IL TEST JIG PER LA BATTERIA DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE

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1 IL TEST JIG PER LA BATTERIA DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE

2 INDICE 1. Introduzione Lista delle abbreviazioni Requisiti e architettura del test jig batteria I compiti del test jig batteria Le Interfacce del test jig batteria Lo schema a blocchi del test jig batteria I dettagli del progetto Il funzionamento Realizzazione

3 1. Introduzione Questo documento descrive l architettura, le caratteristiche di dettaglio, lo schema elettrico, la costruzione ed il montaggio del test jig per la batteria del Dimostratore Tecnologico. Lo schema che verrà seguito in questo documento segue un approccio che in inglese viene definito top-down ovverosia dall alto verso il basso, cioè parte dalla descrizione generale dell architettura per scendere via via nei particolari del progetto e quindi della realizzazione pratica, con schemi funzionali ed elettrici, disegni, e fotografie. 2. Lista delle abbreviazioni C Gradi Centigradi, unità di misura della temperatura A Unità di misura della intensità di corrente elettrica, secondo il Sistema Internazionale µa microampere, corrisponde ad un milionesimo di Ampere DC o CC Direct Current, Corrente Continua DTB Dimostratore Tecnologico di Base DTS Dimostratore Tecnologico Satellitare. I/O Input/Output, Ingresso/Uscita. La funzione ed i circuiti di un computer per gestire i dati in ingresso e in uscita BCR Battery ChaRger RS232 Protocollo seriale standard DUT Device Under Test A/D Conversione Analogico/Digitale Ω Ohm, unità di misura della resistenza elettrica, secondo il Sistema Internazionale ASCII American Standard Code for Information Interchange CAD Computer Aided Design PC Personal Computer BCD Binary Coded Decimal V Volt: unità di misura della differenza di potenziale elettrico, secondo il Sistema Internazionale 3

4 3. Requisiti e architettura del test jig batteria Il test jig batteria ha la funzione di testare la batteria effettuando cicli di carica e scarica; per svolgere tale compito sfrutta le capacità e la flessibilità di un microcontrollore. Le azioni intraprese dal microcontrollore sono eseguite mediante il controllo di un programma software residente nel dispositivo stesso. 3.1 I compiti del test jig batteria I compiti affidati al test jig batteria sono i seguenti: eseguire e monitorare lo stato della batteria durante la fase di carica; eseguire e monitorare lo stato della batteria durante la fase di scarica lenta; eseguire e monitorare lo stato della batteria durante la fase di scarica veloce. 3.2 Le Interfacce del test jig batteria Il termine interfaccia viene usato molto frequentemente, e non solo in ambito tecnico, per indicare le modalità di incontro e di scambio di informazioni fra due o più entità, in genere simili. In campo elettronico ed informatico, con il termine interfaccia e con il relativo verbo interfacciare si indica la modalità fisica e logica con la quale due o più dispositivi vengono collegati, in modo che lo scambio di dati avvenga correttamente. Il test jig si interfaccia con il personal computer attraverso cavo seriale standard RS232 (Figura 1). La batteria e il carica batteria vengono connessi attraverso due connettori jack per alimentazione: jack da 2.1 mm per la connessione del carica batteria; jack da 2.1 mm per la connessione della batteria. 4

5 Figura 1 - Le interfacce del test jig batteria Analizziamo la Figura 1: alla sinistra del test jig troviamo il personal computer, che, attraverso l applicazione HyperTerminal, consente di monitorare lo stato della batteria; alla destra troviamo il BCR (Battery ChaRger o carica batteria), che rappresenta la sorgente di energia in fase di carica della batteria; sempre alla destra troviamo la batteria che rappresenta il dispositivo da testare (DUT Device Under Test). Inoltre sono presenti: dei LED di servizio; un jack da 2.5 mm (sul retro dell unità) per alimentare il sistema (12V con positivo centrale); un interruttore (disposto sul retro) per l accensione e spegnimento dell unità. 3.3 Lo schema a blocchi del test jig batteria Nell architettura del test jig, riportata in Figura 2, si distinguono tre blocchi funzionali: il circuito per l acquisizione della telemetria di corrente; il circuito per l acquisizione della telemetria di tensione; il circuito di interfaccia seriale standard RS232. 5

