Tester rezystancji akumulatorów i baterii - projekt urządzenia

Należy zwyczajnie zastosować sterowane źródło prądowe. Takie źródło będzie wymuszać określony prąd pobierany z badanego źródła napięciowego, więc nie będzie istotna jego wartość SEM. Tej ostatniej też nie widzę sensu mierzyć. Wystarczy dokonać pomiaru napięcia na zaciskach badanego źródła przy dwóch różnych (znanych) prądach obciążenia, co pozwoli wyznaczyć SEM i Rw z układu równań liniowych. Samo źródło można zrobić na wzmacniaczu operacyjnym i tranzystorze. Wystarczy tylko przełączać napięcie odniesienia i mierzyć napięcie.

Źródło prądowe wydaje się bardzo dobrym pomysłem dla szerokiego zakresu napięć źródeł powiedzmy 1-50V.

Pozostaje pytanie jakie prądy i z jaką częstotliwością zmian wymuszać dla różnych źródeł np. akumulator samochodowy, ogniwo alkaliczne, ogniwo litowe itp.

TechEkspert wrote:

Pozostaje pytanie jakie prądy i z jaką częstotliwością zmian wymuszać dla różnych źródeł np. akumulator samochodowy, ogniwo alkaliczne, ogniwo litowe itp.

Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na takie pytanie. Częstotliwość powinna być jednak stosunkowo niska. Pozostaje przecież kwestia stanów przejściowych. Napięcie na zaciskach badanego źródła napięcia powinno się mierzyć w stanie ustalonym. Generalnie nie zastosowałbym więcej niż 200...300 Hz. Poniżej zamieszczam moją koncepcję rozwiązania tego problemu:

Q1...Qn to przełączanie rezystorów R1...Rn i tym samym zmiana zakresów dla źródła prądowego.

Odnośnie zasilania tego układu, to oczywiście nie widzę możliwości, by zasilał się on z badanego źródła napięcia.

Dlaczego zastosowałeś zestaw tranzystorów mosfet, można sterować jednym z C/A? Zaciekawiło mnie podejście wymuszania dwóch wartości prądu zamiast on/off. Można też wykonać taki pomiar kilkukrotnie i wyświetlić uśredniony wynik.

TechEkspert wrote:

Dlaczego zastosowałeś zestaw tranzystorów mosfet

Ponieważ prawidłowo wysterowany i dobrany tranzystor MOSFET ma małe Rds(ON). Stąd dobrze nadaje się w roli łącznika w tym przypadku. Można dać oczywiście również przekaźniki. Nie jest to jednak urządzenie od którego wymagamy niskiego błędu granicznego, stąd nie ma sensu się w to bawić.
Przełączalne rezystory będą bardzo pomocne. Pozwoli to zrobić układ wymuszający prądy w szerokim zakresie. Bez tego będzie dość słabo, bo dla dużych prądów wymuszanych musi być mała rezystancja bocznika (spadek napięcia, ograniczenie Uce, straty). To z kolei spowoduje kłopot dla małych prądów (tu lepiej mieć większej rezystancji bocznik). Zatem dla małych prądów prawie nie dałoby się tego sterować.

TechEkspert wrote:

, można sterować jednym z C/A?

Zakresy pracy źródła prądu zmienia się przełączając rezystory. Kolejno wartości prądu dla obu punktów można zmieniać wartością z przetwornika C/A. Teoretycznie tranzystory unipolarne mogą działać jako rezystory liniowe (w zakresie triodowym), ale to nie jest tutaj dobre rozwiązanie.

TechEkspert wrote:

Zaciekawiło mnie podejście wymuszania dwóch wartości prądu zamiast on/off.

To rozwiązanie zapewni mniejszy błąd graniczny. Odpada problem pomiaru SEM. Do tego potrzeba układ o dużej rezystancji wejściowej.

Poniżej opisałem takie podejście:

Jak widać powstaje układ równań.

OK, MOFSETY mogą działać jako przełączniki "zakresów" jednak pomyślałem o jednym tranzystorze, który mógłby być elementem wykonawczym źródła prądowego i odpowiednio sterowany ustalałby wybrane prądy dla szerokiego zakresu napięć źródeł.

Oczywiście wtedy ograniczam się do jednego rezystora pomiarowego co ja napisałeś ma swoje wady,
jednak pytanie czy potrzebne są skrajne wartości prądów może wystarczy 100mA i 1A? może nawet przełącznik zakresu?

Mniejszy błąd graniczny przy zastosowaniu przełączania wartości prądu jest kuszący szczególnie, że mając sterowane źródło prądowe (a nie rezystor jak w testerze akumulatorów samochodowych) można łatwo zrealizować przełączanie wartości prądów.

Hej, całkiem ciekawy temat, zatem wypowiem się

Ja bym sprowadził problem do dwóch kluczowych niewiadomych:
- czy rezystancja akumulatora jest w miarę niezależna od prądu rozładowania,
- jaka jest optymalna częstotliwość kluczowania.

Reszta to implementacja, moim zdaniem sprawa zupełnie drugorzędna.

Eksperyment można przeprowadzić z mosfetem w postaci klucza i kilkoma rezystorami w drenie. Mosfet byłby sterowany za pomocą generatora funkcyjnego. Generatorem mógłbyś przebadać kilka częstotliwości, powiedzmy 100 Hz, 1 kHz i 10 kHz, natomiast przełączając rezystor zmieniasz prąd obciążenia. Pomiar napięcia realizowałbym za pomocą oscyloskopu ze sprzężeniem AC dołączonym wprost do okładek baterii. Oczywiście trzeba zadbać o prawidłowe wykonanie układu pomiarowego, pętlę masy i tak dalej, ale to jest temat ogólny. Dzięki temu eksperymentowi mógłbyś zobaczyć, czy rezystancja ogniwa jest w miarę niezależna od prądu, jak również obserwując kształt przebiegu na oscyloskopie wiedziałbyś, czy nie czają się tam jakieś pasożyty. Mogłoby być tak, że częstotliwość "od góry" ograniczona jest impedancją ogniwa, a od dołu - czają się jakieś efekty o dłuższej stałej czasowej. No ale to wszystko będzie widać na oscyloskopie. I tyle, eksperyment wydaje mi się prosty prosty do wykonania, a wyniki dość jednoznaczne. A potem można przejść do implementacji. Wiadomo - diabeł tkwi w szczegółach i mierząc napięcia rzędu 1 mVpp można się spodziewać jakichś problemów, ale bez przesady, to nie jest trudne zadanie. Wydaje mi się, że trochę większym problemem będzie prawidłowe wykonanie pomiaru 4 przewodowego, albo szerzej - zapewnienie dobrego kontaktu elektrycznego ze złączami baterii tak, żeby ten kontakt nie dodawał się do rezystancji źródła. Czyli mechanika, a nie elektronika Czy tam będzie rezystor obciążający, czy źródło prądowe - to ma mniejsze znaczenie, bo jeżeli na skutek dołączenia do akumulatora rezystora powodującego występuje spadek napięcia wielkości na przykład 10 mV, to z perspektywy modelu małosygnałowego spokojnie można założyć, że jest on dla układu źródłem prądowym (tyle, że zależnym od wstępnego napięcia akumulatora).

Pozdrawiam,
Fimek

Dzięki, myślę, że taki eksperyment to bardzo dobry pomysł,
można go zrobić także dla baterii alkalicznej,
w kolejnym etapie można ją stopniowo wyładowywać i sprawdzić jak to wpływa na Rw.

TechEkspert wrote:

jednak pomyślałem o jednym tranzystorze, który mógłby być elementem wykonawczym źródła prądowego i odpowiednio sterowany ustalałby wybrane prądy dla szerokiego zakresu napięć źródeł.

Lepiej do źródła prądu dać tranzystor bipolarny. Ugs(th) dla MOSFET'a może wynieść nawet kilka V, więc wzmacniacz operacyjny musiałby podać spore napięcie wyjściowe, by to wysterować. Dla tranzystora bipolarnego jest potrzebne tylko 0,7 V dla złącza Ube. Oczywiście będzie istnieć jakaś minimalna wartość napięcia z jaką takie źródło prądowe będzie mogło działać. Jak wiadomo, jeżeli Uce dla tranzystora bipolarnego zacznie spadać poniżej 0,7 V, to złącze BC zacznie się polaryzować w kierunku przewodzenia i tranzystor wejdzie w nasycenie.

TechEkspert wrote:

Oczywiście wtedy ograniczam się do jednego rezystora pomiarowego co ja napisałeś ma swoje wady,
jednak pytanie czy potrzebne są skrajne wartości prądów może wystarczy 100mA i 1A? może nawet przełącznik zakresu?

Raczej nie stosowałbym skrajnych wartości. Trudno powiedzieć na ile rezystancja wewnętrzna jest liniowa. Stąd, jak słusznie zauważył kolega Fimek powinno się uzyskiwać małą wartość różnicy napięć dla obu prądów obciążenia. Jest to właśnie praca małosygnałowa.

Rzeczywiście MOSFET może robić problem z napięciem progowym bramki, więc bipolarny ma tutaj przewagę i jeżeli Uce poradzi sobie z ogniwem 1.5V to może to być optymalny wybór.

Czy dla testów wpływu prądu testującego na oszacowane Rw zastosować pracę on/off czy pracę z dwoma prądami z różnicą powiedzmy -20% wyższej wartości prądu?

Dla 1A daje to 800mA i 1A,
dla 100mA daje to 80mA i 100mA.

Czy może lepiej 50% wyższej wartości?

Nie powinieneś uzależniać aż tak pracy urządzenia od napięcia zasilania. Jeżeli 1.5 V rodzi problem ze względu na mosfet, to tym bardziej zrodzi problem ze względu na CPU. Ja bym podwyższał i to wcale nie że względu na mosfet, ale raczej całą resztę. W jednym z moich układów stosuje mosfety, które są w pełni otwarte przy napięciu bramki rzędu 1.1 V, ale margines jest za mały, żeby zawsze i wszędzie tworzyły zwarcie (np akumulator NiMH ma 1.2 V + nieoptymalna temperatura i mosfecik jest ma granicy, może się spalić). Z drugiej strony, jeżeli napięcie zasilania jest problemem, to czemu by nie zapewnić sobie wbudowanego źródła zasilania w postaci akumulatora albo baterii? Niby bez sensu, no bo mierzony akumulator jest źródłem energii, ale jeżeli chcesz badać baterie od 1.5 V do 48 V, to zasilanie faktycznie rodzi jakis tam kłopot (nie za wielki, ale jednak) i nie widzę sensu, by tworzyć z niego jeden z większych problemów w tym układzie. Dominującym zagadnieniem powinna tutaj być metoda pomiarowa, a nie zasilanie oczywiście wiele zależy od twojego poziomu zaawansowania i możesz sobie rozwiązanie zastosować takie, by było Ci wygodnie je zaimplementować.

Fimek wrote:

które są w pełni otwarte przy napięciu bramki rzędu 1.1 V, ale margines jest za mały, żeby zawsze i wszędzie tworzyły zwarcie

Zgadza się, że są takie tranzystory MOSFET, ale te akurat są na małe prądy drenu i mniejszą moc admisyjną od np. IRF540. To będzie trochę słabo do np. przetestowania akumulatora samochodowego. Jak wiadomo MOSFET wchodzi w zakres pentodowy dla Uds>Ugs-Ugs(th). Jest zresztą chyba oczywistym, że urządzenie testera musi mieć własne zasilanie.

Można jednak i to rozwiązać w przypadku źródła prądu, jakie poleciłem. Tutaj tranzystor bipolarny pracuje w zakresie aktywnym normalnym. Zatem można dołączyć dodatkowe, stabilne źródło napięcia, które zwiększy wartość SEM dołączanego ogniwa. To z kolei pozwoliłoby pracować z małymi napięciami.

Fimek wrote:

problemem będzie prawidłowe wykonanie pomiaru 4 przewodowego

Istnieje możliwość dodania przewodów napięciowych i wzmacniacza pomiarowego. Jednak kłopot będzie z dużymi napięciami wspólnymi. Kiedyś zastosowałem coś takiego: Link. Służyło to do pomiaru prądu po stronie "wysokiej" w przypadku wyjścia OPA549. Potem był LTC6915.

TechEkspert wrote:

Czy dla testów wpływu prądu testującego na oszacowane Rw zastosować pracę on/off czy pracę z dwoma prądami z różnicą powiedzmy -20% wyższej wartości prądu?

Zrobiłbym obie metody. Błąd jaki się uzyskuje można oszacować poprzez eksperyment kontrolny. Wtedy jako badane źródło stosuje się zasilacz i dołączony rezystor.

@Fimek z 1.5V bardziej chodziło mi o mierzone źródła czyli ogniwa AA itp.
Wbudowane zasilanie ma swoje zalety, w przypadku testera akumulatorów 12V nie ma sensu jednak przy bardziej uniwersalnym przyrządzie ma sens. Oczywiście można wykorzystać DC/DC i zasilać się ze źródła, jednak wbudowane źródło zasilania powinno być lepsze.

Pomiar 4W trzeba będzie dobrze przemyśleć.

Co do eksperymentów rzeczywiście można zrobić dowolne konfiguracje aby wyciągnąć wnioski.

@maciej_333

Ja bym pochylił się nad pomiarem AC, skoro mamy już w układzie kluczowane źródło prądowe (czy tam rezystor). Wówczas może da się uniknąć stosowania wzmacniacza z wysokim CMRR. A nawet gdyby z jakiegoś powodu była potrzeba stosowania wzmacniacza pomiarowego, to z palcem w nosie uzyskuje się CMRR równy 90 dB i więcej, co przekłada się na 1 mV zaburzenia (odchyłki) na tle 30 V podkładu. 1 mV @ 1 A oznacza błąd pomiaru wysokości 1 mOhm - czy to dużo czy mało, to zależy od oczekiwań.

Mimo wszystko ja bym szedł w AC i pomiar synchroniczny z kluczowaniem obciążenia. Pomiar przed i po załączeniu źródła, a następnie delta V daje wprost pomiar rezystancji. Można przesuwać fazę ADC, można robić samplowanie z częstotliwością znacznie większą niż kluczowanie źródła i detekcję synchroniczną wprowadzić na drodze cyfrowej... Moim zdaniem układ zrobi się prosty i elegancki. I jak dla mnie kluczem do wyboru metody pomiarowej jest prosty eksperyment, który zaproponowałem wcześniej. Jeszcze ważniejsza mi się wydaje prawidłowa metoda podłączenia do ogniwa, prawdopodobnie z 4 osobnymi punktami styku, po dwa na każdy biegun, prawdziwie 4 przewodowe połączenie.


@TechEkspert
Jak dla mnie minimalne napięcie ogniwa warunkowane jest napięciem nasycenia źródła prądowego. Nie ma to nic wspólnego z wykorzystaniem MOSFETa, czy tranzystora bipolarnego napięcie nasycenia mniejsze od 1 V jest bez problemu do uzyskania na dowolnym z tych elementów w roli końcówki mocy w źródle prądowym.


Nie chcę bagatelizować zagadnienia pomiaru rezystancji wewnętrznej, no ale tak to widzę: najpierw kontakt z ogniwem, potem prawidłowy pomiar delta V vs. delta I (obciążenia). Następnie dobór częstotliwości pomiarowej. Gdyby się okazało, że właściwa częstotliwość jest mocno zależna od typu ogniwa, to mając CPU, można ją bez problemu dobrać przed pomiarem, albo też od razu dokonać pomiaru dla kilku częstotliwości (coś jak w mostkach RLC)... i to są wg mnie główne zagadnienia w tym układzie.

Pozdrowienia!

Fimek wrote:

Ja bym pochylił się nad pomiarem AC, skoro mamy już w układzie kluczowane źródło prądowe (czy tam rezystor).

Cały czas mówimy o cyklicznym przełączaniu, czyli w sposób zautomatyzowany. Można jeszcze potraktować poszukiwaną rezystancję wewnętrzną jako impedancję. Wtedy można np. zrobić jakiś wzmacniacz mocy i podać mu na wejście sinusoidę. W takim przypadku badane źródło napięcia byłoby połączone pojemnościowo (przerwa dla składowej stałej) ze wzmacniaczem mocy. Teraz w zasadzie metodą techniczną po wyznaczeniu (lub przyjęciu, że jest znana) wartości napięcia wyjściowego (skuteczne) i prądu pobieranego z wyjścia wzmacniacza mocy (skuteczny) dałoby się wyznaczyć moduł impedancji. Nie tędy jednak droga.

Fimek wrote:

Mimo wszystko ja bym szedł w AC i pomiar synchroniczny z kluczowaniem obciążenia. Pomiar przed i po załączeniu źródła, a następnie delta V daje wprost pomiar rezystancji.

Zatem jeszcze lepiej wstawić tu układ próbkująco-pamiętający. Można spróbkować nim napięcie przy jednym prądzie obciążenia (lub jego braku), potem zmierzyć przez ADC o różnicowym wejściu (analogowym) wartość różnicy napięć (to już przy kolejnym prądzie). ADC mierzyłby zatem różnicę pomiędzy tym, co jest w układzie próbkująco-pamiętającym (poprzednia wartość) a tym, co jest aktualnie. Dałoby się wtedy sensownie wzmacniać tą różnicę.

Współczesne mierniki rezystancji wewnętrznej aku to jedna wielka ściema. To jest pomiar pośredni. One mierzą impedancję elektrolitu. A potem tabelka, im bardziej mokry i zielony tym ma mniejszą rezystancję (tylko czego?)
Tak samo jest z testerami pojemności, tylko one potrafią zbliżyć się to tego co na etykiecie, zegarek i prąd rozładowania 5A ustalony opornikiem i ze 100Ah z etykiety bierze się 5A x 2h. Tyle razy już to sprawdzałem że już mi się ten temat znudził.
Dziwne że autor chciał babrać się z tym gównie i zajął się odkrywaniem Ameryki po raz enty..

@Fimek pomiar AC czyli mamy amplitudę wahań napięcia pod wpływem przełączania prądu testującego?

Kwestia styku i 4W mocno wpływa na pomiar małych rezystancji, łatwiej to zrobić dla jednego rodzaju źródła (np. klemy dla akumulatora z wyprowadzeniem napięciowym i prądowym, dla ogniw w określonym rozmiarze można zrobić uchwyt itp.).

@maciej_333 gdzieś trafiłem na taki pomiar impedancji z wykorzystaniem AC podanym na źródło, na początek spróbuję metody z wymuszaniem prądu.

Jakiego rodzaju układ próbująco-pamiętający można zastosować?

@eurotips jaki sposób pomiaru Rw uważasz za lepszy niż oferują współczesne testery?

TechEkspert wrote:

Jakiego rodzaju układ próbująco-pamiętający można zastosować?

Choćby LF398. Trzeba jednak rozsądnie dobrać wartość kondensatora podtrzymującego.

TechEkspert wrote:

@eurotips jaki sposób pomiaru Rw uważasz za lepszy niż oferują współczesne testery?

Tu koledze eurotips nie tyle chodzi o samą metodę pomiarową, co interpretację wyniku pomiaru.

Ponadto mając już źródło prądu dałoby się od razu zrobić tester pojemności.

TechEkspert wrote:

@eurotips jaki sposób pomiaru Rw uważasz za lepszy niż oferują współczesne testery?

Z praktyki wiem że auta klasy Premium nadal mają boczniki pomiarowe wraz z rozbudowanymi modułami i o one dają wiarygodnej informacji o kondycji akumulatora. One wiedzą jaki masz aku (kodujesz go) w sekundach liczą czas ładowania, rozładowania i sterują tymi procesami.
Z żadnym miernikiem tam nie podejdziesz. pokaże ci bzdury jak nie zmostkujesz tego modułu, jak go zmostkujesz pozostaje jeszcze wielki superkondensator wspomagający start rozrusznika.
Jak zdejmiesz klemę i odłączysz aku w takim aucie to drugi raz tego nie zrobisz, specjalnie nie napiszę dlaczego.

Takie coś ma zastosowanie tylko w hurtowniach gdzie w ciągu godziny trzeba przyjąć 100szt nowych aku i jakoś na szybko zweryfikować ich stan. W sklepach też takie mają aby spławić klienta z reklamacją bo wystarczy moment ładowania przed pomiarem i największy trup zamelduje się że jest GOOD.