Monitorovanie napätia viacerých článkov pre lítiovú batériu v elektrických vozidlách

Kilometre a výkon elektrického vozidla závisia od kapacity a účinnosti jeho akumulátora. Za udržanie úplného zdravia batérie je zodpovednosťou systému správy batérií (BMS). BMS je sofistikovaná jednotka v EV, ktorá vykonáva veľa činností, ako je sledovanie buniek, ich vyváženie a dokonca ich ochrana pred zmenami teploty. V tomto článku o systéme správy batérií sme sa toho už dosť naučili, takže si ich môžete skontrolovať, ak ste tu noví.

Prvým krokom pre BMS je urobiť všetko, aby ste poznali aktuálny stav článkov v lítiovej batérii. To sa vykonáva meraním napätia a prúdu (niekedy aj teploty) článkov v balení. Iba s týmito dvoma hodnotami mohla BMS vypočítať SOC alebo SOH a vykonať vyvažovanie článkov atď. Meranie napätia a prúdu článku je preto nevyhnutné pre akýkoľvek obvod BMS, či už ide o jednoduchú batériu alebo batériu notebooku alebo také zložité balenie ako EV / Solárne batérie

V tomto článku sa dozvieme, ako môžeme merať napätie jednotlivých článkov článkov použitých v lítiovej batérii. V rámci tohto projektu použijeme štyri lítiové články typu 18650 zapojené do série na vytvorenie akumulátora a návrh jednoduchého obvodu pomocou operačných zosilňovačov na meranie napätia jednotlivých článkov a jeho zobrazenie na obrazovke LCD pomocou technológie Arduino.

Meranie napätia jednotlivých článkov v sérii batérií

Problém s meraním napätia jednotlivých článkov v súprave batérií zapojených do série je ten, že referenčný bod zostáva rovnaký. To isté ilustruje nasledujúci obrázok

Pre jednoduchosť predpokladajme, že všetky štyri články sú na úrovni napätia 4 V, ako je to znázornené vyššie. Teraz, ak budeme používať mikrokontroléra ako Arduino pre meranie napätia článku, budeme mať žiadny problém pri meraní napätí 1 ^st bunky, pretože má druhý koniec je pripojený k zemi. Ale pre ostatné články musíme merať napätie tohto článku spolu s predchádzajúcimi článkami, napríklad keď meriame napätie 4. článku, zmeriame spolu napätie všetkých štyroch článkov. Je to z toho dôvodu, že referenčný bod nemožno zmeniť od zeme.

Musíme tu teda zaviesť nejaký extra obvod, ktorý by nám mohol pomôcť zmerať jednotlivé napätia. Surovým spôsobom je použiť delič potenciálov na zmapovanie úrovní napätia a ich následné zmeranie, ale táto metóda zníži rozlíšenie načítanej hodnoty na viac ako 0,1 V. Preto v tomto tutoriále použijeme Op-Amp Differential Circuit na meranie rozdielu medzi svorkami každej bunky na meranie individuálneho napätia.

Diferenciálny obvod na meranie napätia jednotlivých článkov

Op-Amp už poznáme, keď pracujeme ako diferenciálny zosilňovač, ktorý dáva rozdiel medzi dvoma hodnotami napätia poskytovanými jeho invertujúcemu a neinvertujúcemu kolíku. Pre náš účel merania 4-článkových napätí potrebujeme tri diferenciálne operačné zosilňovače, ako je uvedené nižšie.

Upozorňujeme, že tento obrázok slúži iba na znázornenie. skutočný obvod vyžaduje viac komponentov a bude sa o ňom diskutovať ďalej v tomto článku. Prvý operačný zosilňovač O1 meria napätie na 2 ^nd bunkovej výpočtom rozdielu medzi 2 ^nd buniek terminálom a 1 ^prvým pólom článku, ktorý je (8-4). Podobne operačného zosilňovača O2 a O3 opatrenia 3 ^rd a 4 ^th napätia článku, resp. Nie je Použili sme op-amp pre 1. ^st bunky, pretože to môže byť meraná priamo.

