Baterie mobilních zařízení – posouzení stavu

Většina lidí zpravidla jen zřídka přemýšlí o stavu baterie svého mobilního telefonu v domnění, že nám bude věrně sloužit po dlouhou dobu. Čas plyne: měsíc, dva, tři. Na podvědomé úrovni se objevuje pocit – s mobilním telefonem je něco v nepořádku – jeho provozní doba z plně nabité baterie se zkrátila. Jaký je důvod? Odpověď je jednoduchá – stav baterie se zhoršil.

Baterie, stejně jako cokoli jiného, stárne, zhoršuje se nesprávným zacházením a vyžaduje určitou péči, neboli, řečeno jazykem specialistů, technickou údržbu. Se stárnutím baterie se nic nenadělá, ale péče o její údržbu v dobrém stavu je v našich silách.

Co se rozumí dobrým stavem? V souvislosti s baterií pro mobilní telefon nebo rádiovou stanici dobrý stav znamená, že její tři hlavní parametry jsou v normálním rozmezí: skutečná elektrická kapacita, vnitřní odpor a samovybíjení [1]. Elektrická kapacita přímo ovlivňuje dobu provozu telefonu, a to jak v pohotovostním režimu, tak v režimu hovoru. Schopnost telefonu pracovat v režimu hovoru nebo přijímat zprávy přímo závisí na vnitřním odporu. Samovybíjení ovlivňuje rychlost poklesu elektrické kapacity v průběhu času. A okamžitě vyvstává otázka: jak lze tyto parametry baterie kontrolovat a posoudit?

Existují dva možné přístupy k řešení tohoto problému. Zkuste to udělat sami, nebo svěřte se profesionálům. Zvažme obě možnosti.

Hodnocení stavu baterie spotřebitelem

Odhad skutečné elektrické kapacity. Existují dva způsoby, jak to udělat. První metoda je kvalitativní a velmi přibližná. Spočívá v přibližném odhadu průměrné provozní doby vašeho mobilního telefonu. Problém je však v tom, že tato doba závisí na mnoha faktorech: nominální kapacitě baterie, stupni a správnosti jejího počátečního nabití, četnosti a trvání vašich telefonních hovorů, vzdálenosti od základnové stanice, okolní teplotě. Mírný pokles kapacity baterie (o 15-20 %) proto obvykle zůstává bez povšimnutí. Druhá metoda, která je přesnější, vyžaduje speciální nabíječky s funkcí vybíjení baterie. V tomto případě stačí baterii nabít v nabíječce, poté ji uvést do režimu vybíjení a odhadnout dobu, která uplyne od okamžiku, kdy vybíjení začne, do okamžiku, kdy skončí a automaticky přepne na nabíjení. Pokud znáte délku tohoto časového intervalu pro přesně stejnou známou dobrou baterii a určíte tento interval pro testovanou baterii, můžete odhadnout její kapacitu. Jedinou nepříjemností je, že musíte sedět před nabíječkou a čekat, až baterii dokončí vybití. Tato metoda umožňuje do určité míry odhadnout vnitřní odpor baterie, pokud nabíječka poskytuje vybíjecí proud 500 mA nebo vyšší.

Vyhodnocení vnitřního odporu. Hlavním znakem vysokého vnitřního odporu baterie je vypnutí telefonu nebo rádiové stanice v okamžiku zahájení odchozího nebo příchozího hovoru (za předpokladu, že kontakty baterie jsou čisté a nejsou na nich žádné známky oxidace nebo poškození). V takových případech uživatelé obvykle uvádějí, že baterii nabíjeli, dokud se v nabíječce nebo v telefonu nerozsvítila „zelená kontrolka“, zapnuli ji a po chvíli se vypnula (k vypnutí došlo v okamžiku příchozího hovoru, ale hovor není slyšet!). Nebo se telefon vypne v okamžiku odchozího hovoru. Indikátor napětí baterie (před vypnutím) ukazuje, že je stále možné s ní pracovat. Všechny výše uvedené případy jsou kvalitativními znaky vysokého vnitřního odporu baterie. Pro běžného uživatele není možné kvantitativně posoudit jeho hodnotu v běžných podmínkách.

