Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

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Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#1

Mensaje por Vitriolo »

Hola, abro este hilo porque hace tiempo que estoy interesado en construirme mi propio BMS para celdas de Litio.
No me conformo en conectarlas en serie paralelo y ponerlas en lugar de las vetustas e hinchadas viejas baterias de automoción procedentes de reciclado, que a duras penas ya ni aguantan para sólo fijar una tensión para que pueda funcionar el regulador, gestor de excedentes y el inversor.
El proyecto, por mi parte, será algo lento pues tengo algunas ocupaciones que no puedo apartar, aunque eso no quita de que mantenga la ilusión.
Mi idea es compartir el hardware con esquemas y PCB y un firmware del que también estoy dispuesto a poner aquí, al menos en una fase operativa.

Hace meses que tengo a medio hacer unos esquemas y algo de planteamiento del PCB que voy a poner algunos esbozos, pues ya he comentado de que está todo en fase bastante inicial.
La idea es construir bloques de 20 celdas, cada uno de estos formados por 5 grupos de 4 celdas en paralelo. La conexión entre grupos de un mismo bloque, con MOSFETs de potencia.
En una fase inicial, a parte del primer prototipo para pruebas, quería montar 14 bloques de forma que quedarían 2 baterias de 7s20p, aunque con un pequeño detalle:
Cada 2 bloques, 1 de cada batería, que por supuesto estarían a un potencial muy parecido aunque no exacto, estaría monitorizado y controlado por una CPU de 32bits.
No soy buen redactor ni novelista para intentar explicarme mejor. En breve pongo unos esquemas de bloques para que se entienda mejor la idea.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#2

Mensaje por Vitriolo »

Empiezo por un esquema de bloques de todo el conjunto:
BMS-BAT-BLOCK.jpg
Y de aqui, cada 'Block' de celdas, sin detallar, sería así, hasta 5 grupos de 4:
Blocks.jpg
Consideraciones después de estar meditando los pros y contras:
1.-Equilibrio entre complejidad y funcionalidad.
2.- Monitorización de la corriente que entrada o salida de cada celda.
3.- Conexión/desconexión de cada grupo de 4, en función del estado de carga para no sobrecargarlas, aquí cabe notar el detalle:
3.1.- La conexión para la carga de cada grupo estaría controlada por la CPU.
3.2.- Para la descarga, el diodo en antiparalelo del MOSFET juega en contra, pues conducirá si la tensión del bloque cae por debajo de la tensión del grupo - tensión umbral del diodo, pero
esto no sería un gran problema ya que automáticamente respondería a una solicitud de corriente importante de todo el block y de la bateriá, al estar en serie. Para minimizar pérdidas de
potencia, si la descarga se prolonga, la CPU conecta el MOSFET para que trabaje en descarga y evite la disipacion en el diodo.
4.- La BMS evidentemente tiene que estar conectada a un regulador de carga, que sería la encargada de darle la tensión/corriente correcta. Esto sería digamos el segundo plazo. Mi idea inicial es aprovechar algún hardware o regulador ya existente, como el que tengo ahora, pero controlado por una Rpi para tener una interfaz agradable y versátil.
5.- La comunicación entre las distintas CPU evidentemente tiene que estar aislada galvánicamente, y podría ser óptica ( aunque me temo que son caras ) o aprovechar algún sistema de modulación utilizando un trafo de pequeña señal. Lo ideal, si se pudiera, algo similar a los trafos de pulsos similares a los que utilizan las LAN ethernet, aunque no necesariamente estos, pues trabajan a frecuencias demasiado elevadas para poder controlarlos directamente desde una CPU. Una opción sería utilizar algún tone en/decoder que trabaje a algunos centenares de Khz para tener comunicaciones rápidas. La conexión sería en cascada, y cada uno haría de repetidor del anterior.
6.- El proyecto sería igualmente válido para 48V, en el esquema de bloques he puesto 7 porque mi instalación, de momento es de 24V.
7.- Queda pendiente el tema de equilibrado entre blocks, pero ya tengo un par de ideas in mente. De momento, un simple control bypass a base de resistencia de potencia para cada block, aunque esto sería provisional y montado encima. La idea final sería interconexión bidireccional entre blocks semejantes ( p.e. entre BLOCK 6-A y BLOCK 6-B).

Bueno, me parece que pido la luna, pero ... menos no me gusta

Se admiten opiniones y discusiones técnicas respecto a estos planteamientos.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#3

Mensaje por Mleon »

Vitriolo escribió: 16 Jun 2019, 22:54 ....
2.- Monitorización de la corriente que entrada o salida de cada celda.
...
¿Como piensas monitorizar la corriente de entrada o salida de cada celda ?
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#4

Mensaje por Vitriolo »

Mleon escribió: 17 Jun 2019, 23:51
Vitriolo escribió: 16 Jun 2019, 22:54 ....
2.- Monitorización de la corriente que entrada o salida de cada celda.
...
¿Como piensas monitorizar la corriente de entrada o salida de cada celda ?
La idea es , o bien utilizar el fusible SMD como shunt de corriente, o poner uno adecuado, también SMD. Por el tipo de celda que ya tengo, la corriente máxima admisible , si no recuerdo mal, es de unos 10A.
El fusible seguramente dará malas lecturas debido a que no está diseñado para esto, sino para fundirse. Seria ponerlo en serie con el fusible, si procediera.
Cuando me ponga con el prototipo, saldré de dudas, pero hasta ahí queda bastante camino.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#5

Mensaje por Mleon »

Vitriolo escribió: 18 Jun 2019, 00:16
La idea es , o bien utilizar el fusible SMD como shunt de corriente, o poner uno adecuado, también SMD. Por el tipo de celda que ya tengo, la corriente máxima admisible , si no recuerdo mal, es de unos 10A.
El fusible seguramente dará malas lecturas debido a que no está diseñado para esto, sino para fundirse. Seria ponerlo en serie con el fusible, si procediera.
Cuando me ponga con el prototipo, saldré de dudas, pero hasta ahí queda bastante camino.
OK.. si el sensor es algo tipo shunt manejaras señales bastantes pequeñas que necesitan un ADC relativamente bueno y con capacidad de medir en modo diferencial...no?

El micro que tienes en mente lleva este ADC o piensas en algo externo?
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#6

Mensaje por Vitriolo »

Había pensado en amplificar la señal con OPAM pero pasando previamente por multiplexores, para no masificarlos, y también para otra idea que estoy planteando, aún no plasmado en el esquema, que también está al 50%. Estoy también con un planteamiento previo del PCB para ver cómo ando de espacio, el tema no anda muy sobrado.
Prev-Mux.jpg
Respecto a la CPU, creo que previamente amplificando estas señales ( las de corriente ) con un ADC de 10 bits presente en muchas CPUs ya tendría suficiente resolución, aunque intentaré poner una que tenga un ADC de 12 bits., de por lo menos 6 entradas para no tener que multiplexar tanto. Tanbién tengo que estudiar el ciclo de conversión de todas las entradas analógicas.
En cuanto a la familia de la CPU, tengo experiencia y soltura con la serie PIC32 de Microchip. Me hubiera gustado dar el salto a un ARM pero ahora no puedo abarcar tantas cosas.
De momento, todo está abierto.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#7

Mensaje por Invitado »

Vitriolo escribió: 18 Jun 2019, 20:23 Había pensado en amplificar la señal con OPAM pero pasando previamente por multiplexores, para no masificarlos, y también para otra idea que estoy planteando, aún no plasmado en el esquema, que también está al 50%. Estoy también con un planteamiento previo del PCB para ver cómo ando de espacio, el tema no anda muy sobrado.

Prev-Mux.jpg

Respecto a la CPU, creo que previamente amplificando estas señales ( las de corriente ) con un ADC de 10 bits presente en muchas CPUs ya tendría suficiente resolución, aunque intentaré poner una que tenga un ADC de 12 bits., de por lo menos 6 entradas para no tener que multiplexar tanto. Tanbién tengo que estudiar el ciclo de conversión de todas las entradas analógicas.
En cuanto a la familia de la CPU, tengo experiencia y soltura con la serie PIC32 de Microchip. Me hubiera gustado dar el salto a un ARM pero ahora no puedo abarcar tantas cosas.
De momento, todo está abierto.
Dependiendo del sensor de corriente empleado, quizás convenga amplificarlo previamente al multiplexado.
Lo del adc, a lo que diga el datasheet, quítale 2 bits por errores, ruido, no linealidad... Así a ojo, 12 bits mínimo, claro que depende del nivel con el que entres.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#8

Mensaje por Vitriolo »

jeopardize escribió: 18 Jun 2019, 20:34 Dependiendo del sensor de corriente empleado, quizás convenga amplificarlo previamente al multiplexado.
Lo del adc, a lo que diga el datasheet, quítale 2 bits por errores, ruido, no linealidad... Así a ojo, 12 bits mínimo, claro que depende del nivel con el que entres.
El sensor de corriente será fracción de ohmio, del orden de 0,01ohms, todavía no he profundizado en los cálculos. Yo creo que con esta impedancia tan baja, es factible pasarlo por un multiplexor, Alguna razón especial que desconozco ?
Amplificar previamente 20 sensores, el PCB si que va a ser engorroso por no decir irrealizable en el espacio que tengo previsto.
SI llego, en toda la excursión a 1.93V después de amplificar, tendré , con 12 amperios de excursión ( 2 de carga + 10 de descarga ) unos 20ma por bit suponiendo 10 bits de resolución, después de haber descontado 2 de ruido, en lo que estoy de acuerdo.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#9

Mensaje por Invitado »

Vitriolo escribió: 18 Jun 2019, 21:23
jeopardize escribió: 18 Jun 2019, 20:34 Dependiendo del sensor de corriente empleado, quizás convenga amplificarlo previamente al multiplexado.
Lo del adc, a lo que diga el datasheet, quítale 2 bits por errores, ruido, no linealidad... Así a ojo, 12 bits mínimo, claro que depende del nivel con el que entres.
El sensor de corriente será fracción de ohmio, del orden de 0,01ohms, todavía no he profundizado en los cálculos. Yo creo que con esta impedancia tan baja, es factible pasarlo por un multiplexor, Alguna razón especial que desconozco ?
Amplificar previamente 20 sensores, el PCB si que va a ser engorroso por no decir irrealizable en el espacio que tengo previsto.
SI llego, en toda la excursión a 1.93V después de amplificar, tendré , con 12 amperios de excursión ( 2 de carga + 10 de descarga ) unos 20ma por bit suponiendo 10 bits de resolución, después de haber descontado 2 de ruido, en lo que estoy de acuerdo.
En ese orden de magnitud, 1A=10mV; pruébalo pero me parece muy arriesgado. Hay offsets, ruidos de inyección a conmutar los multiplexores, etc.
Entiendo las limitaciones de espacio, pero con 12A de FS me parece que no va a ir bien; de todas formas, prueba.
Otra cosa sería operar directamente con adc's de 12 bits.
Cómo lo solucionan comercialmente?
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#10

Mensaje por Vitriolo »

jeopardize escribió: 18 Jun 2019, 21:44 En ese orden de magnitud, 1A=10mV; pruébalo pero me parece muy arriesgado. Hay offsets, ruidos de inyección a conmutar los multiplexores, etc.
Entiendo las limitaciones de espacio, pero con 12A de FS me parece que no va a ir bien; de todas formas, prueba.
Otra cosa sería operar directamente con adc's de 12 bits.
Cómo lo solucionan comercialmente?
Te refieres a utilizar ADC con PGA incorporado en el chip ? porque del orden de los mv, si no amplificas... no ves nada. También se puede optar por mirar la corriente con mucha menos resolución..
Respecto a la conmutación de los multiplexores, es buena costumbre dejar un tiempo de establecimiento antes de volver a arrancar el ADC, si aquellos son externos. Es quizá más trabajo de firmware, pero en principio no le veo problema.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#11

Mensaje por Invitado »

Vitriolo escribió: 18 Jun 2019, 22:01
jeopardize escribió: 18 Jun 2019, 21:44 En ese orden de magnitud, 1A=10mV; pruébalo pero me parece muy arriesgado. Hay offsets, ruidos de inyección a conmutar los multiplexores, etc.
Entiendo las limitaciones de espacio, pero con 12A de FS me parece que no va a ir bien; de todas formas, prueba.
Otra cosa sería operar directamente con adc's de 12 bits.
Cómo lo solucionan comercialmente?
Te refieres a utilizar ADC con PGA incorporado en el chip ? porque del orden de los mv, si no amplificas... no ves nada. También se puede optar por mirar la corriente con mucha menos resolución..
Respecto a la conmutación de los multiplexores, es buena costumbre dejar un tiempo de establecimiento antes de volver a arrancar el ADC, si aquellos son externos. Es quizá más trabajo de firmware, pero en principio no le veo problema.
Ya contaba con un "guard" a la hora de leer; no sé, pruébalo pero en el entorno polucionado en el que estarán, me huelo lecturas fancy a tutiplén.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#12

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nuevo-2.JPG
Si pillamos un 10 bits, que son 8 con buena fé, tenemos saltos de unos 20mV para un FS de 5V.
Idem, 12 bits que son 10, hay 5mV, mucho mejor pero...
Mira en microchip, a ver que hay con 12-16 bits; quizás filtrando bien se pueden conseguir lecturas realistas.
Me sigo preguntando desde mi desconocimiento: cómo lo implementan los BMS comerciales?
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#13

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Una posible solución :
https://es.farnell.com/on-semiconductor ... /2981181RL

ó este

https://es.farnell.com/texas-instrument ... dp/2435768
( este último encontrado a 0,22€ en aliexpress )
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#14

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Vitriolo escribió: 19 Jun 2019, 01:34 Una posible solución :
https://es.farnell.com/on-semiconductor ... /2981181RL

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https://es.farnell.com/texas-instrument ... dp/2435768
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Son piezas prácticamente equivalentes; quizás el ON tiene mejor CMRR a alta frecuencia; ambos vienen con diferentes ganancias fijas, cosa que por una parte puede limitar el diseño pero por otra garantiza que las resistencias"buried" o internas están aparejadas. Coje el más barato.
Pero creía que decías que no tenías espacio para pre-acondicionar; lo he entendido mal?
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#15

Mensaje por Vitriolo »

jeopardize escribió: 19 Jun 2019, 11:01
Vitriolo escribió: 19 Jun 2019, 01:34 Una posible solución :
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Pero creía que decías que no tenías espacio para pre-acondicionar; lo he entendido mal?
Entre las celdas, un SOT323-6 + C desacoplo, caberan bien, creo. EL problema del espacio está fuera de la zona de conexionado de celdas, donde hay la mayoria de circuiteria. Por debajo casi no puedo montar nada porque el PCB se asienta sobre las formas de plástico que agrupan las celdas, más los agujeros de conexionado de las celdas, poco queda.
Con esto, ya casi me planteo atacar las entradas analógicas después de los multiplexores, y me ahorro OPAMs.
La ganancia fija de 50 me viene bien ajustando el valor del shunt,
(12A ( FS ) * 0.005 ohms ?) X 50 = 3 V
me salen 12A/((3v/3,3V)*1024) = 0,012890625 A / bit, (con una Vref del ADC de 3,3V y 10 bits útiles )
No es un nº que me guste mucho, pero con ganacia fija tendría que aplicar otro OPAM para corregir -> + circuiteria.
Sólo me queda fijar la tensión de referencia del amplificador de corriente a un valor que sería aproximadamente >=0,5V, por debajo de 3,3 o por arriba de GND en función de la polaridad que genera el shunt y de como lo conecte.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#16

Mensaje por Invitado »

