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Atualizado em 27/02/2017

Subsistema 3 - Controle de Carga de Baterias

Controle de Corrente Contínua - Controla a carga das baterias

Esse sistema utiliza 15 controladores Arduino UNO, nominados 1 a 12 para controlar as Fontes Chaveadas das baterias TRacionárias, o 13 para o carregador das baterias AUTOmotivas, o 14 para a bateria de CONTROLE e o 15 para o conjunto de baterias (VPack)

Esse sistema utiliza 15 controladores Arduino UNO:

UNO 1 a 12 para controlar os carregadores das baterias TRacionárias,

UNO 13 para o carregador das baterias AUTOmotivas

UNO 14 para o carregador das baterias de CONTROLE

UNO 15 medirá a bateria de Controle e o UNO 15 V Pack

Estamos estudando a possibilidade de um UNO fazer as medidas dessas três tensões e correntes n nessas três baterias, já que não necessitam isolamento galvânico, pois tem o terra comum.

NOTA: Devido às altas correntes envolvidas, só utilizaremos alimentação 220 Vca, monofásica ou trifásica

Diagrama esquemático de interligação de Baterias e seus Carregadores


ESQUEMA POTENCIA 144 Vcc

BATERIAS

Pontos MEDIÇÃO
Tensão
Corrente

 
BAT1
BAT2
BAT3
BAT4
BAT5
BAT6
BAT7
BAT8
BAT9
BAT10
BAT11
BAT12
 


 

 

Ponto de medição

V PACK

 
AB Aa
BC Bb
CD Cc
DE Dd
EF Ee
FG Ff
GH Gg
HI Hh
IJ Ii
JK Jj
KL Kk
LM Ll
 


 

 

Ponto de

medição

AM

Esquema parcial - Pontos de ligação dos carregadores, e medição de tensão

Um cuidado especial deve ser tomado quanto à isolação galvânica das entradas (Monitor) e saídas (Controle de Carga), visto que
as baterias não tem negativo comum, elas são ligadas em série !

 

Carregadores Os carregadores de bateria foram até aqui tratados como “caixas pretas”.

Mas agora vamos abri-las !

Devido à inexistência no mercado de carregadores com as características necessárias, tivemos de desenvolver uma solução forte, precisa, monitorável, e de baixo custo.

A corrente necessária será fornecida por um módulo de fonte industrial, bastante robusto, capaz de fornecer 29 A a 12 V

Mas essa fonte tem uma regulagem simples.

A tensão de saída é controlada por um potenciômetro, o que é aceitável para cargas resistivas, mas não atende nossas necessidades.

Assim o controle de tensão e corrente de carga deve ser efetuado por um 13 Arduinos, que farão o controle independente de cada fonte  chaveada, e sua bateria.

Cada Arduino UNO deve ler as tensões e as correntes (tensão medida nos shunts) de sua bateria, e regular a tensão corrente de cada fonte / carregador, individualmente.

Deve também monitorar a temperatura das fontes, e das baterias.

Cada Arduino UNO controla as Fontes de Alimentação individualmente, assegurando oferecer as tensões e correntes otimizadas para a carga das Baterias.

Ele também coleta e armazena esses dados para a confecção dos gráficos, e o controle de Consumo.

Controle de Carga

O arduino MEGA, que centralizará as informações de todas as baterias. faz uma varredura contínua dos UNOs, e armazena os dados arquivados nos mesmos.

15 entradas individuais possibilitam a separação e a recepção dos sinais apenas do arduino UNO selecionado.

Uma vez por dia, às 0 horas, ele emite um sinal especial, para sincronizar todos os relógios dos UNOs

NOTA Um cuidado especial deve ser tomado quanto à isolação galvânica das entradas e saídas

Isso porque as baterias não tem negativo comum , elas são ligadas em série !

A comunicação do MEGA com os Arduinos UNO dos Controladores de Baterias apresenta uma peculiaridade :

Como o comum  de cada Arduino apresenta potencial variável, podendo chegar até 150 V, a interface serial deve ter isolação galvânica, obtida por meio de acopladores óticos.

Assim, cada Arduino UNO controlador dos módulos de potencia se comunica com o MEGA usando Acopladores Óticos, que proporcionam um isolamento galvânico.

