Teste de capacidade de bateria DIY Arduino - V2.0: 11 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Hoje em dia, baterias falsas de lítio e NiMH estão por toda parte, vendidas em publicidade com capacidades superiores às reais. Portanto, é realmente difícil distinguir entre uma bateria real e uma falsa. Da mesma forma, é difícil saber a capacidade retida nas baterias de 18.650 laptops recuperadas. Portanto, é necessário um dispositivo para medir a verdadeira capacidade das baterias.

No ano de 2016, escrevi um Instructable sobre "Arduino Capacity Tester - V1.0" que era um dispositivo muito direto e simples. A versão anterior era baseada na Lei de Ohms. A bateria a ser testada é descarregada através de um resistor fixo, a corrente e o tempo de duração são medidos pelo Arduino e a capacidade é calculada multiplicando ambas as leituras (corrente de descarga e tempo).

A desvantagem da versão anterior era que durante o teste, conforme a tensão da bateria diminui, a corrente também diminui, o que torna os cálculos complexos e imprecisos. Para superar isso, eu fiz o V2.0 que é projetado de forma que a corrente permaneça constante durante todo o processo de descarga. Eu fiz este dispositivo inspirando o design original de MyVanitar

Os principais recursos do Capacity Tester V2.0 são:

1. Capaz de medir a capacidade de baterias AA / AAA NiMh / NiCd, 18650 Li-ion, Li-Polymer e Li FePO4. É adequado para quase qualquer tipo de bateria com classificação abaixo de 5V.

2. Os usuários podem definir a corrente de descarga usando os botões.

3. Interface de usuário OLED

4. O dispositivo pode ser usado como uma carga eletrônica

Atualização em 2019-02-12

Agora você pode solicitar o PCB e os componentes juntos em um kit da PCBWay

Isenção de responsabilidade: observe que você está trabalhando com bateria de íon de lítio, que é altamente explosiva e perigosa. Não posso ser responsabilizado por qualquer perda de propriedade, dano ou perda de vida, se for o caso. Este tutorial foi escrito para aqueles que têm conhecimento da tecnologia recarregável de íons de lítio. Por favor, não tente fazer isso se você for um novato. Fique seguro.

Suprimentos

Componentes Usados

Agora peça PCB e todos os componentes para construir este projeto em um kit da PCBWay

1. PCB: PCBWay

2. Arduino Nano: Amazon / Banggood

3. Opamp LM358: Amazon / Banggood

4. Tela OLED de 0,96 : Amazon / Banggood

5. Resistor de cerâmica: Amazon / Banggood

6. Capacitor 100nF: Amazon / Banggood

7. Capacitor 220uF: Amazon / Banggood

8. Resistores 4,7 K e 1M: Amazon / Banggood

9. Botão de pressão: Amazon / Banggood

10. Tampa dos botões de pressão: Aliexpress

11. Terminal de parafuso: Amazon / Banggood

12. Placa de protótipo: Amazon / Banggood

13. Impulso de PCB: Amazon / Banggood

14. Tubulação termorretrátil: Amazon / Banggood

15. Dissipador de calor: Aliexpress

Ferramentas usadas

1. Ferro de soldar: Amazon / Banggood

2. Alicate Amperímetro: Amazon / Banggood

3. Multímetro: Amazon / Banggood

4. Ventilador de ar quente: Amazon / Banggood

5. Cortador de fio: Amazon / Banggood

6. Descascador de fios: Amazon / Banggood

Etapa 1: Diagrama Esquemático

Todo o esquema é dividido nas seguintes seções:

1. Circuito de fonte de alimentação

2. Circuito de carga de corrente constante

3. Circuito de medição de tensão da bateria

4. Circuito de interface do usuário

5. Circuito de campainha

1. Circuito de fonte de alimentação

O circuito da fonte de alimentação consiste em um conector DC (7-9V) e dois capacitores de filtro C1 e C2. A saída de energia (Vin) é conectada ao pino Vin do Arduino. Aqui estou usando o regulador de voltagem on-board do Arduino para reduzir a voltagem para 5V.

2. Circuito de carga de corrente constante

O componente principal do circuito é o Op-amp LM358, que contém dois amplificadores operacionais. O sinal PWM do pino D10 do Arduino é filtrado por um filtro passa-baixa (R2 e C6) e alimentado para o segundo amplificador operacional. A saída do segundo amplificador operacional é conectada ao primeiro amplificador operacional na configuração do seguidor de tensão. A fonte de alimentação do LM358 é filtrada por um capacitor de desacoplamento C5.

O primeiro op-amp, R1 e Q1 constroem um circuito de carga de corrente constante. Portanto, agora podemos controlar a corrente através do resistor de carga (R1), alterando a largura de pulso do sinal PWM.

3. Circuito de medição de tensão da bateria

A tensão da bateria é medida pelo pino A0 de entrada analógica do Arduino. Dois capacitores C3 e C4 são usados para filtrar os ruídos provenientes do circuito de carga de corrente constante que podem degradar o desempenho de conversão do ADC.

4. Circuito de interface do usuário

O circuito de interface do usuário consiste em dois botões e um display I2C OLED de 0,96 . O botão para cima e para baixo serve para aumentar ou diminuir a largura do pulso PWM. R3 e R4 são resistores pull-up para o push para cima e para baixo Botões. C7 e C8 são usados para eliminar os botões. O terceiro botão (RST) é usado para reiniciar o Arduino.

5. Circuito de campainha

O circuito da campainha é usado para alertar o início e o final do teste. Uma campainha de 5 V é conectada ao pino digital D9 do Arduino.

Etapa 2: Como funciona?

A teoria é baseada na comparação das tensões das entradas inversora (pino 2) e não inversora (pino 3) do OpAmp, configurado como um amplificador unitário. Quando você define a tensão aplicada à entrada não inversora ajustando o sinal PWM, a saída do opamp abre o portão do MOSFET. Conforme o MOSFET é ligado, a corrente passa por R1, criando uma queda de tensão, que fornece feedback negativo para OpAmp. Ele controla o MOSFET de forma que as tensões em suas entradas inversora e não inversora sejam iguais. Portanto, a corrente através do resistor de carga é proporcional à tensão na entrada não inversora do OpAmp.

O sinal PWM do Arduino é filtrado usando um circuito de filtro passa-baixa (R2 e C1). Para testar o sinal PWM e o desempenho do circuito de filtro, conectei meu DSO ch-1 na entrada e ch-2 na saída do circuito de filtro. A forma de onda de saída é mostrada acima.

Etapa 3: medição de capacidade

Aqui, a bateria é descarregada para sua tensão limite de baixo nível (3,2 V).

Capacidade da bateria (mAh) = Corrente (I) em mA x Tempo (T) em horas

A partir da equação acima, fica claro que para calcular a capacidade da bateria (mAh), temos que saber a corrente em mA e a hora em horas. O circuito projetado é um circuito de carga de corrente constante, de modo que a corrente de descarga permanece constante durante todo o período de teste.

A corrente de descarga pode ser ajustada pressionando o botão para cima e para baixo. A duração do tempo é medida usando um cronômetro no código do Arduino.

Etapa 4: Fazendo o circuito

Nas etapas anteriores, expliquei a função de cada um dos componentes do circuito. Antes de pular para fazer a placa final, teste o circuito em uma placa de ensaio primeiro. Se o circuito funcionar perfeitamente na placa de ensaio, passe para soldar os componentes na placa de protótipo.

Usei a placa de protótipo de 7 x 5 cm.

Montando o Nano: primeiro corte duas fileiras de pinos fêmea com 15 pinos em cada. Usei uma pinça diagonal para cortar os cabeçalhos. Em seguida, solde os pinos do cabeçalho. Certifique-se de que a distância entre os dois trilhos se ajusta ao Arduino nano.

