Управляющая плата для аккумулятора

Все о плате BMS для электротранспорта

Статья обновлена: 2020-12-17

Плата BMS, система управления батареи – это электронное устройство, обеспечивающее стабильную и безопасную работу АКБ. К этой категории относятся устройства с разным функционалом – от простейших балансиров и плат защиты по напряжению, температуре и току до сложных микроконтроллерных систем с множеством функций. Сложные системы управления, способные определять разрядный ток и считать циклы заряда, производятся на заказ для крупных компаний.

В продаже представлены BMS контроллеры для решения различных задач, способные надежно защитить аккумуляторы и технику или приборы, для питания которых они используются. Пренебрегать такой защитой не стоит. Даже в небольших приборах с низкими потребляемыми токами использование BMS платы считается признаком качества и залогом безопасной работы. А для высокотоковой техники такая защита – обязательна с точки зрения здравого смысла и техники безопасности.

Защитные функции BMS платы

Ключевые элементы в структуре BMS платы – это защитная микросхема, силовые транзисторы для отключения нагрузки и аналоговая обвязка для замеров тока или балансировки элементов питания. Благодаря этим элементам обеспечивается:

1. Защита от критически высоких токов и короткого замыкания. Для определения протекающего по линии тока обычно используется шунт. Он измеряет снижение напряжения на резисторе с высокой мощностью и малым сопротивлением. Но шунт не отличается компактностью и требует высокой точности измерений. Альтернативный вариант – использование эффекта Холла, но его реализация обходится дороже. Поэтому чаще всего для определения короткого замыкания на линии измеряется напряжение. При КЗ оно проседает почти до нулевого значения. Современные платы защиты быстро определяют КЗ и отключают нагрузку, не допуская повреждения аккумов или подключенного к ним устройства.
2. Защита от чрезмерного заряда и глубокого разряда. Для измерения напряжения обычно используется аналогово-цифровой преобразователь. Если контроллер защиты установлен на АКБ из последовательно соединенных элементов, то зачастую он измеряет по-отдельности напряжение каждого элемента. Это важно для профилактики неравномерного разряда элементов и глубокого разряда аккумуляторов меньшей емкости.
3. Защита от перегрева. Обеспечивается с использованием терморезистора – резистора, сопротивление которого зависит от температуры. Используется редко, т.к. перегрев обычно связан с другими опасными состояниями – перезарядом или коротким замыканием, когда срабатывают другие типы защиты.

Функция балансировки

Одна из функций BMS платы – балансировка аккумуляторов в сборке – выравнивание напряжений на последовательно соединенных элементах сборки. Из-за незначительных отличий в емкости элементы в сборке заряжаются неравномерно: когда одни ячейки максимально заряжены, другие остаются с неполным зарядом.

При разряде такой АКБ значительными токами максимально заряженные аккумуляторы берут на себя больший ток, поэтому быстрее изнашиваются и приходят в негодность. Для решения этой проблемы используются балансиры. Они выравнивают напряжения на ячейках до одинакового уровня.

1. Активные – выравнивающие напряжение в процессе зарядки. Зарядив 1 элемент питания из сборки, они отключают его от питания и продолжают заряжать 2-й.
2. Пассивные – разряжающие элементы питания до одинакового значения малыми токами при помощи резисторов. Главное преимущество пассивных балансиров – независимость от внешнего питания. К тому же, они точнее благодаря использованию аналоговых компонентов и дешевле благодаря отсутствию сложных микросхем.

Как выбрать плату BMS

Дешевые аналоговые платы со строгими порогами защиты и балансировки подходят для электрических транспортных средств и инструмента, но не способны работать в буферном режиме и одновременно выравнивать напряжение на элементах. Это вызывает дисбаланс, частое включение защиты и чрезмерный заряд аккумуляторов. Дорогие BMS платы имеют широкий функционал и оптимально подходят для АКБ солидной емкости. Для батарей небольшой емкости использовать такие платы защиты нецелесообразно, т.к. они обойдутся дороже самих АКБ.

Наиболее важная характеристика платы BMS – это контроль ячеек и всей батареи по напряжению. Измерениями тока и сопротивления играют второстепенную роль, а датчики температуры – вообще считаются лишними. При исправных аккумуляторах перегрев не происходит, а перезаряд и КЗ определяют другие элементы.

Важный критерий при выборе платы защиты – возможность ее настройки под разнообразные типы Li-ion батарей и возможность изменения порогов балансировки. Для реализации этих задач необходим дисплей, кнопки управления и возможность установки порогового значения напряжения, при котором будет отключаться ЗУ.

При создании платы BMS своими руками следует распределить заряд и разряд на 2 отдельных канала. Это исключит ситуацию, когда при отключении ЗУ от АКБ прибор получает питание только от ЗУ, в роли которого может выступать солнечная батарея, ветрогенератор или другой источник с непостоянным напряжением. При подключении к такому источнику потребителей без АКБ прибор рискует сгореть. Поэтому важно разделить каналы потребляющих приборов и отключения зарядки.

Как подключить BMS плату

Схема подключения платы BMS зависит от используемой модели и приводится в инструкции по ее эксплуатации. Внешне модуль контроля и балансировки выглядит как небольшая плата с контактными площадками, к которым подключаются элементы питания и выходные клеммы для заряда-разряда. Чтобы правильно подключить BMS плату, нужно следовать схеме, предоставленной производителем.

Вначале подключается «–» аккумуляторной сборки. Провод припаивается к «–» АКБ, а затем с соблюдением полярности – к контакту В- на плате. Затем подключаются провода для балансировки. Если их подключить неправильно, элементы балансира будут греться и могут отпасть или сгореть. При правильном подсоединении получается полноценная защита от перезаряда, глубокого разряда и КЗ. К контактам С- и Р- припаиваются провода для зарядки и разрядки АКБ.

Как вывести плату BMS из защиты?

Как правило, плата BMS уходит в защиту при перегрузке по току, например, при резком старте шуруповерта или другого прибора. Для решения этой проблемы можно впаять между контроллером и мотором дроссель на 1,5 МН или припаять к выходу на двигатель P-конденсатор емкостью порядка 20 мкФ на 25 вольт.

Но плата может срабатывать не только из-за токовой перегрузки. В частности, причиной срабатывания защиты может стать снижение напряжения на аккумуляторах во время пуска двигателя. В качестве решения такой проблемы рекомендуется замедлить защиту на время пуска мотора, добавив в схему конденсатор.

Использование BMS плат в электротранспорте

Платы BMS используются для защиты и контроля работы АКБ электровелосипедов, самокатов, скутеров, мопедов и других транспортных средств на электротяге. Платы защиты выполняют такие функции:

• оберегают элементы питания и АКБ от повреждений, контролируя их исправность, напряжение, температуру, уровня заряда, токи заряда и разряда;
• увеличивают срок службы аккумуляторных сборок;
• поддерживают эффективную работу АКБ;
• хранят в памяти информацию по числу рабочих циклов, граничным значениям напряжения элементов, зарядного и разрядного тока;
• проводят оценку рабочих параметров в соответствии с допустимыми значениями;
• передают информацию о работе АКБ на внешние управляющие устройства – по проводам или беспроводной связи;
• обеспечивают безопасную работу АКБ, не допускают ее перегрузки по току, избыточного напряжения в процессе зарядки, критического снижения напряжения в процессе разряда;
• при выходе любой из рабочих характеристик за пределы допустимого диапазона – отключают АКБ от нагрузки или ЗУ;
• осуществляют балансировку – выравнивают заряд между всеми аккумуляторами сборки, продлевая их ресурс.

BMS платы могут выполнять разное количество функций. Кроме управления работой АКБ, они способны участвовать в контроле рабочих параметров персонального электротранспорта и выполнять действия по управлению его электрической мощностью. Если в транспортном средстве используется система рекуперации энергии при торможении, BMS плата может управлять процессом подзарядки АКБ на спусках и при замедлении движения.