O MEGA por sua vez se conecta com os outros Arduinos do sistema, e com o computador de bordo.

Foi utilizado o circuito abaixo, que tem LEDs para monitoramento das entradas e saídas, e faz a interligação dos RX e TX do MEGA e os UNOs

Esses circuitos ficam fisicamente nas placas de interface dos UNOs.

Essas placas de circuito impresso são todas iguais, mas apenas as de 1 a 12 tem os componentes acima

Cada placa usa 2 CIs 74LS14, e dois LM339, pois utilizam alimentações isoladas galvanicamente, metade do UNO, e a outra metade do MEGA.

NOTA:

Os UNOs ligados aos carregadores 13 , 14 e 15 (que ficam no compartimento do motor) tem jumps, entre R3 e Led4,  pois não necessitam isolamento galvânico

O UNO 14 que não controla uma fonte,  mede e armazena a tensão e corrente da bateria de controle

Todos esses UNOs tem o circuito de medição de corrente e o conversor PWM abaixo :

Medição de corrente por Shunt (UNO)

Como a tensão medida nos Shunts é baixa, ela será amplificada com o circuito abaixo

Esses circuitos ficam fisicamente nas placas de interface dos UNOs.

NOTA 1: Foi feita uma modificação no circuito acima, para somar uma tensão de Offset ao sinal de entrada, já que a tensão medida nele é NEGATIVA, em relação ao terra (comum, chassi)

Somador com Amplificador Operacional (M023)

A configuração básica do amplificador operacional somador é mostrada na figura 1. A tensão de saída deste circuito é a soma algébrica das tensões aplicadas às entradas, multiplicada pelo ganho que é dado pela relação entre R2 e R1.


Fórmula 1
Amplificador somador: 



Onde: Uout é a tensão de saída em volts (V)
             U1, U2....Un são as tensões de entrada em volts (V)
             R1, R2 são as resistências em ohms (?)

Exemplo de Aplicação:
No amplificador somador da figura 2, R2 tem 100 k ohms, R1 tem 10 k ohms; Determine a tensão de saída quando as tensões de entrada forem U1 = 100 mV, U2 = - 200 mV e U3 = 250 mV.



   Dados R2 = 100 k?
              R1 = 10 k?
              U1 = 100 mV
              U2 = -200 mV
              U3 =  250 mV
              Uout = ?

Aplicando a fórmula 1:
 

 mV = 1.5 V

Amplificador Operacional de Diferença (Subtração) (M024)

Neste amplificador, a tensão de saída é a diferença entre as tensões aplicadas à entrada, multiplicada pelo ganho do amplificador. O amplificador de subtração ou subtrator é mostrado na figura 1.


Formula 1
Subtraction:

Onde : Uout é a tensão de saída em volts (V)
             U1 e U2 são as tensões de entrada em volts (V)
             R1 e R2 são as resistências em ohms (?)

Obs: a tensão de saída deve ser menor do que a tensão de alimentação.

Para carregar a bateria, a fonte tem de fornecer uma corrente contínua no sentido indicado pela seta vermelha, no desenho abaixo

Assim a tensão no ponto A é Maior que a do ponto a

Assim, a tensão no ponto a é NEGATIVA em relação ao ponto A, comum !

NOTA12

Todos esses UNOs tem o circuito conversor abaixo :

Conversor PWM para sinal de controle 0-5 Vcc

Utilizado para o controle das fontes chaveadas e do Controlador de Velocidade do motor de Tração.

O sinal PWM do UNO será convertido em sinal de controle de 0 a 5 V pelo MÓDULO CONVERSOR PWM – 0-5V/0-10V/0-20mA

Esse módulo é alimentado com 12 Vcc

Esses circuitos ficam fisicamente nas placas de interface dos UNOs.

Leitura de dados

Os dados  de cada UNO são enviados automática e individualmente ao MEGA, que os lê um a um, em seqüência.

Cada Placa de Controle da Fonte Chaveada tem:

Um Arduino UNO

Circuito de isolamento galvânico, como o acima (Para TX e RX)

Entradas para medição de tensão, corrente, envio de dados e sensores de temperatura (LM35) das Fontes e das Baterias.

Saídas para controle da Fonte de Alimentação.

LEDs indicadores de funcionamento

Borne para entradas e saídas.

Pinos para conexão ao Arduino UNO

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