Elektroingenjör 180hp EXAMENSARBETE. Intelligent Batteri. Mahamud Jamac och Mazdak Kaidzadeh. Elektroteknik 15hp. Halmstad

Transkript

1 Elektroingenjör 180hp EXAMENSARBETE Intelligent Batteri Mahamud Jamac och Mazdak Kaidzadeh Elektroteknik 15hp Halmstad

2 i

3 ii

4 Sammanfattning Elcyklaranvändsalltmerisamhälletvilketberorpåfördelarnasomenelcykelerbjuder jämförtmedenvanligcykel,tillexempelbristpåstyrkaivissasituationersommotvind elleruppförsbackar.enviktigdelavelcykelnärbatteriet.inomindustrinfinnsdetett stortintresseförbatteriförpackningarsomärmermiljövänliga,användarvänligaoch ävenharenlängrelivslängd. ProjektetIntelligentBatteribehandlarutvecklingenavnuvarandebatteriförpackningar somanvändsavelcyklar.utvecklingeninnebärutbyteavförpackningensnuvarande påscellervilkaärsvåraattersättasamtövervaka,tillaaecellervilkaärlättareatt hantera.dessutomimplementeringavettnyttövervakningssystemsomgördetmöjligt föranvändarenattkunnabevakavarjeenskildcellochersättademvidbehov. Genomattanvändacylindriskabattericellerochennyövervakningskretshar examensarbetetframställtenbatterimodellsomillustrerarenbildpåhurett batteriövervakningssystemkanseutiframtiden.idetutveckladesystemethar slutanvändarenmöjlighetattövervakasamtligacellerstillstånd,detekteraen underpresterandecellochävenersättademvidbehov.denfärdigbyggda batterimodellenharävenförsettsmedettverifieringsnummerochendastelcykelmed rättidenummerkananvändabatteriet. Projektetsframställdabatterimodellkanutvecklasytterligareocheventuelltanvändasi elcyklarsframtidabatteriförpackningar. iii

5 iv

6 v Abstract Electricbicyclesareusedmoreandmoreinsocietyduetotheadvantagesthatan electricbikeofferscomparedtoaregularbicycle,forinstancelackofstrengthinsome situationssuchasheadwindoruphill.animportantpartoftheelectricbikeisthe battery.thereisagreatdemandwithintheindustryforbatterypackswhicharemore environmentallyfriendly,userfriendlyandalsohavelongerlifespan. TheprojectIntelligentBattery,treatsthedevelopmentofbatterypacksthatare currentlyusedinelectricbicycles.thedevelopmentinvolves,exchangingthebattery pack scurrentlyusedprismaticecells,wicharedifficulttoreplace,andsubstitutethem withaaecellsthatareeasiertohandle.furthermoreanewbatterymanagementsystem isgoingtobeimplemented,thatmakesiteasierfortheusertomonitoreverysinglecell, andifnessessaryreplacingthem. Byusingcylindricalbatterycellsandanewmonitoringcircuit,thisthesishasproduced abatterymodellthatillustratesapictureofhowabatterymonitoringsystemcouldlook likeinthefuture.theprojectsdevelopedsystemgivestheusertheabilitytomonitorall cellstates,detectinganunderperformingcellandevenreplacethemifnecessary.the constructedbatterymodellisalsoequippedwithaverificationnumberandonlyan electricbikewithproperidcanusethebatterypack. Theprojectsproducedbatterymodelcanbedevelopedfurtherandpossiblybeusedin electricbike sfuturebatterypacks.

7 vi

8 vii Förord Dettaexamensarbetesomomfattar15hp,harutförtsavtvåelektroingenjörsstudenter undervårterminen2015vidhögskolanihalmstad.underprojektetsgångharvihaft mycketstödfrånvårhandledarehanseerikeldemarkochvivilltackahonomförtrevliga mötenochgodadiskussioner.ettstorttacktillthomaslithensomharhjälptossmed utrustningar,elektriskakomponenterochtillgångtillverkstadenpåf3esektionen. SlutligentackarviDanielPeterssonochföretagetJ&Dförderasstöd. Halmstad2015E08E31... MazdakKaidzadehMahamudJamac

9 viii

10 ix Innehåll 1INLEDNING...1 2BAKGRUND...3 3TEORI LITIUMJONBATTERI LADDNINGAVLITIUMJONBATTERICELLER BALANSERING $Balansering$vid$uppladdning$...$ $Balansering$vid$urladdning$...$7 3.4BALANSERINGSMETODER $Passiv$balansering$...$ $Aktiv$balansering$...$9 3.5BMS(BATTERYMANAGEMENTSYSTEM) SERIELLKOMMUNIKATION $I 2 C?Kommunikation$...$ $1?Wire$kommunikation$...$10 3.7PROGRAMVARAFÖRSCHEMARITNING METOD VALAVKOMPONENTER $Battericellen$...$ $Batterihållare$...$ $Övervakningskrets$...$ $Mikrokontrollern$...$ $Identifieringskrets$...$ $Lasten$...$ $Övriga$komponenter$...$15 4.2KONSTRUKTIONAVSYSTEMET $Övervakningskrets$...$ $Spänningsmätning$...$ $Temperaturmätning$...$ $Laddningsnivå$...$ $Balansering$...$ $Skyddskrets$...$ $Identifiering$av$batteriet$...$ $Uppkoppling$av$IC?kretsar$...$25 4.3DETEKTERINGAVENTRASIGCELL FRAMTAGNINGAVELEKTRISKTSCHEMA ANALYSAVRESULTAT RESULTAT HÅRDVARA KOMMUNIKATION DETEKTERINGAVENUNDERPRESTERANDECELL SPÄNNINGSMÄTNING CELLBALANSERING IDENTIFIERING TEMPERATURMÄTNING PROGRAMKODEN LAYOUTPCB...34

11 7DISKUSSION SLUTSATS REFERENSER BILAGAÖVERSIKT...40 BILAGAA.KRAVSPECIFIKATION...41 BILAGAB.KOMPONENTLISTA...43 BILAGAC.JÄMFÖRELSEAVBATTERICELLER...44 BILAGAD.BATTERIHÅLLARE...46 BILAGAE.BILLAMPA...47 BILAGAF.KRETSSCHEMA...48 BILAGAG.LAYOUTPCB...49 BILAGAH.SERIALMONITOR...50 BILAGAI.PROGRAMKOD...51 x

12 1Inledning Idagenssamhälleblirelcyklaralltmerpopulära,därmedärlivslängdensamt användningstidenavdessafärdmedelsbatteripaketväldigtbetydande.detta examensarbetebearbetarutvecklingenavelcyklarsnuvarandebatteriförpackningar. Debefintligabatteripaketenbestårav10seriekoppladepåsceller(Prismatic) [1] ochett installeratövervakningssystemsomharisyfteattskyddabatteriet.enstornackdelmed dessabatterierärattdesslivslängdärbegränsadochdebästabatteritypernaförväntas klara700till1000laddningar [2] innandebytsut.elcykelbatterierärväldigtdyraoch kankostahalvaprisetutavcykeln. Övervakningssystemetidebefintligabatteripaketenharendastkollpåbatteriets kapacitetvilketmedförattanvändarenintefårnågoninformationomvarjeenskildcells tillstånd(spänningsnivå).önskvärdhadevaritettövervakningssystemdäranvändaren kundeuppdaterasombattericellernasspänningsnivåerochpåsåsättkundeen underpresterandecelldetekterasochdärmedbytasutmotennybattericell. Debefintligapåscellerna(LitiumJon) [1] ärväldigtsvårhanteradeochvidersättningav dessacellerskadeförsiktigtlödasbort,vilketprivatpersonersominteharnågon kunskapinomdettaområdeinteklararav.dålighanteringavlieion(litiumjon)celler kanutsättaanvändarenifaraochomdetappas,krossasellerkortsluts,kandessatyper avbattericellerorsakabränder [3]. Därförärsyftetmeddettaprojektattbytauthelainnehålletavdenbefintliga batterilådanochersättadetmedettmeranvändarvänligtsystem.dettainnebär användningavnyatyperavbattericellersamtimplementeringavettnytt övervakningssystemsomkonstantuppdateraranvändarenomvarjeenskildcells tillstånd. FinansiärenavprojektetärAlmi [4] somharbeviljatprojektdeltagarnasansökanom förstudiemedel(5000kr).examensarbetetharävendelfinansieratsavfåhrestiftelsen [5] med2000kr.ettföretagsomkanvaraintresseradavarbetetärocoffcourse [6]. Företagetgrundades2006somenproducentaveldrivnaarbetsfordonochsedan2011 harstartatproduceraegnamodelleravelcyklar. VidprojektetsstartrevideradesdenprimärakravspecifikationensomfinnsibilagaA. EfteratthadiskuteratdennakravspecifikationmedprojektetsidégivareHansEErik Eldemark,ändradeskravengällandebatterietsnominellaarbetsspänningochkapacitet. Nedanföljerdeviktigastekravensomprojektetskauppfylla: Batterietskallhaenkapacitetpåca3.35AH. Nominellarbetsspänning18V. Sammalåda. BatterietskallbyggasuppbaseratpåstandardcellertypD,CellerAAEcellerav lämpligmiljövänligbatteriteknik. Individuellövervakningavvarjecellvidladdningochurladdning. Enskildacellerskallkunnabytasavslutanvändare. 1

13 2 Batterietsövervakningssystemhållerdriftstatistikavtypantalladdcyklar, belastningshistorik,cellinformationetc. Skyddmotförhögbelastningavbatteri. Identifieringavbatteriet. Detutveckladeövervakningssystemetkommerendastbehandlabatteridelenoch därmedingetarbetekommerutföraspåcykelsidan.

14 2Bakgrund Individuellcellövervakninganvändsinteielcyklarsnuvarandebatterisystem.Dettaär enstorbristiövervakningssystemeteftersomomenbattericelliförpackningen underpresterarellerharskadats,kanresterandecellernaibatteripaketetöverbelastas. Dettamedförattmedtidenblirbattericellernautslitnaochdärmedförkortas batteripaketetslivslängd. Tillenföljdavdettafinnsdetettstortintresseinomindustrinförbatteriermedett smartareövervakningssystemsomkanbådeskyddabatteriet,samtuppdatera användarenombatteripaketetstillstånd(cellernasspänningsnivåer,batterietskapacitet ochtemperatur).dockskulleensådanproduktkostanågotmerändebefintliga produkternapåmarknaden,menmedtankepåfördelarnasomettutvecklatbatteri skulleerbjuda,hadedenextrakostnadenlönatsilängden. Förattkunnataframettidealtbatterisystemförelcyklardärvarjeenskildcellkan övervakas,skadetförsttashänsyntillvissafaktorer.typenavcellersomskaingåi batteripaketet,antaletcellersomskallövervakas,ävenenlämpligövervakningskrets somärkapabelatthanteradessabattericellerochinkluderarenindividuell cellövervakningsfunktion. Detfinnsendelliknandearbetesomhargjortsinomövervakningssystemav battericeller.däremothardessaarbetenutförtsförbatteriförpackningarinom bilindustrin.ettliknandeprojektutfördvidntnu(norwegianuniversityofscienceand Technology)år2009,behandlarövervakningavLiEIonEcellerochävenbeskriverhur rättövervakningssystemkanförlängalivslängdenavbattericellerna [7].Ettannatarbete somutfördesvidchalmerstekniskahögskolaår2012,inriktarsigpå övervakningssystemsomuppdateraranvändarenombatterietskondition [8]. Ävenett arbetesomutfördesår2008vidluleåtekniskauniversitet,bearbetarcellövervakningi elektriskabilar [9]. 3

15 3Teori 3.1LitiumjonBatteri LiEIonanvändsidagideflestaelektroniskaenheter.Bärbaradatorer,mobiltelefoneroch elektriskafordonärnågraexempelpåproduktersomanvänderlieionbattericeller. DetsomgörLiEIoncellernatillenavdefrämstacelltypernainombranschenär framföralltderasprestationsförmåga.laddningsbaralieioncellerhardenhögsta energitäthetenijämförelsemedandratyperavbattericellerpåmarknadenochvid varsamhanteringharcellernaenlängrelivslängdändeandraprodukterna. Figur1jämförenergitäthetenhosbly,nickelochlitiumbaseradebatterier.LiECobaltkan lagrahögstenergigentemotdeandrabatteritypernamenharlägretermiskstabilitet [10]. Figur$1.$Energitäthet$av$bly$(Lead),$Nickel$(NiCD,$NiMH)$och$Lithiumjon$baserade$batterier$(Li? phosphate,$li?manganese,$li?cobalt,$nmc$(li?nickel$manganese$cobalt$oxide)$) [10].$ LiEIoncellerärväldigtkänsligapågrundavderaskemiskasammansättning.Därförär detviktigtattdeövervakasochattcellernadrivsinomsinasäkraarbetsområden, specifiktdåfleracelleranvändssamtidigt.denrekommenderade uppladdningsströmmenförenlieioncellär50%avdennominellaströmkapaciteten [11]. Närdetgälleruppladdningenavdessaceller,bördeinteladdasöver4.2V.Enhögre spänningsnivåän4.2vviduppladdningenkanmedförahögavärmeutvecklingari cellerna.dettakanledatillskadaförbådeanvändarenochbattericellerna. 4

16 3.2LaddningavLitiumJonbattericeller UppladdningavLiEIoncellerskeritvåsuccessivafaser [11].Iförstafasenladdas battericellenuppmedenkonstantström,samtidigtsomcellspänningenstigerupptills denharnåttsittmaxvärdeav4.2v.underandrafasenavuppladdningenkommerlieion cellenhållaenkonstantspänningsnivå,samtidigtsomströmmenavtartillsdenharnått treprocentavuppladdningsströmmenochdärmedärbattericellenfulladdad.sefigur2. Figur$2.$Uppladdning$av$en$Li?Ion$battericell [11]. 5

17 3.3Balansering Obalanseradecellerärettgemensamtproblemhosbatteriförpackningarsombestårav seriekoppladebattericeller.cellbalanseringärenmetodsomökaranvändningstidenav enbatteriförpackningsamtförlängerlivslängdenavcellerna [12].Enbalanserad batteriförpackningärensådandärdesssamtligacellerexaktharsammaladdningsnivå Balanseringviduppladdning Förattgeettexempelpåhurobalanseradecelleriettbatteripaketkanpåverka varandra,kanettlieprobatteri(litiumjonecelliformavpouch) [1] sominnehållerfyra battericellerbetraktas. Antaattförpackningenäruppladdadtill16.8V.Omcellernaibatterietärperfekt balanserade,kommerspänningenmellanbatterietssamtligacellervarajämntfördelad, alltså4.2v.sefigur3a.däremotomcellernaärobalanserade,kanenavcellernaunder uppladdningsfasenhaladdatsmerändeandrabattericellernaochdärmedöverladdats (6.3V). LiEIoncellerkanintehanteraöverladdningarvälochnärdeblirfulladdade,tardeinte emotmerström,vilketledertillattderesterandeseriekoppladecellerna,inteladdas upptillsinafullapotentialer.sefigur3b.trotsattdentotalabatterispänningenärpå 16.8V,ärtreavcellernaintefulladdadeochencelliriskzonenförtermiskrusning (kemisknedbrytning) [3]. Figur$3$(a)$Balanserade$celler,$(b)$Obalanserade$battericeller. 6

18 3.3.2Balanseringvidurladdning Balanseringärlikaviktigunderurladdningsomdenärviduppladdningsfasen,dåden avgöranvändningstidenavbatteriet.omcellernaienbatteriförpackningär obalanseradefrånbörjan,begränsasanvändningstidenavbatterietmedcellensomhar lägstkapacitet.gränsenförurladdningavlieioncellerär2.7vochomcellernaurladdas merängränsvärdet,kommercellernautsättasförskador. BetraktasammaLiEProbatterisomvaruppladdadtill16Viföregåendeexempel(figur3 a).antanuattbatteriförpackningenharurladdatsochbatterispänningenliggernupå12 V.Omcellernaärperfektbalanserade,kommerdentotalaspänningenuppdelasjämnt mellandesamtligabattericellerna(3v).sefigur4a.menomförpackningenär obalanserad,kanenavcellernaladdasursnabbareändeandra. Utanbalansering,kommerdenurladdadecellenunderladdas,vilketinnebärattcellens spänningsnivåkommerattunderskridaurladdningsgränsen(2.7v).sefigur4b.även omdentotalabatterispänningenär12v,ärtreavcellernaintehelturladdade,samtidigt somenavcellernaharskadats.dessutomharurladdningstidenavbatterietförkortats ochävenanvändarenharfåttfalskinformationgällandeanvändningstiden [14]. Figur$4$(a)$Balanserade$celler,$(b)$Obalanserade$celler.$ 7

19 3.4Balanseringsmetoder Cellbalanseringkangöraspåtvåsätt,Passiv(dissipativebalancing)elleraktiv (nondissipativebalancing).dessabalanseringsmetoderharsinaföreochnackdelar beroendepåapplikation Passivbalansering Medpassivbalansering [12] ellerdissipativebalancing,menasattbattericellenmedhögst laddningsnivåkopplasmedenresistivlastsåattöverskottsenerginsomfinnsicellen avlastasiformavvärmegenommotståndet.tankenmeddennametodärattde samtligacellernaibatterilådanhamnarpåsammaladdningsnivå.alltsåcellenmed högstladdningsnivåurladdastillsallabattericellerhamnarpåsammaspänningsnivå.då ärbatteriförpackningenbalanserad. Detfinnsolikasättattimplementeraettpassivtbalanseringssystem.Passivbalansering kanenkeltrealiserasmedettmotståndparallellkoppladmedvarjecell,därdenvalda cellenurladdasgenommotståndetsamtidigtsomuppladdningenpågår.ettannatsätt attrealiserapassivbalansering,äratttilläggaenfetetransistoriseriemedmotståndet ochparallellkoppladenmedbattericellen.dennametodsomkallasförextern balanseringframgåravfigur5.transistornkommerdåfungerasomenbrytareochpå såsättkontrollerasnärencellskallbalanseras. Figur$5.$Extern$passiv$balansering [13].$ 8

20 3.4.2Aktivbalansering Iaktivbalansering [12] överförsenerginfråncellenmedhögstladdningsnivåtillden minstladdadebattericellen,ochpåsåsättöverskottsenerginintekommerattödslas bort.dennabalanseringsmetodanvändsiapplikationerdärdetbehövshöga balanseringsströmmar,vilkeninteärmöjligvidanvändningavdenpassiva balanseringsmetoden.ävenomaktivbalanseringverkarsomdenideala balanseringsmetoden,följerdenmedendelnackdelarsomskatashänsyntill: Behövermerakomponenterändenpassivametoden,vilketinnebärenhögre kostnadföranvändaren. Krävermerplatspågrundavmängdenavkomponenterna. Närbatterietinteanvändsochäriviloläge,kanstörreeffektförluster förekommaänvaddetgörvidpassivbalansering. 3.5BMS(BatteryManagementSystem) BMS [14] ärettsystemsomanvändsförövervakningavladdningsbarabattericeller.ett övervakningssystemskyddarbatteriförpackningenochsertillattbatterietdrivsinom sittsäkraarbetsområde.genomattanvändaenintegreradkrets,kanbms etövervaka battericellernastillstånd(spänning,temperatur,ström). IdagfinnsdetettantalintegreradekretsarsomharmöjlighetenattövervakaLiEIon celler.dessaicekretsaräranpassadeefterbatteripaketetskapacitetsamtantaletceller somingåriförpackningen.texasinstruments,maximochatmelärdefrämsta tillverkarnaavövervakningskretsarsomärspecielltkonstrueradeefterlieionceller [15]. Dessakretsarstyrsoftaavenexternmikrokontrollerochmedhjälpavden,kandessa ICEkretsarävenprogrammeras. ÖverföringavdatamellanICEkretsarnaskergenomseriellkommunikation [16].Några exempelpåseriellakommunikationsbussaräri 2 C,SPI,1EWireochUNI/O. 9

21 3.6Seriellkommunikation 3.6.1I 2 CEKommunikation I 2 Cärensynkronseriellkommunikation [17] medtvåbusslinjer:sda(databuss)ochscl (klockbuss).enheterpåi 2 CEbussenärantingenmasterellerslavenheter.Masternär alltiddenenhetensominitieraröverföringenavdata.detkanfinnasenellerflera slavenheteranslutnatilli 2 CEbussen,mennormaltsettfinnsdetbaraenmaster.Sefigur 6.Vanligtvisharslavenheternaensjubitarsadress. Figur$6.$I 2 C?kommunikation$mellan$en$masterenhet$och$flera$slavenheter [18].$ Förattstyraenenhet,väljermasternadressentillslavenhetensomdenskaskapa kommunikationmed(adressenbeståravsjubitar).därefter,omkontaktharetablerats, bekräftasdettamedenlågpuls(ack,acknowledgment),iannatfallerhållsenhögpuls (NACK,Notacknowledgment).Figur7,illustrerarenWritefunktionochdetärbit8som används(w=0,r=1). $ Figur$7.$En$Write?funktion$via$I 2 C?kommunikation [21].$$ EWirekommunikation 10

22 1EWire [19] ärenkommunikationsbusssomgördetmöjligtföricekretsaratt kommuniceramedvarandraendastviaendatatråd.enutmärkandeegenskapsom1e Wirekommunikationerbjuderärattdatabussensamtklockbussendelarsammabuss ochvidanvändningavmetodenkrävsendastenledning(förutomgndochvcc). Figur8illustrerarinitieringenav1EWirekommunikationmellanenmasterochenslav enhet.försthållermasterenhetenbussenlågunderca480µs,sedansläpperenheten bussenochväntarca60µstill100µspåettsvarfrånslavenheten.ompulsendrasner igen,innebärdetattenkommunikationharetableratsochslavenhetenärredoattta emotdata. Figur$8.$Här$ses$kommunicering$mellan$en$master,$och$en$slav$enhet$via$1?Wire [19].$ 3.7Programvaraförschemaritning Idagfinnsdetmångaprogramsomanvändsförframtagningavelektriskakretsar. ORCADPCB,DesignsparkPCBochEAGLEPCBärnågraexempelpåprogramsom användsförtillverkningavettpcbekort(printedcircuitboard). Dessaprogramoftastharenschematiskredigerare,därritningenkankonstruerasoch deingåendekomponenternaikretsenkananslutastillsinapunkter.närdettahar gjorts,importerasdetelektriskaschemattillpcbedelenavprogrammen.härdesignas kretskortet,ochanvändarenharmöjlighetenattplacerakomponenterna,ellerutforma ledningsbanornaikretsen(routing),precissomdetönskas. Närkretskortetharritatsklart,kangerberfiler(Tillverkningsfiler)tasfram.Dessafiler somgenererasipcbedelenavprogramvaran,skickasdärefterivägtillpcbeproducenter förtillverkningavkretskortet. 11

23 4Metod EnöversiktavexamensarbetetsfärdigbyggdabatterimodellkansesiFigur9. Enligtfigurenbestårsystemetavtvådelar.Ettövervakningssystemsomövervakar battericellernavilketmonterasibatterilådan,samtenidentifieringsdelsomharisyfte attidentifierabatteripaketetochskainstalleraspåelcykeln.dockpågrundavprojektets avgränsninggällandeelcykeln(sekapitel1),haridentifieringskretsenistället installeratspåenprototypsomskaföreträdaelcykeln. Övervakningssystemetharytterligaredelatsuppinågramindredelsystem,vilka arbetartillsammansförattbildaettidealtsystemsomkonstantuppdateraranvändaren ombattericellernastillståndsamtskyddarbatteriet. Figur$9.$En$översikt$av$projektets$olika$delsystem.$ 4.1Valavkomponenter Följandeavsnittpresenterarviktigakomponentersomingårisystemet.Även anledningentillvaletavdessakomponenterharmotiveratsidettaavsnitt.tabell1, visarenlistapådessaenheter.denfullständigakomponentlistanfinnsibilagab. 12