Montagem de display OLED: corte um cabeçalho fêmea com 4 pinos. Em seguida, solde-o conforme mostrado na imagem.

Montagem dos terminais e componentes: Solde os componentes restantes conforme mostrado nas fotos.

Fiação: Faça a fiação conforme o esquema. Usei fios coloridos para fazer a fiação para poder identificá-los facilmente.

Etapa 5: display OLED

Para exibir a tensão da bateria, descarga atual e capacidade, usei um display OLED de 0,96 . Ele tem resolução de 128x64 e usa um barramento I2C para se comunicar com o Arduino. Dois pinos SCL (A5), SDA (A4) no Arduino Uno são usados para comunicação.

Estou usando a biblioteca Adafruit_SSD1306 para exibir os parâmetros.

Primeiro, você deve baixar o Adafruit_SSD1306. Em seguida, instalei.

As conexões devem ser as seguintes

Arduino OLED

5V -VCC

GND GND

A4-- SDA

A5-- SCL

Etapa 6: campainha de aviso

Para fornecer alertas durante o início e competição da prova, uma campainha piezoeléctrica é utilizada. O buzzer tem dois terminais, o mais longo é positivo e o mais curto é negativo. O adesivo na nova campainha também tem "+" marcado para indicar o terminal positivo.

Como a placa de protótipo não tem espaço suficiente para colocar a campainha, conectei a campainha à placa de circuito principal usando dois fios. Para isolar a conexão nua, usei tubulação termorretrátil.

As conexões devem ser as seguintes

Arduino Buzzer

Terminal D9 Positivo

Terminal negativo GND

Etapa 7: montagem dos espaçadores

Após a soldagem e a fiação, monte os espaçadores nos 4 cantos. Ele fornecerá espaço suficiente para as juntas de solda e fios do solo.

Etapa 8: Design de PCB

Desenhei o esquema usando o software online EasyEDA e depois mudei para o layout PCB.

Todos os componentes que você adicionou no esquema devem estar lá, empilhados uns sobre os outros, prontos para serem colocados e roteados. Arraste os componentes segurando em seus pads. Em seguida, coloque-o dentro da borda retangular.

Disponha todos os componentes de forma que a placa ocupe o mínimo de espaço. Quanto menor o tamanho da placa, mais barato será o custo de fabricação da placa de circuito impresso. Será útil se esta placa tiver alguns orifícios de montagem para que possa ser montada em um gabinete.

Agora você tem que rotear. O roteamento é a parte mais divertida de todo o processo. É como resolver um quebra-cabeça! Usando a ferramenta de rastreamento, precisamos conectar todos os componentes. Você pode usar a camada superior e a inferior para evitar a sobreposição entre duas trilhas diferentes e torná-las mais curtas.

Você pode usar a camada Silk para adicionar texto ao quadro. Além disso, podemos inserir um arquivo de imagem, então adiciono uma imagem do logotipo do meu site para ser impressa no quadro. No final, usando a ferramenta de área de cobre, precisamos criar a área de aterramento do PCB.

Você pode encomendá-lo na PCBWay.

Inscreva-se agora no PCBWay para receber um cupom de US $ 5. Isso significa que seu primeiro pedido é gratuito, apenas você tem que pagar as despesas de envio.

Quando você fizer um pedido, receberei 10% de doação da PCBWay por uma contribuição para o meu trabalho. Sua pequena ajuda pode me encorajar a fazer um trabalho mais incrível no futuro. Obrigado pela sua cooperação.

Etapa 9: Monte o PCB

Para soldar, você precisará de um ferro de solda decente, solda, pinça e um multímetro. É uma boa prática soldar os componentes de acordo com sua altura. Solde os componentes de menor altura primeiro.

Você pode seguir as seguintes etapas para soldar os componentes:

1. Empurre as pernas do componente através de seus orifícios e vire o PCB em sua parte traseira.

2. Segure a ponta do ferro de solda na junção da almofada e a perna do componente.

3. Alimente a solda na junta de modo que ela flua ao redor do chumbo e cubra a almofada. Uma vez que tenha fluído ao redor, afaste a ponta.

