Spannungs- und Strommessung der Batterie Single ended oder differentiell?

Ich versuche, den Strom und die Spannung der Batterie für ein Batterielade- / Überwachungsprojekt zu messen. Ich habe alles über Strommessung gelesen (einschließlich High-Side- und Low-Side-Messung). Und ich habe mich entschieden, Shunt-Widerstände für die Strommessung zu verwenden, da sie im Vergleich zu anderen Strommessgeräten genau sind. Meine Batterie wäre eine Li-Ionen-Batterie, und die maximale Nennleistung dieses Batterieständers wäre (4,3 V, 40 A).

Ich bin jedoch verwirrt darüber, wie man die Spannung und den Strom mit einem ADC misst, dh ob es unsymmetrisch oder differenziell gemessen werden soll. Eine sehr grobe Skizze meiner Schaltung ist unten angegeben. (Dieser ADC würde mit einem Mikrocontroller verbunden werden)

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Die Batterie ist zu Ladezwecken mit einem Tiefsetzsteller verbunden. Und ADC ist auch zu sehen.

( Bitte beachten Sie, dass meine Skizzen möglicherweise nicht genau sind, aber ich meine alles, was ich hier und in den Diagrammen geschrieben habe. )

Ich denke, wenn ich versuche, die Spannung und den Strom meiner Batterie auf diese Weise zu messen (siehe Abbildung unten), wäre meine Spannung differentiell (da der Minuspol der Batterie nicht direkt geerdet ist, gibt es einen Shunt dazwischen), also i muss es einem ADC mit Differenzeingang zuführen, während der Strom einseitig gemessen werden soll, da ein Zweig des Shunts geerdet ist.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Und wenn ich versuche, die Spannung und den Strom meiner Batterie auf diese Weise zu messen (siehe Abbildung unten), wäre meine Spannung einseitig (da der Minuspol der Batterie direkt geerdet ist) und meine Strommessung müsste differenziell erfolgen ( da mein Shunt zwischen meiner Versorgung und der Batterie platziert ist).

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Nun, ich bin kein Experte für ADCs, aber soweit ich über sie gelesen habe (auch ihre Datenblätter), können wir, wenn ein ADC sowohl Single- als auch Differential-Ended-Eingänge hat, ihn als Single-Ended-Eingangs-ADC ODER verwenden es als differenzieller Eingangs-ADC. Das bedeutet, dass wir es nicht gleichzeitig als Einzel- und Differenzeingang verwenden können.

Was mich zu meiner Frage bringt. Was könnte eine Lösung dafür sein? Soll ich 2 verschiedene ADCs verwenden, einen für Single-Ended-Eingang und den anderen für Differential-Ended-Eingang? Oder kann ich sowohl den Strom als auch die Spannung differentiell messen und beide einem einzelnen ADC zuführen, der als ADC mit differenziellem Eingang konfiguriert ist? PS Ich freue mich nicht darauf, einen Single-to-Differential-Ended-AMP zu verwenden, da ich diese Größen mit so hoher Genauigkeit wie möglich messen soll und die Einführung eines solchen AMP die Messgenauigkeit meines Systems verringern würde.

Bleibt also die Frage, ob ich beide Größen differentiell messen kann? wie in der Abbildung unten angegeben, die nur die Spannungsmessanschlüsse an den '+'- und '-'-Eingang eines ADC mit differenziellem Eingang speist. Da der Minuspol der Batterie in diesem Fall auf Massepotential liegen würde, kann er also an den '-'-Anschluss eines Differenzeingangs-ADC angelegt werden? (Da ich auf dem Gebiet der Elektronik nicht viel Ahnung habe, weiß ich nicht, ob es möglich wäre oder nicht, oder was ich hier frage, ist total dumm)

Ihre hilfreichen Kommentare würden uns sehr freuen,

Danke dir.

Danke dir.

Antworten (3)

... soweit ich darüber gelesen habe (auch ihre Datenblätter), können wir, wenn ein ADC sowohl Single- als auch Differential-Ended-Eingänge hat, ihn als Single-Ended-Eingangs-ADC ODER als Differential-Ended-Eingangs-ADC verwenden . Das bedeutet, dass wir es nicht gleichzeitig als Einzel- und Differenzeingang verwenden können.

Dies ist nicht immer wahr. Zum Beispiel habe ich ADS1015 in letzter Zeit bei einigen Projekten verwendet. Auf diesem Chip haben Sie beim Umschalten des zu lesenden Kanals auch die Möglichkeit, zwischen Single-Ended- und Differenzmessung umzuschalten. (Dies ist keine Empfehlung dieses Chips für Ihr Projekt. Nur ein Beispiel für einen Chip, der nicht die Einschränkung hat, die Sie für universell hielten.)

Selbst wenn Sie ein Gerät hatten, das für alle Kanäle gleichzeitig als Single-Ended oder Differential konfiguriert werden musste, hindert Sie nichts daran, Masse als einen der Eingänge für einen Differentialkanal zu verwenden. Sie könnten es also einfach als Differential konfigurieren und mit Ihrem Design fortfahren. Das einzige, was Sie verlieren würden, ist die Möglichkeit, den 4. Eingangspin für einen anderen Zweck zu verwenden.

