Авторы: Кузнецов Д.Н., к.т.н., доцент; Спиридонов Р.В., магистрант
Описание: В данной работе рассматривается разработка измерителя внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей на переменном токе с использованием аналого-цифрового преобразователя (АЦП) ADS1115. Основное внимание уделяется исследованию методов измерения внутреннего сопротивления аккумуляторов, оценке их точности и возможностей устройства для диагностики и мониторинга состояния аккумуляторов. Работа описывает модель аккумуляторной батареи под нагрузкой, методику измерений и расчёта параметров внутреннего сопротивления. В ходе тестов был собран прототип устройства, проведена его калибровка и проверка точности измерений на реальных образцах.
Источник: Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых: сборник научных трудов ХХIV международной научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке, 28-30 мая 2024 г. — Донецк: ДонНТУ, 2024. — С. 172-174.
УДК: 621.317.3
Авторы: Кузнецов Д.Н., к.т.н., доцент; Спиридонов Р.В., магистрант
Организация: ФГБОУ ВО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР
Одним из наиболее важных параметров, характеризующих любые химические источники питания, в том числе и литиевые аккумуляторы, является внутреннее сопротивление. От этого параметра напрямую зависят такие характеристики источника питания, как напряжение на выходе под нагрузкой, максимальный выходной ток и коэффициент полезного действия (КПД) [1].
Увеличение внутреннего сопротивления аккумулятора может свидетельствовать о старении аккумулятора, его износе или дефектах. Измерение сопротивления позволяет своевременно обнаружить проблемы и принять меры для их устранения. Кроме того, высокое внутреннее сопротивление может привести к нагреванию аккумулятора и, в некоторых случаях, к возгоранию или даже взрыву. Измерение сопротивления позволяет выявить потенциальные проблемы и предпринять меры для уменьшения рисков.
Таким образом, измерение внутреннего сопротивления аккумуляторов является важной процедурой для обеспечения их эффективной работы, безопасности и продления срока службы.
Целью работы является разработка и исследование простого измерителя внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей на переменном токе с широким диапазоном измерений на базе сигма-дельта АЦП ADS1115.
Внутреннее устройство аккумуляторной батареи можно представить как идеальный источник ЭДС с нулевым внутренним сопротивлением и последовательно соединенным с ним резистором. Нагрузка аккумуляторной батареи представлена на схеме сопротивлением RН. Очевидно, что напряжение на ней будет меньше выходного напряжения аккумуляторной батареи на холостом ходу за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Чем больше ток нагрузки, тем заметнее эта разница. Соответственно, КПД данного источника питания будет менее 100%, а теоретический максимум выходного тока можно получить, поделив ЭДС на RВН.
Методика измерения внутреннего сопротивления литиевых аккумуляторов приведена в ГОСТ Р МЭК 61960-3-2019. В документе изложен порядок проведения испытаний для измерения данного параметра двумя методами: на постоянном и переменном токах. Измерение внутреннего сопротивления на переменном токе позволяет получить более детальное представление о поляризационной составляющей аккумулятора.
Для определения внутреннего сопротивления аккумулятора на переменном токе проводят измерения среднеквадратичного значения напряжения непосредственно на выводах батареи при подаче на неё переменного тока частотой 1,0 ± 0,1 кГц в течение 1–5 секунд. Сопротивление батареи вычисляют по формуле:
Rвн = (Uвых - Uг) / Iвых
Для реализации измерителя используется 16-разрядный сигма-дельта АЦП ADS1115 со встроенным усилителем с программируемым коэффициентом усиления [2]. Устройство управляется микроконтроллером Arduino Nano, который генерирует на выводе D4 тестовый сигнал в виде меандра с амплитудой 5 вольт. Измерительный сигнал с полюсов исследуемого аккумулятора подаётся на дифференциальный вход АЦП (A0-A1). Усиленный и оцифрованный сигнал поступает в микроконтроллер для вычисления среднеквадратичного значения напряжения и расчёта внутреннего сопротивления аккумулятора.
Для повышения точности измерений при старте определяется величина смещения нуля АЦП, и вводится поправка для последующих результатов измерений. Расчёт действующего значения напряжения по результатам мгновенных измерений выполняется косвенным методом [3].
Для проверки схемных решений и программного обеспечения был собран опытный образец устройства. В ходе тестовых испытаний ко входу устройства подключались образцы сопротивлений в виде медной проволоки известного сечения. Результаты испытаний показали, что при измерении малых сопротивлений точность устройства выше ожидаемой, хотя вблизи нижней границы диапазона измерений погрешность носит аддитивный характер. Это связано с наличием внутренних шумов АЦП.
Тестовые измерения для проверки точности устройства представлены в таблице 1:
| № измерения | Длина образца (м) | Измеренное сопротивление (мОм) | Расчетное сопротивление (мОм) | Погрешность ΔR (мОм) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0,3 | 21,8 | 20 | 1,8 |
| 2 | 0,2 | 14,7 | 13,3 | 1,4 |
| 3 | 0,1 | 7,8 | 6,7 | 1,1 |
| 4 | 0 | 1,5 | 0 | 1,5 |
1. Разработанный измеритель внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей обеспечивает диапазон измерений от 10 мОм до 20 Ом с разрешением 0,8 мОм.
2. Устройство содержит минимум электронных компонентов, является простым в изготовлении и настройке и может быть рекомендовано для самостоятельной сборки студентами и опытными электронщиками.