Вишећелијски надзор напона за литијумске батерије у електричним возилима

Километража и перформансе електричног возила зависе од капацитета и ефикасности његове батерије. За одржавање батерија у пуном здравственом стању одговоран је Систем управљања батеријама (БМС). БМС је софистицирана јединица у ЕВ која обавља пуно активности попут надгледања ћелија, уравнотежења и чак заштите од температурних промена. Већ смо то довољно научили у овом чланку о Систему управљања батеријама, па их проверите да ли сте овде нови.

Да би било шта урадио, први корак за БМС био би да зна тренутни статус ћелија у литијумском пакету батерија. То се постиже мерењем напона и струје (понекад и температуре) ћелија у пакету. Само са ове две вредности БМС може израчунати СОЦ или СОХ и извршити балансирање ћелија итд. Дакле, мерење напона и струје ћелије је од виталног значаја за било које БМС коло, било да се ради о обичној банци напајања или батерији за лаптоп или тако компликованом пакету као ЕВ / Соларне батерије.

У овом чланку ћемо научити како можемо мерити појединачни напон ћелија ћелија које се користе у литијумској батерији. Зарад овог пројекта користићемо четири литијумске ћелије 18650 повезане у серију да бисмо формирали батерију и дизајнирали једноставно коло помоћу оптичких појачала за мерење појединачних ћелијских напона и приказивање на ЛЦД екрану помоћу Ардуина.

Мерење појединачног напона ћелије у серији батерија

Проблем мерења појединачног ћелијског напона у пакету серијски повезаних батерија је тај што референтна тачка остаје иста. Слика испод илуструје исто

Ради једноставности, претпоставимо да су све четири ћелије на напонском нивоу од 4В, као што је приказано горе. Сада ако користимо микроконтролер попут Ардуина за мерење напона ћелије, нећемо имати проблема при мерењу напона ^1. ћелије, јер је други крај повезан са земљом. Али, за остале ћелије морамо мерити напон те ћелије заједно са претходним ћелијама, на пример, када меримо напон 4. ћелије, мерит ћемо напон све четири ћелије заједно. То је зато што се референтна тачка не може променити са земље.

Дакле, овде морамо увести неки додатни круг који би нам могао помоћи у мерењу појединачних напона. Груби начин је коришћење потенцијалног разделника за мапирање нивоа напона и затим њихово мерење, али овај метод ће смањити резолуцију очитане вредности на више од 0,1В. Стога ћемо у овом упутству користити опцијско диференцијално коло за мерење разлике између сваког терминала ћелије за мерење појединачног напона.

Диференцијални круг за мерење појединачног напона ћелије

Већ знамо да оп-појачало када ради као диференцијално појачало даје разлику између две вредности напона које се дају његовом инвертирајућем и неинвертирајућем пину. Дакле, за нашу сврху мерења напона 4 ћелије потребна су нам три диференцијална појачала као што је приказано доле.

Имајте на уму да је ова слика само за представљање; стварном колу је потребно више компонената и о томе ће бити речи касније у овом чланку. Први оп-амп О1 мери напон ^2. ћелије израчунавањем разлике између терминала ^2. ћелије и терминала ^1. ћелије који је (8-4). Слично томе Оп-амп О2 и О3 мери 3 ^ИИИ и 4 ^тх целл волтаге респективно. Нисмо користили оптичко појачало за ^1. ћелију јер се могло директно мерити.

Кружни дијаграм

Комплетна шема кола за праћење вишећелијског напона у литијумској батерији дата је у наставку. Коло је дизајнирано помоћу ЕасиЕДА-е, а ми ћемо га користити и за производњу наших ПЦБ-а.

Као што видите, у нашем кругу имамо два четворокомпонентна оптичка појачала ОПА4197 од жељезнице до шине, која се напајају укупним напоном пакета. Један ИЦ (У1) се користи за стварање међуспремничког круга, односно следбеника напона, док други ИЦ (У2) служи за формирање кола диференцијалног појачала. Потребно је међуспремничко коло да би се спречило да се било која од ћелија учита појединачно, што значи да струја не треба да се троши из једне ћелије, већ само да чини пакет у целини. Будући да ме усмерено коло има врло високу улазну импедансу, можемо да користимо за очитавање напона са ћелије, а да из њега не црпимо снагу.

Сва четири оп-појачала у ИЦ У1 користе се за пуферирање напона четири ћелије. Улазни напони из ћелија означени су од Б1 + до Б4 +, а пуферирани излазни напон означен је од Б1_Оут до Б4_Оут. Овај напуферирани напон се затим шаље на диференцијално појачало како би се измерио појединачни напон ћелије као што је горе разматрано. Вредност свих отпорника подешена је на 1К пошто је појачање диференцијалног појачала постављено на јединицу. Можете користити било коју вриједност отпорника, али сви они требају бити исте вриједности, осим отпорника Р13 и Р14. Ова два отпорника чине потенцијални делилац за мерење напона паковања батерије тако да га можемо упоредити са збиром измерених напона ћелије.