Wenn Sie eine externe Signalkonditionierung verwenden möchten, können Sie eine Differenzial-zu-Single-Ended-Wandlung in der Signalkonditionierungsschaltung durchführen, und Ihr ADC wird nie wissen, dass die Signale alles andere als Single-Ended sind. Dies macht die in Ihren Diagrammen gezeigten Verstärker im Wesentlichen zu externen Geräten und nicht zu internen Geräten des ADC-Chips (und fügt ihren Rückkopplungsnetzwerken eine gewisse Filterung hinzu, um Rauschen zu reduzieren).

Wenn ich Masse als einen der Eingänge zu einem Differenzkanal verwenden kann, ist mein Problem gelöst. Nichts, über das man sich sorgen sollte. Vielen Dank für Ihre Antwort!
@yiipmann, ich würde das Datenblatt Ihres ADC noch einmal überprüfen, um sicherzustellen, dass es mit Eingängen in unmittelbarer Massenähe in Ordnung ist, aber es sollte in Ordnung sein, oder Sie sollten in der Lage sein, einen ADC zu finden, bei dem es in Ordnung ist.
Können Sie bitte noch etwas sagen, ein Freund von mir sagte mir, dass, da meine Signalwerte nur positiv wären und ich einen Differenzeingangs-ADC verwenden würde, ich 1 Bit an Auflösung verlieren würde (z. B. für einen 12-Bit-ADC wäre ich mit 11 Bit Auflösung). Er kannte den genauen Grund dafür nicht, aber er sagte, dass es so sei. Können Sie mir bitte sagen, ob es richtig ist? Wenn ja, WARUM dann?
@yiipmann, ja das stimmt grundsätzlich. Wenn der Eingangsbereich zwischen -2,5 und +2,5 liegt und Sie nur die Hälfte dieses Bereichs verwenden, verlieren Sie effektiv 1 Bit an Auflösung.

Ich denke, alle Ihre vorgeschlagenen Lösungen sind mögliche gute Lösungen.

Bei richtiger Implementierung spielt es meiner Meinung nach keine Rolle, ob Sie sich für eine vollständig differenzielle oder teilweise einseitige Lösung entscheiden. Aber im Allgemeinen sind Differentialschaltungen weniger empfindlich gegenüber äußeren Störungen.

Stellen Sie sicher, dass die (Differenz-)Verstärker die richtige Spannungsverstärkung haben, damit Sie den vollen Bereich des ADC nutzen.

Ein weiteres potenzielles Problem: Da Sie einen Schaltwandler verwenden, treten bei den gemessenen Strömen und Spannungen Schaltgeräusche auf. Die Verwendung eines Tiefpassfilters zwischen Shunt-Widerstand/Batterie und Verstärkereingang kann ausreichen, um dieses Rauschen ausreichend zu unterdrücken. Etwas Mittelung der gemessenen Werte vom ADC könnte auch helfen und die Genauigkeit verbessern.

Und ein großes Lob dafür, dass Sie Ihre Hausaufgaben machen, und Sie wissen bereits viel mehr als viele Antwortsuchende in diesem Forum! :-)

Vielen Dank für Ihre Antwort. Werde erwägen, das LPF zu verwenden, werde es prüfen.

Welchen Wert verwenden Sie für einen Messwiderstand? Viele 4,3-V-LiIon-Akkuladegeräte/-monitore verwenden 10 mOhm; Bei 40 A würden Sie 400 mV erzeugen und 10 mOhm * (40 A) ^ 2 = 16 W verbrennen. Scheint ziemlich verschwenderisch zu sein, ganz zu schweigen davon, dass es teuer sein wird, für einen Präzisionswiderstand mit dieser Nennleistung zu bezahlen.

Holen Sie sich einen Widerstand, der klein genug ist, dass die Spannung darüber vernachlässigbar ist; Dann können Sie sowohl die Batteriespannung als auch den Strom messen.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Sie können den Abfall am Messwiderstand auch mit VBAT' = VBAT - IBAT * RSNS kalibrieren.

Die einzige Sorge, die ich hier sehe, ist die aktuelle Messgenauigkeit / das Rauschen. Gemessene 4 mV sind 40 A. Um dies auf einen 0-5-V-ADC-Eingang zu skalieren, wäre eine Verstärkung von 1250 erforderlich. Machbar, aber Rauschen und EMI werden ebenfalls verstärkt. Berücksichtigen Sie Abschirmung und Schutzspuren und filtern Sie den Ausgang tiefpass.
Die Messwiderstände, die ich bei 40 A verwenden möchte, sind diese und sie haben einen Widerstand von 0,6667 mOhm mit einem Abfall von 50 mV bei voller Nennleistung, also denke ich, dass ich nicht viel Strom verbrauchen werde. Ich werde mich jedoch nach LPF für die Geräuschunterdrückung umsehen
Spannungs- und Strommessung der Batterie Single ended oder differentiell?
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