- Pagsukat ng Indibidwal na Boltahe ng Cell sa isang Serye ng Stack ng Baterya
- Pagkakaiba-iba ng Circuit upang masukat ang indibidwal na boltahe ng Cell
- Diagram ng Circuit
- Disenyo at Paggawa ng PCB gamit ang Easy EDA
- Pagkalkula at Pag-order ng Mga Sampol sa online
- Pagsubok sa Circuit Monitoring Circuit
- Pagsukat sa Boltahe ng Lithium Cell Gamit ang Arduino
- Programming ang Arduino
- Gumagana ang Indibidwal na Display ng Boltahe ng Cell
Ang mileage at pagganap ng isang Electric Vehicle ay nakasalalay sa kapasidad at kahusayan ng Battery Pack nito. Upang mapanatili ang pack ng baterya sa buong kalusugan ay responsibilidad ng Battery Management System (BMS). Ang isang BMS ay isang sopistikadong yunit sa isang EV na gumagawa ng maraming aktibidad tulad ng pagsubaybay sa mga cell, pagbabalanse sa kanila at kahit na pagprotekta sa kanila mula sa mga pagbabago sa temperatura. Natutunan na natin ito ng sapat sa artikulong Sistema ng Pamamahala ng Baterya, kaya suriin ang mga ito kung bago ka dito.
Upang magawa ang anuman, ang unang hakbang para sa BMS ay malaman ang kasalukuyang katayuan ng mga cell sa pack ng baterya ng Lithium. Ginagawa ito sa pamamagitan ng pagsukat ng boltahe at kasalukuyang (minsan temperatura din) ng mga cell sa pack. Sa dalawang halagang ito lamang maaaring makalkula ng BMS ang SOC o SOH at magsagawa ng pagbabalanse ng cell atbp. Kaya't ang pagsukat ng boltahe at kasalukuyang cell ay mahalaga para sa anumang circuit ng BMS, maging isang simpleng power bank o laptop baterya o masalimuot na pack tulad ng EV / Mga baterya ng solar.
Sa artikulong ito malalaman natin kung paano natin masusukat ang indibidwal na boltahe ng cell ng mga cell na ginamit sa isang pack ng baterya ng Lithium. Para sa kapakanan ng proyektong ito gagamitin namin ang apat na lithium 18650 cells na konektado sa serye upang makabuo ng isang pack ng baterya at magdisenyo ng isang simpleng circuit gamit ang mga op-amp upang masukat ang mga indibidwal na boltahe ng cell at ipakita ito sa isang LCD screen gamit ang Arduino.
Pagsukat ng Indibidwal na Boltahe ng Cell sa isang Serye ng Stack ng Baterya
Ang problema sa pagsukat ng indibidwal na boltahe ng cell sa isang pakete ng serye na nakakonekta sa baterya ay iyon, ang point ng sanggunian ay mananatiling pareho. Ang larawan sa ibaba ay naglalarawan ng pareho
Para sa pagiging simple ipalagay natin na ang lahat ng apat na mga cell ay nasa antas ng boltahe na 4V tulad ng ipinakita sa itaas. Ngayon kung gumagamit kami ng isang microcontroller tulad ng Arduino upang masukat ang boltahe ng cell, wala kaming problema sa pagsukat ng boltahe ng 1 st cell dahil mayroon itong kabilang dulo na konektado sa lupa. Ngunit, para sa iba pang mga cell kailangan naming sukatin ang boltahe ng cell na iyon kasama ang mga nakaraang cell, halimbawa kapag sinusukat namin ang boltahe ng ika-4 na cell ay susukat namin ang boltahe ng lahat ng apat na mga cell. Ito ay sapagkat ang sangguniang punto ay hindi mababago mula sa lupa.
Kaya kailangan naming magpakilala ng ilang dagdag na circuit dito na maaaring makatulong sa amin na masukat ang mga indibidwal na voltages. Sa krudo na paraan ay ang paggamit ng isang potensyal na divider upang mai-map down ang mga antas ng boltahe at pagkatapos ay sukatin ang mga ito, ngunit ang pamamaraang ito ay magbabawas sa resolusyon ng binasang halaga sa higit sa 0.1V. Samakatuwid sa tutorial na ito gagamitin namin ang Op-Amp Differential Circuit upang masukat ang pagkakaiba sa pagitan ng bawat mga terminal ng cell upang masukat ang indibidwal na boltahe.
Pagkakaiba-iba ng Circuit upang masukat ang indibidwal na boltahe ng Cell
Alam na namin ang isang Op-Amp kapag nagtatrabaho bilang isang kaugalian na amplifier ay nagbibigay ng pagkakaiba sa pagitan ng dalawang mga halaga ng boltahe na ibinigay sa pag-invert at non-inverting pin nito. Kaya para sa aming layunin ng pagsukat ng 4 cell voltages kailangan namin ng tatlong mga kaugalian na op-amp tulad ng ipinakita sa ibaba.
Tandaan na ang imaheng ito ay para lamang sa representasyon; ang tunay na circuit ay nangangailangan ng higit pang mga bahagi at tatalakayin sa paglaon sa artikulong ito. Sinusukat ng unang op-amp O1 ang boltahe ng 2 nd cell sa pamamagitan ng pagkalkula ng pagkakaiba sa pagitan ng 2 nd cell terminal at 1 st cell terminal na (8-4). Katulad nito ang Op-amp O2 at O3 ay sumusukat sa 3 rd at 4 th cell voltage ayon sa pagkakabanggit. Hindi kami gumamit ng isang op-amp para sa 1 st cell dahil maaari itong sukatin nang direkta.
Diagram ng Circuit
Ang kumpletong diagram ng circuit para sa pagsubaybay sa Multicell boltahe sa Lithium Battery Pack ay ibinibigay sa ibaba. Ang circuit ay dinisenyo gamit ang EasyEDA at gagamitin namin ang pareho upang kathain din ang aming PCB.
Tulad ng nakikita mong mayroon kaming dalawang Quad package Rail to Rail High voltage op-amp OPA4197 sa aming circuit na parehong pinalakas ng kabuuang boltahe ng pack. Ang isang IC (U1) ay ginagamit ng isang make buffer circuit aka tagasunod ng boltahe habang ang iba pang IC (U2) ay ginagamit upang mabuo ang pagkakaiba-iba ng circuit ng amplifier. Kinakailangan ang isang buffer circuit upang maiwasan ang anumang mga cell na mai-load nang paisa-isa, na walang kasalukuyang dapat na natupok mula sa isang solong cell ngunit nabubuo lamang ang pack sa kabuuan. Dahil ang buffer circuit ay may napakataas na impedance ng pag-input na maaari naming magamit upang mabasa ang boltahe mula sa cell nang walang pagguhit ng lakas mula rito.
Ang lahat ng apat na mga op-amp sa IC U1 ay ginagamit upang mapreserba ang boltahe ng apat na mga cell ayon sa pagkakabanggit. Ang mga voltages ng pag-input mula sa mga cell ay may label na mula sa B1 + hanggang sa B4 + at ang buffered output voltage ay may label mula sa B1_Out hanggang sa B4_Out. Ang buffered boltahe na ito ay pagkatapos ay ipinadala sa amplifier ng pagkakaiba-iba upang masukat ang indibidwal na boltahe ng cell tulad ng tinalakay sa itaas. Ang halaga ng lahat ng risistor ay nakatakda sa 1K dahil ang pagkakaroon ng kaugalian na amplifier ay nakatakda sa pagkakaisa. Maaari mong gamitin ang anumang halaga ng risistor ngunit lahat sila ay dapat na magkapareho ng halaga, maliban sa mga resistors na R13 at R14. Ang dalawang resistors na ito ay bumubuo ng isang potensyal na divider upang masukat ang boltahe ng pack ng baterya upang maihambing namin ito sa kabuuan ng mga sinusukat na boltahe ng cell.
Riles sa Riles, mataas na boltahe Op-Amp
Kinakailangan ka ng circuit sa itaas na gumamit ng isang Rail to Rail na mataas na boltahe na op-amp tulad ng OPA4197 dahil sa dalawang kadahilanan. Kapwa ang Op-Amp IC ay nagpapatakbo ng may boltahe ng pack na isang maximum na (4.3 * 4) 17.2V, samakatuwid ang Op-amp ay dapat na may kakayahang hawakan ang mga mataas na boltahe. Gayundin dahil gumagamit kami ng isang buffer circuit, ang output ng buffer ay dapat na katumbas ng boltahe ng pack para sa ika- 4 na cell terminal, nangangahulugang ang boltahe ng output ay dapat na katumbas ng boltahe ng pagpapatakbo ng op-amp kaya kailangan naming gumamit ng isang Riles upang Rail op-amp
Kung hindi ka makahanap ng isang riles sa riles ng op-amp, maaari mong palitan ang IC ng simpleng LM324. Ang IC na ito ay maaaring hawakan ang mataas na boltahe ngunit hindi maaaring kumilos bilang riles sa riles, kaya kailangan mong gumamit ng isang pull up risistor na 10k sa unang pin ng U1 Op-Amp IC.
Disenyo at Paggawa ng PCB gamit ang Easy EDA
Ngayon na handa na ang aming circuit, oras na upang gawin itong gawa-gawa. Dahil ang Op-Amp na ginagamit ko ay magagamit lamang sa SMD package kailangan kong gumawa ng isang PCB para sa aking circuit. Kaya, tulad ng lagi na ginagamit namin ang online na tool ng EDA na tinatawag na EasyEDA upang makagawa ng gawa-gawa ang aming PCB sapagkat napaka-maginhawa gamitin dahil mayroon itong mahusay na koleksyon ng mga bakas ng paa at ito ay open-source.
Matapos ang pagdidisenyo ng PCB, maaari kaming mag-order ng mga sample ng PCB sa pamamagitan ng kanilang mga serbisyong paggawa ng mababang gastos sa PCB. Nag-aalok din sila ng serbisyong sourcing ng bahagi kung saan mayroon silang isang malaking stock ng mga elektronikong sangkap at ang mga gumagamit ay maaaring mag-order ng kanilang mga kinakailangang sangkap kasama ang order ng PCB.
Habang dinidisenyo ang iyong mga circuit at PCB, maaari mo ring gawing publiko ang iyong mga disenyo ng circuit at PCB upang ang ibang mga gumagamit ay maaaring kopyahin o mai-edit ang mga ito at maaaring makinabang mula sa iyong trabaho, ginawa rin naming pampubliko ang aming buong mga layout ng Circuit at PCB para sa circuit na ito, suriin ang link sa ibaba:
easyeda.com/CircuitDigest/Multicell-Voltage-measuring-for-BMS
Maaari mong tingnan ang anumang Layer (Itaas, Ibaba, Topsilk, bottomsilk atbp) ng PCB sa pamamagitan ng pagpili ng layer na bumubuo sa Window na 'Mga Layer'. Kamakailan ay ipinakilala din nila ang isang pagpipilian sa pagtingin sa 3D upang maaari mo ring tingnan ang Multicell boltahe na sumusukat sa PCB, kung paano nito aalagaan ang katha gamit ang pindutang 3D View sa EasyEDA:
Pagkalkula at Pag-order ng Mga Sampol sa online
Matapos makumpleto ang disenyo ng Lithium cell Voltage na pagsukat na circuit na ito, maaari kang mag-order ng PCB sa pamamagitan ng JLCPCB.com. Upang mag-order ng PCB mula sa JLCPCB, kailangan mo ng Gerber File. Upang ma-download ang mga Gerber file ng iyong PCB i-click lamang ang pindutang Bumuo ng Pabrika ng Pabrika sa pahina ng editor ng EasyEDA, pagkatapos ay i-download ang Gerber file mula doon o maaari kang mag-click sa Order sa JLCPCB tulad ng ipinakita sa larawan sa ibaba. Ire-redirect ka nito sa JLCPCB.com, kung saan maaari mong piliin ang bilang ng mga PCB na nais mong mag-order, kung gaano karaming mga layer ng tanso ang kailangan mo, ang kapal ng PCB, bigat ng tanso, at kahit ang kulay ng PCB, tulad ng snapshot na ipinakita sa ibaba:
Pagkatapos ng pag-click sa order sa pindutan ng JLCPCB, dadalhin ka nito sa website ng JLCPCB kung saan maaari kang mag-order ng anumang kulay na PCB sa napakababang rate na $ 2 para sa lahat ng mga kulay. Ang kanilang oras sa pagbuo ay napakaliit din na kung saan ay 48 na oras sa paghahatid ng DHL ng 3-5 araw, karaniwang makukuha mo ang iyong mga PCB sa loob ng isang linggo ng pag-order. Bukod dito, nag-aalok din sila ng isang $ 20 na diskwento sa pagpapadala para sa iyong unang order.
Matapos ang pag-order ng PCB, maaari mong suriin ang Production Progress ng iyong PCB na may petsa at oras. Suriin mo ito sa pamamagitan ng pagpunta sa pahina ng Account at mag-click sa link na "Pag-usad ng Produksyon" sa ilalim ng PCB tulad ng, ipinakita sa larawan sa ibaba.
Matapos ang ilang araw ng pag-order ng PCB nakuha ko ang mga sample ng PCB sa magandang balot tulad ng ipinakita sa mga larawan sa ibaba.
Matapos matiyak na ang mga track at footprints ay tama. Nagpatuloy ako sa pag-iipon ng PCB, gumamit ako ng mga babaeng header upang ilagay ang Arduino Nano at LCD upang matanggal ko sila sa paglaon kung kailangan ko sila para sa iba pang mga proyekto. Ang buong soldered board ay ganito sa ibaba
Pagsubok sa Circuit Monitoring Circuit
Matapos ang paghihinang ng lahat ng mga bahagi, ikonekta lamang ang baterya pack sa H1 konektor sa board. Ginawa ko ang paggamit ng mga kumokonekta na kable upang matiyak na hindi ko binabago ang koneksyon sa hinaharap. Maging maingat tungkol sa hindi pagkonekta nito sa maling paraan dahil maaaring humantong ito sa maikling circuit at permanenteng makapinsala sa mga baterya o circuit. Ang aking PCB na may baterya na ginamit ko para sa pagsubok ay ipinapakita sa ibaba.
Ngayon gamitin ang multimeter sa H2 terminal upang masukat ang indibidwal na voltages ng pagbebenta. Ang terminal ay minarkahan ng mga numero upang makilala ang boltahe ng cell na kasalukuyang sinusukat. Sa pamamagitan nito maaari nating tapusin na gumagana ang circuit. Ngunit upang gawing mas kawili-wiling hayaan mo kaming kumonekta sa isang LCD at gumamit ng isang Arduino upang masukat ang mga halagang ito ng boltahe at ipakita ito sa LCD screen.
Pagsukat sa Boltahe ng Lithium Cell Gamit ang Arduino
Ang circuit upang ikonekta ang Arduino sa aming PCB ay ipinapakita sa ibaba. Ipinapakita nito kung paano ikonekta ang Arduino Nano sa LCD.
Ang header pin H2 sa PCB ay dapat na konektado sa mga analog pin ng Arduino board tulad ng ipinakita sa itaas. Ang mga analog pin na A1 hanggang A4 ay ginagamit upang sukatin ang apat na voltages ng cell ayon sa pagkakabanggit, habang ang pin A0 ay konektado sa header pin v 'na P1. Ang v 'pin na ito ay maaaring magamit upang masukat ang kabuuang boltahe ng pack. Ikonekta din namin ang 1 st pin ng P1 sa Vin pin ng Arduino at 3 rd pin ng P1 o ang ground pin ng Arduino upang mapagana ang Arduino gamit ang Battery pack.
Maaari kaming magsulat ng isang programa upang masukat ang lahat ng apat na voltages ng cell at pack boltahe ng baterya pack at ipakita ito sa LCD. Upang gawing mas kawili-wili idinagdag ko din ang lahat ng apat na voltages ng cell at inihambing ang halaga sa sinusukat na boltahe ng pack upang suriin kung gaano kalapit na sinusukat natin ang boltahe.
Programming ang Arduino
Ang kumpletong programa ay matatagpuan sa pagtatapos ng pahinang ito. Ang programa ay medyo simple, ginagamit lang namin ang analog read function upang mabasa ang mga voltages ng cell gamit ang ADC module at ipakita ang halaga ng pagkalkula ng boltahe sa LCD gamit ang LCD library.
float Cell_1 = analogRead (A1) * (5.0 / 1023.0); // Sukatin ang 1st cell voltage lcd.print ("C1:"); lcd.print (Cell_1);
Sa snippet sa itaas nasukat namin ang boltahe ng cell 1 at pinarami ito ng 5/1023 upang i-convert ang 0 hanggang 1023 halaga ng ADC sa aktwal na 0 hanggang 5V. Pagkatapos ay ipinapakita namin ang kinakalkula na halaga ng boltahe sa LCD. Katulad nito ginagawa namin ito para sa lahat ng apat na mga cell at ang kabuuang pack ng baterya din. Ginamit din namin ang variable na kabuuang boltahe upang mabuo ang lahat ng mga voltages ng cell at ipakita ito sa LCD tulad ng ipinakita sa ibaba.
float Total_Voltage = Cell_1 + Cell_2 + Cell_3 + Cell_4; // Idagdag ang lahat ng apat na sinusukat na halaga ng boltahe lcd.print ("Kabuuan:"); lcd.print (Total_Voltage);
Gumagana ang Indibidwal na Display ng Boltahe ng Cell
Kapag handa ka na sa circuit at code, i-upload ang code sa Arduino board at ikonekta ang power bank sa PCB. Dapat ipakita ngayon ng LCD ang indibidwal na boltahe ng cell ng lahat ng apat na mga cell tulad ng ipinakita sa ibaba.
Tulad ng nakikita mo ang boltahe na ipinapakita para sa cell 1 hanggang 4 ay 3.78V, 3.78V, 3.82V at 3.84V ayon sa pagkakabanggit. Kaya't pagkatapos ay ginamit ko ang aking multimeter upang suriin ang aktwal na boltahe ng mga cell na ito na naging medyo naiiba ang pagkakaiba ay naka-tabulate sa ibaba.
|
Sinukat na Boltahe |
Tunay na Boltahe |
|
3.78V |
3.78V |
|
3.78V |
3.78V |
|
3.82V |
3.81V |
|
3.84V |
3.82V |
Tulad ng nakikita mong nakakakuha kami ng tumpak na mga resulta para sa mga cell isa at dalawa ngunit mayroong isang error na kasing taas ng 200mV para sa mga cell 3 at 4. Ito ay malamang na inaasahan para sa aming disenyo. Dahil gumagamit kami ng isang op-amp na pagkakaiba-iba ng circuit, ang kawastuhan ng sinusukat na boltahe ay bababa habang dumarami ang mga cell.
Ngunit ang error na ito ay isang nakapirming error at maaaring maitama sa programa, sa pamamagitan ng pagkuha ng mga sample na pagbasa at pagdaragdag ng isang multiplier upang maitama ang error. Sa susunod na screen ng LCD maaari mo ring makita ang kabuuan ng sinusukat na boltahe at ang aktwal na boltahe ng pack na sinusukat sa pamamagitan ng potensyal na divider. Ang pareho ay ipinapakita sa ibaba.
Ang kabuuan ng mga voltages na sinusukat ay 15.21V at ang aktwal na boltahe na sinusukat sa pamamagitan ng A0 pin ng Arduino ay 15.22V. Sa gayon ang pagkakaiba ay 100mV na hindi masama. Habang ang ganitong uri ng circuit ay maaaring magamit para sa mas kaunting bilang ng mga lees tulad ng mga power bank o laptop baterya. Ang de-kuryenteng sasakyang BMS ay gumagamit ng mga espesyal na uri ng IC tulad ng LTC2943 dahil kahit na isang error na 100mV ay hindi matatagalan. Gayunpaman natutunan namin kung paano ito gawin para sa maliit na saklaw na circuit kung saan ang presyo ay isang pagpigil.
Ang kumpletong pagtatrabaho ng pag-set up ay matatagpuan sa video na naka-link sa ibaba. Inaasahan kong nasiyahan ka sa proyekto at natutunan ang isang bagay na kapaki-pakinabang mula rito. Kung mayroon kang anumang mga katanungan iwanan ang mga ito sa seksyon ng komento o gamitin ang mga forum para sa mas mabilis na mga tugon.