اختبار سعة البطارية باستخدام Arduino [Lithium-NiMH-NiCd]: 15 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

سمات:

• التعرف على بطارية ليثيوم أيون / ليثيوم بوليمر / NiCd / NiMH مزيفة
• الحمل الحالي الثابت القابل للتعديل (يمكن تعديله بواسطة المستخدم أيضًا)
• قادرة على قياس سعة أي نوع من البطاريات تقريبًا (أقل من 5 فولت)
• سهل اللحام والبناء والاستخدام ، حتى للمبتدئين (جميع المكونات مغموسة)
• واجهة مستخدم LCD

تحديد:

• إمداد اللوح: 7V إلى 9V (كحد أقصى)
• مدخلات البطارية: 0-5 فولت (كحد أقصى) - لا يوجد قطبية عكسية ثابتة
• الحمل الحالي: 37 مللي أمبير إلى 540 مللي أمبير (كحد أقصى) - 16 خطوة - يمكن تعديلها بواسطة المستخدم

يعد القياس الحقيقي لسعة البطارية أمرًا ضروريًا للعديد من السيناريوهات. يمكن لجهاز قياس السعة حل مشكلة اكتشاف البطاريات المزيفة أيضًا. في الوقت الحاضر ، توجد بطاريات الليثيوم والنيكل هيدريد المقلدة في كل مكان لا تتعامل مع السعات المعلن عنها. يصعب أحيانًا التمييز بين البطارية الحقيقية والمزيفة. توجد هذه المشكلة في سوق البطاريات الاحتياطية ، مثل بطاريات الهواتف المحمولة. علاوة على ذلك ، في العديد من السيناريوهات ، من الضروري تحديد سعة بطارية مستعملة (على سبيل المثال بطارية كمبيوتر محمول). في هذه المقالة ، سوف نتعلم بناء دائرة لقياس سعة البطارية باستخدام لوحة Arduino-Nano الشهيرة. لقد صممت لوحة PCB لمكونات الغمس. لذلك يمكن حتى للمبتدئين لحام الجهاز واستخدامه.

الشكل 1: تحليل الدائرة يوضح الشكل 1 الرسم التخطيطي للجهاز. جوهر الدائرة هو لوحة Arduino-Nano.

الخطوة 1: الشكل 1 ، رسم تخطيطي لجهاز قياس سعة البطارية

IC1 عبارة عن شريحة LM358 [1] تحتوي على مضخمين للعمليات. R5 و C7 يبنيان مرشح تمرير منخفض يحول نبض PWM إلى جهد تيار مستمر. تردد PWM حوالي 500 هرتز. لقد استخدمت راسم الذبذبات Siglent SDS1104X-E لفحص PWM وسلوك المرشح. لقد قمت بتوصيل CH1 بإخراج PWM (Arduino-D10) و CH2 بمخرج الفلتر (الشكل 2). يمكنك أيضًا فحص استجابة تردد المرشح وتردد القطع "عمليًا" من خلال مخطط bode ، والذي يعد أحد الميزات الرائعة المقدمة لـ SDS1104X-E.

الخطوة 2: الشكل 2 ، إشارة PWM (CH1: 2V / div) والنتيجة بعد المرور عبر مرشح R5-C7 RC (CH2: 50mV / div)

R5 هو المقاوم 1M الذي يحد بشكل كبير من التيار ، ومع ذلك ، فإن خرج المرشح يمر عبر opamp (opamp الثاني من IC1) ، في تكوين تابع للجهد. يقوم أول opamp من IC1 و R7 و Q2 ببناء دائرة تحميل تيار مستمر. حتى الآن ، قمنا ببناء حمولة تيار مستمر يمكن التحكم فيها من خلال PWM.

يتم استخدام شاشة LCD 2 * 16 كواجهة مستخدم مما يجعل التحكم / الضبط أمرًا سهلاً. يضبط مقياس الجهد R4 تباين شاشة LCD. R6 يحد من تيار الإضاءة الخلفية. P2 هو موصل موليكس ذو دبابيس يستخدم لتوصيل جرس 5 فولت. R1 و R2 مقاومات سحب للمفاتيح اللمسية. يتم استخدام C3 و C4 للتخلص من الأزرار الانضغاطية. يتم استخدام C1 و C1 لتصفية جهد إمداد الدائرة. يتم استخدام C5 و C6 لتصفية ضوضاء دائرة تحميل التيار المستمر حتى لا تتسبب في تدهور أداء تحويل ADC. يعمل R7 كحمل لـ Q2 MOSFET.

1-1: ما هو الحمل المستمر للتيار المستمر؟

الحمل الحالي الثابت عبارة عن دائرة تقوم دائمًا بسحب كمية ثابتة من التيار ، حتى لو اختلف جهد الدخل المطبق. على سبيل المثال ، إذا قمنا بتوصيل الحمل الحالي الثابت بمصدر طاقة وضبطنا التيار على 250 مللي أمبير ، فلن يتغير السحب الحالي حتى لو كان جهد الدخل 5 فولت أو 12 فولت أو أيًا كان. تتيح لنا هذه الميزة لدائرة الحمل الحالية الثابتة بناء جهاز قياس سعة البطارية. إذا استخدمنا مقاومًا بسيطًا كحمل لقياس سعة البطارية ، مع انخفاض جهد البطارية ، ينخفض التيار أيضًا مما يجعل الحسابات معقدة وغير دقيقة.

