Самодельное устройство для измерения емкости автомобильного аккумулятора. Емкость аккумулятора: в чем она измеряется, как ее измерить своими руками. Измерения посредством специальных приборов

Для того, что бы измерить ёмкость какого-нибудь аккумулятора, обычно поступают так: подключают к этому аккумулятору резистор определённого номинала, который разряжает этот аккумулятор, и записывая величины тока, протекающего через резистор и напряжение на нём, дожидаются полной разрядки аккумулятора. По полученным данным строится график разряда, из которого и выясняют ёмкость. Проблема только в том, что по мере снижения напряжения на аккумуляторе ток через резистор так же будет уменьшаться, так что данные придётся интегрировать во времени, поэтому точность такого способа измерения ёмкости аккумулятора оставляет желать лучшего.

Если же разряжать аккумулятор не через резистор, а через источник стабильного тока, то это позволит определить ёмкость аккумулятора с очень большой точностью. Но здесь есть одна проблема - напряжение на аккумуляторе (1,2..3,7 В) недостаточно для работы источника стабильного тока. Но эту проблему можно обойти, добавив в схему измерения дополнительный источник напряжения.

Рис. 1. Схема для измерения ёмкости аккумулятора
V1 - исследуемый аккумулятор; V2 - вспомогательный источник напряжения; PV1 - вольтметр;
LM7805 и R1 - источник стабильного тока; VD1 - защитный диод.

На рисунке 1 изображена принципиальная схема установки для измерения ёмкости аккумулятора. Здесь видно, что измеряемый аккумулятор V1 включён последовательно с источником тока (его образуют интегральный стабилизатор LM7805 и резистор R1) и вспомогательным источником питания V2. Поскольку V1 и V2 соединены последовательно, то сумма их напряжений оказывается достаточной для работы источника тока. Так как минимальное напряжение, необходимое для работы источника тока составляет 7 В (из них 5 В - это напряжение на выходе микросхемы LM7805, т.е. в данном случае это падение напряжения на резисторе R1, и 2 В - это минимально допустимое падение напряжения между входом и выходом LM7805), то для работы источника тока суммы напряжений V1 и V2 хватает с некоторым запасом.

Вместо стабилизатора LM7805 можно использовать другой интегральный стабилизатор, например, LM317 с выходным напряжением 1,25 В и минимальным падением напряжения 3 В. Так как минимальное рабочее напряжение источника тока будет равно 4,25 В, то напряжение второго источника напряжения V2 можно снизить до 5 В. В случае использования стабилизатор LM317 величина тока стабилизации будет определяться по формуле I = 1,25/R1

Тогда для разрядного тока 100 мА величина сопротивления R1 должна быть примерно 12,5 Ом.

Как производить измерение ёмкости аккумулятора

Вначале подбором резистора R1 нужно установить разрядный ток - обычно величину разрядного тока выбирают равной рабочему току разряда аккумулятора. Следует так же иметь в виду, что некоторые модели интегральных стабилизаторов напряжения 7805 могут потреблять небольшой управляющий ток порядка 2...8 мА, так что величину тока в схеме рекомендуется проверять амперметром. Далее полностью заряженный аккумулятор V1 устанавливают в схему, и замкнув выключатель SA1 начинают отсчёт времени до того момента, когда напряжение на аккумуляторе снизится до минимальной величины - для разных типов аккумуляторных батарей эта величина различна, например, для никель-кадмиевых (NiCd) - 1,0 В, для никель-металлогидридных (NiMH) - 1,1 В, для литий-ионных (Li-ion) - 2,5...3 В, для каждой конкретной модели аккумулятора эти данные нужно смотреть в соответствующей документации.

После достижения минимального напряжения на аккумуляторе выключатель SA1 размыкают. Следует помнить, что разряд аккумулятора ниже минимального напряжения может вывести его из строя. Перемножив величину разрядного тока (в Амперах) на время разряда (в часах) получаем ёмкость аккумулятора (А*ч):

C = I * t

Рассмотрим практическое применение этого способа измерения ёмкости аккумулятора на конкретном примере.

Измерение ёмкости аккумулятора NB-11L

Аккумулятор NB-11L (рис. 2.) был приобретён в интернет-магазине DealeXtreme за 3,7 доллара (SKU: 169532). На корпусе аккумулятора указана его ёмкость - 750 мА*ч. На сайте его ёмкость указана уже скромнее - 650 мА*ч. Какая же реальная ёмкость этого аккумулятора?

Рис. 2. Li-ion аккумулятор NB-11L ёмкостью якобы 750 мА*ч
Fits CAN.NB-11L 3.7V 750mAh
Use specified charger only

Что бы подключить проводники к контактам аккумулятора потребуются две скрепки, которые следует изогнуть так, как показано на рисунке 3, и подключить их к "+" и "-" выводам аккумулятора (рис. 4.). Необходимо избегать замыкания контактов, лучше их заизолировать.

Для измерения ёмкости аккумулятора NB-11L его разрядный ток был принят равным 100 мА. Для этого величина резистора R1 была выбрана чуть больше 50 Ом. Мощность, рассеиваемая на резисторе R1 определяется по формуле P = V 2 /R1 , где V - напряжение на резисторе R1. В данном случае P=5 2 /50=0,5 Вт. Стабилизатор LM7805 следует установить на радиатор, если же под рукой нет подходящего радиатора, то микросхему можно частично погрузить в стакан с холодной водой, но так, что бы выводы остались сухими (в случае корпуса TO-220).

