Merač vnútorného odporu LiPol batérií - 2. časť - Metóda merania
V 1. časti tejto minisérie boli uvedené schémy zapojenia merača a dnes bude popísaný princíp merania vnútorného odporu LiPol batérií.
My sme použili metódu merania, ktorá sa nám javila ako najmenej problémová a hlavne nenáročná na súčiastky použité v merači. Súčasne sme chceli, aby bol merač malý a nebolo nutné k nemu pripájať ešte ďalšie meracie prístroje.
Jedinou nevýhodou je to, že metóda vyžaduje meranie v dvoch krokoch: meranie bez záťaže a meranie so záťažou. Alebo inak povedané: najskôr sa napätia zmerajú vtedy, keď prúd z batérie neodoberáme a potom sa tie isté napätia zmerajú v stave, keď z batérie odoberáme známy prúd.
autor: Janko O.
Na prvom obrázku sú znázornené schémy zapojenia pre meranie vnútorného odporu tzv. "mäkkých" zdrojov, to znamená zdrojov, ktoré majú veľký vnútorný odpor a preto nemôžu dodávať príliš veľký prúd.
Zapojenie vľavo ukazuje meranie napätia na svorkách batérie bez odberu prúdu a keďže na vnútornom odpore Ri nevznikne žiadny úbytok napätia, výstupné napätie Uo = Uz. V druhom kroku je na svorky zdroja pripojený ampérmeter a obvodom potečie prúd na krátko Ik. Pretože poznáme napätie Uo a prúd Ik, tak podľa Ohmovho zákona môžeme vypočítať vnútorný odpor Ri = Uo/Ik.
Lenže LiPol batérie (a ani iné tvrdé zdroje) takto merať nemôžeme, pretože obvodom by tiekol taký veľký prúd, že by "odišiel" buď ampérmeter, alebo by explodovala LiPolka, alebo (pri troche "šťastia") by nastalo oboje. Preto sa používa trochu iné zapojenie, kde sa výstupné svorky zdroja "neskratujú" ampérmetrom, ale sa batéria zaťaží odporom Rz, známej hodnoty.
Obvodom by teda pri záťaži mal tiecť taký prúd, aby to "vydržal" zaťažovací odpor aj batéria. Z nameraných hodnôt Uo a Ur a známej hodnoty Rz je potom možné vypočítať neznámu hodnotu Ri.
Mierna komplikácia je v tom, že my nechceme merať batériu ako celok a na záver zistiť len jej celkový vnútorný odpor Ri, ale chceme zistiť aj vnútorné odpory jednotlivých článkov LiPolky. Našťastie nám v tom bude nápomocný Servisný konektor, ktorý nám v tomto prípade poskytne neoceniteľné služby.
Ďalšou komplikáciou je to, že jednotlivé články batérie sú zapojené do série a AD-prevodník v mikrokontroléri meria napätie v našom prípade vždy voči nulovej (spoločnej) svorke servisného konektora. Preto pri meraní napätia druhého a tretieho článku musíme použiť "fintu". Merač Napätia MN1 meria priamo napätie prvého článku, to je jednoduché. Ale Merač Napätia MN2 meria súčet napätí článku 1 a článku 2. Takže na získanie hodnoty napätia článku 2, musíme od hodnoty MN2 odrátať hodnotu MN1. Obdobne na získanie hodnoty napätia článku 3, musíme od hodnoty MN3 odrátať hodnotu MN2. V skutočnosti je celá situácia ďalej komplikovaná tým, že pri hodnote referenčného napätia AD-prevodníka Uref = 5 Voltov, je nutné na vstupy MN2 a MN3 zapojiť odporové deliče, ktoré znížia vstupné napätie z hodnoty 7,4 V (11,1 V) napr. na hodnotu 3,7 a pri výpočtoch Ri namerané hodnoty spätne vynásobiť dvomi (tromi). Ale to je pre mikrokontrolér "malina" a hravo si s takýmito výpočtami poradí.
