Monitorování napětí více článků pro lithiovou baterii v elektrických vozidlech

Počet najetých kilometrů a výkon elektrického vozidla závisí na kapacitě a účinnosti jeho akumulátoru. Za udržení dobrého stavu baterie odpovídá systém správy baterií (BMS). BMS je sofistikovaná jednotka v EV, která provádí spoustu činností, jako je sledování buněk, jejich vyvážení a dokonce ochrana před teplotními změnami. V tomto článku o systému správy baterií jsme se toho již naučili dost, takže si je prohlédněte zde, pokud jste zde noví.

Prvním krokem pro BMS by bylo vědět, jaký je aktuální stav článků v lithiové baterii. To se provádí měřením napětí a proudu (někdy i teploty) článků v baterii. Pouze s těmito dvěma hodnotami mohla BMS vypočítat SOC nebo SOH a provést vyvažování článků atd. Měření napětí a proudu článku je tedy životně důležité pro jakýkoli obvod BMS, ať už jde o jednoduchou baterii nebo baterii notebooku nebo stejně komplikovanou sadu jako EV / Solární baterie

V tomto článku se dozvíme, jak můžeme měřit napětí jednotlivých článků článků použitých v lithiové baterii. V rámci tohoto projektu použijeme čtyři lithiové články 18650 zapojené do série k vytvoření sady baterií a navržení jednoduchého obvodu pomocí operačních zesilovačů k měření napětí jednotlivých článků a jeho zobrazení na LCD obrazovce pomocí Arduina.

Měření napětí jednotlivých článků v sérii baterií

Problém s měřením napětí jednotlivých článků v sadě sériově připojené baterie spočívá v tom, že referenční bod zůstává stejný. Níže uvedený obrázek ilustruje totéž

Pro zjednodušení předpokládejme, že všechny čtyři články jsou na úrovni napětí 4V, jak je uvedeno výše. Nyní, když použijeme k měření napětí buňky mikrokontrolér jako Arduino, nebudeme mít problém s měřením napětí ^1. buňky, protože má druhý konec připojený k zemi. Ale u ostatních buněk musíme měřit napětí této buňky spolu s předchozími buňkami, například když měříme napětí 4. buňky, změříme společně napětí všech čtyř buněk. Je to proto, že referenční bod nelze změnit od země.

Musíme zde tedy zavést nějaký další obvod, který by nám mohl pomoci měřit jednotlivá napětí. Surovým způsobem je použít dělič potenciálu ke zmapování úrovní napětí a jejich následnému měření, ale tato metoda sníží rozlišení načtené hodnoty na více než 0,1 V. Proto v tomto tutoriálu použijeme diferenciální obvod Op-Amp k měření rozdílu mezi terminály každé buňky k měření individuálního napětí.

Diferenciální obvod pro měření napětí jednotlivých článků

Operační zesilovač již známe, když pracujeme jako diferenciální zesilovač, který dává rozdíl mezi dvěma hodnotami napětí poskytovanými jeho invertujícímu a neinvertujícímu kolíku. Takže pro náš účel měření napětí 4 článků potřebujeme tři diferenciální operační zesilovače, jak je uvedeno níže.

Všimněte si, že tento obrázek je pouze pro znázornění; skutečný obvod potřebuje více komponent a bude o něm pojednáno dále v tomto článku. První operační zesilovač O1 měří napětí na 2 ^nd buněčné výpočtem rozdílu mezi 2 ^nd buněk terminálem a 1 ^prvním pólem článku, který je (8-4). Podobně operačního zesilovače O2 a O3 opatření 3 ^rd a 4 ^th napětí článku, resp. Pro ^první buňku jsme nepoužili operační zesilovač, protože mohl být měřen přímo.

Kruhový diagram

Kompletní schéma zapojení pro monitorování napětí více článků v lithiové baterii je uvedeno níže. Obvod byl navržen pomocí EasyEDA a použijeme to také pro výrobu naší desky plošných spojů.

Jak vidíte, máme v našem obvodu dva Quad balíček Rail to Rail High voltage op-amp OPA4197, oba napájené z celkového napětí packu. Jeden IC (U1) se používá jako obvod vyrovnávací paměti aka sledovač napětí, zatímco druhý IC (U2) se používá k vytvoření obvodu diferenciálního zesilovače. Vyrovnávací obvod je vyžadován, aby se zabránilo načtení jednotlivých buněk jednotlivě, což znamená, že žádný proud by neměl být spotřebován z jedné buňky, ale tvoří pouze balíček jako celek. Vzhledem k tomu, že vyrovnávací obvod má velmi vysokou vstupní impedanci, můžeme použít ke čtení napětí z článku, aniž bychom z něj odebírali energii.

Všechny čtyři operační zesilovače v IC U1 se používají k vyrovnávací paměti napětí čtyř článků. Vstupní napětí z článků jsou označena od B1 + do B4 + a vyrovnávací výstupní napětí je označeno od B1_Out do B4_Out. Toto vyrovnávací napětí je poté odesláno do diferenciálního zesilovače k ​​měření napětí jednotlivých článků, jak je uvedeno výše. Hodnota celého odporu je nastavena na 1K, protože zisk diferenciálního zesilovače je nastaven na jednotu. Můžete použít jakoukoli hodnotu rezistoru, ale všechny by měly mít stejnou hodnotu, s výjimkou rezistorů R13 a R14. Tyto dva odpory tvoří dělič potenciálu pro měření napětí baterie baterie, abychom ji mohli porovnat se součtem naměřených napětí článků.

Rail to Rail, vysokonapěťový operační zesilovač

Výše uvedený obvod vyžaduje, abyste použili vysokonapěťový operační zesilovač typu Rail to Rail, jako je OPA4197, a to ze dvou důvodů. Oba operační zesilovače pracují s napětím sady, které je maximálně (4,3 * 4) 17,2 V, proto by operační zesilovač měl být schopen zvládnout vysoké napětí. Protože používáme obvod vyrovnávací paměti, měl by se výstup vyrovnávací paměti rovnat napájecímu napětí pro terminál ^4. buňky, což znamená, že výstupní napětí by se mělo rovnat provoznímu napětí op-amp, proto musíme použít Rail to Železniční operační zesilovač

Pokud nemůžete najít operační zesilovač typu rail to rail, můžete IC nahradit jednoduchým LM324. Tento IC zvládne vysoké napětí, ale nemůže působit jako kolejnice na kolejnici, takže musíte použít pull up rezistor 10k na první kolík IC U1 Op-Amp.

Návrh a výroba desek plošných spojů pomocí Easy EDA

Nyní, když je náš okruh připraven, je čas si jej nechat vyrobit. Vzhledem k tomu, že operační zesilovač, který používám, je k dispozici pouze v balíčku SMD, musel jsem pro svůj obvod vyrobit desku plošných spojů. Jako vždy jsme tedy k výrobě naší desky plošných spojů použili online nástroj EDA s názvem EasyEDA, protože je velmi pohodlné ji používat, protože má dobrou sbírku stop a je otevřený.

Po návrhu desky plošných spojů si můžeme objednat vzorky desek plošných spojů pomocí jejich nízko nákladových služeb výroby desek plošných spojů. Nabízejí také službu sourcingu komponent, kde mají velkou zásobu elektronických součástek a uživatelé si mohou spolu s objednávkou PCB objednat požadované komponenty.

Při navrhování vašich obvodů a desek plošných spojů můžete také zveřejnit své návrhy obvodů a desek plošných spojů, aby je mohli ostatní uživatelé kopírovat nebo upravovat a mohli těžit z vaší práce. Také jsme pro tento obvod zveřejnili celé naše rozvržení obvodů a desek plošných spojů, zkontrolujte níže uvedený odkaz:

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

Můžete zobrazit libovolnou vrstvu (nahoře, dole, Topsilk, bottomsilk atd.) Desky plošných spojů výběrem vrstvy z okna „Layers“. Nedávno také představili možnost 3D zobrazení, takže si můžete také prohlédnout PCB s měřením napětí Multicell, jak to bude vypadat po výrobě pomocí tlačítka 3D View v EasyEDA:

Výpočet a objednávání vzorků online

Po dokončení návrhu tohoto obvodu pro měření napětí lithiových článků si můžete objednat desku plošných spojů prostřednictvím JLCPCB.com. Chcete-li objednat desku plošných spojů z JLCPCB, potřebujete soubor Gerber. Chcete-li stáhnout soubory Gerber z vašeho PCB, jednoduše klikněte na tlačítko Generovat soubor výroby na stránce editoru EasyEDA, odtud si stáhněte soubor Gerber nebo klikněte na Objednávka na JLCPCB, jak je znázorněno na následujícím obrázku. To vás přesměruje na JLCPCB.com, kde můžete vybrat počet desek plošných spojů, které chcete objednat, kolik měděných vrstev potřebujete, tloušťku desky plošných spojů, hmotnost mědi a dokonce i barvu desky plošných spojů, jako je snímek zobrazený níže:

Po kliknutí na objednávku na tlačítku JLCPCB se dostanete na webovou stránku JLCPCB, kde si můžete objednat jakoukoli barevnou PCB ve velmi nízké sazbě, která je u všech barev 2 $. Jejich doba výroby je také velmi kratší, což je 48 hodin s dodávkou DHL 3-5 dní, v podstatě dostanete PCB do týdne od objednání. Kromě toho také nabízejí slevu 20 $ na dopravu pro vaši první objednávku.

Po objednání desky plošných spojů můžete zkontrolovat průběh výroby desky plošných spojů s datem a časem. Zkontrolujete to tak, že přejdete na stránku Účet a kliknete na odkaz „Průběh výroby“ pod PCB, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Po několika dnech objednání desek plošných spojů jsem dostal vzorky desek plošných spojů v pěkném obalu, jak je znázorněno na obrázcích níže.

