ניטור מתח רב-תאי למארזי סוללות ליתיום ברכבים חשמליים

הקילומטראז 'והביצועים של רכב חשמלי תלויים בקיבולת וביעילות של סוללת הסוללה שלו. האחריות של מערכת ניהול הסוללות (BMS) היא לשמור על בריאות הסוללה. BMS היא יחידה מתוחכמת ב- EV שעושה פעילות רבה כמו ניטור התאים, איזון ביניהם ואף הגנה עליהם מפני שינויי טמפרטורה. כבר למדנו מספיק במאמר זה של מערכת ניהול סוללות, אז בדקו אם אתם חדשים כאן.

כדי לעשות הכל, הצעד הראשון עבור ה- BMS יהיה לדעת את המצב הנוכחי של התאים בסוללת ליתיום. זה נעשה על ידי מדידת המתח והזרם (לפעמים גם הטמפרטורה) של התאים באריזה. רק עם שני הערכים הללו ה- BMS יכול היה לחשב את ה- SOC או ה- SOH ולבצע איזון תאים וכו '. לכן מדידת המתח והזרם של התא חיונית לכל מעגל BMS, בין אם מדובר בבנק כוח פשוט או בסוללה למחשב נייד או בחבילה מסובכת כמו EV / סוללות סולאריות.

במאמר זה נלמד כיצד אנו יכולים למדוד את מתח התאים האישי של התאים המשמשים בסוללת ליתיום. לצורך פרויקט זה נשתמש בארבעה תאי ליתיום 18650 המחוברים בסדרה ליצירת מארז סוללות ונעצב מעגל פשוט באמצעות מגברי אופציה למדידת מתח המתאים הבודד ולהצגתו על גבי מסך LCD באמצעות ארדואינו.

מדידת מתח תא בודד בערמת סוללות מסדרה

הבעיה במדידת מתח תא בודד בחבילה של סוללה מחוברת בסדרה היא שנקודת הייחוס נשארת זהה. התמונה למטה ממחישה את אותו הדבר

למען הפשטות נניח שכל ארבעת התאים נמצאים ברמת מתח של 4V כפי שמוצג לעיל. עכשיו אם נשתמש מיקרו כמו Arduino כדי למדוד את מתח התא, לא תהיה לנו בעיה במדידת מתח של 1 ^st תא שכן יש את הקצה השני מחובר לקרקע. אבל עבור התאים האחרים עלינו למדוד את המתח של אותו תא יחד עם התאים הקודמים, למשל כאשר אנו מודדים את המתח של התא הרביעי נמדוד את המתח של כל ארבעת התאים יחד. הסיבה לכך היא שלא ניתן לשנות את נקודת הייחוס מהקרקע.

אז אנחנו צריכים להציג כאן מעגל נוסף שיכול לעזור לנו למדוד את המתחים האישיים. בדרך הגסה היא להשתמש במחלק פוטנציאלי כדי למפות את רמות המתח ואז למדוד אותם, אך שיטה זו תפחית את רזולוציית ערך הקריאה ליותר מ- 0.1 וולט. מכאן שבמדריך זה נשתמש במעגל ההפרש Op-Amp כדי למדוד את ההפרש בין כל מסופי תא למדידת מתח בודד.

מעגל דיפרנציאלי למדידת מתח תא בודד

אנו כבר מכירים מגבר אופ-אמפר בעת עבודה כמגבר דיפרנציאלי נותן את ההבדל בין שני ערכי המתח המסופקים לסיכה ההפוכה והלא-הופכת שלו. אז לצורך מדידתנו של 4 מתח תאים אנו זקוקים לשלושה מגברים אופפרנציאליים כמוצג להלן.

שים לב שתמונה זו מיועדת לייצוג בלבד; המעגל בפועל זקוק לרכיבים נוספים ויידון בהמשך מאמר זה. מודד O1 op-amp הראשון המתח של 2 ^nd התא על ידי חישוב ההפרש בין 2 ^nd מסוף התא 1 ^st מסוף התא כי הוא (8-4). בדומה לכך O2 אופ-אמפר ו O3 מודד את 3 ^rd ו 4 ^th מתח התא בהתאמה. לא השתמשנו במגבר ^אופטי לתא הראשון שכן ניתן היה למדוד אותו ישירות.

תרשים מעגל

תרשים המעגל השלם לניטור מתח רב-תאי בסוללת ליתיום מובא להלן. המעגל תוכנן באמצעות EasyEDA ונשתמש בו כדי לייצר את ה- PCB שלנו גם כן.

כפי שאתה יכול לראות, יש לנו שתי מסילות חבילה מרובעות למסילה במגבר OPA4197 במתח גבוה, והן מופעלות על ידי מתח החבילה הכולל. IC אחד (U1) משמש במעגל מאגר מייצר aka חסיד מתח ואילו IC השני (U2) משמש ליצירת מעגל המגבר הדיפרנציאלי. נדרש מעגל חיץ בכדי למנוע כל אחד מהתאים להיטען בנפרד, ואין צורך לצרוך זרם מתא בודד אלא רק ליצור את החבילה כולה. מכיוון שלמעגל המאגר יש עכבת כניסה גבוהה מאוד נוכל לקרוא את המתח מהתא מבלי לשאוב ממנו כוח.

כל ארבעת המגברים ב- IC U1 משמשים לאגירת המתח של ארבעת התאים בהתאמה. מתח הכניסה מהתאים מסומן מ- B1 + ל- B4 + ומתח המוצא המאגר מסומן מ- B1_Out ל- B4_Out. מתח שנאגר זה נשלח למגבר הבידול כדי למדוד את המתח התא האישי כפי שפורט לעיל. הערך של כל הנגד מוגדר ל- 1K מכיוון שהרווח של מגבר הדיפרנציאל מוגדר לאחדות. אתה יכול להשתמש בכל ערך נגד, אך כולם צריכים להיות בעלי אותו ערך, למעט הנגדים R13 ו- R14. שני נגדים אלה יוצרים מחלק פוטנציאלי למדידת מתח החבילה של הסוללה כדי שנוכל להשוות אותה לסכום המתחים הנמדדים של התאים.

מסילה למסילה, מגבר מתח גבוה

המעגל הנ"ל מחייב אותך להשתמש במגבר מתח גבוה כמו Rail OP5, כמו OPA4197, בגלל שתי סיבות. שניהם IC ה- Op-Amp פועל עם מתח החבילה המרבי (4.3 * 4) 17.2V, ומכאן שמגבר ה- Op אמור להיות מסוגל להתמודד עם מתח גבוה. כמו כן, מאז אנחנו משתמשים מעגל חיץ, התפוקה של המאגר אמורה להיות שווה לארוז מתח עבור 4 ^th מסוף התא, כלומר מתח המוצא צריך להיות שווה מתח הפעלה של op-amp ומכאן אנו צריכים להשתמש Rail כדי מגבר אופציונלי

אם אתה לא יכול למצוא מסילה למגבר אופציונלי, אתה יכול להחליף את ה- IC ב- LM324 פשוט. IC זה יכול להתמודד עם מתח גבוה אך אינו יכול לשמש כמעקה למעקה, לכן עליכם להשתמש בנגיף משיכה של 10k על הסיכה הראשונה של U1 Op-Amp IC.

תכנון וייצור PCB באמצעות EDA קל

עכשיו, כשהמעגל שלנו מוכן, הגיע הזמן לייצר אותו. מכיוון שה- Am-Amp שאני משתמש בו זמין רק בחבילת SMD הייתי צריך לייצר PCB למעגל שלי. לכן, כמו תמיד השתמשנו בכלי ה- EDA המקוון שנקרא EasyEDA כדי לייצר את ה- PCB שלנו מכיוון שהוא נוח מאוד לשימוש מכיוון שיש בו אוסף טוב של טביעות רגל והוא קוד פתוח.

לאחר תכנון ה- PCB, אנו יכולים להזמין את דגימות ה- PCB על ידי שירותי ייצור PCB בעלות נמוכה. הם מציעים גם שירות מקורות רכיבים כאשר יש להם מלאי גדול של רכיבים אלקטרוניים ומשתמשים יכולים להזמין את הרכיבים הנדרשים שלהם יחד עם הזמנת ה- PCB.

תוך כדי תכנון המעגלים וה- PCB שלך, אתה יכול גם להפוך את המעגלים והעיצובי שלך ל- PCB לציבוריים, כך שמשתמשים אחרים יוכלו להעתיק או לערוך אותם ויכולים להפיק תועלת מהעבודה שלך, הפכנו גם את כל פריסות המעגל וה- PCB לציבוריות למעגל זה, בדוק הקישור למטה:

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

באפשרותך להציג כל שכבה (עליונה, תחתונה, עלי טופס, שמן תחתון וכו ') של ה- PCB על ידי בחירת השכבה מחלון' שכבות '. לאחרונה הם גם הציגו אפשרות תצוגה תלת-ממדית, כך שתוכלו גם להציג את ה- PCB למדידת מתח רב-תאי, כיצד הוא ייראה לאחר ייצור באמצעות כפתור התצוגה התלת - ממדית ב- EasyEDA:

חישוב והזמנת דוגמאות באופן מקוון

לאחר השלמת התכנון של מעגל מדידת מתח תא ליתיום זה, ניתן להזמין את המעגלים המעגלים באמצעות JLCPCB.com. כדי להזמין את ה- PCB מ- JLCPCB, אתה זקוק ל- Gerber File. כדי להוריד קבצי גרבר של ה- PCB שלך פשוט לחץ על הלחצן צור קובץ ייצור בדף העורך של EasyEDA ואז הורד את קובץ הגרבר משם או לחץ על הזמנה ב- JLCPCB כפי שמוצג בתמונה למטה. פעולה זו תפנה אותך אל JLCPCB.com, שם תוכל לבחור את מספר PCB שאתה רוצה להזמין, כמה שכבות נחושת אתה צריך, עובי PCB, משקל נחושת ואפילו צבע PCB, כמו תמונת המצב המוצגת להלן:

לאחר לחיצה על ההזמנה בכפתור JLCPCB, זה ייקח אתכם לאתר JLCPCB שם תוכלו להזמין כל PCB צבעוני בתעריף נמוך מאוד שהוא 2 $ לכל הצבעים. זמן הבנייה שלהם הוא גם פחות, כלומר 48 שעות עם אספקת DHL של 3-5 ימים, בעיקרון תקבלו את ה- PCB שלכם תוך שבוע מרגע ההזמנה. יתר על כן, הם מציעים גם הנחה של 20 $ על המשלוח להזמנה הראשונה שלך.

לאחר הזמנת ה- PCB, תוכל לבדוק את התקדמות הייצור של ה- PCB שלך עם תאריך ושעה. אתה בודק את זה על ידי מעבר לדף חשבון ולחץ על הקישור "התקדמות ייצור" תחת ה- PCB כמו שמוצג בתמונה למטה.

לאחר מספר ימים של הזמנת PCB קיבלתי את דגימות ה- PCB באריזה יפה כפי שמוצג בתמונות למטה.

לאחר שווידאת שהמסלולים והעקבות היו נכונים. המשכתי בהרכבת ה- PCB, השתמשתי בכותרות נקבה כדי למקם את Arduino Nano ו- LCD כדי שאוכל להסיר אותם מאוחר יותר אם אצטרך אותם לפרויקטים אחרים. הלוח מולחם לחלוטין נראה כך למטה

בדיקת מעגל ניטור המתח

לאחר הלחמה של כל הרכיבים, פשוט חברו את חבילת הסוללה למחבר H1 בלוח. עשיתי שימוש בכבלים מחברים כדי לוודא שלא אשנה את החיבור בעתיד במקרה. היזהר מאוד מלהחבר אותו בצורה לא נכונה מכיוון שהוא עלול להוביל לקצר ויגרום נזק לסוללות או למעגל לצמיתות. ה- PCB שלי עם חבילת הסוללה בה השתמשתי לבדיקה מוצג להלן.

כעת השתמש במולטימטר במסוף H2 כדי למדוד את מתח המכירה האישי. הטרמינל מסומן במספרים כדי לזהות את מתח התא שנמדד כעת. כאן אנו יכולים להסיק שהמעגל עובד. אבל כדי להפוך את זה למעניין יותר, הבה נחבר LCD ונשתמש בארדואינו למדידת ערכי המתח הללו ולהצגתו על גבי מסך ה- LCD.

מדידת מתח תא ליתיום באמצעות ארדואינו

המעגל לחיבור הארדואינו ל- PCB שלנו מופיע להלן. זה מראה כיצד לחבר את Arduino Nano ל- LCD.

יש לחבר את סיכת הכותרת H2 על ה- PCB לסיכות האנלוגיות של לוח ה- Arduino כמוצג לעיל. הפינים האנלוגיים A1 עד A4 משמשים למדידת ארבעת המתחים התאיים בהתאמה, בעוד שהסיכה A0 מחוברת לסיכת הכותרת v 'של P1. בעזרת פין זה ניתן למדוד את מתח החבילה הכולל. גם אנחנו חברנו 1 ^st הסיכה של P1 לסיכת והין של Arduino ו 3 ^rd PIN של P1 o את סיכת הקרקע של Arduino לשלטון Arduino עם מארז הסוללות.

