مراقبة الجهد متعدد الخلايا لحزمة بطارية الليثيوم في السيارات الكهربائية

تعتمد المسافة المقطوعة والأداء للمركبة الكهربائية على سعة وكفاءة حزمة البطارية الخاصة بها. تقع مسؤولية الحفاظ على حزمة البطارية في حالة صحية كاملة على عاتق نظام إدارة البطارية (BMS). BMS هي وحدة متطورة في EV تقوم بالكثير من النشاط مثل مراقبة الخلايا وتحقيق التوازن بينها وحتى حمايتها من التغيرات في درجات الحرارة. لقد تعلمنا بالفعل ما يكفي منه في مقالة نظام إدارة البطارية هذه ، لذا تحقق منها إذا كنت جديدًا هنا.

لفعل أي شيء ، فإن الخطوة الأولى لنظام BMS هي معرفة الحالة الحالية للخلايا في حزمة بطارية الليثيوم. يتم ذلك عن طريق قياس الجهد والتيار (أحيانًا درجة الحرارة أيضًا) للخلايا الموجودة في العبوة. فقط بهاتين القيمتين ، يمكن لـ BMS حساب SOC أو SOH وإجراء موازنة الخلية وما إلى ذلك ، لذا فإن قياس الجهد والتيار للخلية أمر حيوي لأي دائرة BMS ، سواء كان ذلك بنك طاقة بسيطًا أو بطارية كمبيوتر محمول أو حزمة معقدة مثل EV / البطاريات الشمسية.

في هذه المقالة سوف نتعلم كيف يمكننا قياس الجهد الفردي للخلايا المستخدمة في بطارية الليثيوم. من أجل هذا المشروع ، سنستخدم أربع خلايا ليثيوم 18650 متصلة في سلسلة لتشكيل حزمة بطارية وتصميم دائرة بسيطة باستخدام op-Amps لقياس الفولتية للخلية الفردية وعرضها على شاشة LCD باستخدام Arduino.

قياس جهد الخلية الفردية في سلسلة بطارية Stack

تكمن مشكلة قياس جهد الخلية الفردية في حزمة من البطاريات المتصلة بالسلسلة في أن النقطة المرجعية تظل كما هي. الصورة أدناه توضح نفس الشيء

من أجل البساطة ، دعنا نفترض أن جميع الخلايا الأربع عند مستوى جهد 4 فولت كما هو موضح أعلاه. الآن إذا أردنا استخدام متحكم مثل اردوينو لقياس جهد الخلية، سيكون لدينا أي مشكلة في قياس الجهد من 1 ^شارع الخلية نظرا لأنه يحتوي على الطرف الآخر متصلا على أرض الواقع. لكن بالنسبة للخلايا الأخرى ، يتعين علينا قياس جهد تلك الخلية جنبًا إلى جنب مع الخلايا السابقة ، على سبيل المثال عندما نقيس جهد الخلية الرابعة ، سنقوم بقياس جهد الخلايا الأربع معًا. هذا لأن النقطة المرجعية لا يمكن تغييرها من الأرض.

لذلك نحن بحاجة إلى إدخال بعض الدوائر الإضافية هنا والتي يمكن أن تساعدنا في قياس الفولتية الفردية. الطريقة البدائية هي استخدام مقسم محتمل لرسم خريطة لمستويات الجهد ثم قياسها ، ولكن هذه الطريقة ستقلل دقة قيمة القراءة إلى أكثر من 0.1 فولت. ومن ثم في هذا البرنامج التعليمي ، سنستخدم الدائرة التفاضلية Op-Amp لقياس الفرق بين كل محطات خلية لقياس الجهد الفردي.

الدائرة التفاضلية لقياس جهد الخلية الفردية

نحن نعلم بالفعل أن Op-Amp عند العمل كمضخم تفاضلي يعطي الفرق بين قيمتي الجهد المقدمين إلى طرفه المقلوب وغير المقلوب. لذلك لغرض قياس الفولتية المكونة من 4 خلايا ، نحتاج إلى ثلاثة أمبير تفاضلي كما هو موضح أدناه.