Schéma zapojenia

Kompletná schéma zapojenia na monitorovanie napätia viacerých buniek v lítiovej batérii je uvedená nižšie. Obvod bol navrhnutý pomocou EasyEDA a to isté použijeme aj pri výrobe našej PCB.

Ako vidíte, v našom obvode máme dva štvorjadrové vysokonapäťové operačné zosilňovače OPA4197 typu Rail to Rail, ktoré sú napájané z celkového napätia balenia. Jeden IC (U1) sa používa na vytváranie vyrovnávacieho obvodu aka sledovač napätia, zatiaľ čo druhý IC (U2) sa používa na vytvorenie obvodu diferenciálneho zosilňovača. Vyrovnávací obvod je potrebný na zabránenie tomu, aby sa ktorékoľvek z buniek načítali jednotlivo, čo je prúd, ktorý by sa nemal spotrebovať z jednej bunky, ale by mal tvoriť iba balíček ako celok. Pretože má vyrovnávací obvod veľmi vysokú vstupnú impedanciu, môžeme ho použiť na načítanie napätia z článku bez toho, aby sme z neho čerpali energiu.

Všetky štyri operačné zosilňovače v IC U1 sa používajú na vyrovnanie napätia štyroch článkov. Vstupné napätia z článkov sú označené od B1 + do B4 + a medzipamäťové výstupné napätie je označené od B1_Out do B4_Out. Toto tlmivé napätie sa potom pošle do diferenciálneho zosilňovača na meranie napätia jednotlivej bunky, ako je uvedené vyššie. Hodnota celého odporu je nastavená na 1K, pretože zisk diferenciálneho zosilňovača je nastavený na jednotu. Môžete použiť ľubovoľnú hodnotu rezistora, ale všetky by mali mať rovnakú hodnotu, okrem rezistorov R13 a R14. Tieto dva odpory tvoria delič potenciálu na meranie napätia balenia batérie, aby sme ho mohli porovnať so súčtom nameraných napätí článkov.

Rail to Rail, vysoké napätie Op-Amp

Vyššie uvedený obvod vyžaduje, aby ste použili vysokonapäťový operačný zosilňovač Rail to Rail ako OPA4197 z dvoch dôvodov. Obidva Op-Amp IC pracujú pri napätí balíka, ktoré je maximálne (4,3 * 4) 17,2 V, takže operačný zosilňovač by mal byť schopný zvládnuť vysoké napätie. Pretože používame vyrovnávací obvod, výstup vyrovnávacej pamäte by sa mal rovnať baliacemu napätiu pre terminál ^4. bunky, čo znamená, že výstupné napätie by sa malo rovnať prevádzkovému napätiu operačného zosilňovača, a preto musíme použiť Železničný operačný zosilňovač

Ak nenájdete operačný zosilňovač typu rail to rail, môžete IC nahradiť jednoduchým LM324. Tento IC dokáže zvládnuť vysoké napätie, ale nemôže pôsobiť ako koľajnica na koľajnici, takže na prvý pin integrovaného zosilňovača U1 Op-Amp musíte použiť pull-up odpor 10 k.

Dizajn a výroba PCB pomocou Easy EDA

Teraz, keď je náš okruh pripravený, je čas ho vyrobiť. Pretože Op-Amp, ktorý používam, je k dispozícii iba v SMD balení, musel som pre svoj obvod vyrobiť PCB. Takže ako vždy sme na výrobu našich dosiek plošných spojov použili online nástroj EDA s názvom EasyEDA, ktorý je veľmi vhodný na použitie, pretože má dobrú zbierku stôp a je otvorený.

Po dizajne DPS si môžeme objednať vzorky DPS pomocou ich lacných služieb výroby DPS. Ponúkajú tiež službu sourcingu komponentov, kde majú veľkú zásobu elektronických komponentov a používatelia si môžu objednať požadované komponenty spolu s objednávkou PCB.

