Δοκιμαστής χωρητικότητας μπαταρίας χρησιμοποιώντας Arduino [Lithium-NiMH-NiCd]: 15 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Χαρακτηριστικά:

• Προσδιορίστε μια ψεύτικη μπαταρία ιόντων λιθίου/λιθίου-πολυμερούς/NiCd/NiMH
• Ρυθμιζόμενο σταθερό φορτίο ρεύματος (μπορεί επίσης να τροποποιηθεί από τον χρήστη)
• Δυνατότητα μέτρησης της χωρητικότητας σχεδόν κάθε είδους μπαταρίας (κάτω από 5V)
• Εύκολη συγκόλληση, κατασκευή και χρήση, ακόμη και για αρχάριους (όλα τα εξαρτήματα είναι Dip)
• Μια διεπαφή χρήστη LCD

Προδιαγραφές:

• Τροφοδοσία πλακέτας: 7V έως 9V (Max)
• Είσοδος μπαταρίας: 0-5V (μέγιστο)-χωρίς αντίστροφη πολικότητα Σταθερή
• Τρέχον φορτίο: 37mA έως 540mA (max) - 16 βήματα - μπορεί να τροποποιηθεί από τον χρήστη

Η πραγματική μέτρηση της χωρητικότητας της μπαταρίας είναι απαραίτητη για πολλά σενάρια. Μια συσκευή μέτρησης χωρητικότητας μπορεί επίσης να λύσει το πρόβλημα εντοπισμού ψεύτικων μπαταριών. Στις μέρες μας ψεύτικες μπαταρίες λιθίου και NiMH υπάρχουν παντού που δεν χειρίζονται τις διαφημιστικές τους ικανότητες. Μερικές φορές είναι δύσκολο να γίνει διάκριση μεταξύ πραγματικής και ψεύτικης μπαταρίας. Αυτό το πρόβλημα υπάρχει στην αγορά ανταλλακτικών μπαταριών, όπως μπαταρίες κινητού τηλεφώνου. Επιπλέον, σε πολλά σενάρια, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η χωρητικότητα μιας μεταχειρισμένης μπαταρίας (για παράδειγμα μια μπαταρία φορητού υπολογιστή). Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε να κατασκευάζουμε ένα κύκλωμα μέτρησης χωρητικότητας μπαταρίας χρησιμοποιώντας τη διάσημη πλακέτα Arduino-Nano. Έχω σχεδιάσει την πλακέτα PCB για εξαρτήματα εμβύθισης. Έτσι, ακόμη και οι αρχάριοι μπορούν να κολλήσουν και να χρησιμοποιήσουν τη συσκευή.

1: Ανάλυση κυκλώματος Το Σχήμα 1 δείχνει το σχηματικό διάγραμμα της συσκευής. Ο πυρήνας του κυκλώματος είναι ένας πίνακας Arduino-Nano.

Βήμα 1: Εικόνα 1, Σχηματικό διάγραμμα της συσκευής μέτρησης χωρητικότητας μπαταρίας

Το IC1 είναι ένα τσιπ LM358 [1] το οποίο περιέχει δύο λειτουργικούς ενισχυτές. Τα R5 και C7 κατασκευάζουν ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης που μετατρέπει τον παλμό PWM σε τάση DC. Η συχνότητα του PWM είναι περίπου 500Hz. Χρησιμοποίησα έναν παλμογράφο Siglent SDS1104X-E για να εξετάσω τη συμπεριφορά του PWM και του φίλτρου. Συνδέσα το CH1 στην έξοδο PWM (Arduino-D10) και το CH2 στην έξοδο του φίλτρου (Εικόνα 2). Μπορείτε ακόμη και να εξετάσετε την απόκριση συχνότητας του φίλτρου και τη συχνότητα αποκοπής του "στην πράξη" από το διάγραμμα bode, το οποίο είναι ένα από τα ωραία χαρακτηριστικά του SDS1104X-E.

Βήμα 2: Εικόνα 2, το σήμα PWM (CH1: 2V/div) και το αποτέλεσμα αφού περάσετε από το φίλτρο R5-C7 RC (CH2: 50mV/div)

Το R5 είναι μια αντίσταση 1Μ που περιορίζει εξαιρετικά το ρεύμα, ωστόσο, η έξοδος του φίλτρου περνάει από ένα opamp (το δεύτερο opamp του IC1), σε διαμόρφωση παρακολούθησης τάσης. Το πρώτο εμπόδιο των IC1, R7 και Q2 δημιουργεί ένα κύκλωμα φορτίου σταθερού ρεύματος. Μέχρι στιγμής, έχουμε δημιουργήσει ένα ελεγχόμενο σταθερό φορτίο ρεύματος PWM.

