Схемы для определения емкости аккумулятора

2 Схемы

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Активная нагрузка с измерением емкости аккумулятора

Представляем проект самодельной активной электронной нагрузки. Сама по себе активная нагрузка не является чем-то особенным, но здесь расширение базы представляет собой микроконтроллер, используемый для измерения тока, напряжения и мощности и тестирования емкости любых аккумуляторов от 100 мА/ч до 99 А/ч с функцией автоматического отключения нагрузки от источника после достижения установленного напряжения разряда. Дополнительным действием микроконтроллера является управление скоростью вентилятора в зависимости от температуры радиатора.

Схема измерителя ёмкости АКБ с электронной нагрузкой

Работа базовой схемы активной нагрузки довольно проста — силовой транзистор последовательно соединен с резистором измерения мощности источника с источником питания (например, блоком питания, аккумулятором). Транзистор управляется сигналом ошибки, генерируемым в измерительном усилителе на основе сигнала напряжения, получаемого с измерительного резистора, и сигнала напряжения, подаваемого с потенциометра управления. Разница этих сигналов заставляет транзистор открываться или закрываться через измерительный усилитель для их выравнивания. Это влияет на величину тока, протекающего через транзистор, и, следовательно на ток, поступающий от проверяемого источника. Напряжение, пропорциональное току протекающему через него в соответствии с законом Ома, подается на измерительный резистор.

Конечно, эта базовая схема имеет много различных модификаций, например более одного силового транзистора, дополнительные управляющие транзисторы, MOSFET-транзистор вместо биполярных, улучшенные версии операционных усилителей и так далее.

В данном проекте использован самый простой вариант с одним полевым транзистором STW20NB50 в корпусе TO-247. Транзистор напрямую управляется сдвоенным операционным усилителем LM358, питаемым от одного напряжения 9 В. Измеряемое напряжение от силового резистора (2 параллельных резистора 0R1 5 Вт) подается через простой RC-фильтр на инвертирующий вход первого усилителя, а на неинвертирующий вход другого операционного усилителя для усиления напряжения перед передачей в микроконтроллер — измерение тока.

Напряжение двух последовательно соединенных потенциометров управления также подается на вход неинвертирующего первого усилителя, создание системы грубой и точной регулировки, поглощенной текущей нагрузкой. В первом ОУ генерируется сигнал ошибки, управляющий силовым транзистором. Транзистор работает линейно, что несколько необычно для MOSFET, но совершенно нормально в данном случае.

Внимание: эта схема активной нагрузки может не выдержать обратного подключения проверяемого источника питания!

Проект основан на микроконтроллере ATtiny26. Он управляется внутренним генератором с частотой 8 МГц, который при первых нескольких срабатываниях калибруется «вручную» методом проб и ошибок, изменяя параметр, введенный в регистр генератора OSCCAL в начале программы (несколько раз корректируя, компилируя и программируя). Хотя в схеме есть функция измерения емкости батареи, которая заключается в подсчете принятой нагрузки как функции времени, не считаем необходимым стабилизировать время с помощью кварца, поскольку это не лабораторное оборудование, и небольшие отклонения отсчитываемого времени (после калибровки генератора) мало влияет на результат измерения АКБ. Если кто-то хочет стабилизировать таймер кварцем — можете сделать и так.

Программа была написана полностью на ассемблере и занимает доступную память процессора, всего 2 КБ.

АЦП подаются через блокирующий конденсатор в конце AVCC и в качестве источника использования эталонного напряжения внутреннее напряжение 2,56 В. Измерения проводятся циклически каждые 200 мсек в основном цикле программы.

Чтобы просмотреть ток и напряжение с точностью до 0,01, точность обработки АЦП была программно увеличена с 10 до 12 бит. Без этой процедуры точность индикации напряжения в предполагаемом диапазоне 30 В составляла 30 В / 1023 (АЦП) =

0,03 В, что не очень.
Благодаря передискретизации до 12 бит точность показаний напряжения составила 30 В / 4095 (АЦП) Полезное: Активный сабвуфер на TDA7294

Давайте проверим, будет ли ток = 4 А в течение 10 часов, тогда что получится? 4 A х 36000 с = 144000 Ас -> 144000/3600 = 40 Ач.

