Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

BMS li-ion dla pakietu ogniw - da się prościej?

alanbor 14 Maj 2012 12:55 7930 16
  • #1 14 Maj 2012 12:55
    alanbor
    Poziom 7  

    Witam,
    kończę pracę nad budową roweru elektrycznego zasilanego z baterii li-ion i w związku z tym muszę przygotować układzik odcinający zasilanie roweru w momencie, gdy na którymkolwiek z ogniw zasilających spadnie napięcie do ok. 3V.
    Udało mi się uruchomić układ który wykrywa zbyt niskie napięcie dla jednego pakietu ogniw połączonych równolegle, tyle że teraz muszę jeszcze zrobić takich 10, bo takich pakietów jest 10 w szeregu.
    Póki co wymyśliłem coś takiego:
    BMS li-ion dla pakietu ogniw - da się prościej?
    Układ BMS ma powodować przerwanie obwodu (jest to tylko obwód sterujący, a nie główny, także mówimy o małych prądach rzędu 100mA).
    Jedyne co mi wpadło do głowy to połączenie szeregowo serii przekaźników bistabilnych dwucewkowych. W momencie zadziałania któregokolwiek BMS-a jeden z przekaźników przerywa obwód i teoretycznie wszystko działa jak należy.
    Pytanie do Was: czy da się to prościej zrealizować? Chętnie uniknąłbym stosowania aż tylu przekaźników (10 przekaźników to koszt ok 35zł).
    Jakieś pomysły?

    0 16
  • #2 14 Maj 2012 14:17
    akajarz
    Poziom 23  

    Trochę prądu będą te przekaźniczki pobierać, w porównaniu do obciążenia silnikiem to prąd znikomy ale gdy silnik nie pracuje a przekaźniki są załączone to już inna historia.
    Można to zrobić na procesorze, podłączając kolejne wejścia ADC do odpowiednich odczepów baterii. Napięcie da się obliczyć odejmując wartość pomiaru ADC z poprzedniego odczepu.

    0
  • #3 14 Maj 2012 20:46
    alanbor
    Poziom 7  

    Straty mocy na stykach przekaźników to nie problem, bo rzeczywiście są znikome w stosunku do mocy silnika, a szeregowo z tymi przekaźnikami będzie włączona stacyjka która rozłącza osobno obwód w momencie gdy pojazd nie jest używany.
    Rozwiązanie z procesorem skutecznie mnie odstrasza, bo jest to temat mi dość obcy. Chyba że rzeczywiście da się w to jakiś prosty sposób zrealizować.

    0
  • #4 15 Maj 2012 02:15
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Przy każdym ogniwie LED czerwony do '-', do tego LED-a emiter tranzystora PNP, bazę sterujesz z detektora napięcia,
    przy najwyższym ogniwie zasilasz LED-a i emiter tranzystora przez opornik, a z kolektora zasilasz następny stopień -
    jak w którymś nie będzie sygnału otwierającego tranzystor, to prąd popłynie przez LED-a i dalsze nie dostaną prądu.

    1
  • #5 24 Maj 2012 16:58
    musculus
    Poziom 17  

    Też zrobiłem sobie rowerek elektryczny zasilany z Li-Ion, na razie uważam, żeby zbyt mocno nie rozładować ogniw (na podstawie licznika odległości - bezpiecznie na samym silniku, bez pedałowania mogę przejechać 12km), ale mam zamiar zrobic jakiś układ monitorujący.

    Są gotowe układy scalone przeznaczone do monitoringu ogniw. Układy te można łączyć - pozwalają monitorować nawet kilkaset ogniw w szeregu. Znalazłem zestawienie tego typu scalaków tutaj. Ciekawe są np. układy MAX11080/MAX11081. Jeśli te układy da sie gdzieś zdobyć to może to być dobre rozwiązanie - w każdym razie na pewno pobór mocy z ogniw przez ten układ będzie nieporównanie mniejszy od tego, co wezmą cewki przekaźników przy układzie takim, jak w pierwszym poście.

    0
  • #6 24 Maj 2012 17:40
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Tanim i łatwo dostępnym układem jest TL431 - wadą jest to, że do poprawnej pracy potrzebuje około 1mA.
    Jeśli ma monitorować kilka ogniw, to może podłączać go do kolejnych ogniw poprzez klucz analogowy
    (taki układ scalony) na krótki czas i sprawdzać, czy każde ma wystarczające napięcie, by popłynął taki prąd?
    Ale to najwyżej 4 ogniwa połączone szeregowo, ze względu na dopuszczalne napięcie kluczy analogowych.
    Niski koszt i części łatwo kupić, ale trzeba pokombinować, jak tego użyć, żeby zrobić monitorowanie ogniw.
    Jako klucz do przełączania TL431 między ogniwami proponuję CD4052. TL431 nadaje sie tylko do ogniw
    dających co najmniej 2.5V, gdyby chcieć monitorować NiMH, to trzeba by było użyć np. LM4041-ADJ.

    0
  • #7 24 Maj 2012 18:29
    musculus
    Poziom 17  

    _jta_ napisał:
    Jako klucz do przełączania TL431 między ogniwami proponuję CD4052.
    IMHO kluczowanie niepotrzebnie komplikuje sprawę. Trzeba dać co najmniej 3 klucze, z których kazdy pracuje na innym potencjale wspólnym, poza tym trzeba nimi jakoś sterować, więc trzeba dorobić do tego logikę (najprościej na mikroprocesorze). Wydaje mi się, że jak już robić coś prostego to można odżałować ten 1mA - w porównaniu z poborem prądu przez silnik roweru ten miliamper jest znikomy.

    0
  • #8 24 Maj 2012 19:00
    _jta_
    Specjalista elektronik

    CD4052 zawiera dość kluczy do 4 ogniw, ale może rzeczywiście odżałować tę odrobinę prądu i mieć prościej.

    W takim razie TL431 do każdego ogniwa, plus tranzystory tak, jako opisałem w #4; do tego opornika na górze
    można dołączyć równolegle drugi z włącznikiem przyciskowym - jak jest sygnał, że akumulator rozładowany,
    to naciskasz przycisk, wtedy płynie większy prąd i świecenie LED-a pokazuje, które ogniwo się rozładowało.

    Ale do tej kombinacji z TL431 potrzebne są LED-y, które świecą przy napięciu około 2.7V - są jakieś takie?
    (jak będą świecić przy niższym, to LED-y będą przewodzić nawet przy naładowanych ogniwach; jeśli dopiero
    przy ponad 3V, to słabe ogniwo nie będzie miało takiego napięcia, żeby zasilić LED-a; jak się nie znajdzie
    takich LED-ów, które by pasowały, to można szeregowo do LED-ów włączyć zwykle diody).

    Zastosowanie LM4041-ADJ znacznie podniesie cenę (TL431 były kiedyś po 50gr, LM-y po 1.50zł - e, chyba
    nie tak bardzo, już LM-y są poniżej 1zł/sztukę, a TL 2 razy tańsze) i wymaga tranzystorów NPN zamiast PNP,
    za to pozwala na LED-y o niskim napięciu (wystarczy 1.4V, więc każdy "widzialny" będzie się nadawał).

    No i LM-y mniej prądu żrą - niby 1mA to niewiele, ale jak to będzie na stałe podłączone do akumulatora,
    to akumulator 10Ah przez rok rozładuje (z pełnego naładowania) - może lepiej tego uniknąć?

    Nad sposobem łączenia jeszcze trzeba by pomyśleć, na razie najważniejsze informacje o TL431 i LM4041-ADJ:
    * każdy z tych układów zachowuje się jak tranzystor o dużym wzmocnieniu i określonym napięciu E-B, ale
      w odróżnieniu od zwykłego tranzystora bipolarnego ogranicza prąd bazy przy rozsądnym napięciu E-B;
    * TL431 to "NPN", V_BE=2.49V, V_CEsat=1.9V; LM4041-ADJ to "PNP", V_BE=-1.225V, V_CEsat=-1.22V.

    0
  • #9 24 Maj 2012 20:26
    musculus
    Poziom 17  

    _jta_ napisał:
    Nad sposobem łączenia jeszcze trzeba by pomyśleć,
    Właśnie, bo według opisu z #4 coś chyba nie gra (względem czego będzie sterowana tranzystorów? Przecież potencjał emiterów bedzie pływający?)

    Najprościej byłoby wziąć tego MAX-a albo coś podobnego, ale ciężko to znaleźć - nikt tego nie ma w ofercie (chociaż może da się uzyskać jakieś sample)? Jeden scalak umożliwiający kontrolę do 12 ogniw szeregowo, parę elementów i BNS gotowy, w dodatku pobór prądu całości liczony jest w mikroamperach. (Na marginesie - przydałoby się jeszcze kontrola temperatury ogniw, ale to inny temat).

    Żeby to zrobić indywidualnie - da się łatwo zrobić coś dla jednej komórki, ale jest trochę zabawy z połączeniem w jedną całość. Można to zrobić na komparatorach (np. LM339 - potrzebne będą 3 takie scalaki), na jedno wejście komparatora dajemy napięcie ogniwa podzielone na dzielniku rezystancyjnym, a na drugie - ze źródła odniesienia (TL431 albo inna precyzyjna dioda Zenera). Komparatory mają na wyjściu tranzystory NPN open collector - każdą czwórkę można połączyć równolegle, będziemy mieć 3 zbiorcze wyjścia z trzech scalaków. Dajemy je przez oporniki na 3 tranzystory PNP podłączone emiterami do plusa, kolektory tych tranzystorów łączymy ze sobą i w tym miejscu mamy zbiorcze wyjście z układu (jeśli którykolwiek z komparatorów się załączy to załączy się jeden z tranzystorów PNP się załączy, a to podciągnie wejście do plusa). Oporniki trzeba tak dobrać, żeby całość działała, a prądy w układzie miały możliwie niskie wartości.

    --------------------------------------------------------------------------------------------------------
    Dopisek - ostatnio nie zauważyłem: LM339 ma maksymalne napięcie 36V, więc wyjściowy tranzystor z układu "najbardziej na minusie" będzie miał zbyt wysokie napięcie. Trzeba dać jakiś pośredni tranzystor albo wykorzystać go do sterowania jednym z niewykorzystanych komparatorów w "stopniu wyżej". Ten komparator spełni rolę bufora.

    0
  • #10 24 Maj 2012 21:18
    _jta_
    Specjalista elektronik

    A dużo ma być ogniw połączonych szeregowo? Jakie napięcie w sumie mają dawać?

    Moja koncepcja jest taka, że każde ogniwo ma układ sprawdzający jego napięcie i tranzystor,
    który przewodzi, albo nie - prąd ma płynąć szeregowo przez wszystkie tranzystory, na każdym
    jest napięcie jednego ogniwa, więc nie ma problemu z napięciem baterii.

    Układy TL431 i LM4041-ADJ to trochę więcej, niż wzorzec napięcia, bo zawierają wzmacniacz.
    Pewnie lepiej będzie pasował LM, trzeba do niego dodać 3 oporniki: może 15k między anodę
    (końcówka '-') LM-a i '-' ogniwa, oraz dzielnik między '+', a '-' ogniwa, np. 100k do '+', 200k do '-',
    środek dzielnika do końcówki FB, katoda (końcówka '+') LM-a do '+' ogniwa. Taki układ daje
    napięcie poniżej 1.23V na LM-ie, reszta na oporniku 15k, dopóki napięcie ogniwa jest powyżej
    3.675V (jak potrzebne inne, to trzeba zmienić opornik 200k, 3.675=1.225*(100+200)/100); gdy
    napięcie ogniwa spadnie poniżej tego progu, napięcie na LM-ie rośnie, na oporniku 15k maleje
    do około 0.7V (typowo, może być do 1.0V). Do układu ogniw z tak dołączonymi LM-ami trzeba
    podłączyć jakiś układ z tranzystorów, który da sygnał, jak na którymś ogniwie spadnie napięcie.

    0
  • #11 24 Maj 2012 21:47
    musculus
    Poziom 17  

    _jta_ napisał:
    A dużo ma być ogniw połączonych szeregowo? Jakie napięcie w sumie mają dawać?
    W pierwszym poście jest podane - 10 ogniw. Chodziło o układ, który da sygnał do układu sterowania w razie spadku napięcia na którymkolwiek z ogniw poniżej poziomu krytycznego.
    _jta_ napisał:
    Moja koncepcja jest taka, że każde ogniwo ma układ sprawdzający jego napięcie i tranzystor,
    który przewodzi, albo nie - prąd ma płynąć szeregowo przez wszystkie tranzystory, na każdym
    jest napięcie jednego ogniwa, więc nie ma problemu z napięciem baterii.
    Problem jest z połączeniem układów kontroli - oryginalnie autor chciał wykorzystać przekaźniki dwucewkowe, ale szuka alternatywnych rozwiązań.

    Prąd płynie przez wszystkie tranzystory - ok, ale tranzystor jest sterowany prądem bazy. Prąd sterujący płynie w złączu baza-emiter. Jeśli np. wszystkie tranzystory będą załączone, a tylko jeden w środku łańcuszka zostanie wyłączony to wszystkie "powyżej" niego (od plusa) bedą miały na emiterach potencjał bliski plusowi, a wszystkie "poniżej" (od minusa) - bliski minusowi. Względem emiterów sterujemy bazy tranzystorów. Zrobienie układu zasilanego z napięcia około 3-4V (napięcie ogniwa), który wysteruje bazę tranzystora względem emitera mogącego być na potencjale o kilkanaście - kilkadziesiąt woltów wychodzącym poza te 3-4V jest IMHO zdecydowanie trudniejsze od zrobienia samego układu kontroli napięcia pojedynczego ogniwa.

    0
  • #12 24 Maj 2012 22:16
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Dwie możliwości: (1) zrobić tak, że wprowadzamy prąd na jednym końcu, każdy tranzystor może go przepuścić,
    jeśli "jego" ogniwo ma wystarczające napięcie; jak ma za małe, prąd płynie przez LED-a i dalej już nie dociera;
    (2) zrobić tak, że jak napięcie ogniwa jest za małe, to tranzystor podaje prąd następnemu, a ten go przepuszcza
    niezależnie od stanu "swojego" ogniwa - jak na koniec dociera prąd, to któreś ogniwo jest rozładowanie.
    BMS li-ion dla pakietu ogniw - da się prościej?
    * Na obu: napięcie progowe = (1+R2/R1)*1.225V (np. R1=100k, R2=180k da 3.43V), Q1=LM4041-ADJ, R3=15k.
    * Na lewym Q2 może być BC558; D1 + złącze E-B Q2 powinny dawać nie mniej, niż 1.3V przy małym prądzie,
    więc chyba jako D1 powinny być dwie diody połączone szeregowo; przy napięciu poniżej progu D1 przewodzi
    i jej prąd płynie przez R4, Q2, i dalej przez tranzystory kolejnych ogniw - na dole coś powinno go wykryć.
    * Na prawym Q2 może być BC548; D1 powinna przewodzić dopiero przy napięciu powyżej około 2V, więc to
    powinien być LED, i to nie czerwony, a np. żółty; na samym dole powinien być opornik, przez który płynie prąd;
    jeśli napięcie jest powyżej progu, ten prąd płynie przez tranzystor, jeśli poniżej - przez D1 i wtedy tranzystor
    nie może przewodzić prądu, i wszystkie powyżej też - na górze można wykryć brak prądu.

    0
  • #13 25 Maj 2012 17:18
    musculus
    Poziom 17  

    _jta_ napisał:
    Dwie możliwości: (1) zrobić tak, że wprowadzamy prąd na jednym końcu, każdy tranzystor może go przepuścić,
    jeśli "jego" ogniwo ma wystarczające napięcie; jak ma za małe, prąd płynie przez LED-a i dalej już nie dociera;
    (2) zrobić tak, że jak napięcie ogniwa jest za małe, to tranzystor podaje prąd następnemu, a ten go przepuszcza
    niezależnie od stanu "swojego" ogniwa - jak na koniec dociera prąd, to któreś ogniwo jest rozładowanie.
    BMS li-ion dla pakietu ogniw - da się prościej?
    * Na obu: napięcie progowe = (1+R2/R1)*1.225V (np. R1=100k, R2=180k da 3.43V), Q1=LM4041-ADJ, R3=15k.
    * Na lewym Q2 może być BC558; D1 + złącze E-B Q2 powinny dawać nie mniej, niż 1.3V przy małym prądzie,
    więc chyba jako D1 powinny być dwie diody połączone szeregowo; przy napięciu poniżej progu D1 przewodzi
    i jej prąd płynie przez R4, Q2, i dalej przez tranzystory kolejnych ogniw - na dole coś powinno go wykryć.
    * Na prawym Q2 może być BC548; D1 powinna przewodzić dopiero przy napięciu powyżej około 2V, więc to
    powinien być LED, i to nie czerwony, a np. żółty; na samym dole powinien być opornik, przez który płynie prąd;
    jeśli napięcie jest powyżej progu, ten prąd płynie przez tranzystor, jeśli poniżej - przez D1 i wtedy tranzystor
    nie może przewodzić prądu, i wszystkie powyżej też - na górze można wykryć brak prądu.
    Wciaż coś mi tu nie pasuje. Nie bardzo rozumiem - na tych rysunkach są przedstawione dwa warianty. Czy jeden z nich jest pierwszym członem łańcucha, a reszta jest według drugiego? Ten z lewej - ciężko mi zrozumieć, o co chodzi, a na tym z prawej coś jest ewidentnie nie tak, jak być powinno. W tym z prawej (pomijając to, że nie widze, gdzie ma być podłączony emiter Q2) prąd "w dół" popłynie zawsze. Wszystko jedno, czy tranzystor Q2 będzie załączony, czy wyłączony - prąd popłynie. Jeśli nie przez tranzystor to z ogniwa przez diodę D1.