Posouzení samovybíjení. Podstatou samovybíjení, jak již bylo uvedeno v [1], je ztráta kapacity baterie v poměru k hodnotě, kterou má bezprostředně po nabití. K jeho vyhodnocení budete také potřebovat nabíječku s funkcí vybíjení. Baterii nabijte a ihned poté vybijte. Zaznamenejte hodnotu časového intervalu potřebného pro úplné vybití baterie. Baterii znovu nabijte a na jeden den ji odložte. Následující den, po 24 hodinách, baterii vybijte ve stejné nabíječce a zjistěte, kolik času uplyne, než se zcela vybije. Porovnejte tyto dva časové intervaly. Doba trvání druhého intervalu bude přirozeně kratší a toto snížení přibližně ukazuje, kolik kapacity vaše baterie za den ztratila. Budete tak moci vyhodnotit samovybíjení nikl-kadmiových a nikl-metalhydridových baterií (ztráta kapacity v první den po nabití by neměla být větší než 10-15 %). Samovybíjení lithium-iontových baterií se vyhodnocuje měsíc po nabití kvůli jeho malé hodnotě.

A nyní pro ty, kteří se zajímají o to, jak stav baterií hodnotí odborníci nebo jak se baterie kontrolují v podmínkách velké organizace s velkým vozovým parkem různých baterií. Jedním slovem, jak a s pomocí jakých zařízení by se měly baterie servisovat.

Profesionální posouzení baterií

1. měření hlavních parametrů baterie: úroveň nabití, kapacita, vnitřní odpor a samovybíjení;
2. renovace baterií určitých elektrochemických systémů;
3. detekce zkratovaných prvků v bateriích;
4. identifikace „měkkých“ prvků v baterii (zrychlený nárůst napětí během nabíjení);
5. údržba baterie v různých režimech dle výběru uživatele;
6. pohotovostní režim nabíjení baterie;
7. současný servis několika baterií různých typů;

• příprava nové nebo dlouho skladované baterie k použití;
• trénink baterie a přepnutí do režimu regenerace, pokud je hodnota kapacity naměřená po tréninku stále pod určitou přednastavenou hodnotou (zpravidla je tato hodnota nastavena na 80 % nominální kapacity);
• měření vnitřního odporu;
• kontrola samovybíjení;
• rychlé nabíjení;
• vybití baterie;

Průměrná doba služby. Doba potřebná k servisu baterií pomocí analyzátoru závisí na mnoha faktorech: typu a parametrech servisního programu, kapacitě baterie a jejím stavu. Například typická operace přípravy nové nebo dlouho skladované baterie k provozu se současným tréninkem baterie se skládá z nejméně dvou nebo tří cyklů nabíjení/vybíjení a trvá 4 až 24 hodin nebo i déle. Proto je problém expresní analýzy stavu baterie během několika minut tak naléhavý. A kdokoli nabídne skutečně účinnou metodu pro rychlé posouzení kapacity a vnitřního odporu, získá na trhu analyzátorů nepopiratelnou výhodu. První krok tímto směrem již byl učiněn. Například analyzátor Cadex C7000 měří vnitřní odpor za pět sekund. Tatáž společnost již „zvedla nohu“ pro druhý krok. Oznámila [2], že její nové zařízení C7200 vyhodnotí kapacitu baterie za 5 minut. C7200 se však již na trhu objevil a zatím nemá slíbené funkce. Podle informací od Landaty [3] je všem, kteří si tento analyzátor již zakoupili a kupují, zaručen bezplatný upgrade.

První zmínky o možnosti rychlého posouzení kapacity baterie se objevily v článcích pana Isidora Buchmanna, generálního ředitele kanadské společnosti Cadex Electronics Inc. O reálné možnosti použití této metody v reálných zařízeních jsem se poprvé dozvěděl z osobní korespondence s ním na konci loňského roku, kdy uvedl, že praktické zavedení této metody je plánováno na únor letošního roku. Čas si ale dělá svá vlastní opatření a zjevně to není tak jednoduchý úkol. Zvláště pokud vezmeme v úvahu obrovské tempo růstu objemů, druhů a typů baterií na trhu s mobilními zařízeními. O principech, které jsou základem rychlého posouzení stavu baterie, se lze jen dohadovat. Ty jsou stále drženy v tajnosti.

Indikace kapacity baterie. Existují dvě možné možnosti zobrazení konečné (skutečné) kapacity baterie – v miliampérech (ampérech) a v procentech z nominální hodnoty. Druhá možnost je navíc informativnější, protože u mnoha typů baterií je hodnota kapacity zašifrována v jejich označení a uvedení skutečné kapacity baterie v mAh uživateli neříká nic o jejím stavu, pokud nezná její nominální hodnotu.

Indikace hodnoty vnitřního odporu baterie. Protože rozsah možných hodnot je od desetin ohmu do několika ohmů, indikace se obvykle provádí v miliohmech. Během údržby baterie je žádoucí periodicky měřit a zobrazovat naměřenou hodnotu na indikaci.

Způsob nabíjení. Každý výrobce analyzátorů zpravidla uvádí, že jeho metoda nabíjení je nejlepší. Existuje mnoho různých metod nabíjení NiCd nebo NiMH baterií, které lze rozdělit do 3 hlavních skupin: standardní nabíjení – nabíjení konstantním proudem rovným 1/10 jmenovité kapacity baterie po dobu asi 15 hodin; rychlé nabíjení – nabíjení konstantním proudem rovným 1/3 jmenovité kapacity baterie po dobu asi 5 hodin a zrychlené nebo delta V nabíjení – nabíjení s počátečním nabíjecím proudem rovným jmenovité kapacitě baterie, při kterém se neustále měří napětí na baterii a nabíjení končí po úplném nabití baterie. Doba nabíjení je asi 1 hodina. A poté každý výrobce začíná tyto metody modifikovat. Zejména analyzátory CASP/2000L (H) a Cadex C7000 používají krátké vybíjecí impulsy mezi dlouhými nabíjecími impulsy. Předpokládá se, že tato metoda nabíjení obnovuje krystalickou strukturu kadmiových anod, čímž eliminuje „paměťový efekt“.

Jak vidíme, analyzátory umožňují automaticky, relativně rychle a přesně vyhodnotit hlavní parametry baterií. Mají však jednu významnou nevýhodu – jsou drahé. Pokud však máte v rozvaze stovky a tisíce baterií, pak bude pořízení analyzátoru zcela opodstatněné.

Při psaní tohoto článku byly použity materiály laskavě poskytnuté panem Isidorem Buchmannem, zakladatelem a vedoucím kanadské společnosti Cadex Electronics Inc. [1], a společností LANDATA [3].

Podrobnější informace v ruštině o bateriích pro mobilní komunikační zařízení, počítače a jiná přenosná zařízení, tipy pro provoz a údržbu jsou uvedeny v [4].

reference

• [1] Baterie pro mobilní zařízení – zařízení a hlavní parametry
• [2] Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [Britská Kolumbie], Kanada je návrhářem a výrobcem nabíječek baterií, analyzátorů a systémů údržby (v angličtině).
• [3] LANDATA je autorizovaným a výhradním distributorem kanadské společnosti Cadex Electronics Inc. v Rusku (vstup přes sekci „Údržba baterií“).
• [4] Baterie pro mobilní zařízení a notebooky – analyzátory baterií (v ruštině).

V ideálním případě by baterie měla mít vnitřní odpor nula. Ale nic na tomto světě není dokonalé, včetně baterií, a elektrody baterie nejsou 100% vodiče, což uvnitř baterie vytváří malý odpor, který se nazývá její vnitřní odpor. V praxi mají baterie téměř vždy nějaký vnitřní odpor. Například pro alkalickou AA baterii na papíře je to asi 0.1Ω, pro 9voltovou alkalickou baterii – asi 1Ω, pro lithium-polymerovou baterii – od 20 do 30mΩ. V tomto případě se může vnitřní odpor baterie výrazně změnit v důsledku vysokého zatížení baterie.

V tomto článku se budeme zabývat vytvořením jednoduchého měřiče vnitřního odporu baterie na mikrokontroléru AVR ATtiny85. S ním můžeme změřit vnitřní odpor libovolné lithiové baterie a zobrazit jej na OLED obrazovce. Obvod projektu je sestaven na desce plošných spojů vyrobené pomocí služby PCB.

Dříve jsme na našich webových stránkách recenzovali následující podobné projekty různých měřicích zařízení:

• Tester kapacity Li-ion baterie 18650 na Arduinu;
• Tester kapacity baterie 18650 založený na Arduinu;
• chytrý měřič energie na ESP12 a Arduino.

