Sistem de management baterii cu module masterslave [610368]

Universitatea “Politehnică” din București
Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației
Sistem de management baterii cu module master/slave
Proiect de diplomă
prezentat ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Inginer în domeniul
Inginerie Electronică, Telecomunicații și Tehnologii Informaționale
programul de studii de licență Microelectronică, Optoelectronică și
Nanotehnologii
Conducător științific: Absolvent: [anonimizat]. Lucian -A ndrei PERIȘOARĂ Vlad- Emanuel COLCERU
2019

Cuprins
Lista figurilor…………………………………………………………………………………………..9
Lista tabelelor…………………………………………………………………………………………9 Lista acronimelor………………………………………………………………………………………10 Introducere…………………………………………………………………………………………….11
Cap.1 Sisteme de management al bateriilor …………………………………………………………………………… 13
1.1 Generalități …………………………………………………………………………………………………………………… 13
1.2 Implementări BMS ………………………………………………………………………………………………………… 14
1.2.1 M aster – slave ………………………………………………………………………………………………………… 14
1.2.2 Configurație inlănțuită ……………………………………………………………………………………………… 14
1.6 Si
steme BMS existente pe piață ………………………………………………………………………………………. 15
Cap.2 I mplementarea hardware a sistemului Master-Slave ……………………………………………………. 17
2.1 S
chema bloc a montajului ………………………………………………………………………………………………. 17
2.2 Celula LiFePO4 …………………………………………………………………………………………………………….. 18
2.3 Modulul de comunica ție CAN ………………………………………………………………………………………… 20
2.4 Modulul MASTER ………………………………………………………………………………………………………… 20
2.4.1 Schema bloc ………………………………………………………………………………………………………….. 20
2.4.2 Placa de dezvoltare Arduino Nano …………………………………………………………………………….. 21
2.4.3 Stabilizatorul de tensiune ………………………………………………………………………………………… 21
2.4.4 Realizarea circuitului ……………………………………………………………………………………………… 22
2.5 Modulul SLAVE …………………………………………………………………………………………………………… 23
2.5.1 Schema bloc ………………………………………………………………………………………………………….. 23
2.5.2 Placa de dezvoltare Arduino Pro Mini ………………………………………………………………………… 24
2.5.3 Convertorul DC- DC ………………………………………………………………………………………………… 25
2.5.4 Circuitul de balansare ………………………………………………………………………………………………. 26
2.5.5 Ci
rcuitul de măsurare temperatură ……………………………………………………………………………. 27
2.5.6 Realizarea circuitului imprimat ……………………………………………………………………………….. 28
Cap.3 Im plementarea software a sistemului Master-Slave ………………………………………………….. …..33
3.1 M
odulul Master …………………………………………………………………………………………………………….. 33
3.1.1 Diagrama functională a programului ……………………………………………………………………… …..33
3.2 M
odulul Slave ………………………………………………………………………………………………………………. 33
3.2.1 Diagrama functională a programului …………………………………………………………………………. 33
3.2.2 Codul modulului Slave …………………………………………………………………………………………….. 33
3.3 A plicație PC …………………………………………………………………………………………………………………. 33
3.3.1 I nterfața aplicației ………………………………………………………………………………………………… ….33
3.3.2 C odul
sursă …………………………………………………………………………………………………………….. 33
Rezultate și concluzii………………………………………………………………………………..……35

Bibliografie ………………………………………………………………………………………………………………………….. 37

L
ista figurilor
F
ig. 1.1 Funcțiile unui BMS de autovehicul ……………………………………. Error! Bookmark not defined.
Fig. 1.2 Comparație configurație Master -Slave și BMS de tip înlănțuită ……………………………………….. 16
Fig. 1.3 OrionBMS Jr …………………………………………………………………………………………………………….. 17
Fig. 1.4 Schema bloc a montajului …………………………………………………………………………………………… 17
Fig. 2.2 Bateria Pb acid vs bacteria LiFePO4 …………………………………… Error! Bookmark not defined.
Fig. 2.4.1 Schema bloc a modulului MASTER ………………………………… Error! Bookmark not defined.
Fig. 2.4.2 Configurația pinilor pentru Arduino Nano ………………………… Error! Bookmark not defined.
Fig. 2.4.3 Stabilizatorul de tensiune L7805CV ………………………………… Error! Bookmark not defined.
Fig. 2.5.1 Schema bloc a modulului Slave ……………………………………….. Error! Bookmark not defined.
Fig. 2.5.2 Configurația pinilor pentru Arduino Pro Mini…………………… Error! Bookma rk not defined.
Fig. 2.5.3 Convertorul DC- DC U1V10F5 ……………………………………….. Error! Bookmark not defined.
Fig. 2.5.4 Schema circuitului de balansare ………………………………………. Error! Bookmark not defined.
Fig. 2.5.5 Testarea circuitului de balansare ……………………………………… Error! Bookmark not defined.
Fig. 2.5.6 Senzorul de temperatura DS18B20 …………………………………. Error! Bookmark not defined.
Fig. 2.5.7 Schema circuitului de monitorizare a temperaturii ……………………………………………………….. 19
Fig. 2.5.8 Layout modul Slave 1 și modul Slave 2 ……………………………. Error! Bookmark not defined.
Fig. 2.5.9 Cablaj printat pe folia cu trans fer termic …………………………………………………………………….. 21
Fig. 2.5.10 Cablaj transferat pe placa de cupru simplu- strat …………………………………………………………. 21
Fig. 2.5.11 Etapa de corodare a cuprului de pe cablaj …………………………………………………………………. 21
Fig. 2.5.12 Cablaje module Slave 1 și Slave 2 curățate și găurite ………………………………………………… 21
Fig. 2.5.13 Modulele Slave 1 (sus) și Slave 2 (jos) …………………………… Error! Bookmark not defined.
Fig. 3.1.1 Organigrama programului pentru modulul Master ……………… Error! Bookmark not defined.
Li
sta tabelelor
Tabelul 2.1. Specificații celule LiFePO4 …………………………………………………………………………………… 21

Lista acronimelor
B
MS=Battery Management System
DC=Direct Current
I/O=Input/Output
PCB=Printed Circuit Board
USB=Universal Serial Bus
CAN=Controller Area Network
Pb=Plumb SOC=State of Charge
SOH=State of Health
SPI=Serial Peripheral Interface

Introducere
I
n ultimii ani s -a dezvoltat foarte mult tehnologia acumulatorilor, in special cei cu Li -ion, dar
totodată apar și noi tehnologii de fabricație cu diferite chimii, realizate pentru aplicații variate. Acest
lucru se observa prin simplul fapt că apar din ce in ce mai multe vehicule electrice in jurul nostru, iar cererea de baterii rein cărcabile a crescut exponențial.
U
n sistem de management al bateriei este necesar pentru fiecare vehicul/ dispozitiv ce conține
acumulatori. Acesta este foarte important pentru păstrarea sănătății unui pachet de baterii pentru cat mai mult timp și pentru a-i menține parametrii intre limitele impuse de producător.
P
roiectul are ca scop realizarea unui astfel de sistem de management al bateriilor format din câte
un modul pentru fiecare celulă in parte (Modul Slave) și un modul Master . Modulele Slave au rolul de
a minitoriza parametrii celulelor (tensiune și temperatură) și de a le echilibra. Aceste informații vor fi transmise modulului Master print magistrala de comunicație diferențială CAN, comună pentru toate modulele, iar acesta va decide care celule vor fi balansate și va trimite comenzile către modulele Slave.
D
e asemenea, modulul Master va transmite toate informațiile, in timp real, către un PC prin USB ,
unde se vor putea vizualiza și monitoriza parametrii celulelor . In funcție de acești parametri se pot afla
diverse informații despre pachetul de baterii, cum ar fi: starea de incărcare (SOC), starea de sănătate (SOH), capacitatea.

Cap.1 Sisteme de management al bateriilor
1.1 Generalități
S
istemul de management al bateriei este creierul din spatele acumulatorilor . Printre altele, cele
mai importante funcții ale unui BMS sunt gestionarea încărcării, descărcării, realizarea echilibrării
celulelor și comandarea unor sisteme externe cum ar fi sisteme de siguranță, de climatizare sau de
comunic ație. De asemenea, oferă garanții critice pentru a proteja bateriile împotriva avariilor.
U
n bun exemplu de gestionare a energiei este contorul de putere al bateriei laptopului. Majoritatea
laptopurilor de azi nu numa i că îți pot spune starea de incărcare a bateriei, dar și care este rata de consum
și cât timp mai ai pentru a utiliza dispozitivul înainte de a fi reînc ărcat. Deci, în termeni practici ,
gestionarea energiei este foarte importantă în dispozitivele electronice portabile.
C
ele mai simple si steme de management al bateriei au doar rolul de m ăsura tensiunea totală a
pachetului de acumulatori și de a opri incărcarea sau descărcarea in momentul in care s -au atins limitele
impise de producătorul de baterii.
S
istemele complexe, care sunt utilizate pe un autovehicul electric, de exemplu, prezintă mult mai
multe funcții, cum ar fi:
– M
enținerea celulelor în parametrii optimi de funcționare;
– Furnizarea de informații privind starea de încărcare (SOC) a bateriei ;
– Furnizarea de informații privind starea de încărcare (SOH ) a bateriei ;
– Echilibrarea celulelor in cazul unor eventuale debalansări;
– Izolarea bateriei in caz de urgență;
F
ig.1.1 Funcțiile unui BMS de autovehicul
Sursa: [3]

1.2 Implementări BMS
În practică există multe modalități de implementar e a unui sistem ului de gestionare a bateriilor.
Mai jos sunt prezentate cele mai uzuale tipuri.
1.2.1
Master – slave
A
ceastă metodă organizează celulele în blocuri sa u module, cu un singur dispozitiv slave care
gestioneaă fiecare modul.Fiecare celulă are un senzor de temperatură și conexiuni pentru a măsura
tensiunea, toate fiind conectate la echipamentul ce monitorizează starea celulei și implementează echilibrarea celulară.Mai multe stații slave pot fi conectate la master, care monitorizează curentul și îl integrează în timp pentru a calcula consumul de curent.Folosind datele de tensiune și de temperatură de la echipamentele de tip slave, va calcula nivelul de încărcare.Masterul controlează contactorul principal de izolare a bateriei care declanșează protecția bateriei ca răspuns la datele de la senzorul de curent principal sau la datele de tensiune și temperatură de la senzori.Tot modului msater se ocupă și de comunic ația cu celelalte echipamente.
Această configurație are avantajul că nu are nevoie de plăci cu circuite imprimate conectate la
celule individuale, iar bateriile de înaltă tensiune pot fi adaptate prin adăugarea mai multor module.
1.2.2 C
onfigurație inlănț uită
T
opologia înlănțuită utilizează o mică placă de circuite imprimate slave simplu conectată la fiecare celulă
pentru a adapta senzorii de tensiune și temperatură cu un convertor de la analog la digital, precum și un comutator de by -pass de curent pentru a permite echilibrarea celulei prin manevrarea încărcăturii și o
comunicație cu izolație capacitivă încorporată pentru recepționarea și transmiterea datelor în formă digitală. Sclavul își ia puterea din celula pe ca re o monitorizează și o singură magistrală de date cu trei
fire RS 485 conectează nodurile de la toți sclavii la maestru, care efectuează sondaje pe fiecare nod la rândul său și solicită o actualizare a condițiilor celulare.
Echipamentele de tip slave nu efectuează nici o prelucrare a semnalelor, în afară de conversia
A/ D, deoarece toate acestea sunt efectuate de către master, împreună cu toate funcțiile de monitori zare,
protecție și comunicații.Principalele avantaje ale acestei topologii sunt designul și construcția mai simplă, precum și potențialul său pentru o mai mare fiabilitate într -un mediu auto.
F
ig.1.2 Comparație configurație Master -Slave și BMS de tip înlănțuită Sursa: [22]

