумулятора

Когда я намереваюсь разработать схему / печатную плату, я всегда использую библиотеки компонентов SamacSys, потому что эти библиотеки соответствуют промышленным стандартам IPC и все бесплатны. Я использовал эти библиотеки для IC1 [2], Q2 [3], и даже мне удалось найти библиотеку Arduino-Nano (AR1) [4], которая значительно сэкономила время на проектирование. Я использую программное обеспечение САПР Altium Designer, поэтому я использовал подключаемый модуль Altium для установки библиотек компонентов [5]. На рисунке 4 показаны выбранные компоненты.

Шаг 4: Рисунок 4, Компоненты, установленные из подключаемого модуля SamacSys Altium

Печатная плата немного больше, чем ЖК-дисплей 2 * 16, и позволяет разместить три тактильные кнопки. На рисунках 5, 6 и 7 показаны трехмерные изображения платы.

Шаг 5: Рисунок 5: 3D-вид собранной печатной платы (сверху), Рисунок 6: 3D-вид собранной печатной платы (сбоку), Рисунок 7: 3D-вид собранной печатной платы (снизу)

3: Сборка и тестирование Я использовал самодельную печатную плату для создания быстрого прототипа и тестирования схемы. На рисунке 8 показано изображение платы. Вам не нужно следовать за мной, просто закажите печатную плату в профессиональной компании по изготовлению печатных плат и соберите устройство. Для R4 следует использовать постоянный потенциометр, который позволяет регулировать контрастность ЖК-дисплея со стороны платы.

Шаг 6: Рисунок 8: Изображение первого прототипа на самодельной печатной плате

После пайки компонентов и подготовки условий тестирования мы готовы протестировать нашу схему. Не забудьте установить большой радиатор на полевой МОП-транзистор (Q2). Я выбрал R7 как резистор на 3 Ом. Это позволяет нам генерировать постоянные токи до 750 мА, но в коде я установил максимальный ток где-то около 500 мА, чего достаточно для нашей цели. Уменьшение номинала резистора (например, до 1,5 Ом) может привести к увеличению тока, однако вам придется использовать более мощный резистор и изменить код Arduino. На рисунке 9 показана плата и ее внешняя разводка.

Шаг 7: Рисунок 9: Подключение устройства измерения емкости аккумулятора

Подготовьте напряжение от 7 до 9 В. Я использовал регулятор платы Arduino, чтобы сделать шину +5 В. Поэтому никогда не подавайте на вход питания напряжение выше 9 В, иначе вы можете повредить микросхему регулятора. Плата будет включена, и вы должны увидеть текст на ЖК-дисплее, такой же, как на рисунке 10. Если вы используете ЖК-дисплей с синей подсветкой 2 * 16, схема будет потреблять около 75 мА.

Шаг 8: Рисунок 10: Правильная индикация включения цепи на ЖК-дисплее

Примерно через 3 секунды текст будет очищен, и на следующем экране вы сможете отрегулировать значение постоянного тока с помощью кнопок вверх / вниз (Рисунок 11).

Шаг 9: Рисунок 11: Регулировка постоянной текущей нагрузки с помощью кнопок вверх / вниз

Перед тем как подключить аккумулятор к прибору и измерить его емкость, можно изучить схему с помощью блока питания. Для этого следует подключить разъем P3 к источнику питания.

Важно: никогда не подавайте напряжение выше 5 В или с обратной полярностью на вход батареи, иначе вы необратимо повредите вывод цифрового преобразователя Arduino

Установите желаемый предел тока (например, 100 мА) и поиграйте с напряжением источника питания (оставайтесь ниже 5 В). Как видите, при любом входном напряжении ток остается неизменным. Это именно то, что мы хотим! (Рисунок 12).

Шаг 10: Рисунок 12: Ток остается постоянным даже перед колебаниями напряжения (проверено с входами 4,3 В и 2,4 В)

Третья кнопка - Сброс. Это означает, что он просто перезагружает плату. Это полезно, если вы планируете повторно запустить процедуру для проверки другого масла.

В любом случае, теперь вы уверены, что ваше устройство работает без сбоев. Вы можете отключить источник питания, подключить батарею к входу батареи и установить желаемый предел тока.

Чтобы начать свой собственный тест, я выбрал новую литий-ионную батарею с номиналом 8 800 мА (рис. 13). Выглядит фантастическая ставка, не правда ли ?! Но я как-то не могу в это поверить:-), так что давайте проверим.

Шаг 11: Рисунок 13: Литий-ионный аккумулятор номиналом 8 800 мА, настоящий или поддельный ?

Перед подключением литиевой батареи к плате мы должны ее зарядить, поэтому подготовьте фиксированное напряжение 4,20 В (предел постоянного тока 500 мА или ниже) с вашим источником питания (например, с помощью импульсного источника питания с регулируемой мощностью, описанного в предыдущей статье) и зарядите аккумулятор, пока ток не достигнет низкого уровня. Не заряжайте неизвестный аккумулятор большим током, потому что мы не уверены в его реальной емкости! Высокий зарядный ток может привести к взрыву аккумулятора! Будь осторожен. В результате я выполнил эту процедуру, и наша батарея на 8 800 мА готова к измерению емкости.

Я использовал держатель батареи, чтобы подключить батарею к плате. Обязательно используйте толстые и короткие провода, которые имеют низкое сопротивление, поскольку рассеивание мощности в проводах вызывает падение напряжения и неточность.

Давайте установим ток на 500 мА и удержим нажатой кнопку «ВВЕРХ». Затем вы должны услышать звуковой сигнал, и процедура начнется (Рисунок 14). Я установил напряжение отключения (порог низкого заряда батареи) на 3,2 В. Вы можете изменить этот порог в коде, если хотите.

Шаг 12: Рисунок 14: Процедура расчета емкости аккумулятора

По сути, мы должны рассчитать «время жизни» батареи до того, как ее напряжение достигнет порога низкого уровня. На рисунке 15 показано время, когда устройство отключает нагрузку постоянного тока от аккумулятора (3,2 В) и производятся расчеты. Устройство также издает два длинных звуковых сигнала, указывающих на окончание процедуры. Как видно на ЖК-экране, реальная емкость аккумулятора составляет 1 190 мАч, что далеко от заявленной емкости! Вы можете выполнить ту же процедуру, чтобы проверить любую батарею (ниже 5 В).

Шаг 13: Рисунок 15: Истинная расчетная емкость литий-ионной батареи номиналом 8,800 мА

На рисунке 16 показана ведомость материалов для этой схемы.

Шаг 14: Рисунок 16: Спецификация материалов

Шаг 15: ссылки

Источник статьи:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: