इलेक्ट्रिक वाहनों में लिथियम बैटरी पैक के लिए मल्टीसेल वोल्टेज मॉनिटरिंग

इलेक्ट्रिक वाहन का माइलेज और प्रदर्शन उसके बैटरी पैक की क्षमता और दक्षता पर निर्भर करता है। बैटरी पैक को पूर्ण स्वास्थ्य में बनाए रखने के लिए बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) की जिम्मेदारी है। ईवीएस में एक बीएमएस एक परिष्कृत इकाई है जो कोशिकाओं की निगरानी, ​​उन्हें संतुलित करने और यहां तक ​​कि उन्हें तापमान परिवर्तन से बचाने जैसी कई गतिविधि करता है। हमने इस बैटरी प्रबंधन प्रणाली लेख में पहले से ही पर्याप्त सीखा है, इसलिए यदि आप यहां नए हैं तो उन्हें देखें।

कुछ भी करने के लिए, बीएमएस के लिए पहला कदम लिथियम बैटरी पैक में कोशिकाओं की वर्तमान स्थिति को जानना होगा। यह पैक में कोशिकाओं के वोल्टेज और वर्तमान (कभी-कभी तापमान भी) को मापने के द्वारा किया जाता है। केवल इन दो मूल्यों के साथ बीएमएस एसओसी या एसओएच की गणना कर सकता है और सेल बैलेंसिंग आदि कर सकता है। इसलिए किसी भी बीएमएस सर्किट के लिए वोल्टेज और सेल की माप महत्वपूर्ण है, यह एक साधारण पावर बैंक या लैपटॉप बैटरी या ईवी / के रूप में जटिल पैक हो सौर बैटरी।

इस लेख में हम जानेंगे कि कैसे हम लिथियम बैटरी पैक में प्रयुक्त कोशिकाओं के व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को माप सकते हैं । इस परियोजना के लिए हम श्रृंखला में जुड़ी चार लिथियम 18650 कोशिकाओं का उपयोग बैटरी पैक बनाने के लिए करेंगे और व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को मापने के लिए op-amps का उपयोग करते हुए एक साधारण सर्किट को डिजाइन करेंगे और इसे Arduino का उपयोग करते हुए एलसीडी स्क्रीन पर प्रदर्शित करेंगे ।

एक श्रृंखला बैटरी ढेर में व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को मापने

श्रृंखला से जुड़ी बैटरी के एक पैकेट में व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को मापने के साथ समस्या यह है कि, संदर्भ बिंदु समान रहता है। नीचे दी गई तस्वीर समान दर्शाती है

सादगी के लिए हमें मान लें कि सभी चार कोशिकाएं 4V के वोल्टेज स्तर पर हैं जैसा कि ऊपर दिखाया गया है। अब अगर हम सेल वोल्टेज को मापने के लिए Arduino जैसे एक माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग करते हैं, तो हमें 1 ^सेंट सेल के वोल्टेज को मापने में कोई समस्या नहीं होगी क्योंकि इसका दूसरा छोर जमीन से जुड़ा है। लेकिन, अन्य कोशिकाओं के लिए हमें पिछली कोशिकाओं के साथ उस सेल के वोल्टेज को मापना होगा, उदाहरण के लिए जब हम 4 वें सेल के वोल्टेज को मापते हैं तो हम सभी चार कोशिकाओं के वोल्टेज को एक साथ मापेंगे। ऐसा इसलिए है क्योंकि संदर्भ बिंदु को जमीन से नहीं बदला जा सकता है।

