Višećelijsko praćenje napona litijeve baterije u električnim vozilima

Kilometraža i performanse električnog vozila ovise o kapacitetu i učinkovitosti njegove baterije. Za održavanje baterija u punom zdravstvenom stanju odgovoran je Sustav upravljanja baterijama (BMS). BMS je sofisticirana jedinica u EV koja obavlja puno aktivnosti poput nadzora stanica, uravnoteženja i čak zaštite od promjena temperature. Već smo to dovoljno naučili u ovom članku o sustavu upravljanja baterijama, pa provjerite jeste li ovdje novi.

Da bi bilo što učinili, prvi korak za BMS bio bi znati trenutno stanje ćelija u litijevoj bateriji. To se postiže mjerenjem napona i struje (ponekad i temperature) stanica u paketu. Samo s ove dvije vrijednosti BMS bi mogao izračunati SOC ili SOH i izvesti balansiranje ćelija itd. Dakle, mjerenje napona i struje ćelije je vitalno za bilo koji BMS krug, bilo da se radi o jednostavnoj bateriji napajanja ili bateriji prijenosnog računala ili tako kompliciranom paketu kao EV / Solarne baterije.

U ovom ćemo članku naučiti kako možemo izmjeriti pojedinačni napon ćelija u ćelijama koje se koriste u litijevoj bateriji. Za potrebe ovog projekta koristit ćemo četiri litijske 18650 ćelija povezane u seriju kako bismo oblikovali bateriju i dizajnirali jednostavni sklop pomoću optičkih pojačala za mjerenje pojedinih napona ćelija i prikaz na LCD zaslonu pomoću Arduina.

Mjerenje pojedinačnog napon ćelije u seriji baterija

Problem s mjerenjem pojedinačnog napon ćelije u paketu serijski spojenih baterija je taj što referentna točka ostaje ista. Ispod ilustrira isto

Radi jednostavnosti pretpostavimo da su sve četiri stanice na naponskoj razini od 4V, kao što je gore prikazano. Sada, ako ćemo koristiti mikrokontrolera kao Arduino za mjerenje stanica napona, mi ćemo imati problema u mjerenju napona od 1 ^-og ćeliji, budući da ima drugi kraj spojen na masu. Ali, za ostale stanice moramo izmjeriti napon te stanice zajedno s prethodnim stanicama, na primjer, kada izmjerimo napon 4. stanice, izmjerit ćemo napon sve četiri stanice zajedno. To je zato što se referentna točka ne može promijeniti s tla.

Stoga ovdje moramo uvesti neki dodatni krug koji bi nam mogao pomoći u mjerenju pojedinačnih napona. Na sirovi način je korištenje potencijalnog razdjelnika za mapiranje razina napona i zatim njihovo mjerenje, ali ova metoda će smanjiti razlučivost očitane vrijednosti na više od 0,1 V. Stoga ćemo u ovom vodiču koristiti diferencijalni krug Op-Amp za mjerenje razlike između svih stezaljki stanice za mjerenje pojedinačnog napona.

Diferencijalni krug za mjerenje pojedinačnog napona ćelije

Op-pojačalo već znamo kada radi kao diferencijalno pojačalo daje razliku između dviju vrijednosti napona koje pruža njegov invertirajući i neinvertirajući pin. Dakle, za našu svrhu mjerenja napona 4 stanice potrebna su nam tri diferencijalna pojačala kao što je prikazano u nastavku.

Imajte na umu da je ova slika samo za prikaz; stvarni sklop treba više komponenata i o tome će biti riječi kasnije u ovom članku. Prvi mjere onakve O1 napon 2 ^nd stanica izračunavanjem razlike između 2 ^drugom stanica terminala i 1 ^-og stanica terminal koji je (8-4). Slično Op-Amp O2 i O3 mjeri 3 ^rd i 4 ^th stanica napona respektivno. Nismo koristili op-amp za 1. ^st ćeliji, budući da može mjeriti izravno.

Kružni dijagram

Kompletna shema sklopa za praćenje višećelijskog napona u litijevoj bateriji data je u nastavku. Sklop je dizajniran pomoću EasyEDA-e, a mi ćemo ga koristiti i za proizvodnju naše PCB-a.

Kao što vidite, u našem krugu imamo dva četverokomponentna visokonaponska optička pojačala OPC4197 od željeznice do željeznice koja se napajaju ukupnim naponom paketa. Jedan IC (U1) koristi se za izradu međuspremničkog kruga aka sljedbenik napona, dok drugi IC (U2) služi za oblikovanje kruga diferencijalnog pojačala. Potreban je međuspremnik kako bi se spriječilo da se bilo koja od stanica učita pojedinačno, što znači da se iz jedne ćelije ne smije trošiti struja, već samo da čini paket u cjelini. Budući da međuspremnik ima vrlo visoku ulaznu impedansu, možemo koristiti za očitavanje napona iz ćelije, a da iz nje ne crpimo snagu.

Sva četiri opompojačala u IC U1 koriste se za puferiranje napona četiri ćelije. Ulazni naponi iz ćelija označeni su od B1 + do B4 +, a puferirani izlazni napon označen je od B1_Out do B4_Out. Ovaj napuferirani napon se zatim šalje na pojačalo diferencijala kako bi se izmjerio pojedinačni napon ćelije kako je gore raspravljeno. Vrijednost svih otpornika postavljena je na 1K jer je pojačanje diferencijalnog pojačala postavljeno na jedinicu. Možete koristiti bilo koju vrijednost otpora, ali svi bi trebali biti iste vrijednosti, osim otpornika R13 i R14. Ova dva otpora tvore potencijalni razdjelnik za mjerenje napona u bateriji kako bismo ga mogli usporediti sa zbrojem izmjerenih napona ćelije.

Tračnica do željeznice, visokonaponski op-amp

Gornji krug zahtijeva upotrebu visokonaponskog opcijskog pojačala od željeznice do željeznice poput OPA4197 iz dva razloga. Oba optičkog pojačala IC rade s naponom u paketu koji je maksimalni (4,3 * 4) 17,2 V, stoga bi Op-pojačalo trebalo biti sposobno za obradu visokih napona. Također, jer koristimo međuspremnički krug, izlaz odbojnika trebao bi biti jednak naponu paketa za stezaljku ^4. ćelije, što znači da bi izlazni napon trebao biti jednak radnom naponu op-pojačala, stoga moramo koristiti željeznicu za Željezničko op-pojačalo

Ako ne možete pronaći željezničko-željezničko opcijsko pojačalo, IC možete zamijeniti jednostavnim LM324. Ovaj IC može podnijeti visoki napon, ali ne može djelovati kao tračnica na tračnicu, pa na prvom pinu U1 Op-Amp IC morate koristiti povlačni otpor od 10 k.

Dizajn i izrada PCB-a pomoću Easy EDA

Sad kad je naš krug spreman, vrijeme je da se on izradi. Budući da je Op-Amp koji koristim dostupan samo u SMD paketu, morao sam izraditi PCB za svoj krug. Kao i uvijek, koristili smo mrežni EDA alat EasyEDA kako bismo izradili našu PCB, jer je vrlo prikladan za upotrebu jer ima dobru kolekciju otisaka i otvoren je izvor.

Nakon dizajniranja PCB-a, uzorke PCB-a možemo naručiti putem njihovih jeftinih usluga izrade PCB-a. Oni također nude uslugu nabave komponenata gdje imaju veliku zalihu elektroničkih komponenata, a korisnici mogu naručiti njihove potrebne komponente zajedno s narudžbom PCB-a.

