Одна из особенностей литиевых аккумуляторов – они не терпят глубокого разряда и перезаряда. Кроме того, в батареи этого типа необходимо устанавливать балансировочное устройство. В статье мы выясним, что такое BMS-плата и балансир, узнаем, для чего они служат и как работают.
Что такое Battery Management System (BMS)
Согласно Википедии BMS (Battery Management System или «Система контроля батареи») – устройство для контроля за состоянием батареи и предотвращения ее работы в нештатном режиме. BMS следит за основными параметрами литиевого аккумулятора – температурой и напряжением. Если один из них выходит за допустимые пределы, батарея отключается от потребителя или зарядного устройства. Таким образом, плата BMS в минимальной конфигурации предотвращает глубокий разряд, перезаряд или перегрев АКБ.
Дополнительно BMS-контроллер следит за токами заряда/разряда и при перегрузке принимает соответствующие меры. В зависимости от схемотехники он либо ограничивает токи, либо аварийно отключает потребитель или зарядное устройство (ЗУ) для защиты батареи.
Балансир и BMS — это одно и то же или нет
Для начала разберемся, для чего нужна балансировка батареи. Аккумуляторы, из которых собирается батарея, неизбежно имеют разброс параметров, в частности, электрическую емкость и внутреннее сопротивление. Кроме того, в процессе эксплуатации эти показатели «разбегаются» еще сильнее.
Задача балансира для Li-ion-аккумуляторов – обеспечить полный заряд всех ячеек и одновременно не допустить глубокого разряда и перезаряда каждой из них. Если ячейка зарядилась полностью, она отключается от зарядного устройства, при этом все остальные продолжают заряжаться.
Если одна из ячеек разрядилась до минимального уровня, вся батарея отключается от нагрузки. Это обеспечивает бесперебойную и длительную работу всех элементов АКБ. Таким образом, балансир и модуль BMS – разные устройства, выполняющие разные функции.
И еще пару слов о балансирах. Они бывают пассивными и активными. Пассивная балансировка проще в построении, но оперирует малыми выравнивающими токами. Если ЗУ мощное, батарея емкая, а зарядные токи большие, то пассивный балансир не выполнит свою функцию. Схема активного балансира сложная, но она эффективнее и справится со своей задачей в любом случае.
Принцип работы
Разберемся, как работает BMS-плата, использовав в качестве примера модель, собранную на специализированном контроллере HY2120 Series. Конструктивно устройство представляет собой два полевых транзистора, включенных встречно-последовательно. На схеме это сборки 8205А, включенные попарно-параллельно. Оба транзистора управляются при помощи HY2120.
Пока напряжение на батарее в норме, открыты оба транзистора – энергию от АКБ можно брать и ей отдавать (зарядка). Если напряжение на любой из ячеек снизится до минимально допустимого (около 2.5-2.9 В), закроется транзистор M1 и запретит разрядку. Заряжать же батарею можно – М2 открыт, а закрытый М1 зашунтирован диодом в обратном направлении. Когда в процессе зарядки напряжение на любой из ячеек достигнет 4.2 В, контроллер закроет М2. Зарядка прекратится, но М1 открыт, а М2 зашунтирован – энергией можно пользоваться.
Эта же микросхема контролирует и ток разряда (вывод CS). В качестве токоизмерительных резисторов используются сопротивления переходов транзисторов М1 и М2. Вот и все, что умеет этот простенький контроллер. Балансира, как мы видим, нет. Есть только контроль по напряжению каждой ячейки и общему току разряда. Схема настолько проста, что ее можно собрать своими руками. Но есть и сложные схемы с использованием программируемых микроконтроллеров.
Функции BMS
Рассмотрим функции BMS, которыми они оснащаются в зависимости от модели:
- контроль глубины разряда;
- контроль уровня зарядки;
- контроль зарядного/разрядного токов;
- контроль температуры батареи или каждой ячейки;
- контроль уровня заряда и глубины разряда каждой ячейки;
- балансировка (выравнивание уровней заряда) каждой ячейки;
- ведение статистики – количество циклов заряда/разряда, режимы и время работы, объём энергии и пр.;
- передача на внешнее устройство текущей информации об АКБ и статистики, управление и настройка режимов с внешнего устройства.
Виды плат
Платы защиты, как мы выяснили, бывают разными. Самые простые следят за напряжением АКБ и током. Стало напряжение ниже допустимого или ток выше заданного, включая КЗ, модуль отключает нагрузку. Стало выше положенного – отключает ЗУ – батарея заряжена. Более сложные устройства контролируют температуру аккумулятора, поскольку все литиевые элементы боятся перегрева.
Если плата рассчитана на работу не с одним аккумулятором, а с батареей, то, как мы выяснили, она может иметь в составе балансир. Некоторые из них даже контролируют температуру каждой ячейки. Количество каналов балансира тоже разное – до 10 и более. Схема балансировки, как мы знаем, может быть пассивной и активной.
Особняком стоят интеллектуальные устройства, собранные на микроконтроллерах. Они кроме вышеперечисленных функций ведут статистику – время работы, текущие напряжения и ток, оставшееся количество энергии, отданная мощность и пр. Информация может выводиться на встроенный дисплей, накапливаться или передаваться на внешнее устройство – к примеру, ПК.
Таким образом, есть из чего выбрать, но нужно иметь в виду, что каждая функция платы BMS – дополнительные деньги. Так что не стоит брать то, что больше умеет. Покупайте модуль с тем функционалом, который вам действительно необходим. Зачем, к примеру, статистика, дисплеи и внешние интерфейсы, если ваше устройство – плеер или даже электросамокат? Зачем гибкая программная настройка диапазонов напряжений, токов и температур для этих устройств? Вам нужен не стенд, а плата защиты.
Схема подключения к аккумуляторной батарее
Перейдем к вопросу, как подключить BMS-плату к АКБ. Тут все зависит от ее «внутренностей». Модуль без встроенного балансира подключается примерно так:
Если у платы есть встроенный балансир, то схема не особо усложняется. К плате так же нужно подключить каждую ячейку. Для этого в модуль устанавливается балансировочный разъем (фото выше) или просто предусмотрены контактные площадки.
Если в нашем распоряжении просто балансир, то подключим его следующим образом:
Во всех случаях основной принцип подключения в том, что “крайние” банки подключаются к плюсу и минусу, а от минуса к плюсу по возрастающей каждая банка подключается к своему контакту. Другими словами, плюс первой банки и минус второй – к B1, плюс второй и минус третьей – к B2, и так далее.
У вас меньше ячеек? Лишние каналы балансира можно просто не использовать, начиная от плюса и по убывающей по номерам батарей B7-B6-B5 и т.д., а минус последней банки – к B-. На схеме ниже показан пример, как использовать с тремя аккумуляторами плату БМС, рассчитанную на 4 элемента. Расточительно, но, как говорится, «я тебя слепила из того, что было».
Выше мы рассматривали последовательное соединение ячеек, повышающее выходное напряжение батареи. Для увеличения электрической емкости используют параллельное подключение. При таком соединении дополнительный балансир не нужен – параллельно включенные аккумуляторы контролируются, как если бы он был один.
Часто используют смешанное подключение, чтобы увеличить и напряжение, и ёмкость. В этом случае каждый канал балансира отвечает за свои элементы, включенные параллельно.
На заметку. Смешанное подключение обозначается цифрами с литерами -S и -P, где цифра до S – количество последовательных модулей, P – количество ячеек в модуле. Таким образом, АКБ, схема которого изображена выше, обозначается 3S3P.
Как проверить плату
Специалисты обычно проверяют платы BMS всевозможными стендами, тестерами и блоками питания. К примеру, такими:
«Простенький» стенд для проверки BMS-контроллера
Такой вариант оправдан, если мы занимаемся этим регулярно. Можно обойтись приборами попроще – амперметром, вольтметром, регулируемым блоком питания. Проверку проводим следующим образом:
- Заряд. Ставим АКБ на зарядку, контролируем ток и напряжение. По достижении номинального напряжения на батарее (4.2 В на каждый элемент) зарядка должна прекратиться, а ток заряда – упасть до 0.
- Разряд. Разряжаем батарею током около 0.3С, контролируя напряжение на каждой ячейке. Как только на любой из них напряжение упадет ниже 2.5-2.9 В (зависит от модели), нагрузка должна отключиться.
- Защита по току. Постепенно нагружаем заряженную АКБ резисторами соответствующего сопротивления, контролируя ток. Как только он превысит допустимый (зависит от модели платы), нагрузка должна отключиться.
- Температура (если есть). Нагреваем термодатчик любым удобным (сухим) способом, сняв его с АКБ. При достижении критической температуры (порядка 60 градусов Цельсия) процесс зарядки/разрядки должен прекратиться до остывания датчика.
- Балансировка (если есть). Ставим батарею на зарядку и контролируем напряжение на всех ячейках. В процессе заряда оно должно выравниваться, а по окончании иметь разброс между ячейками не более 0.1 В.
И в завершение приведём несколько роликов, доступно и наглядно поясняющих то, о чем мы сегодня говорили. В статье использовались иллюстрации из первого видео (“10 ПЛАТ BMS С Алиэкспресс. САМЫЙ ПОЛНЫЙ ОБЗОР…” с канала Major Tom Workshop).
Мы выяснили, что такое плата BMS и балансир аккумуляторных батарей, разобрались с их назначением. Теперь вы без труда соберете любую АКБ на литиевых аккумуляторах и заставите ее работать правильно и безопасно.
Сейчас читают:
