Vítejte, dnes je
sobota 23.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 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.
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.
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.
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.
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.
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“.
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.
