- Mengukur Voltan Sel Individu dalam Susunan Bateri Siri
- Litar Pembezaan untuk mengukur voltan Sel individu
- Rajah Litar
- Reka Bentuk dan Fabrikasi PCB menggunakan EDA Mudah
- Mengira dan Memesan Sampel dalam talian
- Menguji Litar Pemantauan Voltan
- Mengukur Voltan Sel Lithium Menggunakan Arduino
- Memprogram Arduino
- Paparan Voltan Sel Individu Berfungsi
Jarak tempuh dan prestasi Kenderaan Elektrik bergantung pada kapasiti dan kecekapan Pek Baterinya. Untuk menjaga kesihatan bateri adalah tanggungjawab Sistem Pengurusan Bateri (BMS). BMS adalah unit canggih dalam EV yang melakukan banyak aktiviti seperti memantau sel, menyeimbangkannya dan bahkan melindunginya dari perubahan suhu. Kami sudah cukup mempelajarinya dalam artikel Sistem Pengurusan Bateri ini, jadi periksa apakah anda baru di sini.
Untuk melakukan apa sahaja, langkah pertama untuk BMS adalah mengetahui status sel semasa dalam pek bateri Lithium. Ini dilakukan dengan mengukur voltan dan arus (kadang-kadang suhu juga) sel dalam pek. Hanya dengan dua nilai ini, BMS dapat mengira SOC atau SOH dan melakukan pengimbangan sel dll. Oleh itu, mengukur voltan dan arus sel sangat penting untuk mana-mana litar BMS, sama ada bank kuasa mudah atau bateri komputer riba atau pek rumit seperti EV / Bateri solar.
Dalam artikel ini kita akan belajar bagaimana kita dapat mengukur voltan sel individu sel yang digunakan dalam pek bateri Lithium. Demi projek ini, kami akan menggunakan empat sel lithium 18650 yang dihubungkan secara bersiri untuk membentuk pek bateri dan merancang litar sederhana menggunakan op-amp untuk mengukur voltan sel individu dan memaparkannya pada skrin LCD menggunakan Arduino.
Mengukur Voltan Sel Individu dalam Susunan Bateri Siri
Masalah dengan mengukur voltan sel individu dalam sebungkus bateri bersambung siri adalah, titik rujukannya tetap sama. Gambar di bawah menunjukkan perkara yang sama
Untuk kesederhanaan mari kita anggap bahawa keempat-empat sel berada pada tahap voltan 4V seperti yang ditunjukkan di atas. Sekarang jika kita menggunakan mikropengawal Arduino seperti untuk mengukur voltan sel, kita tidak akan mempunyai masalah dalam mengukur voltan 1 st sel kerana ia mempunyai hujung yang lain disambungkan ke tanah. Tetapi, untuk sel lain kita harus mengukur voltan sel itu bersama dengan sel sebelumnya, misalnya ketika kita mengukur voltan sel ke-4 kita akan mengukur voltan keempat-empat sel bersama. Ini kerana titik rujukan tidak dapat diubah dari dasar.
Oleh itu, kita perlu memperkenalkan beberapa litar tambahan di sini yang dapat membantu kita mengukur voltan individu. Dengan cara kasar adalah menggunakan pembahagi berpotensi untuk memetakan tahap voltan dan kemudian mengukurnya, tetapi kaedah ini akan mengurangkan resolusi nilai baca menjadi lebih daripada 0.1V. Oleh itu dalam tutorial ini kita akan menggunakan Op-Amp Differential Circuit untuk mengukur perbezaan antara setiap terminal sel untuk mengukur voltan individu.
Litar Pembezaan untuk mengukur voltan Sel individu
Kami sudah mengetahui Op-Amp ketika bekerja sebagai penguat pembezaan memberikan perbezaan antara dua nilai voltan yang diberikan pada pin pembalik dan bukan pembaliknya. Oleh itu, untuk tujuan mengukur voltan 4 sel, kita memerlukan tiga op-amp pembezaan seperti yang ditunjukkan di bawah.
Perhatikan bahawa gambar ini hanya untuk perwakilan; litar sebenar memerlukan lebih banyak komponen dan akan dibincangkan kemudian dalam artikel ini. Langkah-langkah O1 op-amp pertama di voltan 2 nd sel dengan mengira perbezaan antara 2 nd terminal sel dan 1 st terminal sel iaitu (8-4). Begitu juga Op-amp O2 dan O3 langkah 3 rd dan 4 th masing-masing voltan sel. Kami tidak menggunakan op-amp untuk 1 st sel kerana ia boleh diukur secara langsung.
Rajah Litar
Gambarajah litar lengkap untuk memantau voltan Multisel dalam Pek Bateri Lithium diberikan di bawah. Litar ini dirancang menggunakan EasyEDA dan kami akan menggunakan yang sama untuk membuat PCB kami juga.
Seperti yang anda lihat, kami mempunyai dua paket Quad Rail to Rail Voltan tinggi op-amp OPA4197 di litar kami yang kedua-duanya dikuasakan oleh jumlah voltan pek. Satu IC (U1) digunakan membuat rangkaian penyangga aka pengikut voltan manakala IC yang lain (U2) digunakan untuk membentuk rangkaian penguat pembezaan. Litar penyangga diperlukan untuk mencegah mana-mana sel dimuat secara individu, yang tidak ada arus harus dimakan dari satu sel tetapi hanya membentuk pek secara keseluruhan. Oleh kerana rangkaian penyangga mempunyai impedans input yang sangat tinggi yang dapat kita gunakan untuk membaca voltan dari sel tanpa menarik daya darinya.
Keempat-empat op-amp di IC U1 digunakan untuk menyangga voltan keempat sel masing-masing. Voltan input dari sel dilabelkan dari B1 + ke B4 + dan voltan keluaran buffer dilabel dari B1_Out ke B4_Out. Voltan penyangga ini kemudian dihantar ke penguat pembezaan untuk mengukur voltan sel individu seperti yang dibincangkan di atas. Nilai semua perintang diatur ke 1K kerana keuntungan penguat pembezaan diatur ke kesatuan. Anda boleh menggunakan sebarang nilai perintang tetapi semuanya harus mempunyai nilai yang sama, kecuali perintang R13 dan R14. Kedua-dua perintang ini membentuk pembahagi berpotensi untuk mengukur voltan pek bateri sehingga kita dapat membandingkannya dengan jumlah voltan sel yang diukur.
Rel ke Rel, Op-Amp voltan tinggi
Litar di atas menghendaki anda menggunakan op-amp voltan tinggi Rail to Rail seperti OPA4197 kerana dua sebab. Kedua-dua IC Op-Amp beroperasi dengan voltan pek maksimum (4.3 * 4) 17.2V, oleh itu Op-amp harus mampu menangani voltan tinggi. Oleh kerana kita menggunakan rangkaian penyangga, keluaran penyangga harus sama dengan voltan pek untuk terminal sel ke- 4, yang bermaksud voltan keluaran harus sama dengan voltan operasi op-amp maka kita perlu menggunakan Rel untuk Rel op-amp
Sekiranya anda tidak dapat mencari op-amp rel ke rel, anda boleh mengganti IC dengan LM324 sederhana. IC ini dapat menangani voltan tinggi tetapi tidak dapat berfungsi sebagai rel ke rel, jadi anda harus menggunakan resistor penarik 10k pada pin pertama IC Op-Amp U1.
Reka Bentuk dan Fabrikasi PCB menggunakan EDA Mudah
Sekarang litar kami sudah siap, inilah masanya untuk membuatnya dibuat. Oleh kerana Op-Amp yang saya gunakan hanya tersedia dalam pakej SMD, saya terpaksa membuat PCB untuk litar saya. Oleh itu, seperti biasa kita telah menggunakan alat EDA dalam talian yang disebut EasyEDA untuk membuat PCB kita dibuat kerana sangat mudah digunakan kerana ia mempunyai koleksi jejak kaki yang baik dan ia adalah sumber terbuka.
Setelah merancang PCB, kami dapat memesan sampel PCB dengan perkhidmatan fabrikasi PCB kos rendah mereka. Mereka juga menawarkan perkhidmatan sumber komponen di mana mereka mempunyai stok komponen elektronik yang besar dan pengguna dapat memesan komponen yang diperlukan bersama dengan pesanan PCB.
