Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Analoge Meßwerte galvanisch trennen?
Hallo,
ich möchte an einem Akkupack, bestehend aus 14 in Serie geschalteten Zellen á 3.6V, jede Einzelzellenspannung überwachen, mit ca. 10 Meßwerten/Sekunde, um das genaue Verhalten bei bestimmten Stromentnahmen zu studieren/protokollieren.
Das Problem ist, daß ich vom Gesamtminuspol aus Spannungen von bis zu 60V habe, aber die Teilspannungen mit 1mV (notfalls 10mV) Genauigkeit messen möchte. Der Pluspol jeder Messung ist gleichzeitig der Minuspol der nächsten, so daß ich nicht einfach 14 A/D wandler anschließen kann, da sie eine gemeinsame Masse hätten.
Die einzige Lösung die mir bisher eingefallen ist, wäre eine kleine Microcontroller-Schaltung an jeder einzelnen Zelle (also 14 Stück) anzuschließen, die rein lokal isoliert ist (da die Spannung nie unter 2.5V fällt kann davon der µC betrieben werden) und lokal die Spannung mißt, und diese dann digital über einen Optokoppler (z.B. über i²c bus oder ähnlich) an einen zentralen µC übergibt. Das wird natürlich ziemlich aufwändig.
Trennung durch Kondensatoren fällt ja aus, da es reine Gleichstromspannungen sind, die nur langsam schwanken.
Selbst die Methode, nacheinander über (elektronische)Relais die Meßwerte anzulegen und der reihe nach abzulesen, funktioniert bei verschiedenen Nullpunkten nicht.
Hat jemand vielleicht eine bessere Idee wie ich das lösen könnte?
Perfekt wäre sowas wie ein Optokoppler, der aber analog funktioniert, also 0...5V rein, 0...5V raus, aber ohne gemeinsame Erde. Dann könnte ich meine 120-EUR-USB-Meßbox von Conrad anschließen und wäre an einem Nachmittag fertig!
Gruß,
Ethan
Wie wärs mit nem Differenzverstärker?
https://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Operationsverst%C3%A4rker
Must nur zusehen das die OP's die maximale Spannung aushalten.
Könnte gehen! Ich probiers mal!
Hmmm, 60V Vmax? Da muß ich viele Datenblätter wälzen :-(
Das beste was ich bis jetzt gefunden habe ist der AD822.
http://documents.rs-components.com/rs-bin/RightSite.dll/getcontent/data.pdf?DMW_FORMAT=pdf&DMW_DOCBASE=techlib&DMW_OBJECTID=0900766b8002505f
[/url]
Naja, es darf blos keine zu große Spannung am OP ankommen.
Falls Du einen Differenzverstärker nacht Bild 3 aufbaust, und R1=R2 machst, dann kommt schon mal nur die halbe Spannung an.
Oder du machst einen Spannungsteiler 1/5 und verwendest die Schaltung aus Bild 2. (geht wegen hohem Eingangswiderstand der Schaltung)
P.S. Die Schaltung ist natürlich keine galvanische Trennung
Was meinst Du denn, wie schnell sich die Akkuspannungen so ändern? Nimm doch einfach einen Multiplexer und frage die Werte an allen Punkten der Reihenschaltung nacheinander ab, die Zellenspannung der n-ten Zelle ist dann halt der aktuelle Messwert minus voriger Messwert. Wenn Du das mit einem halbwegs schnellen ADC (10us?) machst, dürften sich die Potenziale nur unwesentlich ändern. Vor den Multiplexer müsstest Du natürlich noch Spannungsteiler setzen, um mit einem 4067 oder so (16-zu-1) auszukommen.
Wenn von der Genauigkeit her lang ist das bestimmt die einfachere Lösung.
Zum einen wird vom A/D Wandler dann nur jeweils ein sehr kleiner Teil verwendet.
Zum Anderen, hast Du einen hohen Fehler im oberen Bereich.
Angenommen die Schaltung hat einen Fehler von 2% (was schon sehr gut wäre wegen den Widerständen im Spannungsteiler)
Du misst die 2.letzte Spannung mit U1=55V +-2% und die letzte mit U2=59+-2%.
Das ergibt für U1 ca. 54-56V
und für U2 ca. 58-60V
Macht also für die resultierende Spannung im worst case von 2-6V.
Das wäre viel zu ungenau, wie schon geschrieben, muß die Zellenspannung mindestens mit 10mV Genauigkeit gemessen werden, Ziel ist 1mV.
Naja, bei den geforderten 10mV Genauigkeit wohl eher ein Griff ins Klo. Eindeutig zu warm zum Denken ;) Also doch eher ein Rudel Differenzverstärker und dann den Multiplexer - zumindest für den oberen Bereich, bis wo Spannungsteiler aus 0,1%-Widerständen reichen, müsste man dann halt mal durchrechnen. Alternativ bliebe natürlich noch, den Kram zu kalibrieren, allerdings wird auch dann eine reine Spannungsteilerlösung hart an der Grenze sein. Wenn man so beginnt nachzudenken, kommt man schon auf komische Ideen - Relaisumschaltung, der untere Widerstand des Spannungsteilers existiert nur ein mal und die Relais schalten den jeweiligen Messpunkt über den entsprechenden Vorwiderstand auf diese gemeinsamen Punkt, vorher wird über ein weiteres Relais aber eine Referenz an den kritischsten Widerstand geschaltet und der Wandler kalibriert... naja, 10mV Genauigkeit bei 60V sind 13 bit, da kommt man mit nichtkalibrierten Standardbauteilen eh nicht hin. 1mV wären dann 16 bit, das ist schon für einen Messpunkt eine Herausforderung...
Mh, der Spannungsteiler existiert ja auch am Eingang des OP's der Differenzverstärkerschaltung.
