Daudzšūnu sprieguma uzraudzība litija akumulatoriem elektriskajos transportlīdzekļos

Elektriskā transportlīdzekļa nobraukums un veiktspēja ir atkarīga no tā akumulatora jaudas un efektivitātes. Lai akumulators būtu pilnvērtīgs, atbild akumulatora vadības sistēma (BMS). BMS ir sarežģīta EV vienība, kas veic daudz darbību, piemēram, šūnu uzraudzību, līdzsvarošanu un pat pasargā no temperatūras izmaiņām. Šajā akumulatora pārvaldības sistēmas rakstā mēs jau esam to pietiekami iemācījušies, tāpēc pārbaudiet tos, ja esat jauns šeit.

Lai kaut ko darītu, pirmais BMS solis būtu zināt pašreizējo šūnu stāvokli litija akumulatorā. To veic, mērot iepakojumā esošo šūnu spriegumu un strāvu (dažreiz arī temperatūru). Tikai ar šīm divām vērtībām BMS varēja aprēķināt SOC vai SOH un veikt šūnu balansēšanu uc Saules baterijas.

Šajā rakstā mēs uzzināsim, kā mēs varam izmērīt litija akumulatoros izmantoto šūnu individuālo elementu spriegumu. Šī projekta labad mēs izmantosim četras sērijveidā savienotas litija 18650 šūnas, lai izveidotu akumulatoru un izveidotu vienkāršu shēmu, izmantojot op-ampērus, lai izmērītu atsevišķu šūnu spriegumu un parādītu to LCD ekrānā, izmantojot Arduino.

Atsevišķu elementu sprieguma mērīšana sērijveida akumulatoru kaudzē

Atsevišķu elementu sprieguma mērīšanas sērijveidā pievienotā akumulatora komplektā problēma ir tā, ka atskaites punkts paliek nemainīgs. Zemāk redzamais attēls ilustrē to pašu

Vienkāršības labad pieņemsim, ka visas četras šūnas atrodas 4 V sprieguma līmenī, kā parādīts iepriekš. Tagad, ja mēs izmantojam mikrokontrolleru kā Arduino, lai novērtētu šūnu sprieguma, mums nebūs problēmu mērot spriegumu 1 ^st šūnas, jo tas ir otrs gals savienots ar zemi. Bet attiecībā uz pārējām šūnām mums ir jāmēra šīs šūnas spriegums kopā ar iepriekšējām šūnām, piemēram, mērot 4. šūnas spriegumu, mēs kopā izmērīsim visu četru šūnu spriegumu. Tas ir tāpēc, ka atskaites punktu nevar mainīt no zemes.

Tāpēc mums šeit jāievieš papildu ķēde, kas varētu palīdzēt mums izmērīt individuālos spriegumus. Neapstrādātā veidā ir izmantot potenciālo dalītāju, lai noteiktu sprieguma līmeņus un pēc tam tos izmērītu, taču šī metode nolasītās vērtības izšķirtspēju samazinās līdz vairāk nekā 0,1 V. Tāpēc šajā apmācībā mēs izmantosim Op-Amp diferenciālo shēmu, lai izmērītu starpību starp katru šūnu spailēm, lai izmērītu individuālo spriegumu.

Diferenciālā ķēde atsevišķas šūnas sprieguma mērīšanai

Mēs jau zinām Op-Amp, strādājot par diferenciālo pastiprinātāju, starpība starp divām sprieguma vērtībām, kas tiek piešķirtas tā invertējošajai un neinvertējošajai tapai. Tātad, lai mērītu 4 šūnu spriegumu, mums ir vajadzīgi trīs diferenciālie op-ampēri, kā parādīts zemāk.

Ņemiet vērā, ka šis attēls ir paredzēts tikai attēlam; faktiskajai shēmai ir nepieciešami vairāk komponentu, un tā tiks aplūkota vēlāk šajā rakstā. Pirmie op-amp O1 pasākumi sprieguma 2 ^nd šūnu, aprēķinot starpību starp 2 ^nd šūnu termināli un 1 ^st šūnu termināli, kas ir (8-4). Līdzīgi Op-amp O2 un O3 pasākumi 3 ^rd un 4 ^th šūnu spriegums attiecīgi. ^Pirmajai šūnai mēs neesam izmantojuši op-amp, jo to varēja tieši izmērīt.

Ķēdes shēma

Pilna shēma daudzšūnu sprieguma uzraudzībai litija akumulatoros ir sniegta zemāk. Shēma tika veidota, izmantojot EasyEDA, un mēs to izmantosim arī mūsu PCB izgatavošanai.