Чтобы измерить емкость аккумулятора он должен быть подключен к нагрузке с минимальными грубыми и точными потенциометрами (отключение нагрузки) и с максимальным потенциометром регулировки напряжения отсечки. На дисплее должно отображаться напряжение на аккумуляторе, например, 12,15 В и ток без нагрузки. Единица напряжения должна быть записана как «V» (с заглавной буквой), если это маленькая буква «v», следует кратковременно нажать кнопку, чтобы активировать функцию отключения нагрузки, чтобы вернуться к большому «V».

Теперь отрегулируем напряжение отсечки для потенциометра, например, для 12-вольтовой кислотной батареи это будет полное напряжение разряда 10,20 В (1,7 В / элемент, разные источники могут давать немного разные размеры, особенно в зависимости от его производителя). Нажимаем долго (более 3 секунд) функциональную кнопку отключения нагрузки, пока буква «V» не изменится на маленькую «v». Поверните потенциометр напряжение до максимального значения и оставить уже — с изолирующей нагрузкой вернутся в режим ожидания.

Теперь достаточно установить желаемый ток нагрузки, желательно на 20 часов (обычно в соответствии с рекомендациями для кислотных АКБ), например, 2,5 А для аккумулятора 50 А/ч, и ждать сигнала завершения — пикание. В зависимости от состояния АКБ, это может занять несколько часов. Благодаря функции отключения нагрузки не нужно беспокоиться о том, чтобы пропустить момент полной разрядки и повредить аккумулятор — нагрузка отключится автоматически. На дисплее можем прочитать значение емкости и времени измерения, которое прошло.

Измерение емкости активируется автоматически после обнаружения тока не менее 50 мА без какой-либо операции нажатием кнопки и регулировкой напряжения отключения, описанных выше — они служат только для активации режима контроля напряжения и отключения нагрузки.

На одном из выходов процессора имеется передача от программного обеспечения USART со скоростью 9600 8N1 в односекундном цикле, в которую включена информация, идентичная показанной на дисплее в виде кодов ASCII. Вы можете отправить передачу данных, например, на компьютер через любой адаптер RS232-TTL / USB и прочитать информацию непосредственно на любом терминале, указав соответствующий COM-порт адаптера. Переданные данные включают в себя коды ASCII, управляющие терминалом, а именно коды CR + LF на концах линии и код CLRSCR для очистки экрана в начале каждой передачи, благодаря чему данные отображаются в окне терминала в фиксированном месте (прокрутка окна при получении данных не производится).

Микроконтроллер напрямую управляет буквенно-цифровым ЖК-дисплеем 2×16 в 4-битном режиме. Дисплей отображает 6 параметров,

• в верхней строке: напряжение, ток, температура радиатора;
• в нижней строке: мощность, мощность, время измерения.

В схеме есть несколько потенциометров. Они используются для коррекции измерений напряжения и тока, а также контрастности дисплея и для регулировки уровня тока нагрузки (грубой и точной), а также для установки напряжения отсечки для измерений А/ч.

Источник питания служит силовой трансформатор мощностью 3 Вт и напряжением 12 В. Стандартный встроенный стабилизатор в версии SMD обеспечивает напряжение 5 В для питания всей схемы, в то время как стабилизатор 9 В в корпусе TO-92 для операционного усилителя припаян со стороны дорожек, напряжение отфильтровано несколькими электролитическими конденсаторами и керамикой.

