Монитор 500-А·ч LiFePO₄: INA228 видит то, что полностью скрывается на плоской кривой напряжения
На плато разряда LiFePO₄ изменение напряжения около 6 мВ соответствует 1% SoC, тогда как прежний монитор батареи 500 А·ч работал с квантованием 10 мВ. Новая система с внешним шунтом 375 мкОм интегрирует ток каждые 2 с и передаёт аварийные пороги в аппаратный компаратор INA228. Конструкция показывает, где заканчивается информативность графика напряжения и начинаются требования к топологии измерительной цепи.
В проекте мониторинга 12-В батареи LiFePO₄ на 500 А·ч применён 20-битный измеритель тока и мощности INA228 с внешним манганиновым шунтом 200 А / 75 мВ. Сопротивление шунта составляет 375 мкОм. Такое включение позволило перейти от накопления значений напряжения к coulomb counting: контроллер суммирует ток с периодом 2 с, а оценка SoC получает опору в измеренном переносе заряда.
Причина переделки видна по данным прежней установки. Shelly Plus Uni за 130 дней записал примерно 712 тысяч отсчётов напряжения, однако шаг квантования составлял 10 мВ. Для конкретной батарейной сборки на плоском участке разряда автор оценивает наклон около 6 мВ на 1% SoC. Дискретность измерителя превышает полезное изменение напряжения, поэтому один вольтметр не даёт устойчивой оценки текущего запаса энергии. Он также не фиксирует направление и величину потока мощности, потери на проводах и шинах, токи балансировки BMS.
В INA228 выбран диапазон шунтового входа ±163.84 мВ. По самому диапазону микросхемы шунт 375 мкОм допускал бы математический предел примерно ±437 А, но номинал внешнего шунта равен 200 А. Порог тревоги ±250 А, заданный в этой установке, следует трактовать как порог регистрации перегрузки: его безопасность при длительном токе определяется тепловой конструкцией конкретного шунта, сечением шин и контактами. Измерение напряжения батареи передаётся с шагом регистра 195.3125 мкВ; наблюдаемый автором шум около 0.10 мВ характеризует именно собранный узел и не является паспортной абсолютной точностью.
Штатный 15-мОмный шунт на breakout-плате INA228 удалён. Если оставить его на плате, он окажется параллельно внешнему 375-мкОмному элементу и разрушит калибровку. Съём напряжения со шунта выполнен отдельной Kelvin-парой, чтобы падение на силовых проводниках и переходных сопротивлениях не попадало в измерение. Шунт установлен в низкой стороне, поэтому вход VBUS подключён отдельным предохранённым проводом к положительной шине батареи. В такой топологии особое значение имеет единственная точка возврата: дополнительное заземление через подключённый USB или ПК способно создать обход шунта и занизить учтённый ток.
За вычисления и телеметрию отвечает XIAO ESP32-C3 с ESPHome; в узел добавлены DS18B20 и OLED. Критичная защита вынесена из сетевого контура. При старте прошивка записывает лимиты в регистры INA228: 12.20 В по пониженному напряжению, 14.80 В по повышенному, +250 и −250 А по току, 1500 Вт по мощности. Далее вывод ALERT аппаратно защёлкивается на отдельном GPIO, сохраняя реакцию при потере Wi‑Fi и Home Assistant.
Первый зафиксированный зарядный сеанс дал интеграл 115.39 А·ч и 1586 Вт·ч, а стадия absorption заняла 16.8 минуты. Эти величины описывают один эпизод заряда до принятой точки привязки, а не измеренную доступную ёмкость 500-А·ч банка. В этой системе привязка SoC задаётся напряжением от 14.20 В в течение 60 с и последующим отключением зарядника. Подход ограничивает дрейф интегратора, однако остаётся эксплуатационной эвристикой: её применимость зависит от температуры, алгоритма зарядника, BMS и параметров ячеек.
После установки шунта в данных проявились покоящееся потребление порядка −0.08 Вт, сопротивление силовой цепи и раздельные потери зарядника, инвертора и аккумулятора. Числа эффективности и внутреннего сопротивления пока относятся к одной сборке и ранней стадии ввода в эксплуатацию. Главный технический результат конструкции состоит в корректно разведённой измерительной базе: ток, напряжение, энергия и аварийные условия получают общую физическую точку отсчёта на шунте.