Проект представляет собой электронный тестер на базе Arduino Nano, предназначенный для измерения ёмкости аккумуляторов, накопленной энергии (Вт·ч), внутреннего сопротивления, а также проведения испытаний в режиме электронной нагрузки с постоянным током. Устройство подходит для проверки различных источников питания — от одиночных литий-ионных элементов 18650 до свинцово-кислотных аккумуляторов и других батарей с напряжением 0,8 — 20 В.
В основу разработки положен проект анализатора батарей на микроконтроллере ATmega328P. Исходное программное обеспечение было адаптировано для Arduino Nano, исправлены обнаруженные ошибки и внесён ряд доработок, повысивших стабильность и удобство использования.
В отличие от простых измерителей ёмкости, устройство позволяет комплексно оценить состояние аккумулятора. Помимо определения ёмкости в мА·ч и энергии в Вт·ч, выполняется измерение внутреннего сопротивления, анализируется поведение элемента под нагрузкой постоянным током и оценивается степень его деградации.
Хотя первоначально проект ориентирован на тестирование литий-ионных аккумуляторов 18650, рабочий диапазон схемы позволяет использовать её и с другими типами батарей после соответствующей настройки параметров напряжения, тока и программного обеспечения.
Основные возможности
- измерение ёмкости (мА·ч);
- измерение накопленной энергии (Вт·ч);
- измерение внутреннего сопротивления;
- электронная нагрузка с постоянным током;
- программная установка тока разряда;
- отображение напряжения, тока, времени тестирования и результатов измерений;
- сохранение настроек в EEPROM;
- контроль температуры и управление вентилятором охлаждения.
Технические характеристики
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Микроконтроллер | Arduino Nano (ATmega328P) |
| Рабочее напряжение аккумулятора | около 0,8–20 В |
| Шаг измерения напряжения | около 0,01 В |
| Ток нагрузки | 0,01–2,5 А |
| Измеряемые параметры | В, А, мА·ч, Вт·ч, внутреннее сопротивление, время |
| Дисплей | LCD 20×4 (HD44780) |
| Электронная нагрузка | линейная на MOSFET |
| Измерение тока | три параллельных шунта по 0,33 Ом |
| Питание операционного усилителя | 9 В |
| Логическое питание | 5 В |
Оригинальная схема использовала микроконтроллер ATmega328P и была написана на языке AVR C. При переносе проекта на Arduino Nano сохранена практически вся логика исходной программы. Вместо полной переработки с использованием библиотек Arduino код был адаптирован для компиляции в Arduino IDE, благодаря чему удалось сохранить высокую скорость работы и прямое управление регистрами микроконтроллера. В результате получена совместимость с загрузчиком Arduino Nano при минимальных изменениях оригинального проекта.
Принцип работы
Устройство состоит из двух основных частей:
- блока управления;
- электронной нагрузки.
Блок управления включает Arduino Nano, ЖК-дисплей, кнопки управления, звуковую сигнализацию, систему контроля температуры, измерительные цепи и узлы регулировки.
Электронная нагрузка собрана на операционном усилителе LM358 и мощном N-канальном MOSFET. Arduino формирует ШИМ-сигнал, который после RC-фильтра преобразуется в аналоговое опорное напряжение. Операционный усилитель сравнивает его с напряжением на шунте и регулирует MOSFET таким образом, чтобы через аккумулятор протекал заданный постоянный ток.
Поскольку MOSFET работает в линейном режиме, практически вся потребляемая энергия рассеивается в виде тепла. Поэтому качество охлаждения напрямую определяет максимально допустимую мощность нагрузки и продолжительность непрерывной работы устройства.
Электронная нагрузка
В качестве силового элемента используется мощный MOSFET, работающий в линейном режиме. Например:
- 4,2 В × 1 А — около 4 Вт тепловыделения;
- 12 В × 2 А — около 24 Вт;
- 20 В × 2,5 А — до 50 Вт.