После установки полностью заряженного аккумулятора NB-11L в схему и замыкания выключателя SA1 начался отсчёт времени с периодическим контролем напряжения по вольтметру PV1. Данные заносились в таблицу, по которой был построен график разряда аккумулятора NB-11L (рис. 5).

Рис. 5. График напряжения на аккумуляторе NB-11L в процессе его разряда током 100 мА

Отсюда видно, что за 5 часов разряда током 0,1 А напряжение на аккумуляторе снизилось до 3 вольт и стало быстро падать дальше.

C = I * t = 0,1 * 5 = 0,5 А = 500 мА*ч.

Так что реальная же ёмкость аккумулятора NB-11L оказалась в 1,5 раза ниже указанной на нём.

Представляем проект самодельной активной электронной нагрузки. Сама по себе активная нагрузка не является чем-то особенным, но здесь расширение базы представляет собой микроконтроллер, используемый для измерения тока, напряжения и мощности и тестирования емкости любых аккумуляторов от 100 мА/ч до 99 А/ч с функцией автоматического отключения нагрузки от источника после достижения установленного напряжения разряда. Дополнительным действием микроконтроллера является управление скоростью вентилятора в зависимости от температуры радиатора.

Схема измерителя ёмкости АКБ с электронной нагрузкой

Работа базовой схемы активной нагрузки довольно проста — силовой транзистор последовательно соединен с резистором измерения мощности источника с источником питания (например, блоком питания, аккумулятором). Транзистор управляется сигналом ошибки, генерируемым в измерительном усилителе на основе сигнала напряжения, получаемого с измерительного резистора, и сигнала напряжения, подаваемого с потенциометра управления. Разница этих сигналов заставляет транзистор открываться или закрываться через измерительный усилитель для их выравнивания. Это влияет на величину тока, протекающего через транзистор, и, следовательно на ток, поступающий от проверяемого источника. Напряжение, пропорциональное току протекающему через него в соответствии с законом Ома, подается на измерительный резистор.

Конечно, эта базовая схема имеет много различных модификаций, например более одного силового транзистора, дополнительные управляющие транзисторы, MOSFET-транзистор вместо биполярных, улучшенные версии операционных усилителей и так далее.

В данном проекте использован самый простой вариант с одним полевым транзистором STW20NB50 в корпусе TO-247. Транзистор напрямую управляется сдвоенным операционным усилителем LM358, питаемым от одного напряжения 9 В. Измеряемое напряжение от силового резистора (2 параллельных резистора 0R1 5 Вт) подается через простой RC-фильтр на инвертирующий вход первого усилителя, а на неинвертирующий вход другого операционного усилителя для усиления напряжения перед передачей в микроконтроллер — измерение тока.

Напряжение двух последовательно соединенных потенциометров управления также подается на вход неинвертирующего первого усилителя, создание системы грубой и точной регулировки, поглощенной текущей нагрузкой. В первом ОУ генерируется сигнал ошибки, управляющий силовым транзистором. Транзистор работает линейно, что несколько необычно для MOSFET, но совершенно нормально в данном случае.

Внимание: эта схема активной нагрузки может не выдержать обратного подключения проверяемого источника питания!

Проект основан на микроконтроллере ATtiny26. Он управляется внутренним генератором с частотой 8 МГц, который при первых нескольких срабатываниях калибруется «вручную» методом проб и ошибок, изменяя параметр, введенный в регистр генератора OSCCAL в начале программы (несколько раз корректируя, компилируя и программируя). Хотя в схеме есть функция измерения емкости батареи, которая заключается в подсчете принятой нагрузки как функции времени, не считаем необходимым стабилизировать время с помощью кварца, поскольку это не лабораторное оборудование, и небольшие отклонения отсчитываемого времени (после калибровки генератора) мало влияет на результат измерения АКБ. Если кто-то хочет стабилизировать таймер кварцем — можете сделать и так.

Программа была написана полностью на ассемблере и занимает доступную память процессора, всего 2 КБ.

АЦП подаются через блокирующий конденсатор в конце AVCC и в качестве источника использования эталонного напряжения внутреннее напряжение 2,56 В. Измерения проводятся циклически каждые 200 мсек в основном цикле программы.

Чтобы просмотреть ток и напряжение с точностью до 0,01, точность обработки АЦП была программно увеличена с 10 до 12 бит. Без этой процедуры точность индикации напряжения в предполагаемом диапазоне 30 В составляла 30 В / 1023 (АЦП) = ~ 0,03 В, что не очень.
Благодаря передискретизации до 12 бит точность показаний напряжения составила 30 В / 4095 (АЦП) <0,01 В. Для тока с предполагаемым диапазоном 10 А избыточная дискретизация была по существу ненужной, потому что 10 А / 1023 (АЦП) = ~ 0,01 А, что достаточно.

При каждом измерении делается много «быстрых» показаний с АЦП, из которых извлекается среднее значение, который затем попадает в «свободный» круговой буфер, который циклически заполняется при каждом измерении. Среднее значение этого буфера берется только для дальнейших правильных расчетов тока или напряжения. В результате показания достаточно стабильны и достаточно быстро реагируют на изменения измеряемых величин.

Температура радиатора измеряется схемой на датчике Dallas (это может быть 18B20 или 18S20 — программа распознает и настраивает) с точностью до ближайших градусов, и на этой основе определяется, как быстро крутить вентилятор радиатора — чем он горячее, тем быстрее вращение. При включении питания вентилятор запускается с высокой скоростью и через некоторое время достигает минимальной скорости согласно температуре.

