Li-Ion ve Li-Pol Pil Kapasite Ölçer STM32

Taşınabilir cihazların yaygınlaşmasıyla birlikte 3.7V sınıfındaki tek hücreli Li-Ion ve Li-Pol pillerin gerçek kapasitesini görmek her zamankinden daha önemli hale geldi. Kâğıt üstünde 2500 mAh yazan bir pil, gerçek kullanımda çok daha düşük kapasite verebiliyor.

Özellikle ikinci el pil hücrelerinde, sökülmüş bataryalarda veya uzun süre beklemiş pillerde bunu anlamanın en doğru yolu kontrollü bir deşarj testi yapmaktır.

Bu projede anlatılan cihaz tam olarak bu işe odaklanıyor. Tek hücreli lityum pilleri kontrollü yük altında boşaltıyor, gerilimi izliyor, süreyi sayıyor ve pilin verdiği enerjiyi hem mAh hem de mWh cinsinden hesaplıyor. Üstelik test tamamlandıktan sonra şarj moduna geçerek kullanım tarafını da pratik hale getiriyor.

18650 gibi yaygın hücrelerle çalışanlar için bu tip bir ölçer, özellikle 18650 pil seçimi ve ayıklaması sırasında ciddi fayda sağlar.

Pil Kapasite Ölçer

Bir pilin sağlığını yalnızca boşta ölçülen voltajına bakarak anlamak çoğu zaman mümkün değildir. İç direnç ölçümü de fikir verir ama gerçek kapasiteyi doğrudan göstermez.

Asıl önemli olan, pilin belirli bir yük altında ne kadar süre enerji verebildiğidir.

Bu devre tam olarak bunu yapıyor: pili belli bir direnç yüküne bağlıyor, gerilimi izliyor ve enerji hesabını deşarj süreci boyunca topluyor.

Bu yaklaşım özellikle hobi projelerinde değerlendirilecek hücrelerin seçilmesinde çok işe yarar. Konuya genel çerçeveden bakmak isteyenler için Li-Ion, Li-Po ve LiFePO4 piller hakkında temel bilgiler de bu cihazın neyi ölçtüğünü daha iyi anlamayı kolaylaştırır.

Pil Kapasite Ölçer Devresinin çalışma mantığı

Sistemin merkezinde DD1 olarak gösterilen STM32F051K6 mikrodenetleyici yer alıyor. Bu mikrodenetleyici pil gerilimini ADC üzerinden ölçüyor, bağlı yükü seçiyor, süre sayaçlarını çalıştırıyor, LCD ekranı sürüyor ve mod geçişlerini kontrol ediyor.

Besleme tarafında LM1117-3.0 ile 5V girişten 3V elde ediliyor. Bu 3V hattı hem mikrodenetleyiciyi hem de I2C kontrollü LCD modülü besliyor. Ekran olarak 128×32 grafik LCD kullanılmış ve bağlantı I2C üzerinden yapılmış. R1 ve R2 burada hat çekme dirençleri olarak görev yapıyor.

Pilin şarja alınması ise ayrı bir mantıkla çözülmüş. Şemada görülen TC4056A tabanlı şarj modülü, tek hücreli Li-Ion/Li-Pol pilleri 4.2V seviyesine kadar şarj etmek için kullanılıyor.

Şarj yolunun açılıp kapanması, VT1 olarak gösterilen IRLML6402 P-kanal MOSFET ile kontrol ediliyor. Deşarj yükleri ise VT2 ve VT3 olarak gösterilen IRLML2502 MOSFET’lerle anahtarlanıyor.

Şemadaki ana bloklar ne yapıyor?

Devreyi dört parçaya ayırınca anlamak daha kolay oluyor.

• Güç ve regülasyon bölümü: 5V girişten 3V üretiliyor. Mikrodenetleyici ve ekran bu hattan besleniyor.
• Ölçüm bölümü: Pil gerilimi R8 ve R10 bölücüsü üzerinden ADC girişine taşınıyor.
• Deşarj yükü bölümü: R3 ve R4 dirençleri, MOSFET’ler üzerinden seçilerek pile kontrollü yük uygulanıyor.
• Şarj bölümü: TC4056A modülü ve VT1 MOSFET, pilin otomatik olarak şarja alınmasını sağlıyor.