    Możesz narysować schemat, gdzie są 3 takie sekcje (żeby było widać, jak to jest rozpoczęte, zakończone, jak wygląda w środku i jak tranzystory sa ze sobą połączone)? Może wtedy będzie jaśniej...

    0
  • #14 29 Maj 2012 12:43
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Każdy z tych schematów to inna wersja; łączy się te trójkąciki, z których jeden zawsze jest na kolektorze tranzystora;
    trójkącik pokazuje kierunek przekazywania sygnału; ten z lewej ma być bez podłączenia początkowego trójkącika, daje
    prąd na końcowym, jeśli gdzieś napięcie jest za niskie; ten z prawej ma mieć tam podłączony opornik, a jeszcze lepiej
    źródło prądowe (choćby jakieś prymitywne), i daje brak prądu na końcowym, jeśli napięcie jest za niskie.

    0
  • #15 29 Maj 2012 22:41
    musculus
    Poziom 17  

    _jta_ napisał:
    Każdy z tych schematów to inna wersja; łączy się te trójkąciki, z których jeden zawsze jest na kolektorze tranzystora;
    trójkącik pokazuje kierunek przekazywania sygnału; ten z lewej ma być bez podłączenia początkowego trójkącika, daje
    prąd na końcowym, jeśli gdzieś napięcie jest za niskie; ten z prawej ma mieć tam podłączony opornik, a jeszcze lepiej
    źródło prądowe (choćby jakieś prymitywne), i daje brak prądu na końcowym, jeśli napięcie jest za niskie.
    OK, teraz rozumiem. Rzeczywiście, to ma szansę działać. Raczej ten układ z prawej strony, bo graniczne napięcie ogniw jest niższe (poniżej 3V, a spotyka się nawet do 2,5V), a dla niższych napięć w tym układzie z lewej może być problem z doborem wartości tak, żeby to chciało dobrze pracować. Co prawda mi bardziej się podoba układ na komparatorach (szerszy zakres napięć roboczych, większa elastyczność w ustalaniu progów przełaczania i możliwy mniejszy pobór prądu), ale to rozwiazanie z jakby źródłami prądowymi, które się kaskadowo załączają bądź wyłaczają jest naprawdę sprytnym pomysłem i zasługuje na uwagę. Trochę odwrotnie na to patrzyłem, ale teraz już rozumiem, "co poeta miał na myśli" i przyznaję - ciekawy układ.

    1
  • #16 29 Maj 2012 23:16
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Akurat układ z lewej strony lepiej się nadaje do niskich napięć ogniw - z tym z prawej może
    być problem z dobraniem LED-ów o odpowiednim napięciu (musi być 2V, albo trochę więcej).

    0
  • #17 11 Cze 2012 21:02
    musculus
    Poziom 17  

    _jta_ napisał:
    Akurat układ z lewej strony lepiej się nadaje do niskich napięć ogniw - z tym z prawej może
    być problem z dobraniem LED-ów o odpowiednim napięciu (musi być 2V, albo trochę więcej).

    Myślałem raczej o tym, jak przesunie sie zakres pracy tranzystora. W tym z prawej chyba bedzie większe przesunięcie pomiędzy stanem zatkania a aktywnym, co może ułatwić dobór elementów. Odnośnie napięcia diod - dołożenie kilku diod w szereg nie jest trudne do wykonania, a wyższe wymagane napięcie nawet pomaga, bo mamy większe pole manewru.

    Dobór diod - owszem, z doborem diod bedzie nieco zabawy - dioda to element nieliniowy o logarytmicznej charakterystyce prądowo-napięciowej i "napięcie przewodzenia" jest niejako rzeczą umowną (zakłada obciążanie diody prądem rzędu 10% prądu maksymalnego). Przy małych prądach napięcie diody będzie wyraźnie niższe. O ile - to już trzeba by zajrzeć w charakterystyki diod. Podobna uwaga dotyczy również złącza baza-emiter tranzystora dlatego trzeba dobrze określić, ile prądu popłynie przez bazę tranzystora i czy czasem nie wyjdzie z założonego zakresu pracy (zatkania lub aktywnego). Wydaje mi się, że najprościej byłoby wykonać kilka symulacji przy różnych temperaturach i parametrach - pozwoli to zweryfikować poprawność działania układu.

    0