Електроніка і електротехніка

Губанова А.А., Шибалкіна Є.В. - Пристрій експрес-тестування акумуляторних батарей // Електроніка та електротехніка. - 2017. - № 1. - С. 45 - 53. DOI: 10.7256 / 2453-8884.2017.1.21293 URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=21293

Пристрій експрес-тестування акумуляторних батарей

Анотація.

DOI:

Дата направлення до редакції:

Дата рецензування:

Дата публікації:

Abstract.

Keywords:

В наш час, коли все частіше з'являються пристрої, які мають багатий функціонал. Не виключенням є і прилади для діагностики акумуляторів. Однак визначення працездатності АКБ більш точним від цього не стало. Пішли в минуле часи, коли для діагностики акумулятора була потрібна наявність дорогих пристосувань і реактивів. Наприклад, навантажувальна вилка, ця штука здатна з високою точністю провести діагностику акумуляторної батареї. Крім цього велику в діагностиці акумулятора роль грала репутація сервісу і виробника. Що стосується нинішньої діагностики АКБ, то в даний час перевірити її працездатність можна маючи всього лише один прилад [1] .

В даний час існує досить велика кількість аналізаторів, призначених для тестування акумуляторних батарей мобільних засобів зв'язку з різноманітними функціональними і ціновими параметрами. Найбільш популярними залишаються UBM-4 і CADEX, однак, вони мають наступні недоліки:

- високою собівартістю;

- великою тривалістю тестування батареї.

У даній статті представлене пристрій призначений для експрес-тестування ємності і внутрішнього опору акумуляторних батарей мобільних засобів зв'язку. Воно являє собою систему, яка дозволяє визначати місткість і внутрішній опір акумуляторних батарейпутем підключення його до персонального комп'ютера через послідовний порт.

Принцип роботи розроблювального пристрою заснований на жорсткій послідовності виконання команд. Спочатку буде проводитися контроль ємності шляхом повної розрядки акумуляторної батареї. У міру того, за скільки часу відбувається розрядка, можна судити про стан акумулятора. Після закінчення контролю видаються дані про стан опору акумуляторної батареї. Операцію перевірки проводить оператор. Зручність тестування полягає в тому, що до пристрою може бути підключений ПК, що відповідно повинно набагато поліпшити якість вимірювань, за рахунок більш точної роботи пристрою, а так само спростити роботу оператора за рахунок меншої кількості виконуваних ним команд.

Зв'язок з пристроєм експрес-тестування акумуляторних батарей здійснюється через послідовний порт. Важливим елементом в схемі є мікроконтролер PIC 16F877. Принцип роботи мікроконтролера в схемі полягає в тому, що PIC 16F877 отримує команду безпосередньо з комп'ютера через перетворювач рівня MAX 232 і в залежності від того, яка команда (підвищення / пониження напруги, температури, струму) передає її далі на цифрові датчики.

Перетворювач рівня MAX 232 призначений для зниження рівнів напруги, що надходять з персонального комп'ютера в електричну схему і для перетворення однополярного напруги в двуполярное для повноцінної роботи операційного підсилювача LM 358.

Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) служить для перетворення напруги в цифровий код і через послідовний інтерфейс (SPI) передає інформацію про стан напруги на PIC-контролері.

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) призначений для установки на виході напруги.

Датчик струму (ДТ) служить для перетворення аналогової величини в цифровий код, а саме, перетворює надходить температуру в цифровий сигнал по дротах і при допустимій температурі відбувається передача інформації в мікроконтролер. Якщо температура перевищує допустиме значення, то датчик спрацьовує на зниження струму і температура знижується.

Схема опорного напруги DA6 служить для правильної оцифровки аналогових величин.

Цифрові датчики AD1, AD2, AD3, AD4, AD5, AD6, AD7 використовувані в електричній схемі обрані з-за поліпшеною завадостійкості, ніж аналогові.