Μια LCD 2*16 χρησιμοποιείται ως διεπαφή χρήστη που καθιστά εύκολο τον έλεγχο/προσαρμογές. Το ποτενσιόμετρο R4 ορίζει την αντίθεση LCD. Το R6 περιορίζει το ρεύμα του οπίσθιου φωτισμού. Το P2 είναι ένας σύνδεσμος 2 ακίδων Molex που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση ενός βομβητή 5V. Τα R1 και R2 είναι αντιστάσεις έλξης για τους απτικούς διακόπτες. Τα C3 και C4 χρησιμοποιούνται για να καταργήσετε τα κουμπιά. Τα C1 και C1 χρησιμοποιούνται για το φιλτράρισμα της τάσης τροφοδοσίας κυκλώματος. Τα C5 και C6 χρησιμοποιούνται για να φιλτράρουν τους θορύβους του κυκλώματος σταθερού ρεύματος για να μην υποβαθμίσουν την απόδοση μετατροπής ADC. Το R7 λειτουργεί ως φορτίο για το Q2 MOSFET.

1-1: Τι είναι σταθερό ρεύμα φορτίο DC;

Ένα σταθερό φορτίο ρεύματος είναι ένα κύκλωμα που αντλεί πάντα μια σταθερή ποσότητα ρεύματος, ακόμη και αν η εφαρμοζόμενη τάση εισόδου ποικίλει. Για παράδειγμα, εάν συνδέσουμε το σταθερό φορτίο ρεύματος σε μια τροφοδοσία ρεύματος και ορίσουμε το ρεύμα στα 250mA, η τρέχουσα παροχή δεν θα αλλάξει ακόμη και αν η τάση εισόδου είναι 5V ή 12V ή οτιδήποτε άλλο. Αυτό το χαρακτηριστικό του κυκλώματος φορτίου σταθερού ρεύματος μας επιτρέπει να κατασκευάσουμε τη συσκευή μέτρησης της χωρητικότητας της μπαταρίας. Εάν χρησιμοποιούμε μια απλή αντίσταση ως φορτίο για τη μέτρηση της χωρητικότητας της μπαταρίας, καθώς μειώνεται η τάση της μπαταρίας, μειώνεται επίσης το ρεύμα, γεγονός που καθιστά τους υπολογισμούς πολύπλοκους και ανακριβείς.

2: Πίνακας PCB

Το σχήμα 3 δείχνει τη σχεδιασμένη διάταξη PCB του κυκλώματος. Και οι δύο πλευρές του πίνακα χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση των εξαρτημάτων. Όταν σκοπεύω να σχεδιάσω ένα Schematic/PCB, χρησιμοποιώ πάντα τις βιβλιοθήκες SamacSys, επειδή αυτές οι βιβλιοθήκες ακολουθούν βιομηχανικά πρότυπα IPC και όλες είναι δωρεάν. Χρησιμοποίησα αυτές τις βιβλιοθήκες για IC1 [2], Q2 [3], και ακόμη μπορούσα να βρω τη βιβλιοθήκη Arduino-Nano (AR1) [4] που εξοικονόμησε πολλά από το χρόνο σχεδιασμού. Χρησιμοποιώ το λογισμικό Altium Designer CAD, οπότε χρησιμοποίησα το πρόσθετο Altium για να εγκαταστήσω τις βιβλιοθήκες των στοιχείων [5]. Το σχήμα 4 δείχνει τα επιλεγμένα στοιχεία.

Βήμα 3: Εικόνα 3, η πλακέτα PCB του κυκλώματος μέτρησης χωρητικότητας μπαταρίας

Όταν σκοπεύω να σχεδιάσω ένα Schematic/PCB, χρησιμοποιώ πάντα τις βιβλιοθήκες SamacSys, επειδή αυτές οι βιβλιοθήκες ακολουθούν βιομηχανικά πρότυπα IPC και όλες είναι δωρεάν. Χρησιμοποίησα αυτές τις βιβλιοθήκες για IC1 [2], Q2 [3], και ακόμη μπορούσα να βρω τη βιβλιοθήκη Arduino-Nano (AR1) [4] που εξοικονόμησε πολλά από το χρόνο σχεδιασμού. Χρησιμοποιώ το λογισμικό Altium Designer CAD, οπότε χρησιμοποίησα το πρόσθετο Altium για να εγκαταστήσω τις βιβλιοθήκες των στοιχείων [5]. Το σχήμα 4 δείχνει τα επιλεγμένα στοιχεία.

Βήμα 4: Εικόνα 4, Εγκατεστημένα στοιχεία από την προσθήκη SamacSys Altium

Η πλακέτα PCB είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από μια οθόνη LCD 2*16 για να χωρέσει τα τρία απτά κουμπιά. Τα σχήματα 5, 6 και 7 δείχνουν τρισδιάστατες προβολές του πίνακα.