Kā redzat, mūsu ķēdē ir divi četrpakāpju sliežu ceļi uz augstsprieguma op-amp OPA4197, kurus abus darbina kopējais spriegums. Vienu IC (U1) izmanto bufera ķēdes jeb sprieguma sekotāja izveidošanai, bet otru IC (U2) izmanto diferenciālā pastiprinātāja ķēdes veidošanai. Nepieciešama bufera ķēde, lai neviena no šūnām netiktu ielādēta atsevišķi, un strāvu nevajadzētu patērēt no vienas šūnas, bet tā veido tikai kopumu kopumā. Tā kā bufera ķēdei ir ļoti augsta ieejas pretestība, mēs varam to izmantot, lai nolasītu spriegumu no šūnas, neizņemot no tā enerģiju.

Visi četri op-ampēri IC U1 tiek izmantoti, lai buferizētu attiecīgi četru šūnu spriegumu. Ieejas spriegumi no šūnām ir marķēti no B1 + līdz B4 +, un buferētais izejas spriegums ir apzīmēts no B1_Out līdz B4_Out. Šis buferētais spriegums pēc tam tiek nosūtīts uz differentia pastiprinātāju, lai izmērītu atsevišķas šūnas spriegumu, kā tika apspriests iepriekš. Visu rezistoru vērtība ir iestatīta uz 1K, jo diferenciālā pastiprinātāja pastiprinājums ir iestatīts uz vienotību. Jūs varat izmantot jebkuru rezistora vērtību, bet tiem visiem jābūt vienādiem, izņemot rezistorus R13 un R14. Šie divi rezistori veido potenciālu dalītāju, lai izmērītu akumulatora bloka spriegumu, lai mēs to varētu salīdzināt ar izmērīto šūnu spriegumu summu.

Dzelzceļš uz sliedi, augstsprieguma Op-Amp

Iepriekš minētajā shēmā divu iemeslu dēļ ir jāizmanto augstsprieguma op-amp, piemēram, OPA4197, no sliežu ceļa uz sliedi. Abi Op-Amp IC darbojas ar bloka spriegumu, kas nepārsniedz (4,3 * 4) 17,2 V, tāpēc Op-amp jābūt spējīgam rīkoties ar augstu spriegumu. Arī kopš mēs, izmantojot bufera ķēdi, izejas bufera jābūt vienādam ar pack spriegumu 4 ^th šūnu terminālā, tas nozīmē, ka izejas spriegums ir jābūt vienādam ar darbības sprieguma op-amp tātad mums ir nepieciešams, lai izmantotu sliede Sliedes op-amp

Ja nevarat atrast sliedes-sliedes op-amp, varat nomainīt IC ar vienkāršu LM324. Šis IC var apstrādāt augstspriegumu, bet nevar darboties kā sliede uz sliedi, tāpēc jums ir jāizmanto 10k pretestības pretestība U1 Op-Amp IC pirmajā tapā.

PCB dizains un izgatavošana, izmantojot Easy EDA

Tagad, kad mūsu ķēde ir gatava, ir pienācis laiks to izgatavot. Tā kā Op-Amp, kuru izmantoju, ir pieejams tikai SMD iepakojumā, man vajadzēja izgatavot PCB savai shēmai. Tātad, kā vienmēr, mēs esam izmantojuši tiešsaistes EDA rīku, ko sauc par EasyEDA, lai izgatavotu mūsu PCB, jo tas ir ļoti ērti lietojams, jo tam ir laba pēdu kolekcija un tas ir atvērtā koda.

Pēc PCB projektēšanas mēs varam pasūtīt PCB paraugus, izmantojot to zemo izmaksu PCB ražošanas pakalpojumus. Viņi piedāvā arī komponentu iegādes pakalpojumus, kur viņiem ir liels elektronisko komponentu krājums un lietotāji var pasūtīt nepieciešamās sastāvdaļas kopā ar PCB pasūtījumu.