Малюнок 1 Електрична схема принципова

Розташування елементів на друкованій платі розміщено з максимальною функціональністю, що є істотним при застосуванні пристрою в побуті. Роз'єми надягають на плату з торця. Всі елементи розташовані на верхньому шарі поверхневим монтажем. Токопроводнікі розташовані розміщені раціонально. Відстань між провідниками не менше 1,5 мм. Всі отвори на платі перехідні діаметром 0.5мм.

Малюнок 2 Ескіз друкованої плати

Розроблений пристрій має наступні параметри:

- габаритні розміри 35х70х170;

- вага 450 г;

Зовнішній вигляд пристрою являє пластиковий корпус, із закругленими донизу краями, чорного кольору. На передній панелі, у верхній частині корпусу розміщений вентилятор, що захищає пристрій від перегріву. На задній частині панелі розташовані роз'єми і послідовні порти виводу, призначені для зв'язку пристрою з комп'ютером і блоком живлення. Так як пристрій не є автономним, то не передбачені функціональні кнопки і тумблери.

Рисунок 3 Зовнішній вигляд пристрою

Для розроблювального пристрою розроблено чотири блоки виконання тестування (рисунок 4):

- блок мітки визначення внутрішнього опору (Rвн);

- блок мітки «Швидкий тест»;

- блок «Повний тест»;

- блок мітки «Скасування».

Малюнок 4 - Остаточний вигляд екранної форми

За допомогою розробленої екранної форми призначений для користувача інтерфейс зручний і простий: натисканням тієї чи іншої мітки вибирається послідовний порт, час тестування, номінал акумуляторної батареї при виборі типу акумулятора. Присутній блокування дій захисту програми, тобто якщо тестується літій-іонний акумулятор, то програма блокує мітки вибору номіналу, тому що його номінальне значення лежить в межі 3.6 / 3,7 В.

Також оператор отримує повідомлення про помилку, якщо не вірно задано числове значення акумуляторної батареї.

Інтерфейс програми дозволяє вибрати вид тесту: швидкий і повний.

Вихідними величинами для розрахунку батареї є напруга і струм навантаження, а також час її роботи від акумуляторної батареї. Необхідна напруга акумуляторної батареї повинна відповідати напрузі живлення навантаження. Кількість елементів батареї розраховують за формулою (1):

(1),

де:

U н - напруга навантаження;

U ел - напруга зарядженого елемента батареї, яке становить 1,2 В для нікель-кадмієвих та нікель-металгідридних, 2,1 В - для свинцево-кислотних та 3,6 В - для літій-іонних акумуляторів.

Іноді потужність навантаження виражається в вольт-амперах (ВА). В цьому випадку дійсну потужність можна розрахувати за формулою (2):

(6)

При виборі ємності батареї слід враховувати тип навантаження, режим роботи батареї і час безперервної роботи при живленні навантаження від повністю зарядженої батареї. Наприклад, для харчування електричного джерела, лампочка якого на напругу 3,6 В споживає струм 200 мА можна використовувати нікель-кадмієві або нікель-металгідридні типорозмірів ААА, АА, С, D. Якщо використовувати три акумулятора типорозміру D, забезпечують при послідовному включенні напруга 3 , 6 В і мають ємність 1,8 А-год, то час безперервної роботи джерела складе:

(3)

Завдяки майже плоскої кривої розряду нікель-кадмієвих акумуляторів (рис. 5) в даному випадку зниженням ємності до порога, при якому пристрій не встановлюватиме працювати, можна знехтувати.

Малюнок 5 - Разрядная характеристика нікель-кадмиевого акумулятора

При використанні свинцево-кислотної батареї в джерелі безперебійного живлення персонального комп'ютера враховують потужність навантаження і час її роботи від ДБЖ. Найчастіше навантаження являє собою системний блок комп'ютера потужністю 200 ... 300 Вт і монітор, який споживає 130 ... 250 Вт. Час безперервної роботи ДБЖ має становити 5 ... 15 хв. Таке час вибирають для того, щоб при пропажі напруги мережі змінного струму можна було коректно завершити роботу і вимкнути комп'ютер, а також захистити його від збоїв при короткочасному зникненні напруги мережі або його скачках. Крім акумуляторів ДБЖ повинен мати блок перетворювача напруга постійного струму 6 ... 12 В в напругу змінного струму 220 В (DC / AC перетворювач), зарядний пристрій для підзарядки батареї при роботі в режимі холостого ходу і схему управління, яка забезпечує миттєве перемикання навантаження на резервне джерело живлення при зникненні напруги основного джерела. З цих вимог видно, що ємність акумуляторів для ДБЖ невеликої потужності може бути невисокою.

При необхідності отримати необхідну напругу навантаження акумулятори або акумуляторні батареї з'єднують послідовно.

При такому з'єднанні напруга батареї дорівнює сумі напруг всіх її елементів, а ємність відповідає ємності одного акумулятора або батареї. Природно, що все акумулятори при з'єднанні їх в батарею повинні бути однотипними, мати однакову ємність і, бажано, дату випуску.

При необхідності домогтися необхідної ємності, акумулятори або батареї акумуляторів з'єднують в батарею паралельно. При цьому її загальна ємність дорівнює сумі ємностей всіх паралельних гілок. Для того щоб виключити негативний вплив гілок друг на друга, використовують розв'язуючи діоди як по ланцюгу заряду, так і по ланцюгу навантаження.

При підборі діодів слід враховувати, що прямий струм діодів в ланцюзі заряду повинен бути не менше максимально можливого струму заряду гілки батареї, а прямий струм діодів в ланцюзі розряду - не менше максимального струму навантаження. Зворотна напруга діодів повинно мати величину не менше 1,5 UH.

Кількість паралельних гілок акумуляторних батарей, що об'єднуються в систему харчування, обмежена, і чим більше в галузі кількість послідовно з'єднаних батарей, тим менше паралельних з'єднань допускається.

При необхідності розрахунку потужного джерела резервного живлення вихідними величинами для розрахунку є: потужність навантаження, час резерву (автономного живлення), напруга навантаження, напруга кінця розряду батареї. Наприклад, необхідно розрахувати параметри батареї для навантаження потужністю 5,3 кВт, що вимагає 30-хвилинного резерву і працює від джерела напругою 204 ... 268 В.

Порядок розрахунку наступний:

1. Розраховуємо необхідну кількість елементів за формулою (4):

(4)

2. Приймаємо рішення, які блоки (батареї) будемо використовувати. Вибір 3 або 6-елементні батареї на 6 або 12 В відповідно. Будемо використовувати 12-вольт блоки (батареї). Їх необхідну кількість складе:

(5)

3. Розраховуємо напруга кінця розряду елемента:

(6)

4. Розраховуємо ємність батареї за формулою (11):

(7)

5. За результатами розрахунків вибираємо тип батареї. Вона повинна бути 12-вольтової на ємність 24 А · год. Всього використовуємо 120 таких батарей, з'єднаних послідовно. Це спрощений варіант розрахунку. Додаткові поправки можуть знадобитися, якщо батарея буде працювати при температурі, що відрізняється від кімнатної або в широкому діапазоні температур. Ємність акумуляторів від температури залежить нелінійно. На малюнку 6 наведено характеристики такої залежності для свинцево-кислотних акумуляторів. Для порівняння там же зображена характеристика залежності ємності нікель-кадмієвих акумуляторів.

Малюнок 6 - Залежність віддається акумуляторами ємності від температури

Таким чином, можна сказати, що експрес діагностика акумулятора проводиться на основі вимірювання опору. Але якщо взяти акумуляторні батареї, то показання в ході перевірки можуть істотно відрізняться в залежності від температури і від конструкції самої АКБ. З огляду на той факт, що кожне нове покоління тестерів для перевірки акумулятора має все більше функцій вимірювання, однак досі у них був відсутній параметр вибору за типом АКБ.

Розроблений пристрій являє собою локальну автоматизовану систему, що дозволяє вести управління з персонального комп'ютера.

Пристрій експрес-тесту може бути використано в сервісних центрах ремонту мобільних засобів зв'язку і магазинах, що займаються продажем акумуляторних батарей.

Бібліографія