Probador de capacidad de batería Arduino DIY - V2.0: 11 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Hoy en día, las baterías de litio y NiMH falsas están en todas partes, lo que se vende mediante publicidad con capacidades superiores a su capacidad real. Por lo que es realmente difícil distinguir entre una batería real y una falsa. Del mismo modo, es difícil saber la capacidad retenida en las baterías de computadora portátil 18650 recuperadas. Por lo tanto, se requiere un dispositivo para medir la capacidad real de las baterías.

En el año 2016, escribí un Instructable sobre "Arduino Capacity Tester - V1.0", que era un dispositivo muy sencillo y directo. La versión anterior se basó en la Ley de Ohm. La batería a probar se descarga a través de una resistencia fija, la duración de la corriente y el tiempo se mide con Arduino y la capacidad se calcula multiplicando ambas lecturas (corriente de descarga y tiempo).

El inconveniente de la versión anterior era que durante la prueba, a medida que disminuye el voltaje de la batería, la corriente también disminuye, lo que hace que los cálculos sean complejos e inexactos. Para superar esto, he fabricado el V2.0 que está diseñado de tal manera que la corriente se mantendrá constante durante todo el proceso de descarga. Hice este dispositivo inspirando el diseño original de MyVanitar

Las principales características de Capacity Tester V2.0 son:

1. Capaz de medir la capacidad de baterías AA / AAA NiMh / NiCd, 18650 Li-ion, Li-Polymer y Li FePO4. Es adecuado para casi cualquier tipo de batería de menos de 5V.

2. Los usuarios pueden configurar la corriente de descarga usando los botones.

3. Interfaz de usuario OLED

4. El dispositivo se puede utilizar como carga electrónica

Actualización el 02.12.2019

Ahora puede pedir la PCB y los componentes juntos en un kit de PCBWay

Descargo de responsabilidad: tenga en cuenta que está trabajando con una batería de iones de litio que es altamente explosiva y peligrosa. No puedo ser responsable de ninguna pérdida de propiedad, daño o pérdida de la vida si se trata de eso. Este tutorial fue escrito para aquellos que tienen conocimiento de la tecnología de iones de litio recargable. No intente esto si es un novato. Mantenerse a salvo.

Suministros

Componentes utilizados

Ahora solicite PCB y todos los componentes para construir este proyecto en un kit de PCBWay

1. PCB: PCBWay

2. Arduino Nano: Amazon / Banggood

3. Opamp LM358: Amazon / Banggood

4. Pantalla OLED de 0.96 : Amazon / Banggood

5. Resistencia de cerámica: Amazon / Banggood

6. Condensador 100nF: Amazon / Banggood

7. Condensador 220uF: Amazon / Banggood

8. Resistencias 4.7K y 1M: Amazon / Banggood

9. Botón pulsador: Amazon / Banggood

10. Tapa de botones: Aliexpress

11. Terminal de tornillo: Amazon / Banggood

12. Placa de prototipo: Amazon / Banggood

13. Separador de PCB: Amazon / Banggood

14. Tubería termorretráctil: Amazon / Banggood

15. Disipador de calor: Aliexpress

Herramientas utilizadas

1. Soldador: Amazon / Banggood

2. Pinza amperimétrica: Amazon / Banggood

3. Multímetro: Amazon / Banggood

4. Soplador de aire caliente: Amazon / Banggood

5. Cortador de alambre: Amazon / Banggood

6. Pelacables: Amazon / Banggood

Paso 1: diagrama esquemático

Todo el esquema se divide en las siguientes secciones:

1. Circuito de suministro de energía

2. Circuito de carga de corriente constante

3. Circuito de medición de voltaje de la batería

4. Circuito de interfaz de usuario

5. Circuito del zumbador

1. Circuito de suministro de energía

El circuito de la fuente de alimentación consta de un conector de CC (7-9 V) y dos condensadores de filtro C1 y C2. La salida de potencia (Vin) está conectada al pin Vin de Arduino. Aquí estoy usando el regulador de voltaje incorporado Arduino para reducir el voltaje a 5V.

