Surveillance de tension multicellulaire pour la batterie au lithium Pack dans les véhicules électriques

Le kilométrage et les performances d’un véhicule électrique dépendent de la capacité et de l’efficacité de sa batterie. Le maintien de la batterie en pleine santé est la responsabilité du système de gestion de la batterie (BMS). Un BMS est une unité sophistiquée dans un véhicule électrique qui fait beaucoup d’activité comme surveiller les cellules, les équilibrer et même les protéger des changements de température. Nous en avons déjà suffisamment appris dans cet article du système de gestion des batteries, alors vérifiez-les si vous êtes nouveau ici.

Pour faire quoi que ce soit, la première étape pour le Bms serait de connaître l’état actuel des cellules dans la batterie au lithium. Cela se fait en mesurant la tension et le courant (parfois aussi la température) des cellules du pack. Ce n’est qu’avec ces deux valeurs que le BMS pourrait calculer le SOC ou SOH et effectuer un équilibrage des cellules, etc. Ainsi, la mesure de la tension et du courant de la cellule est vitale pour tout circuit BMS, que ce soit une banque d’alimentation simple ou une batterie d’ordinateur portable ou aussi compliquée que les batteries EV / solaires.

Dans cet article, nous apprendrons Comment nous pouvons mesurer la tension cellulaire individuelle des cellules utilisées dans une batterie au lithium. Pour le bien de ce projet, nous en utiliserons quatre cellules lithium 18650 connecté en série pour former une batterie et concevoir un circuit simple à l’aide d’amplifications opérationnelles pour mesurer les tensions de cellule individuelles et Affichez-le sur un écran LCD à l’aide d’Arduino.

Mesurer la tension de cellule individuelle dans une pile de batteries en série

Le problème avec la mesure de la tension de cellule individuelle dans un paquet de batteries connectées en série est que le point de référence reste le même. L’image ci-dessous illustre la même chose

Pour simplifier, supposons que les quatre cellules sont à un niveau de tension de 4V comme indiqué ci-dessus. Actuellement, si nous utilisons un microcontrôleur comme Arduino pour mesurer la tension cellulaire, nous n’aurons aucun problème à mesurer la tension de 1^St Cellule depuis qu’il a l’autre extrémité connectée à la terre. Mais, pour les autres cellules, nous devons mesurer la tension de cette cellule avec les cellules précédentes, par exemple lorsque nous mesurons la tension de la 4ème cellule, nous mesurerons la tension des quatre cellules ensemble. En effet, le point de référence ne peut pas être modifié à partir du sol.

Nous devons donc introduire un circuit supplémentaire ici qui pourrait nous aider à mesurer les tensions individuelles. À la manière brute, c’est d’utiliser un diviseur potentiel pour cartographier les niveaux de tension, puis les mesurer, mais cette méthode réduira la résolution de la valeur de lecture à plus de 0,1 V. Par conséquent, dans ce tutoriel, nous utiliserons le circuit différentiel de l’amplificateur op pour mesurer la différence entre chaque borne cellulaire pour mesurer la tension individuelle.

Circuit différentiel pour mesurer la tension de cellule individuelle

Nous savons déjà qu’un ampli opérationnel lorsque vous travaillez comme amplificateur différentiel donne la différence entre les deux valeurs de tension fournies à sa broche inverse et non inversée. Ainsi, dans notre objectif de mesurer 4 tensions cellulaires, nous avons besoin de trois amplifications éperonnelles comme indiqué ci-dessous.

Notez que cette image est uniquement pour la représentation; Le circuit réel a besoin de plus de composants et sera discuté plus loin dans cet article. Le premier OP-AMP O1 mesure la tension du 2^nd cellule en calculant la différence entre 2^nd Terminal cellulaire et 1^St Terminal cellulaire qui est (8-4). De même, l’OM-AMP O2 et O3 mesure le 3^rd et 4^ème tension cellulaire respectivement. Nous n’avons pas utilisé d’amplificat pour le 1^St cellule car elle pourrait être mesurée directement.