لاحظ أن هذه الصورة هي فقط للتمثيل ؛ الدائرة الفعلية تحتاج إلى المزيد من المكونات وسيتم مناقشتها لاحقًا في هذه المقالة. أول تدابير O1 المرجع أمبير التيار الكهربائي من 2 ^{الثانية} خلية عن طريق حساب الفرق بين 2 ^{الثانية} محطة الخلية و1 ^شارع محطة الخلية التي هي (8-4). وبالمثل، فإن أب أمبير O2 O3 والتدابير 3 ^{الثالثة} و 4 ^تشرين خلية الجهد على التوالي. نحن لم استخدمت المرجع أمبير ل1 ^شارع خلية لأنه يمكن قياسها مباشرة.

مخطط الرسم البياني

يرد أدناه مخطط الدائرة الكاملة لرصد جهد الخلايا المتعددة في حزمة بطارية الليثيوم. تم تصميم الدائرة باستخدام EasyEDA وسنستخدم نفس الشيء لتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور أيضًا.

كما ترون ، لدينا مجموعتان من سكة الحزمة الرباعية للسكك الحديدية عالية الجهد OPA4197 في دائرتنا ، وكلاهما مدعوم بجهد الحزمة الإجمالي. يتم استخدام IC واحد (U1) لإنشاء دائرة عازلة تعرف أيضًا باسم متابع الجهد بينما يتم استخدام IC (U2) لتشكيل دائرة مكبر الصوت التفاضلي. يلزم وجود دائرة عازلة لمنع تحميل أي من الخلايا بشكل فردي ، وهو ما لا يجب استهلاكه من أي تيار من خلية واحدة ولكن فقط من الحزمة بأكملها. نظرًا لأن الدائرة العازلة لها مقاومة عالية جدًا للمدخلات ، فيمكننا استخدامها لقراءة الجهد من الخلية دون سحب الطاقة منها.

يتم استخدام جميع أجهزة op-amps الأربعة في IC U1 لتخزين جهد الخلايا الأربع على التوالي. تتم تسمية الفولتية المدخلة من الخلايا من B1 + إلى B4 + ويتم تصنيف جهد الخرج المخزن من B1_Out إلى B4_Out. ثم يتم إرسال هذا الجهد المخزن إلى مضخم التفاضل لقياس جهد الخلية الفردية كما نوقش أعلاه. يتم ضبط قيمة كل المقاوم على 1K منذ أن تم ضبط كسب مكبر الصوت التفاضلي على الوحدة. يمكنك استخدام أي قيمة مقاوم ولكن يجب أن تكون جميعها بنفس القيمة ، باستثناء المقاومات R13 و R14. تشكل هاتان المقاومات مقسمًا محتملاً لقياس جهد الحزمة للبطارية بحيث يمكننا مقارنتها بمجموع الفولتية للخلية المقاسة.

السكك الحديدية للسكك الحديدية ، الجهد العالي Op-Amp

تتطلب الدائرة المذكورة أعلاه استخدام سكة للسكك الحديدية عالية الجهد مثل OPA4197 لسببين. يعمل كل من Op-Amp IC بجهد الحزمة بحد أقصى (4.3 * 4) 17.2V ، وبالتالي يجب أن يكون Op-amp قادرًا على التعامل مع الفولتية العالية. أيضا لأننا تستخدم الدائرة العازلة، يجب أن يكون الإخراج من المخزن المؤقت يساوي حزمة الجهد ل4 ^تشرين محطة خلية، وهذا يعني انتاج التيار الكهربائي يجب أن يكون مساويا لجهد التشغيل من المرجع أمبير وبالتالي نحن بحاجة إلى استخدام السكك الحديدية ل مرجع السكك الحديدية أمبير

إذا لم تتمكن من العثور على سكة حديدية للسكك الحديدية ، يمكنك استبدال IC بـ LM324 البسيط. يمكن أن يتعامل هذا IC مع الجهد العالي ولكن لا يمكن أن يكون بمثابة سكة للسكك الحديدية ، لذلك عليك استخدام مقاوم سحب يصل إلى 10 كيلو بايت على أول دبوس من U1 Op-Amp IC.

