Monitorització de tensió multicèl·lula per a bateries de liti en vehicles elèctrics

El quilometratge i el rendiment d'un vehicle elèctric depèn de la capacitat i l'eficiència del seu paquet de bateries. Mantenir el paquet de bateries en plena salut és responsabilitat del sistema de gestió de bateries (BMS). Un BMS és una unitat sofisticada en un EV que fa molta activitat com controlar les cèl·lules, equilibrar-les i fins i tot protegir-les dels canvis de temperatura. Ja n’hem après prou en aquest article sobre el sistema de gestió de bateries, així que consulteu-los si sou nous aquí.

Per fer qualsevol cosa, el primer pas per al BMS seria conèixer l’estat actual de les cel·les del paquet de bateries de liti. Això es fa mesurant el voltatge i el corrent (de vegades també la temperatura) de les cèl·lules del paquet. Només amb aquests dos valors, el BMS podria calcular el SOC o SOH i realitzar un equilibri de cel·la, etc. Per tant, mesurar el voltatge i el corrent de la cel·la és vital per a qualsevol circuit BMS, ja sigui un simple banc de potència o una bateria de portàtil o un paquet tan complicat com EV / Bateries solars.

En aquest article aprendrem com podem mesurar el voltatge individual de les cel·les que s’utilitzen en un paquet de bateries de liti. Per aquest projecte, utilitzarem quatre cèl·lules de liti 18650 connectades en sèrie per formar un paquet de bateries i dissenyarem un circuit senzill amb amplificadors operatius per mesurar els voltatges de les cèl·lules individuals i mostrar-lo en una pantalla LCD mitjançant Arduino.

Mesurament del voltatge de les cèl·lules individuals en una pila de bateries de la sèrie

El problema de mesurar el voltatge de la cèl·lula individual en un paquet de bateries connectades en sèrie és que el punt de referència continua sent el mateix. La imatge següent il·lustra el mateix

Per simplificar, suposem que les quatre cel·les tenen un nivell de voltatge de 4V, tal com es mostra més amunt. Ara, si fem servir un microcontrolador com Arduino per mesurar la tensió de la cel·la, no tindrem cap problema a mesurar la tensió de la ^primera cel·la, ja que té l'altre extrem connectat a terra. Però, per a les altres cel·les hem de mesurar el voltatge d’aquesta cel·la juntament amb les cel·les anteriors, per exemple, quan mesurem la tensió de la quarta cel·la, mesurarem la tensió de les quatre cel·les juntes. Això es deu al fet que el punt de referència no es pot canviar des del terra.

Per tant, hem d’introduir aquí un circuit addicional que ens pugui ajudar a mesurar les tensions individuals. En brut, és utilitzar un divisor de potencial per assignar els nivells de tensió i mesurar-los, però aquest mètode reduirà la resolució del valor de lectura a més de 0,1 V. Per tant, en aquest tutorial utilitzarem el circuit diferencial Op-Amp per mesurar la diferència entre els terminals de cada cel·la per mesurar la tensió individual.

Circuit diferencial per mesurar la tensió de la cèl·lula individual

Ja coneixem un Op-Amp quan treballem com a amplificador diferencial, dóna la diferència entre els dos valors de tensió proporcionats al seu pin inversor i no inversor. Per tant, per mesurar voltatges de 4 cel·les, necessitem tres amplificadors operatius diferencials, tal com es mostra a continuació.

Tingueu en compte que aquesta imatge només és per a representació; el circuit real necessita més components i es parlarà més endavant en aquest article. El primer amplificador operacional O1 mesura el voltatge de la ^segona cel·la calculant la diferència entre la terminal de la ^segona cel·la ⁱ la terminal de la ^primera cel·la que és (8-4). De la mateixa manera l'amplificador operacional O2 i O3 mesures de la 3 ^ª i 4 ^ª voltatge de la cèl·lula, respectivament. No hem utilitzat un amplificador operatiu per a la ^primera cel·la ja que es podria mesurar directament.

Esquema de connexions

A continuació es mostra el diagrama complet del circuit per controlar la tensió multicèl·lula del paquet de bateries de liti. El circuit es va dissenyar amb EasyEDA i farem servir el mateix per fabricar també el nostre PCB.

Com podeu veure, tenim dos amplificadors opcionals OPA4197 d'alta tensió Rail to Rail OPA4197 al nostre circuit, ambdós alimentats per la tensió total del paquet. Un IC (U1) s'utilitza com a circuit de memòria intermèdia (aka buffer circuit), mentre que l'altre IC (U2) s'utilitza per formar el circuit d'amplificador diferencial. Es requereix un circuit de memòria intermèdia per evitar que qualsevol de les cel·les es carregui individualment, ja que no hi ha corrent que s’ha de consumir des d’una sola cel·la sinó que només formi el paquet en conjunt. Com que el circuit de memòria intermèdia té una impedància d’entrada molt alta, podem utilitzar per llegir el voltatge de la cel·la sense treure’n energia.

Tots els quatre amplificadors operatius de l'IC U1 s'utilitzen per emmagatzemar el voltatge de les quatre cel·les respectivament. Les tensions d’entrada de les cel·les s’etiqueten de B1 + a B4 + i la tensió de sortida emmagatzemada s’etiqueta de B1_Out a B4_Out. Aquesta tensió emmagatzemada s'envia a l'amplificador de diferencial per mesurar la tensió de la cèl·lula individual, tal com s'ha comentat anteriorment. El valor de tota la resistència s’estableix a 1K, ja que el guany de l’amplificador diferencial s’estableix a unitat. Podeu utilitzar qualsevol valor de resistència, però tots haurien de tenir el mateix valor, excepte per a les resistències R13 i R14. Aquests dos resistors formen un divisor de potencial per mesurar la tensió del paquet de la bateria de manera que puguem comparar-la amb la suma de tensions de cel·la mesurades.

Rail to Rail, Op-Amp d'alta tensió

El circuit anterior requereix que utilitzeu un amplificador operatiu d’alta tensió Rail to Rail com l’OPA4197 per dos motius. Tant el CI Op-Amp funciona amb un voltatge de paquet que és màxim de (4,3 * 4) 17,2 V, per tant l’amplificador Op ha de ser capaç de manejar tensions elevades. Així mateix, ja que estem utilitzant un circuit de memòria intermèdia, la sortida de la memòria intermèdia ha de ser igual per empacar tensió pel 4 ^º terminal de la cèl·lula, és a dir, la tensió de sortida ha de ser igual a l'voltatge de funcionament de l'op-amp, per tant, hem d'utilitzar un carril a Amplificador operatiu ferroviari

Si no podeu trobar un amplificador operatiu rail to rail, podeu substituir l'IC per un simple LM324. Aquest CI pot manejar alta tensió però no pot actuar de rail a rail, de manera que haureu d’utilitzar una resistència de tracció de 10 k al primer pin de l’IC Op-Amp IC.

Disseny i fabricació de PCB amb Easy EDA

Ara que el nostre circuit està a punt, és hora de fabricar-lo. Com que l'Op-Amp que estic fent servir només està disponible en paquet SMD, vaig haver de fabricar un PCB per al meu circuit. Per tant, com sempre, hem utilitzat l’eina EDA en línia anomenada EasyEDA per fabricar el nostre PCB perquè és molt còmode d’utilitzar, ja que té una bona col·lecció d’empremtes i és de codi obert.

Després de dissenyar el PCB, podem demanar les mostres de PCB pels seus serveis de fabricació de PCB de baix cost. També ofereixen un servei d’aprovisionament de components on tenen un gran estoc de components electrònics i els usuaris poden demanar els components necessaris juntament amb la comanda de PCB.

Mentre dissenyeu els vostres circuits i PCBs, també podeu fer públics els vostres dissenys de circuits i PCBs perquè altres usuaris puguin copiar-los o editar-los i aprofitar-se del vostre treball, també hem fet públics tots els dissenys de circuits i PCB d’aquest circuit. l'enllaç següent:

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

Podeu veure qualsevol capa (superior, inferior, topsilk, seda inferior, etc.) del PCB seleccionant la capa de la finestra "Capes". Recentment també han introduït una opció de visualització 3D perquè pugueu visualitzar el PCB de mesura de voltatge multicel·lular, sobre com quedarà després de la fabricació mitjançant el botó Vista 3D a EasyEDA:

Càlcul i ordenació de mostres en línia

Després de completar el disseny d’aquest circuit de mesura de la tensió de les cèl·lules de liti, podeu demanar el PCB a través de JLCPCB.com. Per demanar el PCB a JLCPCB, necessiteu Gerber File. Per descarregar fitxers Gerber del vostre PCB, feu clic al botó Generar fitxer de fabricació de la pàgina de l'editor EasyEDA i, a continuació, descarregueu el fitxer Gerber des d'allà o podeu fer clic a Comanda a JLCPCB com es mostra a la imatge següent. Això us redirigirà a JLCPCB.com, on podeu seleccionar el nombre de PCB que voleu demanar, quantes capes de coure necessiteu, el gruix del PCB, el pes del coure i fins i tot el color del PCB, com la instantània que es mostra a continuació:

Després de fer clic a la comanda al botó JLCPCB, us portarà al lloc web de JLCPCB, on podreu demanar qualsevol PCB de color amb una tarifa molt baixa, que és de $ 2 per a tots els colors. El seu temps de construcció també és molt inferior, és a dir, 48 hores amb un lliurament DHL de 3-5 dies, bàsicament obtindreu els vostres PCB en una setmana després de la comanda. A més, també ofereixen un descompte de 20 dòlars en l’enviament de la primera comanda.

Després de demanar el PCB, podeu comprovar el progrés de producció del PCB amb la data i l'hora. Per comprovar-ho, aneu a la pàgina del compte i feu clic a l'enllaç "Progrés de producció" que hi ha a sota del PCB, com es mostra a la imatge següent

Després d’uns dies de demanar PCB, vaig obtenir les mostres de PCB en un bon embalatge, tal com es mostra a les imatges següents.

Després d'assegurar-se que les petjades i les petjades eren correctes. Vaig procedir al muntatge del PCB, vaig utilitzar capçaleres femenines per col·locar l'Arduino Nano i el LCD perquè puguin eliminar-les més endavant si les necessito per a altres projectes. El tauler completament soldat té aquest aspecte a continuació

Prova del circuit de control de tensió

Després de soldar tots els components, simplement connecteu la bateria al connector H1 de la placa. He fet ús de cables de connexió per assegurar-me de no canviar la connexió en un futur per accident. Tingueu molta cura de no connectar-lo de manera equivocada, ja que podria provocar un curtcircuit i danyar les bateries o el circuit permanentment. A continuació es mostra el meu PCB amb el paquet de bateries que he utilitzat per provar.

Ara utilitzeu el multímetre del terminal H2 per mesurar les tensions de venda individuals. El terminal està marcat amb números per identificar el voltatge de la cèl·lula que s'està mesurant. Amb aquí podem concloure que el circuit funciona. Però per fer-ho més interessant, connectem una pantalla LCD i utilitzem un Arduino per mesurar aquests valors de voltatge i mostrar-los a la pantalla LCD.

Mesurament del voltatge de les cèl·lules de liti mitjançant Arduino

A continuació es mostra el circuit per connectar l’Arduino al nostre PCB. Mostra com connectar l'Arduino Nano a la pantalla LCD.

El pin H2 de la capçalera del PCB s'hauria de connectar als pins analògics de la placa Arduino tal com es mostra a la part anterior. Els pins analògics A1 a A4 s’utilitzen per mesurar els voltatges de les quatre cel·les respectivament, mentre que el pin A0 està connectat al pin v’de capçalera de P1. Aquest pin V es pot utilitzar per mesurar la tensió total del paquet. També hem connectat l'1 ^st passador de P1 a el pin Vin de l'Arduino i 3 ^rd passador de P1 o el connector de terra d'Arduino a el poder l'Arduino amb el paquet de bateria.