2. Circuito de carga de corriente constante

El componente central del circuito es el amplificador operacional LM358, que contiene dos amplificadores operacionales. La señal PWM del pin D10 de Arduino se filtra mediante un filtro de paso bajo (R2 y C6) y se envía al segundo amplificador operacional. La salida del segundo amplificador operacional está conectada al primer amplificador operacional en configuración de seguidor de voltaje. La fuente de alimentación del LM358 se filtra mediante un condensador de desacoplamiento C5.

El primer amplificador operacional, R1 y Q1 construyen un circuito de carga de corriente constante. Entonces ahora podemos controlar la corriente a través de la resistencia de carga (R1) cambiando el ancho de pulso de la señal PWM.

3. Circuito de medición de voltaje de la batería

El voltaje de la batería se mide mediante el pin de entrada analógica A0 de Arduino. Se utilizan dos condensadores C3 y C4 para filtrar los ruidos procedentes del circuito de carga de corriente constante que pueden degradar el rendimiento de conversión del ADC.

4. Circuito de interfaz de usuario

El circuito de la interfaz de usuario consta de dos botones y una pantalla OLED I2C de 0,96 . El botón Arriba y Abajo sirve para aumentar o disminuir el ancho del pulso PWM. R3 y R4 son resistencias pull-up para el empuje hacia arriba y hacia abajo -Botones. C7 y C8 se utilizan para eliminar el rebote de los botones. El tercer botón (RST) se utiliza para restablecer el Arduino.

5. Circuito del zumbador

El circuito del zumbador se utiliza para alertar el inicio y el final de la prueba. Un zumbador de 5 V está conectado al pin digital D9 de Arduino.

Paso 2: ¿Cómo funciona?

La teoría se basa en la comparación de voltaje de las entradas inversora (pin-2) y no inversora (pin-3) del OpAmp, configurado como un amplificador unitario. Cuando establece el voltaje aplicado a la entrada no inversora ajustando la señal PWM, la salida del opamp abre la puerta del MOSFET. A medida que se enciende el MOSFET, la corriente pasa por R1, crea una caída de voltaje, lo que proporciona retroalimentación negativa a OpAmp. Controla el MOSFET de tal manera que los voltajes en sus entradas inversoras y no inversoras son iguales. Entonces, la corriente a través de la resistencia de carga es proporcional al voltaje en la entrada no inversora del OpAmp.

La señal PWM del Arduino se filtra mediante un circuito de filtro de paso bajo (R2 y C1). Para probar la señal PWM y el rendimiento del circuito de filtro, conecté mi DSO ch-1 en la entrada y ch-2 en la salida del circuito de filtro. La forma de onda de salida se muestra arriba.

Paso 3: medición de la capacidad

Aquí la batería se descarga a su voltaje de umbral de bajo nivel (3,2 V).

Capacidad de la batería (mAh) = Corriente (I) en mA x Tiempo (T) en horas

De la ecuación anterior queda claro que para calcular la capacidad de la batería (mAh), tenemos que conocer la corriente en mA y el tiempo en horas. El circuito diseñado es un circuito de carga de corriente constante, por lo que la corriente de descarga permanece constante durante todo el período de prueba.

La corriente de descarga se puede ajustar presionando los botones Arriba y Abajo. La duración del tiempo se mide usando un temporizador en el código Arduino.

Paso 4: Hacer el circuito

En los pasos anteriores, he explicado la función de cada uno de los componentes del circuito. Antes de saltar para hacer la placa final, primero prueba el circuito en una placa. Si el circuito funciona perfectamente en la placa de prueba, entonces mueva para soldar los componentes en la placa prototipo.

Usé la placa prototipo de 7 cm X 5 cm.

