Устройство экспресс-тестирования аккумуляторных батарей

Губанова Александра Анатольевна преподаватель, Донской государственный технический университет. 344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1 Gubanova Aleksandra Anatol'evna Lecturer at Don State Technical University. 344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, Gagarina, 1 anatoliya81@mail.ru Другие публикации этого автора

Шибалкина Елена Владимировна техник, Донской государственный технический университет 344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, Гагарина, 1 Shibalkina Elena Vladimirovna Engineer at Don State Technical University 344000, Russia, Rostov-on-Don, Gagarina, 1 anatoliya81@mail.ru Другие публикации этого автора

В наше время, когда все чаше появляются устройства, которые имеют богатый функционал. Не исключением являются и приборы для диагностики аккумуляторов. Однако определение работоспособности АКБ более точным от этого не стало. Ушли в прошлое времена, когда для диагностики аккумулятора требовалось наличие дорогостоящих приспособлений и реактивов. К примеру, нагрузочная вилка, эта штука способна с высокой точностью провести диагностику аккумуляторной батареи. Помимо этого большую в диагностике аккумулятора роль играла репутация сервиса и производителя. Что касается нынешней диагностики АКБ, то в настоящее время проверить ее работоспособность можно имея всего лишь один прибор^[1].

В настоящее время существует достаточно большое количество анализаторов, предназначенных для тестирования аккумуляторных батарей мобильных средств связи с разнообразными функциональными и ценовыми параметрами. Наиболее популярными остаются UBM-4 и CADEX, однако, они обладают следующими недостатками:

- высокой себестоимостью;

- большой продолжительностью тестирования батареи.

В данной статье представленное устройство предназначено для экспресс-тестирования емкости и внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей мобильных средств связи. Оно представляет собой систему, которая позволяет определять емкость и внутреннее сопротивление аккумуляторных батарейпутем подключения его к персональному компьютеру через последовательный порт.

Принцип работы разрабатываемого устройства основан на жёсткой последовательности выполнения команд. Сначала будет производиться контроль емкости путем полной разрядки аккумуляторной батареи. По мере того, за сколько времени происходит разрядка, можно судить о состоянии аккумулятора. По окончании контроля выдаются данные о состоянии сопротивления аккумуляторной батареи. Операцию проверки проводит оператор. Удобство тестирования заключается в том, что к устройству может быть подключён ПК, что соответственно должно намного улучшить качество измерений, за счёт более точной работы устройства, а так же упростить работу оператора за счет меньшего количества выполняемых им команд.

Связь с устройством экспресс-тестирования аккумуляторных батарей осуществляется через последовательный порт. Важным элементом в схеме является микроконтроллер PIC 16F877. Принцип работы микроконтроллера в схеме заключается в том, что PIC 16F877 получает команду непосредственно с компьютера через преобразователь уровня MAX 232 и в зависимости от того, какая команда (повышение/понижение напряжения, температуры, тока) передает ее дальше на цифровые датчики.

Преобразователь уровня MAX 232 предназначен для понижения уровней напряжения, поступающих из персонального компьютера в электрическую схему и для преобразования однополярного напряжения в двуполярное для полноценной работы операционного усилителя LM 358.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) служит для преобразования напряжения в цифровой код и через последовательный интерфейс (SPI) передает информацию о состоянии напряжения на PIC-контроллере.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для установки на выходе напряжения.

Датчик тока (ДТ) служит для преобразования аналоговой величины в цифровой код, а именно, преобразует поступающую температуру в цифровой сигнал по проводам и при допустимой температуре происходит передача информации в микроконтроллер. Если температура превышает допустимое значение, то датчик срабатывает на понижение тока и температура понижается.

Схема опорного напряжения DA6 служит для правильной оцифровки аналоговых величин.

Цифровые датчики AD1, AD2, AD3, AD4, AD5, AD6, AD7 используемые в электрической схеме выбраны из-за улучшенной помехоустойчивости, чем аналоговые.