Podem escriure un programa per mesurar els voltatges de les quatre cel·les i el voltatge del paquet de la bateria i mostrar-lo a la pantalla LCD. Per fer-ho més interessant, també he afegit les quatre tensions de les cel·les i he comparat el valor amb el voltatge del paquet mesurat per comprovar fins a quin punt mesurem el voltatge.

Programació de l'Arduino

El programa complet es troba al final d’aquesta pàgina. El programa és bastant senzill, simplement utilitzem la funció de lectura analògica per llegir les tensions de les cel·les mitjançant el mòdul ADC i mostrar el valor del voltatge de càlcul a la pantalla LCD mitjançant la biblioteca LCD.

float Cell_1 = analogRead (A1) * (5.0 / 1023.0); // Mesureu la primera tensió de la cel·la lcd.print ("C1:"); lcd.print (Cell_1);

Al fragment anterior hem mesurat el voltatge de la cel·la 1 i l'hem multiplicat per 5/1023 per convertir el valor ADC de 0 a 1023 a 0 a 5V real. A continuació, mostrem el valor de tensió calculat a la pantalla LCD. De la mateixa manera, ho fem per a les quatre cel·les i per a la bateria total. També hem utilitzat la tensió total variable per resumir totes les tensions de la cèl·lula i mostrar-la a la pantalla LCD com es mostra a continuació.

float Voltatge_Total = Cèl·lula_1 + Cèl·lula_2 + Cèl·lula_3 + Cel_4; // Afegiu els quatre valors de tensió mesurats lcd.print ("Total:"); lcd.print (Voltatge_Total);

Funcionament de la visualització de la tensió de la cèl·lula individual

Un cop estigueu llest amb el circuit i el codi, pengeu el codi a la placa Arduino i connecteu el banc d’alimentació a la PCB. Ara la pantalla LCD hauria de mostrar el voltatge de les cel·les individuals de les quatre cel·les, tal com es mostra a continuació.

Com podeu veure, la tensió que es mostra per a les cel·les 1 a 4 és de 3,78V, 3,78V, 3,82V i 3,84V respectivament. Llavors vaig utilitzar el multímetre per comprovar el voltatge real d’aquestes cel·les que va resultar ser una mica diferent. A continuació es mostra la diferència.

Voltatge mesurat	Tensió real
3,78V	3,78V
3,78V	3,78V
3,82V	3,81V
3,84V	3,82V

Com podeu veure, obtenim resultats precisos per a les cel·les una i dues, però hi ha un error de fins a 200 mV per a les cel·les 3 i 4. Això és el més probable que sigui esperable per al nostre disseny. Com que fem servir un circuit diferencial d’amplificadors operatius, la precisió del voltatge mesurat disminuirà a mesura que augmenti el nombre de cel·les.

Però aquest error és un error fix i es pot corregir al programa prenent lectures de mostra i afegint un multiplicador per corregir l’error. A la següent pantalla LCD també podeu veure la suma de la tensió mesurada i la tensió real del paquet que es va mesurar mitjançant el divisor de potencial. El mateix es mostra a continuació.

La suma de les tensions mesurades és de 15,21 V i la tensió real mesurada a través del pin A0 d'Arduino resulta ser de 15,22 V. Així, la diferència és de 100 mV, cosa que no està gens malament. Tot i que aquest tipus de circuit es pot fer servir per obtenir un nombre menor de mares com en bancs de potència o bateries de portàtils. El vehicle elèctric BMS utilitza un tipus especial de circuits integrats com el LTC2943 perquè fins i tot un error de 100 mV no és tolerable. Tot i això, hem après a fer-ho per a circuits a petita escala on el preu és una restricció.

El funcionament complet de la configuració es troba al vídeo enllaçat a continuació. Espero que us hagi agradat el projecte i n'hagueu après alguna cosa útil. Si teniu alguna pregunta, deixeu-los a la secció de comentaris o utilitzeu els fòrums per obtenir respostes més ràpides.