Электронная схема была разделена на две печатные платы: плату процессора с взаимодействующими цепями и плату нагрузки с транзистором и резисторами. Они разработаны так, что их можно разделить на две части или оставить как одну большую плату. В случае разделения платы соединяются с помощью коротких отрезков проводов, предпочтительно кабелей, и размещаются в корпусе так, чтобы они были как можно ближе друг к другу (как можно короче соединительные провода). Силовой транзистор присоединен к достаточно большому радиатору с вентилятором.

Вся схема была размещена в типичном металлическом корпусе от блока питания компьютера АТХ. На одной из стенок прикреплена лицевая панель с отверстием для дисплея. В дополнение к дисплею имеются также бананы-разъемы для подключения проверяемого источника и потенциометров регулировки. Благодаря тому, что это корпус от БП компьютера, тут уже есть разъем для сетевого 220 В шнура питания.

Источник

Измерение ёмкости аккумулятора

Что такое ёмкость аккумулятора, и как её измеряют

Ёмкость — это заряд Q новой батарейки или полностью заряженного аккумулятора. Заряд (количество электричества) измеряется в Кулонах: 1 Кулон = 1 Ампер × 1 секунда . Обычно ёмкость измеряется в единицах ампер·час или ма·час . Типичная ёмкость аккумулятора типоразмера ААА 1000 ма·час, АА — 2000 ма·час. Аккумулятор ёмкостью 1000 ма·час может давать ток 1000ма в течение 1 часа или 100ма в течение 10 часов. Если учесть напряжение U , то можно оценить запасённую в аккумуляторе энергию E = Q × U

Для определения ёмкости аккумулятора его полностью заряжают, затем разряжают заданным током I , и измеряют время T , за которое он разрядился. Произведение тока I на время T и есть ёмкость аккумулятора Q = I × T . Так же измеряется ёмкость батарейки, но после полного разряда аккумулятор можно снова зарядить, а батарейку уже нельзя использовать. Смысл в том, что вы измерите ёмкость батареек данного типа . Кстати, ёмкость щелочных батареек примерно равна ёмкости современных NiMh аккумуляторов того же типоразмера — AA(2000 ма·час), AAA(1000 ма·час).

Схема для измерения ёмкости

Предлагаемая схема разряжает аккумулятор через резистор R до напряжения почти полного разряда NiCd или NiMh элемента — примерно 1 вольт. Ток разряда равен I = U / R . ( О выборе тока разряда ) Для измерения времени разряда T используются часы, работающие от напряжения 1.5-2.5V. Для защиты аккумулятора от полного разряда применено твёрдотельное реле PVN012 . Оно отключает аккумулятор при снижении напряжения U до минимально допустимого Ue = 1V .

Как это работает

Аккумулятор надо полностью зарядить и подключить к устройству. Часы надо установить на 0 и нажать кнопку Start . В этот момент реле замыкает контакты 4-5 и 5-6. Начинается разряд аккумулятора через резистор R и подаётся напряжение на часы. Напряжение на аккумуляторе и резисторе постепенно снижается. Когда напряжение на резисторе R снизится до 1V реле размыкает контакты. Разряд прекращается и часы останавливаются.

По мере разряда аккумулятора управляющий ток через контакты реле 1-2 уменьшается примерно от 8 до 2mA. При управляющем токе 3mA сопротивление контактов 4-5 и 5-6 менее 0.04 Ом. Это достаточно мало, чтобы не учитывать при расчёте тока — если нужен ток разряда 1A, берите резистор R=1.2 Ом.

После прекращения разряда напряжение на аккумуляторе возрастает до 1.1-1.2V из-за внутреннего сопротивления элемента.

Потери на контактах

При повторении этой схемы примите меры для уменьшения сопротивления контактов аккумулятора и разъёмов. При токе 0.5-1A на контактах можно потерять 0.1V и более, что ухудшит точность измерения. Такие же потери вызывает стальная пружина, используемая в некоторых держателях аккумулятора. Пружину и другие стальные контакты надо шунтировать медным проводом. Я сделал один из вариантов измерителя ёмкости аккумуляторов АА и ААА в корпусе от простого зарядного устройства, у которого были хорошие медные контакты.