Veidojot ķēdes un PCB, jūs varat arī padarīt savu shēmu un PCB dizainu publisku, lai citi lietotāji tos varētu kopēt vai rediģēt un gūt labumu no jūsu darba. Mēs esam arī padarījuši visus mūsu shēmas un PCB izkārtojumus publiski pieejamus šai shēmai, pārbaudiet šī saite:

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

Jūs varat apskatīt jebkuru PCB slāni (augšējo, apakšējo, augšējo pienu, pudeļu pienu utt.), Atlasot slāni no loga “Slāņi”. Nesen viņi ir ieviesuši arī 3D skata iespēju, lai jūs varētu apskatīt arī daudzšūnu sprieguma mērīšanas PCB, kā tas izskatīsies pēc izgatavošanas, izmantojot EasyEDA pogu 3D skats:

Paraugu aprēķināšana un pasūtīšana tiešsaistē

Pēc šīs litija elementu sprieguma mērīšanas shēmas dizaina pabeigšanas jūs varat pasūtīt PCB caur JLCPCB.com. Lai pasūtītu PCB no JLCPCB, jums ir nepieciešama Gerber File. Lai lejupielādētu Gerber failus no sava PCB, vienkārši noklikšķiniet uz pogas Ģenerēt izgatavošanas failu EasyEDA redaktora lapā, pēc tam lejupielādējiet Gerber failu no turienes vai varat noklikšķināt uz Pasūtīt pie JLCPCB, kā parādīts zemāk esošajā attēlā. Tas jūs novirzīs uz vietni JLCPCB.com, kur jūs varat izvēlēties pasūtāmo PCB skaitu, nepieciešamo vara slāņu skaitu, PCB biezumu, vara svaru un pat PCB krāsu, piemēram, zemāk parādīto momentuzņēmumu:

Pēc noklikšķināšanas uz pogas JLCPCB, jūs aizvedīsit uz JLCPCB vietni, kur jūs varat pasūtīt jebkuru krāsu PCB ar ļoti zemu likmi, kas ir 2 USD par visām krāsām. Viņu būvēšanas laiks ir arī ļoti mazāks, tas ir 48 stundas ar DHL piegādi 3-5 dienas, būtībā jūs saņemsiet savus PCB nedēļas laikā pēc pasūtīšanas. Turklāt viņi piedāvā arī 20 ASV dolāru atlaidi piegādei jūsu pirmajam pasūtījumam.

Pēc PCB pasūtīšanas jūs varat pārbaudīt sava PCB ražošanas progresu ar datumu un laiku. Jūs to pārbaudāt, dodoties uz konta lapu un zem PCB, piemēram, parādīts zemāk esošajā attēlā, noklikšķiniet uz saites "Ražošanas progress".

Pēc dažām PCB pasūtīšanas dienām es dabūju PCB paraugus jaukā iepakojumā, kā parādīts zemāk esošajos attēlos.

Pēc tam, kad esat pārliecinājies, ka pēdas un pēdas ir pareizas. Es turpināju montēt PCB, es izmantoju sieviešu galvenes, lai ievietotu Arduino Nano un LCD, lai vēlāk tos varētu noņemt, ja man tie ir nepieciešami citiem projektiem. Pilnībā lodēts dēlis izskatās šādi zemāk

Sprieguma uzraudzības ķēdes pārbaude

Pēc visu sastāvdaļu lodēšanas vienkārši pievienojiet akumulatora bloku H1 savienotājam uz tāfeles. Esmu izmantojis savienojošos kabeļus, lai pārliecinātos, ka nākotnē nejauši nemainīšu savienojumu. Esiet ļoti piesardzīgs, nepievienojot to nepareizi, jo tas var izraisīt īssavienojumu un neatgriezeniski sabojāt baterijas vai ķēdi. Mana PCB ar akumulatoru, kuru izmantoju testēšanai, ir parādīta zemāk.

Tagad izmantojiet H2 termināļa multimetru, lai izmērītu individuālo pārdošanas spriegumu. Terminālis ir marķēts ar cipariem, lai identificētu mērāmās strāvas spriegumu. Ar šo mēs varam secināt, ka ķēde darbojas. Bet, lai padarītu to interesantāku, pievienojiet LCD un izmantojiet Arduino, lai izmērītu šīs sprieguma vērtības un parādītu to LCD ekrānā.

Litija elementu sprieguma mērīšana, izmantojot Arduino

Ķēde Arduino savienošanai ar mūsu PCB ir parādīta zemāk. Tas parāda, kā savienot Arduino Nano ar LCD.

PCB galvenes tapai H2 jābūt savienotai ar Arduino dēļa analogajām tapām, kā parādīts iepriekš. Analogās tapas no A1 līdz A4 tiek izmantotas, lai attiecīgi izmērītu četrus elementu spriegumus, savukārt tapa A0 ir savienota ar P1 galvenes tapu v '. Šo v 'tapu var izmantot, lai izmērītu kopējo spriegumu. Mēs esam arī pieslēgts 1 ^st pin no P1 līdz Vin pin no Arduino un 3 ^rd pin P1 o zemes pin Arduino pie varas Arduino ar akumulatoru.

