Elektrikli araçlarda lityum pil paketi için çok hücreli voltaj izleme

Bir Elektrikli Aracın kilometre ve performansı, Pil Paketinin kapasitesine ve verimliliğine bağlıdır. Pil paketini tam olarak korumak, Pil Yönetim Sisteminin (BMS) sorumluluğundadır. Bir BMS, bir EV'de hücreleri izlemek, dengelemek ve hatta sıcaklık değişimlerinden korumak gibi pek çok faaliyet yapan karmaşık bir birimdir. Bu Pil Yönetim Sistemi makalesinde yeterince öğrendik, bu yüzden burada yeniyseniz onlara göz atın.

Herhangi bir şey yapmak için, BMS için ilk adım, Lityum pil paketindeki hücrelerin mevcut durumunu bilmek olacaktır. Bu, paketteki hücrelerin voltajını ve akımını (bazen de sıcaklığı) ölçerek yapılır. Sadece bu iki değerle BMS, SOC veya SOH hesaplayabilir ve hücre dengeleme vb. Gerçekleştirebilir. Bu nedenle, ister basit bir güç bankası, ister dizüstü bilgisayar pili veya EV / EV / Güneş pilleri.

Bu yazıda , bir Lityum pil paketinde kullanılan hücrelerin bireysel hücre voltajını nasıl ölçebileceğimizi öğreneceğiz. Bu proje uğruna, bir pil paketi oluşturmak için seri bağlı dört lityum 18650 hücre kullanacağız ve bireysel hücre voltajlarını ölçmek ve bunu Arduino kullanarak bir LCD ekranda görüntülemek için op-amper kullanarak basit bir devre tasarlayacağız.

Bir Seri Batarya Yığındaki Bireysel Hücre Gerilimini Ölçme

Bir dizi bağlı pil paketinde bireysel hücre voltajını ölçmekle ilgili sorun, referans noktasının aynı kalmasıdır. Aşağıdaki resim aynı şeyi göstermektedir

Basit olması için, dört hücrenin hepsinin yukarıda gösterildiği gibi 4V voltaj seviyesinde olduğunu varsayalım. Biz hücre voltajını ölçmek için Arduino gibi bir mikro denetleyici kullanmak Şimdi, eğer 1 voltajını ölçerek hiçbir sorun olacaktır ^st toprağa bağlandığında diğer ucu beri hücrede. Ancak diğer hücreler için, önceki hücrelerle birlikte o hücrenin voltajını da ölçmek zorundayız, örneğin 4. hücrenin voltajını ölçtüğümüzde dört hücrenin de voltajını birlikte ölçeceğiz. Bunun nedeni, referans noktasının yerden değiştirilememesidir.

Bu yüzden, burada ayrı voltajları ölçmemize yardımcı olabilecek bazı ekstra devre eklememiz gerekiyor. Temel olarak, voltaj seviyelerini haritalamak ve ardından bunları ölçmek için potansiyel bir bölücü kullanmaktır, ancak bu yöntem, okunan değerin çözünürlüğünü 0,1V'den daha fazla azaltacaktır. Bu nedenle, bu eğitimde, bireysel voltajı ölçmek için her hücre terminali arasındaki farkı ölçmek için Op-Amp Diferansiyel Devresini kullanacağız.

Bireysel Hücre voltajını ölçmek için Diferansiyel Devre

Diferansiyel amplifikatör olarak çalışırken, bir Op-Amp'in, ters çeviren ve ters çevirmeyen pimine sağlanan iki voltaj değeri arasındaki farkı verdiğini zaten biliyoruz. Dolayısıyla, 4 hücre voltajını ölçme amacımız için aşağıda gösterildiği gibi üç diferansiyel op-ampere ihtiyacımız var.

Bu görüntünün yalnızca temsil amaçlı olduğunu unutmayın; gerçek devre daha fazla bileşene ihtiyaç duyar ve bu makalenin ilerleyen kısımlarında ele alınacaktır. İlk op-amp O1 önlemler 2 gerilimi ^nd 2 arasındaki farkı hesaplayarak hücre ^nd hücre terminal ve 1 ^st hücre terminali (8-4). Benzer şekilde Op-amp O2 ve O3 tedbirler 3 ^rd ve 4 ^th hücre voltajı sırasıyla. Biz 1 için bir op-amp kullanmadıysanız ^st doğrudan ölçülebileceği beri hücrede.

Devre şeması

Lityum Pil Paketindeki Multicell voltajını izlemek için eksiksiz devre şeması aşağıda verilmiştir. Devre EasyEDA kullanılarak tasarlandı ve aynısını PCB'yi imal etmek için de kullanacağız.

Gördüğünüz gibi, devremizde her ikisi de toplam paket voltajıyla çalışan iki adet Quad paket Raydan Ray Yüksek voltaj op-amp OPA4197'ye sahibiz. Bir IC (U1), voltaj izleyici olarak adlandırılan bir yapma tampon devresi kullanılırken, diğer IC (U2) diferansiyel amplifikatör devresini oluşturmak için kullanılır. Hücrelerden herhangi birinin ayrı ayrı yüklenmesini önlemek için bir tampon devresi gereklidir, bu da tek bir hücreden akım tüketilmemeli, yalnızca paketi bir bütün olarak oluşturmalıdır. Tampon devresi çok yüksek giriş empedansına sahip olduğundan, voltajı hücreden güç çekmeden okumak için kullanabiliriz.

IC U1'deki dört op-amp'in tümü, sırasıyla dört hücrenin voltajını tamponlamak için kullanılır. Hücrelerden gelen giriş voltajları B1 + ile B4 + arasında etiketlenir ve tamponlanmış çıkış voltajı B1_Out ile B4_Out arasında etiketlenir. Bu tamponlanmış voltaj daha sonra yukarıda tartışıldığı gibi bireysel hücre voltajını ölçmek için farklılaştırıcı amplifikatöre gönderilir. Diferansiyel yükselticinin kazancı birliğe ayarlandığından, tüm direncin değeri 1K olarak ayarlanmıştır. Herhangi bir direnç değerini kullanabilirsiniz, ancak R13 ve R14 dirençleri dışında hepsi aynı değerde olmalıdır. Bu iki direnç, pilin paket voltajını ölçmek için potansiyel bir bölücü oluşturur, böylece onu ölçülen hücre voltajlarının toplamıyla karşılaştırabiliriz.

Raydan Raylıya, yüksek voltajlı Op-Amp

Yukarıdaki devre, iki nedenden dolayı OPA4197 gibi bir Raydan Raya yüksek voltajlı op-amp kullanmanızı gerektirir. Her iki Op-Amp IC, maksimum (4.3 * 4) 17.2V olan paket voltajında ​​çalışır, bu nedenle Op-amp yüksek voltajları idare edebilmelidir. Bir tampon devresi kullanan Aynı zamanda, tamponun çıkış 4 voltajı paketi eşit olmalıdır ^inci dolayısıyla bir demiryolu kullanmak gerekir op-amp işletme gerilimine eşit olmalıdır çıkış voltajı, yani hücre terminali Raylı op-amp

Raydan raya op-amp bulamazsanız, IC'yi basit LM324 ile değiştirebilirsiniz. Bu IC, yüksek voltajı kaldırabilir ancak raydan raya olarak hareket edemez, bu nedenle U1 Op-Amp IC'nin ilk pininde 10k'lık bir çekme direnci kullanmanız gerekir.

Easy EDA kullanarak PCB Tasarımı ve Üretimi

Artık devremiz hazır olduğuna göre fabrikasyon yaptırmanın zamanı geldi. Kullandığım Op-Amp yalnızca SMD paketinde mevcut olduğundan, devrem için bir PCB üretmek zorunda kaldım. Bu nedenle, her zaman olduğu gibi PCB'yi imal ettirmek için EasyEDA adlı çevrimiçi EDA aracını kullandık çünkü iyi bir ayak izi koleksiyonuna sahip olduğu ve açık kaynaklı olduğu için kullanımı çok kolay.

PCB'yi tasarladıktan sonra, PCB numunelerini düşük maliyetli PCB üretim hizmetleri ile sipariş edebiliriz. Ayrıca, geniş bir elektronik bileşen stoğuna sahip oldukları ve kullanıcıların PCB siparişiyle birlikte gerekli bileşenleri sipariş edebilecekleri bileşen tedarik hizmeti de sunarlar.

Devrelerinizi ve PCB'lerinizi tasarlarken, devre ve PCB tasarımlarınızı herkese açık hale getirebilirsiniz, böylece diğer kullanıcılar bunları kopyalayabilir veya düzenleyebilir ve işinizden faydalanabilir, ayrıca tüm Devre ve PCB düzenlerimizi bu devre için halka açık hale getirdik, kontrol edin aşağıdaki bağlantı:

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

Sen edebilirsiniz herhangi Katmanı görüntülemek katman 'Katmanlar' Pencere formu seçerek PCB (Üst, Alt, Topsilk, bottomsilk vs). Yakın zamanda bir 3B görünüm seçeneği de sundular, böylece EasyEDA'daki 3B Görünüm düğmesini kullanarak Multicell voltaj ölçüm PCB'sinin imalattan sonra nasıl görüneceğini de görüntüleyebilirsiniz:

Çevrimiçi Numune Hesaplama ve Sipariş Etme

Bu Lityum hücreli Gerilim ölçüm devresinin tasarımını tamamladıktan sonra PCB'yi JLCPCB.com üzerinden sipariş edebilirsiniz. PCB'yi JLCPCB'den sipariş etmek için Gerber Dosyasına ihtiyacınız var. PCB'nizin Gerber dosyalarını indirmek için EasyEDA editör sayfasındaki Üretim Dosyası Oluştur düğmesine tıklayın, ardından Gerber dosyasını buradan indirin veya aşağıdaki resimde gösterildiği gibi JLCPCB'de Sipariş Ver'e tıklayabilirsiniz. Bu sizi, sipariş etmek istediğiniz PCB sayısını, kaç tane bakır katmanına ihtiyacınız olduğunu, PCB kalınlığını, bakır ağırlığını ve hatta aşağıda gösterilen anlık görüntü gibi PCB rengini seçebileceğiniz JLCPCB.com'a yönlendirecektir:

JLCPCB butonundaki siparişe tıkladıktan sonra, sizi JLCPCB web sitesine götürür ve burada çok düşük bir oranda tüm renkler için 2 $ olan herhangi bir renkli PCB sipariş edebilirsiniz. Yapım süreleri de çok daha azdır, bu da 3-5 günlük DHL teslimatıyla 48 saattir, temelde PCB'lerinizi siparişinizi verdikten sonraki bir hafta içinde alacaksınız. Dahası, ilk siparişiniz için kargoda 20 $ indirim de sunuyorlar.

PCB sipariş sonra şunları yapabilirsiniz kontrol Üretim İlerleme sizin PCB tarih ve saat ile. Hesap sayfasından kontrol edin ve aşağıdaki resimde gösterildiği gibi PCB'nin altındaki "Üretim İlerlemesi" bağlantısına tıklayın.

PCB'leri sipariş ettikten birkaç gün sonra PCB numunelerini aşağıdaki resimlerde gösterildiği gibi güzel ambalajlarda aldım.

İzlerin ve ayak izlerinin doğru olduğundan emin olduktan sonra. PCB'yi monte etmeye başladım, Arduino Nano ve LCD'yi yerleştirmek için dişi başlıkları kullandım, böylece başka projeler için ihtiyaç duyarsam daha sonra çıkarabilirim. Tamamen lehimli tahta aşağıdaki gibi görünür

Gerilim İzleme Devresinin Test Edilmesi

Tüm bileşenleri lehimledikten sonra, pil takımını kart üzerindeki H1 konektörüne bağlamanız yeterlidir. İleride bağlantıyı kazara değiştirmediğimden emin olmak için bağlantı kablolarını kullandım. Kısa devreye neden olabileceğinden ve pillere veya devreye kalıcı olarak zarar verebileceğinden yanlış şekilde bağlamamaya çok dikkat edin. Test için kullandığım pil paketi ile PCB'm aşağıda gösterilmiştir.

Şimdi, bireysel satış voltajlarını ölçmek için H2 terminalindeki multimetreyi kullanın. Terminal, akım ölçülen hücre voltajını tanımlamak için sayılarla işaretlenmiştir. Buradan devrenin çalıştığı sonucuna varabiliriz. Ancak daha ilginç hale getirmek için bir LCD bağlayalım ve bu voltaj değerlerini ölçmek ve LCD ekranda görüntülemek için bir Arduino kullanalım.

Arduino Kullanarak Lityum Hücre Voltajını Ölçme

Arduino'yu PCB'ye bağlayan devre aşağıda gösterilmektedir. Arduino Nano'nun LCD'ye nasıl bağlanacağını gösterir.

PCB üzerindeki başlık pini H2, yukarıda gösterildiği gibi Arduino kartının analog pinlerine bağlanmalıdır. A1 ila A4 analog pinleri, sırasıyla dört hücre voltajını ölçmek için kullanılırken, pin A0, P1'in başlık pinine v 'bağlıdır. Bu v 'pini, toplam paket voltajını ölçmek için kullanılabilir. Ayrıca 1 bağladıktan ^st Arduino Vin pin ve 3 P1 ila pimini ^rd gücüne Arduino zemin pimi Pil paketi ile Arduino o P1'in pimi.

