Többcellás feszültségfigyelés lítium akkumulátorhoz elektromos járművekben

Az elektromos jármű futásteljesítménye és teljesítménye az akkumulátor kapacitásától és hatékonyságától függ. Az akkumulátor teljes állapotának fenntartása az Battery Management System (BMS) feladata. A BMS egy EV egyik kifinomult egysége, amely sok tevékenységet végez, például figyeli a sejteket, kiegyensúlyozza azokat, sőt megvédi őket a hőmérséklet változásától. Már eleget tanultunk róla ebben az Akkumulátorkezelő rendszer cikkben, ezért nézze meg őket, ha új vagy itt.

Bármi érdekében a BMS első lépése a lítium akkumulátorban lévő cellák aktuális állapotának megismerése lenne. Ez a csomagban lévő cellák feszültségének és áramerősségének (néha hőmérsékletének is) mérésével történik. Csak ezzel a két értékkel tudta a BMS kiszámítani az SOC vagy SOH értékeket és elvégezni a cellák kiegyensúlyozását, stb. Tehát a cella feszültségének és áramerősségének mérése létfontosságú bármely BMS áramkör számára, legyen az egyszerű power bank vagy laptop akkumulátor, vagy olyan bonyolult csomag, mint az EV / Napelemek.

Ebben a cikkben megtudhatjuk, hogyan mérhetjük meg a lítium akkumulátorban használt cellák egyedi cellafeszültségét. A projekt érdekében négy, egymásba kapcsolt lítium 18650 cellát fogunk használni egy akkumulátor kialakításához és egy egyszerű áramkört tervezünk op-erősítők segítségével az egyes cellák feszültségének mérésére és az Arduino segítségével történő LCD-képernyőn történő megjelenítésére.

Az egyes cellák feszültségének mérése egy sorozat akkumulátorban

Az a probléma, hogy az egyes cellák feszültségét mérni kell egy sorba kapcsolt akkumulátor csomagban, az az, hogy a referenciapont ugyanaz marad. Az alábbi kép is ezt szemlélteti

Tegyük fel, hogy az egyszerűség kedvéért mind a négy cella 4V feszültségszintű, amint azt a fentiekben bemutattuk. Ha most az Arduino-hoz hasonló mikrovezérlőt használunk a cellafeszültség mérésére, akkor nem lesz gondunk az ^1. cella feszültségének mérésével, mivel annak másik vége a földhöz van csatlakoztatva. De a többi cella esetében meg kell mérnünk a cella feszültségét az előző cellákkal együtt, például amikor a 4. cella feszültségét mérjük, akkor mind a négy cella feszültségét együtt mérjük. Ennek oka, hogy a referenciapont nem változtatható meg a talajtól.

Tehát be kell vezetnünk néhány extra áramkört, amely segíthet az egyes feszültségek mérésében. Nyers módon az, hogy egy potenciálosztót használunk a feszültségszintek feltérképezéséhez, majd méréséhez, de ez a módszer az olvasási érték felbontását több mint 0,1 V-ra csökkenti. Ezért ebben az oktatóanyagban az Op-Amp differenciál áramkört fogjuk használni az egyes cellák termináljai közötti különbség mérésére az egyedi feszültség méréséhez.

Differenciáláramkör az egyes cellák feszültségének mérésére

Már ismerjük az Op-Amp-ot, amikor differenciálerősítőként dolgozik, megadja a különbséget az invertáló és a nem invertáló csaphoz adott két feszültségérték között. Tehát 4 cellás feszültség méréséhez három differenciális op-erősítőre van szükségünk, az alábbiak szerint.

Vegye figyelembe, hogy ez a kép csak ábrázolásra szolgál; a tényleges áramkörnek további alkatrészekre van szüksége, és erről később a cikkben lesz szó. Az első műveleti erősítő O1 intézkedések a feszültséget a 2 ^nd sejt közötti különbség kiszámításával 2 ^nd sejt terminál és 1 ^st sejt terminált tartalmaz, amely (8-4). Hasonlóképpen az Op-AMP O2 és O3 intézkedések a 3 ^rd és 4 ^-én cellafeszültséget rendre. Még nem használt, op-amp az 1 ^st sejt, mivel lehetne közvetlenül mérni.