تصميم وتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور باستخدام Easy EDA

الآن وقد أصبحت دائرتنا جاهزة ، فقد حان وقت تصنيعها. نظرًا لأن Op-Amp الذي أستخدمه متاح فقط في حزمة SMD ، فقد اضطررت إلى تصنيع PCB لدارتي. لذلك ، كما هو الحال دائمًا ، استخدمنا أداة EDA عبر الإنترنت المسماة EasyEDA لتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور الخاص بنا لأنه مناسب جدًا للاستخدام نظرًا لأنه يحتوي على مجموعة جيدة من آثار الأقدام وهو مفتوح المصدر.

بعد تصميم PCB ، يمكننا طلب عينات PCB من خلال خدمات تصنيع PCB منخفضة التكلفة. كما أنها توفر خدمة تحديد مصادر المكونات حيث يكون لديها مخزون كبير من المكونات الإلكترونية ويمكن للمستخدمين طلب المكونات المطلوبة مع طلب ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

أثناء تصميم الدوائر الخاصة بك وثنائي الفينيل متعدد الكلور ، يمكنك أيضًا جعل تصميمات الدوائر الكهربائية وثنائي الفينيل متعدد الكلور علنية حتى يتمكن المستخدمون الآخرون من نسخها أو تعديلها والاستفادة من عملك ، كما أننا جعلنا تخطيطات الدوائر و PCB بالكامل عامة لهذه الدائرة ، تحقق الرابط أدناه:

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

يمكنك عرض أي طبقة (علوي ، سفلي ، علوي ، حريري ، إلخ) لثنائي الفينيل متعدد الكلور عن طريق تحديد الطبقة من نافذة "الطبقات". لقد أدخلوا مؤخرًا أيضًا خيار العرض ثلاثي الأبعاد بحيث يمكنك أيضًا عرض الجهد متعدد الخلايا لقياس الجهد ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، حول كيفية ظهوره بعد التصنيع باستخدام زر العرض ثلاثي الأبعاد في EasyEDA:

حساب العينات وطلبها عبر الإنترنت

بعد الانتهاء من تصميم دائرة قياس الجهد لخلية الليثيوم هذه ، يمكنك طلب PCB من خلال JLCPCB.com. لطلب PCB من JLCPCB ، تحتاج إلى ملف Gerber. لتنزيل ملفات Gerber من PCB ، ما عليك سوى النقر فوق الزر Generate Fabrication File في صفحة محرر EasyEDA ، ثم قم بتنزيل ملف Gerber من هناك أو يمكنك النقر فوق Order at JLCPCB كما هو موضح في الصورة أدناه. سيؤدي هذا إلى إعادة توجيهك إلى JLCPCB.com ، حيث يمكنك تحديد عدد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التي تريد طلبها ، وعدد طبقات النحاس التي تحتاجها ، وسمك PCB ، ووزن النحاس ، وحتى لون PCB ، مثل اللقطة الموضحة أدناه:

بعد النقر على زر JLCPCB ، سينقلك إلى موقع JLCPCB حيث يمكنك طلب أي لوحة PCB ملونة بسعر منخفض جدًا وهو 2 دولار لجميع الألوان. كما أن وقت الإنشاء أقل بكثير وهو 48 ساعة مع توصيل DHL من 3-5 أيام ، وستحصل بشكل أساسي على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور في غضون أسبوع من الطلب. علاوة على ذلك ، يقدمون أيضًا خصمًا قدره 20 دولارًا على الشحن لطلبك الأول.

