Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
IGE-XAO
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak wykryć, że bateria w układzie się wyczerpuje, zanim nie będzie za późno

ghost666 03 Kwi 2017 21:52 2739 0
  • Jak wykryć, że bateria w układzie się wyczerpuje, zanim nie będzie za późno
    Wraz z popularyzacją systemów zasilanych z baterii, identyfikacja wadliwych czy bliskich zużycia baterii staje się ważniejsza. Baterie i akumulatory używane są w szeregu popularnych aplikacji: od telefonów komórkowych poprzez samochody elektryczne do magazynów energii, których zadaniem jest dostarczanie energii do sieci przesyłowej. Identyfikacja wadliwego czy rozładowanego akumulatora w tego rodzaju systemach jest niezwykle istotna dla sprawnego i niezawodnego działania całego układu. Kluczowym elementem systemu monitorowania stanu ogniw jest precyzyjny przetwornik analogowo-cyfrowy. Dzięki niemu możliwe jest ciągłe monitorowane stanu zdrowia ogniw w systemie na każdym etapie jego pracy.

    W poniższym artykule omówimy jakie są najistotniejsze parametry, charakteryzujące przetwornik ADC do zastosowań w systemach monitorowania stanu zdrowia akumulatora. Są to głównie parametry takie jak częstotliwość próbkowania, rozdzielczość i opóźnienie w działaniu. Wszystkie te parametry, jeśli są na wysokim poziomie, pozwalają na precyzyjne analizowanie stanu ogniwa. Aby lepiej zrozumieć jak ważne są te parametry przetwornika, spójrzmy na tzw. układ Randlesa, będący modelem akumulatora elektrochemicznego. Zaprezentowano go na rysunku 1.

    Jak wykryć, że bateria w układzie się wyczerpuje, zanim nie będzie za późno
    Rys.1. Układ Randlesa - model ogniwa kwasowo-ołowiowego.


    NA rysunku 1 rezystancja R1 odzwierciedla rezystancję elektrolitu, a R2 opór przy transferze ładunku. Pojemność C jest to pojemność pomiędzy okładkami akumulatora. Te trzy elementy wspólnie tworzą prosty model ideowy akumulatora kwasowo-ołowiowego. Mierząc wszystkie trzy wartości w układzie i porównując je z danymi katalogowymi ogniwa i znanymi modelami, możliwe jest określenie - w pewnym przybliżeniu - stanu "zdrowia" takiego akumulatora. Na stan ogniwa składa się między innymi aktualna pojemność, stopień naładowania i maksymalny prąd jaki jest w stanie dostarczyć akumulator, gdy jest zimny (0°F = -18°C).

    Istnieje szeroki wachlarz technik testowania akumulatorów, takich jak realizacja całych cykli ładowania i rozładowywania, obciążanie go - DC i AC - a także techniki elektrochemicznej spektroskopii impedancji. Te ostatnie uważane są za najprecyzyjniejsze, jeśli chodzi o charakteryzację stanu "zdrowia" ogniwa. Tego rodzaju spektroskopia pozwala na ocenę maksymalnego prądu stanu naładowania i pojemności ogniwa.

    Spektroskopia impedancji ogniwa polega na pomiarze jego impedancji, przepuszczając przez nie niewielki prąd o różnej częstotliwości i mierząc jednocześnie spadek napięcia na oporniku pomiarowym oraz stałe napięcie na ogniwie. Pozwala to na wyznaczenie wszystkich trzech parametrów ogniwa - R1, R2 oraz C. Porównanie wartości tych parametrów z danymi katalogowymi pozwala na ocenę stanu zdrowia ogniwa i wyznaczenie omawianych powyżej parametrów.

    Zależnie od typu i stanu ogniwa które jest testowane, mierzone napięcia i prądy mogą być bardzo małe lub całkiem spore. Należy zapewnić, aby nasz układ był w stanie mierzyć szeroki zakres parametrów wejściowych. Wykorzystany w systemie przetwornik ADC musi umożliwiać pomiar niewielkich zmian sporych sygnałów w szerokim zakresie parametrów wejściowych.

    W wielu przypadkach w układach tego rodzaju preferowanym rodzajem ADC jest układ o sukcesywnej aproksymacji (SAR). Układy te wybierane są z uwagi na szeroki zakres dynamiki wejściowej, wysoką prędkość i dobrą rozdzielczość. Przetwornik ADC SAR o wysokiej rozdzielczości może precyzyjnie mierzyć sygnały o częstotliwości od zera do kilku megaherców, które dodatkowo mogą być oversamplowane i cyfrowo filtrowane z wykorzystaniem procesora lub układu FPGA. Zabiegi te pozwalają na dalsze zwiększenie precyzji układu pomiarowego.

    Alternatywnie wykorzystać można w tego rodzaju systemach ADC typu delta-sigma, które nie są tak dobre w pomiarze w szerokim zakresie częstotliwości wejściowych lub potokowe ADC, które umożliwiają pomiar przy wyższych częstotliwościach sygnałów ale kosztem precyzji. Dodatkową zaletą układów SAR jest fakt, że niskie opóźnienia sygnałów wyjściowych z tego rodzaju przetwornika pozwalają na skrócenie czasu pomiaru, bez poświęcania jego precyzji.

    W przypadku analizatora akumulatorów trudno jest mierzyć prąd - w zakresie od kilku miliamperów do kilkudziesięciu amperów - lub napięcie od kilku woltów do dziesiątek woltów wykorzystując taki sam układ, oferujący taką sama precyzję pomiaru w każdym z zakresów. Aby było to możliwe zastosować trzeba przetwornik SAR ADC o szerokim zakresie dynamiki wejściowej oraz o częstotliwości próbkowania co najmniej na poziomie kilkuset tysięcy próbek na sekundę. Układ taki jest w stanie precyzyjnie mierzyć sygnały wejściowe, które można następnie poddać obróbce cyfrowej, aby poprawić precyzję pomiaru. Na rysunku 2 pokazano przykładowy system tego typu.

    Jak wykryć, że bateria w układzie się wyczerpuje, zanim nie będzie za późno
    Rys.2. Uproszczony schemat układu pomiarowego do charakteryzacji stanu zdrowia akumulatora.


    Na rysunku 2 zmieniane jest podczas pomiaru obciążenie akumulatora tak, że z ogniwa pobierany jest de facto prąd zmienny. Prąd ten płynie przez opornik pomiarowy, co sprawia, że pojawia się na nim spadek napięcia, także w postaci napięcia przemiennego. Precyzyjny system akwizycji danych, przystosowany do wzmacniania tego napięcia z możliwie niskimi zniekształceniami pozwala na pomiar tego napięcia z wykorzystaniem przetwornika ADC. Z drugiej strony, aby zmierzyć napięcie DC pochodzące z ogniwa, układ wejściowy musi zmniejszyć to napięcie do poziomu akceptowalnego przez przetwornik ADC.

    Na rynku dostępnych jest wiele układów SAR ADC, które mogą mierzyć tego rodzaju napięcia. Spośród nich układy z rodziny ADS8900B, produkowane przez Texas Instruments, wyróżniają się szeregiem unikalnych zalet, takich jak wysoka rozdzielczość, duża częstotliwość próbkowania oraz doskonałe parametry zmienno i stało prądowe. Parametry te zebrano w tabeli 1. Cechy te są bardzo istotne w systemie charakteryzacji ogniw elektrochemicznych, jaki opisano powyżej. Umożliwiają one zachowanie wysokiej precyzji w szerokim zakresie wejść, co jak podkreślano jest niezwykle ważne dla poprawnego działania systemu.

    Tabela 1. Kluczowe parametry układów z rodziny ADS8900B.
    AS890xBADS891xBADS892xB
    Rozdzielczość20 bitów18 bitów15 bitów
    PrędkośćDo 1MSPSDo 1MSPSDo 1MSPS
    Zakres wejścia? 5 V? 5 V? 5 V
    Całkowita, typowa nieliniowość? 1,1 LSB? 0,5 LSB? 0,3 LSB
    Stosunek sygnału do szumu104,5 dB102,5 dB96,8 dB
    Całkowite zniekształcenia harmoniczne-125 dB-125 dB-125 dB
    Wzmocnienie? 0,005% FSR? 0,005% FSR? 0,005% FSR
    Offset napięciowy? 10,5 LSB? 3 LSB? 3 LSB
    Obudowa4 mm x 4 mm QFN4 mm x 4 mm QFN4 mm x 4 mm QFN


    Oprócz wymienionych powyżej zalet, należy zauważać, że układy te posiadają wbudowany bufor napięcia odniesienia. Zintegrowanie tego elementu w przetworniku ma dwie zalety: pozwala na zwiększenie precyzji oraz poziomu integracji całego systemu pomiarowego. Na rysunku 3 pokazano porównanie ADC z wbudowanym wtórnikiem dla napięcia referencyjnego i takim, który wymaga zewnętrznego bufora.

    Jak wykryć, że bateria w układzie się wyczerpuje, zanim nie będzie za późno
    Rys.3. Porównanie układów z zewnętrznym (po lewej) i wewnętrznym (po prawej) buforem napięcia odniesienia.


    Precyzyjne napięcie referencyjne jest niezwykle istotne dla precyzji całego systemu akwizycji danych, jako że zapewnia punkt odniesienia dla konwertera ADC, digitalizującego napięcie wejściowe. Każdy błąd napięcia odniesienia przełoży się na zmniejszenie precyzji sygnału wejściowego. Przy każdym pomiarze ADC pobiera z napięcia odniesienia pewien niepomijalny prąd, co oznacza, że z punktu widzenia ADC źródło napięcia referencyjnego charakteryzować się musi niską impedancją. Aby to zapewnić, pomiędzy stabilizator napięcia odniesienia a przetwornik wstawia się bufor w postaci wtórnika napięciowego. Integracja tego buforu z przetwornikiem w rodzinie ADS8900B pozwala na zmniejszenie całego układu, ale także na optymalizację wtórnika pod kątem współpracy z dokładnie tym układem ADC. Przekłada się to na zwiększenie precyzji pomiaru oraz poprawę parametrów elektrycznych przetwornika.

    Warto pamiętać, że opisany powyżej przetwornik, nie jest ograniczony w aplikacji tylko do systemów monitorowania stanu baterii. Układy z rodziny ADS8900B nadają się do aplikacji także w innych systemach, gdzie istotne są opisane powyżej cechy.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2017/02/17/detecting-pesky-failing-batteries-before-they-cause-a-problem

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9365 postów o ocenie 6954, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAO