УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АККУМУЛЯТОРОВ

Во многих устройствах с автономным питанием используются многосекционные аккумуляторные батареи (АКБ). Наиболее популярны в настоящее время литий-ионные и литий полимерные АКБ [1, c.41]. В частности, такие батареи часто применяют в качестве источников питания мобильных роботов, беспилотных летательных аппаратов и т.д., где остро стоит вопрос соотношения энергоемкости и массы АКБ.

АКБ в таких устройствах нуждаются в периодическом контроле остаточной энергоемкости, так как она уменьшается со временем [2, c.95].

Важным контролируемым параметром является также внутреннее сопротивление ячеек. По нему можно судить о степени деградации электродов и электролита ячейки [2, c.95].

Таким образом, актуальна разработка автоматического устройства для контроля указанных параметров.

Разрабатываемое устройство основано на применении микроконтроллера Arduino Nano (рисунок 1) и предназначено для измерения электрических характеристик аккумуляторных батарей: энергоемкости, удельной энергоемкости и внутреннего сопротивления. Измерение данных характеристик позволяет оценить работоспособность аккумулятора и его пригодность для продолжения работы.

Рисунок 1. Микроконтроллер Arduino Nano

1. Измерение энергоемкости

Устройство позволяет реализовать процесс прямого автоматического измерения энергоемкости. Для измерения энергоемкости необходимо либо полностью разряженный аккумулятор зарядить до максимально допустимого значения напряжения, либо наоборот – полностью заряженный аккумулятор разрядить до минимально допустимого уровня. В обоих случаях необходимо производить отсчеты зарядного/разрядного тока I через равные интервалы времени ∆t. Тогда энергоемкость можно вычислить по формуле: , что с определенной степенью приближения, определяется как накопленная сумма произведений I_i·∆t за время t. В предлагаемом устройстве алгоритм реализует в первую очередь определение остаточного напряжения и, в случае, если оно по уровню соответствует остаточной емкости более 50%, принимается решение полностью зарядить аккумулятор и выполнить измерение емкости; в случае менее 50% –  аккумулятор разряжается до 0%, полностью заряжается и происходит измерение.

2. Измерение внутреннего сопротивления

  Измеряется внутреннее сопротивление каждой ячейки АКБ. Для этого к каждой ячейке аккумулятора подключается нагрузочный резистор с известным сопротивлением. Замыкание/размыкание цепи осуществляется управляемым ключом.

Рисунок 2. Принципиальная схема блока измерения сопротивления

При открытом ключе, который управляется цифровым портом микроконтроллера (МК) (на выходе порта «0»), происходит измерение напряжения холостого хода, равное ЭДС аккумулятора. В данном случае возможно одновременное измерение напряжения на всех ячейках аккумулятора. При замкнутой цепи (на выходе порта «1») происходит измерение напряжения под нагрузкой. В этом случае измерение напряжения на каждой ячейке происходит последовательно. По полученным значениям напряжения вычисляется внутреннее сопротивление:

                                             ,                                                              (1)

                                            ,                                                           (2)

                                                                                                           (3)

                                                        ,                                                           (4)

где: U_xx – напряжение холостого хода, В;

 – ЭДС аккумулятора, В;

I – ток, А;

R – сопротивление нагрузки, Ом;

r – внутреннее сопротивление ячейки, Ом.

3. Измерение удельной энергоемкости аккумулятора

Измерение удельной энергоемкости аккумулятора (Q_уд) позволяет сравнить несколько аккумуляторов для выбора оптимального соотношения энергоемкости и массы. Удельная энергоемкость определяется по следующей формуле (5):

                                                  ,                                                          (5)

где Q – энергоемкость аккумулятора, m – масса аккумулятора.

Для определения удельной энергоемкости в структурную схему устройства включен блок измерения массы.

Структурная схема разрабатываемого устройства изображена на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема разрабатываемого устройства

Структурная схема устройства включает в себя следующие блоки:

1. блок измерения емкости (БИЁ), который включает в себя таймер и датчик напряжения;
2. блок измерения массы (БИМ) – тензометрический датчик массы с сопутствующей механической обвязкой (рычаг, деформируемый элемент) и предусилитель сигнала;
3. блок измерения сопротивления (БИС), который включает в себя нагрузочный (балластный) резистор с известным сопротивлением и управляемый ключ для замыкания/размыкания цепи;
4. вычислительный блок (БВ) – микроконтроллер Arduino Nano;
5. блок индикации (БИ) – ЖК-дисплей.

Взаимосвязь между блоками реализуется при помощи информационных и управляющих сигналов. Измерения в блоках выполняются последовательно: регулирование данного процесса осуществляется замыканием/размыканием управляемых ключей.  Измеренные значения с блоков БИЁ, БИМ и БИС передаются в БВ, где происходит программное вычисление значений энергоёмкости, внутреннего сопротивления и удельной энергоемкости. Для контроля полученных значений предусмотрен БИ.

Таким образом, разрабатываемое устройство, реализованное на базе микроконтроллера Arduino Nano,  позволяет автоматически измерять параметры, необходимые для диагностики работоспособности АКБ, отслеживать процесс деградации электродов и электролита, а также выбирать АКБ с наилучшим соотношением энергоемкости и массы.

Список литературы:

1. Мельничук О.В., Фетисов В.С. Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2016. - № 2. – С. 41-48.
2. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. – М.: Изумруд, 2003 – С.95-96.