بعد طلب PCB ، يمكنك التحقق من تقدم إنتاج PCB الخاص بك مع التاريخ والوقت. يمكنك التحقق من ذلك بالانتقال إلى صفحة الحساب والنقر على رابط "تقدم الإنتاج" أسفل PCB like ، الموضح في الصورة أدناه.

بعد أيام قليلة من طلب PCB ، حصلت على عينات PCB في عبوات لطيفة كما هو موضح في الصور أدناه.

بعد التأكد من صحة المسارات وآثار الأقدام. شرعت في تجميع PCB ، واستخدمت رؤوسًا نسائية لوضع Arduino Nano و LCD حتى أتمكن من إزالتها لاحقًا إذا كنت بحاجة إليها لمشاريع أخرى. تبدو اللوحة الملحومة تمامًا كما يلي

اختبار دائرة مراقبة الجهد

بعد لحام جميع المكونات ، ما عليك سوى توصيل حزمة البطارية بموصل H1 على اللوحة. لقد استفدت من توصيل الكابلات للتأكد من عدم تغيير الاتصال في المستقبل عن طريق الصدفة. كن حذرًا جدًا بشأن عدم توصيله بالطريقة الخاطئة لأنه قد يؤدي إلى قصر الدائرة وقد يؤدي إلى تلف البطاريات أو الدائرة بشكل دائم. يظهر أدناه جهاز PCB المزود بحزمة البطارية التي استخدمتها للاختبار.

استخدم الآن المقياس المتعدد على محطة H2 لقياس جهد البيع الفردي. يتم تمييز المحطة بأرقام لتحديد جهد الخلية الذي يتم قياسه حاليًا. هنا يمكننا أن نستنتج أن الدائرة تعمل. ولكن لجعل الأمر أكثر تشويقًا ، دعنا نقوم بتوصيل شاشة LCD واستخدام Arduino لقياس قيم الجهد هذه وعرضها على شاشة LCD.

قياس جهد خلية الليثيوم باستخدام الأردوينو

تظهر الدائرة لتوصيل Arduino بـ PCB أدناه. يوضح كيفية توصيل Arduino Nano بشاشة LCD.

يجب توصيل دبوس الرأس H2 الموجود على PCB بالمسامير التناظرية للوحة Arduino كما هو موضح أعلاه. يتم استخدام المسامير التناظرية A1 إلى A4 لقياس الفولتية الأربع للخلايا على التوالي ، بينما يتم توصيل الدبوس A0 برأس الدبوس v 'من P1. يمكن استخدام هذا الدبوس v لقياس جهد الحزمة الكلي. لقد مرتبطة أيضا 1 ^شارع دبوس من P1 إلى دبوس فين من اردوينو و 3 ^{الثالثة} دبوس من P1 س دبوس الأرضي من اردوينو لسلطة اردوينو مع حزمة البطارية.

يمكننا كتابة برنامج لقياس جميع الفولتية الأربعة للخلايا والجهد الكهربائي لحزمة البطارية وعرضها على شاشة LCD. لجعلها أكثر إثارة للاهتمام ، أضفت أيضًا جميع الفولتية الأربعة للخلايا وقارنت القيمة بجهد الحزمة المقاس للتحقق من مدى قربنا من قياس الجهد.

برمجة اردوينو

يمكن العثور على البرنامج الكامل في نهاية هذه الصفحة. البرنامج بسيط جدًا ، فنحن ببساطة نستخدم وظيفة القراءة التناظرية لقراءة جهد الخلية باستخدام وحدة ADC وعرض قيمة الجهد المحسوب على شاشة LCD باستخدام مكتبة LCD.