Predchádzajúci obrázok znázorňoval meranie napätí na LiPolke bez záťaže, ďalší obrázok ukazuje pomery pri záťaži známym prúdom a tiež spôsob ako dosiahnuť, aby zaťažovací prúd (Iz) bol naozaj "známy".
Na silový konektor batérie je pripojený výkonový zaťažovací odpor Rz (v našom prípade 1 Ohm / 40 W, ktorého presná hodnota je podkladom pre výpočet Ri). Ten spôsobí, že obvodom potečie zaťažovací prúd (zdroj zaťažíme) Iz niečo nad 10 Ampérov. Keďže presná znalosť hodnoty tohoto prúdu ovplyvňuje presnosť merania vnútorného odporu, tak je žiadúce, aby sme hodnotu zaťažovacieho prúdu zistili naozaj presne. Jeho veľkosť ovplyvňuje stav nabitia batérie (nabitá batéria = väčšie napätie = väčší prúd) a tiež odpor prívodných silových vodičov a prechodový odpor silového konektora. Preto nestačí zmerať hodnotu MN4, ale je treba zmerať aj hodnotu MN5 a ich rozdiel je hodnota napätia na zaťažovazom odpore (URz = MN4 - MN5). A keďže hodnota Rz je známa, tak z hodnôt URz a Rz mikrokontrolér hravo vypožíta skutočnú hodnotu zaťažovacieho prúdu.
Samotné meranie je mikrokontrolérom riadené tak, aby bola ustálená hodnota napätí bez záťaže získaná ako priemer z opakovaných 10-tich meraní (s určitým časovým odstupom).
Potom mikrokontrolér zabezpečí zopnutie tranzistora T1 (IRF4905), cez ktorý bude zaťažovací prúd Iz tiecť rezistorom Rz ďalej. Po určitom - presne definovanom čase, mikrokontrolér prostredníctvom svojho AD-prevodníka zmeria všetky napätia v obvode. Potom nasleduje odpojenie záťaže (tranzistorom T1), relatívne dlhšia regeneračná pauza a potom sa celý proces merania ešte 4-krát zopakuje. Mikrokontrolér z týchto piatich meracích cyklov opäť vypočíta priemer a na LCD displeji zobrazí výsledné hodnoty.
Z hľadiska väčšej presnosti by bolo vhodnejšie batérie zaťažovať vyšším prúdom ako je asi 10 Ampérov, ale to už by niektoré slabšie batérie mohli "ťažko znášať" a aj watáž zaťažovacích rezistorov by musela stúpnuť. Takže táto hodnota bola zvolená ako akýsi prijateľný kompromis. Pri rozlišovacej schopnosti 10-bitových AD-prevodníkov asi 5 miliVoltov, vychádza presnosť merania Ri asi 0,5 miliOhmu, čo však procedúrami v podstate 50-násobného opakovania za postupne trochu menených podmienok (vplyvom záťaže napätie jednotlivých článkov LiPol "málinko" klesá) môže priniesť mierne zvýšenie presnosti. Cez to všetko udávame presnosť merania na 0,5 miliOhmu.
V budúcom pokračovaní budú naznačené spôsoby merania vnútorného odporu Ri pri viac ako 3-článkových batériách.
Súvisiace články:
Plošný spoj pre Merač vnútorného odporu LiPol - verzia 3P
Merač vnútorného odporu LiPoliek - 4.časť - Teraz presnejší
Merač vnútorného odporu LiPol batérií - 1.časť - Schéma
Merač vnútorného odporu LiPol batérií - 3.časť - Program pre PIC
Konečná podoba merača vnútorného odporu LiPol batérií
Zistenie skutočných Céčok batérie bez špeciálnych prístrojov
Céčka a vnútorný odpor LiPo akumulátorov
Measuring Internal Resistance of LiPo Battery
Measuring Internal Resistance of LiPo Battery, Measure Instrument, C-rate, C rate, Ri meter