इसलिए हमें यहां कुछ अतिरिक्त सर्किट लगाने की आवश्यकता है जो हमें व्यक्तिगत वोल्टेज को मापने में मदद कर सके। कच्चे रास्ते पर वोल्टेज के स्तर को कम करने और फिर उन्हें मापने के लिए एक संभावित विभक्त का उपयोग करना है, लेकिन यह विधि रीड वैल्यू के रिज़ॉल्यूशन को 0.1 वी से कम कर देगी। इसलिए इस ट्यूटोरियल में हम अलग-अलग वोल्टेज को मापने के लिए प्रत्येक कोशिका टर्मिनलों के बीच अंतर को मापने के लिए Op-Amp डिफरेंशियल सर्किट का उपयोग करेंगे।

व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को मापने के लिए अंतर सर्किट

हम पहले से ही एक Op-Amp जानते हैं जब एक अंतर एम्पलीफायर के रूप में काम करने से इसके इनवर्टिंग और गैर-इनवर्टिंग पिन को प्रदान किए गए दो वोल्टेज मूल्यों के बीच अंतर होता है। तो 4 सेल वोल्टेज को मापने के हमारे उद्देश्य के लिए हमें नीचे दिखाए गए अनुसार तीन अंतर सेशन-एम्प की आवश्यकता है।

ध्यान दें कि यह छवि केवल प्रतिनिधित्व के लिए है; वास्तविक सर्किट में अधिक घटकों की आवश्यकता होती है और इस लेख में बाद में चर्चा की जाएगी। पहला op-amp O1 2 ^nd सेल टर्मिनल और 1 ^सेंट सेल टर्मिनल (8-4) के बीच के अंतर की गणना करके 2 ^nd सेल के वोल्टेज को मापता है । इसी तरह Op-amp O2 और O3 क्रमशः 3 ^आरडी और 4 ^वें सेल वोल्टेज को मापता है। हमने 1 ^सेंट सेल के लिए op-amp का उपयोग नहीं किया है क्योंकि इसे सीधे मापा जा सकता है।

सर्किट आरेख

लिथियम बैटरी पैक में मल्टीसेल वोल्टेज की निगरानी के लिए पूरा सर्किट आरेख नीचे दिया गया है। सर्किट को ईजीईडीए का उपयोग करके डिजाइन किया गया था और हम अपने पीसीबी को भी बनाने के लिए उसी का उपयोग करेंगे।

जैसा कि आप देख सकते हैं कि हमारे पास कुल पैक वोल्टेज द्वारा संचालित दोनों सर्किट में हमारे पास दो हाईवे पैकेज रेल टू रेल हाई वोल्टेज ऑप-एम्प OPA4197 है। एक आईसी (U1) का उपयोग एक बफर सर्किट उर्फ ​​वोल्टेज अनुयायी के रूप में किया जाता है, जबकि दूसरे IC (U2) का उपयोग अंतर एम्पलीफायर सर्किट बनाने के लिए किया जाता है। किसी भी सेल को व्यक्तिगत रूप से लोड होने से रोकने के लिए एक बफर सर्किट की आवश्यकता होती है, जो कि किसी भी धारा का एकल कोशिका से उपभोग नहीं किया जाना चाहिए बल्कि केवल एक पूरे के रूप में पैक बनाता है। चूंकि बफर सर्किट में बहुत अधिक इनपुट प्रतिबाधा होती है इसलिए हम इसका उपयोग पावर से ड्राइंग किए बिना सेल से वोल्टेज को पढ़ने के लिए कर सकते हैं।

आईसी यू 1 में सभी चार ऑप-एम्प का उपयोग क्रमशः चार कोशिकाओं के वोल्टेज को बफर करने के लिए किया जाता है। कोशिकाओं से इनपुट वोल्टेज को B1 + से B4 + तक लेबल किया जाता है और बफर आउटपुट वोल्टेज को B1_Out से B4_Out में लेबल किया जाता है। इस बफ़र किए गए वोल्टेज को तब अलग-अलग एम्पलीफायर में भेजा जाता है, जैसा कि ऊपर चर्चा की गई व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को मापने के लिए। सभी अवरोधक का मान 1K पर सेट होता है क्योंकि अंतर एम्पलीफायर का लाभ एकता के लिए निर्धारित होता है। आप किसी भी प्रतिरोधक मूल्य का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन वे सभी प्रतिरोधों R13 और R14 को छोड़कर, समान मूल्य के होने चाहिए। ये दो प्रतिरोधक बैटरी के पैक वोल्टेज को मापने के लिए एक संभावित विभक्त बनाते हैं ताकि हम इसकी तुलना मापा सेल वोल्टेज के योग से कर सकें।