Рисунок 1- Электрическая схема принципиальная

Расположение элементов на печатной плате размещено с максимальной функциональностью, что является существенным при применении устройства в быту. Разъемы надеваются на плату с торца. Все элементы расположены на верхнем слое поверхностным монтажом. Токопроводники расположены размещены рационально. Расстояние между проводниками не менее 1,5 мм. Все отверстия на плате переходные диаметром 0.5мм.

Рисунок 2- Эскиз печатной платы

Разработанное устройство имеет следующие параметры:

- габаритные размеры 35х70х170;

- вес 450 г;

Внешний вид устройства представляет пластиковый корпус, с закругленными книзу краями, черного цвета. На передней панели, в верхней части корпуса размещен вентилятор, защищающий устройство от перегрева. На задней части панели расположены разъемы и последовательные порты вывода, предназначенные для связи устройства с компьютером и блоком питания. Так как устройство не является автономным, то не предусмотрены функциональные кнопки и тумблеры.

Рисунок 3- Внешний вид устройства

Для разрабатываемого устройства разработано четыре блока выполнения тестирования (рисунок 4):

- блок метки определения внутреннего сопротивления (Rвн);

- блок метки «Быстрый тест»;

- блок «Полный тест»;

- блок метки «Отмена».

Рисунок 4 – Окончательный вид экранной формы

С помощью разработанной экранной формы пользовательский интерфейс удобен и прост: нажатием той или иной метки выбирается последовательный порт, время тестирования, номинал аккумуляторной батареи при выборе типа аккумулятора. Присутствует блокировка действий защиты программы, т.е. если тестируется литий-ионный аккумулятор, то программа блокирует метки выбора номинала, т.к. его номинальное значение лежит в пределе 3.6/3,7 В.

Также оператор получает сообщение об ошибке, если не верно задано числовое значение аккумуляторной батареи.

Интерфейс программы позволяет выбрать вид теста: быстрый и полный.

Исходными величинами для расчета батареи является напря­жение и ток нагрузки, а также время ее работы от аккумулятор­ной батареи. Необходимое напряжение аккумуляторной батареи должно соответствовать напряжению питания нагрузки. Количе­ство элементов батареи рассчитывают по формуле (1):

(1),

где:

Uн - напряжение нагрузки;

Uэл- напряжение заряженного элемента батареи, которое составляет 1,2 В для никель-кадмие­вых и никель-металлгидридных, 2,1 В — для свинцово-кислотных и 3,6 В — для литий-ионных аккумуляторов.

Иногда мощность нагрузки выражается в вольт-амперах (ВА). В этом случае действительную мощность можно рассчи­тать по формуле (2):

(6)

При выборе емкости батареи следует учитывать тип нагруз­ки, режим работы батареи и время непрерывной работы при пи­тании нагрузки от полностью заряженной батареи. Например, для питания электрического источника, лампочка которого на на­пряжение 3,6 В потребляет ток 200 мА можно использовать ни­кель-кадмиевые или никель-металлгидридные типоразмеров ААА, АА, С, D. Если использовать три аккумулятора типоразме­ра D, обеспечивающие при последовательном включении напря­жение 3,6 В и имеющие емкость 1,8 А-ч, то время непрерывной работы источника составит:

(3)

Благодаря почти плоской кривой разряда никель-кадмиевых аккумуляторов (рис. 5 ) в данном случае снижением емкости до порога, при котором устройство прекращает работать, можно пренебречь.

Рисунок 5 - Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора

При использовании свинцово-кислотной батареи в источни­ке бесперебойного питания персонального компьютера учитыва­ют мощность нагрузки и время ее работы от ИБП. Чаще всего нагрузка представляет собой системный блок компьютера мощ­ностью 200...300 Вт и монитор, потребляющий 130...250 Вт. Время непрерывной работы ИБП должно составлять 5...15 мин. Такое время выбирают для того, чтобы при пропадании напря­жения сети переменного тока можно было корректно завершить работу и выключить компьютер, а также защитить его от сбоев при кратковременном пропадании напряжения сети или его скачках. Кроме аккумуляторов ИБП должен иметь блок преоб­разователя напряжение постоянного тока 6...12 В в напряжение переменного тока 220 В (DC/AC преобразователь), зарядное устройство для подзарядки батареи при работе в режиме холо­стого хода и схему управления, которая обеспечивает мгновен­ное переключение нагрузки на резервный источник питания при пропадании напряжения основного источника. Из этих требова­ний видно, что емкость аккумуляторов для ИБП небольшой мощности может быть невысокой.