Vitriolo escribió: 19 Jun 2019, 11:24
jeopardize escribió: 19 Jun 2019, 11:01
Vitriolo escribió: 19 Jun 2019, 01:34 Una posible solución :
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Son piezas prácticamente equivalentes; quizás el ON tiene mejor CMRR a alta frecuencia; ambos vienen con diferentes ganancias fijas, cosa que por una parte puede limitar el diseño pero por otra garantiza que las resistencias"buried" o internas están aparejadas. Coje el más barato.
Pero creía que decías que no tenías espacio para pre-acondicionar; lo he entendido mal?
Entre las celdas, un SOT323-6 + C desacoplo, caberan bien, creo. EL problema del espacio está fuera de la zona de conexionado de celdas, donde hay la mayoria de circuiteria. Por debajo casi no puedo montar nada porque el PCB se asienta sobre las formas de plástico que agrupan las celdas, más los agujeros de conexionado de las celdas, poco queda.
Con esto, ya casi me planteo atacar las entradas analógicas después de los multiplexores, y me ahorro OPAMs.
La ganancia fija de 50 me viene bien ajustando el valor del shunt,
(12A ( FS ) * 0.005 ohms ?) X 50 = 3 V
me salen 12A/((3v/3,3V)*1024) = 0,012890625 A / bit, (con una Vref del ADC de 3,3V y 10 bits útiles )
No es un nº que me guste mucho, pero con ganacia fija tendría que aplicar otro OPAM para corregir -> + circuiteria.
Sólo me queda fijar la tensión de referencia del amplificador de corriente a un valor que sería aproximadamente >=0,5V, por debajo de 3,3 o por arriba de GND en función de la polaridad que genera el shunt y de como lo conecte.
Entendido!
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#17

Mensaje por Corazon_de_perro »

No me queda claro el funcionamiento general.
Es un BMS con un solo puerto para carga y descarga?
Si la descarga es a través del diodo anti-paralelo, cómo se detiene la descarga sí es necesario?
Lo veo bastante complejo. Has pensado en algo más monolítico, sin necesidad de micros?
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#18

Mensaje por Homo_non_sapiens »

Gabriel_2018 escribió: 19 Jun 2019, 23:29Has pensado en algo más monolítico ...?
.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#19

Mensaje por Vitriolo »

Gabriel_2018 escribió: 19 Jun 2019, 23:29 No me queda claro el funcionamiento general.
Es un BMS con un solo puerto para carga y descarga?
Si, el mismo MOSFET de cada grupo de 4 se encarga de la carga y descarga
Gabriel_2018 escribió: 19 Jun 2019, 23:29 Si la descarga es a través del diodo anti-paralelo, cómo se detiene la descarga sí es necesario?
La descarga, en un instante unicial, ante solicitudes importantes de corriente, pasa a través del diodo pero en un tiempo breve ( pongamos 1mS ) la CPU activará el MOSFET para evitar descarga por el diodo.
Por otra parte, esto que he expuesto de momento, serían los módulos de control de cada pack. La gestión general de la serie de 7 ( ó 14 para 48V ) la realizaría una placa de control que tendría el switch general ante sobrecargas / cortocircuitos ( esta sería la segunda parte del proyecto).
Gabriel_2018 escribió: 19 Jun 2019, 23:29 Lo veo bastante complejo. Has pensado en algo más monolítico, sin necesidad de micros?
No he dicho que sea simple, si qué es complejo.
Para algo monolítico, tendría que poner un chip de BMS para cada grupo de 4, y para poner 5 en cada pack, prefiero poner una CPU que ya lo controle todo. Creo que la diferenciación está en que en vez de un sólo control ( dile chip monolítico, CPU o lo que sea ) para cada elemento en serie, también lo hay para varios elementos en paralelo, digamos que atomizando algo el control.
La finalidad es un control más de cerca de los grupos de 4 en la fase de carga, y un control por celda de las corrientes de carga / descarga.
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Re: Proyecto BMS ( Litio ) casero ...

#20

Mensaje por Corazon_de_perro »

He probado algo simple para el balanceo con cuatro celdas LiFePo4 de 50 Ah. En fase de descarga estaban equilibradas las tensiones, pero en carga, al final, se producían desequilibrios de unos 0.3 a 0.4 V.

Para balancear he utilizado por pila, un LED azul de 3 V y una R de 100 Ohm, conectados a la base de un bipolar 222A. Al colector acomete una R de 10 Ohm y 2W , que a su vez proviene del positivo de la pila n. El emisor desemboca en el positivo de la pila n-1, coincidente con el negativo de la n.
El balanceo es bueno. El primer día tenía corrientes de hasta 400 mA.
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