Разработка стенда для исследования таб
Для проведения исследований аккумуляторных батарей, необходим специализированный лабораторный стенд, который позволит измерять и анализировать ключевые параметры цикла зарядки-разрядки ячейки аккумуляторной батареи, такие как сила тока, напряжение, текущий уровень заряда. В данном проекте был разработан лабораторный стенд на основе микроконтроллерной платы Arduino Nano и датчика тока ACS712, что позволяет получить все необходимые данные для анализа и моделирования характеристик батарей.
Перед разработкой стенда был создан план, по которому велся дальнейший процесс разработки:
1) Определение требований:
В качестве основных требований к стенду были определены:
а) Измерение тока заряда и разряда батареи.
б) Измерение напряжения батареи.
в) Запись данных в реальном времени.
г) Визуализация полученных данных на компьютере.
2) Выбор компонентов:
Основным компонентом предполагаемого стенда был выбран микроконтроллер Arduino Nano. Это микроконтроллер с достаточным количеством входов/выходов для подключения датчиков и управления процессом измерений, а так же с возможностью чтения как цифровых, так и аналоговых сигналов, что убирает потребность использования в данном стенде отдельного аналогово-цифрового преобразователя. Рабочее напряжение для данного микроконтроллера 5 В, а так же он оборудован стабилизатором входного напряжения, что позволит использовать широкий спектр источников питания цепи, при необходимости, в том числе и исследуемую ячейку ТАБ. В качестве основного измеряющего устройства был выбран датчик тока ACS712, позволяющий измерять силу тока с высокой точностью без сложных систем контроля и записи сигнала. Чувствительность данного датчика – 0.185 В/А. Допустимый предел силы тока, протекающий через данный датчик – 5 А, что должно быть достаточно для исследования малоемкой ячейки ТАБ. Так же для исследования цикла разрядки батареи была смоделирована нагрузка в виде резистора с высоким сопротивлением, подобранным таким образом, чтоб при разрядке ток, протекающий в цепи, не превышал максимально разрешенный производителем для данной батареи. Для зарядки батареи был использован регулируемый источник постоянного тока АКИП-1101 с максимальным напряжением 20 В и максимальной силой тока в 5 А, а так же источник постоянного тока напряжением 5 В и силой тока 0,5 А.
3) Разработка схемы:
На рисунке Рисунок 1 приведена схема подключения всех основных компонентов разрабатываемого стенда в режиме разрядки исследуемой батареи, на рисунке 2 – в режиме зарядки.
Рисунок 1 – Схема подключения основных компонентов стенда к плате Arduino в режиме разрядки батареи
Рисунок 2 – Схема подключения основных компонентов стенда к плате Arduino в режиме зарядки батареи
На рисунке 3 изображены внешний вид схемы лабораторного стенда в сборе в режиме разрядки (слева) и в режиме зарядки (справа). На рисунке 4 изображена вольт-амперная характеристика датчика ACS712 в зависимости от температуры окружающей среды.
|
|
Рисунок 3 – Внешний вид стенда для исследования батарей в сборе
Рисунок 4 – Вольт-амперная характеристика датчика ACS712
4) Программирование:
Далее, была написана программа для микроконтроллера Arduino Nano, которая будет считывать данные от датчиков, обрабатывать их и выводить в интерактивном режиме на экран компьютера. На рисунках 5-6 приведен листинг программы в ПО Arduino IDE.
Рисунок 5 – Инициализация последовательной связи с Arduino, а так же считывание суммы значений показаний аналоговых портов
Рисунок 6 – Основной расчет показаний датчика и вывода сигнала на экран
Рисунок 7 – Вывод сигнала на экран в момент подключения батареи к нагрузке
На рисунке 7 изображён формируемый сигнал в табличном виде. Отрицательные значения силы тока (Current) получились в результате изменения порядка входных портов датчика ACS712 на противоположный. Таким образом, считывание значений происходило в отрицательной части шкалы отсчета датчика, и выдаваемое им напряжение на сигнальном выходе уменьшалось, а не увеличивалось, что является более желательным с точки зрения безопасности использования стенда и шанса электромагнитного пробоя в цепи, а так же уменьшения электромагнитных помех в работе датчика, наводимых магнитными полями токов, протекающих по близлежащим проводам стенда.
5) Проведение экспериментов:
После прошивки микроконтроллера написанной программой, была проведена проверка работоспособности всех компонентов стенда, проведение тестирования стенда с использованием реальных батарей, а так же оптимизация программ и схемы для достижения необходимой точности и стабильности измерений.
Для записи значений c последовательного порта был использован программный пакет PuTTY, изображённый на рисунке 8, позволяющий записывать сигнал, отсылаемый микроконтроллером в последовательный порт в виде текстового файла.
Рисунок 8 – Настройка PuTTY для записи сигнала
Далее, для обработки полученных значений был использован макет программного обеспечения MATLAB для вывода графиков тока и напряжений циклов зарядки-разрядки.