1.
3 Sisteme BMS existente pe piață
O
rionBMS Jr
S
istemul O rionJr este un sistem cu c onfigurație înlănțuită ce prezintă următoarele caracteristici :
– Se p
oate conecta la maxim 16 celule înseriate;
– Poate fi utilizat împreună cu pachete de baterii de maxim 48V nominal (60V maxim) ;
– Protecție la supraîncăr care;
– Protecț ie la s upradescărcar e;
– Protecț ie la s upratemperatură ;
– Monitorizare stare de incărcare (SOC);
– Monitorizare stare de s ănătate(SOH);
– Balansare inteligentă a celulelor (pasivă);
– Comunicaț ie CAN ;
– Calculul limitel de curent in timpul descărcării (DCL);
– Calculul limitel de curent in timpul încărcării (CCL);
F
ig.1.3 OrionBMS Jr
Sursa: [4]

Cap2 . Implementarea hardware a sistemului
Master -Slave
2.1 Schema bloc a montajului
F
ig. 2.1 Schema bloc a montajului
Mon
tajul este format din:
– două celule LiFePO4 ;
– BMS – un modul master și două module slave (câte unul pentru fiecare celulă);
– sursă de alimentare pentru modulul master;
– PC;

Modulele slave masoar ă tensiunea și temperatura de pe fiecare celulă și o transmit modulului
mast er. In funcție de valorile primite acesta trimite, dacă este cazul, comanda de a incepe balansarea catre
modulele slave. Totodată, modulul master trimite toate aceste informații către aplicația de pe PC.
Comunicația dintre modulul master si modulele slave se realizează prin magistrala diferențială
CAN, iar cea dintre modulul master și PC prin USB.

2.2 Celula LiFePO 4
Bateria LiFePO
4 sau LFP(ferofosforat de litiu), este un tip de baterie reîncărcabilă, care utilizează
LiFePO 4 ca material pentru catod și un electrod de carbon grafit cu colector de current ca anod.Toxicitate
scăzută, performanțe bine definite, stabilitate pe termen lung sunt câteva dintre avantajele acestor celule.
LiFePO 4 utilizează o chimie derivată din litiu -ion și împărtășește multe avantaje și dezavantaje
ale acestora.C u toate acestea , există diferențe semnificative.LFP oferă durată de viață mai lungă decat
bateriile litiu -ion.Fosfatul de litiu este mai tolerant la condițiile de încărcare maximă și este mai puțin
stresat decât sistemele bazate pe Li -ion atunci când este menținut la tensiuni ridicate pe o perioadă
îndelungată.Tensiunea nominală a bateriei LiFePO 4(3.2V) este mai mică decât cea a celulei Li –
ion(3.2V).Ca la toate celulele, temperaturile scăzute scad performanțele, iar temperaturile ridicate
scurtează durata de viață.
La fel ca baterii le reîncărcabile pe bază de nichel și spre deosebire de bateriile litiu -ion, celulele
LiFePO 4 au o tensiune de descărcare foarte constantă.Tensiunea rămâne aproape 3,2V în timpul
descărcării până când celula este epuizată.Aceast a permite celulei sa furnizeze practice, putere până a
descărcare, putând simplifica sau chiar elimina necesitatea circuitelor de reglare a tensiunii.
Datorită ratelor de descărcare diferite între celule, pot apărea problem de egalizare între celule,
odată cu creșterea duratei de viață a acestora.Rezolvarea pentru această problema este utilizarea unor
celule de bună calitate sau prin utilizarea unor sisteme de balansare.Acestea vin însă cu dezavantajul
costului ridicat.
Valorile mai ridicate de descărcare necesare pentru accelerare, greutate redusă și durată de viață
mai mare fac acest tip de baterie ideală pentru biciclete și mașini electrice. Celulele LFP sunt acum
utilizate și pentru lămpile solare în detrimental celulelor NiCd.Tensiunea de lucru mai mar e(3,2V)
permite unei singure celule să comande un LE, fără a avea nevoie de un circuit de amplificare.Deoarece celulele LFP de dimensiuni AA au o capacitate de numai 600mA h, este de așteptat doar 10 ore de
funcționare.Cu toate acestea, în cazul în care des cărcarea este ocazională, astfel de sisteme funcționează
bine și în cazul în care lumina solară este mai slabă, deoarece elementele electronice ale lămpii asigură curenți de sub 1mA. De asemenea aceste celule pot fi conectate la panourile fotovoltaice fără circuite
complexe. Celulele LFP ameliorează problemele de coroziune, condensare și murdărie associate cu suportul bateriei și contactele celulă -celulă, corespunzătoare sistemelor exterioare.
Spre deosebire de bateriile plumb- acid, bateriil pe bază de LiFePO
4 își mențin tensiunea la borne
aproape constantă pe durata ciclului de descărcare, chiar și la curenți mari.
În figura următoare se pot observa aceste aspecte.

Fig. 2.2 Bateria Pb acid vs bacteria LiFePO 4
Sursa: [24]

În cadrul prezentului proiect vom folosi celule CALB CA180AH, 3.2V,180Ah care au
următoarele specificații .

Capacitate nominală 180Ah(0.3C)
Tensiune nominală 3.2V
Rezistența internă ≤0.6mΩ
Curent maxim de descărcare 360A(2C)
Curent standard de descărcare 90A(0.5C)
Curent maxim d e încărcare 180A(1C)
Curent standard de încărcare 54A(0.3C)
Tensiune maximă de încărcare 3.65V
Tensiune minimă 2.5V
Cicluri de viață 2000
Temperatura ambientală de operare -încărcare 0°C ~ 45°C
Temperatura ambientală de operare -descărcare ‐20°C ~ 55°C
Greutate 5.6kg

Tabelul 2.2. Specificații celule LiFePO4
Sursa : [25]

2.3 Modulul de comunicație CAN

In proiect a fost folosit modulul Controller CAN MCP2515 cu Driver TJA1050 și Interfața SPI

2.4 Modulul MASTER

2.4.1 Schema bloc

Fig. 2.4.1 S chema bloc a modulului MASTER

2.4.2 Placa de dezvoltare

Arduino Nano este o placă de dezvoltare bazată pe microcontrollerul Atmega328P. S -a ales
folosirea acesteia in realizarea modulului master datorită dimensiunilor redus e și a posibilităț ii
conectării la PC prin interfața USB.

Fig. 2.4.2 Configurația pinilor pentru Arduino Nano
Sursa [5]

Speci ficații tehnice:

– Tensiune de operare: 5V
– Pini digitali intrare/ieșire: 22 (dintre care 6 PWM)
– Pini de intrare analogici: 8
– Tensiune de intrare (Vin): 7 – 12V
– Curent DC pe pin de intrare /ieșire: 40mA
– Memorie Flash: 32 KB dintre care 2 KB folosiți de bootloader
– Consum de curent: 19 mA
– Dimensiuni: 18 x 45 mm

2.4.3 Stabilizatorul de tensiune

Un stabilizator de tensiune este un dispozitiv ce are rolul de a menține o tensiune constantă pri n
sarcină indiferent de variațiile tensiunii de alimentare în acest mod realizându- se stabilizarea tensiunii.
Pentr u modulul m aster am folosit stabilizatorul de tensiune L7805CV ce are rolul de a alimenta
circuitul la o tensiune de 5V în cazul in care nu se doreste sau nu este posibilă conectarea plăcii
Arduino Nano la PC prin cablul USB.

Fig. 2.4.3 Stabilizatorul de tensiune L7805CV
Sursa:[28]

2.4.4 Realizarea circuitului

2.5 Modulul SLAVE
2.5.1 Schema bloc
Fig. 2.5.1 Schema bloc a modulului Slave

2.5.2 Placa de dezvoltare
Fig. 2.5.2 Configurația pinilor pentru Arduino Pro Mini
Sursa [6]

2.5.3 Convertorul DC -DC
Am
ales convertor ul DC-DC U1V10F5 in comutare ridicător de tensiune ( step-up)
pentru că genereaza in mod eficient 5V de la tensiuni de intrare la nivelul de 0,5 V.
Acest lucru este esential pentru a alimenta modulul slave (microcontrollerul și
controllerul CAN), stabilizand tensiunea mică a celulei (2.5 – 3.6 V).
Fig. 2.5.3 Convertorul DC- DC U1V10F5
Sursa[7]