При работе с высокими напряжениями и токами необходимы массивный радиатор, качественный тепловой контакт и принудительное охлаждение.
Выбор MOSFET
Для проверки отдельных аккумуляторов 18650 при токах до 1–1,5 А вполне подходят транзисторы в корпусе TO-220:
- IRFZ44N;
- IRF540N;
- IRF3205.
Для испытаний аккумуляторов более высокого напряжения и работы при значительной мощности предпочтительнее использовать MOSFET в корпусе TO-247, например:
- IRFP260N;
- IRFP250N;
- IRFP264N.
Даже при использовании сравнительно небольших токов все транзисторы должны быть установлены на радиатор.
Измерение тока
Контроль тока осуществляется тремя параллельно соединёнными шунтирующими резисторами по 0,33 Ом, образующими эквивалентное сопротивление около 0,11 Ом.
Такая схема обеспечивает достаточную точность измерения и равномерное распределение выделяемой мощности между резисторами.
Для повышения надёжности рекомендуется использовать шунты мощностью не менее 2 Вт.
Операционный усилитель
В оригинальной конструкции применяется LM358. Эта микросхема отличается доступностью и возможностью работы от однополярного питания, однако её входное напряжение смещения ограничивает точность измерения малых токов.
Для большинства практических задач LM358 обеспечивает достаточную точность и позволяет уверенно отличать исправные аккумуляторы от деградировавших.
Следует учитывать, что операционный усилитель питается напряжением 9 В, поэтому многие современные прецизионные ОУ, рассчитанные максимум на 5,5 В, использовать без доработки схемы нельзя.
Измерение внутреннего сопротивления
Одной из наиболее полезных функций устройства является определение внутреннего сопротивления аккумулятора. Чем ниже внутреннее сопротивление, тем меньше падение напряжения под нагрузкой, ниже нагрев и выше способность элемента отдавать большой ток. Приблизительная оценка результатов:
| Внутреннее сопротивление | Состояние |
|---|---|
| менее 100 мОм | отличное |
| 100–180 мОм | нормальное |
| 180–250 мОм | заметный износ |
| более 250 мОм | аккумулятор значительно деградировал |
Полученные значения следует использовать прежде всего для сравнительного анализа. Наиболее корректные результаты достигаются при использовании одинаковых кабелей, одного держателя аккумуляторов и одинакового тестового тока.
Первый запуск
Перед началом эксплуатации рекомендуется:
- проверить отсутствие коротких замыканий;
- убедиться в наличии напряжений питания 5 В и 9 В;
- протестировать дисплей, кнопки и зуммер;
- выполнить калибровку измерения напряжения от стабилизированного источника питания;
- проверить режим постоянного тока на значениях 0,1; 0,2; 0,5 и 1 А;
- измерить падение напряжения на шунте мультиметром;
- убедиться в работе вентилятора;
- контролировать температуру MOSFET;
- только после проверки схемы приступать к испытаниям аккумуляторов.
Охлаждение
Электронная нагрузка работает в линейном режиме и преобразует большую часть потребляемой энергии в тепло. Поэтому обязательными являются:
- массивный радиатор;
- качественная теплопередача между MOSFET и радиатором;
- постоянная работа вентилятора при высоких токах;
- использование шунтирующих резисторов достаточной мощности.
При эксплуатации устройства на высоких токах именно эффективность системы охлаждения определяет его надёжность и долговечность.
Рекомендуемые параметры для тестирования аккумуляторов 18650
| Параметр | Рекомендуемое значение |
|---|---|
| Ток измерения ёмкости | 1 А |
| Конечное напряжение разряда | 3,0 В |
| Ток при измерении внутреннего сопротивления | около 1 А |
| Режим вентилятора | постоянно включён |
| Соединительные провода | минимальной длины и большого сечения |
Такие настройки обеспечивают хорошее сочетание точности измерений, повторяемости результатов и безопасной работы устройства.