6 Interfaccia seriale RS232 microcontrollore Telemetria tensione Telemetria corrente Figura 2 - Lo schema a blocchi del test jig batteria Il circuito di acquisizione della tensione batteria e carica batteria consiste in un partitore resistivo dimensionato opportunamente al fine di non danneggiare il circuito di ingresso del convertitore A/D. Il circuito di acquisizione della corrente batteria e carica batteria utilizza due sensori di corrente INA198 posti in antiparallelo al fine di misurare sia la corrente di carica che quella di scarica. Il circuito di interfaccia seriale consente di inviare le telemetrie di tensione e corrente acquisite verso il personal computer al fine di visualizzarle su schermo tramite l applicazione HyperTerminal. 4. I dettagli del progetto La Figura 3 mostra lo schema elettrico del partitore resistivo costituito dalle resistenze R5 ed R6 utilizzato per rilevare la tensione della batteria. In particolare, indicando con Vb la tensione in uscita dalla batteria, la tensione all ingresso del convertitore A/D presente all interno del PIC (Vo) sarà: V o = V b R6 R5 + R6 La scelta dei valori delle resistenze si basa sui parametri di targa dei della batteria presa in considerazione. La tensione massima disponibile è di circa 16.8V (batteria carica) mentre la 6

7 corrente massima, durante il ciclo di carica, è di 5A. Fissando una corrente di 100µA nella serie formata da R5 ed R6, si ottiene un valore complessivo di resistenza pari a: 16.8V Rs = = 168KΩ 100µ A A questo punto, tenendo presente che la tensione massima ammissibile in ingresso al convertitore è di 5V, il valore della resistenza R6 è dato da: 5V R6 = = 50KΩ 100µ A Si è scelto il valore commerciale di 39KΩ per R6 e il valore di 100KΩ per R5. La capacità di 220nF in parallelo alla resistenza R6 consente di filtrare il segnale con una frequenza di taglio pari a: f 1 = Hz c 2 C R 15 π 1 2 Figura 3 - Lo schema elettrico del test jig batteria La commutazione della batteria sui carichi o sul carica batteria avviene mediante tre relè indicati nello schema di Figura 4 come K1, K2 e K3 pilotati, rispettivamente, dalle linee RA2, RA1 e RA0. In condizioni di riposo tutti i relè si trovano nella posizione 12 e la batteria è connessa in circuito aperto. Quando la batteria viene messa in carica il contatto K1 viene portato nella posizione 14 chiudendo il circuito verso il carica batteria. Quando la batteria viene messa in scarica il contatto K1 viene spostato nella posizione 12, mentre il contatto K2 viene portato nella posizione 14. La scarica lenta e veloce viene impostata mediante il contatto K3 che viene portato, rispettivamente, nella posizione 12 o 14. 7

8 Figura 4 - Commutazione della batteria sui carichi Per la misura della corrente di carica/scarica si fa uso di due sensori di corrente della Texas Instruments. Per la misura della corrente di carica si fa uso di un IC INA196, mentre per la corrente di scarica si fa uso di un IC INA198. Entrambi i sensori di corrente vengono collegati in parallelo ad una resistenza di shunt rispettando la polarità relativa alla carica e alla scarica della batteria. In uscita (pin 1 dei sensori di corrente) si ottiene un valore di tensione che è proporzionale alla corrente assorbita dal carico o fornita dal carica batteria: V o = G R s I s dove G rappresenta il guadagno dei sensori di corrente e vale 20 per l INA196 e 100 per l INA198. La resistenza di shunt (R7 nello schema) vale 0.05Ω ed essendo la massima corrente di carica pari a 5A, la massima tensione in uscita dell INA196 è data da: V charg e = = 5 Per quanto riguarda la scarica della batteria, sono previste due modalità: Scarica lenta su un carico da 82Ω Scarica veloce su un carico da 18Ω Essendo la tensione nominale della batteria pari a 15V, la corrente nei due casi vale: V 15 I slow = 183mA I fast = 833mA 18 Le tensioni in uscita al sensore di corrente INA198 saranno dunque: V slow = = V