Buradaki önemli tasarım tercihi şu: Devrede klasik anlamda bir akım şöntü kullanılmıyor. Akım doğrudan ölçülmüyor; bunun yerine pil gerilimi ölçülüyor ve bağlı yük direnci bilindiği için yaklaşık akım hesaplanıyor. Bu da devreyi sadeleştiriyor ama doğruluğu, yük dirençlerinin gerçek değerine ve ısındıkça ne kadar değiştiğine bağlı hale getiriyor.

Yük seçenekleri ve yaklaşık akım değerleri

Butona çift basıldığında üç farklı yük seviyesi seçilebiliyor. Şemadaki R3 ve R4 bunun için kullanılmış.

Bu tablo bize cihazın neden faydalı olduğunu da gösteriyor. Aynı pili farklı akımlarda test edip gerçek kullanım senaryosuna daha yakın sonuç almak mümkün oluyor. Mesela düşük akımda iyi görünen bir hücre, daha yüksek yük altında beklenenden hızlı düşebilir.

mAh ve mWh birlikte neden gösteriliyor?

Pil testlerinde çoğu kişi sadece mAh değerine bakıyor. Oysa mAh tek başına her zaman yeterli değildir. Çünkü pil gerilimi deşarj boyunca sabit kalmaz. Bu yüzden mWh değeri, pilin gerçekte ne kadar enerji verdiğini daha anlamlı biçimde gösterir.

Bu cihazın güzel tarafı burada ortaya çıkıyor. Yazılımdaki algoritma belirli aralıklarla pil gerilimini örnekliyor, seçili yükten akan akımı hesaplıyor ve zamanla birlikte enerjiyi topluyor.

Böylece sadece kapasite değil, kullanım açısından daha kıymetli olan enerji bilgisi de elde ediliyor. Benzer ölçüm yaklaşımını sevenler için pil kapasite ölçer projeleri de ilham verici olabilir.

Ekranda hangi bilgiler gösteriliyor?

Ekran düzeni oldukça kullanışlı. Görsellerden ve açıklamadan anlaşıldığı kadarıyla kullanıcı aynı anda birkaç önemli bilgiyi görebiliyor:

• Pil gerilimi
• Seçili yüke göre yaklaşık akım
• Deşarj süresi
• Şarj süresi
• Birikmiş mAh değeri
• Birikmiş mWh değeri
• Çalışma modu
• Yazılım sürümü

Zaman bilgisi gün/saat:dakika:saniye biçiminde tutulduğu için uzun testlerde de ekran anlamını kaybetmiyor. Bu da özellikle düşük akımda yapılan kapasite testlerinde kullanışlı bir ayrıntı.

Buton ve LED işlevleri

Cihazda tek tuşla birden fazla işlev çözümlenmiş. Kısa basma ile şarj ve deşarj modları arasında geçiş yapılıyor. Çift basma ile deşarj yükü seçiliyor. Uzun basma ise aktif modun sayaçlarını sıfırlıyor. Bu tarz tek tuşlu kontrol, gömülü sistemlerde sık kullanılan ama düzgün yazılım gerektiren bir yöntemdir.

LED tarafı da sade tutulmuş. Hızlı yanıp sönme deşarjı, yavaş yanıp sönme şarjı, sabit yanma ise şarjın tamamlandığını gösteriyor. Bu sayede ekrana bakmadan da temel durum anlaşılabiliyor.

Pratikte en önemli nokta: doğruluk ve sınırlar

Bu cihaz laboratuvar tipi profesyonel bir batarya analizörü değil. Zaten tasarım yaklaşımı da buna zorlamıyor. Hızlıca kurulabilecek, iş gören ve gerçek kullanım için yeterince anlamlı sonuç veren bir cihaz hedeflenmiş. Bu yüzden bazı sınırlamaları baştan bilmek gerekir.

Birincisi, akım doğrudan ölçülmediği için sonuçlar yük dirençlerinin gerçek değerine bağlıdır. R3 ve R4 ısındıkça dirençleri az da olsa değişebilir. Özellikle 10 ohm ve 20 ohm yüklerin uzun testlerde ısınması doğaldır. Bu yüzden daha iyi doğruluk isteniyorsa düşük toleranslı ve sıcaklık katsayısı daha iyi dirençler kullanmak mantıklıdır.