Дополнительные вопросы

Саморазряд

Обратите внимание, что ёмкость свежезаряженных аккумуляторов выше, так как со временем часть заряда теряется из-за саморазряда . Чтобы узнать величину саморазряда, нужно измерить емкость сразу после зарядки, и измерить ещё раз через неделю (месяц) после зарядки. Саморазряд NiMh аккумуляторов может достигать 10% в неделю и более.

С какой точностью измеряется ёмкость?

Точное количество электричества можно определить интегрированием по времени dQ = 1/R × U(t) × dt .

По экспериментальным графикам разряда видно, что по мере разряда напряжение уменьшается примерно от 1.4V до 1.0V. Ток разряда U/R тоже уменьшается. При использовании в качестве среднего напряжения номинальной величины 1.2V получается точность не хуже 10%. Это справедливо, если аккумулятор используется примерно при таком же токе разряда, как и при измерении ёмкости.

Пример графиков разряда

Если при измерении был ток 0.5A, а при использовании 5A, то аккумулятор разрядится в несколько раз быстрее, чем ожидается. При токе использования 0.05А ёмкость окажется больше, чем при измерении. При токе 0.005A ёмкость может оказаться меньше измеренной из-за саморазряда аккумулятора в течение большого времени эксплуатации. Значительное отличие тока измерения от тока эксплуатации вносит погрешность более 10%.

Использование в устройстве стальных контактов вместо медных может увеличить погрешность на 10% и более, особенно при большом токе разряда.

Некоторая погрешность величины напряжения отсечки 1.0V связана с зависимостью вольт-амперной характеристики твёрдотельного реле от температуры. В комнатных условиях это даёт погрешность в 1-2%.

Каким должен быть ток разряда?

Надо выбирать такой ток, при котором обычно используется этот аккумулятор. Если ток разряда слишком большой, то из-за внутреннего сопротивления напряжение на аккумуляторе быстро снизится ниже 1 вольта, и измеренное значение ёмкости будет низким. Если выбрать слишком малый ток разряда, то измеренная ёмкость получится больше, чем аккумулятор реально выдаст при работе в вашем приборе.

Зачем два диода?

Диоды используются для защиты твёрдотельного реле при случайном обрыве резистора R . Если вы уверены, что обрыв невозможен, или вы измеряете ёмкость аккумуляторов с напряжением менее 1.4V ( один элемент AA или AAA ), то диоды можно убрать. При этом схема помещается внутри будильника, как у меня было сделано раньше. Резистор 5 Ом защищает реле при нажатии кнопки Start. Его тоже можно убрать, если включить кнопку параллельно контактам 4-5, как на упрощённой схеме.

Как измерить ёмкость литий-ионного аккумулятора?

примеры

Um	Ue	I	R	r
1.2	1.0	0.2	6.0	0
1.2	1.0	0.5	2.4	0
3.3	3.0	0.5	2.2	4.4
8.4	7.0	0.1	12	72

В этом случае к батарее подключается делитель напряжения по образцу, показанному на схеме. Используя делитель напряжения, можно измерить ёмкость батареи из нескольких аккумуляторов или ёмкость литий-ионного аккумулятора.

Требуемый ток разряда I при среднем напряжении Um обеспечивает сумма двух резисторов: R + r = Um / I .

Резистор R рассчитывается так, чтобы при конечном напряжении на батарее Ue , напряжение на резисторе R стало равно 1V: R = (Um / I) × (1V / Ue) .

Как проверить ёмкость аккумулятора по напряжению?

По напряжению ёмкость определить нельзя. Для каждого типа батарей и аккумуляторов есть типичные кривые разряда. По ним можно оценить отношение заряда к ёмкости ( процент заряда ). Я использую зарядное устройство Ansmann , которое для такой оценки измеряет напряжение при заданном токе разряда. Однако у NiMh аккумуляторов не только ёмкость, но и рабочее напряжение уменьшается с возрастом. В некоторых случаях Ansmann давал оценку 30% в то время, как измерение до полного разряда давало 80%.

