การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าหลายเซลล์สำหรับชุดแบตเตอรี่ลิเธียมในรถยนต์ไฟฟ้า

ระยะทางและประสิทธิภาพของรถยนต์ไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความจุและประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่ เพื่อให้ก้อนแบตเตอรี่มีสุขภาพสมบูรณ์ถือเป็นความรับผิดชอบของ Battery Management System (BMS) BMS เป็นหน่วยที่มีความซับซ้อนใน EV ซึ่งทำกิจกรรมต่างๆมากมายเช่นการตรวจสอบเซลล์ปรับสมดุลและแม้กระทั่งปกป้องพวกมันจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เราได้เรียนรู้เรื่องนี้มามากพอแล้วในบทความเกี่ยวกับระบบการจัดการแบตเตอรี่ดังนั้นโปรดตรวจสอบว่าคุณยังใหม่หรือไม่

ขั้นตอนแรกสำหรับBMSคือการทราบสถานะปัจจุบันของเซลล์ในชุดแบตเตอรี่ลิเธียม ทำได้โดยการวัดแรงดันและกระแส (บางครั้งก็อุณหภูมิด้วย) ของเซลล์ในแพ็ค ด้วยค่าสองค่านี้เท่านั้น BMS สามารถคำนวณ SOC หรือ SOH และทำการปรับสมดุลของเซลล์ได้เป็นต้นดังนั้นการวัดแรงดันและกระแสของเซลล์จึงมีความสำคัญสำหรับวงจร BMS ไม่ว่าจะเป็นแบตเตอรีแบตเตอรีหรือแบตเตอรี่แล็ปท็อปแบบธรรมดา แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์.

ในบทความนี้เราจะได้เรียนรู้วิธีการที่เราสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าเซลล์แต่ละเซลล์ของเซลล์ที่ใช้ในชุดแบตเตอรี่ลิเธียมเพื่อประโยชน์ของโครงการนี้เราจะใช้สี่ลิเธียม 18650 เซลล์เชื่อมต่อในชุดในรูปแบบแพ็คแบตเตอรี่และการออกแบบวงจรไฟฟ้าอย่างง่ายโดยใช้สหกรณ์แอมป์ในการวัดแรงดันไฟฟ้าเซลล์แต่ละเซลล์และการแสดงบนหน้าจอ LCD ใช้ Arduino

การวัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่

ปัญหาในการวัดแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมคือจุดอ้างอิงยังคงเหมือนเดิม ภาพด้านล่างแสดงให้เห็นเช่นเดียวกัน

เพื่อความง่ายให้เราสมมติว่าเซลล์ทั้งสี่อยู่ที่ระดับแรงดันไฟฟ้า 4V ดังที่แสดงด้านบน ตอนนี้ถ้าเราใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino เช่นการวัดแรงดันไฟฟ้าเซลล์เราจะมีปัญหาในการวัดแรงดันไฟฟ้าของ 1 ไม่มี^STมือถือเพราะมันมีส่วนอื่น ๆ ที่เชื่อมต่อกับพื้นดิน แต่สำหรับเซลล์อื่น ๆ เราต้องวัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์นั้นพร้อมกับเซลล์ก่อนหน้าเช่นเมื่อเราวัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ที่ 4 เราจะวัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ทั้งสี่ด้วยกัน เนื่องจากไม่สามารถเปลี่ยนจุดอ้างอิงจากพื้นดินได้

ดังนั้นเราต้องแนะนำวงจรพิเศษที่นี่ซึ่งสามารถช่วยเราวัดแรงดันไฟฟ้าแต่ละตัวได้ ในทางหยาบคือการใช้ตัวแบ่งที่มีศักยภาพในการแมประดับแรงดันไฟฟ้าแล้ววัด แต่วิธีนี้จะลดความละเอียดของค่าที่อ่านได้มากกว่า 0.1V ดังนั้นในบทช่วยสอนนี้เราจะใช้ Op-Amp Differential Circuit เพื่อวัดความแตกต่างระหว่างขั้วเซลล์แต่ละขั้วเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าแต่ละตัว

วงจรดิฟเฟอเรนเชียลเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์

เรารู้จัก Op-Amp อยู่แล้วเมื่อทำงานเป็นแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลให้ความแตกต่างระหว่างค่าแรงดันไฟฟ้าสองค่าที่ให้ไว้กับพินกลับด้านและไม่กลับด้าน ดังนั้นเพื่อจุดประสงค์ของเราในการวัดแรงดันไฟฟ้า 4 เซลล์เราต้องมีออปแอมป์ที่แตกต่างกันสามตัวดังที่แสดงด้านล่าง

