Como medir a tensão de múltiplas baterias conectadas em string/matriz em série ou combinação paralela com microcontroladores

2024年6月20日 Roberto Magalhães

Medir a tensão de uma bateria individual ou de um banco inteiro de baterias usando qualquer microcontrolador (arduino, microship pic, Avr, Atmega, Intel, NXP, stm32) é uma tarefa fácil. Você pode encontrar muitos tutoriais na internet sobre como fazer isso. Mas e se quisermos medir uma bateria individual conectada a um conjunto de baterias em série ou combinação paralela? Agora é uma tarefa difícil de realizar. Mas ainda assim existem algumas maneiras mais inteligentes de fazer isso. Neste post, vou listar algumas das maneiras pelas quais podemos medir a tensão individual da bateria, que faz parte de uma série/matriz de baterias conectadas em série ou em paralelo.

Técnica básica e popular de monitoramento de bateria – Circuito Divisor de Tensão

A técnica básica e mais popular de monitoramento individual de bateria usando microcontroladores na prática é o circuito divisor de tensão. No circuito divisor de tensão, dois resistores são conectados em série e a tensão da fonte (bateria) é aplicada em suas extremidades. A tensão é dividida entre os dois resistores de acordo com os valores ôhmicos do resistor.

Tensão do divisor de tensão dividida por dois resistores

Por que divisor de tensão?

Os microcontroladores funcionam em 5 ou 3,3 volts (a partir daqui levaremos em consideração 5 volts, as técnicas listadas abaixo também podem ser aplicadas a microcontroladores de 3,3 volts). Portanto, seus pinos também funcionam na lógica TTL de 5 volts. Tensão superior a 5 volts pode danificar o pino ou fritar o microcontrolador. Painel solar, carro, ups, gerador e baterias de reserva normalmente têm 12 volts. O microcontrolador não pode medir 12 volts diretamente. Portanto, o divisor de tensão é usado aqui para dividir a tensão em duas metades, garantindo que a meia tensão não possa aumentar 5 volts em nenhum cenário (carregamento, etc.). Esta meia tensão é alimentada ao microcontrolador para medir a tensão.

Circuito divisor de tensão com fórmula

Agora vamos calcular os valores de Rtop e Rbottom. Aqui precisamos que algumas considerações importantes sejam levadas a sério.

Resistores de baixo ohm podem consumir muita corrente e os fios podem ser aquecidos instantaneamente. Consequentemente, os fios podem derreter em segundos. Portanto, sempre use uma quantidade suficiente de resistores para baterias de amperes-hora maiores. Selecionei um resistor Rbottom de 10k ohm.
Durante o carregamento, a tensão da bateria pode aumentar para 18 volts. Por exemplo, o painel solar de 150 watts produz 17 volts a 6 amperes durante pleno sol, a tensão de saída pode até atingir acima de 18 volts. O controlador de carregamento solar também produz tensão aproximadamente igual a 15 volts para carregar as baterias.

Calculando valores de resistência

Vou medir a tensão em Rbottom e decidi que seu valor aleatoriamente será 10k ohm. Sabemos que o Vout pode ter no máximo 5 volts, já que o nodemcu funciona e aceita no máximo 5 volts em seus pinos de E/S. Vin é de 18 volts quando a bateria está carregando (pior cenário). Agora podemos encontrar Rtop.

Cálculo do valor da resistência do divisor de tensão

Agora, se 18 volts estiverem no lado da bateria, eles serão divididos entre os resistores, 5 volts cairão no resistor de 10k e os 13 volts restantes cairão no resistor de 26k. Se a bateria não estiver carregando e, digamos, fornecendo 12 volts, qual será a queda de tensão nos resistores? Vamos calcular

Queda de tensão contra resistências do circuito divisor de tensão

É óbvio pela discussão acima que a tensão em Rbottom não excederá 5 volts agora. Espero que faça sentido para os leitores sobre os cálculos. A questão agora é como os 3,33 volts são convertidos em 12 volts pelo nodemcu ou como a partir de 3,33 volts podemos prever que no lado da bateria a tensão é de 12 volts. Bem, um pouco mais de matemática está envolvido aqui. Como os valores dos resistores são fixos, podemos calcular a relação de tensão entre os resistores em relação à fonte e usá-la no código para a tensão real na fonte. A forma como a proporção é calculada está abaixo.