Poté, co se ujistil, že stopy a stopy jsou správné. Pokračoval jsem v sestavování desky plošných spojů, pomocí samičích hlaviček jsem umístil Arduino Nano a LCD, abych je mohl později odstranit, pokud je budu potřebovat pro jiné projekty. Níže kompletně připájená deska vypadá takto

Testování obvodu monitorování napětí

Po připájení všech komponentů jednoduše připojte baterii ke konektoru H1 na desce. Využil jsem propojovací kabely, abych zajistil, že v budoucnu náhodou nezměním připojení. Nepřipojujte jej nesprávným způsobem, protože by mohlo dojít ke zkratu a trvalému poškození baterií nebo obvodu. Moje PCB s baterií, kterou jsem použil pro testování, je uveden níže.

Nyní použijte multimetr na terminálu H2 k měření jednotlivých prodejních napětí. Terminál je označen čísly, aby bylo možné identifikovat napětí buňky, které je právě měřeno. Díky tomu můžeme dojít k závěru, že obvod funguje. Ale aby to bylo zajímavější, připojme LCD a pomocí Arduina změříme tyto hodnoty napětí a zobrazíme je na LCD obrazovce.

Měření napětí lithiového článku pomocí Arduina

Obvod pro připojení Arduina k naší desce plošných spojů je uveden níže. Ukazuje, jak připojit Arduino Nano k LCD.

Pin záhlaví H2 na desce plošných spojů by měl být připojen k analogovým pinům desky Arduino, jak je uvedeno výše. Analogové kolíky Al až A4 se používají k měření napětí čtyř článků, zatímco kolík A0 je připojen k kolíku záhlaví v 'P1. Tento v 'pin lze použít k měření celkového napětí sady. Také jsme připojili 1 ^st kolík P1 na Vin pin Arduino a 3 ^rd pin P1 o pozemní pin Arduino k moci Arduino s akumulátoru.

Můžeme napsat program pro měření všech čtyř buněk napětí a napětí baterie sady baterií a zobrazit jej na LCD. Aby to bylo zajímavější, přidal jsem také všechna čtyři napětí článků a porovnal hodnotu s naměřeným napětím v balení, abych zkontroloval, jak blízko měříme napětí.

Programování Arduina

Kompletní program naleznete na konci této stránky. Program je velmi jednoduchý, jednoduše použijeme funkci analogového čtení ke čtení napětí článků pomocí modulu ADC a zobrazení hodnoty vypočítaného napětí na LCD pomocí knihovny LCD.

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

Ve výše uvedeném fragmentu jsme změřili napětí článku 1 a vynásobili jej 5/1023, abychom převedli hodnotu 0 až 1023 ADC na skutečnou 0 až 5V. Poté vypočítanou hodnotu napětí zobrazíme na LCD. Podobně to děláme pro všechny čtyři články a také pro celou baterii. Také jsme použili proměnné celkové napětí k sečtení všech napětí článků a jejich zobrazení na LCD, jak je znázorněno níže.

float Total_Voltage = Cell_1 + Cell_2 + Cell_3 + Cell_4; // Přidejte všechny čtyři naměřené hodnoty napětí lcd.print ("Celkem:"); lcd.print (Total_Voltage);

Zobrazení napětí jednotlivých článků funguje

Jakmile jste připraveni na obvod a kód, nahrajte kód na desku Arduino a připojte powerbanku k desce plošných spojů. LCD by nyní měl zobrazovat napětí jednotlivých článků všech čtyř článků, jak je znázorněno níže.

Jak vidíte, napětí zobrazené na článku 1 až 4 je 3,78V, 3,78V, 3,82V a 3,84V. Takže jsem pomocí svého multimetru zkontroloval skutečné napětí těchto článků, které se ukázalo být trochu jiné, rozdíl je uveden v tabulce níže.

Měřené napětí	Skutečné napětí
3,78 V	3,78 V
3,78 V	3,78 V
3,82 V	3,81 V
3,84 V	3,82 V

Jak vidíte, máme přesné výsledky pro buňky jedna a dvě, ale u buněk 3 a 4 je chyba až 200 mV. To je u našeho návrhu s největší pravděpodobností očekáváno. Jelikož používáme obvod diferenciálního zesilovače op-amp, přesnost měřeného napětí se bude snižovat s rostoucím počtem článků.

Tato chyba je však opravená chyba a lze ji v programu opravit odebráním odečtů vzorků a přidáním multiplikátoru k opravě chyby. Na další LCD obrazovce můžete také vidět součet naměřeného napětí a skutečného napětí v balení, které bylo měřeno děličem potenciálu. Totéž je uvedeno níže.

Součet naměřených napětí je 15,21 V a skutečné napětí měřené přes pin A0 Arduina se ukáže jako 15,22 V. Rozdíl je tedy 100 mV, což není špatné. Zatímco tyto typy obvodů lze použít pro menší počet kalů, jako jsou napájecí banky nebo baterie notebooků. Elektrické vozidlo BMS používá speciální typ integrovaných obvodů, jako je LTC2943, protože ani chyba 100 mV není tolerovatelná. Přesto jsme se naučili, jak to udělat pro malý obvod, kde je cena omezením.

Kompletní opracování na nastavení lze nalézt na videu odkazujeme níže. Doufám, že se vám projekt líbil a naučili se z něj něco užitečného. Máte-li jakékoli dotazy, nechte je v sekci komentářů nebo použijte fóra pro rychlejší odpovědi.