Pri navrhovaní vašich obvodov a dosiek plošných spojov môžete tiež zverejniť svoje návrhy obvodov a dosiek plošných spojov, aby ich ostatní používatelia mohli kopírovať alebo upravovať a využívať tak výhody vašej práce. Pre tento obvod sme tiež zverejnili celé naše usporiadania obvodov a dosiek plošných spojov, skontrolujte odkaz nižšie:

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

Môžete si pozrieť ktorúkoľvek vrstvu (vrchná, spodná, vrchná vrstva, spodná vrstva atď.) DPS výberom vrstvy z okna „Vrstvy“. Nedávno tiež predstavili možnosť 3D zobrazenia, takže si môžete tiež pozrieť DPS ​​na meranie napätia viacerých buniek, ako to bude vyzerať po výrobe pomocou tlačidla 3D zobrazenie v EasyEDA:

Výpočet a objednávanie vzoriek online

Po dokončení návrhu tohto obvodu na meranie napätia lítiového článku si môžete objednať DPS ​​prostredníctvom JLCPCB.com. Na objednanie DPS od JLCPCB potrebujete Gerber File. Ak chcete stiahnuť súbory Gerber z vašej PCB, stačí kliknúť na tlačidlo Generovať súbor výroby na stránke editora EasyEDA, odtiaľ si stiahnuť súbor Gerber alebo môžete kliknúť na Objednávku na JLCPCB, ako je znázornené na obrázku nižšie. To vás presmeruje na JLCPCB.com, kde si môžete zvoliť počet DPS, ktoré chcete objednať, koľko medených vrstiev potrebujete, hrúbku DPS, hmotnosť medi a dokonca aj farbu DPS, ako je to na nasledujúcom obrázku:

Po kliknutí na objednávku na tlačidle JLCPCB sa dostanete na webovú stránku JLCPCB, kde si môžete objednať ľubovoľné farebné DPS vo veľmi nízkej miere, ktorá je pre všetky farby 2 doláre. Ich doba výroby je tiež veľmi krátka, čo je 48 hodín s dodávkou DHL 3 - 5 dní, v podstate dostanete PCB do týždňa od objednania. Okrem toho tiež ponúkajú zľavu 20 $ na dopravu pri vašej prvej objednávke.

Po objednaní DPS môžete skontrolovať priebeh výroby DPS s dátumom a časom. Skontrolujete to tak, že prejdete na stránku Účet a kliknete na odkaz „Postup výroby“ pod PCB, ako je to zobrazené na obrázku nižšie.

Po niekoľkých dňoch objednania DPS som dostal vzorky DPS v peknom obale, ako je znázornené na obrázkoch nižšie.

Po skontrolovaní správnosti stôp a stôp. Pokračoval som v zostavovaní DPS, pomocou ženských hlavičiek som umiestnil Arduino Nano a LCD, aby som ich mohol neskôr odstrániť, ak ich potrebujem pre ďalšie projekty. Kompletne spájkovaná doska vyzerá nižšie

Testovanie obvodu monitorovania napätia

Po spájkovaní všetkých komponentov jednoducho pripojte batériu ku konektoru H1 na doske. Využil som prepojovacie káble, aby som zabezpečil, že v budúcnosti nebudem náhodou meniť spojenie. Nepripojujte ho nesprávnym spôsobom, pretože by to mohlo viesť ku skratu a trvalému poškodeniu batérií alebo obvodu. Moja PCB s batériou, ktorú som použil na testovanie, je zobrazený nižšie.

Teraz pomocou multimetra na termináli H2 zmerajte jednotlivé predajné napätia. Terminál je označený číslami na identifikáciu napätia článku, ktoré je práve merané. Vďaka tomu môžeme dospieť k záveru, že obvod funguje. Ale aby to bolo zaujímavejšie, pripojme LCD a pomocou Arduina zmerajme tieto hodnoty napätia a zobrazme ich na LCD obrazovke.

Meranie napätia lítiového článku pomocou Arduina

Obvod na pripojenie Arduina k našej DPS je uvedený nižšie. Ukazuje, ako pripojiť Arduino Nano k LCD.

Pin zástrčky H2 na PCB by mal byť pripojený k analógovým pinom dosky Arduino, ako je to znázornené vyššie. Analógové kolíky Al až A4 sa používajú na meranie napätia štyroch článkov, zatiaľ čo kolík A0 je pripojený k kolíku zástrčky v 'P1. Tento v 'pin možno použiť na meranie celkového napätia balenia. Pripojili sme tiež ^1. pin P1 k Vin pinu Arduina a ^3. pin P1 k uzemňovaciemu pinu Arduina na napájanie Arduina batériou.