โปรดทราบว่าภาพนี้ใช้เพื่อเป็นตัวแทนเท่านั้น วงจรจริงต้องการส่วนประกอบเพิ่มเติมและจะกล่าวถึงต่อไปในบทความนี้ ครั้งแรก op-amp O1 มาตรการแรงดันไฟฟ้าใน 2 ^{ครั้งที่}เซลล์โดยการคำนวณความแตกต่างระหว่าง 2 ^{ครั้งที่}ขั้วของเซลล์และ 1 ^{เซนต์}ขั้วมือถือที่เป็น (8-4) ในทำนองเดียวกัน O2 สหกรณ์แอมป์และ O3 มาตรการ 3 ^RDและ 4 ^THแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ตามลำดับ เราไม่ได้ใช้ op-amp สำหรับ 1 ^st cell เนื่องจากสามารถวัดได้โดยตรง

แผนภูมิวงจรรวม

แผนภาพวงจรที่สมบูรณ์สำหรับการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าหลายเซลล์ในชุดแบตเตอรี่ลิเธียมแสดงไว้ด้านล่าง วงจรได้รับการออกแบบโดยใช้ EasyEDA และเราจะใช้แบบเดียวกันนี้เพื่อสร้าง PCB ของเราด้วย

อย่างที่คุณเห็นเรามีสองแพ็คเกจ Quad Rail to Rail OPA4197 แรงดันไฟฟ้าสูงในวงจรของเราซึ่งทั้งคู่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดของแพ็ค IC หนึ่งตัว (U1) ใช้สร้างวงจรบัฟเฟอร์หรือที่เรียกว่าตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าในขณะที่ IC อื่น (U2) ใช้เพื่อสร้างวงจรแอมพลิฟายเออร์ที่แตกต่างกัน จำเป็นต้องมีวงจรบัฟเฟอร์เพื่อป้องกันไม่ให้เซลล์ใด ๆ โหลดทีละเซลล์ซึ่งไม่ควรใช้กระแสไฟฟ้าจากเซลล์เดียว แต่จะสร้างแพ็คโดยรวมเท่านั้น เนื่องจากวงจรบัฟเฟอร์มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงมากเราจึงสามารถใช้เพื่ออ่านแรงดันไฟฟ้าจากเซลล์ได้โดยไม่ต้องดึงพลังงาน

ออปแอมป์ทั้งสี่ตัวใน IC U1 ใช้เพื่อบัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้าของเซลล์ทั้งสี่ตามลำดับ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจากเซลล์มีป้ายกำกับตั้งแต่ B1 + ถึง B4 + และแรงดันเอาต์พุตที่บัฟเฟอร์จะมีป้ายกำกับจาก B1_Out ถึง B4_Out จากนั้นแรงดันบัฟเฟอร์นี้จะถูกส่งไปยังแอมพลิฟายเออร์ Differentia เพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ค่าของตัวต้านทานทั้งหมดตั้งไว้ที่ 1K เนื่องจากค่าขยายของแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลถูกตั้งค่าเป็นเอกภาพ คุณสามารถใช้ค่าตัวต้านทานใดก็ได้ แต่ค่าทั้งหมดควรมีค่าเท่ากันยกเว้นตัวต้านทาน R13 และ R14 ตัวต้านทานทั้งสองนี้เป็นตัวแบ่งที่มีศักยภาพในการวัดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เพื่อให้เราสามารถเปรียบเทียบกับผลรวมของแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ที่วัดได้

Rail to Rail, Op-Amp ไฟฟ้าแรงสูง

วงจรข้างต้นต้องการให้คุณใช้ op-amp แรงดันสูง Rail to Rail เช่น OPA4197 เนื่องจากเหตุผลสองประการ Op-Amp IC ทั้งสองทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าของแพ็คที่สูงสุด (4.3 * 4) 17.2V ดังนั้น Op-amp ควรสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าสูงได้ นอกจากนี้นับตั้งแต่ที่เรากำลังใช้วงจรบัฟเฟอร์การส่งออกของบัฟเฟอร์ควรจะเท่ากับที่จะแพ็คแรงดันสำหรับ 4 ^THขั้วเซลล์หมายถึงแรงดันขาออกควรจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าปฏิบัติการของสหกรณ์แอมป์ด้วยเหตุนี้เราต้องใช้ราว ราง op-amp