Požadované komponenty

1. Mikrokontrolér Attiny85 (koupit na AliExpress).
2. Operační zesilovač LM358 (koupíte na AliExpress).
3. Rezistor 1 Ohm 5 W – 2 ks. (koupit na AliExpress).
4. Rezistor 1 kOhm (koupit na AliExpress).
5. Nízký VGS Mosfet.
6. Knoflík.
7. OLED displej s rozlišením 128X64 a podporou rozhraní I2C (koupit na AliExpress).
8. Držák baterie.
9. Kondenzátor 0,1 μF (koupit na AliExpress).

Reklama: LLC “ALIBABA.KOM (RU)” DIČ: 7703380158

Obecné principy činnosti měřiče vnitřního odporu baterie

Jedním z nejjednodušších způsobů měření vnitřního odporu baterie je použití děliče napětí. Použijeme to v našem projektu. Použijeme kompozitní rezistor vyrobený ze dvou 2 ohmových rezistorů. Ale odpory vyráběné moderním průmyslem mají určité tolerance pro jejich hodnocení, ve většině případů je tato tolerance nyní 5%. Proto je vhodné změřit skutečný odpor rezistoru pro náš projekt pomocí multimetru.

Jak můžete vidět z obrázku, multimetr ukázal odpor našeho kompozitního rezistoru jako 1,7 ohmu. Je ale potřeba počítat s chybou multimetru a tolerancí rezistoru. Po chvíli přemýšlení jsme usoudili, že náš rezistor s teoretickým odporem 2 ohmy má reálný odpor 1,2 ohmy, takže tuto hodnotu použijeme při našich výpočtech.

Poznámka : Multimetry nejsou ve většině případů moc dobré v měření odporu, ale mnohem lépe měří napětí. V tomto případě můžete výrazně zvýšit přesnost měření odporu pomocí multimetru pomocí 500mA nebo 1A DC zdroje, procházejícího tento proud přes rezistor a měřením úbytku napětí na rezistoru multimetrem.

A v našem případě potřebujeme změřit napětí nezatížené baterie, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Jak můžete vidět z obrázku, napětí baterie je 3,85 voltu a musíme vypočítat teoretický proud, který bude protékat rezistorem, pokud jej připojíme k baterii. K tomu použijeme známý Ohmův zákon – I = V/R:

I = 3.85 / 1.2 = 3.236 Amper

Tzn., že pokud k této baterii připojíme rezistor 1,2 Ohm, poteče jí proud 3,22 A s připojenou zátěží potřebujeme změřit i napětí.

Jak je vidět z obrázku, napětí baterie při zátěži je Vload = 3.72 V. Odečteme-li tuto hodnotu napětí od napětí baterie bez zátěže, dostaneme úbytek napětí na vnitřním odporu baterie.

Vnitřní = 3.85 – 3.72 = 0.13 V

Nyní, abychom určili vnitřní odpor baterie, musíme jednoduše vydělit tento výsledný úbytek napětí vypočteným proudem.

ISR = ( Vdrop – interní / proud ) = 0.13 / 3.236 = 0.04017 ohmů

Získali jsme hodnotu vnitřního odporu baterie rovnou 0.04017 Ohm. Porovnejme to s hodnotou získanou pomocí profesionálního měřícího přístroje.

Jak můžete vidět z obrázku, hodnota, kterou jsme získali, je poměrně blízko hodnotě získané pomocí profesionálního nástroje.

Poznámka : Když použijete popsaný způsob měření vnitřního odporu baterie pomocí mikrokontroléru Attiny85, budete muset vzít v úvahu vnitřní odpor tranzistoru MOSFET a odpor vodičů na desce plošných spojů našeho projektu.

Některé MOSFETy nejsou plně zapnuté při 5V, takže musíte vzít v úvahu všechny ve vašem kódu a zkalibrovat kód podle této hodnoty.

Schéma projektu

Schéma zapojení měřiče vnitřního odporu baterie ATtiny85 je na následujícím obrázku. Diagram je rozdělen do několika částí, abyste lépe pochopili jeho podstatu.