Cálculo da relação do divisor de tensão

Dois casos são dados acima quando a fonte está em 18 volts e quando a fonte está em 12 volts, em ambos os casos a relação é um valor constante. Essa relação é utilizada no código para prever a tensão real da fonte/bateria. A relação é multiplicada pela tensão em Rbottom para obter o valor real da tensão.

Para fazer o tutorial sobre cálculo de valores de resistência para um microcontrolador com tolerância de 3,3 volts, visite o tutorial abaixo. Um projeto de demonstração com código de projeto gratuito e diagrama de circuito é apresentado no projeto.

Monitoramento de bateria com microcontrolador tolerante a 3,3 V

Baterias conectadas em série

As baterias são conectadas em série para aumentar a saída de tensão. Por exemplo, duas baterias de 12 volts são conectadas em série para gerar 24 volts. Agora, como medir a tensão de baterias individuais conectadas em série. Veja o circuito abaixo. Quatro baterias de 12 volts são conectadas em série para produzir 48 volts.

Monitor de tensão de combinação de baterias em série por microcontrolador

No circuito acima, quatro circuitos divisores de tensão são usados para medir a tensão em cada bateria. A técnica consiste em medir primeiro a tensão na bateria de alto potencial, e não nas baterias de menor potencial, negando a tensão das baterias subsequentes daquela de maior potencial. Por exemplo, para o circuito acima, a tensão medida na bateria 1 é 48 V e na bateria 2 é 36 V. Negar 48v-36v = 12v nos dá a voltagem da bateria-1. Da mesma forma, se a bateria 3 estiver em 23v. Do que 36v-23v dá 13v. Portanto, a bateria-2 está fornecendo 13 volts em série. Outras tensões de baterias podem ser calculadas com o mesmo método.
No cenário acima, para cada bateria deve haver um canal analógico dedicado. Para séries maiores de baterias, são necessários mais canais analógicos e os microcontroladores geralmente têm 8 canais analógicos no máximo. Portanto, este método só é viável quando as baterias em combinação em série não são superiores a 4.

Observação: Para o circuito acima, os valores dos resistores devem ser selecionados usando a mesma fórmula fornecida acima.
Um projeto de demonstração usando a técnica acima é feito com arduino uno. O projeto contém código-fonte gratuito e diagrama de circuito. Se você estiver interessado, faça o tutorial. O link está abaixo.

Medindo uma matriz de tensões de baterias usando Arduino

Opto-isoladores ou Optoacopladores

Usar optoacopladores é outra maneira de realizar a mesma tarefa. Um optoacoplador linear é aquele que pode realizar o trabalho da melhor maneira possível. Ele emite uma tensão equivalente para entrada, mas com queda na classificação de tensão. Os optoacopladores também isolam o microcontrolador da tensão da bateria e fornecem segurança contra picos elevados. O problema com os optoacopladores é a dificuldade de configurá-los e eles exigem mais esforço do que o divisor de tensão. O circuito também pode estar confuso. Também é necessária uma energia extra por algum tempo para alimentar o optoacoplador. Um amplificador também pode ser necessário no final para amplificar a saída de tensão. Os optoacopladores também aumentam o custo do circuito. No final das contas, a principal desvantagem é que ainda é necessário um canal analógico de microcontrolador dedicado para medir cada bateria individual.
Você pode encontrar muitos optoacopladores lineares com classificações diferentes de instrumentos da Texas e de outros fornecedores online. No final, o circuito será difícil de projetar e configurar. Um exemplo típico está abaixo. Espero que ninguém tenha tempo para gastar com isso