2.5.4 Circuitul de balansare
Fig. 2.5.4 Schema circuitului de balansare
Fig. 2.5.5 Testarea circuitului de balansare

2.5.5 Circuitul de măsurare temperatură
Pentru monitorizarea temperaturii celulei am folosit senzorul digital DS18B20cu următoarele
specificații:
– T
ensiune alimentare: 3 – 5.5 V
– Interval temperatură masurată: [–55°C, +125°C]
– Interval temperatură masurată la acurateț e maximă: [–10°C, +85°C]
– Interfața ce necesită un singur port (pin) pent ru comunicație
– Timp conversie valoare la 12 bit digital: 750 ms (max)
F
ig. 2.5.6 Senzorul de temperatura DS18B20
Sursa[ 9]

F
ig. 2.5.7 Schema circuitului de monitorizare a temperaturii
2.
5.6 Realizarea circuitului imprimat
Realizarea cablajului imprimat pentru modulele Slave a fost obligatorie pentru a le putea atașa
direct pe bornele celulelor.
Fig. 2.5.8 Layout modul Slave 1 și modul Slave 2

Cablajele au fost executate pe o singură față cu ajutorul metodei press and peel. Procedeul de
realizare al cablajelor presupune printarea în oglindă a cablajului pe o folie cu transfer termic, utilizând
o imprimantă laser.
Fi
g. 2.5.9 Cablaj printat pe folia cu transfer termic
După
curățarea cablajului cu degresant și alcool, imaginea printată este transferată pe acesta cu
ajutorul căldurii de la un fier de călcat. După transferarea imaginii se corectează cu un marker
eventualele greșeli.
F
ig. 2.5.10 Cablaj transferat pe placa de cupru simplu -strat
Ur
mătorul pas îl presupune corodarea cablajului imprimant în soluția de clorură ferică. La final
se curăță cablajul și se dau găurile.

Fi
g. 2.5.11 Etapa de corodare a cuprului de pe cablaj
Fi
g. 2.5.12 Cablaje module Slave 1 și Slave 2 curățate și găurite
După
curățare și găurire urmează etapa de lipire a componentelor pe cablaj.

Fi
g. 2.5.13 Modulele Slave 1 (sus) și Slave 2 (jos)

Cap. 3 Implementarea software a sistemului
Master -Slave
3.1 Modulul master
3
.1.1 Diagrama functională a programului
F
ig. 3.1.1 Organigrama programului pentru modulul Ma ster

Cap. 4 Rezultate și concluzii

Bibliografie
[1] Lucian -Andrei PERIȘOARĂ, Testarea Automata a Echipamentelor și Proceselor, note de curs
[2] L. A. Peri șoară, I. C. Guran, D.C. Costache, “A passive battery management system for fast
balancing of four LiFePO4 cells”, 24th International Symposium for Design and Technology in
Electronic Packaging(SIITME), 25 -28 Oct 2018, Ia și, România
[3] https://www.mpoweruk.com/images/bms.gif
[4] https://www.orionbms.com/wp-content/uploads/2014/05/orionjr- scaled.png
[5] https://cdn.shopify.com/s/files/1/2525/8632/products/Arduino_Nano-
Pinout2_1024x1024@2x.jpg?v=1527381724
[6] National Instruments, LabVIEW Getting Started with LabVIEW, Part Number 323427A-01, 2003
[7] https://w ww.pololu.com/product/2564#lightbox-picture0J4679;main- pictures
[8] CALB -40Ah- 400Ah, https://www.ev- power.eu
[9] https://botland.com.pl/585- thick box_default/temperature-sensor-ds18b20- digital-1- wire-tht.jpg
[22] http://www.mpoweruk.com/i mages/bms_ring.gif
[23] https://emusbms.com/product- category/mini
[24] https://www.renesas.com/eu/en/
[25] https://files.ev -power.eu/inc/_doc/attach/StoItem/2946/190124_CALB_180AHA_2.pdf
[28] https://www.addicore.com/Addicore-L7805CV-5V-Voltage-Regulator-p/ad252.htm