Тестер аккумуляторных батарей своими руками

Обновлено: 07.07.2024

Вокруг нас становится все больше и больше мобильной электроники. Как правило, в качестве источников питания в ней применяются Li-Ion аккумуляторы. Аккумуляторы имеют срок эксплуатации, как правило, гораздо меньше, чем срок эксплуатации непосредственно электроники и их иногда приходится менять. Поэтому, проблема оценки реальной емкости аккумулятора очень актуальна. Это нужно и для проверки новых, так как имеются производители аккумуляторов с очень низким качеством. И для оценки остаточной емкости бывших в употреблении аккумуляторов, например для применения в любительских устройствах собственного изготовления. Оценка емкости при заряде или по внутреннему сопротивлению часто не дает реального результата. Правильно можно оценить емкость только в цикле разряда, причем с разрядным током, близким по значению к току, на котором предполагается использовать данный аккумулятор. Имеются китайские устройства подобного назначения, но они либо не умеют отключать нагрузку по снижению напряжения, либо достаточно дороги, да и вообще покупать такое не спортивно если можно собрать самому.

В статье описано устройство позволяющее решить данную проблему. Оно измеряет емкость методом подсчета энергии, выданной аккумулятором в нагрузку. Устройство собиралось на скорую руку из компонентов, которые нашлись в загашнике. Дисплей, который хорошо вписался в давно валяющийся пластиковый корпус. Микроконтроллер распаянный на подходящем куске текстолита. Китайский модуль заряда LiIon аккумулятора. Ну и несколько дискретных компонентов. В общем типичная конструкция выходного дня.

Логика работы устройства:
- подключаем аккумулятор.
- подаем питание +5В.
- устройство подключает нагрузку к аккумулятору и измеряет на нем напряжение.
- происходит отсчет времени и подсчитывается энергия отданная аккумулятором.
- при снижении напряжения на аккумуляторе до 2.7В устройство отключает нагрузку, останавливает подсчет энергии и отсчет времени разряда. Показания остаются на дисплее.
- устройство переходит в режим заряда и начинает отсчет времени его продолжительности, который останавливается при достижении напряжения на аккумуляторе 4.2В.

Время отображается в формате сутки/часы:минуты:секунды.
Емкость отображается в мА*ч и мВт*ч. Мощность рассеиваемая на нагрузке рассчитывается из измеряемого напряжения и известного сопротивления нагрузки. От измерения тока, для упрощения конструкции, было решено отказаться.

Алгоритм расчета энергии следующий: с частотой 5кГц АЦП производит непрерывную оцифровку с накоплением сигнала на выходе делителя напряжения на аккумуляторе. Каждые 100мс с учетом уровня со встроенного источника опорного напряжения из накопленного значения вычисляется напряжение на аккумуляторе и ток через нагрузку. Вычисляется энергия в мА*ч и мВт*ч за 100мс, которая прибавляется к своему счетчику.

Устройство имеет кнопку, нажатием на которую можно переключать режимы - разряд/заряд. Двойным нажатием в режиме разряда можно выбирать подключаемую нагрузку - малая, средняя, большая. Сопротивление 20 Ом, 10 Ом или одновременно оба соответственно. Удержание кнопки вызывает сброс времени текущего режима.

Светодиод отображает режим работы:
- разряд, часто мигает.
- заряд, редко мигает.
- заряд окончен, светится.

Подробнее о компонентах. Дисплей - ЖК, графический 128х32, TIC32 с управлением по I 2 C на контроллере PCF8531. Стабилизатор питания - LM1117-3.0. МК - STM32F051K6 (используется внутренний тактовый генератор). Ключи нагрузки - IRLML2502. Ключ включения цепи заряда - IRLML6402. Модуль заряда на чипе TC4056A с током 330мА (резистор программирующий ток 3.6к).

Для удобства подключения применен держатель для аккумулятора 18650 и провода с крокодилами. Монтаж внутри не показан, так как не очень приличен. Устройство в процессе рождения:

Незаменимый компонент автомобиля – аккумуляторная батарея (АКБ): она питает бортовую электросеть, когда двигатель не работает, и нужна для его запуска. Ресурс её ограничен, со временем происходит снижение ёмкости. Нагрузочная вилка для аккумулятора позволяет диагностировать состояние батареи. Назначение устройства – определить исправность источника питания и примерно оценить остаточный ресурс. Исходя из области применения, существует несколько способов изготовления простого тестера своими руками.