Dok dizajnirate svoje sklopove i PCB-ove, također možete učiniti svoj dizajn kruga i PCB-a javnim, tako da ih drugi korisnici mogu kopirati ili uređivati ​​i imati koristi od vašeg rada, također smo za ovaj sklop učinili javnim cijeli raspored krugova i PCB-a, provjerite donja poveznica:

easyeda.com/CircuitDigest/Multicell-Voltage-measuring-for-BMS

Možete pregledati bilo koji sloj (gornji, donji, gornji dio dna, dno itd.) PCB-a odabirom sloja iz prozora "Slojevi". Nedavno su uveli i opciju 3D prikaza, tako da možete vidjeti i Multicell PCB za mjerenje napona, kako će izgledati nakon izrade pomoću gumba 3D View u EasyEDA-i:

Izračunavanje i naručivanje uzoraka putem interneta

Nakon završetka dizajna ovog kruga za mjerenje napona litijevih ćelija, PCB možete naručiti putem JLCPCB.com. Da biste PCB naručili od JLCPCB, potrebna vam je datoteka Gerber. Da biste preuzeli Gerber datoteke s PCB-a, samo kliknite gumb Generiraj fabričku datoteku na stranici EasyEDA uređivača, a zatim odatle preuzmite datoteku Gerber ili možete kliknuti na Naruči na JLCPCB kako je prikazano na donjoj slici. Ovo će vas preusmjeriti na JLCPCB.com, gdje možete odabrati broj PCB-a koje želite naručiti, koliko slojeva bakra trebate, debljinu PCB-a, težinu bakra, pa čak i boju PCB-a, poput snimke prikazane dolje:

Nakon klika na gumb za narudžbu na JLCPCB, odvest će se na web mjesto JLCPCB gdje možete naručiti bilo koju PCB u boji po vrlo niskoj cijeni koja iznosi 2 USD za sve boje. Njihovo vrijeme izrade također je vrlo manje, što je 48 sati s DHL-ovom isporukom od 3-5 dana, u osnovi ćete dobiti svoje PCB-ove u roku od tjedan dana od narudžbe. Štoviše, nude i popust od 20 USD na dostavu za vašu prvu narudžbu.

Nakon narudžbe PCB-a možete provjeriti napredak u proizvodnji PCB-a s datumom i vremenom. Provjerite je tako da odete na stranicu računa i kliknete na vezu "Proizvodni napredak" ispod PCB-a poput, prikazanog na donjoj slici.

Nakon nekoliko dana naručivanja PCB-a, dobio sam uzorke PCB-a u lijepom pakiranju kao što je prikazano na slikama ispod.

Nakon što se uvjerio da su tragovi i otisci stopala točni. Nastavio sam sa sastavljanjem PCB-a, koristio sam ženska zaglavlja za postavljanje Arduino Nano-a i LCD-a kako bih ih kasnije mogao ukloniti ako mi zatrebaju za druge projekte. Potpuno zalemljena ploča izgleda ovako dolje

Ispitivanje kruga za nadzor napona

Nakon lemljenja svih komponenata, jednostavno spojite bateriju na H1 konektor na ploči. Koristio sam se spojnim kabelima kako bih osigurao da ubuduće slučajno ne promijenim vezu. Pazite da ga ne spojite na pogrešan način jer bi to moglo dovesti do kratkog spoja i trajno oštetiti baterije ili strujni krug. Moja PCB s baterijom koju sam koristio za testiranje prikazana je u nastavku.

Sada upotrijebite multimetar na terminalu H2 za mjerenje pojedinačnih napona prodaje. Terminal je označen brojevima kako bi se identificirao napon ćelije koja se mjeri. Ovdje možemo zaključiti da krug radi. Da bismo ga učinili zanimljivijim, spojimo LCD i upotrijebimo Arduino za mjerenje tih vrijednosti napona i prikaz na LCD zaslonu.

Mjerenje napona litijevih stanica pomoću Arduina

Sklop za povezivanje Arduina s našom PCB-om prikazan je u nastavku. Pokazuje kako spojiti Arduino Nano na LCD.

Zatični zatik H2 na PCB-u trebao bi biti povezan s analognim pinovima Arduino ploče, kao što je gore prikazano. Analogni pinovi A1 do A4 koriste se za mjerenje napona četiri ćelije, dok je pin A0 spojen na zaglavljeni pin v 'na P1. Ovaj v 'pin može se koristiti za mjerenje ukupnog napona paketa. Također smo spojili 1 ^st pin P1 do Vin pin na Arduino i 3 ^III pin P1 o tlo pin Arduino na vlast Arduino s baterijom.