9 V fast = = V Acquisiti i valori delle tensioni in uscita ai sensori di corrente, le correnti di carica/scarica sono date da: I charge Vcharg e = = V charge Vslow V I slow = = slow V fast V I fast = = Per quanto riguarda le potenze in gioco, poiché la corrente massima che scorre in R7 è pari a 5A, la potenza dissipata in R7 è pari a 1.25W, per cui si sceglie una resistenza commerciale da 0.05Ω/3W. Per i carichi relativi alla scarica lenta e veloce, si ha: 2 Pslow = Rslow I slow 2. 75W 2 Pfast = R fast I fast 12. 5W Si scelgono i valori commerciali di 82Ω/6W per la scarica lenta e 18Ω/25W per la scarica veloce. All interno del PIC è presente un firmware il quale coordina le varie operazioni e gli I/O proveniente dall interfaccia seriale tramite il software HyperTerminal. Essendo il convertitore A/D a 10 bit, il passo di quantizzazione è dato da: 5V q = = mV 1024 E stato quindi necessario implementare delle operazioni di moltiplicazione e divisione in virgola fissa con operandi a 16 bit nonché operazioni di conversione binario/bcd e BCD/ASCII per la visualizzazione su terminale. La Figura 5 mostra la rappresentazione adottata, con 6 bit per la parte intera e 10 per la parte frazionale. fast 9

10 Figura 5 - Rappresentazione in virgola fissa a 16 bit Il motivo di tale scelta viene espletato qui di seguito. Come indicato in precedenza, le tensione fornita dal partitore di ingresso (R5,R6) sull ingresso del convertitore è data: V ADC = V p R 5 R6 + R 6 La tensione in uscita al pannello è data da: V p = V ADC E quindi necessario moltiplicare per la costante: k r = R 5 + R R 6 R5 + R R6 6 6 = Poiché il campionamento è a 10 bit, la costante di moltiplicazione diventa: k 5 k ADC * k = = = r Al fine di aumentare la precisione del calcolo e ottenere, in secondo luogo, il valore della corrente direttamente in ma, si considera anche un fattore 1000 per cui k= Per ottenere la tensione fornita dalla batteria è dunque necessario moltiplicare il valore campionato dall A/D per la costante k. A titolo di esempio viene riportata la rappresentazione binaria in virgola fissa della costante k (0x459C esadecimale): Per la parte intera, partendo dal primo bit a sinistra del punto si ha: I = mentre per la parte frazionale, partendo dal primo bit a destra del punto, si ha: 10 2 =

11 F = = che rappresenta un ottima approssimazione della costante k calcolata in precedenza. 5. Il funzionamento Le procedure da seguire per l utilizzo del test jig batteria sono: connettere la batteria all unità; connettere il carica batteria all unità; connettere l'unità alla porta RS232; avviare sul computer il programma Hyper Terminal (e settarlo correttamente come da istruzioni). Hyper Terminal è presente di default su qualsiasi PC con Windows XP; alimentare l'unità; utilizzare l interruttore ON/OFF per l accensione del sistema. Attraverso Hyper Terminal è possibile inviare comandi e/o ricevere i dati relativi alle acquisizioni della tensione e corrente misurate sul pannello solare. E necessario controllare alcune impostazioni prima di avviare l acquisizione dai pannelli solari. Occorre, prima di tutto, creare e dare nome alla connessione come mostrato nella Figura 6. Figura 6 - Impostazioni nuova connessione 11

12 Cliccando su OK compare la finestra mostrata nella Figura 7 dove è possibile selezionare la porta COM alla quale il test jig è connesso. Figura 7 - Impostazione porta COM Dopo aver cliccato nuovamente su OK compare la schermata di Figura 8 dove è necessario impostare i parametri come segue: bit per secondo: 9600; bit di dati: 8; parità: nessuno; bit di stop: 1; controllo flusso: nessuno. Figura 8 - Impostazione parametri porta di comunicazione 12