Semasa merancang litar dan PCB anda, anda juga dapat menjadikan reka bentuk litar dan PCB anda menjadi umum sehingga pengguna lain dapat menyalin atau menyuntingnya dan dapat memanfaatkan pekerjaan anda, kami juga telah menjadikan keseluruhan susunan Litar dan PCB kami untuk umum untuk litar ini, periksa pautan di bawah:
easyeda.com/CircuitDigest/Multicell-Voltage-measuring-for-BMS
Anda boleh melihat mana-mana Lapisan (Atas, Bawah, Topsilk, botol bawah dll) dari PCB dengan memilih lapisan dari Tingkap 'Lapisan'. Baru-baru ini mereka juga memperkenalkan pilihan paparan 3D sehingga anda juga dapat melihat PCB pengukur voltan Multisel, mengenai bagaimana ia akan menjaga fabrikasi menggunakan butang Tampilan 3D di EasyEDA:
Mengira dan Memesan Sampel dalam talian
Setelah menyelesaikan reka bentuk litar pengukuran Voltan sel Lithium ini, anda boleh memesan PCB melalui JLCPCB.com. Untuk memesan PCB dari JLCPCB, anda memerlukan Gerber File. Untuk memuat turun fail Gerber dari PCB anda, cukup klik butang Hasilkan Fail Fabrikasi di halaman editor EasyEDA, kemudian muat turun fail Gerber dari sana atau anda boleh mengklik Pesanan di JLCPCB seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah. Ini akan mengarahkan anda ke JLCPCB.com, di mana anda dapat memilih jumlah PCB yang anda ingin pesan, berapa banyak lapisan tembaga yang anda perlukan, ketebalan PCB, berat tembaga, dan juga warna PCB, seperti gambar yang ditunjukkan di bawah:
Setelah mengklik pesanan di butang JLCPCB, ia akan membawa anda ke laman web JLCPCB di mana anda boleh memesan PCB warna dengan kadar yang sangat rendah iaitu $ 2 untuk semua warna. Masa pembuatannya juga sangat kurang iaitu 48 jam dengan penghantaran DHL 3-5 hari, pada dasarnya anda akan mendapatkan PCB anda dalam seminggu dari pesanan. Selain itu, mereka juga menawarkan potongan $ 20 untuk penghantaran untuk pesanan pertama anda.
Setelah memesan PCB, anda boleh memeriksa Kemajuan Pengeluaran PCB anda dengan tarikh dan waktu. Anda memeriksanya dengan pergi ke halaman Akaun dan klik pada pautan "Kemajuan Pengeluaran" di bawah PCB seperti, seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah.
Setelah beberapa hari memesan PCB, saya mendapat sampel PCB dalam pembungkusan yang bagus seperti gambar di bawah.
Setelah memastikan jejak dan jejak kaki betul. Saya meneruskan pemasangan PCB, saya menggunakan header wanita untuk meletakkan Arduino Nano dan LCD sehingga saya dapat mengeluarkannya kemudian jika saya memerlukannya untuk projek lain. Papan yang dipateri sepenuhnya kelihatan seperti di bawah ini
Menguji Litar Pemantauan Voltan
Setelah menyolder semua komponen, cukup sambungkan pek bateri ke penyambung H1 di papan. Saya telah menggunakan kabel penyambung untuk memastikan saya tidak menukar sambungan pada masa akan datang secara tidak sengaja. Berhati-hatilah untuk tidak menyambungkannya dengan cara yang salah kerana boleh menyebabkan litar pintas dan akan merosakkan bateri atau litar secara kekal. PCB saya dengan pek bateri yang saya gunakan untuk ujian ditunjukkan di bawah.
Sekarang gunakan multimeter pada terminal H2 untuk mengukur voltan jual individu. Terminal ditandakan dengan nombor untuk mengenal pasti voltan sel yang sedang diukur. Dengan ini kita dapat menyimpulkan bahawa litar berfungsi. Tetapi untuk menjadikannya lebih menarik marilah kita menyambungkan LCD dan menggunakan Arduino untuk mengukur nilai voltan ini dan memaparkannya di skrin LCD.
Mengukur Voltan Sel Lithium Menggunakan Arduino
Litar untuk menghubungkan Arduino ke PCB kami ditunjukkan di bawah. Ia menunjukkan cara menyambungkan Arduino Nano ke LCD.
Pin header H2 pada PCB harus disambungkan ke pin analog papan Arduino seperti yang ditunjukkan di atas. Pin analog A1 hingga A4 digunakan untuk mengukur empat voltan sel masing-masing, sementara pin A0 disambungkan ke pin header v 'dari P1. Pin 'ini boleh digunakan untuk mengukur jumlah voltan pek. Kami juga telah menyambungkan 1 yang st pin P1 untuk pin Vin daripada Arduino dan 3 rd pin P1 o pin tanah untuk Arduino kepada kuasa Arduino dengan pek bateri.