تعويم Cell_1 = analogRead (A1) * (5.0 / 1023.0) ؛ // قياس جهد الخلية الأولى lcd.print ("C1:") ؛ lcd.print (Cell_1) ؛

في المقتطف أعلاه ، قمنا بقياس جهد الخلية 1 وضربناها بـ 5/1023 لتحويل القيمة 0 إلى 1023 ADC إلى 0 إلى 5V الفعلي. ثم نعرض قيمة الجهد المحسوب على شاشة LCD. وبالمثل ، نقوم بذلك لجميع الخلايا الأربع وحزمة البطارية الإجمالية أيضًا. لقد استخدمنا أيضًا الجهد الكلي المتغير لتلخيص جميع جهود الخلية وعرضها على شاشة LCD كما هو موضح أدناه.

تعويم Total_Voltage = Cell_1 + Cell_2 + Cell_3 + Cell_4 ؛ // أضف جميع قيم الجهد المقاسة الأربعة lcd.print ("الإجمالي:") ؛ lcd.print (إجمالي_الجهد) ؛

عرض الجهد خلية فردية العمل

بمجرد أن تكون جاهزًا باستخدام الدائرة والكود ، قم بتحميل الكود إلى لوحة Arduino وقم بتوصيل بنك الطاقة بـ PCB. يجب أن تعرض شاشة LCD الآن جهد الخلية الفردية لجميع الخلايا الأربع كما هو موضح أدناه.

كما ترى ، الجهد المعروض للخلية من 1 إلى 4 هو 3.78 فولت ، 3.78 فولت ، 3.82 فولت ، 3.84 فولت على التوالي. ثم استخدمت جهاز القياس المتعدد الخاص بي للتحقق من الجهد الفعلي لهذه الخلايا التي تبين أنها مختلفة قليلاً ، وتم ترتيب الفرق أدناه.

الجهد المقاس	الجهد الفعلي
3.78 فولت	3.78 فولت
3.78 فولت	3.78 فولت
3.82 فولت	3.81 فولت
3.84 فولت	3.82 فولت

كما ترون ، حصلنا على نتائج دقيقة للخلايا الأولى والثانية ولكن هناك خطأ يصل إلى 200 ميللي فولت للخلايا 3 و 4. من المرجح أن يكون هذا متوقعًا لتصميمنا. نظرًا لأننا نستخدم دائرة تفاضل op-amp ، فإن دقة الجهد المقاس ستنخفض مع زيادة عدد الخلايا.

لكن هذا الخطأ هو خطأ ثابت ويمكن تصحيحه في البرنامج ، عن طريق أخذ عينة من القراءات وإضافة مُضاعِف لتصحيح الخطأ. في شاشة LCD التالية ، يمكنك أيضًا رؤية مجموع الجهد المقاس والجهد الفعلي للحزمة الذي تم قياسه من خلال مقسم محتمل. نفس الشيء مبين أدناه.

مجموع الفولتية التي تم قياسها هو 15.21 فولت والجهد الفعلي المقاس من خلال دبوس A0 في Arduino تبين أنه 15.22 فولت. وبالتالي فإن الفرق هو 100mV وهو ليس سيئًا. بينما يمكن استخدام هذا النوع من الدوائر لعدد أقل من الركائز كما هو الحال في بنوك الطاقة أو بطاريات الكمبيوتر المحمول. تستخدم السيارة الكهربائية BMS نوعًا خاصًا من الدوائر المتكاملة مثل LTC2943 لأنه حتى خطأ 100mV غير مقبول. ومع ذلك ، فقد تعلمنا كيفية القيام بذلك لدائرة صغيرة الحجم حيث يكون السعر قيدًا.

و يمكن الاطلاع على عمل كامل للانشاء في الفيديو مرتبطة أدناه. أتمنى أن تكون قد استمتعت بالمشروع وتعلمت شيئًا مفيدًا منه. إذا كانت لديك أي أسئلة ، فاتركها في قسم التعليقات أو استخدم المنتديات للحصول على ردود أسرع.