Ich überlege gerade ob ein Fehler sich hier auch stärker auswirken könnte als im unteren Spannungsbereich ?
marvin42x
18.07.2006, 18:08
Wenn ich mich dunkel erinnere zeichnet sich ein Instrumenten-Verstärker dadurch aus, dass er den Messwert entkoppelt von der eigenen Masse, also freischwebend, auf allen Störungen surfend misst. Hatte mal vor Äonen so was aus drei OPAMPs gebaut. Der hat noch 0,00005V auf dem Oszilloskop gemalt. Es können auch noch ein paar Nullen mehr gewesen sein. Das sollte mal zum Gehirnwellen messen sein. Ich hatte damals in meinem jugendlichen Optimismus gedacht das wäre einfach, das kann ich auch.
Eigentlich will ich mit dem langen Vorspann nur mal die Fachleute fragen ob wegen der Signalauskoppelung in der Richtung nicht was möglich ist.
Wenn das hier Quatsch war rügt mich nicht zu arg, Ich meinte es wäre besser den Vorschlag gemacht zu haben als nix zu sagen.
Netter Gruß
Beim Instrumentenverstärker entscheidet die Genauigkeit der Widerstände auch über die Genauigkeit der Gesamtschaltung, allerdings nur auf die Differenz der Eingangsspannung bezogen. Nur das Verhältnis der Widerstände zueinander muss optimal sein, weil sonst die Gleichtaktunterdrückung leidet, und da beisst sich die Katze dann auch in den Schwanz. Der Vorteil ist nur, dass die absoluten Widerstandswerte egal sind - solange die Verhältnisse stimmen.
Hallo Ethan
der Vorschlag mit dem Differenzverstärker halte ich für den Besten. Wenn Geld keine Rolle spielt, ist der Isolationsverstärker ein Tip. Der Instrumentenverstärker passt hier nicht. Als Differenzverstärker ist er zwar Spitze, hat aber Probleme mit dem Gleichanteil des Signals.
Gerhard
Der klassische Instrumentenverstärker - also der Differenzverstärker mit den beiden davor geschalteten OPV, die die Eingangsimpedanz anheben sollen und ggf mit gemeinsamem Fusspunktwiderstand auch noch eine Verstärkung bei bleibender hoher Gleichtaktunterdrückung bringen - ist hier in der Tat fehl am Platze, da man damit das eigentliche Problem, dass die OPVs nämlich für die jeweils höchste auftretende Spannung geeignet sein müssen, gerade wieder neu aufrollt. Weiss auch nicht, was mich da vorhin geritten hat. Also nur Differenzverstärker, Iso-Verstärker ist IMHO reichlich unnötig und zu teuer, allerdings müssen die Widerstände schon ziemlich genau ausgemessen werden
Vielen Dank an alle, ich glaube auch ich werde es erstmal mit dem einfachen diff-verstärker probieren. Da der Akkupack max 60V hat (und auch zukünftige Versionen nicht über 72V gehen werden) ist es eigentlich mit dem oben genannten AD822 (entspricht 2x AD820) ganz gut getan (single supply bis 36V).
Habe mal angefangen es in Eagle zu gestalten. Ich dachte so an 100k Widerständen für alle R1,R2 - oder soll ich noch größere nehmen? Die linken Pins sind die Akku Meßpunkte (ganz unten Masse, dann nach oben 3.6V, 7.2V, etc. - der Abgriff in der Mitte ist bei ca. 20-30V (je nach Ladung) (das hielt ich für besser als die Spannungsversorgung auch noch über Spannungsteiler laufen zu lassen). Wenn ich für alle Widerstände 0,1% nehme dann bin ich so präzise wie es halt ohne Riesenaufwand geht - das muß reichen.
Ich merke grad, das wird so nix, bei 0.1% Widerständen kann bei 60V ein Fehler von 60mV entstehen, das ist für mich unbrauchbar. Seufz. Geld spielt schon eine gewisse Rolle, die Schlatung sollte möglichst 100-200 EUR nicht übersteigen. Aber damit sollte man doch hoffentlich was realisieren können?
Also doch zurück zu 14 einzelnen Insel-Messungen mit optokoppler-digitalbus?
Das habe ich schon als Multiplexer mit Relais gesehen.
Fernmessung mit Gebäudeautomation.
Dort hatte ich aber mehrfach ein Problem mit klebenden Relais-Kontakten.
Ein defektes Relais hat durch Spannungsverschleppung gleich mehrere Anlagen lahm gelegt.
Die unteren Zellen mit Differenzverstärker zu bestücken macht eigentlich nicht viel Sinn, musst mal ausrechnen, wo der Fehler mit Differenzverstärker kleiner wird als mit reinem Spannungsteiler. Was die Genauigkeit angeht bleibt Dir nun wohl nur noch, genauere Widerstände zu kaufen, bei den OPV musst Du auch auf die Offsetspannung achten, und vor allem geanaue Referenzen für den ADC. Und da Du 13 bit für 10mV bräuchtest, sollte der Wandler 14 bit fehlerfrei bei der geforderten Geschwindigkeit leisten. Wenn Du an jeder Zelle einzeln misst, brauchst Du für 1mV einen 12 bit ADC, für 10mV 9 bit. Die Anforderungen an die Referenz sinken auch, ich würde zwischen Messstelle und Wandlereingang aber auf jeden Fall noch einen Schutzwiderstand oder Spannungsteiler (wenn zB die A/D-Referenz 2,5V hat!) schalten, bei vielen Wandlern wird dann noch ein OP fällig, weil die Eingangsimpedanz ein bisschen unmöglich ist und 12 bit dann sicher nicht mehr drin sind. Dort für 1mV auch wieder: geringer Offset! OP07 oder so hat max 75uV. Dann musst Du Dir nur noch Gedanken machen, wie Du das Ganze abschaltest, oder ist das Akkupack dauerhaft belastet oder am Ladegerät, so dass die Schaltung ruhig immer dran bleiben darf? Wenn nein kämen MOSFETs o.ä. zum Zu- und Wegschalten der Messschaltungen hinzu. Unter Kosten- und Realisierbarkeitsgesichtspunkten ist Dein aufwändiger Vorschlag am Ende vielleicht der Einfachste, wenn man für 9 bit mit den 10 bit ADCs im ATmega auskäme mit Sicherheit sogar, aber das solltest Du genau prüfen. Andererseits gibt es von Maxim und evtl TI 12-,14- und 16-bit-ADCs im SOT23-6 Gehäuse, die zumindest bei 1000er Abnahme im 2-Euro-Bereich liegen dürften.