Montaje del Nano: Primero corte dos filas de clavijas de cabezal hembra con 15 clavijas en cada una. Usé una pinza diagonal para cortar los encabezados. Luego suelde los pines del cabezal. Asegúrese de que la distancia entre los dos rieles se ajuste al Arduino nano.

Montaje de la pantalla OLED: corte un cabezal hembra con 4 pines. Luego suelde como se muestra en la imagen.

Montaje de terminales y componentes: Suelde los componentes restantes como se muestra en las imágenes.

Cableado: Realice el cableado según el esquema. Usé cables de colores para hacer el cableado para poder identificarlos fácilmente.

Paso 5: pantalla OLED

Para mostrar el voltaje de la batería, la corriente de descarga y la capacidad, utilicé una pantalla OLED de 0.96 . Tiene una resolución de 128x64 y usa un bus I2C para comunicarse con el Arduino. Se usan dos pines SCL (A5), SDA (A4) en Arduino Uno para comunicarse.

Estoy usando la biblioteca Adafruit_SSD1306 para mostrar los parámetros.

Primero, debes descargar Adafruit_SSD1306. Luego lo instalé.

Las conexiones deben ser las siguientes

Arduino OLED

5V -VCC

GND GND

A4-- SDA

A5-- SCL

Paso 6: Zumbador de advertencia

Para proporcionar alertas durante el inicio y la competición de la prueba, se utiliza un zumbador piezoeléctrico. El zumbador tiene dos terminales, el más largo es positivo y el tramo más corto es negativo. La pegatina del nuevo zumbador también tiene la marca "+" para indicar el terminal positivo.

Como la placa prototipo no tiene suficiente espacio para colocar el zumbador, he conectado el zumbador a la placa de circuito principal mediante dos cables. Para aislar la conexión desnuda, he usado tubos termorretráctiles.

Las conexiones deben ser las siguientes

Zumbador Arduino

D9 Terminal positivo

Terminal negativo GND

Paso 7: Montaje de los separadores

Después de soldar y cablear, monte los separadores en las 4 esquinas. Proporcionará suficiente espacio libre para las juntas de soldadura y los cables del suelo.

Paso 8: Diseño de PCB

Dibujé el esquema utilizando el software en línea EasyEDA y luego cambié al diseño de PCB.

Todos los componentes que agregó en el esquema deben estar allí, apilados uno encima del otro, listos para ser colocados y enrutados. Arrastre los componentes agarrándolos por sus almohadillas. Luego colóquelo dentro del borde rectangular.

Disponga todos los componentes de tal forma que la placa ocupe el mínimo espacio. Cuanto menor sea el tamaño de la placa, más barato será el costo de fabricación de la PCB. Será útil si esta placa tiene algunos orificios de montaje para que pueda montarse en un gabinete.

Ahora tienes que enrutar. El enrutamiento es la parte más divertida de todo este proceso. ¡Es como resolver un rompecabezas! Usando la herramienta de seguimiento, necesitamos conectar todos los componentes. Puede utilizar tanto la capa superior como la inferior para evitar la superposición entre dos pistas diferentes y hacer que las pistas sean más cortas.

Puedes usar la capa Silk para agregar texto al tablero. Además, podemos insertar un archivo de imagen, por lo que agrego una imagen del logotipo de mi sitio web para que se imprima en la pizarra. Al final, usando la herramienta de área de cobre, necesitamos crear el área de tierra de la PCB.

Puede solicitarlo a PCBWay.

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Paso 9: Ensamble la PCB

Para soldar, necesitará un soldador, un soldador, una pinza y un multímetro decentes. Es una buena práctica soldar los componentes de acuerdo con su altura. Suelde primero los componentes de menor altura.

Puede seguir los siguientes pasos para soldar los componentes:

1. Empuje las patas de los componentes a través de sus orificios y coloque la PCB boca arriba.

2. Sostenga la punta del soldador a la unión de la almohadilla y la pata del componente.

3. Introduzca la soldadura en la junta para que fluya alrededor del cable y cubra la almohadilla. Una vez que haya fluido por todos lados, aleja la punta.