24 Tabell$1.$Systemets$komponenter$samt$deras$användningsområde.$ Komponenter Syfte BattericellerNCR186550Panasonic Kanuppfyllakravengällandearbetsspänning ochkapacitet Batterihållare Förmonteringavbattericellerna ÖvervakningskretsenBQ76930 Spänningsmätning,Temperaturmätning, Cellbalansering,Avläsningavladdningsnivå IdentifieringskretsenDS2413 Identifierarbatteriet MikrokontrollernArduinoUno Programmerarsystemet Glödlampor Systemetslast(elcykel) Övrigakomponenter Stabiliserarsystemet 4.1.1Battericellen EnligtkravenskadetnyabatterietbyggasuppbaseratpåstandardcellertypD,C,eller AAEceller.Dessutomskadenyacellernarymmasidenbefintligabatterilådan.Föratt byggaettbatterimedhögprestanda,utfördesenundersökningavmarknadens battericellermedhögstenergitäthet.ävenstorlekenavcellernavarnågotsomtogs hänsyntill.eftersomlieioncellerhardenhögstaenergitäthetenjämförtmedandra typeravbattericeller(sekapitel3.1),inriktadesundersökningenenbartpålieion celler [1]. BilagaCvisarenjämförelseavolikaLiEIonAAEceller(18mm 65mm).Somdetframgår avbilagacärpanasonicncr18650b [20] cellenmedhögstkapacitet3.4mah.elbilen TeslaModelS $somärenproduktavteslamotorsanvänder7000identiskapanasonice cellerisinbatterilåda [27].Dessabattericellerförväntasgåneriprisochdetkanlönasig attanvändademielcyklarsframtidabatteripaket [27].Ennackdelmeddessacylindriska battericellerärattdeinnehållerenlägreenergitäthetjämförtmednuvarandepåsceller. Efterprojektetskravmåstedennyabatteriförpackningenhaennominell arbetsspänningpå18vsamtenkapacitetpå3.35ah.genomatttillämpakirchhoffs strömlag(kcl)ochspänningslag(kvl)kandettamåluppnås.seriekopplingavfem PanasonicNCR18650Bcellerresulterartillenarbetsspänningpå18Vochenkapacitet på3.35ah.figur10gerenbättrebildpåtillämpningavmetoden. Figur$10.$Bilden$visar$kopplingen$av$battericellerna$till$systemets$IC?krets.$ 13

25 4.1.2Batterihållare Iprojektetanvändstvåtyperavbatterihållare.Denförstavariantensomharanvänts underhelaprojektetvaldesframföralltförtestningssyfte,eftersomdenharmöjlighetatt användaspåbreadboard.andravariantenärkretskortmonteradochanvändsvid slutfasenavprojektet,dåarbetetsprototypskalltillverkas.syftetmedanvändningenav denkretskortmonteradebatterihållarenärattunderlättaersättningavbattericellerna föranvändaren.ibilagadvisasbilderpåbådamodellerna Övervakningskrets DefrämstatillverkarnaavICEkretsar [15] somärspecialbyggdaförövervakningavlieion cellerärtexasinstruments,maximochatmel.förattväljadenlämpligaste övervakningskretsenförprojektetundersöktesframförallttreicekretsarsomtillverkas avdessaproducenter.bq76920 [21] fråntexasinstruments,max11068 [28] frånmaxim ochata6870 [29],enproduktavAtmel. UndersökningavdessatrekomponentervisadeattBQ76920harbästnoggrannheti sinamätningaravbattericellernasspänning,kapacitetochtemperatur.dettaberorpå attbådemax11068ochata6870använderen12ebitarsadeomvandlareförattutföra sinamätningar.däremotanvändersigbq76920avtvåadeomvandlare,en14ebitför mätningavspänningochtemperatur,samten16ebitarsförmätningavbatteriets kapacitet. Ennackdelmeddessaövervakningskretsarärattdeminteharmöjlighetenattfungera somstandealone(självständig)enheter,ochdärmedmåstestyrasmedhjälpaven externmikrokontroller.iexamensarbetetanvändsövervakningskretsenbq76920och denfrämstaorsakentillvaletäricekretsensöverlägsnaprecisionisinamätningar jämförtmeddeandraprodukterna Mikrokontrollern ArduinoUno [23] ärstyrenhetensomviai CEbussenkommunicerarmed övervakningssystemet.detärmedhjälpavdennamikrokontrollersombms etstyrsoch programmeras.styrenheteningåriövervakningssystemetochanvändersitt terminalfönster(serialmonitor)förattprintautgångenavsystemetsprogramkod.påså sättharanvändarenkollpådetsomskerikoden. Mikrokontrollernansågsvaradetlämpligastevalet,dådenharmöjlighetatt kommuniceramedövervakningssystemetssamtligaicekretsarochstödjerbådei Coch 1EWirekommunikation.Enannanfaktorsomgjordeenhetentillettbraval,varprisetav komponentensomvarrelativtlågtochprojektdeltagarnahadeävenjobbatmedenheten vidandratillfällen Identifieringskrets EfterIdégivarensställdakravpåprojektetangåendeettstöldsäkertsystem,skadet utveckladebatterietkunnaidentifieras.förattuppnådettamålundersöktesspeciellt tvåautentiseringsenhetervilkakundeutförauppgiften.atecc108a [26] frånatmeloch DS2413 [22],enproduktavMaxim. 14

26 15 TillskillnadifrånATECC108AsomanvändersinI CEbuss(SDAochSCL)för kommunikationmedandraenheter,använderds2413ettendadatatrådsominkluderar bådedatabussochklockbuss.förattundvikakomplikationerochanvändningavfärre komponenter,valdesicekretsends2413föridentifieringssyftet. ProduktenfrånMaximsertillattendastelcykelmedrättverifieringsnummerkan användabatteriförpackningen Lasten TvåglödlamporH7somanvändsförhelljusbelysningibilar,användssom övervakningssystemetslast(somersättningförelcykeln).glödlampornaklararen arbetsspänningpå12vsamteneffektutvecklingpå55w.bildenpålastenframgårav bilagae Övrigakomponenter Iövrigtharövervakningssystemetförsettsmedendelresistorer,kondensatorer, transistorerochtermistorersombidrartillettmerstabiltochdriftsäkertsystem.se bilagabfördenfullständigakomponentlistan.

27 4.2Konstruktionavsystemet Följandeavsnittbeskrivervarjedelsystemsuppgiftochsyfteiövervakningssystemet.Se figur11. Figur$11.$Övervakningssystemets$samtliga$delsystem.$ 4.2.1Övervakningskrets ICEkretsenärkärnaniövervakningssystemetochdetärdärsystemetsandrakretsarska kopplas.genomattanvändasinainbyggdakomponenter,möjliggörbq76920de viktigastefunktionernasomsertillattövervakningssystemetarbetariettsäkertoch stabiltläge.dessutomkanenhetenmedhjälpavsinavcxeingångarutförafunktioner såsom,spänningsmätningochbalanseringavbattericellerna.kretsenstödjertvåfete startare(chgochdsg)somkanstyraenexternskyddskrets.skyddskretsenförklarasi kapitel Spänningsmätning BQ76920användereninbyggd14EbitarsADEomvandlareförattavläsa batteriförpackningenscellspänningar.förvarjesammansättningavfemintilliggande celler(vc0tillvc5),sefigur10,näringenavcellernaidenordningenärbalanserade, mätsvarjecellspänningunder50ms,ochenfullständiguppdateringavcellernafinns 16

28 varje250ms.spänningsmätningentardockkortaretidnärdessanärliggandefemceller ärbalanseradeochdåreducerasspänningsmätningstidentill12.5mspercell. VarjeBQ76920ärfabrikskalibreradmedettGAINochettOFFSET(värdelagradei enhetenseeprom) [21].ProjektetsICEkretsharettOFFSETEvärdepå39mVochettGAIN på380µv.följandeekvationvisarhuren14ebitarsadceläsningomvandlastillen analogspänning.tabell2,visarettparexempelpåfunktionen. Tabell$2.$Spänningsläsning$av$enskilda$celler.$ $ 14EbitADC ADCidecimal GAIN[µV/LSB] OFFSET[mV] Cellspänning[mV] 0x x1F Styrenhetenanvänderföljandeekvationerförberäkningavbatterietsspänningsnivå. V ("##) =GAINxADC ("##) +OFFSET(beräkning$av$varje$enskild$cellspänning)(ekvation1) V ("#) =V ("##$) +V ("##$) +...+V ("##) (batteriförpackningens$totala$spänning)(ekvation2) 4.2.3Temperaturmätning Övervakningskretsenanvänderentermistorförattmätabatteripaketetstemperatur. Termistorer,somärkomponentervarsresistansvarierasmedtemperaturen,bör placerasnärabattericellernaförattkännaavvärmegradensomutvecklasidessa enheter. Förberäkningavtemperaturenmåsteresistansenavtermistorernaräknasfram.Detta genomförsmedhjälpavsamma14ebitarsadeomvandlaresomanvändsvid spänningsmätningsfunktionen.efterdatabladets rekommendationerangåendevaletav termistor,används10kωntc103at [24] iövervakningssystemet.enadceläsningav TS1 [21] sombestämmerresistansenav103attermistornkansesavnedanstående ekvationer: V "# = ADCidecimal 382µV(Spänning$på$TS1?ingången)(ekvation3) R "#("#$%&'(#"#$#%&'#) = V "# 3.3 V "# (ekvation4) ICEkretsensinbyggdatemperatursensorDieEtempmäterICEkretsensinternavärmegrad. Däremotkanenmernoggrannmätningavkretsensinretemperaturberäknasmedhjälp avdenexternatermistornsomäranslutentillkretsensts1.följandeekvationer användsförberäkningavövervakningskretsenstemperatur. V "# =1.200V(IC?kretsens$spänning$är$1.2V$vid$25C ) (ekvation5) V "# = ADCidecimal 382V(Systemets$varierandespänning$under$drift)(ekvation6) TEMP "# = 25C ((V "# V " ) )(IC?kretsens$temperatur) (ekvation7) 17