13 Cliccando su OK la connessione è pronta per ricetrasmissione dei dati con il test jig batteria. Seguendo le indicazioni mostrate nella Figura 9, affinché i comandi vengano gestiti in modo corretto, bisogna selezionare il ritorno a capo nelle impostazioni ASCII. Figura 9 - Impostazioni ASCII HyperTerminal La Figura 10 mostra il diagramma di flusso del test jig. La parte iniziale consente di verificare lo stato attuale della batteria ovvero, se la batteria è carica o scarica. Per quanto riguarda lo stato di carica, si collega il carica batteria e si verifica che la corrente trasferita sia inferiore a 150mA. Per lo stato di scarica invece, si verifica che la tensione della batteria sia inferiore a 11,2V. A questo punto si entra nel menù principale dove è possibile selezionare tre opzioni: modalità carica/scarica automatica (lettera Q ); ciclo di carica della batteria (lettera C ); scarica lenta della batteria (lettera Z ); scarica veloce della batteria (lettera X ). Premendo la lettera C della tastiera passa al diagramma di flusso illustrato in Figura 11 relativo al ciclo di carica della batteria. In queste condizioni la batteria viene collegata al carica batteria e viene segnalata l operazione attraverso un led luminoso giallo (continuo 13

14 per carica a corrente costante, intermittente per quella a tensione costante). Si passa così al sub menù relativo al ciclo di carica della batteria dove è possibile scegliere fra due opzioni: avvio acquisizione tensione e corrente batteria (lettera A ); ritorno al menù principale (lettera R ). Ad ogni ciclo viene verificato lo stato di carica della batteria; nel caso in cui risultasse carica il loop viene interrotto e il programma ritorna al menù principale. 14

15 Figura 10 - Diagramma di flusso del test jig batteria La carica della batteria viene indicata attraverso l accensione di un led di colore verde. Il diagramma di flusso per i cicli di scarica lenta e veloce della batteria sono pressoché identici tranne per il fatto che la batteria viene collegata su carichi resistivi differenti (82Ω per la scarica lenta, 18Ω per scarica veloce). Per completezza vengono riportati nella Figura 12 e nella Figura

16 Figura 11 - Diagramma di flusso relativo al ciclo di carica della batteria 16

17 Start Batteria in scarica lenta Segnala scarica lenta (LED giallo) V bat 11.2V? Segnala batteria scarica (LED rosso) Input=r? Input=a? Acquisisci tensione e corrente V bat 11.2V? Segnala batteria scarica (LED rosso) Input=s? Figura 12 - Diagramma di flusso relativo alla scarica lenta della batteria 17

18 Start Batteria in scarica veloce Segnala scarica veloce (LED giallo) V bat 11.2V? Segnala batteria scarica (LED rosso) Input=r? Input=a? Acquisisci tensione e corrente Vbat 11.2V? Segnala batteria scarica (LED rosso) Input=s? Figura 13 - Diagramma di flusso relativo alla scarica veloce della batteria 18

19 Infine, per quanto riguarda la modalità automatica, premendo la lettera Q è possibile selezionare tre opzioni: esecuzione scarica lenta dopo il primo ciclo di carica (lettera Z ); esecuzione scarica veloce dopo il primo ciclo di carica (lettera X ); avvio modalità automatica (lettera A ); ritorno al menù principale (lettera R ). La selezione della modalità di scarica dopo il primo ciclo di carica viene indicata da un breve flash del led giallo presente sul pannello. E possibile interrompere in qualsiasi momento la modalità di acquisizione automatica premendo la lettera S. 19

20 Modalità automatica Start Modalità automatica Input=z? Seleziona scarica lenta Input=x? Seleziona scarica veloce Input=r? Input=a? I bat 150mA? Batteria in carica Batteria in scarica lenta/veloce Figura 14 - Diagramma di flusso modalità automatica 20