Измерение емкости аккумулятора состоит в основном из суммирования текущих показаний через заданные временные интервалы (здесь 1 с) и последующего интегрирования этой суммы для интервалов определенного времени (здесь 1 ч = 3600 с). Например, пусть это будет текущее измерение 1 А; если мы суммируем его в течение часа каждую секунду, то получаем сумму показаний = 1 A х 3600 с = 3600 Ас; если разделим его на постоянный период интеграции, равный 3600 с (1 час), то получим 3600 Ас / 3600 с = 1 А в час.

Давайте проверим, будет ли ток = 4 А в течение 10 часов, тогда что получится? 4 A х 36000 с = 144000 Ас -> 144000/3600 = 40 Ач.

Чтобы измерить емкость аккумулятора он должен быть подключен к нагрузке с минимальными грубыми и точными потенциометрами (отключение нагрузки) и с максимальным потенциометром регулировки напряжения отсечки. На дисплее должно отображаться напряжение на аккумуляторе, например, 12,15 В и ток без нагрузки. Единица напряжения должна быть записана как «V» (с заглавной буквой), если это маленькая буква «v», следует кратковременно нажать кнопку, чтобы активировать функцию отключения нагрузки, чтобы вернуться к большому «V».

Теперь отрегулируем напряжение отсечки для потенциометра, например, для 12-вольтовой кислотной батареи это будет полное напряжение разряда 10,20 В (1,7 В / элемент, разные источники могут давать немного разные размеры, особенно в зависимости от его производителя). Нажимаем долго (более 3 секунд) функциональную кнопку отключения нагрузки, пока буква «V» не изменится на маленькую «v». Поверните потенциометр напряжение до максимального значения и оставить уже — с изолирующей нагрузкой вернутся в режим ожидания.

Теперь достаточно установить желаемый ток нагрузки, желательно на 20 часов (обычно в соответствии с рекомендациями для кислотных АКБ), например, 2,5 А для аккумулятора 50 А/ч, и ждать сигнала завершения — пикание. В зависимости от состояния АКБ, это может занять несколько часов. Благодаря функции отключения нагрузки не нужно беспокоиться о том, чтобы пропустить момент полной разрядки и повредить аккумулятор — нагрузка отключится автоматически. На дисплее можем прочитать значение емкости и времени измерения, которое прошло.

Измерение емкости активируется автоматически после обнаружения тока не менее 50 мА без какой-либо операции нажатием кнопки и регулировкой напряжения отключения, описанных выше — они служат только для активации режима контроля напряжения и отключения нагрузки.

На одном из выходов процессора имеется передача от программного обеспечения USART со скоростью 9600 8N1 в односекундном цикле, в которую включена информация, идентичная показанной на дисплее в виде кодов ASCII. Вы можете отправить передачу данных, например, на компьютер через любой адаптер RS232-TTL / USB и прочитать информацию непосредственно на любом терминале, указав соответствующий COM-порт адаптера. Переданные данные включают в себя коды ASCII, управляющие терминалом, а именно коды CR + LF на концах линии и код CLRSCR для очистки экрана в начале каждой передачи, благодаря чему данные отображаются в окне терминала в фиксированном месте (прокрутка окна при получении данных не производится).

Микроконтроллер напрямую управляет буквенно-цифровым ЖК-дисплеем 2×16 в 4-битном режиме. Дисплей отображает 6 параметров,

• в верхней строке: напряжение, ток, температура радиатора;
• в нижней строке: мощность, мощность, время измерения.

В схеме есть несколько потенциометров. Они используются для коррекции измерений напряжения и тока, а также контрастности дисплея и для регулировки уровня тока нагрузки (грубой и точной), а также для установки напряжения отсечки для измерений А/ч.

Источник питания служит силовой трансформатор мощностью 3 Вт и напряжением 12 В. Стандартный встроенный стабилизатор в версии SMD обеспечивает напряжение 5 В для питания всей схемы, в то время как стабилизатор 9 В в корпусе TO-92 для операционного усилителя припаян со стороны дорожек, напряжение отфильтровано несколькими электролитическими конденсаторами и керамикой.

Электронная схема была разделена на две печатные платы: плату процессора с взаимодействующими цепями и плату нагрузки с транзистором и резисторами. Они разработаны так, что их можно разделить на две части или оставить как одну большую плату. В случае разделения платы соединяются с помощью коротких отрезков проводов, предпочтительно кабелей, и размещаются в корпусе так, чтобы они были как можно ближе друг к другу (как можно короче соединительные провода). Силовой транзистор присоединен к достаточно большому радиатору с вентилятором.

Вся схема была размещена в типичном металлическом корпусе от блока питания компьютера АТХ. На одной из стенок прикреплена лицевая панель с отверстием для дисплея. В дополнение к дисплею имеются также бананы-разъемы для подключения проверяемого источника и потенциометров регулировки. Благодаря тому, что это корпус от БП компьютера, тут уже есть разъем для сетевого 220 В шнура питания.

Самым важным параметром каждой АКБ является его емкость аккумулятора. Она определяет количество энергии, отдаваемой им за каждый отрезок времени. Это касается всех батарей от автомобильных до телефонных. Знать о них и понимать устройство важно, поскольку при использовании батареи не той емкости могут возникнуть серьезные проблемы при запуске этих устройств.

Единицы измерения этой величины – Амперы или Миллиамперы / час. По данному параметру осуществляют выбор АКБ для техники, руководствуясь рекомендованными значениями. При нарушении рекомендаций, к примеру, автомобиль может не запуститься зимой.

Что такое емкость батареи или аккумулятора

Все аккумуляторы обычно украшают надписи вроде 55, 70 Ah либо 1800mAh. Такое обозначение говорит о том, что емкость данного аккумулятора – соответственно 55 Ампер или долей Ампер в час, только в переводе на английский – A/hour. Его нужно отличать от другого параметра – напряжения, которое пишется в Вольтах.

Стандартный аккумулятор

Показатель Ah показывает, сколько батарея проработает в течение часа на нагрузку 60 Ампер и напряжение 12,7В. Другими словами, емкость – это запас энергии, который в себе способен удерживать аккумулятор.

И если будет меньше, чем 60А нагрузки, то батарея продержится дольше 60 минут.

Как быстро проверить емкость любого аккумулятора

Чаще всего вместимость аккумулятора измеряется с помощью тестера. Это прибор для быстрых измерений. Он работает автоматически, для его применения не нужны никакие дополнительные познания. Временные затраты составляют не более 15 секунд. Все, что требуется – подключить тестер к источнику питания и надавить на единственную кнопку, после чего он начинает определять емкости подключенных аккумуляторов.

Его используют при выборе батареи, сравнивая остаточную и номинальную вместимость, которая официально указана на устройстве. Если разница составить больше 50%, то АКБ нельзя эксплуатировать.

Какой использовать прибор для точного измерения емкости любого аккумулятора

Показатель емкости определяет плотность электролитов, она определяется с помощью особого прибора – ареометра. На новых батареях всегда указаны основные параметры. Однако эта величина определяется и самостоятельно.

Маленький аккумулятор

Наиболее простым способом являются обычные тестеры наподобие «Кулона». С помощью этого прибора измеряют вместимость и напряжение АКБ в автомобиле. Это требует минимальных затрат сил и времени при достижении достоверных результатов.

Чтобы воспользоваться «Кулоном», нужно подсоединить его к клеммам аккумулятора, после чего он начнет определять силу напряжения и величину вместимости.

Используется множество других способов вычисления данных параметров. Классическим является измерение с помощью мультиметра аккумулятора авто. Для того чтобы это осуществить, в нем должен быть полный заряд и соединение с потребителем (достаточно обычной лампочки в 60Вт). Однако даже это не гарантирует абсолютной точности показаний.

Прибор мультиметр

Первым шагом после сбора цепи из самой батареи, мультиметра, лампочки станет подача напряжения. В случае если на протяжении 2 минут лампочка не гаснет (если это не так, батарею не восстановить), брать показания «Кулона». Как только показания будут падать ниже стандартов напряжения аккумулятора, он начинает разряжаться. Замерив время, потребовавшееся для окончательного израсходования энергии и ток нагрузки потребителя, нужно эти показания друг на друга умножить друг на друга. Получившееся число и есть вместимость батареи.

В случае отличия результата от официального значения аккумулятор нужно заменять. Мультиметр позволяет посчитать емкость любой батареи. Неудобство такого способа в больших временных затратах.

Во втором способе измерения обеспечивают разрядку АКБ с помощью резистора по специальной схеме. С помощью секундомера определяется время разряда. Однако важно не разрядить АКБ полностью, предохраняясь от этого посредством реле.

Как сделать прибор собственными руками

Если под рукой необходимой техники нет, реализовать устройство можно самому. Подойдут нагрузочные вилки. Их всегда много в продаже, но их собирают и самостоятельно. Ниже рассмотрен такой вариант.

Схема вилки

У данной вилки расширена шкала, что позволяет достичь высочайшей точности показания. В строено сопротивление нагрузке. Диапазоны шкалы делятся напополам, благодаря чему понижается погрешность показаний. Прибор оснащен 3-х вольтовой шкалой. Это дает возможности проверить отдельные банки батареи. Шкалы в 15В достигают посредством понижения на диодах и стабилитронах напряжения.

Показание тока прибора вырастет, как только значения напряжения станут больше уровня открытия стабилитрона. Во время подачи напряжения не той полярности диоды оказывают защиту. На картинке: SB1 – тумблер, R1 является передатчиком требуемого тока, R2 и R3 – резисторами, предназначенными для M3240, R4 – определителями ширины узких диапазонов шкал, R5 – нагрузочным сопротивлением.

Как в домашних условиях узнать емкость телефонного аккумулятора

При использовании сотового телефона его аккумулятор подвергается постоянной деградации. Этого процесса не избежать, он естественен. Это происходит вне зависимости от модели, цен, функций телефона. Чтобы точно понимать, сколько еще прослужит аккумулятор в устройстве, нужно измерять текущую его емкость. Это позволит вовремя заменить батарею до того, как она начнет отключаться в самое неподходящее время.

Вздутый аккумулятор

В первую очередь нужно осмотреть батарею. Опасные проблемы в литиевой батарее видны сразу: корпус может вздуваться, быть полным следов коррозий, пятен зеленоватых и белых оттенков.

При обнаружении признаков вздутия дальше использовать такую батарею опасно. Это может спровоцировать замыкание электросхем в телефоне. Возможно начало вздутия с маленькой выпуклости вплоть до серьезных деформаций. К настораживающим фактором относится и быстрое падение заряда в телефоне.

На сегодняшний день существует множество приложений для измерения текущей вместимости телефона.

Чтобы точно определить вместимость батареи, используют метод продвинутого зарядного устройства. Аккумулятор полностью разряжают, затем подключают к данному устройству. Оно, в свою очередь, высчитывает вместимость аккумулятора с учетом времени и значения тока.

Различия нагрузки

Параметры каждого автомобиля разные. Различаются их объемы двигателей, вместимости аккумулятора. В легковом авто обычно АКБ вместимостью 40-45А, а в большой машине около 60-75А.