Kördiagramm

A lítium akkumulátor többsejtű feszültségének monitorozására vonatkozó teljes kapcsolási rajz az alábbiakban látható. Az áramkört az EasyEDA segítségével terveztük, és ugyanezt fogjuk használni a NYÁK gyártásához is.

Amint láthatja, az áramkörünkben két Quad csomag sín-sín nagyfeszültségű OPA4197 op-amp erősítő van, mindkettőt a teljes csomag feszültség táplálja. Az egyik IC-t (U1) egy buffer áramkör, más néven feszültségkövető, míg a másik IC-t (U2) használják a differenciálerősítő áramkör kialakítására. Puffer áramkörre van szükség annak megakadályozására, hogy bármelyik cella külön-külön terhelődjön, ami azt jelenti, hogy egyetlen cellából nem szabad áramot fogyasztani, hanem csak a csomag egészét kell alkotnia. Mivel a pufferáramkör nagyon nagy bemeneti impedanciával rendelkezik, leolvashatjuk a cella feszültségét anélkül, hogy áramot vonnánk belőle.

Az IC U1 mind a négy op-erősítőjét a négy cella feszültségének pufferolására használják. A cellákból származó bemeneti feszültségek B1 + - B4 +, a pufferelt kimeneti feszültség pedig B1_Out és B4_Out között vannak jelölve. Ezt a pufferolt feszültséget azután továbbítják a differenciál-erősítőbe, hogy mérjék az egyes cellák feszültségét, a fentiek szerint. Az összes ellenállás értéke 1K-ra van állítva, mivel a differenciálerősítő erősítése egységre van állítva. Bármely ellenállási értéket használhat, de mindegyiknek azonos értékűnek kell lennie, kivéve az R13 és R14 ellenállásokat. Ez a két ellenállás potenciálosztót képez az akkumulátor töltőfeszültségének mérésére, hogy összehasonlítani tudjuk a mért cellafeszültségek összegével.

Sínről sínre, nagyfeszültségű Op-Amp

A fenti áramkör két okból megköveteli, hogy az OPA4197-hez hasonló nagyfeszültségű op-amp-ot használjon Rail to Rail kétféle okból. Mindkét Op-Amp IC a maximális (4,3 * 4) 17,2 V feszültséggel működik, ezért az Op-erősítőnek képesnek kell lennie a magas feszültségek kezelésére. Továbbá mivel mi használ egy elválasztó-áramkör, a kimenet a puffer meg kell egyeznie, hogy a csomagolás feszültség a 4 ^-én -sejt terminális, azaz a kimeneti feszültség egyenlőnek kell lennie üzemi feszültsége az op-erősítő ezért meg kell használni egy Rail Sín op-amp

Ha nem találja a sínről a sínre erősítőt, akkor az IC-t egyszerű LM324-re cserélheti. Ez az IC képes kezelni a nagyfeszültséget, de nem működhet síntől a sínig, ezért 10k felhúzási ellenállást kell használnia az U1 Op-Amp IC első érintkezőjén.

NYÁK tervezés és gyártás az Easy EDA segítségével

Most, hogy az áramkörünk készen áll, itt az ideje, hogy elkészítsük. Mivel az általam használt Op-Amp csak SMD csomagban érhető el, gyártanom kellett egy áramköri lapot. Tehát, mint mindig, az EDA-t, az EasyEDA nevű eszközt is használtuk a NYÁK gyártásához, mert nagyon kényelmes használni, mivel jó a lábnyomok gyűjteménye, és nyílt forráskódú.

A NYÁK megtervezése után megrendelhetjük a NYÁK-mintákat olcsó PCB-gyártási szolgáltatásaikkal. Komponens beszerzési szolgáltatást is kínálnak, ahol nagy mennyiségű elektronikus alkatrész áll rendelkezésükre, és a felhasználók megrendelhetik a szükséges alkatrészeket a NYÁK megrendeléssel együtt.

Az áramkörök és a NYÁK-k tervezése közben az áramköri és a NYÁK-terveket is nyilvánossá teheti, hogy más felhasználók másolhassák vagy szerkeszthessék azokat, és kihasználhassák munkáját, mi is az egész áramkör- és NYÁK-elrendezésünket nyilvánossá tettük ehhez az áramkörhöz, ellenőrizze az alábbi link:

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

Megtekintheti a NYÁK bármely rétegét (felső, alsó, felső tej, alsó tej stb.), Ha kiválasztja a réteget a „Rétegek” ablakból. A közelmúltban bevezették a 3D nézet opciót is, így megtekintheti a többsejtű feszültségmérő NYÁK-t is, hogy hogyan fog kinézni a gyártás az EasyEDA 3D nézet gombjával:

Minták kiszámítása és megrendelése online

Miután befejezte ennek a lítiumcellás feszültségmérő áramkörnek a tervezését, megrendelheti a NYÁK-t a JLCPCB.com oldalon keresztül. A NYÁK megrendeléséhez a JLCPCB-től Gerber File szükséges. A NYÁK-ból származó Gerber fájlok letöltéséhez kattintson az EasyEDA szerkesztő oldalán a Gyártási fájl előállítása gombra, majd töltse le onnan a Gerber fájlt, vagy kattintson a Rendelés a JLCPCB-n gombra, az alábbi képen látható módon. Ez átirányítja a JLCPCB.com webhelyre, ahol kiválaszthatja a megrendelni kívánt NYÁK-k számát, hány rézréteget, a NYÁK vastagságát, a réz súlyát és még a NYÁK színét is, például az alább látható pillanatképet:

Miután rákattintott a JLCPCB gombra a megrendelésre, eljut a JLCPCB weboldalára, ahol bármilyen színes NYÁK-t nagyon alacsony áron rendelhet meg, ami 2 dollár az összes színhez. Gyártási idejük szintén rövidebb, ami 48 óra 3-5 napos DHL szállítás esetén, alapvetően a PCB-ket a megrendeléstől számított egy héten belül megkapja. Sőt, 20 dolláros engedményt is kínálnak az első megrendelés szállításához.

A NYÁK megrendelése után ellenőrizheti a NYÁK előrehaladását dátummal és idővel. Ezt a Fiók oldalon keresztül ellenőrizheti, és kattintson a "Gyártás előrehaladása" linkre a NYÁK alatt, hasonlóan az alábbi képhez.

Néhány napos PCB-k megrendelése után kaptam a PCB-mintákat szép csomagolásban, az alábbi képeken látható módon.

Miután megbizonyosodott arról, hogy a nyomok és a lábnyomok helyesek-e. Folytattam a NYÁK összeállítását, női fejlécekkel helyeztem el az Arduino Nano és az LCD-t, hogy később eltávolíthassam őket, ha szükségem van rájuk más projektekhez. A teljesen forrasztott tábla az alábbiakban így néz ki

A feszültségfigyelő áramkör tesztelése

Az összes alkatrész forrasztása után egyszerűen csatlakoztassa az akkumulátort a kártya H1 csatlakozójához. Csatlakozó kábeleket használtam annak biztosítására, hogy a jövőben véletlenül ne változtassam meg a kapcsolatot. Legyen nagyon óvatos, ne csatlakoztassa rosszul, mert rövidzárlathoz vezethet, és tartósan károsíthatja az elemeket vagy az áramkört. A teszteléshez használt akkumulátorral ellátott nyomtatott áramköri lapom az alábbiakban látható.

Most használja a H2 terminál multiméterét az egyes eladási feszültségek mérésére. A terminált számokkal jelölik a mért áram cellafeszültségének azonosítására. Ezzel megállapíthatjuk, hogy az áramkör működik. De hogy még érdekesebb legyen, csatlakoztassunk egy LCD-t, és egy Arduino segítségével mérjük meg ezeket a feszültségértékeket és jelenítsük meg az LCD képernyőn.

A lítium cella feszültségének mérése Arduino segítségével

Az áramkör, amely az Arduino-t a NYÁK-hoz csatlakoztatja, az alábbiakban látható. Bemutatja, hogyan lehet az Arduino Nano-t csatlakoztatni az LCD-hez.

A NYÁK H2 fejléccsapját a fentiek szerint össze kell kötni az Arduino kártya analóg csapjaival. Az A1 - A4 analóg csapok a négy cellafeszültség mérésére szolgálnak, míg az A0 csap a P1 v 'fejléc csapjára van csatlakoztatva. Ezzel a v 'csap segítségével mérhető a teljes csomag feszültsége. Azt is csatlakozik a 1 ^st pin P1 a Vin pin az Arduino és 3 ^-án csap a P1 o a földre csap Arduino hatalomra Arduino az akkumulátort.

