česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 28. březen 2024

Nové systémy z vývoje Rystonu: Tester baterií

DPS 3/2022 | Články
Autor: Petr Šebesta, Ing. Tomáš Navrátil, Ryston Electronics

V loňském roce jsme v Rystonu dále pokročili ve vývoji automatizovaných testovacích systémů. Jednou oblastí aplikací je testování akumulátorů a jejich cyklování za různých pracovních podmínek.

Stál před námi úkol vyzkoušet statisticky několik desítek tisíc kusů Li-Ion baterií pro automotivní použití. V kabině nákladního auta panují proměnlivé podmínky, hlavně měnící se teploty i od -25 do +85 °C. Používané baterie musejí tyto podmínky snášet a neměnit příliš svoje vlastnosti ani při velkém počtu nabíjecích/vybíjecích cyklů.

Obr. 2  (jpg)

Jelikož nebyly žádné zkušenosti se skutečnou dlouhodobou kvalitou baterií Li-Ion v provozu a jejich stárnutím, bylo nutné vytvořit testovací systém schopný tyto podmínky nasimulovat a statistický vzorek baterií podrobit cyklování podobnému reálnému provozu a sledovat případné projevy jejich stárnutí. Statistický vzorek v tomto případě znamená otestovat stovky až tisíce identifikovaných článků − vzorků, procyklovat každý stovkami cyklů za měnících se teplot, sebrat a vyhodnotit získaná data.

Navrhli jsme tester baterie, který je řízen mikrokontrolérem zajišťujícím regulaci nabíjecího a vybíjecího proudu, měření napětí baterie, komunikaci a další funkce. Mechanicky je to modul na desce plošného spoje s držákem baterie nebo s konektorem pro její připojení.

Obr. 1 (jpg)

Moduly tvaru úzkého obdélníku lze bočními konektory spojovat paralelně až do počtu po šestnácti. Mohou mít společné napájení ze zdroje. Hlavně však se paralelně spojí jejich komunikační rozhraní RS-485, s nímž může komunikovat nadřazený počítač PC v konfiguraci point-to-multipoint. PC tak může komunikovat s každým modulem samostatně, vyčítat z něj data a zadávat mu povely nebo vysílat „broadcast“ povely pro všechny moduly najednou. Každý modul má přepínač pro nastavení unikátní „adresy“.

Jeden nebo i více těchto sestavených „multimodulů“ je možné řídit z PC například přes převodník USB-RS485, vyvinutý rovněž v Rystonu. Multimodul má rozměry takové, aby se případně vešel do teplotní komory řízené jiným portem stejného PC. PC je dále připojen do firemní lokální sítě a přes ni ukládá změřená data do databáze na zabezpečeném serveru. Tak lze vytvořit více testovacích pracovišť složených z multimodulů, některé použít pro cyklování za běžné teploty a jiné pro testování v termokomoře.

Modul umožňuje vybíjení článku konstantním proudem (CC), který udržuje zpětnovazební smyčka. Ukončení vybíjení je řízeno procesorem sledujícím napětí na článku. Nabíjení je řízeno standardní křivkou CC/CV (konstantní proud, po dosažení max. napětí jeho udržování s klesajícím proudem). Hodnoty vybíjecích a nabíjecích proudů a napěťové limity lze předvolit z programu v nadřazeném PC.

Obr. 3 a 4  (jpg)

Modul dále monitoruje proud, napětí a vnitřní odpor akumulátoru citlivostní analýzou (dU/dI). Následně provádí výpočet kapacity a průběžně posílá data do PC. Testované akumulátory lze připojit přímo na modul do držáku nebo přes konektor anebo pomocí čtyřsvorkového zapojení i přes delší vodiče (tak lze do termokomory umístit jen baterie).

Jednotlivé články/baterie jsou identifikovány buď pomocí grafického/číselného kódu na nálepce, nebo pomocí v baterii integrovaného monitorovacího obvodu DS18B20 či ekvivalentu, který obsahuje unikátní výrobní číslo ID baterie, spolu s teploměrem a dalším ochranným obvodem (Battery Management System, BMS). Proužkový nebo QR kód z nálepky je třeba zadat pomocí čtečky, popř. ručně, ale elektronické ID lze programem vyčítat automaticky a během testování je zjišťována aktuální teplota článku jeho senzorem nebo termistorem, podle toho, co je osazeno.

Na modulu jsou umístěny řízené regulátory proudu, jimiž je definován nabíjecí a vybíjecí proud baterie. Pro větší proudy jsou výkonové prvky umístěny na společný chladič, odděleně od měřené baterie. Regulátory proudu a snímače napětí baterie jsou samostatně kalibrovány před použitím modulu v testech a jejich dlouhodobá stabilita se ukázala jako dostatečná. První verze testeru byla určena jen pro verzi baterie s jedním Li-Ion článkem (max. napětí 4,2 V), a tak napájení modulu bylo 5 až 24 V a regulátory proudu byly analogové. Dále bylo také možné testovat lithium-polymerové (LiPol) či lithium-železo-fosfátové (Li-FePO4) akumulátory. V omezené míře lze testovat i články nikl-kadmiové (NiCd) a nikl-metal hydridové (NiMH). Nová vývojová verze modulu však má spínané regulátory, které již neprodukují ztrátové teplo a mohou testovat sériové sestavy článků a různé typy baterií až do maximálního napětí kolem 42 V.

Takto se podařilo shromáždit data o cyklických testech asi tisíce baterií Li-Ion různých typů od různých výrobců. Výsledkem je potvrzení, že baterie založené na Li-Ion článcích našeho schváleného výrobce snese bez významné ztráty kapacity kolem 600 cyklů, což je požadováno aplikací a výrobcem deklarováno. I tak je ale vždy záruka výrobce na baterie jen 6 měsíců.

Pro porovnání bylo testováno i několik „no-name“ článků, kde byla zjištěna životnost podstatně kratší. Výsledky testů tedy interpretujeme tak, že velice záleží na kvalitě výroby, články se nesmějí nadměrně přebíjet nebo vybíjet a pak je jejich životnost v souladu s požadavky zákazníka. Ve vozidlové jednotce byla také věnována nabíjecím a sledovacím obvodům baterie náležitá péče.

Aplikace

Tradičním výrobkem Rystonu jsou svítilny pro podvodní a potápěčské použití. Současný model lampy používá Li-Pol baterie, podle požadavku zákazníka jsou v kanystru jeden, dva či tři „paklíky“ článků, spojených paralelně, čemuž odpovídá také doba svícení. Původní systém založený na NiMH článcích trpěl řadou nevýhod: samovybíjení, paměťový efekt, stárnutí baterie, teplotní závislost. Nový systém lithiových baterií tyto nectnosti nemá.

Obr. 5  (jpg)

Rádiové přenosné a vozidlové systémy

Zúročujeme vloženou investici do systémů identifikace a zjišťování polohy kombinací těchto subsystémů, které jsou zpravidla založené na bateriovém napájení. Je možno kombinovat systémy identifikace (RFID) a zjišťování polohy (GNSS, Wifi) v různých pásmech frekvencí, kde jsou různé dosahy, rychlosti čtení a chování, a tak dosáhnout optimálních vlastností systému pro danou aplikaci a prostředí: identifikace a sledování polohy osob a lůžek v nemocnicích, předmětů v budovách, v prostorech bez signálu GNSS (suterén, tunel, pod krytinou), přijímat a převádět polohovou informaci, identifikovat „za letu“ pohyblivé objekty, řídit systémy podle jejich polohy (měření rychlosti závodních vozidel na okruhu, zemědělství) a identifikovat osoby (přístupové a docházkové systémy, riziková pracoviště) a kombinovat to vše v síti a informačním systému (továrny, osazovny a montážní haly, logistika).

Jak vozidlové jednotky pro mýto, telemetrii a sledování polohy, tak komunikační plavidlové jednotky i kombinované systémy s RFID, Wifi a GNSS mohou využívat programové vybavení „Moje poloha“, vyvinuté a udržované Rystonem. O této aplikaci a jejím využití jsme referovali i v časopise DPS. Zvláštností je možnost komunikace nejen z terénu do systému, ale i naopak do sítě (s jednotkami Ryston) či s novými moduly norské firmy Radiocrafts, které jsou schopny vytvářet celé rádiové sítě. Jelikož moderní moduly obsahují vestavěný mikropočítač s rezervou výkonu pro obsluhu připojených periferních obvodů, vžil se pro ně i název „embedded radio“.

Závěr

V tomto článku jsme přinesli pokračování informací o výrobním testeru lithiových baterií v teplotní komoře a o vývoji bezdrátových, bateriových, síťových a robustních zařízení v Rystonu pro nové aplikace. Tyto aplikace využívají spektrum možností programovatelného testovacího systému, který jsme vyvinuli jak pro vlastní výrobu a servis, tak i jako produkt.

Pro kontakt na techniky v ČR, vývojovou podporu, dokumentaci, aplikační poznámky, pro získání knihovních prvků pro CAD systém Mentor-Pads, a hlavně pro součástky navštivte náš nový web www.ryston.cz.