Pil paketinin tüm dört hücre voltajını ve paket voltajını ölçmek ve LCD'de görüntülemek için bir program yazabiliriz. Daha ilginç hale getirmek için, dört hücre voltajını da ekledim ve voltajı gerçekte ne kadar yakın ölçtüğümüzü kontrol etmek için değeri ölçülen paket voltajıyla karşılaştırdım.

Arduino'nun Programlanması

Programın tamamı bu sayfanın sonunda bulunabilir. Program oldukça basittir, ADC modülünü kullanarak hücre voltajlarını okumak ve LCD kitaplığını kullanarak LCD'de voltaj değerini hesaplamak için analog okuma işlevini kullanıyoruz.

float Cell_1 = analogRead (A1) * (5.0 / 1023.0); // 1. hücre voltajını ölçün lcd.print ("C1:"); lcd.print (Cell_1);

Yukarıdaki kod parçacığında, 1 hücresinin voltajını ölçtük ve 0 ila 1023 ADC değerini gerçek 0 ila 5V'a dönüştürmek için 5/1023 ile çarptık. Daha sonra hesaplanan voltaj değerini LCD'de görüntüleriz. Benzer şekilde bunu dört hücrenin tümü ve toplam pil paketi için de yapıyoruz. Tüm hücre voltajlarını toplamak ve aşağıda gösterildiği gibi LCD'de görüntülemek için değişken toplam voltajı da kullandık.

float Total_Voltage = Cell_1 + Cell_2 + Cell_3 + Cell_4; // Ölçülen dört gerilim değerinin hepsini toplayın lcd.print ("Toplam:"); lcd.print (Toplam_Voltaj);

Bireysel Hücre Voltaj Göstergesi Çalışması

Devre ve kod ile hazır olduğunuzda, kodu Arduino kartına yükleyin ve güç bankasını PCB'ye bağlayın. LCD şimdi aşağıda gösterildiği gibi dört hücrenin hepsinin ayrı hücre voltajını göstermelidir.

Gördüğünüz gibi 1 ila 4 hücre için görüntülenen voltaj sırasıyla 3.78V, 3.78V, 3.82V ve 3.84V'dir. Sonra multimetremi kullanarak bu hücrelerin gerçek voltajını kontrol ettim, bu da biraz farklı çıktı, fark aşağıda tablo halinde verilmiştir.

Ölçülen Gerilim	Gerçek Gerilim
3,78V	3,78V
3,78V	3,78V
3,82V	3.81V
3,84V	3,82V

Gördüğünüz gibi birinci ve ikinci hücreler için doğru sonuçlar alıyoruz, ancak 3 ve 4 numaralı hücreler için 200mV'ye kadar yüksek bir hata var. Bu büyük olasılıkla tasarımımız için beklenecektir. Bir op-amp farklılaştırıcı devresi kullandığımız için, ölçülen voltajın doğruluğu, hücre sayısı arttıkça azalacaktır.

Ancak bu hata sabit bir hatadır ve programda örnek okumalar alınarak ve hatayı düzeltmek için bir çarpan eklenerek düzeltilebilir. Sonraki LCD ekranda, ölçülen voltajın toplamını ve potansiyel bölücü aracılığıyla ölçülen gerçek paket voltajını da görebilirsiniz. Aynısı aşağıda gösterilmiştir.

Ölçülen gerilimlerin toplamı 15.21V ve Arduino'nun A0 pininden ölçülen gerçek gerilim 15.22V olarak çıkıyor. Böylece fark 100mV'dir ve bu fena değildir. Bu tür devreler, güç bankalarında veya dizüstü bilgisayar pillerinde olduğu gibi daha az sayıda devre için kullanılabilir. Elektrikli araç BMS, LTC2943 gibi özel tip IC'ler kullanır çünkü 100mV'lik bir hata bile tolere edilemez. Bununla birlikte, fiyatın bir kısıtlama olduğu küçük ölçekli devre için nasıl yapılacağını öğrendik.

Kurulum tam çalışma aşağıda bağlantısı videoda bulunabilir. Umarım projeyi beğenmişsinizdir ve ondan faydalı bir şeyler öğrenmişsinizdir. Herhangi bir sorunuz varsa, onları yorum bölümüne bırakın veya daha hızlı yanıtlar için forumları kullanın.