אנו יכולים לכתוב תוכנית למדידת כל ארבעת המתחים התאים ומתח החבילה של הסוללה ולהצגתה על גבי LCD. כדי שיהיה מעניין יותר הוספתי גם את כל ארבעת המתחים התאים והשוויתי את הערך עם מתח החבילה הנמדד כדי לבדוק עד כמה אנו מודדים את המתח בפועל.

תכנות את הארדואינו

את התוכנית המלאה תוכלו למצוא בסוף עמוד זה. התוכנית פשוטה למדי, אנו פשוט משתמשים בפונקציית הקריאה האנלוגית כדי לקרוא את המתחים התאים באמצעות מודול ADC ולהציג את ערך המתח המחושב על גבי LCD באמצעות ספריית LCD.

צף Cell_1 = AnalogRead (A1) * (5.0 / 1023.0); // מדוד מתח תא 1 lcd.print ("C1:"); lcd.print (Cell_1);

בקטע הקוד לעיל מדדנו את המתח של תא 1 והכפלנו אותו עם 5/1023 כדי להמיר את הערך 0 עד 1023 ADC לממש 0 עד 5 וולט. לאחר מכן אנו מציגים את ערך המתח המחושב על גבי ה- LCD. באופן דומה אנו עושים זאת גם עבור כל ארבעת התאים ועל חבילת הסוללה הכוללת. השתמשנו גם במתח הכולל המשתנה כדי לסכם את כל המתחים והתאים ולהציג אותו על גבי ה- LCD כמו שמוצג להלן.

צף Total_Voltage = Cell_1 + Cell_2 + Cell_3 + Cell_4; // הוסף את כל ארבעת ערכי המתח הנמדדים lcd.print ("סה"כ:"); lcd.print (Total_Voltage);

תצוגת מתח תא בודדת עובדת

ברגע שתהיה מוכן עם המעגל והקוד, העלה את הקוד ללוח Arduino וחבר את בנק החשמל ל- PCB. כעת על ה- LCD להציג את מתח התא הנפרד של כל ארבעת התאים, כפי שמוצג להלן.

כפי שניתן לראות המתח המוצג עבור תא 1 עד 4 הוא 3.78V, 3.78V, 3.82V ו- 3.84V בהתאמה. אז השתמשתי במולטימטר שלי כדי לבדוק את המתח האמיתי של התאים האלה שהתברר להיות קצת שונה ההבדל מתואר בטבלה למטה.

מתח מדוד	מתח בפועל
3.78 וולט	3.78 וולט
3.78 וולט	3.78 וולט
3.82 וולט	3.81V
3.84V	3.82 וולט

כפי שאתה יכול לראות יש לנו תוצאות מדויקות עבור התאים אחד ושניים, אך קיימת שגיאה של 200mV לתאים 3 ו -4. סביר להניח שזה צפוי בתכנון שלנו. מכיוון שאנו משתמשים במעגל דיפרנציאציה של מגבר מגבר, דיוק המתח הנמדד יירד ככל שמספר התאים יגדל.

אך שגיאה זו הינה שגיאה קבועה וניתן לתקן אותה בתוכנית, על ידי ביצוע קריאות לדוגמא והוספת מכפיל לתיקון השגיאה. במסך ה- LCD הבא תוכלו לראות גם את סכום המתח הנמדד ואת מתח החבילה בפועל שנמדד באמצעות מחלק פוטנציאלי. אותו הדבר מוצג להלן.

סכום המתחים שנמדד הוא 15.21V והמתח האמיתי שנמדד באמצעות סיכת A0 של ארדואינו מתגלה כ- 15.22V. לפיכך ההבדל הוא 100mV וזה לא רע. בעוד שמעגלים מסוג זה יכולים לשמש למספר נחות פחות כמו בבנקים חשמליים או בסוללות למחשבים ניידים. הרכב החשמלי BMS משתמש בסוג מיוחד של מכשירי חשמל כמו LTC2943 מכיוון שאפילו שגיאה של 100mV אינה נסבלת. עם זאת למדנו כיצד לעשות זאת במעגל בקנה מידה קטן בו המחיר הוא אילוץ.

את העבודה המלאה של ההגדרה תוכלו למצוא בסרטון המקושר למטה. מקווה שנהניתם מהפרויקט ולמדתם ממנו משהו שימושי. אם יש לך שאלות השאיר אותן בסעיף ההערות או השתמש בפורומים לתשובות מהירות יותר.