Причины этого кроются в пусковом токе – чем меньше батарея, тем меньше в ней электролитов, свинца и т.п. Чем он больше, тем больше количество энергии, которую может отдавать в один момент. Исходя из этого, на малолитражке способны успешно работать крупные АКБ, а маленькие недопустимо вставлять в крупный автомобиль.

Зависимость от корпуса

Аккумуляторы разных размеров

Вместимость прямым образом связана с числом электролитов и свинца АКБ. Из-за этого батареи маленькой вместимости будет гораздо меньше в объеме и весе, чем более вместительные батареи. По этим причинам на малолитражку никогда не ставят большие аккумуляторы, так как это не имеет смысла – в этих машинах мало пространства под капотом. А маленькая батарея прекрасно справляется с функцией запуска мотора.

Уменьшение емкости

Любая батарея подвержена воздействию амортизации, ее вместимость становится меньше со временем. Обычные аккумуляторы служат около 3-5 лет. Наиболее качественные экземпляры сохраняются в хорошем состоянии до 7 лет.

Когда вместимость падает, батарея теряет способность давать достаточно пускового тока. Тогда ее приходит пора заменять. К основным причинам падения вместимости относятся:

• Скопление серной кислоты на плюсовой пластине. Она может полностью перекрыть все поверхности, ухудшается контакт с электролитами, вместимости падает.
• Пластина осыпается из-за перезарядов, тогда происходит недостаток электролитов. Это ведет к мгновенному понижению емкости батарей.
• При замыкании банки и соединении минусовой и плюсовой пластин друг с другом происходит снижение емкости батареи. Тем не менее, ее восстанавливают.

От чего зависит текущая емкость АКБ?

В течение всего срока службы аккумуляторной батареи ее емкость меняется. На начало своей работы они обладают наибольшей емкостью, поскольку пластины активно разрабатываются. Затем наступает период стабильной работы, и вместимость держится на одном и том же уровне. Дальше начинается спад вместимости по причине изнашивания пластин.

Процесс проверки аккумулятора

Вместимость аккумулятора меняется в зависимости от наличия активных материалов и конструкции электродов, электролитов, их температур и концентрации, величин разрядного тока, амортизации батареи, концентрации дополнительных налетов в электролитах и от многих других факторов.

С повышением разрядного тока вместимость АКБ понижается. При быстрой, спровоцированной специально разрядке АКБ теряют меньше вместимости, чем при более плавных режимах с малыми величинами тока. Исходя из этого на корпусе фиксируются показатели для 4, 15, 100 часов разряда. Вместимости одних и тех же АКБ при этом меняются крайне сильно. Меньше всего вместительность при 4 часах разрядки, а больше всего прочего – при больших отрезках времени.

Также показатели емкости меняются при повышении температуры электролитов, однако при повышении предельно допустимых норм происходит снижение сроков службы. Причины этого кроются в том, что при повышенной температуре электролиты проникают в активную массу, ведь их вязкость уменьшается, а сопротивление наоборот растет. Из-за этого в реакциях разрядки активной массы больше, чем во время заряда с пониженной температурой.

При особенно маленькой температуре вместимость АКБ снижается так же, как и ее полезное действие.

С увеличением концентрации электролитов повышается и емкость аккумулятора. Однако АКБ быстрее портится, так как разрыхляется активная масса аккумулятора.

Таким образом, проверка емкости аккумулятора необходима на всех этапах его жизни.

Измеритель емкости автомобильных аккумуляторов

В стать приводится схема измерителя емкости автомобильных аккумуляторов. Основой схемы является микроконтроллер PIC16F873A . Вся информация выводится на светодиодный индикатор с общим катодом.

Вообще я эту схему и программу сочинял по настоятельной просьбе одного из посетителей сайта уже давно, но этот настоятельный посетитель скоропостижно куда-то пропал. Поэтому выкладываю все и для всех.

В принципе схема состоит из уже проверенных рабочих фрагментов из разных устройств, поэтому данное устройство я в «железо» не воплощал. Работа измерителя была симулирована в PROTEUS 7.7 SP2.

Работа схемы

На транзисторе VT1 и ОУ DA1.1 – LM358N собран электронный эквивалент нагрузки со стабилизацией втекающего тока разряда испытуемого аккумулятора.

Уровень тока разряда устанавливают подстроечным резистором R5. Низкоомный резистор R7 является датчиком тока для усилителя DA1.1, с него же снимается сигнал для АЦП микроконтроллера – цифровой амперметр. На ОУ DA1.2 собран компаратор ограничения напряжения разряда аккумулятора. Контролируемое напряжение с разряжаемого аккумулятора через делитель напряжения R8 и R9 подается на инвертирующий вход ОУ DA1.2. Коэффициент деления этого делителя составляет 1:10, это же напряжение через переключатель SA1, контакты 1-3 подается на оцифровку на вход RA1 микроконтроллера DD1. Это цифровой вольтметр. На не инвертирующий вход ОУ DA1.2 подается опорное напряжение с делителя R2 и R3. Резистором R9 производится подстройка показаний цифрового вольтметра. Резистором R3 производится установка напряжения ограничения разрядки аккумулятора. Величину этого напряжения можно посмотреть, переведя переключатель SA1 в нижнее по схеме положение. Транзистор VT2 – это импульсный усилитель звукового сигнала окончания разрядки аккумулятора. Изменяя величину резистора R13, можно изменять громкость звучания громкоговорителя ВА1. Микросхема DA2 – стабилизатор напряжения питания микроконтроллера, а так, как в качестве опорного напряжения при оцифровке сигналов в программе выбрано напряжение питания контроллера, то величина этого напряжения должна быть отрегулирована резистором R11 на уровне 5,12В. Светодиод HL1 это индикатор окончания процесса измерения.