Mēs varam uzrakstīt programmu, lai izmērītu visus četrus elementu spriegumus un akumulatora bloka spriegumu un parādītu to LCD. Lai padarītu to interesantāku, esmu pievienojis arī visus četrus elementu spriegumus un salīdzinājis vērtību ar izmērīto iepakojuma spriegumu, lai pārbaudītu, cik tuvu mēs faktiski mērām spriegumu.

Arduino programmēšana

Pilna programma ir atrodama šīs lapas beigās. Programma ir diezgan vienkārša, mēs vienkārši izmantojam analogās lasīšanas funkciju, lai nolasītu šūnu spriegumus, izmantojot ADC moduli, un, izmantojot LCD bibliotēku, parādītu aprēķināto sprieguma vērtību LCD.

pludiņš Cell_1 = analogRead (A1) * (5,0 / 1023,0); // Izmēra 1. kameras spriegumu lcd.print ("C1:"); lcd.print (šūna_1);

Iepriekš minētajā fragmentā mēs esam izmērījuši 1. šūnas spriegumu un reizinājuši to ar 5/1023, lai pārveidotu 0 līdz 1023 ADC vērtību faktiskajā 0 līdz 5 V. Pēc tam mēs LCD parādām aprēķināto sprieguma vērtību. Līdzīgi mēs to darām arī visām četrām šūnām un kopējam akumulatoram. Mēs esam arī izmantojuši mainīgo kopējo spriegumu, lai apkopotu visus šūnu spriegumus un parādītu to LCD, kā parādīts zemāk.

pludiņš Kopējais_spriegums = Šūna_1 + Šūna_2 + Šūna_3 + Šūna_4; // Pievienojiet visas četras izmērītās sprieguma vērtības lcd.print ("Kopā:"); lcd.print (kopējais_spriegums);

Darbojas atsevišķu šūnu sprieguma displejs

Kad esat gatavs ķēdei un kodam, augšupielādējiet kodu Arduino dēlī un pievienojiet jaudas banku PCB. LCD tagad vajadzētu parādīt visu četru šūnu individuālo šūnu spriegumu, kā parādīts zemāk.

Kā redzat, no 1. līdz 4. kamerai parādītais spriegums ir attiecīgi 3.78V, 3.78V, 3.82V un 3.84V. Tad es izmantoju savu multimetru, lai pārbaudītu šo šūnu faktisko spriegumu, kas izrādījās nedaudz atšķirīgs, atšķirība ir parādīta zemāk.

Izmērītais spriegums	Faktiskais spriegums
3,78 V	3,78 V
3,78 V	3,78 V
3.82V	3.81V
3.84V	3.82V

Kā redzat, mēs iegūstam precīzus rezultātus attiecībā uz pirmo un otro elementu, bet 3. un 4. šūnā ir pat 200 mV kļūda. Tas, visticamāk, ir sagaidāms mūsu dizainam. Tā kā mēs izmantojam op-amp diferenciatora shēmu, izmērītā sprieguma precizitāte samazināsies, palielinoties šūnu skaitam.

Bet šī kļūda ir fiksēta kļūda, un to var labot programmā, ņemot izlases rādījumus un pievienojot reizinātāju kļūdas labošanai. Nākamajā LCD ekrānā jūs varat redzēt arī izmērītā sprieguma un faktiskā iepakojuma sprieguma summu, kas tika izmērīta, izmantojot potenciāla dalītāju. Tas pats ir parādīts zemāk.

Izmērīto spriegumu summa ir 15,21 V, un faktiskais spriegums, kas izmērīts caur Arduino A0 tapu, izrādās 15,22 V. Tādējādi starpība ir 100mV, kas nav slikti. Lai gan šāda veida shēmas var izmantot mazākam nogulšņu skaitam, piemēram, strāvas bankās vai klēpjdatoru akumulatoros. Elektriskais transportlīdzeklis BMS izmanto īpaša tipa mikroshēmas, piemēram, LTC2943, jo pat 100mV kļūda nav pieļaujama. Tomēr mēs esam iemācījušies to darīt maza mēroga ķēdēm, kur cena ir ierobežojums.

The pilnīga apstrāde set-up var atrast video saistīti zemāk. Ceru, ka jums patika projekts un uzzinājāt no tā kaut ko noderīgu. Ja jums ir kādi jautājumi, atstājiet tos komentāru sadaļā vai izmantojiet forumus, lai ātrāk saņemtu atbildes.