Diagramme de circuit

Le diagramme de circuit complet pour surveillance de la tension multicellulaire dans la batterie au lithium est donné ci-dessous. Le circuit a été conçu en utilisant EasyEda et nous utiliserons la même chose pour fabriquer notre PCB également.

Comme vous pouvez le voir, nous avons deux rails de rail à quad pour rail OPA4197 à haute tension OPA4197 dans notre circuit alimenté par la tension totale du pack. Un IC (U1) est utilisé un circuit tampon de fabrication aka suiveur de tension tandis que l’autre IC (U2) est utilisé pour former le circuit d’amplificateur différentiel. Un circuit tampon est nécessaire pour empêcher l’une des cellules de se charger individuellement, ce qui n’est pas le courant ne devrait être consommé d’une seule cellule mais ne formez que le pack dans son ensemble. Étant donné que le circuit tampon a une impédance d’entrée très élevée, nous pouvons utiliser pour lire la tension de la cellule sans en tirer de puissance.

Les quatre AMP OP dans l’IC U1 sont utilisés pour tamponner respectivement la tension des quatre cellules. Les tensions d’entrée des cellules sont étiquetées de B1 + à B4 + et la tension de sortie tamponnée est étiquetée de B1_out à B4_out. Cette tension tamponnée est ensuite envoyée à l’amplificateur de différencia pour mesurer la tension cellulaire individuelle comme indiqué ci-dessus. La valeur de toute la résistance est définie sur 1k car le gain de l’amplificateur différentiel est défini sur l’unité. Vous pouvez utiliser n’importe quelle valeur de résistance, mais ils devraient tous être de la même valeur, à l’exception des résistances R13 et R14. Ces deux résistances forment un diviseur potentiel pour mesurer la tension de pack de la batterie afin que nous puissions le comparer avec la somme des tensions cellulaires mesurées.

Rail au rail, amplification haute tension

Le circuit ci-dessus vous oblige à utiliser un rail pour rail Haute tension OP-AMP comme OPA4197 pour deux raisons. Les deux ic d’amplificat optionnent avec la tension du pack qui est un maximum de (4,3 * 4) 17,2v, donc l’amplificateur op-op devrait être capable de gérer des tensions élevées. De plus, comme nous utilisons un circuit tampon, la sortie du tampon doit être égale à la tension de pack pour le 4^ème borne cellulaire, ce qui signifie que la tension de sortie doit être égale à la tension de fonctionnement de l’amplificat

Si vous ne trouvez pas d’amplificateur de rail sur rail, vous pouvez remplacer l’IC par un simple LM324. Ce CI peut gérer la haute tension mais ne peut pas agir comme un rail en rail, vous devez donc utiliser une résistance de traction de 10k sur la première broche du CI U1 OP-AMP.

Conception et fabrication de PCB en utilisant Easy Eda

Actuellement que notre circuit est prêt, il est temps de le faire fabriquer. Étant donné que l’ampli-opération que j’utilise est disponible uniquement dans le package SMD, j’ai dû fabriquer un PCB pour mon circuit. Donc, comme toujours, nous avons utilisé l’outil EDA en ligne appelé EasyEda pour faire fabriquer notre PCB car il est très pratique à utiliser car il a une bonne collection d’empreintes de pas et elle est open-source.

Après avoir conçu le PCB, nous pouvons commander les échantillons de PCB par leurs services de fabrication de PCB à faible coût. Ils offrent également un service d’approvisionnement en composants où ils ont un grand stock de composants électroniques et les utilisateurs peuvent commander leurs composants requis ainsi que la commande PCB.

Lors de la conception de vos circuits et PCB, vous pouvez également rendre public votre circuit et vos PCB afin que d’autres utilisateurs puissent les copier ou les modifier et peut profiter de votre travail, nous avons également rendu public notre circuit et PCB pour ce circuit, vérifiez le lien ci-dessous:

https://easyeda.com/raspberryme/multicell-voltage-measing-for-bms

Tu peux Afficher n’importe quelle couche (En haut, en bas, en haut, en bas, etc.) du PCB en sélectionnant le calque Formez la fenêtre «couches». Récemment, ils ont également introduit une option de vue 3D afin que vous puissiez également afficher le PCB à mesurer la tension multicellulaire, sur la façon dont il s’occupera de la fabrication en utilisant le Vue 3D Bouton dans EasyEda:

Calculer et commander des échantillons en ligne

Après avoir terminé la conception de ce Circuit de mesure de tension des cellules lithiumvous pouvez commander le PCB via JLCPCB.com. Pour commander le PCB à partir de JLCPCB, vous avez besoin d’un fichier Gerber. Pour télécharger les fichiers Gerber de votre PCB, cliquez simplement sur le bouton Générer le fichier de fabrication de la page EasyEda Editor, puis téléchargez le fichier Gerber à partir de là ou vous pouvez cliquer sur l’ordre sur JLCPCB comme indiqué dans l’image ci-dessous. Cela vous redirigera vers JLCPCB.com, où vous pouvez sélectionner le nombre de PCB que vous souhaitez commander, le nombre de couches de cuivre dont vous avez besoin, l’épaisseur de PCB, le poids en cuivre et même la couleur du PCB, comme l’instantané illustré ci-dessous:

Après avoir cliqué sur la commande sur le bouton JLCPCB, il vous emmènera sur le site Web JLCPCB où vous pouvez commander n’importe quel PCB de couleur en taux très bas qui est de 2 $ pour toutes les couleurs. Leur temps de construction est également très inférieur, ce qui est de 48 heures avec la livraison DHL de 3 à 5 jours, en gros, vous obtiendrez vos PCB dans la semaine suivant la commande. De plus, ils offrent également une remise de 20 $ sur l’expédition pour votre première commande.

Après avoir commandé le PCB, vous pouvez Vérifiez le Progrès de la production de votre PCB avec date et heure. Vous le vérifiez en allant sur la page du compte et cliquez sur le lien « Production Progress » sous le PCB comme, illustré dans l’image ci-dessous.

Après quelques jours de commande de PCB, j’ai obtenu les échantillons de PCB dans un joli emballage comme indiqué dans les images ci-dessous.

Après s’être assuré que les pistes et les empreintes de pas étaient correctes. J’ai procédé à l’assemblage du PCB, j’ai utilisé des en-têtes féminines pour placer l’Arduino Nano et LCD afin que je puisse les retirer plus tard si j’en ai besoin pour d’autres projets. Le complètement panneau soudé ressemble à ceci ci-dessous

Test du circuit de surveillance de la tension

Après avoir soudé tous les composants, connectez simplement la batterie au connecteur H1 sur la carte. J’ai utilisé des câbles de connexion pour m’assurer que je ne change pas la connexion à l’avenir par accident. Faites très attention à ne pas le connecter dans le mauvais sens car cela pourrait entraîner un court-circuit et endommager les batteries ou le circuit en permanence. Mon PCB avec la batterie que j’ai utilisée pour tester est illustré ci-dessous.

Utilisez maintenant le multimètre sur le terminal H2 pour mesurer les tensions de vente individuelles. Le terminal est marqué de nombres pour identifier la tension cellulaire qui est mesurée. Avec ici, nous pouvons conclure que le circuit fonctionne. Mais pour le rendre plus intéressant, nous connectons un LCD et utilisez un Arduino pour mesurer ces valeurs de tension et afficher sur l’écran LCD.

Mesurer la tension des cellules de lithium à l’aide d’Arduino

Le circuit pour connecter l’Arduino à notre PCB est affiché ci-dessous. Il montre comment connecter l’Arduino Nano à l’écran LCD.

La broche d’en-tête H2 sur le PCB doit être connectée aux broches analogiques de la carte Arduino comme indiqué ci-dessus. Les broches analogiques A1 à A4 sont utilisées pour mesurer respectivement les quatre tensions cellulaires, tandis que la broche A0 est connectée à la broche en tête V ‘de P1. Cette broche V ‘peut être utilisée pour mesurer la tension totale du pack. Nous avons également connecté le 1^St Pin de P1 à la broche Vin de l’Arduino et 3^rd PIN DE P1 O La broche de terre d’Arduino pour alimenter l’Arduino avec la batterie.