Paso 10: Software y bibliotecas

Primero, descargue el Código Arduino adjunto. Luego descargue las siguientes bibliotecas e instálelas.

Bibliotecas:

Descargue e instale las siguientes bibliotecas:

1. JC_Button:

2. Adafruit_SSD1306:

En el código, debe cambiar las siguientes dos cosas.

1. Valores de las matrices actuales: esto se puede hacer conectando un multímetro en serie con la batería. Presione el botón arriba y mida la corriente, los valores actuales son los elementos de la matriz.

2. Vcc: Utiliza un multímetro para medir el voltaje en el pin Arduino 5V. En mi caso es 4.96V.

Actualizado el 20.11.2019

Puede cambiar el valor Low_BAT_Level en el código según la química de la batería. Es mejor dejar un pequeño margen sobre el voltaje de corte que se indica a continuación.

Aquí están las tasas de descarga y los voltajes de corte para varias químicas de baterías de iones de litio:

1. Óxido de litio y cobalto: voltaje de corte = 2,5 V a una tasa de descarga de 1 ° C

2. Óxido de litio y manganeso: voltaje de corte = 2,5 V a una tasa de descarga de 1 ° C

3. Fosfato de litio y hierro: voltaje de corte = 2,5 V a una tasa de descarga de 1 ° C

4. Titanato de litio: Voltaje de corte = 1.8V a una tasa de descarga de 1C

5. Óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto: voltaje de corte = 2,5 V a una tasa de descarga de 1 ° C

6. Óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio: voltaje de corte = 3,0 V a una tasa de descarga de 1 ° C

Actualizado el 01.04.2020

jcgrabo, sugirió algunos cambios en el diseño original para mejorar la precisión. Los cambios se enumeran a continuación:

1. Agregue una referencia de precisión (LM385BLP-1.2) y conéctela a A1. Durante la configuración, lea su valor, que se sabe que es de 1,215 voltios, y luego calcule Vcc, eliminando así la necesidad de medir Vcc.

2. Reemplace la resistencia de 1 ohmio al 5% por una resistencia de 1 ohmio al 1% de potencia, reduciendo así los errores que dependen del valor de la resistencia.

3. En lugar de utilizar un conjunto fijo de valores PWM para cada paso actual (en incrementos de 5), cree una matriz de valores actuales deseados que se utiliza para calcular los valores PWM necesarios para lograr esos valores actuales lo más cerca posible. Siguió calculando los valores actuales reales que se lograrán con los valores PWM calculados.

Al considerar los cambios anteriores, revisó el código y lo compartió en la sección de comentarios. El código revisado se adjunta a continuación.

Muchas gracias jcgrabo por tu valiosa contribución a mi proyecto. Espero que esta mejora sea útil para muchos más usuarios.

Paso 11: Conclusión

Para probar el circuito, primero cargué una buena batería Samsung 18650 usando mi cargador ISDT C4. Luego conecte la batería al terminal de la batería. Ahora configure la corriente según sus necesidades y mantenga presionado el botón "ARRIBA". Entonces debería escuchar un pitido y se inicia el procedimiento de prueba. Durante la prueba, controlará todos los parámetros en la pantalla OLED. La batería se descargará hasta que su voltaje alcance su umbral de nivel bajo (3,2 V). El proceso de prueba terminará con dos pitidos largos.

Nota: El proyecto aún se encuentra en etapa de desarrollo. Puedes unirte a mí para cualquier mejora. Genere comentarios si hay errores o errores. Estoy diseñando un PCB para este proyecto. Manténgase conectado para recibir más actualizaciones del proyecto.

Espero que mi tutorial sea útil. Si te gusta, no olvides compartir:) Suscríbete para más proyectos de bricolaje. Gracias.