Cómo medir el voltaje de varias baterías conectadas en cadena/matriz en serie o en combinación en paralelo con microcontroladores

Los microcontroladores funcionan a 5 o 3,3 voltios (de aquí en adelante tomaremos en consideración 5 voltios, las técnicas que se enumeran a continuación también se pueden aplicar a microcontroladores de 3,3 voltios). Por lo tanto, sus pines también funcionan con lógica TTL de 5 voltios. Un voltaje superior a 5 voltios puede dañar el pin o quemar el microcontrolador. Los paneles solares, los automóviles, los UPS, los generadores y las baterías de respaldo suelen tener 12 voltios. El microcontrolador no puede medir 12 voltios directamente. Por lo tanto, el divisor de voltaje se utiliza aquí para dividir el voltaje en dos mitades, asegurando que la mitad del voltaje no pueda aumentar en 5 voltios en ningún escenario (carga, etc.). Esta mitad de voltaje se alimenta al microcontrolador para medir el voltaje.

Ahora calculemos los valores de Rtop y Rbottom. Aquí necesitamos que se tomen en serio algunas consideraciones importantes.

• Las resistencias de bajos ohmios pueden consumir mucha corriente y los cables pueden calentarse instantáneamente. En consecuencia, los cables pueden derretirse en segundos. Por lo tanto, utilice siempre una cantidad suficiente de resistencias para baterías de mayor amperaje-hora. Seleccioné una resistencia Rbottom de 10k ohmios.
• Durante la carga, el voltaje de la batería puede aumentar a 18 voltios. Por ejemplo, un panel solar de 150 vatios produce 17 voltios a 6 amperios a pleno sol, el voltaje de salida puede incluso superar los 18 voltios . El controlador de carga solar también produce un voltaje aproximadamente igual a 15 voltios para cargar las baterías.

Mediré el voltaje en Rbottom y decidí que su valor será aleatoriamente de 10k ohmios. Sabemos que Vout puede tener un máximo de 5 voltios, ya que el nodemcu funciona y acepta un máximo de 5 voltios en sus pines de E/S. Vin es de 18 voltios cuando la batería se está cargando (el peor de los casos). Ahora podemos encontrar Rtop.

Ahora, si hay 18 voltios en el lado de la batería, se dividirán entre las resistencias, 5 voltios caerán en la resistencia de 10k y los 13 voltios restantes caerán en la resistencia de 26k. Si la batería no se carga y, digamos, suministra 12 voltios, ¿cuál será la caída de voltaje en las resistencias? calculemos

De la discusión anterior resulta obvio que el voltaje a través de Rbottom no excederá los 5 voltios ahora. Espero que esto tenga sentido para los lectores sobre los cálculos. La pregunta ahora es cómo el nodemcu convierte los 3,33 voltios en 12 voltios o cómo a partir de 3,33 voltios podemos predecir que en el lado de la batería el voltaje es de 12 voltios. Bueno, aquí hay que tener en cuenta un poco más de matemáticas. Dado que los valores de las resistencias son fijos, podemos calcular la relación de voltaje entre las resistencias en relación con la fuente y usarla en el código para el voltaje real en la fuente. La forma en que se calcula la relación se muestra a continuación.

Para realizar el tutorial sobre cómo calcular los valores de resistencia para un microcontrolador con una tolerancia de 3,3 voltios, visite el tutorial a continuación. En el proyecto se presenta un proyecto de demostración con código de proyecto y diagrama de circuito gratuitos.

Las baterías están conectadas en serie para aumentar la salida de voltaje. Por ejemplo, dos baterías de 12 voltios se conectan en serie para generar 24 voltios. Ahora cómo medir el voltaje de baterías individuales conectadas en serie. Vea el circuito a continuación. Se conectan en serie cuatro baterías de 12 voltios para producir 48 voltios.

En el circuito anterior, se utilizan cuatro circuitos divisores de voltaje para medir el voltaje en cada batería. La técnica consiste en medir primero el voltaje en la batería de alto potencial, y no en las baterías de menor potencial, negando el voltaje de las baterías posteriores en la de mayor potencial. Por ejemplo, para el circuito anterior, el voltaje medido en la batería 1 es 48 V y en la batería 2 es 36 V. Negar 48v-36v = 12v nos da el voltaje de la batería 1. Lo mismo si la batería 3 está a 23v. Que 36v-23v da 13v. Entonces, la batería 2 suministra 13 voltios en serie. Se pueden calcular otros voltajes de batería con el mismo método.
En el escenario anterior, para cada batería debe haber un canal analógico dedicado. Para series más grandes de baterías, se necesitan más canales analógicos y los microcontroladores generalmente tienen 8 canales analógicos como máximo. Por lo tanto, este método sólo es viable cuando las baterías en combinación en serie no son más de 4.