MicroTex
20.07.2006, 10:47
hmm, die idee mit den kondensatoren lässt mir keine ruhe.
ist nur so eine idee, keine ahnung ob es auch realisierbar ist:
wenn du die zu messenden spannungen zuerst modulierst (hier dürfte das hauptproblem liegen) und danach die ganze geschichte per kondensator entkoppelst. man könnte die zu messenden spannungen mit einem rechtecksignal (am einfachsten) multiplizieren und hätte so auf der anderen (entkuppelten) seite des kondensators ein proportionales signal, das um einen beliebigen nullpunkt schwankt. dann noch gleichrichten und tiefpassfiltern vor dem messen
die schaltung vor den kondensatoren müsste mehrfach für jede messspannung gebaut werden. die signale nach den kondensatoren könnte ev per multiplexer auf eine einzige schaltung geführt werden...
hab das ganze nicht genau durchgedacht und zum hauptproblem der modulation hab ich zu wenig erfahrung. sollte einfach ein gedankenanstoss sein...
könnte aber relativ genaue messwerte liefern (abhängig von der modulationsschaltung)
in diesem fall könnte ein klebendes relais sogar einen brand auslösen (>1000A Strom möglich), keine gute idee :-) müßte ich mit Sicherungen absichern. Außerdem zu energieverschwenderisch, zu altmodisch, zu laut, zu klobig, einfach uncool ;-) und auch nicht grad billig. und übrigens, inwiefern löst das überhaupt mein problem? wenn ich batterie nummer 13 "einklinke" dann messe ich z.B. zwischen den punkten 50V und 54.2V, gegenüber der Masse der Meßschaltung, auch dies müßte ich "runterteilen" und genau hier liegt das problem.
Hallo !
> ich möchte an einem Akkupack, bestehend aus 14 in Serie geschalteten
> Zellen á 3.6V, jede Einzelzellenspannung überwachen, mit ca. 10
> Meßwerten/Sekunde, um das genaue Verhalten bei bestimmten
> Stromentnahmen zu studieren/protokollieren.
Ich würde auch sagen, Du multiplext das ganze, am einfachsten wirklich über Relais ... dann kannst Du Zelle für Zelle messen, und der A/D des uC reicht hierfür völlig aus :-) Sprich 3,6V kannst Du ohne Spannungsteiler auf den uC (max. 5 V) geben, Refernzspannugnsquelle nicht vergessen :-)
Da beim Messen so gut wie kein Strom fließt, sehe ich die Gefahr gering, daß die Kontakte kleben. Kannst ja vorsichtshalber nach Abschalten des Relais auf 0-Spanung kontrollieren ;-)
Pro Messung braucht der mega128 z.b. ca. 200 us !
Alternativ wäre eine Sammlung von uCs mit A/D -Wandlern pro Zelle, die über RS485 vernetzt werden, dann kannst (mit einem RS485 als Pegelwandler) die Daten gleich in den PC holen ... so könnten alle uCs permanent Messen und Werte zur Abholung bereitstellen. Zu beachten wäre, daß Du "Platz" lassen mußt zw. den Messungen, damit ein Datentransport möglich ist :-)
Viel Erfolg,
Vajk
Die Schaltung darf ruhig ständig aktiv sein, der Akkupack hat 200Ah, und der Strombedarf dürfte deutlich unter 100mA liegen... hmmm das wären aber auch nur 2000 Stunden = 83 Tage, so unbedeutend ist das auch wieder nicht... argl :-) ... okay, der Strombedarf soll möglichst unter 20mA liegen :-) das wird nicht leicht... Naja mit 100mA kann ich leben, denke ich.
Ich favorisiere momentan tatsächlich 14 einzelne ATtiny's die einfach die Einzelspannungen über optokoppler mit PWM dauerhaft (mit ca. 10Hz) ausgeben, die 14 Koppler häng ich dann einfach an einen größeren ATmega oder so, und lese nacheinnader alle eingänge per PWM ab.
Übrigens, diese Schaltung wird auch vom besagten Akkupack mit Spannung versorgt --> ich verstehe immer noch nciht, inwiefern die Relais-Lösung das problem der präzisen spannungsteilung umgeht, da die referenzmasse für die A/D messung ja immer am Batteriepack-Minus liegt.
Eine Möglichkeit wären auch noch getrennte Spannungs-Frequenz-Wandler.
z.B. der AD651
Dann die Sache per Optokoppler übertragen und die Frequenz messen.
Allerdings kostet von dem Typ einer bei Reichelt schon 8€
Möglicherweise ist die Lösung mit dem ATtiny in deinem Fall geeigneter, aber den AD651 muß man nicht programmieren.
öhm ... PWM als Datenübertragung nutzen, öhm ? Das verstehe ich nicht, wie das gehen soll!
I2C wäre da wohl geeigneter! Oder RS485 nutzen, wenn gleich Daten auf PC übertragen werden sollen. RS232 ist kein Multi-User-Bus, RS485 schon! I2C ginge notfalls auch zum PC direkt. I2C ist aber nur ein Gerätebus für kurze Leitungen.
Relais-Lösung - 2 polig Ein natürlich ;-) - hatte ich vergessen zu schreiben:
- Spannungsversorgung der uC-Schaltung separat
- mit 2poligem Relais jeweils eine Zelle auf den A/D-Wandler schalten, also genau so, wie Du jede Zelle mit einem Multimeter messen würdest !
Jetzt klar ? Denke die Relaislösung wäre das preiswerteste :-)
Relais:
Solange keiner lärmempfindlich ist geht das bestimmt irgendwie. Bei 10 Messungen/sek sind das 140 An und Abschaltungen in der Sekunden.
Und irgendwie muß man mit 14 Relais auch immer Stromaufnahme achten.
Und mit den Schaltzeiten wirds dann auch irgendwann eng.