Конструкция нагрузочной вилки

Устройство тестера обусловлено его назначением: для диагностики батареи необходимо создать электрическую цепь, по которой будет протекать ток большой силы. В общем случае нагрузочная вилка состоит из двух силовых контактов, нагрузочного сопротивления, вольтметра. Компоненты, а особенно резистор, помещают в корпус для защиты пользователя от ожога. Нагревается в тестере сопротивление, когда через него протекает ток. Подключение к порталам батареи осуществляют через силовые контакты, которые закреплены на корпусе либо на медном проводе большого сечения.

В вилке устанавливают один или два резистора номиналом 0,1 Ом. В первом случае прибор используют при диагностике аккумулятора ёмкостью до 100 А∙ч, во втором – до 240 А∙ч. Показания снимают на стрелочном или цифровом вольтметре. Механические приборы более надёжны, но считывать данные с них сложнее. Электронные вольтметры компактны, значение напряжения они выводят на небольшой экран.

Работа тестера

Принцип работы нагрузочной вилки основан на протекании через неё тока большого номинала. При подключении тестера происходит имитация запуска двигателя, когда стартер соединён с АКБ. Если ёмкость батареи достигла минимального значения, полностью заряженный источник питания не сможет выделить необходимое количество энергии. В этом случае вольтметр покажет критическое падение напряжения.

Работать вилка может в 2 режимах. В первую очередь проверяют напряжение на порталах батареи без подключенной нагрузки. На вольтметре должно высветиться значение 12,6-12,7 В, что свидетельствует о полном заряде. Если напряжение меньше 12,5 В, дальнейшее тестирование не проводят. Во втором режиме тестер подсоединяют с нагрузкой. На исправной батарее напряжение не должно опускаться ниже 9 В.

Типы вилок

Существует несколько видов тестеров, контролирующих состояние источников тока. Основное разделение – по типу батареи. Выделяют вилки для кислотных и щелочных аккумуляторов. Последние имеют меньший номинал тестирования. Кроме того, в конструкции тестеров для щелочных батарей может быть предусмотрена возможность ступенчатого регулирования нагрузки для высокой точности диагностики.

Не следует пользоваться одной вилкой для проверки разных типов АКБ. У щелочных и кислотных разное номинальное напряжение и тестер будет показывать неточные значения.

Сфера применения

Тестер предназначен для проверки аккумулятора. Это актуально для элементов питания, которые находятся в эксплуатации более двух лет. Метод определения заряда под нагрузкой даёт более точные показания по сравнению с обычным замером напряжения. Простые измерения мультиметром не отобразят полные данные о состоянии АКБ, когда прибор показывает, что батарея полностью заряжена, но она неспособна провернуть стартер для запуска двигателя.

Если владелец автомобиля планирует не обслуживать батарею, а просто утилизировать её, когда она исчерпает ресурс, тестер ему может не понадобиться. Но, когда есть необходимость периодической проверки работоспособности, без нагрузочной вилки не обойтись. Кроме того, она понадобится автоэлектрикам, которые занимаются диагностикой и ремонтом электрооборудования автомобилей.

Изготовление нагрузочной вилки

Цена фабричных тестеров сопоставима со стоимостью новой аккумуляторной батареи, что делает покупку прибора для разового применения необоснованной. Однако сделать простое диагностическое оборудование можно самостоятельно из доступных комплектующих. При сборке прибора важно точно подобрать сопротивление нагрузки, чтобы получить корректные показания.

Необходимые материалы

Основной компонент тестера – резистор. Через него будет проходить ток большой величины, что нагреет его до высоких температур. Для самодельного изготовления нагрузки можно взять отрезок сопротивления для сварочных аппаратов. Внешне оно выглядит как спиральная пружина, выполненная из металлической полосы толщиной 2 и шириной 10 мм.