Настройка прибора

Не вставляя запрограммированный микроконтроллер, подаем питание на правильно собранное устройство. Резистором R11 устанавливаем на выходе стабилизатора напряжение 5,12 вольт. Снимаем напряжение питания с платы и вставляем микроконтроллер. Переводим переключатель SA1 в верхнее положение, отключает коллектор транзистора VT1, подаем на разъем подключения аккумулятора контрольное напряжение 12 вольт. Такого же показания добиваемся на индикаторе вольтметра с помощью резистора R9. Переводим переключатель SA1 в нижнее положение, и выставляем напряжение ограничения разрядки, например, 10,5 вольт. При этом напряжение на выходе ОУ DA1.2 должно быть равно нулю. Начинаем плавно уменьшать контрольное напряжение и в районе 10,5 вольт должен сработать компаратор, при этом на его выходе напряжение должно возрасти до, примерно, пяти вольт (логическая единица). Эту единичку зафиксирует контроллер и подаст прерывистый звуковой сигнал, сигнализирующий о конце измерения емкости аккумулятора. Одновременно засветится светодиод HL1.

В цепь разряда аккумулятора включаем контрольный амперметр, устанавливаем нужный ток (ток разряда автомобильных аккумуляторов выбирают в соответствии с формулой С/10, где С – емкость аккумулятора)разряда резистором R5 и сверяем наши показания с контрольными. Точность нашего амперметра в основном зависит от точности величины резистора датчика тока R7. Если показания будут завышенными, то величину резистора R7 надо будет уменьшить.

Работа с прибором.

Берем полностью заряженный аккумулятор и подключаем к устройству. Отсчет времени разряда начинается сразу же. На левом по схеме индикаторе мы увидим значение тока разряда, на среднем — напряжение на разряжаемом аккумуляторе, при условии, что SA1 в верхнем положении. На правом индикаторе со временем будет отображаться текущие значения емкости. Емкость определяется с точностью до десятых долей. Из этого следует, что показания емкости будут меняться каждые 6 минут. После того, как напряжение на аккумуляторе уменьшится до выбранного вами предела, засветится светодиод, прозвучит сигал. Контроллер зафиксирует измеренную емкость, но процесс разряда не прекратится, имейте это ввиду.

На этом все, Успехов, К.В.Ю.

Скачать полный проект можно здесь ↓.

При использовании аккумуляторных батарей на любых объектах, особенно в системах бесперебойного питания, за их состоянием нужно следить и регулярно проводить проверки. В этом материале мы рассмотрим основные параметры АКБ, а также рассмотрим, какими приборами и как можно провести их контроль и проверку!

Основная задача при проверке состояния любой аккумуляторной батареи - выяснить, обладает ли она достаточной емкостью, может ли обеспечить заявленные производителем характеристики в течение необходимого времени. Однако непосредственно средствами измерения определяются только несколько основных параметров - напряжение, сила тока. В обслуживаемых аккумуляторах можно также замерить плотность электролита. Измерения можно проводить неоднократно, фиксируя изменение значений с течением времени. Все остальные параметры и характеристики не измеряются напрямую, а выводятся по разработанной изготовителем методике, причем она зависит и от типа АКБ, и от рекомендаций производителя, и от вида подключенной нагрузки. При этом необходимо учитывать, что многие зависимости, характеризующие работу АКБ, носят нелинейный характер. Могут сказываться и другие факторы, например, влияние температуры.

При выполнении краткосрочных измерений при использовании даже самых совершенных методик тестирование носит не точный количественный, а качественный характер. Единственный достоверный способ измерения емкости АКБ - его полная разрядка в течение многих часов с тщательной фиксацией параметров в ходе всего процесса. Но использовать столь продолжительную процедуру на практике можно далеко не всегда, особенно если батарей много. Тем не менее, и краткосрочных оценочных измерений достаточно для того, чтобы отличить работоспособный аккумулятор от изношенного, утратившего емкость, и вовремя произвести замену АКБ.

Способы проверки АКБ

1. Подключение нагрузки

К АКБ на некоторое время подключается рабочая или второстепенная нагрузка той или иной величины. Вольтметром или мультиметром измеряется падение напряжения. Если процедура выполняется несколько раз, между измерениями выжидается определенное время, чтобы батарея восстановилась. Полученные данные сопоставляются с параметрами, заявленными производителем АКБ для данного типа батареи и данной величины нагрузки.

2. Измерения при помощи нагрузочной вилки

Строение простейшей нагрузочной вилки показано на схеме:

Устройство оснащено вольтметром, параллельно которому установлен большой по мощности нагрузочный резистор, и имеет два щупа. В старых моделях вольтметры аналоговые; новые модели, как правило, оснащены ЖК-дисплеем и цифровым вольтметром. Существуют нагрузочные вилки с усложненной схемой, использующие несколько нагрузочных спиралей (сменных сопротивлений), рассчитанные на разные диапазоны измерения напряжений, предназначенные для тестирования кислотных либо щелочных аккумуляторов. Есть даже вилки, которыми тестируют отдельные банки аккумуляторов. В состав продвинутых устройств помимо вольтметра может входить амперметр.

Получаемые при измерениях данные также необходимо сопоставлять с параметрами, заявленными производителями для данного типа батарей и данного сопротивления.