21 Quando viene acceso il test jig, compare la schermata di Figura 15, la quale illustra una breve introduzione sui comandi disponibili. Seguendo il diagramma di flusso, ci si trova sul nodo di connessione subito dopo lo start. Figura 15 - Schermata iniziale A questo punto è possibile scegliere se acquisire 1 la tensione e la corrente: in carica (lettera C ); in scarica lenta (lettera Z ); in scarica veloce (X). E possibile selezionare anche la modalità automatica mediante la quale si eseguono cicli continui di carica e scarica alternati. A questo punto di entra nel sub-menù relativo al comando selezionato. Un led indicherà quale dei comandi è stato selezionato. L esempio di Figura 16 mostra la schermata relativa alla pressione del tasto X (scarica veloce). 1 L implementazione software è case-insensitive per cui è possibile inviare i comandi con caratteri minuscoli o maiuscoli indifferentemente. 21

22 Figura 16 - Schermata relativa alla scarica lenta della batteria Digitando A sulla tastiera, ha inizio l acquisizione in maniera automatica della tensione e corrente con un campionamento per minuto. Per interrompere l acquisizione è necessario digitare la lettera S, mentre per ritornare al menù principale basta digitare R. Per salvare i dati acquisiti su un file di testo basta attivare la funzione Capture text come indicato nella Figura 17. Figura 17 - Funzione cattura testo Verrà chiesto il nome e il percorso del file nel quale salvare i dati di acquisizione. A questo punto è possibile far partire l acquisizione premendo il tasto A sulla tastiera. I dati campionati vengono riportati nella schermata di HyperTerminal come in Figura

23 Figura 18 - Uso di HyperTerminal per l'acquisizione dei dati Questi valori vengono salvati nel file *.txt settato in precedenza una volta fermata l acquisizione col tasto S e la cattura dei dati come mostrato nella Figura 19. Figura 19 - Arresto della funzione cattura testo A questo punto è possibile processarli con qualsiasi programma, come ad esempio Excel. Apriamo Excel e importiamo il file TXT selezionando dal menu Tipo file l estensione *.txt (file di testo). 23

24 Figura 20 - Importazione del file txt su un foglio di calcolo Figura 21 - Formattazione dei dati Figura 22 - Formattazione dei dati, separatore di colonne 24

25 Figura 23 - Tabella nel foglio di calcolo A questo punto è possibile estrapolare un grafico dai dati campionati selezionandone il tipo come mostrato nella Figura 24. Figura 24 - Finestra per la selezione del tipo di grafico 25

26 La Figura 25 mostra l andamento della tensione nel tempo durante la scarica veloce, mentre la Figura 26 mostra l andamento della corrente nelle stesse condizioni. Figura 25 Curva della tensione durante la scarica veloce Figura 26 Curva della corrente durante la scarica veloce 26

27 6. Realizzazione Il test jig batteria trova posto su di un circuito stampato, la cui disposizione è mostrata nella Figura 27 e Figura 28 che seguono, tratte dal progetto eseguito tramite un programma CAD tridimensionale. La Figura 27 mostra la parte superiore. Figura 27 - Circuito stampato del test jig batteria, parte superiore Si possono notare: 1. sulla sinistra le due resistenze di carico per la scarica lenta e veloce; 2. in alto a sinistra i led di segnalazione scarica lenta, scarica veloce, carica e scheda alimentata; 3. in basso a destra, il connettore seriale a nove pin e il relativo circuito di interfaccia; 4. nella parte centrale i tre relè per la commutazione sui carichi o sul carica batteria con i relativi componenti di controllo; 5. a destra, il microcontrollore per l acquisizione e l invio delle telemetrie sull interfaccia seriale; 6. in alto a destra, i sensori di corrente insieme ai connettori per il collegamento del carica batteria e della batteria. 27

28 Nella Figura 28 è mostrata la parte inferiore dello stesso circuito, dove è possibile notare la presenza di un regolatore lineare. Figura 28 - Circuito stampato del test jig batteria, parte inferiore Infine, la Figura 29 mostra la scheda reale del test jig batteria. Figura 29 - Circuito elettronico del test jig batteria 28

29 Documento: Il test jig per la batteria del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS) Testi: Michele Marino Illustrazioni: Michele Marino 29