İkincisi, cihaz pil testini 2.7V alt kesiminde sonlandırıyor. Bu değer birçok tek hücreli lityum pil için kullanılabilir olsa da, farklı kaynaklarda 3.0V veya 2.8V gibi başka sonlandırma değerleriyle de karşılaşılabilir. Yani bu cihazla bulunan kapasiteyi başka test cihazlarıyla karşılaştırırken, alt kesme geriliminin aynı olup olmadığına bakmak gerekir.

Üçüncüsü, şarj bölümü tek hücreli lityum piller içindir. TC4056A tabanlı yapı nedeniyle cihazı 2S, 3S gibi çok hücreli paketler için kullanmak uygun değildir.

Şemadaki bileşenler hakkında kısa notlar

STM32F051K6 bu iş için isabetli bir seçim. ADC, zamanlayıcı ve I2C gibi gerekli çevre birimlerini tek gövdede sunuyor. İç osilatörle çalıştırılması devreyi sade tutuyor.

LM1117-3.0 düşük sayıda elemanla 3V elde etmek için kolay bir çözüm. Ancak giriş 5V, çıkış 3V olduğu için regülatör üzerinde bir miktar ısı oluşabilir. Tüketim düşük olduğu için büyük sorun beklenmez ama çok sıkışık kutularda yine de dikkate alınmalı.

IRLML2502 gibi lojik seviye MOSFET’lerin yük anahtarlamada kullanılması doğru tercih. 3V civarında sürülebilmeleri sayesinde STM32 ile doğrudan kontrol edilebiliyorlar. IRLML6402 ise şarj yolunu üst taraftan açıp kapatmak için uygun bir P-kanal MOSFET çözümü sunuyor.

Montaj ve kullanımda dikkat edilmesi gerekenler

• Yük dirençlerini rastgele seçmeyin. Ölçüm doğruluğu büyük ölçüde burada belirleniyor.
• Dirençlerin güç değerini küçümsemeyin. Özellikle uzun testlerde ciddi ısınma olabilir.
• Tek hücreli pil dışında kullanmayın. 1S Li-Ion ve Li-Pol için tasarlanmış yapı daha yüksek paketlere uygun değildir.
• Yazılım değişikliği gerekebilir. Farklı ekran, farklı mikrodenetleyici ya da farklı yük direnci kullanılacaksa kaynak kodun buna göre düzenlenmesi gerekir.
• Kutu içinde hava akışı düşünün. Deşarj sırasında yük elemanları ve MOSFET çevresi ısınabilir.

Bu tip projeler sadece bir test cihazı yapmak için değil, aynı zamanda ADC ölçümü, MOSFET anahtarlama, pil şarj yönetimi ve gömülü yazılım tarafını bir arada görmek için de öğreticidir. Benzer projelerle ilgilenenler için elektronik ölçü aletleri tarafı ayrıca güzel bir çalışma alanıdır.

Genel değerlendirme

Bu tasarım, tek hücreli Li-Ion ve Li-Pol pillerin gerçek kapasitesini görmek için sade ama akıllıca düşünülmüş bir çözüm sunuyor.

Şarj ve deşarjı tek cihazda toplaması, üç farklı yük seçeneği vermesi, sonucu hem mAh hem mWh olarak göstermesi ve STM32 ile esnek yazılım yapısına sahip olması en güçlü tarafları.

Hızlıca kurulabilecek, gerçekten işe yarayan ve atölyede sürekli kullanılabilecek bir “hafta sonu projesi” örneği denebilir.

Özellikle elinizde çok sayıda 18650 hücre varsa, bunları ayıklamak, eşleştirmek veya ikinci ömür projelerinde kullanmadan önce test etmek için böyle bir cihaz fazlasıyla işe yarar.

Üstelik şema sade olduğu için istenirse daha sonra akım şöntü eklenerek veya farklı cutoff seviyeleri yazılımla tanımlanarak daha da geliştirilebilir.

Kaynak: cxem.net/izmer/izmer203.php