» » Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

 

Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

Автор: admin от 30-12-2016, 09:15, посмотрело: 373

В этой статье я публикую в свободный доступ мой тестер и измеритель 8шт часовых аккумуляторов-таблеток форм-фактора CR2032. Надеюсь, он пригодится тем, кто делает портативную электронику и различный IoT. В статье я опишу схему моего тестера и расскажу как он работает. Приведу результаты измерения аккумуляторов LIR2032. И проверю восемь CR2032 от разных производителей. Также поделюсь богатым опытом: какие аккумуляторы лучше не брать, а какие — хорошие. Бонусом распишу опасные моменты: и как самому не пострадать и не сжечь дом, как это любит делать Креосан.


Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

Оглавление:


Для чего?
Основные параметры и алгоритм проверки
Индикация и лог работы
Микроконтроллер и как его прошивать
Схема целиком
Схема питания
Схема одного из восьми каналов LIR2032/CR2032
Про зарядку и контроллер заряда
Плата
Результаты аккумуляторов LIR2032
Результаты проверки 8 разных батареек CR2032
Итоги и про качество аккумуляторов
Про технику безопасности
Заключение и ссылка на мой проект на гитхабе


Для чего?


В целях самозанятости и в качестве хобби мы c другом-схемотехником делаем наручные устройства, которые работают в двух режимах: активном и режиме ожидания. В активном режиме требуется красивый, плавный и отзывчивый интерфейс, поэтому потребление в пределах 10-15 мА. В режиме ожидания работают только часики, потребление — единицы микроампер. В устройстве есть синхронизация данных по USB, следовательно, оно должно уметь заряжаться. Поэтому мы применяем перезаряжаемые батарейки таблетки в форм-факторе CR2032, они называются LIR2032.


Устройства продаются в Европу. Эти заказчики более требовательны к качеству, чем отечественные потребители, и поэтому важно чтобы все устройства работали долго и примерно одинаковое время. И самая большая проблема — это контроль качества аккумуляторов. Быстро их не проверить, а объём вырос настолько, что пришлось сделать этот тестер. О чём я и расскажу далее.


Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт


Основные параметры



  • Питание USB 5V, 400mA.

  • Тип аккумуляторов и батарей LIR2032, CR2032 (с ограничениями)

  • Количество одновременно проверяемых аккумуляторов: 8 шт

  • Индивидуальная двух цветовая индикация статуса у каждого аккумулятора

  • Одноцветный светодиод общего состояния.

  • Посекундный текстовый лога по каждому аккумулятору.

  • Измерители: напряжения и скорости его изменения, времени, ёмкости в мкА/ч.

  • Разрядная нагрузка: 250 Ом (~10мА).

  • Зарядный ток: 30мА

  • Время цикла проверки: 4-6 часов.


  • Алгоритм проверки


    Разница между LIR2032 и CR2032 в том, что CR2032 батарейки, а LIR перезаряжаемые аккумуляторы. И они имеют более высокий рабочий диапазон напряжений, но почти в 10 раз меньшую ёмкость.


    CR2032: диапазон напряжений 2000-3300 мВ, ёмкость 200+ мА/ч.
    LIR2032: диапазон напряжений 3300-4200 мВ, ёмкость 35 — 45 мА/ч.



  • Первичная дозазрядка, окончание — сигнал #STAT зарядника в Z. Максимум 3 часа.

  • Разряд, до 3300 мВ, время: минимум 2 часа, максимум 5 часов.

  • Финальная полная зарядка, окончание — сигнал #STAT зарядника в Z. Максимум 3 часа.


  • Аккумулятор считается годным, если все эти лимиты по времени соблюдаются.
    Напряжение не должно проседать ниже 3000 мВ или превышать 4300 мВ — т.е. те лимиты, при которых аккумуляторы быстро портятся или считаются негодными.


    Индикация


    Индивидуально у каждого держателя батареи:



    • часто мигает зелёным — Первичная дозазрядка

    • часто мигает красным — Разряд

    • медленно мигает зелёным — Финальная зарядка

    • постоянно горит зелёный — Тест окончен, батарея годная

    • постоянно горит красный — Тест окончен, батарея не годная


    Общий у USB порта:



    • Светится — проверка в процессе работы, как минимум один тестируется.

    • Погас — проверка окончена, все 8 аккумуляторов проверены.


    Лог работы


    Выводится в UART. Если впаять CP2103, то его можно считывать, иначе придётся подключать сторонний преобразователь UART в USB.
    Устройство запоминает в свободной флеш памяти (около 50кб) параметры всех ранее измеренных аккумуляторов и выдаёт их при каждой перезагрузке.


    После перезагрузки и инициализации начинает выдаваться каждую секунду:



  • Время в секундах

  • Отладочные статусы зарядника и тд, три группы символов по 8 шт.

  • Напряжения на аккумуляторах в милливольтах, точность 30мВ, 8шт

  • Прошло времени в тиках (~8 миллионов)

  • Напряжение аналогового питания (удобно для проверки и отладки питания)

  • Скорость изменения питания в микровольтах в сек, 8 шт. точность 5 мкВ/сек.


  • После того как все аккумуляторы проверены выдаётся измеренные значения по всем аккумуляторам.



  • Ёмкость в мкА/ч (норма от 25 и выше)

  • Время в сек., напряжение в мВ начала и напряжение в мВ окончания периода.

  • Периодов три: первичный заряд, разряд, финальный заряд.


  • пример:


    LIR_1   capacity    40943   uAh
    LIR_1   #0 Charge_A 2203    4078    4217
    LIR_1   #1 Load_250 9755    4172    3297
    LIR_1   #2 Charge_B 6542    3470    4220

    Микроконтроллер и как его прошивать


    Для тестера батареек я выбрал микроконтроллер STM32F100R8 это ARM Cortex M3.
    Выбран большой 64-х выводной корпус, т.к. на все 8 каналов не хватало выводов, а делать костыли с расширяемыми GPIO и регистрами не хотелось. МК работает от внутреннего генератора без использования PLL и делителей, т.е. на 8Мгц.


    Прошивка сделана в gcc и makefile в среде Eclipse Kepler и плагине CDT.
    Настройка не требуется. Достаточно прошить и уже можно использовать.


    Можно прошивать внешним UART программатором, для этого на отдельную PLS'ку выведены сигналы RX TX BOOT0 RST и земля.
    Можно прошивать моим встроенным USB-UART программатором о котором я рассказывал ранее, но для этого на каждый экземпляр придётся ставить CP2103.


    Схема целиком


    функциональный уровень:


    Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

    электрическая схема (увеличение по клику):
    Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт


    Схема питания


    Две ветки питания на двух линейных стабилизаторах LM1117 с 5 до 3.3В.
    Отдельное питание для цифровой и аналоговой части.
    С защитой от взаимных помех катушечками — индуктивностями на входе каждого стабилизатора.
    Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт


    ВНИМАНИЕ в плате есть ошибка: забыли установить и развести общий электролит по питанию USB, впаяйте параллельно USB хотя-бы 4000мкФ х 6В. Иначе при включении одного зарядника, сбрасываются остальные из за сильной просадки по питанию.


    Схема одного из восьми каналов LIR2032/CR2032


    функциональный уровень:
    Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт
    электрическая схема:
    Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт


    Слева направо:



    • Ключ включения питания контроллера заряда (цепь ON1)

    • Контроллер заряда (микросхема MCP73831T)

    • Вывод статуса зарядки: в процессе заряда=GND или закончен=Z (цепь STAT1)

    • Вертикальный держатель батарейки

    • Делитель напряжения на 2 и датчик напряжения на ОУ (цепь ADC1)

    • Нагрузка 250 Ом, которая включается полевым транзистором (LOAD1)


    Про зарядку и контроллер заряда


    Заряжать Li-ion аккумуляторы необходимо в двух режимах:



    1. быстрый заряд в режиме константного тока;

    2. далее дозаряд в режиме константного напряжения.
      Для этого использован готовый контроллер заряда который умеет всё это делать — MCP73831T. Он используется как в тестере питания так и в целевом устройстве.


    Его характеристика заряда по времени:


    Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

    Также имеется два дополнительных вывода:



    1. Вывод #STAT — индикация что заряд в процессе, во время зарядки там GND, по окончанию он переходит в высокий импеданс. Обычно к нему подключают катод светодиода.

    2. Вывод #Prog — задаёт ограничение тока, для универсальности и зависит от простой формулы:
      Ireg = 1000V / Rprog;


    3. Плата


      Четырёхслойная, средние слои: земля и питание, внешние верх и низ — сигнальные.
      Зазоры и толщина дорожек по 0.2мм. Все резисторы 0805 рекомендую ставить с 1% точностью.
      Увеличение по клику
      Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт


      Результаты аккумуляторов LIR2032


      Вот график заряда и разряда, построен по логам тестера
      Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт


      В течении 64 циклов разряжал и заряжал 8 шт аккумуляторов и построил график того, как меняется средняя ёмкость у 8 аккумуляторов по мере накопления циклов и "износа".


      Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

      Далее, стало интересно, есть ли зависимость между измеренной ёмкостью и временем заряда или временем разряда. Для этого я взял накопленную статистику с 500+ рабочих и годных аккумуляторов:


      Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

      Оказалось что да, зависимость есть, но только по времени разряда на нагрузку.
      По времени заряда слишком косвенно. А при малых ёмкостях в пределах 25-30мА видно наступает таймаут минимального времени заряда у микросхемы зарядника — образовалась гор. полочка.


      Так же заметны две группы батареек: одна — новые фирменные EEMB с ёмкостью 34-40мА/ч, другие — тоже EEMB, но 13-ого года выпуска с ёмкостью 25-30 мА/ч. Вторую группу я случайно нашёл среди своих запасов пока делал статью и решил тоже прогнать и отдать на сборку годные.