Для сборки прибора понадобится отрезок не больше 20 см. Более точно определить длину можно мультиметром, измеряя сопротивление на разных участках проводника. Когда параметр приблизится к значению 0,1 Ом, это будет означать, что щупы находятся на нужном расстоянии друг от друга. К обозначенной длине необходимо прибавить 2 см для формирования зажимов.

Величину напряжения показывает вольтметр. Его можно заменить мультиметром, но в этом случае вилка не станет полноценным тестером. Вольтметр можно использовать стрелочный или цифровой. Предел измерения напряжения должен быть не меньше 16 В. Слишком завышенный номинал также нежелателен: с увеличением шкалы растёт погрешность измерения.

Правильно оценить степень заряженности батареи поможет таблица соответствия плотности электролита, напряжения до подключения нагрузки и во время испытания.

1. Металлический корпус. Его можно взять от фабричного электроприбора подходящего размера или сделать самостоятельно из тонколистового металла.
2. Рукоятка. Её делают из любого материала, но лучше использовать негорючие.
3. Тонкие провода с зажимами для подключения вольтметра.
4. Крепёж.

Сборка вилки

Изготовление тестера подразумевает объединение его составляющих в единое целое:

1. К резистору крепят токоведущий наконечник, кабель. Место контакта должно быть плотным и зачищенным от следов коррозии. Большой ток и температура могут ослабить контакт, что повлияет на точность прибора и его долговечность.
2. В корпусе подготавливают отверстия для монтажа вольтметра, крепления ручки и резистора с наконечником. Места, отведённого под сопротивления, должно хватать для беспрепятственного отвода тепла.
3. Вольтметр соединяют тонким проводом с резистором в месте крепления кабеля и с небольшим зажимом, предназначенным для коммутации с АКБ.
4. Устанавливают все компоненты в корпус, проверяют, что провода не касаются друг друга и резистора.
5. Ко второму концу кабеля крепят силовой зажим.
6. Тестируют прибор. Если обнаружатся слабые контакты (металл в этих местах будет сильно нагреваться), их обжимают или усиливают.

Диагностика

Самодельная вилка, как и фабричная, позволяет проверить аккумулятор в двух режимах: под нагрузкой и без неё. В первом случае тестирование проводят для измерения напряжения на порталах батареи после её простоя. Полученное значение будет характеризовать уровень заряда источника питания. Проверить батарею нагрузкой необходимо для определения её ёмкости. Величина напряжения во время теста покажет работоспособность АКБ. Для получения корректных показаний вилки её и аккумулятор необходимо правильно подготовить к работе.

Тест под нагрузкой не выполняют дольше 6-10 секунд. Продолжительное воздействие приводит к перегреву резистора, может навредить аккумулятору и вывести из строя нагрузочную вилку.

Подготовка батареи к диагностике

Перед тем как приступить к тестированию, АКБ необходимо полностью зарядить. Для этого необходимо ездить на автомобиле не менее 30 минут, чтобы генератор восполнил заряд. Можно оставить батарею на 12 часов заряжаться от сети с помощью соответствующего оборудования. Подготовленный источник питания оставляют в покое минимум на 10 часов без подключения нагрузки. Если АКБ стоит на автомобиле, с неё снимают обе клеммы. Перед тестированием проверяют плотность и уровень электролита, при необходимости доводят его до нормы, доливая дистиллированную воду.

Проверка без нагрузки

Первый этап тестирования – диагностика без приложения нагрузки. Проверку выполняют при температуре батареи 20-25 °C. Если аккумулятор находился на морозе, ему дают прогреться при комнатной температуре. Порядок тестирования:

С нагрузкой

После успешного первого испытания аккумулятор проверяют под нагрузкой. Последовательность тестирования:

1. Коммутацию вилки не меняют или подключают прибор согласно схеме испытания без нагрузки.
2. Токоведущим наконечником касаются минусового вывода батареи.
3. Через 5 секунд фиксируют показания вольтметра, сравнивают их с табличными значениями.
4. Дают аккумулятору 10 минут на восстановление, повторяют тест.
5. Падение напряжения на клеммах ниже 9 В свидетельствует о критическом состоянии АКБ.

