CC BY-NC
35Устройство 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 Univsrsity 344000, Russia, Rostov-on-Don, Gagarina, 1
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 Univsrsity 344000, Russia, Rostov-on-Don, Gagarina, 1
Статья из рубрики "Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы"
Аннотация. Предметом исследования является аккумуляторные батареи мобильных средств связи. Саморазряд аккумуляторов зависит от качества использованных материалов, технологического процесса изготовления, типа и конструкции аккумулятора. Он резко возрастает при повышении окружающей температуры, повреждении внутреннего сепаратора аккумулятора из-за неправильного обслуживания и вследствие процесса старения. Для конечного потребителя более интересными являются перезаряжаемые или аккумуляторные батареи, производство которых в настоящее время представляет наиболее динамично развивающийся сектор экономики. В связи с этим ужесточается конкуренция на рынке потребительских услуг и сервиса; поэтому задача разработки устройства экспресс- тестирования аккумуляторных батарей является актуальной, которое, в отличие от зарубежных, будет иметь низкую себестоимость и отвечать всем требованиям качественного ремонта и сервисного обслуживания. Методология исследования, заключается в том, что в процессе эксплуатации емкость аккумулятора уменьшается. Скорость уменьшения зависит от типа электрохимической системы, технологии обслуживания в процессе работы, используемых зарядных устройств, условий и срока эксплуатации. Внутреннее сопротивление аккумулятора (сопротивление источника тока) определяет его способность отдавать в нагрузку большой ток. Эта зависимость подчиняется закону Ома. При низком значении внутреннего сопротивления, аккумулятор способен отдать в нагрузку больший пиковый ток (без существенного уменьшения напряжения на его выводах), а значит и большую пиковую мощность. В то время как высокое значение сопротивления приводит к резкому уменьшению напряжения на выводах аккумулятора при резком увеличении тока нагрузки. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от типа его электрохимической системы, емкости, числа элементов в аккумуляторе, соединенных последовательно, и возрастает к концу срока эксплуатации. Особым
вкладом авторов в исследование заключается то, что произведена разработка аппаратной и программной части устройства экспресс-тестирования аккумуляторных батарей мобильных средств связи. Разрабатываемое устройство экспресс-тестирования мобильных средств связи планируется использовать в авторизованных сервисных центрах и магазинах по продаже мобильной техники.
Ключевые слова: тестирование, аккумулятор, мобильные средства связи, микроконтроллер, индикация емкости, ток разряда, ток заряда, Среднее время обслуживания, Точность, Программирование пользователем
DOI: 10.7256/2453-8884.2017.1.21293
Дата направления в редакцию: 09-12-2016
Дата публикации: 08-04-2017
Abstract. The authors consider accumulator batteries of mobile communication facilities. Battery self-discharge depends on the quality of the materials used, the technological process of production, the type, and the construct of the accumulator. It increases sharply with the increase of environmental temperature and upon the internal separator damage in the result of inappropriate service or aging process. Rechargeable or accumulator batteries are more popular among the final consumers, and their production is one of the most dynamically developing sectors of the economy. It promotes consumer services competition; therefore, the problem of creation of an express-testing device for accumulator batteries is urgent. Unlike the imported devices, it will have low cost-price and comply with all repair and service requirements. The research methodology is based on the fact that accumulator capacity reduces while in operation. The reduction speed depends on the type of electrochemical system, the service technology, the battery chargers used, and conditions and terms of exploitation. Accumulator's internal resistance (current source resistance) determines its ability to give up heavy current. Its dependency obeys Ohm's law. At law rates of internal resistance, an accumulator can give up heavier peak current (without significant reduction of terminal voltage), and, consequently, the bigger peak power; while high resistance leads to sharp reduction of peak power at sharp reduction of load current. Internal resistance of an accumulator depends on its electrochemical system type, capacity, number of cells connected in series, and increases by the end of its life. The authors have designed the hardware component of a device for accumulator batteries express testing. The device can be used in authorized service centers and electronic stores.
Keywords: discharge current, capacity indication, microcontroller, mobile communication facilities, accumulator battery, testing, charge current, average service time, precision, user programming
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-Ш.
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 пре обра з о в а ния о дно по ля рно г о на пря ж е ния в дв упо ля рно е для по лно це нно й ра б о ты 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 (Явн);
- 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. Количе1 ство элементов батареи рассчитывают по формуле (1):
и
ж
(1),
где:
ин - напряжение нагрузки;
иэл- 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). действительную мощность можно рассчитать по формуле (2):
В этом случае
р
р _ Г1Щ
(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:
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 преоб1 разователя 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 оди1 наковую 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):
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:
3. Рассчитываем напряжение конца разряда элемента:
=
1/ 904
мин&аж _ - ■ _ | 7(2?)
N
120
(6)
4. Рассчитываем емкость батареи по формуле (11):
Я» г* 5300
С = ■
ЛГ^ 120 1.872
= 23,5 6(Л-ч)
(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.
Библиография
1. Зайцев И.П. Сноровка в зарядке — тренировке. Контроллеры заряда аккумуляторов автономных устройств // Компоненты и технологии : журнал. — 2006. — № 9.
2. Ходасевич А., Ходасевич Т. Зарядные и пуско-зарядные устройства. Изд.: НТ Пресс, 2005
3. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. Изд.:Изумруд, 2015.
4. Хьюз Дж., Мичтом Дж. «Структурный подход к программированию». Изд. Мир, М., 2012
5. Харитонов А.А., и др. Разработка интерфейса технических устройств. С.-Петербург,
2011
References (transliterated)
1. Zaitsev I.P. Snorovka v zaryadke — trenirovke. Kontrollery zaryada akkumulyatorov avtonomnykh ustroistv // Komponenty i tekhnologii : zhurnal. — 2006. — № 9.
2. Khodasevich A., Khodasevich T. Zaryadnye i pusko-zaryadnye ustroistva. Izd.: NT Press, 2005
3. Khrustalev D.A. Akkumulyatory. Izd.:Izumrud, 2015.
4. Kh'yuz Dzh., Michtom Dzh. «Strukturnyi podkhod k programmirovaniyu». Izd. Mir, M., 2012
5. Kharitonov A.A., i dr. Razrabotka interfeisa tekhnicheskikh ustroistv. S.-Peterburg, 2011
