Elektroingenjör 180hp EXAMENSARBETE Intelligent Batteri Mahamud Jamac och Mazdak Kaidzadeh Elektroteknik 15hp Halmstad 2015-09-15
i
ii
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
iv
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.
vi
vii Förord Dettaexamensarbetesomomfattar15hp,harutförtsavtvåelektroingenjörsstudenter undervårterminen2015vidhögskolanihalmstad.underprojektetsgångharvihaft mycketstödfrånvårhandledarehanseerikeldemarkochvivilltackahonomförtrevliga mötenochgodadiskussioner.ettstorttacktillthomaslithensomharhjälptossmed utrustningar,elektriskakomponenterochtillgångtillverkstadenpåf3esektionen. SlutligentackarviDanielPeterssonochföretagetJ&Dförderasstöd. Halmstad2015E08E31... MazdakKaidzadehMahamudJamac
viii
ix Innehåll 1INLEDNING...1 2BAKGRUND...3 3TEORI...4 3.1LITIUMJONBATTERI...4 3.2LADDNINGAVLITIUMJONBATTERICELLER...5 3.3BALANSERING...6 3.3.1$Balansering$vid$uppladdning$...$6 3.3.2$Balansering$vid$urladdning$...$7 3.4BALANSERINGSMETODER...8 3.4.1$Passiv$balansering$...$8 3.4.2$Aktiv$balansering$...$9 3.5BMS(BATTERYMANAGEMENTSYSTEM)...9 3.6SERIELLKOMMUNIKATION...10 3.6.1$I 2 C?Kommunikation$...$10 3.6.2$1?Wire$kommunikation$...$10 3.7PROGRAMVARAFÖRSCHEMARITNING...11 4METOD...12 4.1VALAVKOMPONENTER...12 4.1.1$Battericellen$...$13 4.1.2$Batterihållare$...$14 4.1.3$Övervakningskrets$...$14 4.1.4$Mikrokontrollern$...$14 4.1.5$Identifieringskrets$...$14 4.1.6$Lasten$...$15 4.1.7$Övriga$komponenter$...$15 4.2KONSTRUKTIONAVSYSTEMET...16 4.2.1$Övervakningskrets$...$16 4.2.2$Spänningsmätning$...$16 4.2.3$Temperaturmätning$...$17 4.2.4$Laddningsnivå$...$18 4.2.5$Balansering$...$19 4.2.6$Skyddskrets$...$21 4.2.7$Identifiering$av$batteriet$...$23 4.2.8$Uppkoppling$av$IC?kretsar$...$25 4.3DETEKTERINGAVENTRASIGCELL...25 4.4FRAMTAGNINGAVELEKTRISKTSCHEMA...26 4.5ANALYSAVRESULTAT...26 6RESULTAT...27 6.1HÅRDVARA...27 6.2KOMMUNIKATION...28 6.3DETEKTERINGAVENUNDERPRESTERANDECELL...29 6.4SPÄNNINGSMÄTNING...30 6.5CELLBALANSERING...31 6.6IDENTIFIERING...32 6.7TEMPERATURMÄTNING...32 6.8PROGRAMKODEN...33 6.9LAYOUTPCB...34
7DISKUSSION...35 8SLUTSATS...36 9REFERENSER...38 10BILAGAÖVERSIKT...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
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
2 Batterietsövervakningssystemhållerdriftstatistikavtypantalladdcyklar, belastningshistorik,cellinformationetc. Skyddmotförhögbelastningavbatteri. Identifieringavbatteriet. Detutveckladeövervakningssystemetkommerendastbehandlabatteridelenoch därmedingetarbetekommerutföraspåcykelsidan.
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
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
3.2LaddningavLitiumJonbattericeller UppladdningavLiEIoncellerskeritvåsuccessivafaser [11].Iförstafasenladdas battericellenuppmedenkonstantström,samtidigtsomcellspänningenstigerupptills denharnåttsittmaxvärdeav4.2v.underandrafasenavuppladdningenkommerlieion cellenhållaenkonstantspänningsnivå,samtidigtsomströmmenavtartillsdenharnått treprocentavuppladdningsströmmenochdärmedärbattericellenfulladdad.sefigur2. Figur$2.$Uppladdning$av$en$Li?Ion$battericell [11]. 5
3.3Balansering Obalanseradecellerärettgemensamtproblemhosbatteriförpackningarsombestårav seriekoppladebattericeller.cellbalanseringärenmetodsomökaranvändningstidenav enbatteriförpackningsamtförlängerlivslängdenavcellerna [12].Enbalanserad batteriförpackningärensådandärdesssamtligacellerexaktharsammaladdningsnivå. 3.3.1Balanseringviduppladdning 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
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
3.4Balanseringsmetoder Cellbalanseringkangöraspåtvåsätt,Passiv(dissipativebalancing)elleraktiv (nondissipativebalancing).dessabalanseringsmetoderharsinaföreochnackdelar beroendepåapplikation. 3.4.1Passivbalansering 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
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
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].$$ 3.6.21EWirekommunikation 10
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
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
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
4.1.2Batterihållare Iprojektetanvändstvåtyperavbatterihållare.Denförstavariantensomharanvänts underhelaprojektetvaldesframföralltförtestningssyfte,eftersomdenharmöjlighetatt användaspåbreadboard.andravariantenärkretskortmonteradochanvändsvid slutfasenavprojektet,dåarbetetsprototypskalltillverkas.syftetmedanvändningenav denkretskortmonteradebatterihållarenärattunderlättaersättningavbattericellerna föranvändaren.ibilagadvisasbilderpåbådamodellerna. 4.1.3Övervakningskrets 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. 4.1.4Mikrokontrollern ArduinoUno [23] ärstyrenhetensomviai CEbussenkommunicerarmed övervakningssystemet.detärmedhjälpavdennamikrokontrollersombms etstyrsoch programmeras.styrenheteningåriövervakningssystemetochanvändersitt terminalfönster(serialmonitor)förattprintautgångenavsystemetsprogramkod.påså sättharanvändarenkollpådetsomskerikoden. Mikrokontrollernansågsvaradetlämpligastevalet,dådenharmöjlighetatt kommuniceramedövervakningssystemetssamtligaicekretsarochstödjerbådei Coch 1EWirekommunikation.Enannanfaktorsomgjordeenhetentillettbraval,varprisetav komponentensomvarrelativtlågtochprojektdeltagarnahadeävenjobbatmedenheten vidandratillfällen. 4.1.5Identifieringskrets EfterIdégivarensställdakravpåprojektetangåendeettstöldsäkertsystem,skadet utveckladebatterietkunnaidentifieras.förattuppnådettamålundersöktesspeciellt tvåautentiseringsenhetervilkakundeutförauppgiften.atecc108a [26] frånatmeloch DS2413 [22],enproduktavMaxim. 14
15 TillskillnadifrånATECC108AsomanvändersinI CEbuss(SDAochSCL)för kommunikationmedandraenheter,använderds2413ettendadatatrådsominkluderar bådedatabussochklockbuss.förattundvikakomplikationerochanvändningavfärre komponenter,valdesicekretsends2413föridentifieringssyftet. ProduktenfrånMaximsertillattendastelcykelmedrättverifieringsnummerkan användabatteriförpackningen. 4.1.6Lasten TvåglödlamporH7somanvändsförhelljusbelysningibilar,användssom övervakningssystemetslast(somersättningförelcykeln).glödlampornaklararen arbetsspänningpå12vsamteneffektutvecklingpå55w.bildenpålastenframgårav bilagae. 4.1.7Övrigakomponenter Iövrigtharövervakningssystemetförsettsmedendelresistorer,kondensatorer, transistorerochtermistorersombidrartillettmerstabiltochdriftsäkertsystem.se bilagabfördenfullständigakomponentlistan.
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 kapitel4.2.8. 4.2.2Spänningsmätning BQ76920användereninbyggd14EbitarsADEomvandlareförattavläsa batteriförpackningenscellspänningar.förvarjesammansättningavfemintilliggande celler(vc0tillvc5),sefigur10,näringenavcellernaidenordningenärbalanserade, mätsvarjecellspänningunder50ms,ochenfullständiguppdateringavcellernafinns 16
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] 0x1800 6144 380 39 2374 0x1F10 7952 380 39 3061 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 "#("#$%&'(#"#$#%&'#) = 10000 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 " ) 0.0042)(IC?kretsens$temperatur) (ekvation7) 17
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
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
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
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
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
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
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
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
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. $
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
6.2Kommunikation Figur21visarresultatetavenWritedirektivsomICEkretsenBQ76920harmottagitav styrenhetenarduinouno.sclbussensförstasjubitarrepresenterarkretsensi C adress,0011000,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
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.$$$ 29
6.4Spänningsmätning Tabell4,5och6visarjämförelsenavdenrapporteradecellspänningensomharfåttutav programmetsserialmonitor,samtmätningavbattericellernamedenmultimeter.dessa uppmättavärdenharfåttsavbms etviduppladdning,urladdningochsystemeti viloläge. Tabell$4.$Jämförelse$av$cellernas$spänning$av$systemet$viloläge.$$ $ BQ76920 Cell1[V] Cell2[V] Cell3[V] Cell4[V] Cell5[V] Serial monitor 3.5294 3.8435 3.7812 3.5162 3.6360 Multimeter 3.52 3.80 3.83 3.50 3.70 Skillnad 0.0094 0.0035 0.0488 0.0162 0.0640 Skillnadensmedelvärde 0.0284V Tabell$5.$Jämförelse$av$cellernas$spänning$vid$uppladdning.$ BQ76920 Cell1[V] Cell2[V] Cell3[V] Cell4[V] Cell5[V] Serial monitor 3.9040 4.1085 4.060 3.9346 3.7498 Multimeter 3.98 4.02 4.00 4.00 3.78 Skillnad 0.0760 0.0885 0.0609 0.0654 0.0302 Skillnadensmedelvärde 0.0642V Tabell$6.$Jämförelse$av$cellernas$spänning$vid$urladdning.$ $ BQ76920 Cell1[V] Cell2[V] Cell3[V] Cell4[V] Cell5[V] Serial monitor 3.7498 3.9161 3.7989 3.8416 3.5827 Multimeter 3.86 3.92 3.82 3.80 3.60 Skillnad 0.1102 0.0039 0.0211 0.0416 0.0173 Skillnadensmedelvärde 0.0388V 30
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 3.8069 3.9675 4.0030 4.0352 4.0019 3 Efter 4.0769 4.1093 4.0643 4.1176 4.1161 Tabell$8.$Balansering$av$battericellerna$vid$urladdning.$ $ Battericellernasspänningsnivåer[V] Balansering Tid[h] Cell1 Cell2 Cell3 Cell4 Cell5 Före 3.9455 3.9954 3.8809 3.9003 38081 3 Efter 3.3519 3.4787 3.1408 3.3702 3.2580 31
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
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
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
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.
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
37 batteriförpackningenvilkeninteärmöjligmeddennuvarandemikrokontrollern. DessutomärBQ78350ärfärdigprogrammeradochdärmedingafunktionerbehöver implementeras.
38 9Referenser [1]DavideAndrea.BatteryManagementSystemsforLargeLithiumEIonBatteryPacks.2010. [Page:1 3]. [2]http://www.elcykelguide.se/wiki/FAQ#Vilka_batterityper_har_elcyklar.3F [Accessed:2015E07E30]. [3]DavideAndrea.BatteryManagementSystemsforLargeLithiumEIonBatteryPacks.2010. [Page:4 6]. [4]http://www.almi.se/ [Accessed:2015E02E02]. [5] http://www.hh.se/arstudent/studentstod/lektorstenfahresminnesfond/stipendieprogrammen.4 919.html [Accessed:2015E07E30]. [6]http://www.ocoffcourse.se/sv/elEcyklar/ocEoffEcourse [Accessed:2015E06E25]. [7]http://www.divaEportal.org/smash/get/diva2:348810/fulltext01.pdf [Accessed:2015E02E10]. [8]http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/165712/165712.pdf [Accessed:2015E02E01]. [9]http://pure.ltu.se/portal/files/31104844/LTUEEXE08219ESE.pdf [Accessed:2015E02E17]. [10]http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion [Accessed:2015E02E10]. [11]http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries [Accessed:2015E02E10]. [12]DavideAndrea.BatteryManagementSystemsforLargeLithiumEIonBatteryPacks.2010. [Page:64 84]. [13]http://www.ti.com/lit/an/slyt322/slyt322.pdf [Accessed:2015E02E29]. [14]DavideAndrea.BatteryManagementSystemsforLargeLithiumEIonBatteryPacks.2010. [Page:12 18]. [15]DavideAndrea.BatteryManagementSystemsforLargeLithiumEIonBatteryPacks.2010. [Page:121 152]. [16]https://learn.sparkfun.com/tutorials/serialEcommunication/all [Accessed:2015E06E15]. [17]https://learn.sparkfun.com/tutorials/i2c [Accessed:2015E07E15]. [18]http://openlabtools.eng.cam.ac.uk/Resources/Datalog/RPi_ADS1115/ [Accessed:2015E03E17]. [19]http://karve.in/?p=1408 [Accessed:2015E03E20]. [20]http://shop.battex.cz/pdf/NCR18650BED.pdf [Accessed:2015E02E25]. [21]http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq76940.pdf [Accessed:2015E07E28]. [22]http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS2413.pdf [Accessed:2015E05E29]. [23]https://www.arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno [Accessed:2015E07E25]. [24]http://www.mouser.com/ds/2/362/semitec_atthermistorE371460.pdf [Accessed:2015E06E15]. [25]http://hades.mech.northwestern.edu/images/c/cc/PCBDesignTutorialRevA.pdf [Accessed:2015E06E22]. [26]http://www.atmel.com/Images/AtmelE8895SECryptoAuthEATECC108AEDatasheetE Summary.pdf [Accessed:2015E07E15].
39 [27]http://www.greencarreports.com/news/1086674_willEteslaEaloneEdoubleEglobalEdemandE foreitsebatteryecells/pagee2 [Accessed:2015E04E23]. [28]http://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Maxim%20PDFs/MAX11068.pdf [Accessed:2015E03E15] [29]http://www.atmel.com/images/atmelE9317EliEionEbatteryEmanagementE ata6870n_datasheet.pdf [Accessed:2015E03E23] [30]http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq78350.pdf [Accessed:2015E04E01]
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
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
42 ÖnskemålpåDrivsteg Vidvalavteknikbörkomponenterväljassåattprislägetvidev.serieproduktion kanhållaslåg.onödigtdyrakomponenterskallalltsåundvikas. Ev.kapslingskallklaraklassIP64. Batterietförsesmedenextracellsomkankopplasindåencelltarslutföre någonannan. DrivstegetskallhatrådlösanslutningtexWiFi,Bluetoothförattöverföraall driftsdatasamthanteraomprogrammeringsamtnedladdningavfunktioner Avgränsning FunktionerutöverdesomlistatsunderÖnskemålutgörengrundspecifikation.Utöver dessafunktionerfinnsenytterligarespecifikationslistaiettseparatdokument. Övrigt ResultatetskallavdokumenterasienlighetmedHögskolansrutinerochbeslut.En funktionsprototypförväntasblikonstruerad.
BilagaB.Komponentlista. Komponent Art.nr Antal Pris/St.kr Återförsäljare BQ76930 595E BQ7693001DBT 2 38.21 Mouser BQ76920 595E BQ7692006PW 2 62.63 Mouser ZXMP10A13FTA 522E ZXMP10A13FTA 2 5.72 Mouser AOB290L 785E1329E1END 4 3.25 Digikey DS2413P 4109808 2 23.61 Electrokit FQP30N06L 41010241 10 11.27 Electrokit FQP30P06 40321106 2 10.39 Electrokit Kondensator0.1uF 40520001 6 1.25 Electrokit Kondensator1uF 41013633 12 2.5 Electrokit Kondensator4,7uF 40520607 4 1.53 Electrokit Kondensator10uF 41011563 4 3.8 Electrokit Batterihållare18650 410113183 10 19 Electrokit BatterihållarePCB 18650 410113300 20 9 Electrokit Resistor20mΩ 41000473 3 0.6 Electrokit Resistor56Ω 40810156 12 0.6 Electrokit Resistor100Ω 40810210 12 0.6 Electrokit Resistor1KΩ 40810310 12 0.6 Electrokit Resistor1MΩ 40810582 6 0.6 Electrokit ArduinoUno 87860 1 279 Kjell&Company Glödlampa indef. 2 160 IcaMaxi NTC10KΩ 954E103ATE2 4 21.06 Mouser NTC1Ω 41012764 2 19 Electrokit NTC8 Panasonic NCR18650 490E3956END 3 6,06 Digikey E 8 796 Ebay 43
BilagaC.Jämförelseavbattericeller. 44
45
BilagaD.Batterihållare. Användesundertestperioden Kretskortmonterad 46
BilagaE.Billampa. 47
BilagaF.Kretsschema. 48
BilagaG.LayoutPCB. BMS Battericellerna 49