Βήμα 5: Εικόνα 5: τρισδιάστατη προβολή της συναρμολογημένης πλακέτας PCB (TOP), εικόνα 6: τρισδιάστατη προβολή της συναρμολογημένης πλακέτας PCB (πλάγια), εικόνα 7: τρισδιάστατη προβολή της συναρμολογημένης πλακέτας PCB (κάτω)

3: Το Assembly and TestI χρησιμοποίησε μια ημι-σπιτική πλακέτα PCB για να κατασκευάσει ένα γρήγορο πρωτότυπο και να δοκιμάσει το κύκλωμα. Το σχήμα 8 δείχνει μια εικόνα του πίνακα. Δεν χρειάζεται να με ακολουθήσετε, απλώς παραγγείλετε το PCB σε μια επαγγελματική εταιρεία κατασκευής PCB και δημιουργήστε τη συσκευή. Θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε έναν τύπο ποτενσιόμετρου για το R4 που σας επιτρέπει να ρυθμίσετε την αντίθεση LCD από την πλευρά του πίνακα.

Βήμα 6: Εικόνα 8: Εικόνα του πρώτου πρωτοτύπου, σε ημι-σπιτική πλακέτα PCB

Μετά τη συγκόλληση των εξαρτημάτων και την προετοιμασία των συνθηκών δοκιμής, είμαστε έτοιμοι να δοκιμάσουμε το κύκλωμά μας. Μην ξεχάσετε να τοποθετήσετε μια μεγάλη ψύκτρα στο MOSFET (Q2). Επέλεξα το R7 ως αντίσταση 3 ohm. Αυτό μας επιτρέπει να παράγουμε σταθερά ρεύματα έως 750mA, αλλά στον κώδικα, έθεσα το μέγιστο ρεύμα κάπου γύρω στα 500mA που είναι αρκετό για τον σκοπό μας. Η μείωση της τιμής της αντίστασης (για παράδειγμα, 1,5 ohm) μπορεί να προκαλέσει υψηλότερα ρεύματα, ωστόσο, πρέπει να χρησιμοποιήσετε μια πιο ισχυρή αντίσταση και να τροποποιήσετε τον κώδικα Arduino. Το σχήμα 9 δείχνει τον πίνακα και τις εξωτερικές καλωδιώσεις του.

Βήμα 7: Εικόνα 9: Καλωδίωση της συσκευής μέτρησης της χωρητικότητας της μπαταρίας

Προετοιμάστε μια τάση περίπου 7V έως 9V στην είσοδο τροφοδοσίας. Έχω χρησιμοποιήσει τον ρυθμιστή του πίνακα Arduino για να φτιάξω τη ράγα +5V. Επομένως, μην εφαρμόζετε ποτέ τάση υψηλότερη από 9V στην είσοδο τροφοδοσίας, διαφορετικά, ενδέχεται να προκαλέσετε ζημιά στο τσιπ ρυθμιστή. Ο πίνακας θα ενεργοποιηθεί και θα πρέπει να δείτε ένα κείμενο στην οθόνη LCD, το ίδιο με το σχήμα 10. Εάν χρησιμοποιείτε μπλε οπίσθιο φωτισμό 2*16 LCD, το κύκλωμα θα καταναλώσει περίπου 75mA.

Βήμα 8: Εικόνα 10: Ένδειξη σωστής ενεργοποίησης κυκλώματος στην οθόνη LCD

Μετά από περίπου 3 δευτερόλεπτα, το κείμενο θα καθαριστεί και στην επόμενη οθόνη, μπορείτε να ρυθμίσετε τη σταθερή τιμή ρεύματος με τα κουμπιά επάνω/κάτω (Εικόνα 11).

Βήμα 9: Εικόνα 11: Η σταθερή τρέχουσα προσαρμογή φορτίου με κουμπιά επάνω/κάτω

Πριν συνδέσετε μια μπαταρία στη συσκευή και μετρήσετε τη χωρητικότητά της, μπορείτε να εξετάσετε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας ένα τροφοδοτικό. Για το σκοπό αυτό, πρέπει να συνδέσετε το βύσμα P3 στο τροφοδοτικό.

Σημαντικό: Ποτέ μην εφαρμόζετε τάση υψηλότερη από 5V, ή σε αντίστροφη πολικότητα, στην είσοδο της μπαταρίας, διαφορετικά θα καταστρέψετε μόνιμα τον ακροδέκτη ψηφιακού μετατροπέα Arduino

Ρυθμίστε το επιθυμητό όριο ρεύματος (για παράδειγμα 100mA) και παίξτε με την τάση τροφοδοσίας (μείνετε κάτω από 5V). Όπως μπορείτε να δείτε με οποιαδήποτε τάση εισόδου, η τρέχουσα ροή παραμένει ανέπαφη. Αυτό ακριβώς θέλουμε! (Εικόνα 12).