रेल टू रेल, हाई वोल्टेज ओपी-एएमपी

उपरोक्त सर्किट से आपको दो कारणों की वजह से OPA4197 की तरह रेल टू रेल हाई वोल्टेज ऑप-एम्प का उपयोग करना होगा। दोनों Op-Amp IC पैक वोल्टेज के साथ काम करते हैं जो अधिकतम (4.3 * 4) 17.2V है, इसलिए Op-amp उच्च वोल्टेज से निपटने में सक्षम होना चाहिए। चूंकि हम एक बफर सर्किट का उपयोग कर रहे हैं, इसलिए बफर का आउटपुट 4 ^वें सेल टर्मिनल के लिए पैक वोल्टेज के बराबर होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि आउटपुट वोल्टेज ऑप-एम्प के ऑपरेटिंग वोल्टेज के बराबर होना चाहिए, इसलिए हमें एक रेल का उपयोग करने की आवश्यकता है रेल सेशन-एम्पी

अगर आपको रेल से रेल सेशन नहीं मिल रहा है, तो आप IC को साधारण LM324 से बदल सकते हैं। यह आईसी उच्च वोल्टेज को संभाल सकता है लेकिन रेल से रेल के रूप में कार्य नहीं कर सकता है, इसलिए आपको U1 Op-Amp IC के पहले पिन पर 10k के एक प्रतिरोधक का उपयोग करना होगा।

आसान ईडीए का उपयोग करते हुए पीसीबी डिजाइन और फैब्रिकेशन

अब जब हमारा सर्किट तैयार हो गया है, तो इसे तैयार करने का समय आ गया है। चूंकि मैं जिस Op-Amp का उपयोग कर रहा हूं वह केवल SMD पैकेज में उपलब्ध है, मुझे अपने सर्किट के लिए एक PCB का निर्माण करना था। इसलिए, हमेशा की तरह हमने अपने PCB को तैयार करने के लिए EasyEDA नामक ऑनलाइन EDA टूल का उपयोग किया है क्योंकि यह पैरों के निशान का अच्छा संग्रह होने के कारण उपयोग करने के लिए बहुत सुविधाजनक है और यह ओपन-सोर्स है।

पीसीबी डिजाइन करने के बाद, हम पीसीबी के नमूनों को उनकी कम लागत वाली पीसीबी निर्माण सेवाओं द्वारा ऑर्डर कर सकते हैं। वे घटक सोर्सिंग सेवा भी प्रदान करते हैं जहां उनके पास इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का एक बड़ा भंडार होता है और उपयोगकर्ता पीसीबी के आदेश के साथ अपने आवश्यक घटकों को ऑर्डर कर सकते हैं।

अपने सर्किट और PCB को डिज़ाइन करते समय, आप अपने सर्किट और PCB डिज़ाइन को भी सार्वजनिक कर सकते हैं ताकि अन्य उपयोगकर्ता उन्हें कॉपी या एडिट कर सकें और अपने काम से लाभ उठा सकें, हमने इस सर्किट के लिए अपने पूरे सर्किट और PCB लेआउट को भी सार्वजनिक कर दिया है, जाँच करें नीचे दिए गए लिंक:

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

आप परत के 'विंडो' फॉर्म को चुनकर पीसीबी के किसी भी लेयर (टॉप, बॉटम, टॉप्सिलक, बॉटम्सिल्क आदि) को देख सकते हैं । हाल ही में उन्होंने एक 3 डी व्यू विकल्प भी पेश किया है ताकि आप मल्टीसेल वोल्टेज को मापने वाले पीसीबी को भी देख सकें, इस पर ईज़ीईडीए में 3 डी व्यू बटन का उपयोग करके निर्माण के बाद कैसा दिखेगा:

गणना और आदेश ऑनलाइन नमूने

इस लिथियम सेल वोल्टेज माप सर्किट के डिजाइन को पूरा करने के बाद, आप JLCPCB.com के माध्यम से पीसीबी को ऑर्डर कर सकते हैं। JLCPCB से PCB को ऑर्डर करने के लिए, आपको Gerber फाइल की आवश्यकता होती है। अपने PCB की Gerber फाइलों को डाउनलोड करने के लिए बस EasyEDA एडिटर पेज पर जेनरेट फैब्रिकेशन फाइल बटन पर क्लिक करें, फिर वहां से Gerber फाइल डाउनलोड करें या आप जेएलसीपीसीबी के ऑर्डर पर क्लिक कर सकते हैं जैसा कि नीचे दी गई इमेज में दिखाया गया है। यह आपको JLCPCB.com पर पुनर्निर्देशित करेगा, जहां आप उन पीसीबी की संख्या का चयन कर सकते हैं जिन्हें आप ऑर्डर करना चाहते हैं, आपको कितने कॉपर लेयर, पीसीबी की मोटाई, कॉपर वेट और यहां तक ​​कि पीसीबी के रंग की तरह नीचे दिखाए गए स्नैपशॉट का चयन करना होगा:

JLCPCB बटन पर ऑर्डर पर क्लिक करने के बाद, यह आपको JLCPCB वेबसाइट पर ले जाएगा, जहाँ आप किसी भी रंग की PCB को बहुत ही कम रेट में ऑर्डर कर सकते हैं जो सभी रंगों के लिए $ 2 है। उनका निर्माण समय भी बहुत कम है जो कि 3-5 दिनों के डीएचएल वितरण के साथ 48 घंटे है, मूल रूप से आपको ऑर्डर करने के एक सप्ताह के भीतर अपने पीसीबी मिल जाएंगे। इसके अलावा, वे आपके पहले ऑर्डर के लिए शिपिंग पर $ 20 की छूट भी दे रहे हैं।

पीसीबी को ऑर्डर करने के बाद, आप अपने पीसीबी के प्रोडक्शन प्रोग्रेस को तारीख और समय के साथ देख सकते हैं। आप इसे खाता पृष्ठ पर जाकर जाँचते हैं और पीसीबी के नीचे "प्रोडक्शन प्रोग्रेस" लिंक पर क्लिक करते हैं जैसे नीचे इमेज में दिखाया गया है।

पीसीबी के आदेश देने के कुछ दिनों के बाद मुझे अच्छी पैकेजिंग में पीसीबी के नमूने मिले, जैसा कि नीचे दिए गए चित्रों में दिखाया गया है।

यह सुनिश्चित करने के बाद कि ट्रैक और पैरों के निशान सही थे। मैं PCB असेंबल करने के साथ आगे बढ़ा, मैंने Arduino Nano और LCD को रखने के लिए महिला हेडर का उपयोग किया ताकि मैं बाद में उन्हें हटा सकूं अगर मुझे अन्य प्रोजेक्ट्स के लिए उनकी आवश्यकता हो। पूरी तरह से मिलाप वाला बोर्ड नीचे इस तरह दिखता है