Источник

BMS – обзор контроллеров защиты аккумуляторов

В наш современный век всеобщей популяризации литиевых батарей любой, даже простой пользователь бытовых устройств, должен хотя-бы примерно представлять их функционирование и факторы риска при их эксплуатации. Среди произошедших несчастных случаев с аккумуляторами (например, электронных сигарет) лишь небольшой процент обязан производственному браку, чаще всего неисправности возникают в результате неправильной эксплуатации.

В нашей статье мы рассмотрим новейшие технологии, которые призваны защитить литиевые аккумуляторы, а также расскажем, почему они так важны.

Из теории литиевых аккумуляторов можно узнать, что им противопоказан перезаряд, переразряд или разряд слишком большими токами, а также короткие замыкания. При переразряде, в аккумуляторе образуются металлические связи между катодом и анодом, которые приводят к короткому замыканию при зарядке аккумулятора, что может привести к порче не только элементов питания, но и зарядного устройства. Перезаряд же (набор аккумулятором напряжения больше разрешенного) почти сразу ведёт к возгоранию, а зачастую даже к взрыву.

Для горения литиевых аккумуляторов не нужен кислород – оно происходит анаэробно, поэтому стандартные методы тушения не подходят; также, при реакции лития с водой выделяется еще и горючий газ водород, который только ухудшает ситуацию. Разряд высокими токами приводит к вздутию аккумулятора, а если нарушается целостность оболочки – происходит реакция лития с водяными парами в воздухе, что само по себе способно спровоцировать возгорание.

Всё это отнюдь не перечёркивает явные преимущества аккумуляторов, среди них:

• большая плотность энергии на единицу массы
• низкий процент саморазряда
• практически полное отсутствие эффекта памяти (когда заряд неполностью разряженного элемента приводит к снижению ёмкости)
• большой температурный диапазон работы

Незначительное снижение напряжения в процессе разряда накладывает некоторые обязанности на пользователя. Нельзя допустить превышения максимального напряжения (4.25 В), снижение напряжения ниже минимального (2.75 В), а также превышения рабочего тока, который отличается для каждой модели. И в этом хитром деле нам помогут специальные устройства – BMS-контроллеры!

Что такое BMS?

В переводе с английского, BMS (Battery Management System) – система управления батареей. Понятие слишком широкое, поэтому оно описывает почти все устройства, так или иначе обеспечивающие корректную работу аккумуляторов в данном устройстве, начиная с простых плат защиты или балансировки, заканчивая сложными микроконтроллерными устройствами, подсчитывающими ток разряда и количество циклов заряда (например, как в батареях ноутбуков). Мы не будем рассматривать сложные устройства – как правило, они специфичны и не предназначаются для рядового радиолюбителя, а выпускаются только под заказ для крупных производителей устройств.

То, что продаётся повсеместно, условно можно разделить на четыре категории:

• балансиры
• защиты (по току, напряжению)
• платы, обеспечивающие заряд (да, они тоже считаются устройствами BMS)
• те или иные комбинации вышеперечисленных вариантов, вплоть до объединения всего в одно устройство

Чем функциональней и разветвлённей защита – тем больше ресурс работы вашего аккумулятора.

Принцип работы BMS-контроллеров

Давайте посмотрим, по какому принципу BMS системы выполняют своё предназначение.

Структурно на плате можно выделить:

• микросхема защиты
• аналоговая обвязка (для определения тока/балансировки аккумуляторов)
• силовые транзисторы (для отключения нагрузки)

Рассмотри подробнее работу каждой из защит.

Защита по току (от короткого замыкания / превышения допустимого тока)

Существует множество вариантов узнать, какой ток течёт по линии. Самый распространённый – шунт (измерение падения напряжения на резисторе с низким сопротивлением и большой мощностью), но он требует большой точности измерений и весьма громоздкий. Метод с измерением на основе эффекта Холла лишён этих недостатков, но стоит дороже, поэтому самый распространённый метод определения КЗ на линии – измерение напряжения, которое проседает практически до нуля в режиме КЗ.

