Lo "ScaRICCAtore": misuratore di capacità di pile/batterie.

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Ciao a tutti!

Inizio qui la descrizione di un paio di progetti semplici circuitalmente (un po' meno come realizzazione pratica) da me realizzati tempo fa per misurare la capacità effettiva di batterie ricaricabili, dalle piccole stilo/ministilo NIMH fino alle potenti celle litio LiFeYPO4 che ho acquistato nel giugno 2013 per la mia FIAT Seicento Elettra.

Lo ScaRICCATORE "light" per pile AA/AAA ricaricabili


Con questo primo circuito ho voluto realizzare un circuito semiautomatico per misurare la capacità effettiva di stilo e ministilo NiMh, onde poter selezionare le batterie ancora efficienti e 'rottamare' quelle troppo degradate.

Le capacità da misurare vanno dai 3-400 mAh minimo delle ministilo ai 2500-3000 mAh delle stilo più potenti (alla data del progetto).

La corrente di scarica ideale deve essere intorno a C/2 - C/5 (scarica in 2 o 5h a Inom=Ahnom/2 o Inom=Ahnom/5), in modo da simulare un impiego 'reale' della batteria. Quindi il circuito dovrà prevedere 2-3 correnti di scarica (es 0,2 0,5A e 1A) in modo da scegliere quella adatta alla batteria sotto test.

Da vecchie misure sulle pile NIMH la tensione crolla rapidamente, con batteria sotto carico, per valori sotto 1V circa; per evitare danneggiamenti decido quindi di impostare come tensione di soglia (interruzione scarica) Vbatt,off=0,9V circa, e tensione di ripresa scarica Vbatt,on=1,1V
Un LED segnala eventualmente la scarica in corso, un contaore memorizzerà il tempo di scarica T per poter poi calcolare la capacità effettiva:


Vista la Vbatt bassa per evitare complicazioni circuitali (step-up e simili) il circuito prevede anche un' alimentazione esterna, che deve fornire una corrente pari a quella di scarica.

Lo schema realizzato dopo varie ottimizzazioni è il seguente:

Purtroppo, pur avendolo disegnato con fidocad, non riesco a ritrovare il file!

Nota: forse qualche valore componente era stato leggermente modificato per ottimizzare il funzionamento.

Con questo periodicamente verifico la capacità residua delle mie numerose pile ricaricabili e provvedo la rottamazione di quelle con capacità insufficiente.

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Dopo aver giocato col tester per stilo e ministilo mi sono cimentato con il progetto di un misuratore di capacità per batterie da trazione.

Questo in vista (a fine 2012) dello sperato (e poi verificatosi) acquisto della mia Seicento Elettra.

L'auto prevedeva, nei manuali d'officina, il controllo dell' efficienza delle batterie (capacità effettiva) con scaricatore Zivan sull'intero pacco; con scarica a 50A (batterie da 60Ah) il tempo di scarica (tempo in cui Vstop,tot=170V -> Vstop,batt=9,44V) a 20°C doveva essere compreso tra 50 e 38 minuti

In effetti sul sito Zivan tali oggetti sono ancora disponibili, ma sono macchinari da officina, ingombranti e immagino molto costosi.
Inoltre a me non serviva un test rapido sul pacco batterie completo ma solo su singole batterie; ipotizzavo infatti sia di dover testare e sostituire solo alcune delle batterie originali (al Pb), sia di effettuare una misura delle batterie al Litio che prima o poi avrei dovuto acquistare.

Le batterie da testare erano da 12V 60AH -> 720Wh; posto quindi un limite ragionevole di 5-600 W al dispositivo ne deriva che lo scaricatore potrà gestire una batteria alla volta (o 3-4 celle litio) in tempi di 1-2h.

Da semplici considerazioni avevo scartato l'uso di lampadine perché volevo una scarica a corrente costante e precisa, in modo da evitare l'uso di un energy meter e poter fare il tutto con un semplice circuito a soglia + contaore. Per economicità e semplicità ho anche scartato soluzioni basate su raffreddamento a liquido e FET utilizzati come carico.

Ho deciso quindi per una semplice soluzione basata su regolatore lineare + resistenza corazzata, con il vantaggio di disporre di una protezione in temperatura integrata.

Considerato che la tensione di batteria può variare nell'intervallo VBATT=11-13,5V sono quindi arrivato, con semplici calcoli di dissipazione, alla seguente configurazione base:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Ogni ramo devierà una corrente compresa tra 1 e 1,5A e lo Scariccatore prevederà 2-3 portate selezionabili (es 5, 10 e 30A)

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Continuo col mio monologo, sperando che interessi a qualcuno...

Ecco alcuni semplici calcoli di dissipazione in base ai quali ho scelto il regolatore lineare e le resistenze.

Il criterio di scelta che ha portato a LDO1086V è stato low drop-out, basso prezzo e bassa resistenza termica giunzione-case (3 °/W).

Come radiatori ho scelto un Fischer SK454 (codice RS 674-4715) con Rt=8,5 °/W, una forma ottimale e prezzo contenuto (circa 1€ ai tempi).

Il dV minimo ai capi del regolatore e il range di tensione di batteria hanno determinato i valori resistivi, e il fatto che ogni ramo potesse gestire una corrente compresa tra 1 e 1,5W.

Infatti essendo


a Vbatt,min=11V ottengo (Vin=10,5 per le cadute di tensione interne, Vrif=1,25V tipica dei regolatori LM)


Da cui Rc=5Ohm con I=1,5A circa

Questi valori sono in realtà la conclusione di una serie di calcoli; In tal modo Rc (corazzata) dissiperà


La potenza dissipata ai capi del regolatore è invece variabile, e il valore massimo è a batteria carica; poiché


@Vbatt=11V ottengo:




e una ulteriore dissipazione su Rr:


La potenza dissipata dal regolatore provoca un incremento della temperatura di giunzione rispetto all'ambiente di :


Nei prossimi post la gestione di queste potenze da dissipare

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Chiedo scusa per le formule del post precedente, sono i miei primi utilizzi di Latex e la visualizzazione fa un po' schifo... errore mio.

Arrivati ad aver fissato Rc=5Ohm, il calcolo delle dissipazioni sugli LM e sulle Rr mi ha portato a ridurre leggermente le correnti nei rami e anche a limitare la corrente massima di scarica.

Ho quindi deciso per la seguente configurazione:

- 5 rami da 1A sempre in presa
- 5 rami da 1A inseribili
- 12 rami da 1,25A inseribili.

Quindi la corrente di test è selezionabile mediante switch sui valori di 5, 10, 20 e 25A.

Come contenitore ho utilizzato il contenitore di un vecchio alimentatore da banco rottamato, del quale ho recuperato anche due bellissimi indici da usare come voltmetro e amperometro.

La potenza totale da dissipare è riportata in tabella

I regolatori con le loro Rr sono stati posizionati all'interno del contenitore munito di ventola. Le Rc invece all'esterno, per motivi di ingombro e di dissipazione. Anche per il loro montaggio ho riciclato due grossi radiatori, sempre dall'alimentatore rottamato.

Ecco la foto della parte LM+Rr interna al contenitore:

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Per chiudere, ecco lo schema completo dello Scariccatore:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

La realizzazione della parte sinistra era stata inizialmente tralasciata perché pensavo di dover testare prima le batterie al piombo (con singole celle non accessibili); non l'ho poi realizzata perché ho acquistato un monitor di celle Cell-log 8S che trovate qui:
http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uh_listCategoriesAndProducts.asp?idCategory=409

Questo è il layout realizzato con FidocadJ, per ottimizzare distanze e posizioni dei regolatori coi loro radiatori:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Fresco fresco su youtube il filmato della prima prova:



mentre, se vi interessa la discussione dalla quale era partito lo sviluppo, con altri scaricatori sia di acquisto che DIY:
http://www.energeticambiente.it/pile-e- ... zione.html

A breve (spero..) articolo sul test delle mie batterie monoblocco LiFeYPO4!

[richiurci]

Fresco fresco di stampa, ecco a voi un "breve" articolo sul test delle batterie

http://www.electroyou.it/richiurci/wiki ... o-lifeypo4

[attiliovolpe]

Ciao, ho lavorato per molto tempo facendo manutenzione di UPS e raddrizzatori industriali e per le prove di autonomia delle batterie utilizzavo scaricatori Zivan 220Vdc 200A: una figata!

Il tuo post è molto interessante, vorrei realizzare qualcosa del genere per scaricare batterie, banchi batterie, da 6V a 48V in step da 6V (o magari 6, 12, 24, 48) e correnti fino a 20A con passi così definiti e sommabili:

10A + 5A + 1A + 1A + 1A + 1A + 0,5A + 0,1A + 0,1A + 0,1A + 0,1A 0,1A = 20A.

Forse vorrei troppo, ma abituato con lo Zivan....

La tensione era settata automaticamente, ma tramite il software impostavo la corrente di scarica entro un massimo di 200A.

Potrebbe essere fattibile la mia proposta? Hai idea, visto che ne hai realizzato già uno?

Saluti

[richiurci]

eh belli gli Zivan, ma a parte il gusto di farselo, per quello che ci dovevo fare mi è costato molto meno.... e lo userò di nuovo spero tra anni!

Tutto è fattibile, considera i seguenti aspetti:

La potenza da dissipare: forse, specie con un approccio lineari+resistori come il mio, è meglio separare gli oggettio n base alle tensioni, perché c'è da dividere opportunamente le potenze da dissipare sui vari componenti, e il tutto dipende dalla tensione

monitoraggio singole celle: io non ho realizzato la parte sinistra del circuito, ho usato un Cellog 8s che mi dava allarme (sonoro) con una cella in undervoltage.
Con celle lunghe lo stop deve essere automatico e basato sulle tensioni delle singole celle, per evitare danneggiamenti

[attiliovolpe]

Bene, ma come potrei prendere spunto dal tuo? Posso usare un solo regolatore? Come potrei poi fare la selezione delle tensioni? (6, 12, 24, 48)

[richiurci]

ma lo Zivan monitorava le singole celle o no? Immagino fossero batterie Pb quindi celle da 2V.

Dunque... ovviamente se vuoi avere tante portate inseribili la soluzione con interruttori sarebbe un po' complicata, in alternativa se sei pratico un bel micro o una scheda Arduino... ma io in questo non so aiutarti.

Per le portate basse (0.5 e 0.1A) sicuramente l'approccio regolatore+resistenza sarebbe facilmente attuabile.

Invece con 5 e 10A diventa critico gestire tensioni in scarica tanto variabili. Con semplici radiatori la potenza dissipabile su un TO220 non può superare i 7-10W, quindi bisognerebbe cambiare la resistenza di carico a seconda della tensione del pacco.

A meno di passare ad approcci più complicati ma più adatti a potenze elevate (package diverso, raffreddamento a liquido, potenza smaltita per irraggiamento ecc)

Chiarisci meglio cosa vuoi fare, per hobby o lavoro? Non puoi testare i pacchi a 48V in pacchi da 6?

In teoria con serie lunghe per testare la scarica profonda devi monitorare le singole celle: che batterie devi testare? Sono accessibili le tensioni intermedie?