वोल्टेज मॉनिटरिंग सर्किट का परीक्षण

सभी घटकों को टांका लगाने के बाद, बस बोर्ड पर बैटरी पैक को एच 1 कनेक्टर से कनेक्ट करें। मैंने यह सुनिश्चित करने के लिए कि मैं भविष्य में दुर्घटना से कनेक्शन नहीं बदलता हूं, कनेक्टिंग केबल का उपयोग किया है। इसे गलत तरीके से न जोड़ने के बारे में बहुत सावधान रहें क्योंकि इससे शॉर्ट सर्किट हो सकता है और बैटरी या सर्किट को स्थायी रूप से नुकसान होगा। परीक्षण के लिए मेरे द्वारा उपयोग किए जाने वाले बैटरी पैक के साथ मेरा पीसीबी नीचे दिखाया गया है।

अब H2 टर्मिनल पर मल्टीमीटर का उपयोग अलग-अलग बिकने वाले वोल्टेज को मापने के लिए करें। टर्मिनल को सेल वोल्टेज की पहचान करने के लिए संख्याओं के साथ चिह्नित किया जाता है जो वर्तमान में मापा जा रहा है। यहां हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि सर्किट काम कर रहा है। लेकिन इसे और अधिक दिलचस्प बनाने के लिए, हम एक एलसीडी कनेक्ट करते हैं और इन वोल्टेज मूल्यों को मापने और एलसीडी स्क्रीन पर प्रदर्शित करने के लिए एक Arduino का उपयोग करते हैं।

Arduino का उपयोग करके लिथियम सेल वोल्टेज को मापना

Arduino को हमारे PCB से जोड़ने का सर्किट नीचे दिखाया गया है। यह दिखाता है कि Arduino नैनो को एलसीडी से कैसे जोड़ा जाए।

पीसीबी पर हेडर पिन H2 को ऊपर दिखाए गए अनुसार Arduino बोर्ड के एनालॉग पिन से जोड़ा जाना चाहिए। एनालॉग पिंस A1 से A4 का उपयोग क्रमशः चार सेल वोल्टेज को मापने के लिए किया जाता है, जबकि पिन A0 P1 के हेडर पिन v 'से जुड़ा होता है। कुल पैक वोल्टेज को मापने के लिए इस v 'पिन का उपयोग किया जा सकता है। हम यह भी 1 से जोड़ लिया ^सेंट Arduino की विन पिन और 3 के लिए पी 1 की पिन ^वां ओ सत्ता में Arduino की जमीन पिन बैटरी पैक के साथ Arduino P1 की पिन।

हम सभी चार सेल वोल्टेज और बैटरी पैक के वोल्टेज को मापने और एलसीडी में प्रदर्शित करने के लिए एक प्रोग्राम लिख सकते हैं। इसे और अधिक दिलचस्प बनाने के लिए मैंने सभी चार सेल वोल्टेजों को भी जोड़ा है और मापा पैक वोल्टेज के साथ मूल्य की तुलना करके यह जांचने के लिए कि हम वास्तव में वोल्टेज को कितना करीब से माप रहे हैं।

Arduino प्रोग्रामिंग

पूरा कार्यक्रम इस पृष्ठ के अंत में पाया जा सकता है । कार्यक्रम बहुत सरल है, हम बस एडीसी मॉड्यूल का उपयोग करके सेल वोल्टेज को पढ़ने के लिए एनालॉग रीड फ़ंक्शन का उपयोग करते हैं और एलसीडी लाइब्रेरी का उपयोग करके एलसीडी पर गणना वोल्टेज मान प्रदर्शित करते हैं।

फ्लोट सेल 1 = एनालॉगरेड (ए 1) * (5.0 / 1023.0); // उपाय 1 सेल वोल्टेज lcd.print ("C1:"); lcd.print (Cell_1);

उपरोक्त स्निपेट में हमने सेल 1 के वोल्टेज को मापा है और 0 से 1023 ADC मान को वास्तविक 0 से 5V में बदलने के लिए इसे 5/1023 से गुणा किया है। हम फिर एलसीडी पर गणना वोल्टेज मान प्रदर्शित करते हैं। इसी तरह हम सभी चार कोशिकाओं और कुल बैटरी पैक के लिए भी ऐसा करते हैं। हमने सभी सेल वोल्टेज को समेटने के लिए वैरिएबल टोटल वोल्टेज का भी उपयोग किया है और इसे एलसीडी पर प्रदर्शित किया गया है जैसे नीचे दिखाया गया है।