Ich dachte an PWM weil keine bidirektionale Kommunikation benötigt wird. Der A/D Wert wird einfach PWM o.ä. moduliert, und dann "horcht" der Master-Controller einfach hin, wenns ihn interessiert (also alle 100ms für einige ms) und hört halt nicht hin, wenn nicht :-) ist einfacher zu programmieren (zumindest slave-seitig) als i²c oder rs485 oder...
bei einer "geregelten" kommunikation bräuchte ich schon mal optokoppler auch in gegenrichtung...
Wenn Du alle 14 Kanäle einfach so zusammenschalten willst (so habe ich Dich verstanden) hast Du einen Matsch von Impulsen. Willste nen Korrelationsempfänger einbauen ;) ?
Eine serielle Datenübertragung ist wohl die einfachste Variante, dann aber wirklich mit zwei Optos: Startbefehl mit Wandleradresse über den ersten OK an alle Module senden, das angesprochene misst und schickt sein Ergebnis über den anderen Opto zurück, auf Hauptcontrollerseite sind alle Sendedioden der einen und alle Fototransistoren der anderen Richtung parallel geschaltet. Alle Verfahren, die die Spannung als Frequenz oder Puls-/Pausenverhältnis und nicht direkt als Zahl übertragen bringen wieder neue Einbußen an Genauigkeit mit sich. Dass Du die Schaltungen aus den Zellen versorgen willst legt nahe, dass Du die Schaltungen für 3V-Betrieb auslegen solltest, dann brauchst Du auch keine "Kunstgriffe" wie zB die Versorgung aus der jeweils folgenden Zelle abzugreifen.
Alle, die hier nach wie vor Differenzverstärker favorisieren: wenn man die Relaiskontakte in Reihe schaltet (zwei Wechsler, die in Ruhe jeweils die "Kette" durchverbinden) ist die Kurzschlussgefahr insofern reduziert, als das dann ein Relais schon innerlich zerfallen muss, elektrisch bekommt man damit keinen Schluss hin. Übergangswiderstand spielt bei hinreichend großem Eingangswiderstand des Differenzverstärkers keine Rolle, nur die Relais müssen hermetisch dicht sein und hochwertige Kontakte haben. Für den Verstärker würde ich 0,1- oder 0,05%-Widerstände nehmen, wertmäßig die, die gerade günstig sind (und dann den Rest anpassen) und die Kontakte am Ende der Relaiskette dazu benutzen, eine Referenzspannung einzuspeisen, die wahlweise zB. 5V mit einem Offset von 30V ist (einfach mitten in der Kette abgreifen, soll nur die nichtoptimale Gleichtaktunterdrückung kalibrierbar machen) oder 0V mit demselben Offset, so dass Offset und Gain vor jeder Messung kalibriert werden können. Dann müssen die Widerstände nur noch so genau sein, dass die Ausgangsspannung unter keinen Umständen den für OPV und ADC zulässigen Wert verlässt.
Aufwand hier: ein genauer Diff-Verstärker, ein 14- oder 16-bit-ADC, ein paar genaue Widerstände (vier Stück genau genommen), eine floatende schaltbare Referenz, eine Referenz für den ADC und 14 2xUm-Relais samt Treibern.
Die volldigitale Lösung: 26 Optokoller (unterster Kanal kann ja ruhig auf Masse sitzen), 13 Controller für die Knoten, einer für die Abfrage von dem ganzen Gedöns, 14 Referenzspannungsquellen.
Auch wenn die Opto-Lösung ihren Charme hat: die Relaisklapperei gefällt mir nach wie vor besser. Ich habe TK-Anlagen-Abfragegeräte (Strörungsprüfung) so realisiert, weil Forderung war, dass auf gar keinen Fall a/b-Anschlüsse untereinander verschaltet werden können dürfen (?!).
Als Relais: 2xUm von Finder (1,50 EUR?), passen hier auch. Vier Präz-Widerstände, ein genauer OPV, ein AD7705 oder so (ADC), ein ATmega, zwei ULNs für die Relais, LT1004 als Referenzen und ein bisschen nachdenken. Das bleibt bei der seriellen Übertragung aber auch nicht aus...
EDIT: Schalthäufigkeit! Ganz übersehen! Wenn sekündlich oder öfter gemessen wird bloß keine Relais, ich geb' auf, die digitale Lösung hat doch ihre Berechtigung. Aber die 3V werden eng: geringe Referenz, geringer Störabstand,... vielleicht doch lieber bei der nächsten Zelle klauen gehen, wird dann nur schwierig bei der letzten - dort vielleicht symmetrisch speisen und im Mittelpunkt messen, so könnte man gleich zwei Messwerte (letzte/vorletzte Zelle) umschaltbar machen - je nach Umschaltaufwand würden sich vielleicht sieben solcher Schaltungen anbieten, bei einem so brav skalierenden Aufwand wird die Ersparnis offensichtlich :)
Hmmm .. ja bei der Relaislösung wirds laut ... hatte nicht auf die 10Messungen/sec geachtet ... Stromaufnahme - ist ja immer nur ein Relais kurz aktiv ... allerdings gebe ich Dir recht, auf die Schaltzeiten muß man auch achten ... dann die 14-fach-uC-A/D-Variante wohl besser .. oder gibts nicht auch einen A/D mit I2C .. grübel ...
Also den Empfang von PWM kann ich mir nicht vorstellen, Du müßtest das doch Abtasten und da nicht bidirektional, gibt es Kollosionen .. ne ne - wie soll das funktioniernen ? Guck Dir mal den Link zu PWM an ... PWM ist eine Methode (die ich noch nicht nutzen mußte) zur Ausgabe einer Spannung ....
Und was soll I2C bringen? Optos braucht er trotzdem, und wenn er die 10bit-ADCs im ATmega verwendet, ist wohl kein separater ADC billiger. Mit meinem letzten Vorschlag, die Schaltung aus 5V zu speisen, daher an zwei Zellen anzuschliessen und die dann auch beiden über ein Modul zu messen bräuchte man auch nur noch 7 Module.
