Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Kontroler magazynu energii na ogniwach LiFePO4.

gdL 20 Sep 2022 10:53 948 1
  • Stoję w obliczu skonstruowania stacji ładowania ~4kWh 12V opartej na 4. używanych ogniwach LiFePO4. Ogniwa były wcześniej używane w niemieckim magazynie energii, który został rozebrany, a same ogniwa przeniknęły do Polski i pojawiły się na znanym i lubianym portalu z ogłoszeniami lokalnymi. Jako, że cena była przyzwoita postanowiłem sprawdzić co można z nich zrobić.
    Kupno wysokiej klasy BMS nie wchodzi w grę, będzie on kosztował więcej od samych ogniw. Próbujemy więc opcji DIY.

    Kontroler magazynu energii na ogniwach LiFePO4.

    Okazuje się, że sterowanie takim magazynem nie jest tak proste jak się wydaje. Ogniwa te mają płaską charakterystykę napięcia w funkcji SOC (state of charge)- tj. po napięciu nie idzie powiedzieć jaki jest ich stopień naładowania. Dopiero w ostatnich kilku procentach napięcie 'skacze' w górę. A więc, jeśli poszczególne ogniwa nie mają tej samej pojemności (o co łatwo w używkach), to balansowanie takiego magazynu jest trudne. Jest kilka opcji:

    1. moduł aktywnego balansera, który na zasadzie przetwornicy przerzuca napięcie na sąsiadujące cele, jeśli pojawi się różnica napięcia - minusy: wymaga pojawienia się odchyłki napięcia, czyli jedno z ogniw ('najsłabsze') musi dojść do 100% naładowania.
    2. pasywny balanser - z reguły wbudowany w BMS, ma niewielkie prądy balansujące, nie sprawdza się zbyt dobrze.

    Oba mają dość małe prądy przy niewielkich różnicach napięć.

    Rozwiązanie, ku któremu się skłaniam jest hybrydowe:
    1. mikrokontroler (uC), który śledzi prądy ładowania i rozładowania oraz napięcia.
    2. jeśli jedno z ogniw dojdzie blisko 100% SOC uC włącza klucz zwierający rezystor 0.5R o mocy 10-20W, żeby to wyrównać (top - balance)
    3. po zakończonym cyklu ładowania uC szacuje pojemności ogniw i w kolejnym cyklu podczas ładowania włącza proporcjonalnie rezystory na krótko podczas ładowania, żeby wyrównać cele
    4. mikrokontroler szacując pojemność i śledząc prądy może zatrzymać ładowanie w jego trakcie, dzięki czemu magazyn może być użytkowany między 80% do 20% stanu naładowania, pomimo tego, że oba skrajne punkty nie różnią się istotnie napięciami.

    Moje pytania:
    1. Co myślicie o tym rozwiązaniu?
    2. Czy możecie mi zasugerować rozwiązanie śledzenia prądów ładowania i rozładowania (sensor w obie strony) - może być rozwiązanie dyskretne lub gotowy moduł / IC - prądy do 10A, ale dobrze, żeby sensor miał nieco szerszy zakres np +/- 15A.

    Co dotychczas wykonałem?
    1. Prototyp płytki front - endu do różnicowego pomiaru napięć na poszczególnych ogniwach. Układ wykonany na LM358, wyjścia będą wchodzić do ADC ESP32. Układ działa, wymagana jest jego początkowa kalibracja w software uC.



    Kontroler magazynu energii na ogniwach LiFePO4.

    Co dalej?
    Muszę zrealizować dwukierunkowy pomiar prądu. Jak najlepiej to zrobić?

    Mój pomysł realizacji zadania:
    Podobnie jak wyżej użyję wzmacniacza operacyjnego z biasem w wysokości połowy napięcia stabilizowanego układu tj. 3.3V. Układ będzie liczył przepływ energii i dopóki napięcie będzie quasi-stałe używał szacunków do ustalenia w którym miejscu SOC (state of charge) jesteśmy. Jako alternatywa zostaje czujnik Halla.
    Chciałbym spróbować użyć adaptacyjnego wzmocnienia w postaci załączanych rezystorów w pętli sprzężenia wzmacniacza operacyjnego, celem pomiaru zarówno małych jak i dużych prądów, ale nie wiem na ile to zadziała. Myślałem o użyciu CD4066 w tym celu (x1, x10).

    Kontroler magazynu energii na ogniwach LiFePO4.

    Kontynuuję według swojego projektu. Zrobiłem płytkę PCB i potestowałem trochę. Wzmacniacz operacyjny nr1 z LM358 daje mi zero w okolicy 1,6V, drugi ze wzmocnieniem x11 zero w ok. 1,4V (do pomiaru małych prądów). Różnice wynikają pdp. z sumowania się błędów napięcia offsetu x10 w stopniu 1 i x11 w stopniu 2 - wychodzi 200mv przy "zerze" (w/g datasheet 2-3mV Offset Voltage).

    Rozpiętość pomiarów i liniowość wygląda tak:

    Kontroler magazynu energii na ogniwach LiFePO4. Kontroler magazynu energii na ogniwach LiFePO4. Kontroler magazynu energii na ogniwach LiFePO4.

    Bocznik prądowy zrobiony z pomocą PCB, można się wlutować tak, żeby osiągnąć założone nachylenie krzywej prąd/napięcie.
    Kontroler magazynu energii na ogniwach LiFePO4.

    Pokrywa to sensownie zakres pomiarów x1 od -14A do + 14A, x11 jest to od -1A do 1A.
    Można sobie oczywiście zmienić rozdzielczość - albo zmieniając proporcję rezystancji kolejnych stopni albo wlutowując się w innym punkcie bocznika prądowego.

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    gdL
    Level 27  
    Offline 
    Has specialization in: medycyna, programowanie, meteorologia
    gdL wrote 943 posts with rating 225, helped 117 times. Live in city Zgierz. Been with us since 2004 year.
  • #2
    nowakus
    Level 19  
    Nie lepiej użyć do pomiaru prądu gotowego przetwornika LEM z zasilaniem pojedynczym?? Posiada stabilny ofset, może mierzyć prąd w 2 strony, robi to dokładnie, szybko i precyzyjnie. Myślę że popularny LTS25 z odpowiednio połączonymi uzwojeniami pierwotnymi (na 8A żeby uzyskać większy sygnał użytkowy) spisze się doskonale, lub inny o mniejszym zakresie. Na wyjściu dobrać dzielnik rezystorowy tak aby sprowadzić ofset z 2,5V na 1,68 V a całość miała ok 2,2k (katalogowe minimalne obciążenie lema). Proste, gotowe i dokładne.
    Pozdrawiam!