หากคุณไม่พบรางสำหรับราง op-amp คุณสามารถเปลี่ยน IC ด้วย LM324 แบบธรรมดา IC นี้สามารถรองรับไฟฟ้าแรงสูงได้ แต่ไม่สามารถทำหน้าที่เป็นรางกับรางได้ดังนั้นคุณต้องใช้ตัวต้านทานแบบดึงขึ้น 10k ที่พินแรกของ U1 Op-Amp IC

การออกแบบและผลิต PCB โดยใช้ Easy EDA

ตอนนี้วงจรของเราพร้อมแล้วก็ได้เวลาประดิษฐ์ เนื่องจาก Op-Amp ที่ฉันใช้มีให้เฉพาะในแพ็คเกจ SMD ฉันจึงต้องสร้าง PCB สำหรับวงจรของฉัน ดังนั้นเช่นเคยเราใช้เครื่องมือ EDA ออนไลน์ที่เรียกว่า EasyEDA เพื่อสร้าง PCB ของเราเพราะสะดวกในการใช้งานเนื่องจากมีคอลเลกชันที่ดีและเป็นโอเพ่นซอร์ส

หลังจากออกแบบ PCB แล้วเราสามารถสั่งซื้อตัวอย่าง PCB ได้โดยบริการผลิต PCB ต้นทุนต่ำ นอกจากนี้ยังมีบริการจัดหาส่วนประกอบที่มีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากและผู้ใช้สามารถสั่งซื้อส่วนประกอบที่ต้องการพร้อมกับคำสั่งซื้อ PCB

ในขณะที่ออกแบบวงจรและ PCB ของคุณคุณยังสามารถทำให้การออกแบบวงจรและ PCB ของคุณเป็นแบบสาธารณะเพื่อให้ผู้ใช้รายอื่นสามารถคัดลอกหรือแก้ไขได้และสามารถใช้ประโยชน์จากงานของคุณได้เรายังทำให้วงจรและเลย์เอาต์ PCB ทั้งหมดของเราเป็นแบบสาธารณะสำหรับวงจรนี้ด้วยตรวจสอบ ลิงค์ด้านล่าง:

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

คุณสามารถ ดูเลเยอร์ใดก็ได้ (บน, ล่าง, ท็อปซิล, พื้นและอื่น ๆ) ของ PCB โดยการเลือกเลเยอร์จากหน้าต่าง 'เลเยอร์' เมื่อเร็ว ๆ นี้พวกเขาได้เปิดตัวตัวเลือกมุมมอง 3 มิติเพื่อให้คุณสามารถดู PCB การวัดแรงดันไฟฟ้าแบบหลายเซลล์เกี่ยวกับวิธีการดูแลการประดิษฐ์โดยใช้ ปุ่มมุมมอง 3 มิติใน EasyEDA:

การคำนวณและการสั่งซื้อตัวอย่างออนไลน์

หลังจากออกแบบวงจรวัดแรงดันเซลล์ลิเธียมเสร็จแล้ว คุณสามารถสั่งซื้อ PCB ผ่าน JLCPCB.com ในการสั่งซื้อ PCB จาก JLCPCB คุณต้องมีไฟล์ Gerber หากต้องการดาวน์โหลดไฟล์ Gerber ของ PCB ของคุณเพียงคลิกปุ่มสร้างไฟล์การผลิตบนหน้าตัวแก้ไข EasyEDA จากนั้นดาวน์โหลดไฟล์ Gerber จากที่นั่นหรือคุณสามารถคลิกสั่งซื้อที่ JLCPCB ดังที่แสดงในภาพด้านล่าง สิ่งนี้จะเปลี่ยนเส้นทางคุณไปยัง JLCPCB.com ซึ่งคุณสามารถเลือกจำนวน PCB ที่คุณต้องการสั่งซื้อจำนวนชั้นทองแดงที่คุณต้องการความหนาของ PCB น้ำหนักทองแดงและแม้แต่สีของ PCB เช่นเดียวกับภาพรวมที่แสดงด้านล่าง:

หลังจากคลิกสั่งซื้อที่ปุ่ม JLCPCB จะนำคุณไปยังเว็บไซต์ JLCPCB ซึ่งคุณสามารถสั่งซื้อ PCB สีใดก็ได้ในอัตราที่ต่ำมากซึ่งคือ $ 2 สำหรับสีทั้งหมด เวลาในการสร้างของพวกเขายังน้อยกว่ามากซึ่ง 48 ชั่วโมงด้วยการจัดส่ง DHL 3-5 วันโดยทั่วไปคุณจะได้รับ PCBs ภายในหนึ่งสัปดาห์หลังจากสั่งซื้อ นอกจากนี้พวกเขายังเสนอส่วนลด $ 20 สำหรับการจัดส่งสำหรับการสั่งซื้อครั้งแรกของคุณ

หลังจากสั่งซื้อ PCB แล้วคุณสามารถ ตรวจสอบ ความคืบหน้าในการผลิต PCB ของคุณ พร้อมวันที่และเวลา คุณตรวจสอบได้โดยไปที่หน้าบัญชีและคลิกที่ลิงค์ "ความคืบหน้าการผลิต" ใต้ PCB เหมือนดังที่แสดงในภาพด้านล่าง

หลังจากไม่กี่วันของการสั่งซื้อ PCB ฉันได้รับตัวอย่าง PCB ในบรรจุภัณฑ์ที่ดีดังที่แสดงในภาพด้านล่าง

หลังจากตรวจสอบให้แน่ใจว่าแทร็กและรอยเท้าถูกต้อง ฉันดำเนินการประกอบ PCB ต่อไปฉันใช้ส่วนหัวของผู้หญิงในการวาง Arduino Nano และ LCD เพื่อที่ฉันจะได้ลบออกในภายหลังหากต้องการสำหรับโครงการอื่น ๆ บอร์ดบัดกรีทั้งหมด มีลักษณะดังนี้ด้านล่าง

การทดสอบวงจรตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า

หลังจากบัดกรีส่วนประกอบทั้งหมดแล้วเพียงแค่เชื่อมต่อชุดแบตเตอรี่เข้ากับขั้วต่อ H1 บนบอร์ด ฉันใช้สายเชื่อมต่อเพื่อให้แน่ใจว่าฉันจะไม่เปลี่ยนการเชื่อมต่อในอนาคตโดยไม่ได้ตั้งใจ ระวังอย่าเชื่อมต่อผิดวิธีเนื่องจากอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและอาจทำให้แบตเตอรี่หรือวงจรเสียหายอย่างถาวร PCB ของฉันพร้อมชุดแบตเตอรี่ที่ฉันใช้ในการทดสอบแสดงอยู่ด้านล่าง

ตอนนี้ใช้มัลติมิเตอร์ที่ขั้ว H2 เพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าที่ขายแต่ละตัว ขั้วถูกทำเครื่องหมายด้วยตัวเลขเพื่อระบุแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ที่กำลังวัดอยู่ ที่นี่เราสามารถสรุปได้ว่าวงจรกำลังทำงาน แต่เพื่อให้น่าสนใจยิ่งขึ้นให้เราเชื่อมต่อ LCD และใช้ Arduino เพื่อวัดค่าแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้และแสดงบนหน้าจอ LCD

การวัดแรงดันเซลล์ลิเธียมโดยใช้ Arduino

วงจรสำหรับเชื่อมต่อ Arduino กับ PCB ของเราแสดงอยู่ด้านล่าง แสดงวิธีการเชื่อมต่อ Arduino Nano กับ LCD

ขาส่วนหัว H2 บน PCB ควรเชื่อมต่อกับพินอะนาล็อกของบอร์ด Arduino ดังที่แสดงด้านบน หมุดอะนาล็อก A1 ถึง A4 ใช้เพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ทั้งสี่ตามลำดับในขณะที่พิน A0 เชื่อมต่อกับพินส่วนหัว v 'ของ P1 ขา v 'นี้สามารถใช้เพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าของแพ็คทั้งหมด เรามีการเชื่อมต่อยังเป็น 1 ^{เซนต์}ขา P1 กับขา Vin ของ Arduino และ 3 ^ถขา P1 o ขาล่างของ Arduino สู่อำนาจ Arduino กับแบตเตอรี่

เราสามารถเขียนโปรแกรมเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าทั้งสี่เซลล์และแรงดันไฟฟ้าของก้อนแบตเตอรี่และแสดงใน LCD เพื่อให้น่าสนใจยิ่งขึ้นฉันได้เพิ่มแรงดันไฟฟ้าทั้งสี่เซลล์และเปรียบเทียบค่ากับแรงดันไฟฟ้าของแพ็คที่วัดได้เพื่อตรวจสอบว่าเรากำลังวัดแรงดันไฟฟ้าอยู่ใกล้แค่ไหน

การเขียนโปรแกรม Arduino

โปรแกรมที่สมบูรณ์สามารถพบได้ในตอนท้ายของหน้านี้ โปรแกรมค่อนข้างง่ายเราเพียงแค่ใช้ฟังก์ชั่นการอ่านแบบอะนาล็อกเพื่ออ่านแรงดันไฟฟ้าของเซลล์โดยใช้โมดูล ADC และแสดงค่าแรงดันไฟฟ้าที่คำนวณบน LCD โดยใช้ไลบรารี LCD

ลอย Cell_1 = analogRead (A1) * (5.0 / 1023.0); // วัดแรงดันเซลล์ที่ 1 lcd.print ("C1:"); lcd.print (Cell_1);

ในตัวอย่างข้างต้นเราได้วัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ 1 และคูณด้วย 5/1023 เพื่อแปลงค่า 0 ถึง 1023 ADC เป็น 0 ถึง 5V จริง จากนั้นเราจะแสดงค่าแรงดันไฟฟ้าที่คำนวณได้บนจอ LCD ในทำนองเดียวกันเราทำสิ่งนี้กับเซลล์ทั้งสี่เซลล์และก้อนแบตเตอรี่ทั้งหมดด้วย เรายังใช้แรงดันรวมตัวแปรเพื่อสรุปแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ทั้งหมดและแสดงบนจอ LCD ดังที่แสดงด้านล่าง

ลอย Total_Voltage = Cell_1 + Cell_2 + Cell_3 + Cell_4; // เพิ่มค่าแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ทั้งสี่ค่า lcd.print ("Total:"); lcd.print (Total_Voltage);

การแสดงแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แต่ละเซลล์

เมื่อคุณพร้อมกับวงจรและรหัสแล้วให้อัปโหลดรหัสไปยังบอร์ด Arduino และเชื่อมต่อพาวเวอร์แบงค์เข้ากับ PCB ตอนนี้ LCD ควรแสดงแรงดันไฟฟ้าแต่ละเซลล์ของเซลล์ทั้งสี่ดังที่แสดงด้านล่าง

ดังที่คุณเห็นแรงดันไฟฟ้าที่แสดงสำหรับเซลล์ 1 ถึง 4 คือ 3.78V, 3.78V, 3.82V และ 3.84V ตามลำดับ จากนั้นฉันจึงใช้มัลติมิเตอร์ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าจริงของเซลล์เหล่านี้ซึ่งแตกต่างกันเล็กน้อยความแตกต่างดังตารางด้านล่าง

วัดแรงดันไฟฟ้า	แรงดันไฟฟ้าจริง
3.78V	3.78V
3.78V	3.78V
3.82V	3.81V
3.84V	3.82V

อย่างที่คุณเห็นว่าเราได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำสำหรับเซลล์หนึ่งและสอง แต่มีข้อผิดพลาดสูงถึง 200mV สำหรับเซลล์ 3 และ 4 ซึ่งเป็นไปได้มากที่สุดสำหรับการออกแบบของเรา เนื่องจากเราใช้วงจรตัวแยกความแตกต่างของ op-amp ความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้จะลดลงเมื่อจำนวนเซลล์เพิ่มขึ้น

แต่ข้อผิดพลาดนี้เป็นข้อผิดพลาดคงที่และสามารถแก้ไขได้ในโปรแกรมโดยการอ่านตัวอย่างและเพิ่มตัวคูณเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาด ในหน้าจอ LCD ถัดไปคุณยังสามารถดูผลรวมของแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้และแรงดันไฟฟ้าของแพ็คจริงที่วัดผ่านตัวแบ่งศักย์ ดังแสดงด้านล่าง

ผลรวมของแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้คือ 15.21V และแรงดันไฟฟ้าจริงที่วัดผ่านขา A0 ของ Arduino กลายเป็น 15.22V ดังนั้นความแตกต่างคือ 100mV ซึ่งไม่เลว ในขณะที่วงจรประเภทนี้สามารถใช้กับแบตเตอรี่จำนวนน้อยกว่าเช่นในแบตสำรองหรือแบตเตอรี่แล็ปท็อป BMS ของรถยนต์ไฟฟ้าใช้ IC ชนิดพิเศษเช่น LTC2943 เพราะแม้ข้อผิดพลาด 100mV ก็ไม่สามารถยอมรับได้ อย่างไรก็ตามเราได้เรียนรู้วิธีการทำวงจรขนาดเล็กที่ราคาเป็นข้อ จำกัด

การทำงานที่สมบูรณ์ของการตั้งค่าสามารถพบได้ที่วิดีโอลิงก์ด้านล่างหวังว่าคุณจะสนุกกับโครงการและเรียนรู้สิ่งที่เป็นประโยชน์จากมัน หากคุณมีคำถามใด ๆ โปรดทิ้งไว้ในส่วนความคิดเห็นหรือใช้ฟอรัมเพื่อตอบกลับได้เร็วขึ้น