29 4.2.4Laddningsnivå Batteriförpackningensladdningsnivåkanuppskattasmedhjälpavbatteripaketets spänning.övervakningssystemetanvänderföljandeekvationförberäkningavbatteriets laddningsnivåsomangesi[ah]. Laddningsnivå[Ah]=(Pack V (Kapacitet nominell/(v Cell Cell antal))) (ekvation8) Pack Värbatteripaketetsspänning,Kapacitet nominellärbattericellernasnominella kapacitetsomär3350mah [20],V Cellärcellernasnominellaspänningvilkenär3.6Voch Cell antalärantaletbattericelleriförpackningen.dessavärdenkanavläsasifigur12. Figur$12.$Laddningsegenskaper$för$battericellen$NCR18650 [20].$ 18

30 4.2.5Balansering MetodensomBMS etanvänderförattbalanserasinabattericellerärexternbalansering (PassivmedenFETEtransistor,sekapitel3.4.1).Dettaberorpåatt balanseringsströmmensomkanfåsutavdennametodärbetydligthögreändeninterna balanseringsmetoden(passivmedenresistivlast).enhögreströminnebärnaturligtvis ensnabbarebalanseringstid [21].Denexternakretsenrealiserasenligtfigur13ochska kopplastillövervakningskretsensvcxeingångar. Figur$13.$Extern$balanseringskrets.$ Närencellskallbalanseras,VCXEingångarsomdencellenärkoppladtill,parasihopoch fårungefärsammaspänning.dettaledertillattnekanalfetetransistornidenexterna kretsensomharsingateanslutentilldeihopsattavcxeingångarnaaktiveras.då påbörjasbalanseringavdenvaldacellen(cellenurladdasgenomr "# ).$Genomattvälja rättstorlekpår "# kandenönskadebalanseringsströmmenerhållas.bms ets balanseringsströmberäknasenligtföljandeekvation: I "# = "## (ekvation9) "# 19

31 Balanseringavtvåellerflerabattericellersamtidigtökarbalanseringstidenav batteripaketet.övervakningskretsensdatablad [21] beskriverattmetodenärutförbarom derekommenderadeanvisningarnatashänsyntill.enligtdatabladetfårskillnadenav VCnochVCnE1inteöverstiga9V.Förenbättrebildavhurprocessengårtill,förklaras processeniföljandeexempel.figur14visarettbalanseringstestavbatteripaketetscell 4ochCell5närcellernabalanseradessamtidigt. $ Figur$14.$Cellbalansering$av$Cell$4$och$Cell$5$samtidigt.$VC2$mäts$av$kanal$1$och$VC3$av$kanal$2.$ Videxperimentethadesystemetssamtligacellerenspänningpåca3.6V.Då balanseringsfunktionensättsigång,vc3ochvc4parasihopochfårenspänningpåca 14V.SamtidigtsomVC2visarenspänningpåca6.7V(Vrms).SkillnadenmellanVC3 ochvc2ärdå7.3v,vilkenärinomdatabladetsabsolutemaximumratings.detta innebärattcell4ochcell5kanbalanserassamtidigt. Antanuomförpackningenscellerhadevaritfulladdade(ca4.2V)ochCell4ochCell5 balanseradessamtidigt,skullevc3troligenhaca16.9vochvc2ca8.4v.skillnadenav VC3ochVC2hadedåvaritca8.5V,vilkenärnäragränsvärdet9Vmenfortfarande acceptabel. TänknuomävenCell2skullebalanserassamtidigtsomCell4ochCell5.Dåhadeinte experimentetgettettbraresultatochenavvcxeingångarnaförmodligengåttsönder. Anledningentilldetäratt,vidbalanseringavdessatrebattericellersamtidigt,skulle VC3haenspänningpåca16.9VochVC2ca7V,ochdärmedskillnadenavVC3ochVC2 hadeblivitca10vvilkenöverskriderdatabladetsgränsvärdesomär9v. Förattinteutsättaövervakningskretsenförnågonskada,fastställdesattalltidbalansera encellitaget.algoritmensomsystemetanvänderförbalanseringavbattericellerna, jämföralltidskillnadenmellancellenmedhögst,ochcellenmedlägstspänning.då spänningsskillnadenmellancellernaöverstiger10mv,börjarcellenmedhögst spänningsnivåurladdastillsdenhamnarunder10mvgränsen.denhärprocessen kontinuerligochpågårbådeviduppladdningochurladdningavbatteripaketet. 20

32 4.2.6Skyddskrets SystemetsskyddskretsbeståravtvånEkanalochenpEkanalFETEtransistorersomstyrs avövervakningskretsenschgochdsg.sefigur15.genomattanvändaskyddskretsen, kanövervakningssystemetverkställaföljandefunktioner: Överströmsskydd(OvercurrentinDischarge,OCD). Kortslutningsskydd(ShortCircuitinDischarge,SCD). Underladdning(Undervoltage,UV). Överladdning(Overvoltage,OV). Figur$15.$Uppkoppling$av$skyddskretsen.$LOAD?,$används$vid$urladdning$och$PACK?$vid$ uppladdning.$ ÖverladdningsfunktionenOVanvändsviduppladdningavbatteriförpackningen.CHGär alltidhög(ca12v)ochsertillattgatentillnekanalfetetransistornsomäranslutentill PACKEärspänningssatt.Dettainnebärattbatterietkanladdasupp. 21

33 Ettönskadgränsvärdefördenmaximalaspänningsnivånavcellernasmedelvärde programmeras(3.15vtill4.2v).omdetprogrammeradetröskelvärdetöverskridsvid uppladdningsfasen,avaktiveraschg(0v)ochuppladdningenstoppas.pekanalfete transistornsomärkoppladtillchgepinnensertillattnekanaltransistornjordasättsoch utandenuppladdningsprocessenfortsätter.sefigur15.förenbättreförståelseavhur överladdningsfunktionenexekveras,haralgoritmenförfunktionenillustreratsifigur16. Överladdningsfunktionensgränsvärdebestämsenligtföljandeekvation. OV_TRIP_FULL=(OV(gränsvärdet) GAIN)+OFFSET (ekvation10) Figur$16.$Flödesschema$för$algoritmen$av$överladdningsfunktionen.$ UnderladdningsfunktionenUV,följersammaprincipmeddenskillnadenattdetär övervakningskretsensdsgsomstyrfunktionen.ettgränsvärdefördenminimala spänningsnivånavcellernasmedelvärdeprogrammeras(1.58vtill3.1v).vid understigningavdetprogrammeradegränsvärdet,avbrytsurladdningen. TillskillnadifrånCHG,kanDSGutföraytterligareuppgifter.ÖverströmsskyddOCDoch kortslutningsskyddscdärtvåandrafunktionersomstyrsavdsg.omdetuppståren kortslutningisystemetellerombatterietbelastasmeränderekommenderade direktiven,avbrytsurladdningen.nedanståendeekvationanvändsförprogrammering avgränsvärdetförunderladdningsfunktionen. UV_TRIP_FULL=(UV(gränsvärdet) GAIN)+OFFSET (ekvation11) 22

34 4.2.7Identifieringavbatteriet IdentifieringskretsenDS2413 [22] ärenhetensomviasin1ewirebussidentifierar batteriet.icekretsenharettidenummersombestårav64bitarvilkaäruppdeladeitre delar.ett48ebitarsserienummer,ett8ebitarscrcenummer(checksumma)ochettåtta bitarsfamiljekodsomärsammaföralladessaicekretsar.detsomskiljerds2413e enhetenternaåt,ärderasunikaserienummervilketärolikaförvarjeenskildenhet (övervakningssystemetanvänderendast8bitarföridentifiering). VidverifieringavläsesfamiljekodenavICEkretsen.Därefterskadetunikaserienumret verifieras,ochendastomdetärrättserienummer,kanlastenanvända batteriförpackningen.sefigur17. Figur$17.$Algoritmen$för$verifieringsförloppet. 23

35 ICEkretsenDS2413skamonteraspåcykelsidanochkommerikontaktmedBMS etnär batterietsättsielcykelnföranvändning.iövervakningssystemetfinnsdetenswitchi formavenpekanalfetetransistorsomendastleder(batterieturladdas)omutsignalen somfåsutavidentifieringskretsenspiobär0v.sefigur18. Figur$18.$Då$identifieringskretsen$läser$rätt$ID?nummer,$aktiveras$PIOB$lågt$vilket$medför$att$ batteriet$kan$användas.$ 24

36 4.2.8UppkopplingavICEkretsar ÖvervakningssystemetsmikrokontrollerkommunicerarmedBQ76920viafempinnar. DeanalogapinnarnaA4ochA5hosstyrenhetenArduinoUno,kopplastillICEkretsens SDA(Data)respektiveSCL(Klocka).VidarekopplasICEkretsensREGOUTochVSStill styrenhetens3.3vrespektivegnd.slutligenkopplasövervakningskretsensalerttill Arduinonsdigitalapin2.Sefigur19.FörprogrammeringavICEkretsenanvänder mikrokontrollernsittwireebibliotekvilketanvändsförkomponentersom kommunicerarviai C. IdentifieringskretsenDS2413somanvänder1EWirebussenförkommunikation, använderendasttvåpinnarförattfåkontaktmedstyrenheten.kretsensio(input Output)äranslutentillmikrokontrollerns5VochGNDanslutentillGND.Sefigur19. OnewireEbiblioteketanvändsavstyrenhetenförprogrammeringavICEkretsen. Figur$19.$Bilden$visar$uppkopplingen$av$IC?kretsarna$BQ76920$och$DS2413$till$styrenheten.$ $ 4.3Detekteringaventrasigcell Metodensomsystemetanvänderförattinformeraanvändarenomenunderpresterande cell,äratttända3ledelampor.dessaledtändsiformavbinärttalsystemochberoende pådencellensomunderpresterartändslamporna.tabell3förklararhur battericellernasnummervisasavledelamporna.omspänningsskillnadenmellancellen medmaximalspänningochcellenmedminimalspänningärmerellerlikamed1v,tänds enellerenkombinationavtvåledelampor. Tabell$3.$LED?lampornas$färger$som$visar$olika$cellnummer.$ $$ Cellnummer LED(Röd) LED(Grön) LED(Gul) 1 Av Av På 2 Av På Av 3 Av På På 4 På Av Av 5 På Av På 25

37 26 4.4Framtagningavelektrisktschema ProgramvaransomanvändsförtillverkningavprojektetshårdvaraärDesignsparkPCB. Enstorfördelmedprogramvaranärattprogrammetsbibliotekinnehållerdeflesta elektriskakomponenternasomfinnsuteimarknaden.dessutomharkomponenterna, tillskillnadifrånandraprogram,såsomorcadsinagiltigafootprintochdärmedinte behöverskapas.ettfootprintavserdenfysikaliskaavbildenpåenelektriskkomponent somskamonteraspåkretskort. Förattfullbordarealiseringavövervakningssystemet,kommertvåkretskortatt tillverkas.ettavkretskortenanvändsförattbevarabattericellernaochbeståravfem kretskortmonteradebatterihållare.ävenidentifieringskretsenkommerattmonteraspå dettakort.detandrakretskortetmotsvararövervakningssystemet,alltså balanseringskretsen,skyddskretsen,bq76920ochrestenavkomponenternasomingåri systemet.detfullständigakretsschematfinnsibilagaf. EfterattsystemetselektriskakretsarritadesiDesignsparkPCB,genereradesgerberfiler somskickadesdäreftertillföretaget3pcbförtillverkning.pågrundavmängdenav komponentersomingickiövervakningssystemetochförattminskakortstorleken, bestämdesattskapaett2elagerskretskort.däremotförbatterihållarna,ansågsdetatt ettenkelsidigtkortskullevaramerpassande. Någotsomiakttogs,vartjocklekenavkretskortensledningsbanor.Eftersom battericellernakanarbetainomganskahögaströmnivåer(upptill4aidetta examensarbete),valdesbreddenpåledningensomanslutercellerna,ochävenledningar somäranslutnatillpack(uppladdning)ochload(urladdning)till1.3mm.dessutom, vidbeställning,valdeskoppartjocklekentill2oz(70µm)förextrasäkerhet [25].Ibilaga G,finnsdetbilderpåkretskortensPCBElayouter. 4.5Analysavresultat Förattsäkerställaattprojektetsmålsättningarochkravuppnås,harsystemets funktionertestatssuccessivtochpåsåsetthararbetetsutvecklingobserverats. $

38 6Resultat Idettakapitelpresenterasresultatetavdenutveckladebatterimodellen,alltsånya cylindriskabattericellersamtettnyttsystemsomövervakarvarjeenskildcellstillstånd. Dessutomredovisasresultatetavviktigautfördamätningar,förattvalidera övervakningssystemetsprecision. 6.1Hårdvara Defärdigmonteradekretskortenochstyrenhetensomtillsammansbildar övervakningssystemetshårdvarakansesifigur20.ibildenharsystemets nyckelkomponentersåsomövervakningskretsen(bq76920),identifieringskretsen (DS2413)ochmikrokontrollern(ArduinoUno)somprogrammerarochstyrsystemet markerats. Figur$20.$Det$utvecklade$övervakningssystemet$av$5$cylindriska$battericeller.$ 27

39 6.2Kommunikation Figur21visarresultatetavenWritedirektivsomICEkretsenBQ76920harmottagitav styrenhetenarduinouno.sclbussensförstasjubitarrepresenterarkretsensi C adress, ,åttondebitensomären0:a,indikerarattdetärenwritecommand somharmottagitsochniondebitenärenbekräftelse(ack,lågpuls)påattbq76920 harmottagitkommandot.därefterföljeradressen0x01tillcellbal1registret [21]. $ Figur$21.$Avläsning$av$IC?kretsens$SCL$(Klockbuss)$och$SDA$(Databuss)$som$visar$att$ $ kommunikation$har$etablerats.$ Figur22illustrerarresultatetavidentifieringskretsenDS2413 skommunikationmed mikrokontrollernarduinounovia1ewirebussen. Figur$22.$Avläsning$av$identifieringskretsen$1?Wire$buss$som$visar$att$kontakt$mellan$enheterna$ har$upprättats.$ 28

40 6.3Detekteringavenunderpresterandecell Figur23visarhurLEDElampornatändsnärCell3kopplasbortfrånkretskortet.Då battericellentasbort,upptäckersystemetdettaochinformeraranvändarengenomatt tändadengulaochdengrönaledelampornaenligttabell3ikapitel4.4. $ Figur$23.$BMS et,$genom$att$tända$sina$led?lampor,$informerar$användaren$om$att$cell$3$är$trasig$ och$bör$ersättas.$$$ 29

41 6.4Spänningsmätning Tabell4,5och6visarjämförelsenavdenrapporteradecellspänningensomharfåttutav programmetsserialmonitor,samtmätningavbattericellernamedenmultimeter.dessa uppmättavärdenharfåttsavbms etviduppladdning,urladdningochsystemeti viloläge. Tabell$4.$Jämförelse$av$cellernas$spänning$av$systemet$viloläge.$$ $ BQ76920 Cell1[V] Cell2[V] Cell3[V] Cell4[V] Cell5[V] Serial monitor Multimeter Skillnad Skillnadensmedelvärde V Tabell$5.$Jämförelse$av$cellernas$spänning$vid$uppladdning.$ BQ76920 Cell1[V] Cell2[V] Cell3[V] Cell4[V] Cell5[V] Serial monitor Multimeter Skillnad Skillnadensmedelvärde V Tabell$6.$Jämförelse$av$cellernas$spänning$vid$urladdning.$ $ BQ76920 Cell1[V] Cell2[V] Cell3[V] Cell4[V] Cell5[V] Serial monitor Multimeter Skillnad Skillnadensmedelvärde V 30

42 6.5Cellbalansering Ifigur24illustrerasbalanseringavCell2.Närfunktionenstartas,paras övervakningskretsensvcxingångarihopochfårungefärsammaspänning. $ Figur$24.$När$signalerna$från$CH1$och$CH2$är$nära$varandra$balanseras$cellen$under$ca$170$µs,$och$ när$dem$utformas$som$en$rektangel,$mäts$cellspänningen$under$70$µs.$$$ Tabell7ochtabell8visarspänningsmätningavbattericellernaföreochefter balanseringavförpackningen.dessauppmättavärdenharfåttsviduppladdningoch urladdningavcellerna.balanseringsförloppettogungefärtretimmar. Tabell$7.$Balansering$av$battericellerna$vid$uppladdning.$ $ Battericellernasspänningsnivåer[V] Balansering Tid[h] Cell1 Cell2 Cell3 Cell4 Cell5 Före Efter Tabell$8.$Balansering$av$battericellerna$vid$urladdning.$ $ Battericellernasspänningsnivåer[V] Balansering Tid[h] Cell1 Cell2 Cell3 Cell4 Cell5 Före Efter

43 6.6Identifiering Nedanståendetabell9,visarutsignalersomharfåttsavidentifieringskretsensPIOB,då lastenidentifierarbatteripaketet. Tabell$9.$Identifieringskretsens$utsignaler$då$batteriet$identifieras.$ PIOB Utsignal Switch Last Hög 0V På På Låg 3.4V Av Av 6.7Temperaturmätning Mätningavbatteripaketetstemperaturviduppladdningsfasenframgåravfigur25. Experimentetgenomfördesundercatvåtimmarmedenuppladdningsströmpå1.2A. Figur$25.$Den$utvecklade$temperaturen$i$batteriet$under$ca$2$timmar. 32

44 Ändringavsystemetstemperaturvidurladdningavbatteriet(ca12min)kansesifigur 26.Urladdningsströmmenmättestillca2.4A. Figur$26.$Batteriets$temperaturändring$i$tiden$skapat$i$MatLab$(vid$urladdning$av$systemet).$ 6.8Programkoden Avsäkerhetsskälharövervakningssystemetsprogramkodintepresenteratsirapporten. BilagaHvisarenbildsomharfåttsutavArduinoprogrammetsserialmonitorochvisar ettresultatpåprogrammetsavläsningavbms etsviktigastefunktionervidetttillfälle.i bildenobserverasblandannatcellernasspänningsnivåer,systemetstemperatur,cellen medhögstochlägstspänningsnivå,cellbalanseringavenvaldbattericell,laddningsnivå, förpackningenstotalaspänningochgränsernaförov(overvoltage)samtuv (Undervoltage)funktioner. 33

45 6.9LayoutPCB ResultatetavövervakningssystemetsPCBElayoutsesifigur27.Somdetframgårav bildenhartvålinjermarkerats.dessaledningsbanorskullehautformatsbredare eftersomdemanvändsvidurladdningsamtuppladdningavbatteriet. $ Figur$27.$En$bild$över$BMS ets$pcb$i$programmet$designspark$(efter$routning).$i$bilden$har$två$ feldesignade$ledningar$markerats.$ 34

46 35 7Diskussion Övervakningssystemetsomhartagitsframuppfyllerdeflestakraven.Resultatetav batterimodellenillustrerarenbildpåhurettbmskanseutiframtiden.tillskillnad ifråndebefintligabatterisystemensomfinnsidagenselcyklar,erbjuderprojektets färdigbyggdaprototypettövervakningssystemdäranvändarenkonstantuppdaterasom battericellernasspänningsnivåer,förpackningenskapacitetochtemperatur. Någotsomstärkerexamensarbetetsresultatärattslutanvändarenkandetektera batteripaketetsunderpresterandecellerochomdetönskas,själversättadem.entill faktorsomgörattbms etutmärkersigfråndagensprodukterärattdetnya batteripaketetutrustatsmedettuniktidenummervilketgörattbaraelcykelmedrätt identifieringsnummerkananvändabatteriet.iprojektetharidentifieringskretsen monteratspåbattericellernaskretskort,dockbördennakretsinstalleraspåelcykelnom enkomplettproduktskaskapas. VidutformningavövervakningssystemetskretskortiprogrammetDesignsparkPCB, skapadesvissaledningsbanorstörreändemandra(sekapitel4.4).dockmisslyckades routingsprocessen(sekapitel3.7)ochtvåledningarskapadessmalareänbestämt.se figur27. DessaledningsbanorsomansluternEkanalFETEtransistorernaiskyddskretsentill LOADE(Urladdning)ochPACKE(Uppladdning),kansåledesintebelastasmedhöga strömmar.tillenföljdavdettakandentillverkadebatterimodelleninteurladdas,då systemetslastförbrukarenkonstantströmpå2.4a.uppladdningsströmmenkan däremotjusterasvilketmedförattbatterietkanladdasuppmedca500ma. Pågrundavbristenisystemetsdesign,harvissamätningarsomharpresenteratsi kapitelresultat,utförtsvidtestningsfaseninnansystemetshårdvaratillverkades.dock hardessatestergenomförtsmedsammakomponenter(tabell4,5,6,7och8). EttmålsomprojektetinteharuppnåttärkravetangåendeBMS etsdriftstatistik.enligt kravenskaövervakningssystemethakollpådriftstatistiken,alltsåantalladdcyklarsom batterietladdasmedochbelastningshistoriken(varjegångöverlastskyddsfunktionen aktiveras). Detfärdigbyggdabatterietsarbetsspänning(18V)ochkapacitet(3.35Ah)ärnågotsom börförbättrasiframtideneftersomdenuvarandebatteripaketenharennominell spänningochkapacitetsomliggerpå36vrespektive10ah.storlekenavprojektets tillverkadehårdvaraärnågotsomskatashänsyntillochförattkunnaanvändabms eti debefintligabatterilådornabördenskapasienmindrestorlek.

47 8Slutsats Ommantittarpåkravspecifikationen,hardetnyaövervakningssystemetfåttettbra resultatochdeviktigastekravenharuppnåtts.vidbehovharanvändarenmöjligheten atthittaentrasigcellochävenhakollpåbattericellernastillstånd. Genomattförsebatterilådanmedeninstruktionsbok,därdetframgårhursystemet fungerarochhurmanblirinformeradomcellnumret,kanföretagetunderlätta batterianvändningenförsinakunder. Förutomdetnyaövervakningssystemetkanbatterietävenidentifierasinlastochvid stöldgårdetinteattanvändas. Isambandmedexamensarbetetharviutvecklatvårakunskaperinomprogrammering avintegreradekretsarsomanvändsinomindustriellabatteriförpackningarmedhjälpav Arduinoprogrammeringsspråket.Projektethargettmycketkunskapomseriella datakommunikationsbussarsåsom,i Coch1EWirevilkaanvändsfördataöverföring mellanolikaicekretsar,ochviharävenutökatvårakunskaperinomritningoch tillverkningavelektriskakretsargenomattanvändaprogrammetdesignsparkpcb. VidvidareutvecklingavsystemetärdetväsentligtatttahänsyntillkopplingenavnE kanalfetetransistorernaiskyddskretsen(sekapitel4.2.6).enligtdatabladets rekommendationerskadessatransistorerseriekopplas [21],menseriekopplingengöratt komponenternablockerarvarandraochdetvarkengårattladdaellerurladdabatteriet. Förattåtgärdaproblemetskakopplingenuppdelasitvådelar,därenavtransistorerna kopplastillloade(vidurladdning)ochdenandraanslutstillpacke(viduppladdning). UppdelningenkansesikretsschematibilagaF. Förutomskyddskretsenärurladdningavbatterietnågotsomutvecklarnabörtänkapå vidfortsattarbete.förattkunnaurladdabatterietmåsteentermistorkopplasmellan R " ochbattericellernasminuspol.dettaframgårinteavbq76920datablad.skälettill tillämpningenavtermistornärattvidkopplingavbatteriettilllasten,kandetuppstå störningar(spikspänningar)isystemet.skyddskretsenuppfattardådessastörningar somnågontypavkortslutningsomharförekommitissystemetochavbryterdärför urladdningen. Deprimärakravenangåendebatteriförpackningensnominellaarbetsspänningochdess kapacitetkanuppfyllasgenomattanvända30battericeller [20].Parallellkopplingavtre cellerledertillattenkapacitetpåca10ah.uppdelningavdesamtligacellernai10 grupper,därvarjegruppbestårav3ihopsatta(parallellkopplade)battericeller,medför tillenarbetsspänningpå36vochenkapacitetpå10ah.detbehövsävenenstörre övervakningskrets(bq76930ellerbq76940)somkanhanteradessabattericeller. FörattkunnaanvändadetutveckladeBMS etochdesscellerielcyklarsbefintliga batterilådor,måsteprojektetsfärdigbyggdabatterimodelltillverkasienmycketmindre storlek.dettamålkanrealiserasgenomatttillverkaettkretskortmedfrämst ytmonteradekomponenter.ävenbattericellernaskretskortmåstedesignasmer kompaktförattalltingskafåplatsilådan. Förtillverkningavettsjälvständigt(Standalone)övervakningssystemvid vidareutveckling,ärkontrollenhetenbq78350 [30] ärettmycketbättrevalänprojektets styrenhet(arduinouno),eftersomdennakontrollenhetmatasdirektfrån 36

48 37 batteriförpackningenvilkeninteärmöjligmeddennuvarandemikrokontrollern. DessutomärBQ78350ärfärdigprogrammeradochdärmedingafunktionerbehöver implementeras.

49 38 9Referenser [1]DavideAndrea.BatteryManagementSystemsforLargeLithiumEIonBatteryPacks [Page:1 3]. [2] [Accessed:2015E07E30]. [3]DavideAndrea.BatteryManagementSystemsforLargeLithiumEIonBatteryPacks [Page:4 6]. [4] [Accessed:2015E02E02]. [5] html [Accessed:2015E07E30]. [6] [Accessed:2015E06E25]. [7] [Accessed:2015E02E10]. [8] [Accessed:2015E02E01]. [9] [Accessed:2015E02E17]. [10] [Accessed:2015E02E10]. [11] [Accessed:2015E02E10]. [12]DavideAndrea.BatteryManagementSystemsforLargeLithiumEIonBatteryPacks [Page:64 84]. [13] [Accessed:2015E02E29]. [14]DavideAndrea.BatteryManagementSystemsforLargeLithiumEIonBatteryPacks [Page:12 18]. [15]DavideAndrea.BatteryManagementSystemsforLargeLithiumEIonBatteryPacks [Page: ]. [16] [Accessed:2015E06E15]. [17] [Accessed:2015E07E15]. [18] [Accessed:2015E03E17]. [19] [Accessed:2015E03E20]. [20] [Accessed:2015E02E25]. [21] [Accessed:2015E07E28]. [22] [Accessed:2015E05E29]. [23] [Accessed:2015E07E25]. [24] [Accessed:2015E06E15]. [25] [Accessed:2015E06E22]. [26] Summary.pdf [Accessed:2015E07E15].

50 39 [27] foreitsebatteryecells/pagee2 [Accessed:2015E04E23]. [28] [Accessed:2015E03E15] [29] ata6870n_datasheet.pdf [Accessed:2015E03E23] [30] [Accessed:2015E04E01]

51 10Bilagaöversikt Bilagor0 Namn0 Sida0 Bilaga$A$ Kravspecifikation$ 41$ Bilaga$B$ Komponentlista$ 43$ Bilaga$C$ Jämförelse$av$battericeller$ 44$ Bilaga$D$ Batterihållare$ 46$ Bilaga$E$ Billampa$ 47$ Bilaga$F$ Kretsschema$ 48$ Bilaga$G$ Layout$PCB$ 49$ Bilaga$H$ Serial$monitor$ 50$ Bilaga$I$ Programkod$ 51$ 40

52 BilagaA.Kravspecifikation. Kravspecifikationavseendenytypavbatteriför Elcykel Utförande Kravspecifikationenavserettdokumentförattbeskrivadegrundläggandefunktionerna förettbatterianpassatförelcykel.dennakravspecifikationkandiskuteras innehållsmässigtnärdetgällerformuleringavettexamensarbete. Utvecklingenavbatterietplanerasattskeiformavettexamensarbetevilketinnebäratt ingetkonsultansvarkanutkrävas.arbetetskallstyrassåattexamensmålenuppfylls. UtvecklingavbatterietavsesattbliutförtiformavettexamensarbetepåHögskolani Halmstadunderläsåret2013E14. EndrivlinaförenelcykelbestårnormaltavhelaenergiomvandlingsEkedjanfrånbatteri tilldrivkraftpåhjul.dennaspecifikationberörendastdendelavdrivlinansomberör batterietochdentillhörandebmsenheten. Företagetsomutvecklingeniförstahandskallskeförutvecklaregnamodellerav elcyklar.enviktigkomponentärbatteriet.dennakravspecifikationutgårfråndefrån utställaren(heee)definierade.krav/önskemålbörklassasiprioritetochkanmed fördeletappindelas. Kravspecifikationenäruppdelatiendelsombeskriverkravenochendelsomlista önskadefunktionersomkanimplementerasiettframtidautvecklingsskede.kravenoch önskemålenavserendastdendelavdrivlinansomberörbatteriet.batterietbyggsuppi apparatlådafråncykeltillverkaren.batterietförsesmedbmsdär KravpåBatteri Batterietskallarbetapåettsättsomföljerlagarochbestämmelserfören Elcykel. Batterietskallhaenkapacitetpåca10Ah Nominellarbetsspänning36V Batterietskallföljaspecifikationföranslutningsomgällerförvaldelcykel BatterietskallbyggasuppbaseratpåstandardcellerTypD,CellerAAEcellerav lämpligmiljövänligbatteriteknik. Individuellövervakningavvarjecellvidladdningochurladdning. Enskildacellerskallkunnabytasavslutanvändare. Laddningavcellernaskallkunnaskefrånsåvälenseparatladdningsanslutning somfrånmotorsidan(möjliggöraåterföringavbromsenergi) Batterietskallhakommunikationföravstängning,övervakning,statistikoch parametersättning Skyddmotförhögbelastningavbatteri. Företrädesvisanvändsbussteknikförattminimeraantalledningarsomdraspå cykeln. BatterietsBMShållerdriftsstatistikavtypantalladdcykler,belastningshistorik, cellinformationetc, Individnummerpåbatteripaketetförelektronisktstöldskydd(immobiliser) 41

53 42 ÖnskemålpåDrivsteg Vidvalavteknikbörkomponenterväljassåattprislägetvidev.serieproduktion kanhållaslåg.onödigtdyrakomponenterskallalltsåundvikas. Ev.kapslingskallklaraklassIP64. Batterietförsesmedenextracellsomkankopplasindåencelltarslutföre någonannan. DrivstegetskallhatrådlösanslutningtexWiFi,Bluetoothförattöverföraall driftsdatasamthanteraomprogrammeringsamtnedladdningavfunktioner Avgränsning FunktionerutöverdesomlistatsunderÖnskemålutgörengrundspecifikation.Utöver dessafunktionerfinnsenytterligarespecifikationslistaiettseparatdokument. Övrigt ResultatetskallavdokumenterasienlighetmedHögskolansrutinerochbeslut.En funktionsprototypförväntasblikonstruerad.

54 BilagaB.Komponentlista. Komponent Art.nr Antal Pris/St.kr Återförsäljare BQ E BQ DBT Mouser BQ E BQ PW Mouser ZXMP10A13FTA 522E ZXMP10A13FTA Mouser AOB290L 785E1329E1END Digikey DS2413P Electrokit FQP30N06L Electrokit FQP30P Electrokit Kondensator0.1uF Electrokit Kondensator1uF Electrokit Kondensator4,7uF Electrokit Kondensator10uF Electrokit Batterihållare Electrokit BatterihållarePCB Electrokit Resistor20mΩ Electrokit Resistor56Ω Electrokit Resistor100Ω Electrokit Resistor1KΩ Electrokit Resistor1MΩ Electrokit ArduinoUno Kjell&Company Glödlampa indef IcaMaxi NTC10KΩ 954E103ATE Mouser NTC1Ω Electrokit NTC8 Panasonic NCR E3956END 3 6,06 Digikey E Ebay 43

55 BilagaC.Jämförelseavbattericeller. 44

56 45

57 BilagaD.Batterihållare. Användesundertestperioden Kretskortmonterad 46

58 BilagaE.Billampa. 47

59 BilagaF.Kretsschema. 48

60 BilagaG.LayoutPCB. BMS Battericellerna 49