Merač vnútorného odporu LiPol batérií - 1.časť - Schéma
Článok z 29.6.2010.
Janek Ledecký vo svojej piesni spieva: "Sliby se maj plnit o Vánocích".
No, Vianoce síce nie sú, ale my svoj sľub aj tak plníme a po častiach prinášame naše "know how" ku stavbe prístroja, ktorým si môžete zmerať kondíciu svojich LiPoliek.
autor: Janko O.
Ačkoľvek to nie je v súlade s didaktickými zásadami, tak najskôr zverejníme schému zapojenia a v ďalších dňoch popíšeme popis meracej metódy. Čo nás k tomu viedlo? Snaha o "prekrývanie etáp", čiže ak je niekto skalopevne rozhodnutý si takýto merač postaviť, môže začať s návrhom plošného spoja (do zobrazenej krabičky by mal mať rozmery asi: 42 x 142 mm), alebo si môže aspoň začať zháňať súčiastky. A v čom spočíva princíp merania vnútorného odporu LiPol batérií, to sa dozvie neskôr.
Ešte skôr, ako ukážeme schému, musíme záujemcov upozorniť, že tento prístroj sme si s bratom Miroslavom tak povediac "ušili na mieru". Ako sme už dávnejšie na našej Web stránke uviedli, čo sa týka LiPol batérií, držíme sa akejsi dohodnutej "unifikácie". Tá spočíva v tom, že na pohon takmer všetkých modelov, ktoré máme, používame 3-článkové LiPol batérie, ktoré vo väčších modeloch bývajú zapojené paralelne. Ani brat ani ja nemáme žiadnu viac ako 3-článkovú LiPolku. Dôvody tohoto našeho rozhodnutia sú uvedené v sérii článkov "Zapojenie batérií - paralelne či sériovo? - 1.časť" . Z toho logicky vyplýva, že aj náš merač vnútorného odporu je uspôsobený na meranie (dvoj a) troj-článkových LiPoliek.
Ak teraz "posmutneli" majitelia viac ako 3-článkových batérií, tak nemusia ešte vyložene "zúfať", pretože v závere tejto mini série o merači Ri, uvedieme principiálnu schému aj 4- a viac-článkového merača.
Ale teraz už k samotnej schéme. No vlastne to budú schémy tri: prvá (pôvodná) verzia má mikrokontrolér "taktovaný" kryštálom, ale keďže sa v programe nevyskytujú časovo kritické operácie, je možné mikrokontrolér taktovať aj vstavaným (interným) oscilátorom (druhá - lacnejšia verzia), čím sa ušetrí nejaké to Euro za kryštál a dva kondenzátory a navyše sa mierne zjednoduší konštrukcia. Tretia verzia využíva na meranie prúdu prúdový senzor firmy Allegro typ ACS755-50 alebo lepšie ACS712-20, ktoré umožňujú galvanické oddelenie silovej časti a meracej časti (pre možné budúce verzie merača). Táto verzia je najdrahšia a nie je k nej k dispozícii program pre mikrokontrolér, pretože sme od tohoto riešenia upustili, vzhľadom na vysokú cenu prúdového senzora a v jej vývoji sme od určitého času nepokračovali.
.jpg)
Ústrednou súčiastkou merača vnútorného odporu je mikrokontrolér PIC16F819, ktorý má 5 vstupov AD-prevodníka. To znamená, že môže merať 5 rôznych napätí. Tým sú súčasne vymedzené možnosti pre 3-článkové meranie Ri. Z týchto piatich analógových vstupov sú tri použité na meranie napätí jednotlivých článkov LiPol batérie (napätia: U1čl, U2čl a U3čl) a zvyšné dva merajú napätie na zaťažovacom odpore 1 Ohm / 40 Wattov (napätia: URa a URb).
V podstate by stačilo merať len napätie URa (napätie v bode "A"), a zanedbať úbytky napätia na prívodných vodičoch merača a batérie a úbytok napätia na prechodovom odpore silového konektora. Ale v mimoriadne nepriaznivých prípadoch by toto zjednodušenie mohlo do merania vnášať neprípustnú chybu a preto sme sa rozhodli, že meraním napätia URb (napätie v bode "B") eliminujeme spomínané nepredvídateľné úbytky napätia.
.jpg)
Z uvedeného vyplýva, že mikrokontrolérom PIC16F819 nie je možné pri použití tejto meracej metódy merať Ri viac ako 3-článkovej batérie. Keby sa použil mikrokontrolér PIC16F88, ktorý má 7 vstupov AD-prevodníka, bolo by možné merať až 5-článkové sady. Nakoniec sme vyriešili aj tento problém a s mikrokontrolérom PIC16F88 je možné merať aj 6-článkové LiPolky.
Keďže tieto mikrokontroléry sú napájané napätím 5 Voltov, čo je súčasne referenčné napätie AD-prevodníka, nie je možné nimi priamo merať napätia vyššie ako 5 Voltov. Na meranie viac ako 5 Voltov je treba vstupné napätia zmenšiť odporovými deličmi. Ale od presnosti týchto odporov je závislá aj presnosť merania napätia článkov a v konečnom dôsledku aj presnosť výpočtu Ri. Preto tieto odpory (na schémach sú zeleno a modro vyplnené) musia byť buď presné (to sme nerobili), ale presne zmerané a ich hodnota je do programu dosadená ako parameter (takto sme to robili).
Prvá metóda je vhodná pre sériovú výrobu, druhá pre kusovú výrobu. Ďalšou, na presnosť kritickou súčiastkou, je štvorica výkonových zaťažovacích rezistorov 1 Ohm / 10 W (na schémach sú hnedo vyplnené). Ich sério-paralelné zapojenie dáva vo výsledku opäť 1 Ohm, ale výkon 40 Wattov. Hodnota tohoto výsledného rezistora (1 Ohm / 40W) musí byť opäť presná alebo presne zmeraná, pretože mikrokontroléru slúži na výpočet veľkosti zaťažovacieho prúdu (mikrokontrolér zmeria napätie na tomto rezistore, jeho hodnota je známa - je použitá ako parameter a podľa Ohmovho zákona mikrokontrolér vypočíta prúd). My sme mali pri kúpe týchto rezistorov asi šťastie, pretože po ich zapojení "dávali" 1002 miliOhmov, čo sme kľudne mohli zaokrúhliť na 1 Ohm, ale do programu sme aj tak vložili hodnotu 1002.
Cez to všetko, že pri návrhu sme sa snažili dosiahnuť maximálnu presnosť, jedno sme ovplyvniť nedokázali - presnosť (rozlišovaciu schopnosť) AD-prevodníka, ktorý je súčasťou mikrokontroléra. Jedná sa o 10-bitový prevodník, čo pri 5 Voltovom referenčnom napätí a pri zaťažovacom prúde asi 10 Ampérov v konečnom dôsledku prináša presnosť merania vnútorného odporu LiPol batérií na 0,5 miliOhmu (neskôr je táto bilancia trochu vylepšená softvérovými metódami).
Čím je meraná hodnota menšia, tým je nepresnosť väčšia, takže výsledný vnútorný odpor celej batérie je asi 3-krát presnejšie zmeraný, ako vnútorný odpor jednotlivých článkov. Preto keď na displeji dokopy zrátate napätia (U1čl + U2čl + U3čl) alebo vnútorné odpory (Ri1 + Ri2 + Ri3) jednotlivých článkov, nedostanete zobrazené celkové napätie alebo celkový vnútorný odpor batérie. Nechceli sme, aby výsledné napätie alebo výsledný vnútorný odpor boli súčtom troch nepresnejších hodnôt, ale výsledné napätie aj výsledný vnútorný odpor sú získané samostatným výpočtom, ktorý je 3-krát presnejší ako výpočty jednotlivých článkov.
Na záver tohoto článku ešte informácia rýdzo ekonomická: súhrnná cena všetkých súčiastok (displej, mikrokontrolér, výkonový MOSFET tranzistor, výkonové rezistory, stabilizátor LP2950 CZ-5.0 alebo 78L05 a iné) a dielov (krabička, plošný spoj) potrebných na zostavenie merača je v rozmedzí 20 až 25,- €.
V budúcom článku bude popísaná metóda, použitá pri meraní vnútorného odporu batérií.
.jpg)
V priebehu niekoľkých dní bola na základe pripomienok zvýšená presnosť merania vnútorného odporu článku dva a tri, ktorá je spôsobená použitím odporových deličov na zníženie napätia 7,4 resp. 11,1 Voltu do meracieho rozsahu AD-prevodníka (0 až 5 V). Zapojenie bolo "malinko"zmenené (táto zmena súčasne otvorila priestor aj pre konštrukciu merača pre 4-, 5- a 6-článkové LiPol batérie) a samozrejme bol zmenený aj softvér, ktorý bol naviac doplnený o ďalšie zvýšenie komfortu obsluhy. Bližšie tu.
Súvisiace články:
Plošný spoj pre Merač vnútorného odporu LiPol - verzia 3P
Merač vnútorného odporu LiPoliek - 4.časť - Teraz presnejší
Merač vnútorného odporu LiPol batérií - 2. časť - Metóda merania
Merač vnútorného odporu LiPol batérií - 3.časť - Program pre PIC
Konečná podoba merača vnútorného odporu LiPol batérií
Céčka a vnútorný odpor LiPo akumulátorov
Zistenie skutočných Céčok batérie bez špeciálnych prístrojov
Využitie prúdových senzorov v modelárskej praxi
Zmena vnútorného odporu LiPol článkov pri zmene teploty
Measuring Internal Resistance of LiPo Battery, Measure Instrument, C-rate, C rate, Ri meter