Môžeme napísať program na meranie všetkých štyroch článkov napätia a napätia akumulátora a zobraziť ho na LCD. Aby som to urobil zaujímavejším, pridal som tiež všetky štyri napätia článkov a porovnal hodnotu s nameraným napätím balíka, aby som skontroloval, ako blízko vlastne meriame napätie.

Programovanie Arduina

Celý program nájdete na konci tejto stránky. Program je veľmi jednoduchý, na načítanie napätia článkov pomocou modulu ADC jednoducho použijeme funkciu analógového čítania a pomocou LCD knižnice zobrazíme vypočítanú hodnotu napätia na LCD displeji.

float Cell_1 = analogRead (A1) * (5,0 / 1023,0); // Zmerajte napätie 1. článku lcd.print ("C1:"); lcd.print (Cell_1);

Vo vyššie uvedenom úryvku sme zmerali napätie článku 1 a vynásobili sme ho 5/1023 tak, aby sa hodnota 0 až 1023 ADC previedla na skutočnú hodnotu 0 až 5V. Vypočítanú hodnotu napätia potom zobrazíme na LCD. Podobne to robíme pre všetky štyri články a tiež pre celú batériu. Použili sme tiež premenné celkové napätie na sčítanie všetkých napätí článkov a ich zobrazenie na LCD, ako je to znázornené nižšie.

float Total_Voltage = Cell_1 + Cell_2 + Cell_3 + Cell_4; // Pridajte všetky štyri namerané hodnoty napätia lcd.print ("Celkom:"); lcd.print (Total_Voltage);

Indikátor napätia jednotlivých článkov pracuje

Keď ste pripravení na zapojenie a kód, nahrajte kód na dosku Arduino a pripojte powerbanku k DPS. Na displeji LCD by sa teraz malo zobraziť napätie jednotlivých článkov všetkých štyroch článkov, ako je uvedené nižšie.

Ako vidíte, napätie zobrazené na článku 1 až 4 je 3,78V, 3,78V, 3,82V a 3,84V. Takže potom som pomocou svojho multimetra skontroloval skutočné napätie týchto článkov, ktoré sa ukázalo byť trochu odlišné, rozdiel je uvedený v tabuľke nižšie.

Merané napätie	Skutočné napätie
3,78 V	3,78 V
3,78 V	3,78 V
3,82 V	3,81 V
3,84 V	3,82 V

Ako vidíte, pre bunky jedna a dva máme presné výsledky, ale pre bunky 3 a 4 je chyba až 200 mV. Pre náš dizajn je to najpravdepodobnejšie očakávané. Pretože používame obvod diferenciálneho zosilňovača operačného zosilňovača, presnosť nameraného napätia bude klesať so zvyšujúcim sa počtom článkov.

Táto chyba je však stálou chybou a dá sa opraviť v programe odobratím vzoriek a pridaním multiplikátora na opravu chyby. Na ďalšej obrazovke LCD môžete tiež vidieť súčet nameraného napätia a skutočného napätia balíka, ktoré boli namerané pomocou deliča potenciálov. To isté je uvedené nižšie.

Súčet nameraných napätí je 15,21 V a skutočné napätie namerané cez pin A0 Arduina sa ukáže ako 15,22 V. Rozdiel je teda 100 mV, čo nie je zlé. Zatiaľ čo tieto typy obvodov možno použiť na menší počet kalov, napríklad v napájacích bankách alebo v batériách notebookov. Elektrické vozidlo BMS používa špeciálny typ integrovaných obvodov, ako je LTC2943, pretože ani chyba 100 mV nie je tolerovateľná. Napriek tomu sme sa naučili, ako to urobiť pre malý obvod, kde je cena obmedzujúca.

Kompletné opracovanie na nastavenie možno nájsť na videu odkazujeme nižšie. Dúfam, že sa vám projekt páčil a dozvedeli ste sa z neho niečo užitočné. Ak máte akékoľvek otázky, nechajte ich v sekcii komentárov alebo použite fóra na rýchlejšiu odpoveď.