Spannendes Projekt, solche Aufträge sollten die Kunden mal anschleppen und nicht irgendwelche Lampenüberwachungsschaltungen für Yachten. Natürlich nur Beihilfe zur Selbsthilfe, sprich: nachbaufertiger Schaltungsentwurf, ansonsten müsste ich ja ständig dafür bezahlen, dass ich irgendwann mal 30 Tonnen Dönerfernseher aus Stuttgart entsorgen darf. Dieser Seitenhieb auf Elektroschrottgesetzt und EAR ist obligatorisch und unbedingt zu tolerieren :)
Abhängig von dem, was Du da erforschen willst und der Gesamt-Meßdauer - Relais leben nicht ewig - ob es im stationären Zustand, also Netzspannung verfügbar ist oder mobil erfolgen soll, ist die Relaisvariante die einfachere !
Das Problem ist die Entkopplung der Meßeingänge!
Ein uC-A/D (mit eigener Spannung und Referenzspannung) und Relais und gut is.
Der andere Weg ist, jeder uC_Slave bekommt seine eigene Batterie zur Spannungsversorgung, getrennt vom Meßobjekt. Auf Bus-Seite ist Opto-Entkopplung dann angesagt !
Du kannst auch auf einen RS-Bus verzichten und über einen 8-Bit-Bus plus Adressleitungen die Slaves direkt ansprechen ! Dann muß der Master nur Sammeln und weiterleiten .... Idee verstanden ?
Oh man was ein Thema,
am Anfang hab ich gedacht das die Sache voll easy zu lösen ist aber nu, mit den Bedingungen wirds echt eng.
... öhm es geht nicht, die Messpannung als Versorgungsspannung zu nutzen.
Separate Spannungsversorung ist hier schon angesagt, dann muß man auch nicht die Referenzspannung irgendwie zerhacken ...
Und die Datenübertragung als Ein-Draht-Bus, sprich 14 Slaves mit jeweils einem Optokoppler die am Haupt-uC jeweils auf einem Pin ankommen ... die Slaves können also permanent die gewandelten Werte senden, der Master muß ja nur die Pins abtasten, alle 100ms ein neuer Wert, 100ms/14 = rd. 7 ms für die Übertragung Zeit .. also wohl machbar ;-)
edit: hätte auch den Vorteil, daß eine Synchronisation vom master zu den Slaves entfallen kann und softwaremäßig über Startbit-Sequenzen stattfinden kann
Die Refernzspannung mit 5 V würde ausreichen, weil 5 / 1023 = 4,9 mV
Stromversorgung der Slaves:
bei Reichelt kostet eine 4,5Volt Batterie 1,1 EUR ...
und nicht viel Aufwand .. kommt wie gesagt auf den Zeitraum an, wie lange das Studieren des Zellenverhaltens bei Stromentnahme gehen soll ...
.. alternativ könnte man auch mit Übertragern und anschließender Gleichrichtung jeden einzelnen Slave versorgen ... aber 4,5-Bat sind preiswerter :-)
" ... bei bestimmten Stromentnahmen zu studieren/protokollieren."
.. und mich würde noch interessieren, warum das Ganze ?
Da Du wohl die 14-Zellige Gesamtbatterie nutzt, wozu dann die Beobachtung der Einzelzellen - für eine langfriste Beobachtung würde die Relaislösung und weniger Messungen ausreichen. Wie stark wird die Gesamtbatterie belastet, spielt nicht auch das Temperaturverhalten der Zellen eine Rolle.
Aua, kaum bin ich 2 Stunden weg, ist hier die Hölle los ;-)
Also: Die Schaltung soll non-stop betrieben werden (jahrelang, deswegen keine Relais), ohne Netzspannung, mobil (in einem PKW) (deswegen ungern mit getrennter Spannungsversorgung bzw. Referenzspannungen).
@shaun: Ich hatte natürlich nicht vor alle PWMs parallel zu schalten, sonden, wie vajk (zuletzt) richtig vermutet, jeden der 14 PWMs über einen eigenen Optokoppler an einen eigenen digitalen Pin eines Master-µC zu hängen.
Ich sehe keinen Grund, die Insel-Versorgung der slave-µC's nicht direkt am zu messenden Akku abzugreifen. Natürlich muß ich dann daraus eine Referenzspannung erzeugen, um selbige zu messen. Hierfür könnte ich die 2.56V interne Vref des ATmel benutzen (wobei ich hierüber widersprüchliche Präzisionsaussagen gelesen habe, von 4% bis 0.5%), oder eine externe Präzisionsreferenzspannungsbaustein (wobei ich auf Anhieb keinen kenne, vielleciht hat jemand einen Vorschlag? 2.5V wäre gut). Die Idee war, die Akkuspannung (die übrigens zwischen 2.8V und 4.3V schwanken kann) durch 2 zu teilen (2x100k 0.1% Widerstände) und dann die 1.4V...2.2V anhand der Referenzspannung 2.54V zu messen.
.. und mich würde noch interessieren, warum das Ganze ?
Es geht (wie Ihr vielleicht aus der 3.6V Zellenspannung schon vermutet habt) um eine große (200Ah) Li-Ion Batterie. Diese wird in einem Elektro-PKW eingesetzt und beim Beschleunigen stark belastet (bis zu 450A) sowie beim Bremsen aufgeladen. Um die Lebensdauer der Batterie zu maximieren, ist es nötig, streng auf die Grenzwerte bei Be- und Entladung zu achten. Weiterhin muß beim Ladevorgang der Strom fein abgestimmt werden auf die einzelnen Zellenspannungen, wenn die ersten Zellen 4.2V erreichen muß an dieser Zelle der Ladestrom teilweise vorbeigeleitet werden, damit diese Zelle nicht mehr geladen wird, aber die restlichen weiterhin schon, damit am Ende alle gleichmäßig voll sind. Durch die genaue Protokollierung der Einzelspannungen in Abhängigkeit von Lade/Entladestrom können einzelne schwache Zellen frühzeitig erkannt und ausgetauscht bzw. umsortiert werden. Schließlich soll eine Langzeitprotokollierung auch ermöglichen, im Nachhinein Mißbrauch (überladung, unterladung) nachweisen zu können. Während der Prototyp-erprobung möchten wir aber in Zehntelsekunden-Auflösung beobachten können, wie sich der Tritt aufs Gas- bzw. (Elektro)Bremspedal auf den Akkupack auswirkt.