3. Измерения при помощи специальных устройств, тестеров анализаторов АКБ

Приборы Кулон

Принципиальным развитием идеи нагрузочной вилки можно считать семейство цифровых приборов-тестеров Кулон (Кулон-12/6f, Кулон-12m, Кулон-12n и другие) для проверки состояния свинцовых кислотных аккумуляторов, а также другие подобные устройства. Они позволяют проводить быстрые замеры напряжения, приближенно определять емкость АКБ без контрольного разряда и сохранять в памяти несколько сотен, а иногда и тысяч измерений.

Приборы Кулон питаются от аккумулятора, на котором проводятся измерения. Входящие в комплект провода с разъемами «крокодил» имеют части, изолированные друг от друга, что обеспечивает четырехзажимное подключение к аккумулятору и устраняет влияние на показания прибора сопротивления в точках подключения зажимов. По заявлению разработчика, прибор анализирует отклик аккумулятора на тестовый сигнал специальной формы, при этом измеряемый параметр примерно пропорционален площади активной поверхности пластин аккумулятора и, таким образом, характеризует его емкость. Фактически, точность показаний зависит от достоверности методики, разработанной производителем.

Емкость аккумулятора - электрический заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором - измеряется в ампер-часах и представляет собой произведение тока разряда на время. Для точного определения емкости необходимо произвести разряд батареи (процесс длительный, многочасовой), постоянно фиксируя величину заряда, отдаваемого батареей. При этом относительная емкость АКБ в зависимости от времени изменяется нелинейно. Например, для аккумуляторной батареи типа LCL-12V33AP относительная емкость меняется со временем следующим образом:

Прибор Кулон при помощи быстрого измерения ориентировочно определяет емкость полностью заряженного аккумулятора . Он не предназначен для оценки степени заряженности АКБ, все измерения необходимо проводить на полностью заряженной батарее. Устройство кратковременно подает тестовый сигнал, регистрирует отклик от батареи и через несколько секунд выдает ориентировочную емкость АКБ в ампер-часах. Одновременно на экран выводится измеренное напряжение. Полученные значения можно сохранять в памяти прибора.

Производитель подчеркивает, что устройство не является прецизионным измерителем, но позволяет оценочно определять емкость свинцовой кислотной батареи, особенно если пользователь самостоятельно откалибровал прибор при помощи аккумулятора такого же типа, что и тестируемый, но с известной емкостью. Процедура калибровки подробно изложена в инструкции к прибору.

Тестеры PITE

Следующая разновидность устройств для тестирования АКБ - тестеры PITE: модель PITE 3915 для измерения внутреннего сопротивления и модель PITE 3918 для оценки проводимости батарей.

Управление осуществляется при помощи цветного сенсорного экрана, но основные управляющие кнопки вынесены на клавиатуру в нижней части корпуса. Прибором можно тестировать батареи емкостью от 5 до 6000 А·ч, с элементами аккумулятора 1.2 В, 2 В, 6 В и 12 В. Диапазон измерения напряжения - от 0.000 В до 16 В, сопротивления - от 0.00 до 100 мОм. Прибор позволяет задать тип проверяемых батарей, выполнить измерение напряжения и сопротивления (модель 3915) или напряжения и проводимости (модель 3918), и на их основании судить о том, соответствует емкость батареи заявленной производителем или нет. При этом параметр Capacity (емкость батареи) выводится в процентах.

Интерфейс прибора позволяет проводить как одиночные измерения, так и последовательные (до 254 измерений в каждой последовательности, совокупное количество результатов более 3000), что удобно при проверке большого количества однотипных АКБ (в последнем случае результаты сохраняются автоматически, помимо данных в них фиксируется также порядковый номер измерения). В зависимости от настроек прибор может использовать для выдачи результата (статуса Good, Pass, Warning или Failed) собственные критерии либо значения, заданные пользователем. Результаты тестирования через порт USB могут быть перенесены на компьютер для просмотра и последующей подготовки отчетов.

Анализаторы Fluke

Более глубокое развитие той же идеи - приборы Fluke Battery Analyzer серии 500 (BT 510, BT 520, BT 521), которые позволяют измерять и сохранять в памяти напряжение, внутреннее сопротивление стационарной батареи, температуру минусовой клеммы, напряжение при разрядке. При наличии дополнительных аксессуаров можно измерять и сохранять в памяти и другие параметры. Тесты можно проводить как в режиме отдельных измерений, так и в последовательном режиме; используя настраиваемые профили. Есть возможность задать пороговые значения для различных параметров. Встроенный порт USB позволяет передавать собранные записи (до 999 записей каждого типа) на компьютер для подготовки отчетов с помощью программного обеспечения Analyze Software, входящего в комплект поставки.

Щупы прибора имеют специальную конструкцию: внутренний подпружиненный контакт предназначен для измерения тока, внешний - для измерения напряжения. Если на щуп надавить, внутренний наконечник смещается внутрь таким образом, что оба контакта каждого щупа касаются поверхности одновременно. В результате одни и те же щупы позволяют организовать как 2-проводное, так и 4-проводное подключение к полюсам батареи (последнее необходимо для измерения Кельвина).

Прибор позволяет измерять следующие параметры:

Внутреннее сопротивление батареи (измерение занимает менее 3 с).