Нагрузочной вилкой легко пользоваться, она имеет простую конструкцию. Её можно изготовить самостоятельно, чтобы она всегда была под рукой автовладельца для оперативной диагностики состояния аккумуляторной батареи.

Это устройство предназначено для измерения ёмкости аккумуляторов и их батарей напряжением в заряжен­ном состоянии 1…25 В при разрядном токе 0,1… 10 А. Оно отличается от раз­работанных автором ранее [1,2] более точным измерением ёмкости за счёт того, что в процессе разрядки контро­лируется и учитывается текущее значе­ние разрядного тока. Измеряемая ём­кость может находиться в пределах от 0,001 до 65,536 А·ч.

Схема измерителя показана на рисунке. К нему подключают заряжен­ный аккумулятор (батарею), ёмкость ко­торого предстоит определить. Напряжение и разрядный ток аккумулятора измеряет АЦП микроконтроллера DD1. Значения этих величин отображаются в разрядах 8—10 (крайних правых) ЖКИ HG1 и сопровождаются буквами U для напряжения или I для тока в разряде 7 индикатора. Переключение отображае­мой величины выполняют нажатием и удержанием кнопки SB1.

Схема измерителя ёмкости аккумуляторных батарей

Процесс измерения ёмкости аккуму­лятора запускают нажатием на кнопку SB2 длительностью не менее 0,5 с. Если в этот момент напряжение аккумулято­ра больше 0,8 В, программа микроконт­роллера устанавливает на его выводе 11 (РА7) высокий логический уровень напряжения. Это открывает ключ на полевом транзисторе VT1, подключаю­щий к проверяемому аккумулятору на­грузочный резистор R1. Резистор R6 — датчик разрядного тока.

В случае, если напряжение более 0,8 В, но измеренный ток разрядки пре­вышает 10 А, транзистор VT1 будет закрыт.

О нормально идущем процессе из­мерения ёмкости свидетельствует ми­гание светодиода HL1 с частотой 0,5 Гц. При этом текущее количество электриче­ства, отданное аккумулятором в нагрузку, отображается в разрядах 1—5 индика­тора (крайних левых) в ампер-часах с тремя десятичными знаками после за­пятой. Незначащий ноль в разряде десят­ков ампер-часов программно гасится.

Сигналом завершения процесса из­мерения служит непрерывное свечение светодиода. По его окончании транзис­тор VT1 закрывается, а выведенное на индикатор отданное аккумулятором ко­личество электричества (его ёмкость) со­хранится на нём до выключения питания.

Алгоритм измерения следующий. При нажатии на кнопку SB2 к аккумуля­тору подключается нагрузка, измеряет­ся напряжение на ней, вычисляется напряжение, до которого нужно разря­дить аккумулятор (оно меньше началь­ного на 25 %), и измеряется ток разряд­ки по падению напряжения на резисторе R6. Если ток не превышает 10 А, то каж­дые 36 с (0,01 часа) выведенное на ин­дикатор значение отданного количества электричества увеличивается на 1/100 текущего значения разрядного тока.

Разрядный ток зависит от сопротив­ления нагрузочного резистора R1. Но­минал и мощность этого резистора выбирают в зависимости от типа прове­ряемого аккумулятора или их батареи. Для плавной регулировки тока здесь можно применить реостат. Максималь­ное падение напряжения на датчике тока не превышает 100 мВ.

Налаживание устройства сводится к калибровке его измерителей тока и напряжения по образцовым приборам. Сначала подборкой резистора R2 уста­навливают на индикаторе HG1 значе­ние, равное показанию образцового вольтметра. Затем, замкнув контакты кнопки SB1, подборкой резистора R6 устанавливают измеренное значение тока по образцовому амперметру.

Программа микроконтроллера напи­сана на языке ассемблера в среде раз­работки AVR Studio 4.19. Младший байт конфигурации микроконтроллера дол­жен быть запрограммирован равным 0хЕЕ, старший байт — 0x17.