Nejprve se podívejme na část obvodu, která řídí proud z baterie (Battery Current Controller). Hlavním účelem této části obvodu je chránit MOSFET před významnými proudovými rázy. Jak vidíte, na neinvertující vstup (pin3) operačního zesilovače přivádíme signál PWM (pulsně šířková modulace) z mikrokontroléru. Tento signál je filtrován pomocí 100nF kondenzátoru a 100kΩ odporu a poté je tento filtrovaný signál přiváděn na kolík 3 operačního zesilovače. Když je napětí na tomto neinvertujícím vstupu větší než napětí na invertujícím vstupu, výstup operačního zesilovače bude vysoký. Tato vysoká úroveň přepne MOSFET do otevřeného stavu a v důsledku toho začne proud protékat rezistorem R1 a podle toho se na něm vytvoří pokles napětí. Pokud je tento úbytek napětí větší než úroveň napětí na neinvertujícím vstupu operačního zesilovače, pak bude výstup operačního zesilovače nízký a rezistorem přestane protékat proud. Tento proces bude pokračovat, dokud signál PWM nebude mít logickou úroveň 0.

Hlavním řídicím centrem našeho obvodu je mikrokontrolér ATtiny85, který generuje PWM signál pro řízení činnosti operačního zesilovače a měří napětí baterie pro výpočet vnitřního odporu baterie. Mikrokontrolér ATtiny85 je napájen přes USB konektor, který slouží i pro programování mikrokontroléru.

Na OLED displeji zobrazíme naměřené napětí baterie a vypočtenou hodnotu jejího vnitřního odporu. Také v obvodu máme konektor baterie (pro připojení baterie) a přepínač pro resetování mikrokontroléru.

Výroba desky plošných spojů pro náš projekt

Pro tento projekt měřiče vnitřního odporu baterie se jeho autoři (odkaz na originál je uveden na konci článku) rozhodli vyrobit desku plošných spojů, její provedení je na následujícím obrázku.

Tato deska plošných spojů byla navržena v softwaru EAGLE PCB a má rozměry 90×55 mm. Chcete-li si jej vyrobit sami, můžete si pro něj stáhnout soubory Gerber.

Přední strana DPS pro náš projekt je znázorněna na následujícím obrázku.

Na něj jsme umístili všechny součástky našeho obvodu a na zadní stranu desky jsme umístili pouze spoje. Plošný spoj je dvouvrstvý.

Zadní strana desky plošných spojů našeho projektu je znázorněna na následujícím obrázku.

A další obrázek ukazuje 3D model našeho měřiče vnitřního odporu baterie. Zde vidíte umístění všech komponentů obvodu našeho projektu, včetně chladiče, 5W rezistoru, micro USB konektoru a vypínače.

Operační zesilovač a mikrokontrolér ATtiny85 jsou umístěny na zadní straně desky, jejíž 3D model je na následujícím obrázku.

Objednání desky plošných spojů pro projekt

Autoři projektu si pro něj objednali výrobu plošného spoje na službě PCBWay. Jeho výrobu si samozřejmě můžete objednat u jakékoli jiné služby, se kterou jste zvyklí pracovat. Pro objednání výroby desky plošných spojů na službě PCBWay postupujte podle následujících kroků:

Krok 1. Přejděte na www.pcbway.com a zaregistrujte se, pokud tam ještě nemáte účet. Poté na jeho záložce PCB Prototype zadejte rozměry vašeho PCB, počet vrstev, které má, a počet kopií desky, které potřebujete vytvořit.

Krok 2. Poté klikněte na tlačítko ‘Citovat nyní’. Poté se dostanete na stránku, kde musíte zadat řadu dalších parametrů pro výrobu desky s plošnými spoji: její materiál, tloušťku, počet vrstev atd. Většinu z nich můžete ponechat jako výchozí, které služba nabízí.

Krok 3. Nahrajte Gerber soubory vaší desky plošných spojů do služby PCBWAY, ta zkontroluje jejich správnost a poté můžete přistoupit k platbě za objednávku.

Sestavení struktury projektu

Pár dní po objednání desky plošných spojů ji autoři projektu obdrželi v hotové podobě (v obalu). Přední a zadní strana vyrobeného plošného spoje je znázorněna na následujícím obrázku. Kvalita plošného spoje byla dle očekávání výborná.

Poté autor projektu na tuto desku plošných spojů připájel potřebné součástky a ve výsledku dostal následující sestavený návrh měřiče vnitřního odporu baterie.

Vysvětlení programu Arduino pro nahrávání do mikrokontroléru Attiny85

Úplný kód programu je uveden na konci článku, ale zde stručně zvážíme jeho hlavní fragmenty.

Před napsáním programového kódu je potřeba stáhnout knihovnu pro práci s OLED displejem s řadičem SSD1306 a nainstalovat ji do vašeho Arduino IDE.

Nejprve do kódu programu zahrneme potřebné knihovny.