Monitor de bateria optoisolado com microcontrolador

Relés no monitoramento da bateria

Pólo duplo simples através de relé

Os relés também podem ser usados para medir a tensão nas baterias. A
O relé de passagem única de pólo duplo é a melhor escolha aqui. Um relé bipolar de passagem única possui uma bobina única e canais duplos. Quando a bobina é energizada, dois contatos são feitos instantaneamente. Já que dois contatos são feitos. Os terminais positivo e negativo da bateria podem ser conectados a este relé para entrada. Uma pegada típica do relé DPST é mostrada no lado direito. Normalmente ambos os terminais estão abertos e após a ativação da bobina ambos os pólos se movem e completam a linha do circuito através da qual a energia elétrica pode fluir agora.

Relés bipolares simples com baterias e conexões de microcontrolador são mostrados abaixo. Dê uma olhada, discutirei o circuito, seus prós e contras abaixo do diagrama.

Monitoramento de bateria em série com microcontroladores

O circuito parece ter um diagrama bastante simples, mas há alguns prós e contras sérios.
Prós

Apenas um canal analógico do microcontrolador é necessário para medir múltiplas baterias.

Contras

Os pinos digitais dos microcontroladores são necessários para ativar as bobinas do relé e para baterias individuais é necessário um pino individual. Os pinos digitais podem ser reduzidos usando multiplexadores.
Cada relé deve ser ligado e desligado corretamente, um por um. Se os dois relés forem acidentalmente ligados ao mesmo tempo, haverá uma grande explosão devido ao curto-circuito das baterias.

O relé ligado aumenta o tempo de resposta do monitoramento de tensão.
O circuito de acionamento do relé é necessário.

Usei o arduino mega para monitorar um cluster de 32 baterias com o mesmo método de relé. Usei o driver de relé ULN2003 para acionar as bobinas do relé. A entrada UL2003 está conectada à saída do multiplexador. O multiplexador 4 a 16 é usado para acionar 2 drivers ULN2003. Primeiro fiz um curto-circuito nas 2 baterias e custou muito no final finalmente consertei o código e inseri alguns atrasos que aumentaram a eficiência do hardware.
Fiz um projeto simples de bricolage com a mesma lógica acima. O relé Arduino é usado no projeto. Clique no botão abaixo para fazer o tutorial.

Monitor de tensão da bateria do relé Arduino conectado em série

Multiplexadores analógicos

Multiplexadores analógicos também podem ser usados em vez de relés. Encontrar um multiplexador adequado e sua configuração é tão difícil quanto um optoacoplador. Eu não tinha muita experiência com multiplexadores analógicos, posso dizer mais alguma coisa sobre eles.

Baterias conectadas em paralelo

Em combinação paralela, as baterias são conectadas para aumentar a vida útil da fonte ou aumentar o tempo da fonte de energia para fornecer tensão adequada à carga antes de precisar ser recarregada. Na combinação paralela, a tensão em cada bateria permanece a mesma. Portanto, não podemos medir a tensão individual da bateria neste caso.

Estas são algumas das maneiras pelas quais baterias conectadas em série ou paralelo podem ser monitoradas. Se você tiver mais algum método em mente, por favor me avise.
Se você é um fabricante de circuitos DIY ou um entusiasta da eletrônica, ou se você é um estudante de eletrônica, o projeto mencionado abaixo é para você. Ele monitora a tensão da bateria do carro, a temperatura do motor e desliga automaticamente os faróis. O link do tutorial está abaixo.

Automação automotiva – Monitor de bateria, temperatura do motor, controle de faróis

Também fiz um projeto de internet das coisas sobre monitoramento de tensão de bateria via WiFi. O usuário pode ver o status da bateria agora em dispositivos inteligentes, como computadores móveis e desktop. O módulo WiFi Nodemcu esp8266 é usado no projeto. Nodemcu Arduino ide é usado para escrever, compilar e baixar o código no módulo WiFi nodemcu. O link do projeto é fornecido abaixo.

Monitor de bateria via WiFi usando módulo WiFi nodemcu