फ्लोट Total_Voltage = Cell_1 + Cell_2 + Cell_3 + Cell_4; // सभी चार मापा वोल्टेज मानों को जोड़ें lcd.print ("कुल:"); lcd.print (Total_Voltage);

व्यक्तिगत सेल वोल्टेज प्रदर्शन कार्य करना

एक बार जब आप सर्किट और कोड के साथ तैयार हो जाते हैं, तो कोड को Arduino बोर्ड पर अपलोड करें और पावर बैंक को PCB से कनेक्ट करें। एलसीडी को अब नीचे दिखाए गए सभी चार सेल के व्यक्तिगत सेल वोल्टेज को प्रदर्शित करना चाहिए।

जैसा कि आप सेल 1 से 4 के लिए प्रदर्शित वोल्टेज क्रमशः 3.78V, 3.78V, 3.82V और 3.84V देख सकते हैं। तो फिर मैंने इन कोशिकाओं के वास्तविक वोल्टेज की जांच करने के लिए अपने मल्टीमीटर का उपयोग किया, जो कि थोड़ा भिन्न होने के कारण अंतर नीचे सारणीबद्ध है।

मापा वोल्टेज	वास्तविक वोल्टेज
3.78 वी	3.78 वी
3.78 वी	3.78 वी
3.82 वी	3.81 वी
3.84 वी	3.82 वी

जैसा कि आप देख सकते हैं कि हमें कोशिकाओं को एक और दो के सटीक परिणाम मिल रहे हैं, लेकिन कोशिकाओं 3 और 4 के लिए 200mV के रूप में उच्च त्रुटि है। हमारे डिजाइन के लिए यह सबसे अधिक होने की संभावना है। चूंकि हम एक ऑप-एम्पी विभेदक सर्किट का उपयोग कर रहे हैं, इसलिए मापा वोल्टेज की सटीकता बढ़ जाएगी क्योंकि कोशिकाओं की संख्या बढ़ जाती है।

लेकिन यह त्रुटि एक निश्चित त्रुटि है और कार्यक्रम में सही किया जा सकता है, नमूना रीडिंग लेने और त्रुटि को सही करने के लिए एक गुणक जोड़कर। अगली एलसीडी स्क्रीन पर आप मापा वोल्टेज और वास्तविक पैक वोल्टेज का योग भी देख सकते हैं जिसे संभावित विभक्त के माध्यम से मापा गया था। उसी को नीचे दिखाया गया है।

मापी गई वोल्टेज का योग 15.21V है और Arduino के A0 पिन के माध्यम से मापा गया वास्तविक वोल्टेज 15.22V निकला। इस प्रकार अंतर 100mV है जो बुरा नहीं है। जबकि इस प्रकार के सर्किट का उपयोग पावर बैंक या लैपटॉप बैटरी जैसे लीज़ की कम संख्या के लिए किया जा सकता है। इलेक्ट्रिक वाहन BMS LTC2943 की तरह विशेष प्रकार के IC का उपयोग करता है, क्योंकि 100mV की एक त्रुटि भी सहन करने योग्य नहीं है। फिर भी हमने सीखा है कि छोटे पैमाने पर सर्किट के लिए यह कैसे करना है जहां कीमत एक बाधा है।

सेट-अप का पूरा काम नीचे दिए गए वीडियो पर पाया जा सकता है । आशा है कि आपने इस परियोजना का आनंद लिया है और इससे कुछ उपयोगी सीखा है। यदि आपके कोई प्रश्न हैं, तो उन्हें टिप्पणी अनुभाग में छोड़ दें या तेज़ उत्तरों के लिए फ़ोरम का उपयोग करें।