2: لوحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يوضح الشكل 3 تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور المصمم للدائرة. يتم استخدام كلا جانبي اللوحة لتركيب المكونات. عندما أنوي تصميم تخطيطي / ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، أستخدم دائمًا مكتبات مكونات SamacSys ، لأن هذه المكتبات تتبع معايير IPC الصناعية وكلها مجانية. لقد استخدمت هذه المكتبات لـ IC1 [2] و Q2 [3] ، وحتى أنني تمكنت من العثور على مكتبة Arduino-Nano (AR1) [4] التي وفرت الكثير من وقت التصميم. أستخدم برنامج Altium Designer CAD ، لذلك استخدمت المكون الإضافي Altium لتثبيت مكتبات المكونات [5]. يوضح الشكل 4 المكونات المحددة.

الخطوة 3: الشكل 3 ، لوحة PCB لدائرة قياس سعة البطارية

عندما أنوي تصميم تخطيطي / ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، أستخدم دائمًا مكتبات مكونات SamacSys ، لأن هذه المكتبات تتبع معايير IPC الصناعية وكلها مجانية. لقد استخدمت هذه المكتبات لـ IC1 [2] و Q2 [3] ، وحتى أنني تمكنت من العثور على مكتبة Arduino-Nano (AR1) [4] التي وفرت الكثير من وقت التصميم. أستخدم برنامج Altium Designer CAD ، لذلك استخدمت المكون الإضافي Altium لتثبيت مكتبات المكونات [5]. يوضح الشكل 4 المكونات المحددة.

الخطوة 4: الشكل 4 ، المكونات المثبتة من SamacSys Altium Plugin

تعد لوحة PCB أكبر قليلاً من شاشة LCD مقاس 2 * 16 لتناسب الأزرار الانضغاطية الثلاثة. تُظهر الأشكال 5 و 6 و 7 مناظر ثلاثية الأبعاد للوحة.

الخطوة 5: الشكل 5: عرض ثلاثي الأبعاد للوحة PCB المجمعة (TOP) ، الشكل 6: عرض ثلاثي الأبعاد للوحة PCB المجمعة (الجانب) ، الشكل 7: عرض ثلاثي الأبعاد للوحة PCB المجمعة (أسفل)

3: التجميع والاختبار لقد استخدمت لوحة PCB شبه محلية الصنع لبناء نموذج أولي سريع واختبار الدائرة. يوضح الشكل 8 صورة للوحة. لست بحاجة إلى متابعتي ، ما عليك سوى طلب PCB لشركة تصنيع PCB محترفة وبناء الجهاز. يجب عليك استخدام نوع مقياس الجهد الدائم لـ R4 والذي يسمح لك بضبط تباين شاشة LCD من جانب اللوحة.

الخطوة 6: الشكل 8: صورة للنموذج الأولي الأول ، على لوح ثنائي الفينيل متعدد الكلور شبه محلي الصنع

بعد لحام المكونات وتجهيز ظروف الاختبار ، نحن على استعداد لاختبار دائرتنا. لا تنسى تركيب خافض حرارة كبير على MOSFET (Q2). لقد اخترت R7 ليكون المقاوم 3 أوم. هذا يسمح لنا بتوليد تيارات ثابتة تصل إلى 750 مللي أمبير ، ولكن في الكود ، قمت بتعيين الحد الأقصى للتيار في مكان ما حول 500 مللي أمبير وهو ما يكفي لغرضنا. يمكن أن يؤدي خفض قيمة المقاوم (على سبيل المثال 1.5 أوم) إلى إنشاء تيارات أعلى ، ومع ذلك ، يجب عليك استخدام المقاوم الأكثر قوة وتعديل كود Arduino. يوضح الشكل 9 اللوحة وأسلاكها الخارجية.

الخطوة 7: الشكل 9: أسلاك جهاز قياس سعة البطارية

جهز جهدًا يتراوح بين 7 و 9 فولت لإدخال الإمداد. لقد استخدمت منظم لوحة Arduino لصنع سكة + 5V. لذلك ، لا تقم مطلقًا بتطبيق جهد أعلى من 9 فولت على إدخال الإمداد ، وإلا فقد تتلف شريحة المنظم. سيتم تشغيل اللوحة ، ويجب أن ترى نصًا على شاشة LCD ، كما هو الحال في الشكل 10. إذا كنت تستخدم إضاءة خلفية زرقاء 2 * 16 LCD ، فستستهلك الدائرة حوالي 75 مللي أمبير.

