Как да измерим точно напрежението на батерията?

Точното измерване на напрежението на батерията е от решаващо значение за осигуряване на надеждността и производителността на устройствата с батерийно захранване. Независимо дали става въпрос за битова електроника, автомобилни системи или съхранение на енергия от възобновяеми източници, знанието как точно да се измерва напрежението на батерията може да предотврати повреди на оборудването, удължи живота на батерията и гарантира безопасността. Тази статия ще ви запознае с принципите, методите, коригирането на грешки, комуникационните решения и приложните случаи при измерване на напрежението на батерията, като ви предоставя задълбочено разбиране как да измервате напрежението на батерията точно.

Основен принцип на измерване на напрежението на батерията

За да разберем как точно се измерва напрежението на батерията, първо трябва да усвоим основния принцип, който стои зад това. Батерията генерира електрическа енергия чрез химични реакции, създавайки потенциална разлика (напрежение) между положителния и отрицателния си терминал. Когато волтметър е свързан към тези терминали, той измерва тази потенциална разлика.

Ключът към точното измерване се състои в минимизирането на тока, изтеглян от батерията по време на процеса. Тъй като батериите имат вътрешно съпротивление, значителният ток ще причини пад на напрежението върху това съпротивление, което води до неточни резултати. Поради това добрият волтметър трябва да има много високо входно съпротивление, за да се гарантира, че се изтегля пренебрежимо малък ток.

На схемата по-горе е показана индикатор на нивото на напрежение на батерията, използващ чип LM3915. Той не само измерва напрежението, но и показва нивото чрез серия от светодиоди. Това илюстрира как схемите за измерване на напрежението могат да бъдат проектирани, за да предоставят както количествена, така и качествена информация за напрежението на батерията.

Стъпка по стъпка ръководство за измерване на напрежението на батерията

Измерването на напрежението на батерията не е задължително да е сложно. С подходящи инструменти и подходяща техника, можете да постигнете точни резултати. Ето стъпка по стъпка ръководство:

• Пригответе необходимите инструменти. : Ще ви трябва цифров мултиметър (DMM) с функция за измерване на напрежението. Уверете се, че DMM е настроен на подходящия диапазон на напрежение. За повечето батерии трябва да е достатъчен диапазон от 0 - 20 V.
• Изключете устройството (ако е приложимо) : Ако батерията е монтирана в устройство, изключете устройството, за да се избегне ток на натоварване, който може да повлияе на измерването.
• Идентифицирайте терминалите на батериите : Намерете положителния (+) и отрицателния (-) терминал на батерията. Те обикновено са маркирани на корпуса на батерията.
• Свържете измервателните щипци : Свържете червената щипка на DMM към положителния терминал и черната щипка към отрицателния терминал. Осигурете сигурно свързване, за да се предотврати контактно съпротивление.
• Прочетете измерването : Изчакайте дисплеят на DMM да се стабилизира и запишете показанието. Това е напрежението в отворена верига на батерията.

Този образ показва практически пример за измерване на напрежението на батерия с цифров мултиметър. Обърнете внимание как щипците са свързани към терминалите на батерията и как мултиметърът показва ясно показание. Като следвате тези стъпки, можете точно да измерите напрежението на батерията в повечето обичайни ситуации.

Чести източници на грешки при измерване и как да се справите с тях

Дори при внимателно измерване все още могат да възникнат грешки. Разбирането на тези грешки и начините за намаляването им е от съществено значение за прецизното измерване на напрежението на батерията.

Съпротивление на контакта : При свързване на щипците на мултиметъра към клемите на батерията, лошият контакт може да създаде съпротивление, което води до падане на напрежението. За намаляване на този ефект се уверете, че щипците са чисти и осигуряват плътно допирателно съединение с клемите. Използването на щипци с остри и добре поддържани накрайници също може да помогне.

Температурни ефекти : Напрежението на батерията зависи от температурата. Химичните реакции в батерията се ускоряват при по-високи температури, което увеличава напрежението, докато при по-ниски температури те се забавят, намалявайки напрежението. Ако се изисква висока точност, измервайте батерията при стабилна и известна температура и използвайте температурния коефициент на батерията за корекция.

Ток на натоварване : Както беше споменато по-рано, всеки ток на натоварване, протичащ по време на измерването, ще причини падане на напрежението поради вътрешното съпротивление на батерията. Винаги измервайте батерията в състояние на отворена верига (без натоварване), когато е възможно. Ако батерията трябва да бъде под натоварване, използвайте четирижична техника за измерване (Келвинско сензиране), за да се отстрани ефектът от съпротивлението на щипците.

Точност на мултиметъра : Точността на самия мултиметър е фактор. Използвайте калибриран мултиметър с клас на точност поне ±0,5% за важни измервания. Редовната калибровка осигурява запазването на точността на мултиметъра с течение на времето.

Като имате предвид тези източници на грешки и предприемате подходящи мерки, можете значително да подобрите прецизността на измерванията на напрежението на батерията.

Решения за комуникация в системи за измерване на напрежението на батерии

В много приложения, особено когато участват няколко батерии или батерийни пакети, е необходимо да се предават данни от измерванията на напрежението към централна система за наблюдение. Няколко комуникационни протокола и топологии са подходящи за тази цел, като всеки от тях има свои собствени предимства.

CAN Bus : Мрежата Controller Area Network (CAN) се използва широко в автомобилни и индустриални приложения поради високата си надеждност и реалновременни възможности. Използва схема за диференциално сигнализиране, която я прави устойчива към електромагнитни смущения (EMI). CAN мрежата поддържа множество възли на единична шина, което позволява лесна интеграция на няколко модула за наблюдение на батерии.