Írhatunk egy programot az akkumulátor mind a négy cellafeszültségének és feszültségének mérésére, és megjeleníthetjük az LCD-n. Érdekesebbé tétele érdekében hozzáadtam mind a négy cellafeszültséget, és összehasonlítottam az értéket a mért csomagfeszültséggel, hogy ellenőrizzem, mennyire közelről mérjük a feszültséget.

Az Arduino programozása

A teljes program az oldal végén található. A program nagyon egyszerű, egyszerűen az analóg olvasás funkcióval olvassuk le a cellák feszültségét az ADC modul segítségével, és a kiszámított feszültség értékét az LCD könyvtár segítségével jelenítsük meg.

float Cell_1 = analogRead (A1) * (5,0 / 1023,0); // Mérjük meg az 1. cella feszültségét lcd.print ("C1:"); lcd.print (Cell_1);

A fenti részletben megmértük az 1. cella feszültségét, és megszoroztuk 5/1023 értékkel, hogy a 0-ról 1023 ADC-értéket tényleges 0-ról 5 V-ra konvertáljuk. Ezután megjelenítjük a számított feszültségértéket az LCD-n. Hasonlóképpen tesszük ezt mind a négy cellára és a teljes akkumulátorra is. A változó összfeszültséget az összes cellafeszültség összegzéséhez és az LCD-n való megjelenítéséhez is használtuk, az alábbiak szerint.

float Total_Voltage = Cell_1 + Cell_2 + Cell_3 + Cell_4; // Adja hozzá mind a négy mért feszültségértéket lcd.print ("Összesen:"); lcd.print (Teljes_Feszültség);

Egyéni cellafeszültség kijelző működik

Miután elkészült az áramkörrel és a kóddal, töltse fel a kódot az Arduino táblára, és csatlakoztassa az árambankot a NYÁK-hoz. Az LCD-nek most meg kell jelenítenie mind a négy cella egyedi cellafeszültségét, az alábbiak szerint.

Amint láthatja, az 1–4 cellára kijelzett feszültség 3,78 V, 3,78 V, 3,82 V és 3,84 V. Tehát a multiméteremmel ellenőriztem ezeknek a celláknak a tényleges feszültségét, amelyek kissé eltérnek, a különbség az alábbiakban található.

Mért feszültség	Tényleges feszültség
3,78 V	3,78 V
3,78 V	3,78 V
3,82 V	3.81V
3,84V	3,82 V

Amint láthatja, pontos eredményeket kapunk az első és a második cellára vonatkozóan, de a 3. és a 4. cellánál 200 mV-os hiba lép fel. Ez a tervezésünkre várható leginkább. Mivel op-amp differenciáló áramkört használunk, a mért feszültség pontossága a cellák számának növekedésével csökken.

De ez a hiba fix hiba, és kijavítható a programban, mintaolvasásokkal és szorzó hozzáadásával a hiba kijavításához. A következő LCD képernyőn a mért feszültség és a potenciális osztón keresztül mért tényleges csomagfeszültség összegét is láthatja. Ugyanez látható az alábbiakban.

A mért feszültségek összege 15,21 V, és az Arduino A0 érintkezőjén keresztül mért tényleges feszültség 15,22 V. Így a különbség 100 mV, ami nem rossz. Míg az ilyen típusú áramkörök kisebb számú seprőhöz használhatók, mint például az energiabankokban vagy a laptop akkumulátoraiban. Az elektromos jármű BMS speciális típusú IC-ket használ, mint az LTC2943, mert még 100 mV-os hiba sem tolerálható. Mindazonáltal megtanultuk, hogyan kell ezt megtenni kisméretű áramköröknél, ahol az ár korlát.

A beállítás teljes működése az alábbi linken található videón található. Remélem, hogy tetszett a projekt, és hasznosat tanult belőle. Ha bármilyen kérdése van, hagyja őket a megjegyzés részben, vagy használja a fórumot a gyorsabb válaszadáshoz.