      Сделал анимацию первых 65 измерений разных аккумуляторов:


      Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

      верхний график — напряжение в мВ, горизонтальная шкала времени шириной 16000 сек
      нижний график — скорость изменения верхнего графика в мкВ/сек.


      Результаты проверки 8 разных батареек CR2032


      Сразу предупреждаю, что тестер батареек не предназначен для CR2032. Они рассчитаны под разряд микроамперами и единицами миллиампер, притом и нагрузку менееьше 1 кОма не рекомендуют подключать. Но у меня есть дешевые китайские изделия где это нарушается, например, игрушки для детей и кошек с светодиодами. И я на помню, что именно в таком случае хуже всего себя показали фирменные батарейки, а дешевые ширпотребные хорошо.


      При желании, можно выпаять три из четырёх однокилоомных резисторов — для этого в плате нагрузка так и сделана. Или впаять другой вообще резистор побольше, например 10к. Если сообществу интересно, то могу заняться, но результаты будут Очень не скоро.


      Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

      Результаты сделал в виде таблицы по пороговым срезам, начиная с 2000 мВ до 2900 мВ с шагом в 100 мВ.
      Т.е. ёмкость в миллиамер-часах измерена так, если бы они разряжались до 2000 мВ, или 2100 мВ и тд до 2.9 В. Чем выше порог, тем меньше ёмкость.
      Единица измерения мА/ч.


      Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

      Зелёно-красный градиент индивидуален по каждому столбцу и независим от соседних столбцов.


      Да, действительно, простые и дешёвые батарейки типа ЭРА, megamag и Трофи, лучше в этой ситуации. Что и подтвердило мой прежний опыт их использования.
      Но ещё раз повторю — батарейки не обязаны выдавать такой ток!


      Часто батарейки CR2032 крепятся при помощи миниатюрных магнитов, например, в фитнес браслете misfit shine, и поэтому должны уметь хорошо магнитится. И да, действительно все 8 батареек притягиваются магнитом отлично.


      Итоги и про качество аккумуляторов


      Мне лично тестер понравился, очень удобно пользоваться. А цикл в 4 часа хорошо сочетается с личной жизнью — с утра поставил — в обед сменил следующий, после работы ещё раз все 8 шт поменял, и на ночь ещё 8 шт. Много времени не требуют, особенно если по терминалу не подключаться и лог не вести.


      Проблема с аккумуляторами была решена.
      Мы ранее покупали китайские "ноунейм" аккумуляторы, но они оказались почти 100% браком.
      На голову лучше себя повели фирменные от EEMB — у них стабильные параметры и брака 2-3%. А в некоторых палеттах из 50-40 шт ни одной бракованной. Также они отлично переживают долгое хранение в течении 3-4 лет, но процент брака повышается до 10%.


      Для сравнения скриншот первых 100 шт, где EEMB а где заказанные на алиэкспрессе думаю наглядно виден будет сразу.


      Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

      тут три партии: первые 40шт — новые EEMB, вторая — свежий "ноунейм" китай, последние 15 шт — EEMB три года лежали без использования. Заметно что даже немного деградировавшие 15 шт EEMB лучше китайских.


      Про технику безопасности



    4. Помните, что при коротком замыкании и батарейки и аккумуляторы ощутимо греются. Да, даже такие маленькие, маломощные и малоёмкие. Особенно, если работаешь с большим количеством, то не самая лучшая идея даже бракованные скидывать в одну кучу. Если Вы конечно не Креосан.

    5. Аккумуляторы плоские, так и хочется их взять стопкой, но даже в разряженном аккумуляторе напряжение 3-4В, а в стопке может достигать опасных 50-70В. Стопкой их складывать нельзя, даже бракованные. Если, конечно, не хотите стать ещё одним доказательством теории Дарвина.

    6. Китайские аккумуляторы часто вспухают и текут неприятной на запах жидкостью, от которой болит голова и чешутся пальцы. Если иметь дело с китайским ширпотребом, то перчатки и хорошо вентилируемое нежилое помещение обязательно.


    7. Заключение и ссылка на мой проект на гитхабе


      Я не хотел статью писать, т.к. думал, что раз тема IoT популярна на Хабре, то и про такие батарейки точно есть обзоры, но не нашел.


      Кстати, я ищу работу и на данный момент также принимаю разовые заказы на разработку или производство.


      Ссылка на проект гитхаба:
      https://github.com/Mirn/LIR2032_tester/
      Лицензия MIT, используйте на здоровье!
      Также я не против поговорить про опыт использования. И помочь советом.



      Источник: Хабрахабр

    Категория: Программирование

    Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
    Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

    Добавление комментария

    Имя:*
    E-Mail:
    Комментарий:
    Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
    Введите два слова, показанных на изображении: *