Современные контроллеры позволяют сделать это в очень короткий промежуток времени, за который ущерб не нанесётся ни подключенному устройству, ни самому аккумулятору. Но защита по току может функционировать и на шунте – ведь в случае BMS тут не нужно точное измерение, важен лишь переход падения напряжения через определённый порог. Как только событие наступает, контроллер сразу же отключает нагрузку при помощи транзисторов.

Защита по напряжению (от перезаряда или переразряда)

С этой защитой разобраться попроще, так как измерение напряжения легко можно сделать, используя аналогово-цифровой преобразователь. Но и тут есть некая специфика – стоит отметить, что если контроллер защищает большую сборку из последовательно соединённых аккумуляторов, то обычно он меряет напряжение каждой банки персонально, так как ввиду мельчайших различий в элементах они имеют мельчайшие же различия по ёмкости, что выливается в неравномерный разряд и возможность высадить «в ноль» отдельный элемент.

Некоторые системы не подключают нагрузку, не дождавшись дозаряда аккумулятора до определённого напряжения после срабатывания триггера по переразряду, то есть недостаточно подзарядить элемент пару минут, чтобы он поработал ещё хоть малое время – обычно необходимо зарядить до номинального напряжения (3.6 – 4.2В, в зависимости от типа аккумулятора).

Защита по температуре

Редко встречается в современных устройствах, но не зря большинство аккумуляторов для телефонов оборудовано третьим контактом – это и есть вывод терморезистора (резистора, имеющего чёткую зависимость сопротивления от окружающей температуры). Обычно перегрев не наступает сам собой и раньше успевают сработать другие виды защиты – например, перегрев может быть вызван коротким замыканием.

Алгоритм работы заряда батарей

Зарядка литиевых аккумуляторов происходит в 2 этапа: CC (constant current, постоянный ток) и CV (constantvoltage, постоянное напряжение). В течение первого этапа зарядное устройство постепенно поднимает напряжение таким образом, чтобы заряжаемый элемент брал заданный ток (обычное рекомендованное значение равно 1 ёмкости аккумулятора). Когда напряжение достигает 4В, зарядка переходит на второй этап и поддерживает напряжение 4.2В на батарее.

Когда элемент практически перестанет брать ток, он считается заряженным. На практике, алгоритм можно реализовать и при помощи обычного лабораторного блока питания, но зачем, если есть специализированные микросхемы, заранее «заточенные» под выполнение этой последовательности действий, например, самая известная из них – TP4056, способна заряжать током до 1А.

Что такое балансировка?

Напоследок мы оставили самую интересную функцию BMS – функцию балансировки элементов многобаночного аккумулятора.

Итак, что же такое балансировка? Сам процесс её подразумевает выравнивание напряжений на элементах батареи, соединённых последовательно для повышения общего напряжения сборки. Из-за небольших отличиях в ёмкости батарей они заряжаются за немного разное время, и когда одна банка может уже достигнуть апогея зарядки, остальные могут ещё недобрать заряд.

При разряде такой сборки большими токами наиболее заряженные элементы по закону Ома возьмут на себя больший ток (при равном сопротивлении ток будет зависеть от напряжения, которое находится в знаменателе формулы), что вызовет их ускоренный износ и может вывести элемент из строя. Для того, чтобы избежать этой проблемы, применяют аккумуляторные балансиры – специальные устройства, выравнивающие напряжения на банках до одного уровня.

Активные и пассивные балансиры

Активные балансиры производят балансировку уже при зарядке – зарядив одну банку сборки, они отключают её от питания, продолжая заряжать вторую. Как яркий пример такого устройства – популярное среди моделистов ЗУ Imax B6, в режиме Balance оно сразу проверяет напряжения индивидуально на каждой банке и справляется с этим на отлично.

Пассивные балансиры наоборот, разряжают элементы до одного значения малыми токами через резисторы. Их основной плюс – они не требуют внешнего питания, а также являются более точными за счёт применения аналоговых комплектующих (и более дешёвыми, так как не содержат сложных микросхем).

Рассмотрим некоторые примеры готовых плат BMS:

Источник