Оптимизм на ёмкость батарейки не влияет
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.
Рисунок 1 — Структурная схема 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.
Рисунок 2 — Терминальная программа измерителя
Другой альтруист и поклонник 3D принтеров, Сергей, напечатал корпус. Так что силами нашей небольшой команды устройство появилось в виде опытного образца.
Рисунок 3 — Измеритель U, I, T (анализатор батарей)
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.
Рисунок 4 — Разрядные характеристики новых (по документации) и состарившихся батареек
«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.
Рисунок 5 — Температура под лобовым стеклом автомобиля
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.
