Проект: улучшенная BMS для LiFePO4 с измерением ёмкости

[nordiver]

Поработав с китайскими BMS понял что хороших на рынке очень мало и к тому же многие из них имеют часто проблемы:
1. Очень часто "драконовские" уставки предельных напряжений (заряд-разряд)
2. Некорректный режим балансировки при котором балансировка (сильно разбалансированной батареи) происходит очень медленно и с постоянным "дёрганием" уже зарядившихся ячеек.
3. Нет мониторинга и возможности ведения лога отдельных ячеек.
4. Нет возможности (есть только у некоторых BMS и то сделанно весьма неудобно) контроля тока, оставшейся ёмкости, оставшегося времени зарядки и разрядки и.т.д

Поэтому возникла идея самостоятельной разработки BMS, к тому же есть возможность использовать готовые наработки из темы "Измерение ёмкости батареи" и можно объеденить эти два проекта.

В кратце суть такова: BMS планируется делать модульного типа (см. схему) т.е модули контроля будут устанавливаться на сами ячейки (размеры модуля примерно 30Х30Х8мм) и через гальваническую развязку по шине USI будут соеденины с модулем управления (который по протоколу 1-Wire будет соединён с модулем индикации и управления установленном на руле).
Как это работает:

1. Модуль контроля состоит из контроллера ATTINY85V который подключен на питание от ячейки (на которой стоит модуль) через делитель на АЦП приходит напряжение питания т.е напряжение на ячейке, к ноге ШИМ тиньки через интегрирующую цепочку базой подключен транзистор который замыкает на себя ячейку и выполняет роль балансировочного резистора (резистор подключенный к эммитеру выполняет роль ограничителя тока и шунта для измерения тока балансировки), и ещё есть опторазвязка для передачи данных на модуль управления.

2. Модуль управления - на нём находиться ещё одна тинька которая выполняет роль мастера, к ней подключена по 1-Wire DS2760 которая измеряет ток батареи (а так как все ячейки у нас последовательно то и ток достаточно измерять для всех их один) и по 1-Wire подключен модуль индикации который находится на руле. DS2760  выполняет также защиту от превышения зарядного и разрядного тока, и короткого замыкания, а тинька отключает батарею от зарядного (по данным микромодулей) при полной разрядке, и от нагрузки при достижении одной из ячеек напряжения полностью разряжено (опять таки по данным микромодулей) И по шине USI подключены модули контроля.

Хочу дополнительно остановиться на принципе балансировки: когда идёт зарядка, тиньки в модулях контроля следят за напряжением, как только напряжение становиться равным 3.65в тинька запускает ШИМ и транзистор открываясь создаёт байпас по которому ток начинает течь в обход ячейки т.е она перестаёт заряжаться, а те ячейки которые не достигли ещё этого напряжения продолжают заряжаться, как только все они достигнут напряжения 3,65в то они оповещают мастер о том что батарея заряжена и сбалансированна и модуль управления отключает батарею от зарядного.

У этого метода в отличии от того который используют китайцы (балансировка на постоянных резисторах) есть одно огромное преимущество - тут балансировка адаптивна (ток балансировки может регулироваться контроллером) т.е можно очень быстро выровнять сильно разбалансированную батарею и к тому же не превышать в процессе балансировки рекомендуемые напряжения.

Итак что может дать использование подобной BMS:

1. Возможность менять по собственному желанию уставки порогов напряжений.
2. Улучшенную методику балансировки
3. Балансировка может по желанию пользователя проводиться на выбор по "полному заряду" или "полному разряду"
4. Возможна калибровка всей батареи с возможностью определения параметров индивидуальных ячеек: ёмкости и внутреннего сопротивления ячейки.
5. Ведение логов всех ячеек по отдельности и всей батареи в целом.
6. Возможность иметь "на руле" полную информацию по батарее, а так же оставшуюся ёмкость в % и Ач, потребляемый ток, потребляемую мощность, напряжение, предполагаемую дистанцию (на которую хватит батареи) при данной скорости И.Т.Д

Очень хочется услышать пожелания и предложения по этой теме.
P.S. Просьба сильно ногами за схему не пинать - она ещё в разработке.  Но конструктивные предложения очень приветствуются.

[FAS_r7]

Идея хорошая, поддерживаю.
Мне кажется избыточной такая дорогая тинька в ячейках. У нас в терре она по 65 руб.  А вот тини13 за 20 руб. думаю в самый раз. В ней и АЦП есть и ШИМ. И памяти не много.  Зачем нам за неё платить.
Не смог понять присутствие трёх оптопар.  Одна "вниз", две "вверх".  Для чего нам двусторонний обмен данными?
Мне кажется модулям достаточно оповестить мастера о трёх состояниях его ячейки: "полна коробочка" и ячейка висит в режиме балансировки, перебор по напруге например из-за мощного зарядника, и ячейка разряжена. В этом случае одной линии "вниз" будет достаточно. Нужно только как-то предусмотреть в софте разруливание возможных коллизий между модулями.
В принципе гальваническая развязка и не обязательна. Обмен инфой (в нашем случае в цифровом виде) можно организовать как это сделано в китайских БМС:  подтягивая через высокоомный рязик p-n-p транзиком линию обмена к плюсу ячейки.

[nordiver]

Мне кажется избыточной такая дорогая тинька в ячейках. У нас в терре она по 65 руб.  А вот тини13 за 20 руб. думаю в самый раз. В ней и АЦП есть и ШИМ. И памяти не много.  Зачем нам за неё платить.

В ATTINY13 нет USI (мы тоже на ней собирались делать  ), 85-я стоит 55р что не намного дороже.

Не смог понять присутствие трёх оптопар.  Одна "вниз", две "вверх".  Для чего нам двусторонний обмен данными?
Мне кажется модулям достаточно оповестить мастера о трёх состояниях его ячейки: "полна коробочка" и ячейка висит в режиме балансировки, перебор по напруге например из-за мощного зарядника, и ячейка разряжена. В этом случае одной линии "вниз" будет достаточно.

Там будет использоваться счетверённая оптопара TLP521-4(GB) стоит она 19р. Насчёт необходимости двухсторонней связи могу сказать что мы со Stranger рассматривали вариант односторонней связи и пришли к выводу о том что наверное она всё таки нужна, без неё не реализуешь несколько функций: перевод модулей контроля (я имею ввиду тиньку) в режим Sleep и обратно при хранении батареи, возможности апгрейда микропрограмм модулей контроля (я просто предполагаю что при такой компановке имеет смысл устанавливать модули контроля внутрь батареи, а из батареи будут идти только 4 провода сигнальных, что согласитесь удобнее чем пучок из 15 проводов балансировки) без необходимости их извлекать из батареи и перешивать по отдельности. Не будет так же возможности принудительной балансировки по "низкому напряжению" что не даст возможности точного измерения ёмкости ячеек, так же не будет возможно реализовать измерение внутреннего сопротивления ячеек. К тому же я думаю что током балансировки должен управлять модуль управления т.к только он видит полную картину по напряжениям на каждой ячейке и может реализовать адаптивную балансировку. Вот на счёт протокола тут стоит сильно подумать, возможно есть какой то готовый протокол который можно реализовать по двум оптронам?

В принципе гальваническая развязка и не обязательна. Обмен инфой (в нашем случае в цифровом виде) можно организовать как это сделано в китайских БМС:  подтягивая через высокоомный рязик p-n-p транзиком линию обмена к плюсу ячейки.

Нарисуйте пож. схемку как Вы это видите.

[stranger]

Мне кажется избыточной такая дорогая тинька в ячейках. У нас в терре она по 65 руб.  А вот тини13 за 20 руб. думаю в самый раз. В ней и АЦП есть и ШИМ. И памяти не много.  Зачем нам за неё платить.

В ATTINY13 нет USI (мы тоже на ней собирались делать  ), 85-я стоит 55р что не намного дороже.

Attiny 261V в соике в терраэлектронике 47 руб в розницу.
http://www.terraelectronica.ru/catalog.php?ID=769&Search=1&Text=attiny261&Gde=2&PageS=1

[FAS_r7]

Ну, если хочется программировать модули прямо в акках, тогда да три провода обязательно нужны.
Такая мега BMS получается 
Ещё вижу проблемкой сделать ток балансировки ячеек более 0,2..0,5А если модули будут в акке, т.к. нагрев балластного элемента (транзика) будет не маленьким, от 0.7Вт.  Хотя даже 200мА лучше чем 30мА китайской BMS.

....
Нарисуйте пож. схемку как Вы это видите.

Вот примерно так сделано в BMS.   На небольших скоростях обмена данными такая схема будет работоспособна.

[nordiver]

Ну, если хочется программировать модули прямо в акках, тогда да три провода обязательно нужны.
Такая мега BMS получается 
Ещё вижу проблемкой сделать ток балансировки ячеек более 0,2..0,5А если модули будут в акке, т.к. нагрев балластного элемента (транзика) будет не маленьким, от 0.7Вт.  Хотя даже 200мА лучше чем 30мА китайской BMS.

....
Нарисуйте пож. схемку как Вы это видите.

Вот примерно так сделано в BMS.   На небольших скоростях обмена данными такая схема будет работоспособна.

Схема весьма интересная. Только она приспособлена для сигнализации, как по ней передавать данные чтобы не нарваться на коллизии между тиньками я не представляю.

Ещё вижу проблемкой сделать ток балансировки ячеек более 0,2..0,5А если модули будут в акке, т.к. нагрев балластного элемента (транзика) будет не маленьким, от 0.7Вт.  Хотя даже 200мА лучше чем 30мА китайской BMS.

Достаточно долго наблюдая процесс зарядки и балансировки в китайских BMS я подумал что наверное можно использовать адаптивный метод балансировки (это я его так называю, конечно я наверняка не являюсь тем кто первым придумал этот метод, но пока я не видел BMS с таким способом балансировки), в чём он заключается:
Для примера мы имеем разряженную батарею с одной ячейкой (для удобства объяснения) у которой дисбаланс например -500мА.

Как в этом случае поступает китайская BMS - она заряжает все ячейки (кроме проваленной, на которой напряжение будет существенно ниже) до напряжения 3.9в и отключает батарею от зарядного, через резисторы током 30мА все эти ячейки разряжаются до напряжения 3.8в, после чего зарядное опять подключается и все ячейки (включая проваленную) подзаряжаются. Процесс повторяется до тех пор пока проваленная ячейка не превысит напряжение балансировки т.е 3.5в после этого в принципе батарею можно отключить, но на этом процесс балансировки не закончиться - необходимо ещё время для того чтобы все остальные ячейки разрядились через балансировочные резисторы до напряжения 3.5в. Т.е в китайских BMS цикл состоит из следующих прцессов:  зарядка + балансировка.

Я предлагаю такой способ: начинается зарядка, уже в этот момент Модуль упраления через Модули контроля видит что одна ячейка имеет напряжение ниже чем остальные и даёт команду Модулям контроля ячеек у которых напряжение выше чем у проваленной ячейки включить балансировщики таким образом чтобы проваленная ячейка начала догонять в процессе зарядки остальные ячейки, если время зарядки (и уровень дисбаланса) позволит то к моменту когда нормальные ячейки достигнут напряжения "полностью заряжено" проваленная ячейка догонит их, если дисбаланс ещё останется то балансировщики нормальных ячеек по команде Модуля управления увеличат ток балансировки чтобы удержать напряжение "полностью заряжено" и дать возможность проваленной ячейке зарядиться полностью, после чего Модуль управления отключит батарею от зарядного. Т.е при таком способе невысокий дисбаланс будет устраняться уже в процессе зарядки большие токи балансировки не понадобятся. К тому же балансировка начнётся тогда когда напряжение на ячейках будет минимальным, а стало быть и мощность выделяющаяся на балансировочных транзисторах при равных токах будет меньше. 

[LICC]

Я предлагаю такой способ: начинается зарядка, уже в этот момент Модуль упраления через Модули контроля видит что одна ячейка имеет напряжение ниже чем остальные и даёт команду Модулям контроля ячеек у которых напряжение выше чем у проваленной ячейки включить балансировщики таким образом чтобы проваленная ячейка начала догонять в процессе зарядки остальные ячейки, если время зарядки (и уровень дисбаланса) позволит то к моменту когда нормальные ячейки достигнут напряжения "полностью заряжено" проваленная ячейка догонит их, если дисбаланс ещё останется то балансировщики нормальных ячеек по команде Модуля управления увеличат ток балансировки чтобы удержать напряжение "полностью заряжено" и дать возможность проваленной ячейке зарядиться полностью, после чего Модуль управления отключит батарею от зарядного. Т.е при таком способе невысокий дисбаланс будет устраняться уже в процессе зарядки большие токи балансировки не понадобятся. К тому же балансировка начнётся тогда когда напряжение на ячейках будет минимальным, а стало быть и мощность выделяющаяся на балансировочных транзисторах при равных токах будет меньше. 

По моим наблюдениям, даже при разбросе в ячейках , в течении всей зарядки напряжение ячеек одинаковое, или отличается максимум на 1-2 сотки, только в конце заряда начинает проявляться разброс напряжений.

[nordiver]

Я предлагаю такой способ: начинается зарядка, уже в этот момент Модуль упраления через Модули контроля видит что одна ячейка имеет напряжение ниже чем остальные и даёт команду Модулям контроля ячеек у которых напряжение выше чем у проваленной ячейки включить балансировщики таким образом чтобы проваленная ячейка начала догонять в процессе зарядки остальные ячейки, если время зарядки (и уровень дисбаланса) позволит то к моменту когда нормальные ячейки достигнут напряжения "полностью заряжено" проваленная ячейка догонит их, если дисбаланс ещё останется то балансировщики нормальных ячеек по команде Модуля управления увеличат ток балансировки чтобы удержать напряжение "полностью заряжено" и дать возможность проваленной ячейке зарядиться полностью, после чего Модуль управления отключит батарею от зарядного. Т.е при таком способе невысокий дисбаланс будет устраняться уже в процессе зарядки большие токи балансировки не понадобятся. К тому же балансировка начнётся тогда когда напряжение на ячейках будет минимальным, а стало быть и мощность выделяющаяся на балансировочных транзисторах при равных токах будет меньше. 

По моим наблюдениям, даже при разбросе в ячейках , в течении всей зарядки напряжение ячеек одинаковое, или отличается максимум на 1-2 сотки, только в конце заряда начинает проявляться разброс напряжений.

Да, во второй трети цикла зарядки расхождения очень малы, но в первой и последней трети они нарастают, что и даёт возможность делать балансировку не только по полному заряду но и по полному разряду. Если Вы измеряли напряжение на ячейках полностью разряженной батарее то видели что ячейки приходят к концу разряда с разными напряжениями.

[zap]

Вообще жирновато по тиньке на каждую ячейку, да ещё из дорогих. Ячеек-то дофига будет (14 штук на 48В батарею). Тыща рублей только на тиньки. Можно ещё на atmega48 посмотреть, я недавно по 40 брал. Ну или tiny2313. Но лучше самую-самую attiny12, а протокол 1-wire прекрасно генерируется программно.

Ещё как-то жирновато кажется аж по два 1000мкФ-ника на ячейку. Я вообще не очень понял их смысл - самой тиньке на питание хватит и одного микрофарада, а параллельно нагрузке для разрядки вообще не понял зачем он.

Залитую в ячейку энергию по такой схеме тоже не посчитаешь. Поэтому я не вижу смысла класть микроконтроллер в каждую ячейку. Достаточно две оптопары на каждую ячейку: с одной снимать напряжение ячейки (оптопарой ведь можно передавать и аналоговый сигнал, не только цифровой), второй оптопарой управлять ШИМом. При такой схеме достаточно одного большого микроконтроллера на всю батарею плюс аналоговый переключатель 74HC4067 на 16 каналов (для съёма напряжения с одной из 16 ячеек). ШИМ для снижения тока заряда отдельных ячеек генерировать программно (контроллер лучше в TQFP32).

Я тоже думал над BMS, хотел делать схему при которой перезаряженные ячейки вообще исключаются из цепочки (на релюшках либо на полевиках), но в итоге понял, что не судьба - сопротивление релюшек низкое (десятки миллиом) но всё-таки ненулевое, при больших токах батареи это всё равно даёт очень существенные потери (релюшки-то там будут всегда - в том числе во время езды). С полевиками та же история.

Насчёт биполярного транзистора - какой-нибудь 2N4401 держит 500 миллиампер и рассеивает 650mW, при этом токе на нём падение 0.75В, всё остальное уйдёт в резистор. Если хочется бОльшие токи, можно взять советские КТ815, их дофига затарено на складах и стоят копейки, и корпус годится для радиатора.

Уточню почему я всё время говорю про 'дорого' и 'дёшево' - если хочется схемы с высокой повторяемостью, надо использовать как можно меньше деталей и и как можно дешевле. Иначе схема будет собрана в одном-двух экземплярах у автора и всё, почти все усилия на её разработку пойдут коту под хвост. Именно из этих соображений мне очень не нравится тинька в каждой ячейке (а их ещё и программировать надо будет каждую, а не дай бог прошивку надо будет поменять).

[nordiver]

Вообще жирновато по тиньке на каждую ячейку, да ещё из дорогих. Ячеек-то дофига будет (14 штук на 48В батарею). Тыща рублей только на тиньки. Можно ещё на atmega48 посмотреть, я недавно по 40 брал. Ну или tiny2313. Но лучше самую-самую attiny12, а протокол 1-wire прекрасно генерируется программно.

Очень хочется посмотреть на простой вариант оптической развязки по 1-Wire.

Ещё как-то жирновато кажется аж по два 1000мкФ-ника на ячейку. Я вообще не очень понял их смысл - самой тиньке на питание хватит и одного микрофарада, а параллельно нагрузке для разрядки вообще не понял зачем он.

Согласен, в окончательной схеме их вообще не будет (в этой схеме они по причине того что предпологался другой механизм балансировки)

Залитую в ячейку энергию по такой схеме тоже не посчитаешь.

Залитую нет, а ёмкость да.

Поэтому я не вижу смысла класть микроконтроллер в каждую ячейку. Достаточно две оптопары на каждую ячейку: с одной снимать напряжение ячейки (оптопарой ведь можно передавать и аналоговый сигнал, не только цифровой), второй оптопарой управлять ШИМом. При такой схеме достаточно одного большого микроконтроллера на всю батарею плюс аналоговый переключатель 74HC4067 на 16 каналов (для съёма напряжения с одной из 16 ячеек). ШИМ для снижения тока заряда отдельных ячеек генерировать программно (контроллер лучше в TQFP32).

Ну если Вы так считаете то заодно посмотрите сколько стоит высоколинейная оптопара, а измерять напомню придётся сотые доли вольта, думаю что цена тиньки Вам покажется уже не такой дорогой.

Уточню почему я всё время говорю про 'дорого' и 'дёшево' - если хочется схемы с высокой повторяемостью, надо использовать как можно меньше деталей и и как можно дешевле. Иначе схема будет собрана в одном-двух экземплярах у автора и всё, почти все усилия на её разработку пойдут коту под хвост. Именно из этих соображений мне очень не нравится тинька в каждой ячейке (а их ещё и программировать надо будет каждую, а не дай бог прошивку надо будет поменять).

Скажу так, что дешёвая, что дорогая схема может быть собрана еденицами людей на этом сайте, просто потому что многие не имеют необходимого опыта и (или) оборудования, а многие и просто желания. На этом сайте полно интересных схем которые были повторены только в еденичных экземплярах. Поэтому единственная возможность увидеть какую то разработку в массовом масштабе - это коммерциализировать проект, мы со Stranger и не ставим задачей продвижения данной разработки в массы, мы делаем BMS прежде всего для себя и для тех кто захочет повторить её.

[i]

...
Очень хочется посмотреть на простой вариант оптической развязки по 1-Wire.
...

Попробуйте схему из этого поста. Я её так ещё и не собрал и не проверил "в живую". Может у вас получится....
Там есть схема оптической развязки по 1-Wire. Не знаю как насчёт простоты, но проще у меня не получилось. 
Эта часть тоже ещё ни разу не собиралась, но мне кажется, что я сумел решить задачу приема-передачи без самоблокировки узла (хотя конечно, только практическое воплощение расставит все точки над i).

[nordiver]

...
Очень хочется посмотреть на простой вариант оптической развязки по 1-Wire.
...

Попробуйте схему из этого поста. Я её так ещё и не собрал и не проверил "в живую". Может у вас получится....
Там есть схема оптической развязки по 1-Wire. Не знаю как насчёт простоты, но проще у меня не получилось. 
Эта часть тоже ещё ни разу не собиралась, но мне кажется, что я сумел решить задачу приема-передачи без самоблокировки узла (хотя конечно, только практическое воплощение расставит все точки над i).

Попробовал - не работает. Есть работающая схема http://www.atrox.at/1wire/opto/index.html , я имел ввиду под простой схемой ту которая будет проще чем 3 оптрона (причём в одном корпусе) и 6 резисторов (я имею ввиду USI в моей схеме)

[i]

Попробовал - не работает. ..

Жаль.    (Хотя мне было бы очень интересно узнать, что именно не работает.)
USI требует наличие только одного мастера, слейв сможет работать только по опросу, ему нельзя будет инициализировать обмен для передачи срочного сообщения, а 1W может делать автоарбитраж (я это подглядел в CAN) и подгонку скорости.

[nordiver]

Попробовал - не работает. ..

Жаль.    (Хотя мне было бы очень интересно узнать, что именно не работает.)
USI требует наличие только одного мастера, слейв сможет работать только по опросу, ему нельзя будет инициализировать обмен для передачи срочного сообщения, а 1W может делать автоарбитраж (я это подглядел в CAN) и подгонку скорости.

А, прошу прощение схема работает  резистор не туда поставил. Схема классная  надо сильно подумать, возможно и будем её использовать

[i]

Рад. 
Кстати о простоте. 3 оптрона и 6 резюков =9 деталей. В схеме на сайте - 11 деталей, в моей - 9. Если оптроны брать совмещенные (в одном корпусе), то Ваша - 7, с сайта 10, моя - 8. (Но лучше всё-таки наверное брать отдельные оптроны, тогда электрическая прочность между сторонами будет больше.)

[zap]

Залитую в ячейку энергию по такой схеме тоже не посчитаешь.

Залитую нет, а ёмкость да.

Отслеживать напряжение на каждой ячейке и общий ток всей батареи?

Ну если Вы так считаете то заодно посмотрите сколько стоит высоколинейная оптопара, а измерять напомню придётся сотые доли вольта, думаю что цена тиньки Вам покажется уже не такой дорогой.

А там не нужна высоколинейная оптопара, на что Вам микроконтроллер даден? Он может линеаризировать любую кривулину, там хватит, думаю, калибровки в 5-6 точках а дальше интерполировать по сплайну Кэтмулл-Рома. Сотые доли вольта вполне должен осилить, там не настолько уж и кривая характеристика.

[Павел]

А там не нужна высоколинейная оптопара, на что Вам микроконтроллер даден? Он может линеаризировать любую кривулину, там хватит, думаю, калибровки в 5-6 точках а дальше интерполировать по сплайну Кэтмулл-Рома. Сотые доли вольта вполне должен осилить, там не настолько уж и кривая характеристика.

А тот же температурный дрейф свяких коэффициентов?

Идея по поводу опторазвязки: что если к общей инф. шине подключать контроллеры через кондёры а не оптопары? У ячеек минусы быстро ведь не плавают .

[nordiver]

Рад. 
Кстати о простоте. 3 оптрона и 6 резюков =9 деталей. В схеме на сайте - 11 деталей, в моей - 9. Если оптроны брать совмещенные (в одном корпусе), то Ваша - 7, с сайта 10, моя - 8. (Но лучше всё-таки наверное брать отдельные оптроны, тогда электрическая прочность между сторонами будет больше.)

TLP521-4 по данным даташита Isolation voltage: 2500 Vrms (min)