الخطوة 8: الشكل 10: تصحيح مؤشر تشغيل الدائرة على شاشة LCD

بعد حوالي 3 ثوانٍ ، سيتم مسح النص وفي الشاشة التالية ، يمكنك ضبط القيمة الحالية الثابتة عن طريق أزرار الدفع لأعلى / لأسفل (الشكل 11).

الخطوة 9: الشكل 11: تعديل الحمل الحالي الثابت عن طريق أزرار الضغط لأعلى / لأسفل

قبل توصيل البطارية بالجهاز وقياس سعتها ، يمكنك فحص الدائرة باستخدام مصدر طاقة. لهذا الغرض ، يجب عليك توصيل موصل P3 بمصدر الطاقة.

هام: لا تقم أبدًا بتطبيق أي جهد أعلى من 5 فولت ، أو في قطبية عكسية ، على إدخال البطارية ، وإلا فسوف تتلف بشكل دائم الرقم الرقمي الخاص بـ Arduino بدبوس المحول

قم بتعيين الحد الحالي المطلوب (على سبيل المثال 100 مللي أمبير) واللعب بجهد إمداد الطاقة (ابق أقل من 5 فولت). كما ترى مع أي جهد دخل ، يظل التدفق الحالي سليماً. هذا بالضبط ما نريده! (الشكل 12).

الخطوة 10: الشكل 12: يظل التدفق الحالي ثابتًا حتى أمام تغيرات الجهد (تم اختباره بمدخلات 4.3 فولت و 2.4 فولت)

زر الضغط الثالث هو إعادة التعيين. هذا يعني أنه ببساطة يعيد تشغيل اللوحة. يكون مفيدًا عندما تخطط لإعادة بدء الإجراء لاختبار زبدة مختلفة.

على أي حال ، أنت الآن متأكد من أن جهازك يعمل بشكل لا تشوبه شائبة. يمكنك فصل مصدر الطاقة وتوصيل البطارية بمدخل البطارية وتعيين الحد الحالي المطلوب.

لبدء الاختبار الخاص بي ، اخترت بطارية ليثيوم أيون جديدة 8 ، 800 مللي أمبير (الشكل 13). يبدو أنه معدل رائع ، أليس كذلك ؟! لكن لا يمكنني تصديق هذا بطريقة ما:-) ، لذلك دعونا نختبر ذلك.

الخطوة 11: الشكل 13: بطارية ليثيوم أيون مصنفة بقوة 8 ، 800 مللي أمبير ، حقيقية أم مزيفة ؟

قبل توصيل بطارية الليثيوم باللوحة ، يجب أن نقوم بشحنها ، لذا يرجى إعداد 4.20 فولت ثابت (بحد 500 مللي أمبير CC أو أقل) مع مزود الطاقة الخاص بك (على سبيل المثال ، باستخدام مصدر طاقة التحويل المتغير في المقالة السابقة) والشحن البطارية حتى يصل التدفق الحالي إلى مستوى منخفض. لا تشحن بطارية غير معروفة بتيارات عالية ، لأننا لسنا متأكدين من قدرتها الحقيقية! قد تؤدي التيارات عالية الشحن إلى انفجار البطارية! كن حذرا. نتيجة لذلك ، اتبعت هذا الإجراء وبطاريتنا 8 ، 800 مللي أمبير جاهزة لقياس السعة.

لقد استخدمت حامل بطارية لتوصيل البطارية باللوحة. تأكد من استخدام الأسلاك السميكة والقصيرة التي تقدم مقاومة منخفضة لأن تبديد الطاقة في الأسلاك يسبب انخفاض الجهد وعدم الدقة.

دعونا نضبط التيار على 500mA ونضغط طويلاً على الزر "UP". ثم يجب أن تسمع صوتًا ويبدأ الإجراء (الشكل 14). لقد قمت بضبط جهد القطع (عتبة البطارية المنخفضة) على 3.2 فولت. يمكنك تعديل هذا الحد في الكود إذا أردت.

الخطوة 12: الشكل 14: إجراء حساب سعة البطارية

في الأساس ، يجب أن نحسب "عمر" البطارية قبل أن يصل جهدها إلى عتبة المستوى المنخفض. يوضح الشكل 15 الوقت الذي يقوم فيه الجهاز بفصل حمل التيار المباشر عن البطارية (3.2 فولت) ويتم إجراء الحسابات. يُصدر الجهاز أيضًا صوتين طويلين للإشارة إلى نهاية الإجراء. كما ترى في شاشة LCD ، فإن سعة البطارية الحقيقية هي 1 ، 190 مللي أمبير في الساعة وهي بعيدة كل البعد عن السعة المعلنة! يمكنك اتباع نفس الإجراء لاختبار أي بطارية (أقل من 5 فولت).

الخطوة 13: الشكل 15: السعة المحسوبة الحقيقية لبطارية ليثيوم أيون المقدرة 8.800mA

يوضح الشكل 16 فاتورة المواد لهذه الدائرة.

الخطوة 14: الشكل 16: فاتورة المواد

الخطوة 15: المراجع

مصدر المقال:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: