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基于STC单片机开发的移动户外电源专用库仑计

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发表于 2020-9-10 01:40:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

认识众多玩家高手/拆客/DIYer,查阅更多资源,一起学习技术知识

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今年上半年由于疫情,在家闲着也没事,于是想到了把之前做电动车电池组剩下的20节32700发挥下余热,做一个户外移动电源。
20节32700磷酸铁锂电池,每节3.2V,5000mah,最后权衡利弊后把这20节铁锂电池组成了一个4串5并的电池组,当做个25Ah的12V户外电源,刚好也可以给车载设备户外用。
电池组组装过程我就不在这说了,很简单,后面某宝买了个4串30A放电保护板装上后也算是基本电池就组装完成了。
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电池是能充放电了,但是我根本不知道电池实际使用时的使用情况,电池剩余多少电量,实时电压是多少等等。后面又去某宝参谋了很久感觉这样的表头就很好,又能显示电压,又能显示SOC(剩余容量与总容量百分比),价格也不贵,基本也能满足使用需要了。

image.png

然而电池组SOC估算远远没有我想象的那么简单,尤其是磷酸铁锂电池组,由于铁锂电池的放电特性,这种用电压估算SOC的表头根本不适用,铁锂电池在电压到3V左右时放电,电压基本会成直线下掉,所以用这类通过电压估算SOC的表头去给铁锂电池用,很可能上一秒还显示有50%电量,下一秒电池组保护板就触发过放保护了。所以我想只能通过库仑计,来进行实时充放电检测去估算铁锂电池组的准确SOC了,库仑计是通过电流和时间的积分来计算电量的,相对来说准确率是很高的。


image.png


但是搜索后才发现,一款库仑计表头的价格真是高的有些吓人,便宜的要一百多,贵的三四百的大有人在,这种表头价格已经完全超越了电池组电芯的价格了,完全不符合DIY精神。





这里分界,进入正题

既然是DIY,那么索性这个表头也就DIY算了,正好手里还有几片之前玩剩下的STC15F2K60S2单片机,有了单片机只是计划的开始,那么从单片机要怎么才能得到准确的电流和电量呢?


image.png
得到电流很简单,用电阻分压法,就可以简单的通过I=U/R,得到电流。但是电量呢?

查阅了很多资料后,总结了下,计算电量实际是通过I(电流)*T(通过电流的时间)计算得到,这种计算恒定电流还好,但是实际使用中电流每时每刻都是在变化的,我们要怎么去计算一个时时刻刻都在变化的电流所通过时间的电量呢?如果用安时积分法来计算电量,这样一来单片机的计算量大大提升,程序难度也大大提升,而且受限于单片机速率,采样计算的实际精度也不会太好(单片机不能完全处于实时电流采样状态,还要负责电压采样,信息显示等)。

后面又查阅了很多资料,发现美信有高精度电量计算的IC,那这样就方便了,把电量统计交给专用的IC去完成,单片机只用把数据从IC中读出来,就可以知道通过采样电阻的电量,然后再通过计算就可以很精确得到SOC(剩余容量与总容量百分比),单片机只用和库仑计IC通讯下,得到数据后发送到屏幕显示就OK。

有了初步模型,那么久开始实践把,通过美信的选型,最后选定DS2740这款IC作为库仑计IC,原因是这款IC功能简单,不需要繁琐设置,价格也相对较低。
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显示屏选择了12864的OLED,这种屏幕只有0.96寸,显示效果也不错,I2C通讯,制作起来也简单,驱动有现成的,所以软件部分可以节约很多时间。(直接使用现成模块10块钱一个)

image.png

既然有了库仑计IC,有了单片机,后面就飞线+面包板简单组装下,进入程序调试环节。

image.png
程序部分是个耐活,需要不断测试,不断改进,不断完善,不断发现BUG,所以前前后后花费了差不多半个月时间。
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调试了大半个月后程序基本稳定(这是杜邦线搭棚测试效果)
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后面就是画PCB,然后打样,由于只是个表头,所以PCB设计的还算比较小巧,只有50*30(mm)。
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最后3D打印个外壳

image.png

组装到电池组中的样子

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至此基于STC15版本的库仑计已经完成,期间经过多次优化,由于考虑使用在移动电源中,特别优化了功耗,实现12V电源供电时,正常工作电流≈2~3ma,待机电流<1ma。
我简单的做个总结
这款基于STC15设计的库仑计,显示信息直观明了,可以适用于16V一下电池组(铁锂,三元,铅酸),采用美信高精度库仑计IC,相比于普通的通过电压估算SOC的表头,测量精度更高,电量显示更准确。内置软件校准程序,电流,电压均为基准校准法校准,也就是采用12V基准电压供电,充电或放电1A电流时,一键校准,容量通过校准界面一键校准。电压精度±0.02V,电流精度±0.01A,电量精度±5mah,理论最大电流50A,理论最大电量统计200Ah。


后期愿景

1、MCU选用STC最新STC8系列(程序和硬件重新设计)