Etapa 10: Software e Bibliotecas

Primeiro, baixe o código do Arduino anexado. Em seguida, baixe as seguintes bibliotecas e instale-as.

Bibliotecas:

Baixe e instale as seguintes bibliotecas:

1. JC_Button:

2. Adafruit_SSD1306:

No código, você deve alterar as duas coisas a seguir.

1. Valores de matrizes atuais: Isso pode ser feito conectando um multímetro em série com a bateria. Pressione o botão para cima e meça a corrente, os valores atuais são os elementos da matriz.

2. Vcc: Você usa um multímetro para medir a tensão no pino de 5 V do Arduino. No meu caso é 4,96V.

Atualizado em 20.11.2019

Você pode alterar o valor Low_BAT_Level no código de acordo com a química da bateria. É melhor dar uma pequena margem sobre a tensão de corte indicada abaixo.

Aqui estão as taxas de descarga e tensões de corte para vários produtos químicos de bateria de íon de lítio:

1. Óxido de lítio-cobalto: Tensão de corte = 2,5 V a taxa de descarga 1C

2. Óxido de manganês de lítio: Tensão de corte = 2,5 V a taxa de descarga de 1C

3. Fosfato de ferro de lítio: Tensão de corte = 2,5 V a taxa de descarga de 1C

4. Titanato de lítio: Tensão de corte = 1,8 V a taxa de descarga 1C

5. Óxido de Lítio Níquel Manganês Cobalto: Tensão de corte = 2,5 V a taxa de descarga 1C

6. Óxido de Lítio Níquel Cobalto Alumínio: Tensão de corte = 3,0 V a taxa de descarga de 1C

Atualizado em 01.04.2020

jcgrabo, sugeriu algumas mudanças no design original para melhorar a precisão. As mudanças estão listadas abaixo:

1. Adicione uma referência de precisão (LM385BLP-1.2) e conecte-a a A1. Durante a configuração, leia seu valor, que é conhecido como 1,215 volts, e calcule o Vcc, eliminando assim a necessidade de medir o Vcc.

2. Substitua o resistor de 1 ohm e 5% por um resistor de potência de 1 ohm e 1%, reduzindo assim os erros que dependem do valor da resistência.

3. Em vez de usar um conjunto fixo de valores PWM para cada etapa atual (em incrementos de 5), crie uma matriz de valores atuais desejados que são usados para calcular os valores PWM necessários para atingir esses valores atuais o mais próximo possível. Ele seguiu calculando os valores atuais reais que serão alcançados com os valores PWM calculados.

Ao considerar as mudanças acima, ele revisou o código e o compartilhou na seção de comentários. O código revisado está anexado abaixo.

Muito obrigado jcgrabo por sua valiosa contribuição ao meu projeto. Espero que esta melhoria seja útil para muitos outros usuários.

Etapa 11: Conclusão

Para testar o circuito, primeiro carreguei uma bateria boa do Samsung 18650 usando meu carregador ISDT C4. Em seguida, conecte a bateria ao terminal da bateria. Agora defina a corrente de acordo com sua necessidade e mantenha pressionado o botão "PARA CIMA". Em seguida, você deve ouvir um bipe e o procedimento de teste é iniciado. Durante o teste, você monitorará todos os parâmetros no display OLED. A bateria irá descarregar até que sua tensão alcance seu limite de baixo nível (3,2 V). O processo de teste será concluído com dois bipes longos.

Nota: O projeto ainda está em fase de desenvolvimento. Você pode se juntar a mim para quaisquer melhorias. Levante comentários se houver erros ou erros. Estou projetando um PCB para este projeto. Fique conectado para mais atualizações do projeto.

Espero que meu tutorial seja útil. Se você gosta, não se esqueça de compartilhar:) Inscreva-se para mais projetos DIY. Obrigada.