Многофункциональный измеритель параметров заряда/разряда аккумуляторов

При эксплуатации любых типов аккумуляторов, для сохранения их долговечности и работоспособности на всём протяжении установленного срока службы, важно знать, а ещё важнее соблюдать необходимые для этого режимы и параметры заряда/разряда. Для этих целей создано и существует множество инструментов мониторинга, контроля, защиты и балансировки. Все они помогают в необслуживаемом и автоматическом безопасном использовании различных типов аккумуляторов и аккумуляторных батарей.

В данной статье рассматривается одно из таких решений, позволяющих производить мониторинг и наблюдение за работой аккумуляторных батарей в широком диапазоне напряжений и протекающих токов. В различных модификациях прибор имеет повышенную нагрузочную способность и функцию защиты по заданным вручную параметрам. Существует беспроводной вариант и со связью по USB.

Данный прибор заказывался в Китае на международной торговой площадке AliExpress (ссылка на товар). Он имеет цветной ЖК-дисплей с диагональю 1,8 дюйма с подсветкой и может измерять подаваемое напряжение, силу протекающего тока, потребляемую мощность, запасаемую  или отдаваемую ёмкость, энергию и прошедшее время. Далее представлены фотографии товара со страницы продавца:

Измерения поочерёдно могут производится в одном из двух направлений, как во время зарядки, так и во время разрядки, и имеет прибор следующие заявленные технические характеристики:

Электрические параметры	Значение
Напряжение питания	DC 10 ~ 90 В
Измеряемое напряжение	DC 0 ~ 90 В
Сила измеряемого тока	DC 0 ~ 20 A

 

Разрешение дисплея	Значение
Напряжение	0,01 В
Ток	0.01 A
Ёмкость	0.01 AH
Время	1 мин.

 

Точность измерения	Значение
Напряжения	± 1% + 2 цифры
Силы тока	± 2% + 5 цифр
Частота измерений	5 раз/сек.

 

Функции защиты	Диапазон установки
OVP (повышенное напряжение)	0,01 В ~ 90 В
OPP (повышенная мощность)	0,01 Вт ~ 9,99 кВт
OCP (перегрузка по току)	0,1 ~ 100 A
OFT (установка таймера)	0,01 H ~ 99,9 H
OAH (перезаряд/переразряд)	0.01 AH ~ 9999 AH
LOP (пониженное напряжение)	0,01 В ~ 90 В

Габариты: 79 × 43 × 52 (мм);

Размер окна для установки: 76,5*39,2 (мм)

Сразу следует отметить, что в приобретённом образце воспользоваться функциями защиты не представляется возможным. Они присутствуют на программном уровне, но нет их аппаратной реализации - отсутствует модуль расширения с установленным электромагнитным реле для замыкания/размыкания цепи. Придётся всего лишь довольствоваться мониторингом и, наблюдая за отображаемыми параметрами, в нужный момент вручную отключать нагрузку или зарядное устройство от аккумулятора. Эта тема будет затронута при дальнейшем тестировании и настройке устройства.

Описание органов управления и информационных ячеек

С лицевой стороны прибора слева находится экран для отображения информации, а справа расположены органы управления в виде трёх кнопок:

 

Номер	Элемент
1	Напряжение
2	Сила тока
3	Уровень заряда
4	Ёмкость и мощность
5	Энергия и время
6	Кнопки управления
7	Меню функций защиты

На странице продавца и в технической документации рекомендуется производить подключение измерительного устройства по следующей схеме:

Но с данным присланным образцом значения параметров при включении по приведённой схеме оказались неверными, и в дальнейшем будет рассмотрена правильная схема подключения для корректного отображения информации.

Стоит уделить внимание упаковке и отдать должное продавцу и отправителю. Заказ прибыл в место назначения до завершения срока доставки в большом полиэтиленовом пакете:

 

Внутри основного пакета находилась объёмная коробка из толстого картона:

 

А вот уже внутри картонной коробки лежал сам прибор, аккуратно завёрнутый в полиэтиленовый рулон с воздушными пупырышками:

При таких условиях упаковывания и доставки товар никак не мог повредиться и устройство прибыло целым и невредимым:

 

 

На лицевой стороне была наклеена одноразовая тонкая защитная плёнка по всей поверхности как экрана, так и кнопок:

С задней стороны находится клеммная колодка для подключения аккумулятора и нагрузки/зарядного устройства, и имеется информационная наклейка с маркировкой о предназначении каждого из выводов:

Для проверки работоспособности на прибор, согласно указанной полярности, было подано напряжение с двенадцати-вольтовой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи:

 

Параллельно был подключен мультиметр в режиме вольтметра, и разница в показаниях приборов оказалась незначительной, и в пределах допустимой погрешности:

 

Потребляемый ток измерительного прибора при этом составил 31 мА. Без подключённой нагрузки само устройство должно показывать нулевой протекающий ток, а вместе с ним и нулевую потребляемую мощность.

Калибровка измерителя силы тока

Если это не так и показания амперметра не нулевые, то следует откалибровать его, нажав при отключённой нагрузке на несколько секунд кнопку "OK" после отпускания которой должно появиться значение 00.00A:

Если не нажимать кнопки, то через некоторое время отсутствия протекающего тока, измерительный прибор переходит в энергосберегающий режим, отключая дисплей, и потребление тика падает до 15 мА:

Подключение нагрузки

Далее была подключена нагрузка по ранее упомянутой схеме из документации, в качестве которой использовалась галогенная лампа накаливания на напряжение 12 В и с мощностью потребления 50 Вт:

Для проверки показаний измерителя силы тока прибора последовательно с лампой был включён тестер в режиме амперметра. Разница в показаниях приборов, так же как и в случае с напряжением, оказалась незначительной и в пределах допустимой погрешности:

 

Далее будут рассмотрены функции защиты и предназначение каждой из них. Напомним, что в данном варианте прибора нет дополнительной платы расширения, и описанные функции реализованы только программно, и нет возможности их практического применения. Здесь и далее, если не указано иначе, то значение задаётся установкой жёлтого курсора кнопками со стрелками на соответствующее положение и долговременным нажатием кнопки "OK" включается режим редактирования функции, в котором теми же кнопками можно уменьшать или увеличивать значение устанавливаемого параметра, а затем подтвердить его кратковременным нажатием кнопки выбора. После установки значения кратковременными нажатиями кнопки "OK" можно включать или отключать необходимую функцию. Зелёный кружочек возле названия показывает, что функция активирована, и после совпадения заданного и реального значения параметра цепь будет разомкнута.

OVP - защита от перенапряжения - размыкание цепи при достижении напряжением установленного значения:

OPP - защита от перегрузки - размыкание цепи при достижении потребляемой или отдаваемой мощности заданного значения:

OCP - защита по току - размыкание цепи при достижении силы протекающего тока указанной:

OFT - установка таймера - размыкание цепи по истечении заданного времени:

OAH - установка ёмкости аккумуляторной батареи - задаётся значение ёмкости, после расхода которой цепь будет разомкнута.

Важный момент - даже если функция не активирована, но имеется значение, отличное от нуля, то процентное показание на экране будет зависеть от этого значения. Так при запасённой заданной ёмкости будет отображаться значение 100%, а при расходе отображаемое значение будет постепенно уменьшаться до 0%. В зависимости от этого так же будет меняться цвет закраски прямоугольника с зелёного на красный:

LOP - защита от глубокого разряда - цепь будет разомкнута при снижении напряжения до установленного значения:

Сброс - если жёлтый курсор перевести вниз за область видимости, то при нажатии на кнопку выбора произойдёт сброс отсчитанного интервала времени и рассчитанной за это время ёмкости. При этом последовательным нажатием можно выбрать одно из двух возможных последующих отображений процентного уровня заряда - отображаться будет или 100% заряда, или нулевое значение, и дальнейшие показания будут отсчитываться от этого значения:

И вот тут было замечено, что при сбросе и дальнейшем разряде аккумулятора значения показаний наоборот, увеличивались. Следовательно ток протекал в обратном направлении и прибор определял не разряд, а заряд батареи, и нужно было поменять отрицательные выводы аккумулятора и нагрузки друг с другом местами. Дальнейший разряд батареи производился по следующей схеме:

 

Во время установки жёлтого курсора в позицию "OUT" нажатием кнопки выбора можно включать/отключать нагрузку/зарядку (при наличии платы расширения). При этом стрелка будет закрашенной или контурной, а цвет её закраски зависит от направления протекающего тока: при зарядке аккумулятора - красный, при разрядке - зелёный. 

Так же можно видеть что при снижении уровня заряда батареи, закрашенный прямоугольник, показывающий процентное соотношение, уменьшает площадь закрашенного участка и меняет цвет закраски с зелёного на красный при менее чем 25% заряда:

 

Во время всех этих манипуляций было замечено, что срабатывание кнопок происходит не чётко, иногда требуется два нажатия, а иногда за одно нажатие значение перескакивает сразу на два пункта. Особенно это заметно при нажатии на кнопку " ^ ".

После уменьшения напряжения аккумулятора ниже 10,5 В и полной его разрядки, нагрузку следует отключить вручную, и важно не пропустить этот момент и не допустить глубокой разрядки батареи, что приведёт к преждевременной сульфатации и пагубно скажется на срок её службы. Далее желательно не оставлять батарею долгое время в разряженном состоянии и зарядить её.

Подключение зарядного устройства

Для зарядки было использовано буферное зарядное устройство, рассмотренное в предыдущей статье. Устройство было подключено вместо нагрузки по следующей схеме:

 

На зарядном устройстве светится только красный светодиод, ток зарядки начинается примерно с 1,2 А, а стрелка на приборе направлена в сторону процентного прямоугольника и закрашена в красный цвет:

По происшествии времени и по мере накопления заряда аккумуляторной батареей, растёт напряжение на ней, падает зарядный ток и потребляемая от зарядного устройства мощность, увеличивается процентное соотношение с постепенным закрашиванием прямоугольника и отображается накопленная ёмкость и количество энергии. При произведении сброса обнуляется отсчитанное время вместе с отображаемой ёмкостью и энергией и измерение начинается сначала:

 

 

В следствии тестирования и экспериментов был создан чертёж полной схемы подключения как нагрузки, так и зарядного устройства. Внутри измерительного прибора находится перемычка между выводами "Vcc" и "Vext", которую следует удалить при использовании устройства с батареей напряжением ниже 10 В, и подать отдельное питание на вывод "Vext" в районе от 10 до 90 В. В случае же с питанием от контролируемой батареи выводы "Vcc" и "Vext" равносильны и для подачи положительного потенциала можно использовать любой из них:

При таком включении во время потребления тока нагрузкой происходит вычитание из оставшейся ёмкости, а при зарядке её восполнение с запомненного значения:

После превышения заданного значения ёмкости отображается 100% заряда, но так как для полной зарядки аккумулятора требуется запасти больше энергии чем он может отдать и зарядка ещё продолжается, то отображаемое значение ёмкости и энергии продолжает расти и прибавляться к установленному значению. Отображаемый в данном случае промежуток времени в 19 часов включает в себя полное время работы прибора как при зарядке, так и при разрядке с момента сброса:

После полной зарядки батареи таймер можно сбросить и отсчёт времени начнётся с нуля. Таким образом можно измерить ёмкость аккумулятора, разряжая его, и количество энергии, необходимое для его полной зарядки.

Дополнительные измерения

В процессе испытаний устройства выяснилось, что в конце разрядки свинцового аккумулятора, когда напряжение падает ниже 10,5 В показания напряжения не корректны. Для определения погрешности прибора он был подключен к регулируемому источнику питания вместе с тестером в режиме измерения напряжения:

На блоке питания было выставлено напряжение 10 В, и хотя в документации была заявлена возможность работы устройства от такого напряжения, показания при этом сильно отличались от реальных и были завышены, а при дальнейшем снижении напряжения прибор сразу отключался:

Далее мультиметр был подключён в цепь последовательно для определения потребляемого тока при различных значениях питающего напряжения:

Оказалось, что при уменьшении подаваемого напряжения питания, потребляемый ток наоборот, увеличивался:

 

Из этого можно сделать вывод, что устройство имеет внутренний импульсный стабилизатор напряжения. Так же можно заметить, что имеется энергонезависимая память - после пропадания питания не теряются настройки функций защиты и значения ёмкости и энергии, а после восстановления питающего напряжения, если заранее были заданы значения параметров, сразу активируются функции защиты по превышению/снижению напряжения и защита по истощению установленной ёмкости. В некоторых случая во время работы устройства наблюдался самопроизвольный сброс отсчёта времени, хотя остальные значения сохранялись прежними.

Углы обзора

В отношении углов обзора экрана следует отметить, что они довольно большие, особенно в вертикальной плоскости. Все элементы хорошо видны даже при рассмотрении под почти прямым углом и полностью сохраняется их цвет:

 

В горизонтальной плоскости углы обзора немного меньше, и при особо большом угле экран сильно отдаёт синевой и пиксели начинают сливаться друг с другом, но отображаемые значения всё же можно разобрать:

 

Замер габаритов

Прежде чем перейти к разборке прибора и рассмотрения внутреннего устройства, были проведены простые измерения линейкой для уточнения физических размеров корпуса.

Ширина передней части 78 мм:

Высота передней части 41 мм:

Глубина установки вместе с клеммной колодкой 30 мм:

Корпус прибора имеет защёлки для фиксации и его удержания при установке на панель конечного устройства и бортики для скрывания щелей:

 

Для прорезания прямоугольного отверстия и установки прибора в корпус нужно знать размеры его задней части без бортиков.

Ширина задней части 71 мм:

Высота задней части 39 мм::

Внутреннее устройство измерительного прибора SIN9020S

Для раскрывания корпуса прибора и его полной разборки для начала нужно открутить 4 винтика по углам и снять заднюю крышку:

 

Сняв крышку можно видеть печатную плату зелёного цвета и открывается доступ к перемычке из припоя между выводами "Vcc" и "Vext" для её удаления в случае необходимости (смотрите вариант схемы подключения прибора с раздельным питанием):

Далее, чтобы не потерять, нужно убрать 4 уплотнительные шайбы белого цвета по углам платы. Плату больше ничего не удерживает, кроме пяти-контактного разъёма, и потянув за клеммную колодку можно вытащить её из корпуса:

 

На плате легко узнать импульсный преобразователь и линейный стабилизатор на 3,3 В. Так же имеется высоковольтный мощный транзистор Дарлингтона, микросхема операционного усилителя и низкоомный проволочный шунт для измерения протекающего тока:

В варианте прибора с реализованной защитой, дополнительная плата с управляющим цепью реле подключается вместо этой.

В корпусе осталась основная плата с латунными держателями-гайками, пяти-контактным разъёмом "мама" и восьми-битным микроконтроллером STM8S005K6T6C с одной стороны:

Эту плату удерживают 4 защёлки по бокам корпуса, и для её извлечения нужно одновременно освободить по две из них с каждой стороны:

 

С другой стороны основной платы установлен экран с гибким шлейфом для отображения информации и три кнопки для управления функциями измерительного прибора. На самом корпусе имеются прикрытые отверстия для этих кнопок, а экран защищён толстой прозрачной плёнкой:

 

В заключение стоит предупредить, что при покупке лучше сразу заказывать версию с платой расширения, для реализации защиты по заданным параметрам, так как без возможности в нужный момент разъединить цепь, прибор является просто показателем значений и не несёт большой практической пользы. Им просто можно будет измерять ёмкость и количество энергии аккумулятора, а при его встраивании в батарею имеется риск пропустить момент полного истощения или перезаряда и источник тока будет повреждён и сильно снизится ресурс аккумуляторной батареи. Так что лучше не поскупиться на лишнюю пару долларов и приобрести полноценное и практичное устройство, которое сильно поможет в сохранении долговечности электрохимических источников тока различного типа.

Достоинства

• Простота подключения и использования.
• Яркий цветной экран с хорошими углами обзора.
• Отображение большинства параметров заряда/разряда.
• Широкий диапазон рабочих и измеряемых напряжений и токов.
• Функции защиты по почти всем измеряемым параметрам (кроме количества энергии).
• Энергонезависимая память для хранения настроек и основных значений.
• Возможность простой калибровки нажатием одной кнопки.
• Наличие сброса без необходимости отключения питания

Недостатки

• Отсутствие измерений и показаний температуры.
• Довольно высокое минимальное напряжение питания.
• Большая погрешность с приближением питающего напряжения к минимальному.
• Нечёткое срабатывание управляющих кнопок.
• Самопроизвольный сброс отсчёта времени.

Исходя из сформированной оценки, каждый сам для себя должен сделать вывод и заключение для конкретного случая применения измерительного прибора. В некоторых случаях указанные недостатки могут оказаться критичными, а в некоторых и приведённых достоинств будет слишком много и не обязательно. В любом из них это довольно полезное устройство и может сильно пригодиться и быть незаменимым. Заботьтесь о своих аккумуляторах пока они отдыхают, и они помогут Вам, когда будет нужен автономный источник энергии. При соблюдении правил эксплуатации они прослужат долгий срок и проявят весь свой ресурс и потенциал.

Ссылка на товар

Статьи по теме:

• Буферное зарядное устройство свинцовых аккумуляторов
• Тестер LCR-T4 и компактный корпус для него
• Самодельная разборная Li-ion 3S батарея с платой контроля и защиты HH - P3-10.8
• Измеритель ёмкости аккумуляторов (С линейным стабилизатором)

Теги:

• Тестер
• Литий-ионный аккумулятор