При необходимости получить требуемое напряжение нагруз­ки аккумуляторы или аккумуляторные батареи соединяют после­довательно.

При таком соединении напряжение бата­реи равно сумме напряжений всех ее элементов, а емкость соответствует емкости одного аккумулятора или батареи. Естественно, что все акку­муляторы при соединении их в батарею должны быть однотипными, иметь оди­наковую емкость и, желательно, дату вы­пуска.

При необходимости добиться требуе­мой емкости, аккумуляторы или батареи аккумуляторов соединяют в батарею па­раллельно. При этом ее общая емкость равна сумме емкостей всех па­раллельных ветвей. Для того чтобы иск­лючить отрицательное влияние ветвей друг на друга, используют развязываю­щие диоды как по цепи заряда, так и по цепи нагрузки.

При подборе диодов следует учитывать, что прямой ток дио­дов в цепи заряда должен быть не менее максимально возмож­ного тока заряда ветви батареи, а прямой ток диодов в цепи раз­ряда — не менее максимального тока нагрузки. Обратное напря­жение диодов должно иметь величину не менее 1,5UH.

Количество параллельных ветвей аккумуляторных батарей, объединяемых в систему питания, ограничено, и чем больше в ветви количество последовательно соединенных батарей, тем ме­ньше параллельных соединений допускается.

При необходимости расчета мощного источника резервного питания исходными величинами для расчета являются: мощ­ность нагрузки, время резерва (автономного питания), напряже­ние нагрузки, напряжение конца разряда батареи. Например, необходимо рассчитать параметры батареи для нагрузки мощно­стью 5,3 кВт, требующей 30-минутного резерва и работающей от источника напряжением 204...268 В.

Порядок расчета следующий:

1. Рассчитываем необходимое количество элементов по формуле (4):

(4)

2. Принимаем решение, какие блоки (батареи) будем испо­льзовать. Выбор 3- или 6-элементные батареи на 6 или 12 В соответственно. Будем использовать 12-вольтовые блоки (батареи). Их необходимое количество составит:

(5)

3. Рассчитываем напряжение конца разряда элемента:

(6)

4. Рассчитываем емкость батареи по фор­муле (11):

(7)

5. По результатам расчетов выбираем тип батареи. Она дол­жна быть 12-вольтовой на емкость 24 А·ч. Всего используем 120 таких батарей, соединенных последовательно. Это упрощенный вариант расчета. Дополнительные поправ­ки могут потребоваться, если батарея будет работать при темпе­ратуре, отличающейся от комнатной или в широком диапазоне температур. Емкость аккумуляторов от температуры зависит не­линейно. На рисунке 6 приведены характеристики такой зависи­мости для свинцово-кислотных аккумуляторов. Для сравнения там же изображена характеристика зависимости емкости ни­кель-кадмиевых аккумуляторов.

Рисунок 6 - Зависимость отдаваемой аккумуляторами емкости от температуры

Таким образом, можно сказать, что экспресс диагностика аккумулятора проводится на основе измерения сопротивления. Но если взять аккумуляторные батареи, то показания в ходе проверки могут существенно отличатся в зависимости от температуры и от конструкции самой АКБ. Учитывая тот факт, что каждое новое поколение тестеров для проверки аккумулятора имеет все больше функций измерения, однако до сих пор у них отсутствовал параметр выбора по типу АКБ.

Разработанное устройство представляет собой локальную автоматизированную систему, позволяющую вести управление с персонального компьютера.

Устройство экспресс-теста может быть использовано в сервисных центрах ремонта мобильных средств связи и магазинах, занимающихся продажей аккумуляторных батарей.