2、升级电压支持到100V,以便可以满足电动车电池组电量统计需求

3、进一步降低功耗,毕竟电池供电,能省点是点

4、丰富显示内容

5、进一步提高测量精度和最大测量电流


同时也欢迎交流讨论,根据回帖反馈情况,考虑是否建立个QQ群和推出低价DIY套件

小改进:https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=195267

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 楼主| 发表于 2020-9-11 22:56:46 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
很高兴大家能在留言中发表自己的联系和看法,后期我也会在软件和硬件上更具大家的建议做出一些优化和改进,在此也非常感谢给我提建议的朋友,谢谢!希望我出套件的朋友,可以持续关注我,我会更具大家的反馈情况,优化后给大家推出稳定完善的套件,谢谢!
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 楼主| 发表于 2020-9-15 11:57:23 | 显示全部楼层
关于套件价格计算:
PCB:按照嘉立创小批量板子计算约2元1片(5元体验并非一直可以用,每月好像限制2次),不知道拼版价格能不能便宜下来
MCU: STC8G1K17   1.5元
库仑计IC:DS2740   3.8元
电源IC:   JW5033    0.4元
显示屏:   OLED  0.96寸  11元
3D打印面板          2元
其余电阻电容电感总和约4元(请各位不要抬杠,4元可能用不了,大概计算为4元,其中已包含2512采样电阻4片,2个47UF贴片电容,接线端子,3030电感,按键)
快递费:从我这发出,大部分地区 约 8-12元 暂时按10元计算(由于我不是长期和快递签约,快递费只能按普通发货价格计算)

总价约:32.5元元(已包含快递费,所有元件,刷好固件的MCU,OLED模块,不包含焊接,所有价格均为X宝元件参考价格)
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 楼主| 发表于 2020-9-10 01:47:08 | 显示全部楼层
自己给自己留的沙发
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发表于 2020-9-10 10:06:20 | 显示全部楼层
板凳观赏席

可以考虑+蓝牙+小程序
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 楼主| 发表于 2020-9-10 10:14:22 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
神蓝 发表于 2020-9-10 10:06
板凳观赏席

可以考虑+蓝牙+小程序

就单一移动电源来说,蓝牙+小程序意义不大,每次看个状态拿出手机来看实属鸡肋,虽然高大上,但是并不方便,如果是电动车上用,不如直接做成电动车的仪表,电源开关一打开所有状态一目了然,骑车时拿个手机看电池状态也不安全
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发表于 2020-9-10 20:03:28 | 显示全部楼层
期待套件,能有霍尔电流更好
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发表于 2020-9-10 20:55:22 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
hyt19920125 发表于 2020-9-10 10:14
就单一移动电源来说,蓝牙+小程序意义不大,每次看个状态拿出手机来看实属鸡肋,虽然高大上,但是并不方 ...

你有没有考虑过设置参数的问题?小程序设置不更省事吗?
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发表于 2020-9-10 23:42:51 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
挺好,但不需要,精神支持
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 楼主| 发表于 2020-9-11 01:56:46 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
zsybq 发表于 2020-9-10 20:03
期待套件,能有霍尔电流更好

霍尔的好处是可以测很大电流,但是小电流时受外界干扰因素较多,误差可能会比较大,才开始我也考虑过霍尔,但是由于设计这个的初衷是放到移动电源上用,本身不会有很大电流输出,所以采用电阻采样,优点是几十毫安几百毫安这种小电流采样也会比较准确
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发表于 2020-9-11 10:17:51 | 显示全部楼层
hyt19920125 发表于 2020-9-11 01:56
霍尔的好处是可以测很大电流,但是小电流时受外界干扰因素较多,误差可能会比较大,才开始我也考虑过霍尔 ...

是的,库仑计尽可能能测量较小的电流值。你可以使用更好的ADC,不用单片机自带的ADC。比如HX710芯片。
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发表于 2020-9-11 10:51:10 | 显示全部楼层
量产 tb上开卖呀。回收点时间人力成本也好
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发表于 2020-9-11 10:57:43 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
加分支持,坐等套件
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发表于 2020-9-11 17:27:54 | 显示全部楼层
hyt19920125 发表于 2020-9-11 01:56
霍尔的好处是可以测很大电流,但是小电流时受外界干扰因素较多,误差可能会比较大,才开始我也考虑过霍尔 ...

个人感觉也是要上霍尔,并且小电流、大电流分别计算,再由单片机统一处理。

如果采用动力型电池去组成电池包,瞬间电流不小了。
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发表于 2020-9-11 19:39:07 | 显示全部楼层
挺期待的,qq群号呢
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 楼主| 发表于 2020-9-11 22:35:15 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
zzsese 发表于 2020-9-11 10:51
量产 tb上开卖呀。回收点时间人力成本也好

暂时没考虑淘宝,看看找个时间弄个群,给群友弄点低价套件吧
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发表于 2020-9-11 22:48:28 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
支持,期待散件或低价成品。
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 楼主| 发表于 2020-9-11 22:49:30 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
ahyu99 发表于 2020-9-11 10:17
是的,库仑计尽可能能测量较小的电流值。你可以使用更好的ADC,不用单片机自带的ADC。比如HX710芯片。
...

对于电流而言13-16位ad采样是基本够用了,13位电流采样专用ad,理论6.25uV/R的分辨率,如果取50A最大电流,基本分辨率在5ma左右,大多数供电设备和电池组而言5ma的采样分辨率已经算是相对准确度高的了,就显示而言,一般小尺寸屏幕小数点后面保留两位,差不多也就是10ma的显示分辨率,如果要求高点用15bit ad,分辨率为1.5625uV/R,取50A最大电流。分辨率可以做到1mA左右,算是相当精确了,就电源而言,常规使用电流分辨率到uA级别意义也不大了,所以没必要考虑用到24位AD。
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 楼主| 发表于 2020-9-11 22:52:08 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
幸福d距离0 发表于 2020-9-11 19:39
挺期待的,qq群号呢

先在论坛里看看大家的反馈吧,群后面看反馈情况建群,公布群号
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发表于 2020-9-12 19:22:56 | 显示全部楼层
好作品,蛮实用的,期待套件
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