Nous pouvons écrire un programme pour mesurer les quatre tensions cellulaires et la tension de pack de la batterie et l’afficher dans l’écran LCD. Pour le rendre plus intéressant, j’ai également ajouté les quatre tensions cellulaires et comparé la valeur avec la tension de pack mesurée pour vérifier à quel point nous sommes proches de la tension.

Programmation de l’Arduino

Le programme complet se trouve à la fin de cette page. Le programme est assez simple, nous utilisons simplement la fonction de lecture analogique pour lire les tensions de cellule à l’aide du module ADC et afficher la valeur de tension de calcul sur l’écran LCD à l’aide de la bibliothèque LCD.

  float Cell_1 = analogRead(A1) * (5.0 / 1023.0); //Measure 1st cell voltage
  lcd.print("C1:"); lcd.print(Cell_1);

Dans l’extrait ci-dessus, nous avons mesuré la tension de la cellule 1 et l’avons multipliée avec 5/1023 pour convertir la valeur 0 à 1023 ADC à 0 réel à 5V. Nous affichons ensuite la valeur de tension calculée sur l’écran LCD. De même, nous le faisons pour les quatre cellules et la batterie totale. Nous avons également utilisé la tension totale variable pour résumer toutes les tensions cellulaires et l’afficher sur l’écran LCD comme ci-dessous.

  float Total_Voltage = Cell_1+Cell_2+Cell_3+Cell_4; //Add all the four measured voltage values
  lcd.print("Total:"); lcd.print(Total_Voltage);

Affichage de tension de cellule individuelle fonctionnant

Une fois que vous êtes prêt avec le circuit et le code, téléchargez le code sur la carte Arduino et connectez la banque d’alimentation au PCB. L’écran LCD devrait désormais afficher la tension cellulaire individuelle des quatre cellules comme indiqué ci-dessous.

Comme vous pouvez le voir, la tension affichée pour la cellule 1 à 4 est respectivement de 3,78 V, 3,78 V, 3,82 V et 3,84 V. J’ai donc utilisé mon multimètre pour vérifier la tension réelle de ces cellules qui s’est avérée un peu différente, la différence est tabulée ci-dessous.

Comme vous pouvez le voir, nous avons obtenu des résultats précis pour les cellules un et deux, mais il y a une erreur aussi élevée que 20 mV pour les cellules 3 et 4. Cela est probablement prévu pour notre conception. Étant donné que nous utilisons un circuit de différenciateur d’amplifications opérationnels, la précision de la tension mesurée baissera à mesure que le nombre de cellules augmentera.

Mais cette erreur est une erreur fixe et peut être corrigée dans le programme, en prenant des exemples de lectures et en ajoutant un multiplicateur pour corriger l’erreur. Sur le prochain écran LCD, vous pouvez également voir la somme de la tension mesurée et la tension réelle du pack qui a été mesurée par le diviseur potentiel. La même chose est indiquée ci-dessous.

La somme des tensions mesurées est de 15,21 V et la tension réelle mesurée à travers la broche A0 d’Arduino se révèle être de 15,22v. Ainsi, la différence est 10 mV, ce qui n’est pas mauvais. Bien que ce type de circuit puisse être utilisé pour un nombre moindre de LEES comme dans les banques électriques ou les batteries d’ordinateurs portables. Le véhicule électrique BMS utilise un type spécial d’ICS comme le LTC2943 car même une erreur de 10 mV n’est pas tolérable. Néanmoins, nous avons appris à le faire pour un circuit à petite échelle où le prix est une contrainte.

Le Le fonctionnement complet de la configuration peut être trouvé sur la vidéo liée ci-dessous. J’espère que vous avez apprécié le projet et en appris quelque chose d’utile. Si vous avez des questions, laissez-les dans la section des commentaires ou utilisez les forums pour des réponses plus rapides.

Retrouvez l’histoire de Raspberry Pi dans cette vidéo :