Горната диаграма показва сигналите за напрежение и предаването между възлите в CAN мрежа. Диференциалното напрежение между линиите CAN_H и CAN_L осигурява стабилна комуникация дори в условията на силни шумове.

RS485 : RS485 е друг популярен избор за индустриална комуникация. Поддържа връзка на голяма разстояние (до 1200 метра) и може да свърже до 32 устройства на една шина. Като CAN, RS485 използва диференциално сигнализиране за имунитет към шум. Често се използва в системи за управление на батерии за слънчеви енергийни съоръжения и захранвания с резервно електрозахранване (UPS).

Тази диаграма илюстрира система за диференциална шинна комуникация, типична за RS485. Използването на усукани двойки кабели и крайни резистори помага за минимизиране на сигналните отражения и осигурява надеждна предаване на данни.

Modbus : Modbus е протокол, често използван с RS485 и Ethernet. Той дефинира как данните се структурират и предават между устройства. Modbus е лесен за реализиране и широко поддържан, което го прави добър избор за интегриране на измерване на напрежението на батерии в съществуващи системи за наблюдение.

Горната диаграма показва рамките на Modbus съобщенията за заявка и отговор. Простата структура на Modbus съобщенията я прави лесна за реализиране и отстраняване на грешки.

Топология тип верига (daisy chain) : При топология тип верижка, всеки модул за наблюдение на батерията е свързан последователно със следващия, образувайки верига. Това е просто по отношение на окабеляване и подходящо за приложения, при които модулите са подредени линейно. Въпреки това, ако даден модул излезе от строя, това може да наруши връзката с последващите модули. За намаляване на този риск някои реализации на верижна топология включват байпасни вериги.

RS232 : RS232 е прост протокол за връзка с ниска скорост, подходящ за кратки разстояния (до 15 метра) и точка до точка комуникация. Често се използва в лабораторни условия за свързване на единично устройство за измерване на батерии към компютър.

При избора на комуникационно решение трябва да се имат предвид фактори като броя на възлите, разстоянието на връзката, околната среда по отношение на шумове и интеграцията със съществуващите системи. CAN шината и RS485 са отличен избор за повечето индустриални и автомобилни приложения, докато Modbus осигурява гъвкав протокол за обмен на данни.

Приложни случаи в сценарии за тестване на производителност

Измерването на напрежението на батерията е основна част от тестването на производителността в различни индустрии. Нека разгледаме някои приложни случаи, при които точно измерване на напрежението е от решаващо значение.

Тестване на потребителските електронни устройства : При разработката на смартфони, лаптопи и таблети животът на батерията и производителността са ключови предимства. Производителите провеждат обширни тестове за напрежение, за да оценят как батерията работи при различни натоварвания (например възпроизвеждане на видео, игри, режим на готовност). Чрез измерване на спада на напрежението във времето те могат да оптимизират алгоритмите за управление на енергията и да преценят точния живот на батерията.

Батерийни пакети за електрически превозни средства : Електрическите превозни средства (ЕПС) разчитат на големи батерийни блокове, състоящи се от стотици или хиляди отделни клетки. Напрежението на всяка клетка трябва да се следи непрекъснато, за да се осигури балансирано зареждане и разреждане, което максимизира капацитета и продължителността на живот на блока. Небалансите в напреженията на клетките могат да доведат до намален обхват, преждевременно повредяване или дори опасности за безопасността. Шината CAN често се използва в системите за управление на батерии при ЕПС, за да събира данни за напрежението от всеки модул на клетките.

Системи за съхраняване на възобновяема енергия : Системите за съхранение на енергия от слънчева и вятърна енергия използват батерии за съхранение на излишъчна енергия. Измерването на напрежението е от съществено значение за наблюдението на състоянието на заряд (SOC) и състоянието на здраве (SOH) на батерийния блок. Често се използва комуникация RS485, за да се свържат разпределените устройства за наблюдение на батерии с централен контролер, който управлява зареждането и разреждането въз основа на измерените напрежения.

Непрекъснато осигуряване на енергия (UPS) системите за непрекъснато захранване осигуряват резервно захранване по време на прекъсвания в мрежовото напрежение. Напрежението на батерията се наблюдава непрекъснато, за да се установи кога е необходимо превключване към резервно захранване и да се гарантира пълното зареждане на батерията. Протоколът Modbus често се използва в системите за непрекъснато захранване, за да се интегрира наблюдението на батерията с общата система за управление на енергията.

Във всички тези случаи способността за прецизно измерване на напрежението на батерията и надеждно предаване на данните е от решаващо значение за оптимизиране на производителността, осигуряване на безопасността и удължаване на живота на батерията. Решенията за комуникация, разгледани по-рано, играят жизненоважна роля за постигането на тези цели.

Заключение

Прецизното измерване на напрежението на батерията е от съществено значение в много приложения — от битова електроника до промишлени системи. Като разберете основните принципи, спазвайте правилните методи за измерване, отстранявайте възможни грешки и избирате подходящи решения за комуникация, можете да осигурите точни и надеждни измервания на напрежението.

Ключовите стъпки включват разбирането на принципа на измерване на потенциалната разлика, използването на подходящи инструменти и методи, намаляване на грешките от контактно съпротивление и температура и избор на подходящи комуникационни протоколи като CAN шина, RS485 или Modbus за предаване на данни. Приложни случаи при тестване на производителността подчертават значението на тези измервания за оптимизиране на работата на батерията и осигуряване на безопасност.

Независимо дали сте ентусиаст, инженер или техник, знанията и техниките, представени в тази статия, ще ви помогнат да измервате напрежението на батерии точно и ефективно. Докато технологията на батериите продължава да напредва, нуждата от точни измервания на напрежението ще расте, което прави тази умение ценно в днешния свят, задвижван от технологии.