Напряжение батареи (производится одновременно с измерением внутреннего сопротивления)

Температура минусовой клеммы (рядом с черным наконечником на щупе BTL21 Interactive Test Probe предусмотрен ИК-датчик)

Напряжение при разрядке (определяется несколько раз в ходе разрядки или во время теста на нагрузку)

Также возможно измерение пульсирующего напряжения, измерение переменного и постоянного тока (при наличии токовых клещей и адаптера), выполнение функций мультиметра. С анализаторами Fluke можно использовать интерактивный тестовый щуп BTL21 Interactive Test Probe со встроенным датчиком температуры. С приборами совместимо большое разнообразие дополнительных аксессуаров (токовые клещи, удлинители разного размера, съемный фонарик и т. п.).

Хотя прибор обладает богатым функционалом, ключевым этапом в определении состояния АКБ остается сопоставление измеренных показателей с расчетными или заданными изготовителем для данного конкретного типа батарей. Устройства Fluke Battery Analyzer серии 500 удобны для массовой инспекции состояния батарей. Последовательный режим и система профилей позволяют выполнять необходимые измерения одно за другим, результаты запоминаются прибором и хранятся в упорядоченной форме, последовательно пронумерованные и разбитые на группы. Но прибор не имеет функции прямого или косвенного измерения емкости АКБ в ампер-часах - хотя бы потому, что для батарей разного типа на сегодняшний день вряд ли возможно разработать единую точную методику такого определения.

Все перечисленные выше устройства, хоть и отличаются друг от друга по размеру, относятся к классу портативных. В отдельную группу можно выделить стационарные комплексы для проверки АКБ, которые могут проводить быстрые испытания с определением внутреннего сопротивления, контролировать все параметры, включая активную и реактивную составляющие сопротивления, управлять процессом разряда/заряда и т. п. Подобные комплексы адресованы скорее исследовательским лабораториям, промышленным производителям АКБ и разработчикам нового оборудования, чем конечным пользователям.

Анализаторы Vencon

Промежуточное положение занимает анализатор Vencon UBA5 , предназначенный для работы с аккумуляторными батареями, используемыми в портативных средствах связи (мобильных телефонах, носимых радиостанциях, разнообразных гаджетах и т. п.), портативных инструментах и других устройствах напряжением до 18.5 В, емкостью от 10 мА·ч до 100 А·ч. Анализатор Vencon UBA5 совмещен с зарядным устройством и может использоваться в ремонтных мастерских, центрах обслуживания компьютерной техники, мобильной электроники и других устройств.

Прибор предназначен для различных типов АКБ (никель-кадмиевых, никель-металл-гидридных, литий-ионных, литий-полимерных, свинцовых кислотных и др.), позволяет задавать токи зарядки и разрядки, изменять алгоритмы работы устройства, тестировать емкость батарей при помощи однократных и многократных измерений, сохранять результаты измерений в памяти и выводить их через порт USB, готовить графические отчеты при помощи программного обеспечения.

Характерная особенность устройства - два измерительных канала (по 2 измерительных провода каждый), причем для проведения различных измерений их можно комбинировать, в том числе и от нескольких устройств UBA5. Дополнительно могут заказываться датчики температуры.

Прибор способен генерировать зарядный ток до 2А на каждом канале, ток нагрузки - до 3А (45 Вт) на каждом канале (в комплект входит адаптер питания). Более точные характеристики зависят от конкретной модели устройства - в серию UBA5 входит 5 различных моделей приборов.

В данном типе прибора, как и во всех описанных ранее, ключевым для определения состояния батареи является сопоставление измеренных показателей с параметрами, заявленными производителями АКБ.

4. Полная разрядка/зарядка

На сегодняшний день полная разрядка и зарядка - это единственный прямой и максимально достоверный способ определения емкости АКБ. Специализированные устройства контроля разряда/заряда батареи (УКРЗ) позволяют выполнить глубокую разрядку и последующую полную зарядку батареи с постоянным контролем емкости. Однако эта процедура занимает очень много времени: 15-17-20-24 часа, иногда и более суток, в зависимости от емкости и текущего состояния батареи. Хотя метод дает наиболее точные результаты, из-за временных затрат его применение ограничено.

5. Измерение плотности электролита

В обслуживаемых аккумуляторах для определения их состояния можно измерять плотность электролита, поскольку между этим параметром и емкостью АКБ существует непосредственная зависимость. Плотность электролита может меняться в силу разных причин, которые вдобавок взаимосвязаны (частый глубокий разряд батареи, сульфатация, неоптимальная плотность электролита, испарение и утечка раствора и т. д.). Аккумулятор начинает быстрее разряжаться, отдает меньше заряд. При этом необходимо понимать, что плотность электролита даже в исправном аккумуляторе, находящемся в идеальном состоянии - не константа, она меняется с температурой и степенью зарядки аккумулятора. Более того, для разных регионов рекомендованная плотность электролита отличается в зависимости от типовых климатических условий.

Результаты измерения плотности ареометром можно сопоставить со следующей диаграммой для кислотных аккумуляторов.

В зависимости от того, больше или меньше плотность электролита, чем требуемая (а для батареи вредно отклонение и в ту, и в другую сторону), можно частично или полностью заменить электролит, залить дистиллированную воду или раствор необходимой концентрации, обязательно обеспечив перемешивание. Как и при использовании всех ранее описанных способов проверки состояния АКБ ключевым является сопоставление измеренных значений с рекомендациями производителя батареи и следование всем предусмотренным процедурам обслуживания.

Выводы

Каждый способ определения текущего состояния аккумуляторной батареи имеет свои преимущества и недостатки. Каким из них пользоваться - зависит от ваших задач и возможностей. Сориентироваться вам поможет эта сводная таблица.

Материал подготовлен
техническими специалистами компании “СвязКомплект”.