Možemo napisati program za mjerenje svih četiri napona ćelija i napon akumulatora i prikazati ga na LCD-u. Da bi bilo zanimljivije, dodao sam i sva četiri napona stanice i usporedio vrijednost s izmjerenim naponom paketa kako bih provjerio koliko zapravo mjerimo napon.

Programiranje Arduina

Kompletni program nalazi se na kraju ove stranice. Program je prilično jednostavan, mi jednostavno koristimo analognu funkciju čitanja da očitamo napone ćelije pomoću ADC modula i prikažemo izračunanu vrijednost napona na LCD-u pomoću LCD biblioteke.

float Cell_1 = analogRead (A1) * (5.0 / 1023.0); // Mjerenje lcd.print 1. ćelije ("C1:"); lcd.print (Cell_1);

U gornjem isječku izmjerili smo napon ćelije 1 i pomnožili ga s 5/1023 kako bismo pretvorili vrijednost ADC od 0 do 1023 u stvarnu 0 do 5V. Zatim izračunatu vrijednost napona prikazujemo na LCD-u. Slično to radimo za sve četiri ćelije i ukupni paket baterija. Također smo koristili varijablu ukupnog napona da zbrojimo sve napone ćelija i prikažemo ih na LCD-u kao što je prikazano dolje.

plutajuće Total_Voltage = Cell_1 + Cell_2 + Cell_3 + Cell_4; // Dodajte sve četiri izmjerene vrijednosti napona lcd.print ("Ukupno:"); lcd.print (ukupni_napon);

Pojedinačni prikaz napona ćelije radi

Kada ste spremni s krugom i kodom, prenesite ga na ploču Arduino i spojite banku napajanja na PCB. LCD bi sada trebao prikazati napon pojedinačnih ćelija sve četiri ćelije, kao što je prikazano dolje.

Kao što vidite, napon prikazan za ćelije od 1 do 4 je 3,78 V, 3,78 V, 3,82 V i 3,84 V. Tada sam pomoću multimetra provjerio stvarni napon ovih ćelija, za koje se ispostavilo da su malo drugačiji, razlika je navedena u nastavku.

Izmjereni napon	Stvarni napon
3,78 V	3,78 V
3,78 V	3,78 V
3,82 V	3,81V
3,84 V	3,82 V

Kao što vidite, dobivamo točne rezultate za stanice jedan i dva, ali postoji pogreška do 200 mV za stanice 3 i 4. To se najvjerojatnije očekuje za naš dizajn. Budući da koristimo sklop diferencijalnog op-amp pojačala, točnost izmjerenog napona opadat će kako se povećava broj stanica.

Ali ta je pogreška fiksna pogreška i može se ispraviti u programu uzimanjem uzorka očitanja i dodavanjem množitelja kako bi se pogreška ispravila. Na sljedećem LCD zaslonu također možete vidjeti zbroj izmjerenog napona i stvarnog napona paketa koji je izmjeren kroz razdjelnik potencijala. Isto je prikazano u nastavku.

Zbroj izmjerenih napona je 15,21 V, a stvarni napon izmjeren kroz A0 pin Arduino ispada 15,22 V. Tako je razlika 100mV što nije loše. Iako se ove vrste krugova mogu koristiti za manji broj taloga, kao što su banke napajanja ili baterije za prijenosnike. Električno vozilo BMS koristi posebnu vrstu IC-a poput LTC2943, jer ni greška od 100mV nije podnošljiva. Ipak, naučili smo kako to učiniti za male krugove gdje je cijena ograničenje.

Kompletan radni od set-up može se naći na video vezom u nastavku. Nadam se da vam se svidio projekt i naučili ste nešto korisno iz njega. Ako imate pitanja, ostavite ih u odjeljku za komentare ili koristite forume za brži odgovor.