Nota: Para el circuito anterior, los valores de resistencia deben seleccionarse usando la misma fórmula dada anteriormente.
Se realiza un proyecto de demostración utilizando la técnica anterior con Arduino Uno. El proyecto contiene código fuente gratuito y diagrama de circuito. Si estás interesado, sigue el tutorial. El enlace está debajo.

El uso de optoacopladores es otra forma de realizar la misma tarea. Un optoacoplador lineal es aquel que puede hacer el trabajo de la mejor manera posible. Produce un voltaje equivalente a la entrada, pero con una caída en el voltaje nominal. Los optoacopladores también aíslan el microcontrolador del voltaje de la batería y brindan seguridad contra picos elevados. El problema de los optoacopladores es que son difíciles de configurar y requieren más esfuerzo que un divisor de voltaje. El circuito también puede estar estropeado. También se requiere energía adicional durante algún tiempo para alimentar el optoacoplador. También puede ser necesario un amplificador al final para amplificar la salida de voltaje. Los optoacopladores también aumentan el coste del circuito. En última instancia, la principal desventaja es que aún necesita un canal analógico de microcontrolador dedicado para medir cada batería individual.
Puede encontrar muchos optoacopladores lineales con diferentes clasificaciones de instrumentos de Texas y otros proveedores en línea. Al final, el circuito será difícil de diseñar y configurar. A continuación se muestra un ejemplo típico. Espero que nadie tenga tiempo que perder en esto.

Los relés también se pueden utilizar para medir el voltaje entre baterías. A
El relé bipolar de paso único es la mejor opción aquí. Un relé bipolar de un solo paso tiene una sola bobina y dos canales. Cuando se energiza la bobina, se realizan dos contactos instantáneamente. Ya que se hacen dos contactos. Los terminales positivo y negativo de la batería se pueden conectar a este relé para entrada. En el lado derecho se muestra una huella típica del relé DPST. Normalmente ambos terminales están abiertos y después de la activación de la bobina ambos polos se mueven y completan la línea del circuito por el que ahora puede fluir la energía eléctrica.

A continuación se muestran relés bipolares simples con baterías y conexiones de microcontrolador. Eche un vistazo, analizaré el circuito, sus pros y sus contras debajo del diagrama.

El circuito parece tener un diagrama bastante simple, pero tiene algunos pros y contras importantes.
Ventajas

• Sólo se necesita un canal analógico del microcontrolador para medir varias baterías.

Contras

• Se requieren los pines digitales de los microcontroladores para activar las bobinas del relé y para baterías individuales se requiere un pin individual. Los pines digitales se pueden acortar mediante multiplexores.
• Cada relé debe encenderse y apagarse correctamente uno por uno. Si ambos relés se encienden accidentalmente al mismo tiempo, se producirá una gran explosión debido al cortocircuito de las baterías.

• El relé conectado aumenta el tiempo de respuesta de la monitorización de tensión.
• Se requiere un circuito de accionamiento de relé.

Utilicé Arduino Mega para monitorear un grupo de 32 baterías con el mismo método de retransmisión. Utilicé el controlador de relé ULN2003 para accionar las bobinas del relé. La entrada UL2003 está conectada a la salida del multiplexor. Los multiplexores 4 a 16 se utilizan para controlar 2 controladores ULN2003. Primero cortocircuité las 2 baterías y costó mucho al final finalmente arreglé el código e inserté algunos retrasos que aumentaron la eficiencia del hardware.
Hice un proyecto de bricolaje simple con la misma lógica que el anterior. El relé Arduino se utiliza en el proyecto. Haga clic en el botón de abajo para hacer el tutorial.

En combinación en paralelo, las baterías se conectan para aumentar la vida útil de la fuente o aumentar el tiempo para que la fuente de energía proporcione el voltaje adecuado a la carga antes de necesitar recargarse. En combinación en paralelo, el voltaje en cada batería sigue siendo el mismo. Por lo tanto, en este caso no podemos medir el voltaje de la batería individual.

Estas son algunas de las formas en que se pueden monitorear las baterías conectadas en serie o en paralelo. Si tiene algún otro método en mente, hágamelo saber.
Si eres un fabricante de circuitos de bricolaje o un entusiasta de la electrónica, o si eres un estudiante de electrónica, el proyecto que se menciona a continuación es para ti. Controla el voltaje de la batería del automóvil, la temperatura del motor y apaga automáticamente los faros. El enlace del tutorial está a continuación.

También realicé un proyecto de Internet de las cosas sobre el monitoreo del voltaje de la batería a través de WiFi. El usuario ahora puede ver el estado de la batería en dispositivos inteligentes como computadoras móviles y de escritorio. En el proyecto se utiliza el módulo WiFi Nodemcu esp8266. Nodemcu Arduino ide se utiliza para escribir, compilar y descargar código en el módulo WiFi nodemcu. El enlace del proyecto se proporciona a continuación.