Как измерить ёмкость аккумулятора без этой схемы?

Подключите к заряженному аккумулятору резистор R и вольтметр. Следите по часам. Через некоторое время T напряжение U снизится до минимально допустимого. В этот момент отключите резистор. Ёмкость равна Q = T × U / R

В чём отличие от схемы, которая была на сайте раньше?

0. Старая схема
1. Вместо 1.3-1.1V на часы подаётся 2.6-2.2V
2. Вместо выключателя для дополнительного элемента питания использован контакт реле, и теперь отключение обоих аккумуляторов происходит автоматически.
3. Добавлена защита реле от обрыва резистора R

Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора и как его измерить?

Этот раздел перенесён на отдельную страницу «Внутреннее сопротивление»

Автомобильный аккумулятор (АКБ)

Автомобиль не заводится, хотя зарядное устройство работает нормально, и показывает, что аккумулятор полностью заряжен. Дело не в ёмкости. После нескольких слишком глубоких разрядов внутреннее сопротивление увеличилось, и аккумулятор больше не может выдать ток, необходимый для работы стартёра. Придётся купить новый аккумулятор, и больше не допускать глубокого разряда.

Как измерить ёмкость АКБ

Для оценки ёмкости можно использовать лампу от фары в качестве нагрузочного сопротивления. Это должна быть лампа накаливания, например, галогеновая, но не светодиодная. Лампа 60вт потребляет ток 5А. Подключите параллельно аккумулятору вольтметр и лампу. Следите по часам. Когда напряжение снизится до 11в — разряд закончился — отключите лампу. Если это не сделать, то аккумулятор испортится. Если до окончания разряда прошло 10 часов, то ёмкость вашего аккумулятора 50 а·час. Если 5 часов, то 25 а·час. Этот тест не гарантирует, что машина заведётся, так как стартёру нужно не 5А, а 100-150А.

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора

Лампу от фары можно использовать для оценки внутреннего сопротивления. При токе 100А на внутреннем сопротивлении не должно теряться более 1 вольта. Соответственно, при токе 5А не должно теряться более 0.05 вольта (1в * 5А / 100А). Подключите параллельно аккумулятору вольтметр и лампу. Запомните величину напряжения. Отключите лампу. Обратите внимание, насколько увеличилось напряжение. Если, допустим, напряжение возросло на 0.2 вольта, то аккумулятор испорчен, а если на 0.02 вольта, то он исправен. При токе 100А потеря напряжения будет всего 0.4в (0.02в * 100А / 5А).

Конденсатор вместо аккумулятора?

Ёмкость конденсатора определяется немного по другому: C = Q / U

Ёмкость зависит от геометрии конденсатора. Если увеличить расстояние L между пластинами конденсатора, то заряд Q и напряжённость электрического поля между пластинами E не изменятся, а разность потенциалов U = E × L увеличится. Поэтому ёмкость конденсатора C уменьшится.

Можно ли использовать конденсатор вместо аккумулятора или наоборот?

В некоторых случаях можно, и используют. Главное отличие конденсатора от аккумулятора при использовании в качестве источника тока в том, что по мере разряда напряжение на аккумуляторе долго остаётся стабильным, а на конденсаторе оно снижается пропорционально оставшемуся заряду.

capacitor 3000F 2.7V

Какой конденсатор мог бы заменить обычный аккумулятор ААА (1000 ма·час)?

Q = 1000 ма·час = 3600 А·сек = 3600 Кулон
C = Q / U = 3600 К / 1.2 В = 3000 Фарад

Такие конденсаторы «Ионисторы» по принципу устройства приближаются к аккумуляторам, так как обкладками конденсатора служит химический двойной электрический слой на границе электрода с электролитом.

Почему портятся аккумуляторы

Этот раздел находится на странице «Пример разводки платы»

Источник