Шина до шине, високонапонски оп-амп

Горњи круг захтева да користите високонапонско опционо појачало Раил то Раил, као што је ОПА4197, из два разлога. Оба оптичка појачала делују са напоном у пакету који је максимални (4,3 * 4) 17,2В, тако да би Оп-појачало требало да буде способно да подноси високе напоне. Такође од користимо тампон круг, излаз из пуфера треба да буде једнака паковање напон за 4 у ^ог ћелије терминала, што значи да излазни напон треба бити једнак оперативни напона оп-амп стога треба користити Раил то Опционо појачало за шине

Ако не можете да пронађете оптичко појачало за шину за шину, можете да замените ИЦ једноставним ЛМ324. Овај ИЦ може да поднесе високи напон, али не може да делује као шина ка шини, тако да морате да употребите отпорник на извлачење од 10 к на првом пину У1 Оп-Амп ИЦ.

Дизајн и израда ПЦБ-а користећи Еаси ЕДА

Сад кад је наш круг спреман, време је да се он изради. Пошто је Оп-Амп који користим доступан само у СМД пакету, морао сам да направим ПЦБ за свој круг. Као и увек, користили смо мрежни ЕДА алат ЕасиЕДА да бисмо произвели нашу ПЦБ, јер је врло згодан за употребу, јер има добру колекцију отисака и отворен је извор.

Након дизајнирања ПЦБ-а, узорке ПЦБ-а можемо наручити путем њихових јефтиних услуга израде ПЦБ-а. Такође нуде услугу снабдевања компонентама где имају велику залиху електронских компонената и корисници могу да наруче потребне компоненте заједно са наруџбом ПЦБ-а.

Док дизајнирате своје склопове и ПЦБ-ове, такође можете учинити своје дизајне кола и ПЦБ-а јавним, тако да их други корисници могу копирати или уредити и искористити ваш рад, такође смо учинили целокупним распоредима својих кола и ПЦБ-а јавним за ово коло, проверите доњи линк:

хттпс://еасиеда.цом/ЦирцуитДигест/Мултицелл-Волтаге-меасуринг-фор-БМС

Можете погледати било који слој (горњи, доњи, горњи, свиленкасти, итд.) ПЦБ-а одабиром слоја из прозора „Слојеви“. Недавно су увели и опцију 3Д приказа, тако да такође можете да видите Мултицелл ПЦБ за мерење напона, како ће изгледати након израде помоћу дугмета 3Д Виев у ЕасиЕДА:

Израчунавање и наручивање узорака на мрежи

Након завршетка дизајна овог кола за мерење напона литијумских ћелија, можете наручити ПЦБ преко ЈЛЦПЦБ.цом. Да бисте наручили ПЦБ од ЈЛЦПЦБ, потребна вам је датотека Гербер. Да бисте преузели Гербер датотеке са ПЦБ-а, само кликните дугме Генериши фабричку датотеку на страници ЕасиЕДА уређивача, а затим преузмите датотеку Гербер одатле или можете кликнути на Наручи на ЈЛЦПЦБ као што је приказано на доњој слици. Ово ће вас преусмерити на ЈЛЦПЦБ.цом, где можете да изаберете број ПЦБ-а које желите да наручите, колико слојева бакра вам треба, дебљину ПЦБ-а, тежину бакра, па чак и боју ПЦБ-а, попут снимка приказаног доле:

Након клика на дугме за наруџбину на ЈЛЦПЦБ, одвешће се до веб странице ЈЛЦПЦБ где можете наручити било коју ПЦБ у боји по врло ниској цени која износи 2 УСД за све боје. Њихово време израде је такође врло кратко, што је 48 сати са ДХЛ испоруком од 3-5 дана, у основи ћете добити своје ПЦБ-ове у року од недељу дана од наручивања. Штавише, нуде и попуст од 20 УСД на испоруку за вашу прву наруџбину.

Након наручивања ПЦБ-а, можете да проверите производни напредак ваше ПЦБ-а са датумом и временом. Проверите га тако што ћете отићи на страницу налога и кликнути на везу „Производни напредак“ испод ПЦБ-а као што је приказано на доњој слици.

После неколико дана наручивања ПЦБ-а, добио сам узорке ПЦБ-а у лепом паковању као што је приказано на сликама испод.

Након што се уверио да су трагови и трагови тачни. Наставио сам са састављањем ПЦБ-а, користио сам женска заглавља за постављање Ардуино Нано-а и ЛЦД-а тако да их касније могу уклонити ако су ми потребни за друге пројекте. Потпуно залемљена плоча изгледа овако доле

Испитивање круга за надзор напона

Након лемљења свих компоненти, једноставно спојите батерију на Х1 конектор на плочи. Користио сам повезујуће каблове како бих био сигуран да убудуће случајно не променим везу. Пазите да га не повежете на погрешан начин јер би то могло довести до кратког споја и трајно оштетити батерије или струјни круг. Моја ПЦБ са батеријом коју сам користио за тестирање приказана је испод.