Βήμα 10: Εικόνα 12: Η τρέχουσα ροή παραμένει σταθερή ακόμη και μπροστά από παραλλαγές τάσης (δοκιμάστηκε με εισόδους 4.3V και 2.4V)

Το τρίτο κουμπί είναι Επαναφορά. Σημαίνει απλώς επανεκκίνηση του πίνακα. Είναι χρήσιμο όταν σκοπεύετε να ξεκινήσετε ξανά τη διαδικασία για να δοκιμάσετε ένα διαφορετικό βούτυρο.

Τέλος πάντων, τώρα είστε σίγουροι ότι η συσκευή σας λειτουργεί άψογα. Μπορείτε να αποσυνδέσετε το τροφοδοτικό και να συνδέσετε την μπαταρία στην είσοδο της μπαταρίας και να ορίσετε το επιθυμητό όριο ρεύματος.

Για να ξεκινήσω τη δική μου δοκιμή, επέλεξα μια ολοκαίνουργια μπαταρία ιόντων λιθίου 8, 800mA (Εικόνα 13). Μοιάζει με μια φανταστική τιμή, έτσι δεν είναι;! Αλλά δεν μπορώ να το πιστέψω με κάποιο τρόπο:-), οπότε ας το δοκιμάσουμε.

Βήμα 11: Εικόνα 13: Μπαταρία ιόντων λιθίου 8, 800mA, πραγματική ή ψεύτικη;

Πριν συνδέσετε τη μπαταρία λιθίου στην πλακέτα, πρέπει να τη φορτίσουμε, οπότε παρακαλώ ετοιμάστε ένα σταθερό 4,20V (όριο CC 500mA ή χαμηλότερο) με το τροφοδοτικό σας (Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τη μεταβλητή παροχή ρεύματος μεταγωγής στο προηγούμενο άρθρο) και φορτίστε η μπαταρία έως ότου η τρέχουσα ροή φτάσει σε χαμηλό επίπεδο. Μην φορτίζετε μια άγνωστη μπαταρία με υψηλά ρεύματα, γιατί δεν είμαστε σίγουροι για την πραγματική της χωρητικότητα! Τα υψηλά ρεύματα φόρτισης ενδέχεται να εκραγούν την μπαταρία! Πρόσεχε. Ως αποτέλεσμα, ακολούθησα αυτήν τη διαδικασία και η μπαταρία μας 8, 800mA είναι έτοιμη για μέτρηση χωρητικότητας.

Χρησιμοποίησα μια βάση μπαταρίας για να συνδέσω την μπαταρία στην πλακέτα. Βεβαιωθείτε ότι χρησιμοποιείτε χοντρά και κοντά καλώδια που εισάγουν χαμηλή αντίσταση, διότι η διάχυση ισχύος στα καλώδια προκαλεί πτώση τάσης και ανακρίβεια.

Ας ορίσουμε το ρεύμα στα 500mA και πατάμε παρατεταμένα το κουμπί "ΕΠΑΝΩ". Στη συνέχεια, θα πρέπει να ακούσετε ένα μπιπ και η διαδικασία ξεκινά (Εικόνα 14). Έχω ρυθμίσει την τάση διακοπής (χαμηλό όριο μπαταρίας) στα 3,2V. Εάν θέλετε, μπορείτε να τροποποιήσετε αυτό το όριο στον κώδικα.

Βήμα 12: Εικόνα 14: Διαδικασία υπολογισμού χωρητικότητας μπαταρίας

Βασικά, θα πρέπει να υπολογίσουμε τον «χρόνο ζωής» της μπαταρίας προτού η τάση της φτάσει στο κατώφλι χαμηλού επιπέδου. Το σχήμα 15 δείχνει τον χρόνο κατά τον οποίο η συσκευή αποσυνδέει το φορτίο DC από την μπαταρία (3.2V) και γίνονται υπολογισμοί. Η συσκευή παράγει επίσης δύο μεγάλα ηχητικά σήματα για να υποδείξει το τέλος της διαδικασίας. Όπως μπορείτε να δείτε στην οθόνη LCD, η πραγματική χωρητικότητα της μπαταρίας είναι 1, 190mAh, πολύ μακριά από τη χωρητικότητα που αξιώνεται! Μπορείτε να ακολουθήσετε την ίδια διαδικασία για να δοκιμάσετε οποιαδήποτε μπαταρία (χαμηλότερη από 5V).

Βήμα 13: Εικόνα 15: Η πραγματική υπολογισμένη χωρητικότητα της μπαταρίας ιόντων λιθίου 8.800mA

Το σχήμα 16 δείχνει το τιμολόγιο των υλικών για αυτό το κύκλωμα.

Βήμα 14: Εικόνα 16: Καταγραφή υλικών

Βήμα 15: Αναφορές

Πηγή άρθρου:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: