В глубоких водах физико-химических процессов, происходящих в аккумуляторе, будь он литий-ионный, щелочной или свинцово-кислотный, не трудно утонуть. Реальная разрядная характеристика АКБ изменяется в зависимости от тока и температуры. А еще на ёмкость влияет режим отбора заряда, процесс старения и технология производства. От качества элемента питания зависит срок службы батарейного устройства, поэтому иногда на ёмкость влияет даже вера в себя и оптимизм.
Радиоканальные устройства с батарейным питанием применяются на каждом шагу: ворота и шлагбаумы, охранные и пожарные датчики, системы слежения за протечкой, разнообразные системы сбора информации. Заявленное время эксплуатации радиоканального устройства без замены Li-Ion батареи – 3 года. Имея среднее значение токопотребления и ёмкость используемого элемента питания не трудно вычислить продолжительность работы. Добавим к этому вид разрядной характеристики, согласно документации практически весь срок службы напряжение батарейки держится на максимальном уровне, а затем относительно быстро падает. Условия эксплуатации в помещении оптимальны, температура около 20 °C, а сами устройства проходят 100% контроль. Выходит радужная картина, тем не менее, батарейка садится через 6 месяцев.
Не стану раскрывать коммерческой тайны, поэтому назову разрабатываемое устройство «датчик». Для проверки токопотребления датчика использовался DC Power Analyzer N6705C, коллеги из Keysight любезно предоставили его на пару недель. Результаты проверки чертовски хороши: 10 лет работы от Li-Ion батарейки емкостью 2400 мАч. Опытная серия датчиков работает на объекте больше года и в целом показывает себя достойно, но на некоторых платах, батарейки разрядились. Такие размышления привели меня к попытке более детально разобраться в вопросе истинного потребления и срока службы разрабатываемых радиоканальных датчиков.
Когда не знаешь, как решить задачу, можно попробовать сделать это в лоб. Изначальная идея - измерять напряжение на батарейке во время эксплуатации устройства. Измеритель должен быть компактным (размещаться в труднодоступном месте), иметь достаточный объем памяти, иметь возможность настройки режима работы, выгружать результаты на компьютер, иметь собственный элемент питания. Необходимо измерять напряжение, ток и температуру, колебания последней влияют на несущую частоту, т.е. качество связи и уровень излучаемой мощности. Рисуем структурную схему измерителя.
Устанавливаем в устройство память 2 Мб, что позволит сохранить приличное число точек. Максимальное время измерений зависит от периода и числа байт на одно показание. Каждая точка будет занимать 2 байта, а период настраивается пользователем. Допустим, мы решили измерять напряжение каждые 5 секунд. Получаем такой расчет:
Если хотим измерять напряжение в течение года, то период необходимо увеличить до 30-и секунд.
К компьютеру измеритель подключается при помощи USB, протокол обмена – Modbus RTU. Как всегда, спасибо моему другу Сане, который видимо, унаследовал редкий ген альтруизма и написал для устройства небольшую терминальную программу.
Другой альтруист и поклонник 3D принтеров, Сергей, напечатал корпус. Так что силами нашей небольшой команды устройство появилось в виде опытного образца.
Приступим к испытаниям. Первым подопытным стала Li-Ion батарейка XENO XL-060F. Производитель даёт разрядные характеристики для нескольких значений разрядного тока. Я уверен, что они соответствуют действительности для новых батареек. Берем совершенно новую батарейку со склада, где она, однако, пролежала три года, и начинаем разряжать резистором. Батарейка состарилась и не способна держать заявленное напряжение.
«Кто же держит батарейки на складе по 3 года!?» - скажите вы. Не стану раскрывать коммерческой тайны. Вторая батарейка типоразмера CR123A с ёмкостью 1300 мАч, производитель «Made in china» разряжалась током 15 мА. Батарейка свежая, номинальное напряжение 3 В и с лёгкостью выдержала испытания (см. рисунок 2).
Разумеется, такое тестирование нельзя назвать ни полным, ни объективным. Желающим погрузиться в тему тестирования батарей лучше почитать статьи «Грандиозное тестирование батареек» и «Анализатор батареек и мысли о тестировании». Мы же поговорим о более приятных вещах. Например, о еде и автомобилях. Настало время ответить на волнующий вопрос: можно ли пожарить яичницу под лобовым стеклом машины? Денек в конце августа выдался жарким, температура на улице колебалась в районе 30…34°C. Эксперимент начался в полдень и закончился следующим утром.
Температура коагуляции яичного белка составляет 62 °C, а яичного желтка около 68 °C. Вывод очевиден.
Измеритель работает с медленно изменяющимися величинами. Радиоканальные датчики, как известно, потребляют короткими импульсами длительностью 100…1000 мкс. Поэтому представленным устройством токопотребление удалось проверить лишь косвенно, при помощи конденсатора емкостью в несколько тысяч фарад. Разница между собственной разрядной характеристикой конденсатора (за счет тока утечки) и разрядом его же с подключенным датчиком дают ориентировочную картину. А эксперимент на год еще впереди.
Срок службы датчиков определяется не только качеством элемента питания, но последние имеют весомый вклад. Одни и те же вопросы всплывают порой совершенно неожиданно, в разных изделиях и местах. Даже очевидные предположения требуют проверки, а для этого нужны инструменты, хотя бы простые.
Комментарии (23)
BigBeaver
08.10.2022 22:58+1Я, может, глупенький, но прокомментируйте пожалуйста рост напряжения на графиках разрядной характеристики. В даташитах она плоская.
Evgeny_E Автор
08.10.2022 23:09Могу предположить, что дело как-раз в явлении депассивации батарейки. Не являюсь специалистом по элементам питания. Возможно @VT100объяснит происходящее.
BigBeaver
08.10.2022 23:19+3Ну вот есть документ от производителя. А у вас получается, что батарейка вообще выходит на номинальное напряжение только непосредственно перед полным разрядом (а синий график вообще стартует ниже напряжения отсечки). Может, оно и правда так работает, но я бы на вашем месте заинтересовался происходящим и копнул бы этот вопрос поглубже перед публикацией.
VT100
08.10.2022 23:26+1Раз: https://www.compel.ru/wordpress/wp-content/uploads/2010/02/lisocl2_passivation1.pdf
Второй файл, с рекомендуемым режимом активации, не нашёл в сети. Там всё просто — после хранения подать "Twice working current". Наверное — имеется в виду максимальный разрядный. На 15 сек. при хранении до 3 мес., 30 сек. при хранении до 6 мес. и 60 сек. при хранении более года. Приёмочный критерий — напряжение после активации более 3 В. Наверное — для верности надо выждать десяток секунд.
mikelavr
09.10.2022 13:50+3Практика показывает, что измерять напряжение на батарейке без нагрузки бессмысленно. Оно может быть достаточно большим, но у батарейки в первую очередь растет внутреннее сопротивление - и под нагрузкой напряжение будет меньше.
Я замеряю напряжение батарейки под нормированной нагрузкой внутри самого изделия. В моем случае это трансивер CC1120 в режиме приема, ток потребления у него известен.Evgeny_E Автор
11.10.2022 17:06Ценное замечание из которого следует, что вешать внешний прибор (в данном случае измеритель) на батарейку радиоканального датчика вообще не имеет смысла. Забавно то, что разработанные радиоканальные датчики измеряют напряжение батарейки (у меня во время работы сигнального светодиода, а не приема) и передают их на контрольную панель. И эти логи никто не собирает и не анализирует. Но это организационный вопрос, а не технический. Спасибо за ремарку.
mikelavr
11.10.2022 17:33Внешний прибор тоже подойдет, но он должен снимать данные с такой скоростью, чтобы видеть просадки напряжения - как цифровой осциллограф. В вашем случае нужен период максимум 50 мкс, то есть более 20000 отсчетов в секунду. Сохранять их все не обязательно, достаточно увидеть минимальное и максимальное значение на каком то выбранном интервале, а также температуру.
Учтите, что зависимость остаточной емкости батарейки от напряжения сильно нелинейная, и форма кривой зависит от режима разряда (ток и скважность потребления).
VT100
Путать Li-Ion/Li-Po аккумуляторы с гальваническими элементами систем LiSOCl2 (XL-060F) и LiMnO2 (CR123) — это просто кю! Идите почитайте про пассивацию первичных (ака гальванических) элементов системы литий-тионилхлорид (LiSOCl2) и приходите на передачу. Прокат Keysight'а был потрачен впустую.
LDO для питания автономного прибора — тоже доставляет. КПД в начале разряда ~ 78% (3,3/4,2).
Как меряете?
Moskus
Классика сложного карго-культа. И ведь для неспециалиста всё звучит крайне убедительно, так что статья наберёт свой десяток плюсов.
Evgeny_E Автор
Число набранных лайков не является целью публикации. Проверка идей на прочность - да. Мнение компетентных в определённых областях людей - да.
Moskus
Комментарием выше я не пытался утверждать, что лайки - ваша цель, я об этом ничего не знаю. Речь о неквалифицированном мнении голосующих.
Evgeny_E Автор
Дайте ссылки на толковые материалы по химии элементов питания.
Power Analyzer N6705C к батарейкам никакого отношения не имеет - он сам выступает в роли "батарейки".
Согласен, что LDO не самый лучший вариант для батарейных устройств. Однако для измерителя его достаточно, т.к. используется внешнее питание от USB. Собственный аккумулятор выполняет функцию резервного питания.
Параметры измеряются с установленной пользователем частотой (максимальная 1 Гц). Идея в том, чтобы получить лог интересующего параметра в течении недели, месяца, года.
PKav
А что если не LDO для автономного прибора? Импульсный регулятор даст ещё более низкий КПД. Плюс у LDO есть модели с quiescent current около 1 микроампера. Тут разве что контроллер брать старый на 5 вольт и вообще ничего не ставить.
BigBeaver
Куча контроллеров все равно внутри до 1.7-1.8 понижают. Обычно встроенным LDO. Правда ли есть смысл что-то оверинженерить?
nixtonixto
Встроенный ЛДО имеет среднепаршивые характеристики — например, у СТМ32, если не ошибаюсь, потребляемый ЛДО ток около 5 мкА. Если среднее потребление устройства — 10 мкА, то имеет смысл отключить встроенный ЛДО и использовать хотя бы самый дешёвый XC6206 с потреблением 1 мкА — тогда срок жизни батарейки увеличится почти в 2 раза.
BigBeaver
Чкстно скажу, не работал с STM32, но вот открываю рандомный даташит, и там VDD=2.4-3.6. Куда мне этот XC6206 подключать?
nixtonixto
Учитывая, что у большинства микроконтроллеров Без встроенного ЛДО потребляемый ток увеличивается при увеличении напряжения питания — микромощный ЛДО даже при КПД 78%, по факту, увеличивает время работы устройства от батареи, по сравнению с прямым подключением к батарее. А у импульсника из примерно того же ценового диапазона будет выше потребление, поэтому даже при КПД преобразования 90% время работы от батареи, при среднем потребляемом токе десяток мкА, будет меньше.
Поэтому сравнивать Только по процентам КПД не совсем корректно.
VT100
Есть и импульсные конвертеры с низким потреблением, особенно — если у них есть переключение из ШИМ в ЧИМ при падении тока нагрузки. Из документации под рукой — NCP1550 с потреблением 50 мкА, правда — без учёта тока перезаряда затворе внешнего ключа. Но это на уровне 150 мА семейства LDO TPS763xx и много лучше ширпотребных "старичков" с проходным p-n-p транзистором типа LP2985.
BigBeaver
Есть же MCP1702 c 2-5мкА Quiescent Current (мы же его обсукждаем?). А к импульсным еще и обвязка нужна соответствующего качества.
VT100
Кому нравится попадья, кому — поповна, а кому — свиной хрящик.