Natürlich "geht es", die Speisung aus der Messspannung vorzunehmen. Ich habe gerade keine Lust, möglichst blöde Beispiele zu bringen, aber es gibt absolut keinen Grund, der dagegen spricht. Nur muss die Spannung halt reichen - daher mein Vorschlag, die Schaltungen jeweils über zwei Zellen zu betreiben, Masse der unteren ist Sub-Schaltungsmasse, Mittelpunkt ist die 1. Messspannung, Pluspol der oberen Zelle ist zweiter Messpunkt und Eingan eines 5V-LDOs, bei min 2x2,8V kannst Du 0,6V verdroppen, das reicht locker. Als Referenz hatte ich vorhin einen LT1004 vorgeschlagen, der reicht von der Genauigkeit gerade so zur Li-Ion-Ladung, für Deine Anwendung sollte es also allemal passen. Je genauer desto teurer, das ist ja klar. Auf diese Weise hast Du zwar zwei Spannungsteiler, aber mit einem überschaubaren Bereich und Du kommst mit 0,1%-Widerständen locker hin (für 10mV Absolutgenauigkeit ohne Kalibrierung, mehr gibt der eingebaut ADC eh nicht her). So hast Du nur 7 Leitungen, die Daten ausgeben, 7 Optos, 7 AVRs an den Messpunkten usw. Wie gesagt, der untere Block liegt eh auf Akkustrang-Masse, braucht also nicht mal einen OK sondern kann direkt durch den Master-Controller gemessen werden. PWM ist nach wie vor problematisch, weil Du den Messwert in eine Pulsbreite umsetzt, und um die am Master wieder in eine Zahl zurückzuwandeln musst Du mindestens ein halbes Bit genau auflösen, für 10bit brauchst Du also 1024 Schritte und musst auf 2048 genau messen, um Bits unterscheiden zu können - irgendwie sinnlos, wenn es seriell mit 10 Schritten insgesamt geht, an den Messblocks einfach mit den UARTs drauflos senden und im Master 6 Soft-UARTs für die 6 verbliebenen galvanisch getrennten Blöcke.
Stimmt, PWM ist wahrscheinlich nicht so gut geeignet wie eine normale serielle übertragung (UART), sofern diese schnell genug erfolgt, muß aber nur mit 10Hz je 2 bytes übertragen, also 20 bits pro 1/10 sekunde, also 200 bps :-) der hauptcontroller sollte dann möglichst in der lage sein, 6 (oder 7 oder 14 oder wieviele auch immer) serielle Datentröme parallel zu empfangen - bei 300bps ist das aber keine kunst, denke ich.
Hmmm, vielleciht ist die RS485 Idee noch nciht so verkehrt, auch wenn dann 28 statt 14 OKs gebraucht werden, dafür aber nur eine schnittstelle am Master. Allerdings hab ich dann einen deutlich höheren Protokollaufwand. Und hinzu kommt, daß dann die slave's eindeutige kennungen haben müssen, und nicht alle 100% identisch programmiert sein können. Nee, gefällt mir doch nicht so gut :-) auch wenns irgendwie schöner wär. Aber einfacher ist oft besser, am Ende.
Danke für die Informationen !
Also PWM ist in meinen Augen "echt daneben" .. vorsichtig ausgedrückt - das wäre ein nutzloser Overhead !
Wie gesagt, 1-Bit-Daten wären Ideal, wenn es einen Master-uC gibt.
Und RS485 die einfachste, wenn es einen zentralen PC gibt, der sowieso alle Daten mißt, ideal für Optokoppler-Betrieb, da Du Pegel nur "0 oder 5" Volt :-)
Übrigens die Slave-Adresse (4-Bit) kann man auch über Lötbrücken oder Dip-Schalter realisieren, muß nicht in der Software stehen - das ja nun wirklich
kein Problem.
Und der Protokollaufwand ist doch simpel: Master sendet Slave-ID und Slave antwortet mit ID + Spannung + CHecksum ... fertig .. simpeleinfach !
... by the way, wo bekommt man so schöne 3,6-Zellen am Besten für wenig Geld ... 4 Stück a 20 AH würden mir reichen :-)
Diese 14x200Ah kosten rund 4000€ direkt aus China ( www.thundersky.com ) und die haben nur Akkus ab 90Ah, glaube ich. Bei kleineren Mengen evtl. bei www.reapsystems.co.uk fragen.
Wieso wird mein Vorschlag, 6 Module plus eine "Basis" jeweils zwei Zellen kontrollieren zu lassen, eigentlich konsequenz ignoriert? Nur so lässt sich mit Standardbauteilen und vernünftig hoher Referenz arbeiten, mit einem Modul je Zelle stehen nur 2,8V zur Verfügung, also kommt nur 2,5V-Logik in Frage, 1,2V-Referenz usw. Mit meinem Vorschlag: gleiche Anzahl von Präz-Widerständen, nur unterschiedliche Werte, Messung direkt mit dem AVR an 5V, 2,5V Referenz und dadurch höherer Störabstand und nicht zuletzt nur 6 Messblöcke!
RS485 ist definiert als bidirektionale Halbduplex-Übertragung über ein symmetrisches Aderpaar mit Spannungspegeln bei +/-0,2..+/-7V und einer Commom Mode-Spannung von ganz sicher nicht den geforderten 60V, also redet ihr hier irgendwie an der Sache vorbei. Wenn die Messungen wirklich gleichtzeitig erfolgen sollen und nicht im Abfragezeitfenster verstreut bietet sich eine Synchronisation an, dann würde ich Optos für beide Richtungen vorschlagen und ein Protokoll in der Art von: "00"-jetzt alle Wandlungen starten, "01" Nummer 1, Dein Wert bitte usw. Das Ganze als simples UART-Protokoll mit 10-20kbit/s, damit die Optos billig bleiben.
Apropos Einfacher - bitte mal wirklich lesen - mit meinem Protokollvorschlag hast Du Synchronizität der Messwerte garantiert und kannst die UARTs der Block-AVRs und den des Mastercontrollers einsetzen und musst kein serielles Protokoll in Software basteln!
Geld spielt schon eine gewisse Rolle, die Schlatung sollte möglichst 100-200 EUR nicht übersteigen.
Diese 14x200Ah kosten rund 4000€ direkt aus China
Shaun: Vielleicht waren wir einfach zu faul es gedanklich komplett nachzuvollziehen :-) also so ganz habe ich noch nicht alles verstanden: Du willst Zelle 1 direkt mit dem Master's ADC messen, ok. Aber wieso paarweise zusammenfassen, und wie "umschalten"? Und 2 Zellen in Serie geben einen möglichen Spannungsbereich von 3V...8.5V, da brauch ich dann schon je einen Regler um die Max.Spannung für den AVR auf 5V zu halten. Und was nehme ich als Referenz? Mach doch bitte mal eine kleine Skizze :-)
Ich hatte vor, die Akkuspannung (das Minimum, 2.5V reicht ja für den Betrieb) als Vcc zu benutzen, dann zu halbieren und dies mit der internen 2.54V referenz zu vergleichen, damit hab ich den gewünschten Meßbereich.
Übrigens: Über die Synchronität machen wir uns weniger Gedanken.
@Babbage: Die Akkukosten sind von uns nicht beeinflußbar, es gibt derzeit keine Alternativen. Die Schaltungskosten schon. Das ganze Auto kostet am Ende vielleicht 20.000 EUR aber um da überhaupt drunter zu bleiben müssen wir jeden Eur dreimal umdrehen.
RS485 ist für den Betrieb von Multi-Slave / Multi-Master geeignet, RS232 nicht.
Wenn Du dem RS232-Ausgang des uC einen Tri-State-Baustein davor setzt, kannst auch gleich RS485-Treiber nehmen ! Die Optos entkoppeln die RS485-A/B-Leitung vom Bus .. also nix 60 V sondern 0/5 V !
Aber da eh alles vermutlich auf einer Platine landen wird und zum Optokoppler-sparen wäre die 1-Bit-Datenleitung von Slave zu Master und 1-Bit für die Master-zu-Slave-Adresse ideal ... damit kann man den Meßzeitpunkt gleichzeitig starten (wenn überhaupt nötig) und die Module der Reihe nach Abfragen. Auf den Leitungen sendet imme nur einer ...
Nix simpleres als eine Leitung zu klappern, oder ?
Die Idee mit den zwei Zellen finde ich in Ordnung, durch die Spannungsteilung werden die geforderten 10mV Genauigkeit gewährleistet.
@arnolde
O:) Schon OK, kam mir blos merkwürdig vor.
So, "heute" ist es mir etwas zu spät, aber morgen gibt es im Laufe des Nachmittags ungefragte Meinung von mir in Form eines Schaltbildes für meinen Lösungsvorschlag, egal, was bis dahin noch gepostet wird. Die Zeit, die ich hier schon rumklapper geht mittlerweile in Richtung Projektanalyse, und das kostet im Normalfall schon Geld. Gut, hier profitiere ich auch selbst für meine eigenen Projekte und das ist mir wichtiger als Geld, aber ich wollte es gesagt haben, falls nachher jemand meinen Vorschlag bereits in Wort oder Bild reinstellt - ich gucke vor morgen 14h sicher nicht hier rein, weil ich bei einem Kunden zu tun habe, zu Hause male ich dann bevor ich wieder in die Werkstatt abhaue einen Plan und dann könnt ihr euch darüber die Mäuler zerreissen, ich bin gespannt, denn mitunter ist der Wald so voller Bäume...
Nochmal zu RS485: die A- und B-Leitungen sind nie dafür gedacht gewesen, optoentkoppelt zu werden, das sind symmetrische Leitungen mit einem rein ohmschen Abschluss mit Wellenwiderstand usw. Verwechselt doch bitte nicht irgendwelche häufig angewandten Protokolle in Anlehnung an Standards und wirkliche Standards. Gut, RS485, das sagt der Name, istg nur ein Vorschlag, aber er spricht ziemlich klare Worte über den ersten Layer, und der sieht Kupfer vor, keine Optos...
Einigen wir uns doch darauf, daß das reine Softwareprotokoll aus RS485 interessant sein könnte bzw. gemeint war, wenn auch mit anderer physikalischer Realisierung.
Ich bin gespannt auf Deine Skizze, (Deine Meinung ist nicht ungefragt, ich hatte doch danach gefragt) - mich würd schon interessieren wie Du das meinst!
Wie groß ist eingentlich die Stückzahl für die Lösung?
Ich wollt nur daran erinnern, dass Teiler mit Präzisonswiderständen zunächst übergangen wurden weil sie auch mit 0,1% nicht genau genug sind.
Man kann sicher aus einem Vorrat an guten Metallfilmwiderständen eine ausreichende Anzahl gleicher Widerstände mit 0,01% und weniger Abweichung ausmessen, die diesen Wert auch sicher halten.
Alternativ (eher besser), kann man einen stabilen Teiler kalibrieren.
Die Teilungsverhältnisse werden extrem stabil sein wenn man sie mit anderen Lösungen vergleicht.
Manfred
Zunächst wird nur eine Ausführung benötigt, evtl. in einem halben Jahr dann 50 oder so, die dann aber durchaus eine andere Ausführung haben können (z.B. diese brauchen keine 10Hz Meßtakt sondern da würde es alle paar Sekunden oder Minuten reichen (evtl. dann doch relais?))
arnold e: was spricht gegen den 1-bit-bus: Vorteil wenig Hardware, Softwaremäßig auch synchrone Mess-Starts möglich ?
@shaun: natürlich hast Du Recht, was RS485 betrifft, jedoch war meine Überlegung, daß Du, wenn Du eine serielle Kommunikation nutzen willst und da mehrere Slaves an diesem Bus teilnehmen wollen, Du ein Tri-State-Gatter einsetzen mußt, ... hmmm .. grübel .. das könnte auch entfallen, wenn die Optokoppler vorgeschaltet sind, weil sich die Leitungen dann nicht gegenseitig beeinflussen ...