Kita boleh menulis program untuk mengukur keempat-empat voltan sel dan voltan pek bateri dan memaparkannya di LCD. Untuk menjadikannya lebih menarik, saya juga telah menambahkan keempat-empat voltan sel dan membandingkan nilainya dengan voltan pek yang diukur untuk memeriksa sejauh mana kita sebenarnya mengukur voltan.
Memprogram Arduino
Program lengkap boleh didapati di hujung halaman ini. Programnya cukup mudah, kita hanya menggunakan fungsi membaca analog untuk membaca voltan sel menggunakan modul ADC dan memaparkan nilai voltan kiraan pada LCD menggunakan perpustakaan LCD.
float Cell_1 = analogRead (A1) * (5.0 / 1023.0); // Ukur voltan sel pertama lcd.print ("C1:"); lcd.print (Sel_1);
Dalam coretan di atas, kami telah mengukur voltan sel 1 dan mengalikannya dengan 5/1023 untuk menukar nilai 0 hingga 1023 ADC kepada 0 hingga 5V sebenar. Kami kemudian memaparkan nilai voltan yang dikira pada LCD. Begitu juga kita melakukan ini untuk keempat-empat sel dan juga jumlah bateri. Kami juga telah menggunakan voltan total berubah untuk menjumlahkan semua voltan sel dan memaparkannya pada LCD seperti yang ditunjukkan di bawah.
float Total_Voltage = Sel_1 + Sel_2 + Sel_3 + Sel_4; // Tambahkan keempat-empat nilai voltan yang diukur lcd.print ("Total:"); lcd.print (Total_Voltage);
Paparan Voltan Sel Individu Berfungsi
Setelah anda bersedia dengan litar dan kod, muat naik kod tersebut ke papan Arduino dan sambungkan power bank ke PCB. LCD kini harus memaparkan voltan sel individu keempat-empat sel seperti yang ditunjukkan di bawah.
Seperti yang anda lihat voltan yang ditunjukkan untuk sel 1 hingga 4 masing-masing ialah 3.78V, 3.78V, 3.82V dan 3.84V. Oleh itu, saya menggunakan multimeter saya untuk memeriksa voltan sebenar sel-sel ini yang ternyata sedikit berbeza perbezaannya dibentangkan di bawah.
Voltan Terukur |
Voltan Sebenar |
3.78V |
3.78V |
3.78V |
3.78V |
3.82V |
3.81V |
3.84V |
3.82V |
Seperti yang anda lihat, kami mendapat hasil yang tepat untuk sel satu dan dua tetapi terdapat ralat setinggi 200mV untuk sel 3 dan 4. Ini kemungkinan besar dijangka untuk reka bentuk kami. Oleh kerana kita menggunakan litar pembeza op-amp, ketepatan voltan yang diukur akan turun seiring bertambahnya bilangan sel.
Tetapi kesalahan ini adalah kesalahan tetap dan dapat diperbaiki dalam program ini, dengan mengambil contoh bacaan dan menambahkan pengganda untuk memperbaiki kesalahan tersebut. Pada skrin LCD seterusnya anda juga dapat melihat jumlah voltan yang diukur dan voltan pek sebenar yang diukur melalui pembahagi berpotensi. Perkara yang sama ditunjukkan di bawah.
Jumlah voltan yang diukur ialah 15.21V dan voltan sebenar yang diukur melalui pin A0 Arduino ternyata menjadi 15.22V. Oleh itu perbezaannya adalah 100mV yang tidak buruk. Sementara jenis litar ini dapat digunakan untuk jumlah lees yang lebih sedikit seperti di bank kuasa atau bateri komputer riba. Kenderaan elektrik BMS menggunakan jenis IC khas seperti LTC2943 kerana kesalahan 100mV tidak boleh diterima. Walaupun begitu, kami telah belajar melakukannya untuk litar skala kecil di mana harga adalah kekangan.
Penyediaan lengkap kerja boleh didapati di video yang dipautkan di bawah. Semoga anda menikmati projek ini dan belajar sesuatu yang berguna daripadanya. Sekiranya anda mempunyai sebarang pertanyaan, tinggalkan di bahagian komen atau gunakan forum untuk mendapatkan balasan yang lebih pantas.