Сада користите мултиметар на Х2 терминалу за мерење појединачних напона продаје. Терминал је означен бројевима да идентификује напон ћелије која се мери струјом. Овде можемо закључити да коло ради. Али да би било занимљивије, спојимо ЛЦД и помоћу Ардуина измеримо ове вредности напона и прикажемо их на ЛЦД екрану.

Мерење напона литијумских ћелија помоћу Ардуина

Коло за повезивање Ардуина са нашом ПЦБ је приказано испод. Показује како повезати Ардуино Нано са ЛЦД екраном.

Заглавље Х2 на ПЦБ-у треба да буде повезано са аналогним пиновима Ардуино плоче, као што је приказано горе. Аналогни пинови А1 до А4 користе се за мерење напона четири ћелије, док је пин А0 повезан са заглављем в 'П1. Овај в 'пин може се користити за мерење укупног напона пакета. Такође смо повезали ^1. пин П1 са Вин пином Ардуина и ^3. пин П1 о уземљени пин Ардуино за напајање Ардуина батеријским пакетом.

Можемо да напишемо програм за мерење свих четири ћелијска напона и напона пакета батерија и прикажемо га на ЛЦД-у. Да би било занимљивије, додао сам и сва четири ћелијска напона и упоредио сам вредност са измереним напоном пакета како бих проверио колико близу заправо меримо напон.

Програмирање Ардуина

Комплетан програм налази се на крају ове странице. Програм је прилично једноставан, ми једноставно користимо аналогну функцију читања за очитавање напона ћелије помоћу АДЦ модула и приказивање израчунане вредности напона на ЛЦД-у помоћу ЛЦД библиотеке.

флоат Целл_1 = аналогРеад (А1) * (5.0 / 1023.0); // измери лцд.принт првог ћелијског напона ("Ц1:"); лцд.принт (Целл_1);

У горњем исечку мерили смо напон ћелије 1 и помножили га са 5/1023 да бисмо претворили вредност АДЦ од 0 до 1023 у стварних 0 до 5В. Затим израчунату вредност напона приказујемо на ЛЦД-у. Слично томе радимо за све четири ћелије и за целокупан пакет батерија. Такође смо користили променљиву укупни напон за сумирање свих ћелијских напона и приказивање на ЛЦД-у као што је приказано доле.

плутајуће Тотал_Волтаге = Целл_1 + Целл_2 + Целл_3 + Целл_4; // Додајте све четири измерене вредности напона лцд.принт ("Укупно:"); лцд.принт (Тотал_Волтаге);

Појединачни приказ напона ћелије ради

Када будете спремни са струјним кругом и кодом, отпремите га на Ардуино плочу и повежите банку напајања на ПЦБ. ЛЦД би сада требао приказати напон појединачне ћелије све четири ћелије, као што је приказано доле.

Као што видите, напон приказан за ћелије од 1 до 4 је 3,78 В, 3,78 В, 3,82 В и 3,84 В. Па сам тада користио мултиметар да проверим стварни напон ових ћелија, за које се испоставило да су мало другачији, разлика је дата у табели у наставку.

Измерени напон	Стварни напон
3.78В	3.78В
3.78В	3.78В
3.82В	3.81В
3.84В	3.82В

Као што видите, добили смо тачне резултате за ћелије један и две, али постоји грешка од 200мВ за ћелије 3 и 4. То се највероватније очекује за наш дизајн. Будући да користимо оптичко коло диференцијалног кола, тачност измереног напона опадаће како се повећава број ћелија.

Али ова грешка је фиксна грешка и може се исправити у програму узимањем очитавања узорака и додавањем множитеља ради исправљања грешке. На следећем ЛЦД екрану такође можете видети збир измереног напона и стварног напона паковања који је измерен кроз преградник. Исто је приказано у наставку.

Збир измерених напона је 15,21 В, а стварни напон измерен кроз А0 пин Ардуино испада 15,22 В. Тако је разлика од 100мВ што није лоше. Иако се ова врста кола може користити за мањи број талога, као што су банке напајања или батерије за преносне рачунаре. Електрично возило БМС користи посебну врсту ИЦ-а попут ЛТЦ2943, јер ни грешка од 100мВ није подношљива. Ипак, научили смо како то учинити за мале кругове код којих је цена ограничење.

Комплетан радни на уређењу могу се наћи на видео снимку чија је веза испод. Надам се да сте уживали у пројекту и научили нешто корисно из њега. Ако имате питања, оставите их у одељку за коментаре или користите форуме за бржи одговор.