.. wieder ein Baumbestand gelichtet ..
arnold, wegen der Optos kannst Du auch die normale RS232 auf TTL-Basis nutzen, brauchst dann nur eine Wandlung via RS232 zum PC hin :-)
Um es Multi-Modul-fähig zu gestalten mußt Du Dir eh (egal RS485 oder RS232) ein Protokoll ausdenken, daß die Slaves einzeln anspricht, so daß nur der angesprochene sendet ...
.. außer Du machst es so wie irgendwo weiter oben schon geschrieben, mit 1-Bit-Bus Datenleitung pro Slave zum Master hin ...
Soll das so etwas werden ?
https://prof.hti.bfh.ch/fileadmin/home/mik1/BALADUM.pdf
Batterie-Ladegerät mit automatischer Umschaltvorrichtung zur Ladung von Batterien, welche aus mehreren in Serie geschalteten Batterieblöcken bestehen.
Nein, damit hat dieses Projekt kaum etwas gemeinsam.
Eine weitere Möglichkeit wäre ein Spannung->Strom - Wandler an jedem Element.
Über Bürden am Fußpunkt der Serienschaltung und einem Multiplexer vor dem Controller kann die Messung stattfinden.
Die Genauigkeit sollte man hinbekommen, da hab ich mir noch keine Gedanken gemacht.
https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=13470
Gruß Stupsi
@stupsi
Habe auch schon überlegt ob das irgendwie gehen könnte.
Das Problem bei der Sache ist das du immer noch einem Potentialunterschied von über 60V haben kannst.
An so eine Lösung hatte ich auch schon gedacht. Aufwand: Pro Zelle ein OPV, drei Präzisionswiderstände und ein ganz kleines bisschen Hühnerfutter. Die 60V sind kein Problem, solange über der Bürde immer ein für den umschaltenden Baustein zuträgliche Spannung abfällt. Kalibrieren wird man sowieso müssen (auch in der digitalen Lösung), insofern sind die Anforderungen an die Bauteile nicht wirklich riesig. Ich male mal auf, was Du da vorgeschlagen hast und wie ich mir das vorstelle und poste es nachher zusammen mit den beiden versprochenen Handskizzen für die digitale Variante.
UPDATE: Hab meine Ideen für die digitale Messung und den neuen Vorschlag mit den Stromquellen an den Akkus mal zu Papier gebracht (geschmiert triffts wohl eher). Der Aufwand der Analoglösung ist natürlich bestechend, und da die Ungenauigkeiten der Bauteile hier immer nur eine Zelle treffen und nicht von Zelle zu Zelle stärker wirken bleibt es auch überschaubar. Da die digitale Variante auch kalibriert werden müsste, wenn man nicht gerade exquisite handverlesene Bauteile einsetzt scheint mir eine gute analoge Lösung die Beste zu sein. Die Z-Dioden vor dem Multiplexer müssen übrigens unbedingt sein, weil sonst alle nicht aktiven Stromquellen ihren Strom über die Schutzdioden des CMOS-IC ableiten, das sollte man vermeiden. Variante 1 besteht aus 14 Stromquellen mit dem Problem, dass durch die min. Spannung von 2,8V/Zelle bei der untersten fast nichts für die Bürde bleibt, also alle 14 verstärkt werden müssen - weitere Fehlerquelle! Mit Vorschlag zwei werden 2-14 mit Bürde gemessen, die unterste direkt über einen 2. A/D-Kanal. Du brauchst hier nur eine Referenz, da kann dann was etwas Hochpreisigeres rein, 14bit-ADC dahinter und dann alle Kanäle einmal in Software kalibrieren, dann kommst Du ggf sogar mit 1%-Widerständen hin - immerhin auch ein Kostenunterschied von ca. 1:10!
Hallo arnolde!
Ich möchte nur auf eine Kleinigkeit aufmarksam machen. Was wird unternommen gegen möglicher Umpolung der "schwächsten" Zellen bei 450A Belastung? Zumindest sollten die "Messinseln" dagegen geschützt werden.
MfG
Wegen Li-Ion war ich zunächst davon ausgegangen, dass die Jungs noch Spaß am Leben haben und das daher bereits verhindert wird. Noch ne Schottky-Diode in Reihe zum LDO, oder wenn das nicht reichen sollte halt nen MOSFET, sollte dieses Problem aber dennoch lösen.
Quelle: http://shortnews.stern.de
Elektroauto mit 240 PS: Tesla Roadster vorgestellt
Dass schöne und schnelle Sportwagen nicht immer mit Benzin fahren müssen, hat der Automobilhersteller Tesla Motors bei der Vorstellung seines neuen Elektrofahrzeugs auf einer Party in Los Angeles bewiesen.
Mit Hilfe risikofreudiger Geldgeber wie JPMorgan, Google und eBay entwickelte das Unternehmen aus dem Silicon Valley den Roadster mit 240 PS, der rund 220 km/h Top-Speed schafft.
Nach durchschnittlich 450 Kilometern können die speziellen Lithium-Ionen-Akkus entweder in nur drei Stunden an dem dazugehörigen Ladegerät oder mit einer deutlich längeren Ladezeit an jeder normalen Steckdose "aufgetankt" werden.
Ich wünsche euch, daß man von euch auch irgendwann so eine Nachricht lesen kann und daß euer Projekt nicht von der Mineralölindustrie eingestampft wird !!
... und gibt es etwas Neues ?
Schalte doch 2-polig mit FETs oder Relais. Schalter1 an Masse, Schalter2 an Zelle1, Schalter3 an Zelle2 usw. Du mist dann immer nur die Spannung eines Akku, egal wo sich der in der Reihe befindet. Du brauchst dann auch keine großen Spannungsteiler, die vielleicht das Ergebnis verfälschen. Und die Spannung von 3,6-4 Volt macht doch jeder zweite ADC der in der Lage ist Differenz-Spannungen zu messen.
Du hättest die vorigen drei Seiten vielleicht zumindest mal überfliegen sollen, dann wüsstest Du, warum das so nichts wird. Mit zwei MOSFETs schon gleich gar nicht, dann schon zwei antiserielle pro Leitung, aber das wurde schon aus verschiedenen Gründen verworfen (u.a. Havariesicherheit), ausserdem müsste Deine Messschaltung dann ja floaten.
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