Probador de capacidad de batería usando Arduino [Lithium-NiMH-NiCd]

Este artículo fue publicado originalmente en: https://www.pcbway.com/blog/technology/Battery_capacity_measurement_using_Arduino.html

Medir con precisión la capacidad de la batería es esencial en muchos escenarios. Los dispositivos de medición de capacitancia también pueden resolver el problema de identificar baterías falsas. Ahora hay baterías de hidruro metálico de níquel y litio falsas en todas partes que no manejan las capacidades anunciadas. Puede ser difícil distinguir entre baterías genuinas y falsas. Este problema existe en el mercado de baterías de repuesto, como las baterías de teléfonos celulares. Además, en muchos escenarios, es esencial determinar la capacidad de una batería usada (como la batería de una computadora portátil). En este artículo, aprenda a construir un circuito de medición de capacidad de batería utilizando la famosa placa Arduino-Nano. He diseñado una placa PCB para un componente de inmersión. Entonces, incluso los principiantes pueden soldar y usar el dispositivo.

característica:

Detecte baterías falsas de Li-Ion/Li-Polymer/NiCd/NiMH
Carga de corriente constante ajustable (puede ser cambiada por el usuario)
Puede medir la capacidad de casi cualquier tipo de batería (menos de 5 V)
Fácil de soldar, ensamblar y usar para principiantes (todos los componentes son inmersiones)
Interfaz de usuario LCD

especificación:

Fuente de alimentación de la placa: 7V a 9V (máx.)
Entrada de batería: 0-5 V (máx.), sin polaridad inversa
Carga de corriente constante: 37 mA a 540 mA (máx.) – 16 pasos – configurable por el usuario

análisis de circuito

La figura 1 muestra un esquema del dispositivo. El núcleo del circuito es la placa Arduino-Nano.

Figura 1: Diagrama esquemático del dispositivo de medición de la capacidad de la batería

IC1 es LM358 [1] Un chip con dos amplificadores operacionales. R5 y C7 construyen un filtro de paso bajo que convierte el pulso PWM en un voltaje de CC. La frecuencia PWM es de aproximadamente 500 Hz. Se utilizó un osciloscopio Siglent SDS1104X-E para examinar el PWM y el comportamiento del filtro. Conecté CH1 a la salida PWM (Arduino-D10) y CH2 a la salida del filtro (Figura 2). Una de las excelentes características introducidas en el SDS1104X-E es el diagrama de Bode, que también le permite examinar la respuesta de frecuencia del filtro y su frecuencia de corte en la “vida real”.

Figura 2: Señal PWM (CH1: 2V/div) y resultado después de pasar por el filtro RC R5-C7 (CH2: 50mV/div)

R5 es una resistencia de 1 MΩ que limita en gran medida la corriente, mientras que la salida del filtro pasa a través de un amplificador operacional en configuración de seguidor de voltaje (el segundo amplificador operacional en IC1). IC1, R7 y el primer amplificador operacional en Q2 construyen un circuito de carga de corriente constante. Hasta ahora, hemos creado una carga de corriente constante controlable por PWM.

Se utiliza una pantalla LCD de 2×16 como interfaz de usuario para facilitar el control y el ajuste. El potenciómetro R4 establece el contraste de la pantalla LCD. R6 limita la corriente de retroiluminación. P2 es un conector Molex de 2 pines que se utiliza para conectar un zumbador de 5V. R1 y R2 son resistencias pull-up de interruptor táctil. C3 y C4 se utilizan para eliminar el rebote de los botones. C1 y C1 se utilizan para filtrar la tensión de alimentación del circuito. C5 y C6 se utilizan para filtrar el ruido en el circuito de carga de corriente constante para no degradar el rendimiento de conversión de ADC. R7 actúa como una carga para Q2 MOSFET.

¿Qué es una carga de CC de corriente constante?

Una carga de corriente constante es un circuito en el que siempre fluye una corriente constante incluso si cambia el voltaje de entrada. Por ejemplo, si conecta una carga de corriente constante a la fuente de alimentación y establece la corriente en 250 mA, el consumo de corriente no cambiará si el voltaje de entrada es de 5 V o 12 V. Esta característica del circuito de carga de corriente constante permite construir un dispositivo de medición de la capacidad de la batería. El uso de una resistencia simple como carga para medir la capacidad de la batería es complicado e impreciso porque la corriente disminuye a medida que disminuye el voltaje de la batería.

Placa PCB

La Figura 3 muestra el diseño de PCB del circuito diseñado. Ambos lados de la placa se utilizan para montar componentes.

Utilice siempre la biblioteca de componentes de SamacSys cuando diseñe esquemas/PCB. Estas bibliotecas cumplen con los estándares IPC industriales y son todas gratuitas.Usé estas bibliotecas para IC1 [2],Segundo cuarto [3]y también podría encontrar un Arduino-Nano (AR1) [4] Una biblioteca que ahorró mucho tiempo de diseño. Uso el software CAD Altium Designer, así que usé el complemento Altium para instalar la biblioteca de componentes. [5]La Figura 4 muestra los componentes seleccionados.

FIGURA 3: TARJETA PCB DEL CIRCUITO DE MEDIDA DE CAPACIDAD DE LA BATERÍA

Figura 4: Componentes instalados desde el complemento SamacSys Altium

La placa PCB es un poco más grande que una pantalla LCD de 2 x 16 y se adapta a 3 botones táctiles. Las figuras 5, 6 y 7 muestran una vista en 3D de la placa.