ЛИТЕРАТУРА

1. Озолин М. Измеритель ёмкости акку­муляторов на микроконтроллере. — Радио, 2009, №3, с. 28,29.
2. Озолин М. Цифровой измеритель ём­кости и внутреннего сопротивления аккуму­лятора. — Радио, 2012, № 3, с. 20.

Автор: М. ОЗОЛИН, с. Красный Яр Томской обл.
Источник: Радио №7, 2015

Когда речь заходит о создании аккумуляторных батарей, литий-ионные элементы являются, без сомнения, одними из самых лучших. Но если вы используете старые батареи, например, от старого ноутбука, то, возможно, захотите провести тест емкости перед сборкой батарейного блока.

Поэтому сегодня мы покажем вам, как сделать Li-ion измеритель емкости, используя микроконтроллер Ардуино.

Шаг 1. Всё, что нам нужно

Ниже перечислим комплектующие для проекта:

1. PCB (печатная плата);
2. Силовой резистор;
3. Резистор 10К;
4. OLED (светодиодный дисплей)
5. Ардуино
6. Зуммер
7. Разъемы для подключения винтовых клемм
8. 40-контактный разъем/коннектор (или меньше)
9. Транзистор IRFZ44N

Шаг 2. Что такое емкость?

Прежде чем делать наш Ардуино тестер, мы должны немного разобраться в том, что такое емкость. Единица для емкости - мАч или Ач.

Если вы посмотрите на любую литий-ионную емкость (см. фото выше), то на неё будет упомянута ее емкость - на рисунке 2600 мАч.

В основном, это означает, что если мы подключим нагрузку на нее, которая составит 2.6A, эта батарея будет работать в течение часа. Точно так же, если у меня есть аккумулятор емкостью 1000 мАч и нагрузка 2A, то он длительность составит 30 минут. Примерно это означают мАч или Ач.

Шаг 3. Практически невозможно

Но вычисление таким образом практически невозможно, потому что все мы знаем V = IR. Первоначально, напряжение батареи будет 4,2 В, если мы будем поддерживать постоянное сопротивление, будет протекать некоторый ток, протекающий через нагрузку. Но с течением времени напряжение батареи будет уменьшаться, а также наш ток. Это сделает наши вычисления намного сложнее, чем ожидалось, потому что нам нужно будет измерить ток и время для каждого раза.

В таком случае выполнения всех расчетов практически невозможно, поэтому здесь мы будем использовать Ардуино, которая будет измерять текущее время и напряжение, обрабатывать информацию и, в конце концов, давать нам пропускную способность.

Шаг 4. Наша схема

У нас был SPI OLED, который валялся без дела, поэтому мы преобразовали его в I2C и использовали. Если вы хотите узнать, как преобразовать SPI в OLED, то мы обязательно это разберем в ближайших уроках.

Схему проекта смотрите выше. И вот как работает эта схема. Сначала Arduino измеряет падение напряжения, создаваемое резистором 10 Ом, если выше 4,3 В, тогда она отключит высокое напряжение дисплея MOSFET, если оно меньше 2,9 В, оно отображает низкое напряжение и выключает MOSFET, а если находится между 4,3 В и 2,9 В, то она включит MOSFET. Батарея начнет разряжаться через резистор, начнется измерение тока, используя закон Ома. Ардуино также использует функцию Миллиса для измерения времени, а произведение тока и времени дает нам пропускную способность.

Шаг 5. Скетч для Ардуино

Вы можете взять код или скачать его ниже:

Шаг 6. Финальный результат

В итоге после тестирования вы можете начать процесс пайки на печатной плате. Рекомендуем использовать коннекторы, так как позже вам может понадобятся дисплей OLED или Arduino для другого проекта.

После пайки, когда вы подключаете мощность, всё может работать не так, как ожидалось. Возможно, потому что мы забыли добавить, так называемые, Pull Up резисторы на интерфейсе шины I2C, поэтому мы вернулись к коду и использовали встроенные резисторы Ардуино.

Теперь Ардуино тестер литий-ионных батарей работает отлично.

Читайте также:

  
• Книжка маша и медведь своими руками
  
• Ось z для чпу своими руками
  
• Ремонт медных трубок своими руками
  
• Ремонт часов слава своими руками
  
• Клей из смолы своими руками