Figura 5: Vista 3D de la placa PCB ensamblada (ARRIBA)

Figura 6: Vista 3D de la placa PCB ensamblada (vista lateral)

Figura 7: Vista 3D de la placa PCB ensamblada (abajo)

construir y probar

Se utilizó una placa PCB semi-casera para construir un prototipo rápido y probar el circuito. La figura 8 muestra una foto de la placa. No tienes que seguirme Simplemente pida su PCB a un fabricante de PCB profesional y construya su dispositivo. R4 debe usar un tipo de potenciómetro de pie que le permita ajustar el contraste de la pantalla LCD desde el costado de la placa.

Figura 8: Foto del primer prototipo en una placa PCB semi-casera.

Después de soldar los componentes y preparar las condiciones de prueba, estamos listos para probar el circuito. No olvides poner un gran disipador de calor en el MOSFET (Q2).

Se eligió una resistencia de 3 ohmios para R7. Esto le permitirá generar una corriente constante de hasta 750 mA, pero el código establece la corriente máxima en unos 500 mA, que es suficiente para nuestros propósitos. Los valores de resistencia más bajos (por ejemplo, hasta 1,5 ohmios) generan corrientes más altas, pero requieren resistencias más fuertes y cambios en el código Arduino. La figura 9 muestra la placa y su cableado externo.

Figura 9: Cableado del dispositivo de medición de la capacidad de la batería

Prepare un voltaje de aproximadamente 7V a 9V para la entrada de energía. Usé el regulador de la placa Arduino para crear el riel de +5V. Por lo tanto, no aplique más de 9V a la entrada de energía. El no hacerlo puede dañar el chip regulador.

La placa se encenderá y el texto aparecerá en la pantalla LCD como se muestra en la Figura 10. Cuando se utiliza una pantalla LCD 2*16 con retroiluminación azul, el circuito consume alrededor de 75 mA.

FIGURA 10: PANTALLA DE ENCENDIDO DE CIRCUITO CORRECTO EN LA LCD

Después de unos 3 segundos, el texto se borrará y la siguiente pantalla le permitirá ajustar el valor de corriente constante con los botones de presión hacia arriba y hacia abajo (Figura 11).

FIGURA 11: AJUSTE DE CARGA DE CORRIENTE CONSTANTE CON PULSADORES ARRIBA/ABAJO

Antes de conectar la batería al dispositivo y medir su capacidad, podemos usar la fuente de alimentación para examinar el circuito. Para ello, el conector P3 debe estar conectado a la fuente de alimentación.

IMPORTANTE: No aplique más de 5V a la entrada de la batería o invierta la polaridad. Daña permanentemente los pines del convertidor de digital a Arduino.

Establezca el límite de corriente deseado (por ejemplo, 100 mA) y ajuste el voltaje de suministro (manténgalo por debajo de 5 V). Como puede verse a cualquier voltaje de entrada, el flujo de corriente permanece intacto. ¡Eso es exactamente lo que queremos! (Figura 12).

FIGURA 12: EL FLUJO DE CORRIENTE PERMANECE CONSTANTE ANTE UNA TRANSICIÓN DE VOLTAJE (PROBADO CON ENTRADAS DE 4.3V Y 2.4V)

El tercer botón se reinicia. Esto simplemente significa reiniciar la placa. Útil si planea reiniciar el procedimiento para probar otra mantequilla.

De todos modos, ahora tengo confianza en que el dispositivo funcionará bien. Puede desconectar la fuente de alimentación, conectar la batería a la entrada de la batería y establecer el límite de corriente deseado.

Para comenzar nuestras propias pruebas, elegimos una batería de iones de litio nueva de 8800 mA (Figura 13). ¡Esa es una gran tarifa! Pero de alguna manera no puedo creer esto :-), así que probemos.

Figura 13: Batería de iones de litio de 8800 mA, ¿real o falsa?

Antes de conectar la batería de litio a la placa, debe cargarla, así que prepare una fuente de alimentación fija de 4,20 V (límite de CC de 500 mA o menos) (por ejemplo, use la fuente de alimentación de conmutación variable del artículo anterior) y cárguela. por favor dame Cargue la batería hasta que el flujo de corriente alcance un nivel bajo. No cargue baterías desconocidas con alta corriente ya que no conoce la capacidad real. ¡Las corrientes de carga altas pueden explotar la batería! Como resultado, siguiendo este procedimiento, estábamos listos para medir la capacidad de una batería de 8800mA.

Usé el soporte de la batería para conectar la batería a la placa. Use cables más gruesos y cortos con menos resistencia, ya que la pérdida de energía en los cables causa caídas de voltaje y reduce la precisión.

Configuremos la corriente a 500 mA y presione y mantenga presionado el botón “ARRIBA”. Luego escucha un pitido y comienza el procedimiento (Fig. 14). Establecí el voltaje de corte (umbral de batería baja) en 3.2V. Puede cambiar este umbral en el código si lo desea.

FIGURA 14: PROCEDIMIENTOS DE CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LA BATERÍA

Básicamente, debe calcular la “vida útil” de la batería antes de que el voltaje de la batería alcance un umbral de nivel bajo. La figura 15 muestra el tiempo que el dispositivo desconecta la carga de CC de la batería (3,2 V) y realiza los cálculos. El dispositivo también produce dos pitidos largos para indicar el final del procedimiento. Como puede ver en la pantalla LCD, la capacidad real de la batería es de 1190 mAh, que está lejos de la capacidad declarada. Puede probar cualquier batería (menos de 5V) siguiendo el mismo procedimiento.