Защитная плата bms pcm для литий ионного аккумулятора lipo

Выбор платы BMS

BMS (battery management system) — система управления батареи. Это устройство, без которого не обходится практически ни одна литиевая аккумуляторная батарея. BMS призвана защитить АКБ от различных негативных факторов и максимально продлить скок службы батареи. Сегодня постараемся разобраться во всех вопросах, возникающих при выборе BMS. В этой статье мы расскажем:

• для чего нужна BMS
• какие виды BMS существуют, и каким функционалом они обладают.
• как подобрать BMS под ваши задачи.

Функции BMS

Итак, все аккумуляторные батареи имеют свой рабочий диапазон напряжения, например:

для Li-ion АКБ в большинстве случаев это значение составляет от 2,7 до 4.2V на одну параллель. Существуют АКБ, состоящие как из одной параллели, так и из множества, соединенных последовательно. Например, Li-ion АКБ c номинальным напряжением 11.1V будет состоять и 3-х параллелей (3S), складываем рабочее напряжение всех параллелей, и получаем рабочее напряжение АКБ — от 8,1 до 12,6V. Если напряжение какой-либо параллели или напряжение всей АКБ выйдет за эти пределы, в лучшем случае батарею ждет необратимая деградация, а это в свою очередь значительно снизит емкость и срок службы батареи, в худшем — полный выход из строя АКБ, а также возможность пожара и взрыва.

Основная функция BMS — как раз-таки не давать выходить за пределы рабочих напряжений как всей АКБ в целом, так и каждой отдельной параллели. Так же платы BMS призваны решать еще ряд важный задач:

• Ограничение тока изащита от КЗ. BMS контролирует токи заряда и разряда. В случае, если сила тока выходит за определенные значения, BMS на некоторое время разрывает электрическую цепь. Служит это для защиты батареи от КЗ и чрезмерно высокой силы тока, поскольку каждая АКБ рассчитана на определенные нагрузки.
• Температурный контроль. Аккумуляторные батареи способны нагреваться во время своей работы, а как известно, температура выше определенных значений вредит АКБ. Например, у Li-ion батарей при нагреве свыше 60℃ наступает деградация, а при нагреве свыше 80-90℃ и вовсе появляется вероятность самовоспламенения. На многих BMS установлены температурные датчики, они следят за температурой АКБ, при превышении пороговых значений плата размыкает электрическую цепь, до тех пор, пока АКБ не остынет.

• Балансировка. Для того, чтобы АКБ работала нормально, и отдавала заявленную емкость, напряжение на всех параллелях должно быть одинаковым. Например, если одна из параллелей имеет большее напряжение, чем остальные, то при зарядке BMS будет отключать батарею именно по этой параллели, не давая ей перезарядится, в то время как остальные еще не успели зарядится. В итоге мы получаем АКБ, которую не получится зарядить до конца, соответственно и заявленную емкость она отдавать не будет. Что бы этого избежать во многих платах БМС присутствует режим балансировки. При балансировке напряжение на всех параллелях выравнивается, и АКБ в таком случае, может отдать всю свою энергию.

Виды BMS

Под понятие BMS попадают сразу несколько видов устройств, которые служат для нормального функционирования АКБ. Их можно разделить на несколько категорий:

• защитные платы по напряжению и току.
• балансиры
• комплексные устройства, объединяющие в себе различный функционал.

Чаще всего используются именно комплексные устройства.Они обладают защитой по напряжению и току, защитой от КЗ, и имеют температурный датчик. Так же они способны балансировать АКБ небольшими токам — до 50-100mA, как правило, этого хватает для качественно собранной батареи.

Такие платы бывают симметричными и несимметричными. При использовании симметричной BMS заряд и разряд батареи можно осуществлять через один и тот же разъем, в случае с несимметричной платой, необходимо использование двух разъемов — зарядного и разрядного.

Сегодня на рынке существуют и более «прокаченные» варианты плат BMS — Smart BMS.

Как правило, такие платы имеют множество температурных датчиков, это необходимо для лучшего контроля температуры АКБ. Так же к таким платам возможно подключение специального дисплея, на котором будет отображаться основная информация о состоянии АКБ. Ну и самым главным преимуществом smart BMS является возможность подключится к ней по bluetooth с помощью смартфона. При помощи специальных приложений открывается возможность наблюдать и изменять огромное количество параметров, отвечающих за работу АКБ. Вот основные из них:

• Возможность настраивать количество параллелей с которыми будет работать BMS.
• Возможность настраивать пороги напряжений на параллелях, это позволяет плате работать с разными типами аккумуляторов.
• Возможность настраивать порог максимально допустимых

токов заряда и разряда.

• Следить за такими параметрами работы АКБ, как, общее напряжение, напряжение на каждой параллели, токи заряда/разряда, температура.

Так же следует поговорить о балансирах. Они бывают двух типов — активные и пассивные.

• Активные балансиры производят балансировку уже при зарядке – зарядив одну параллель сборки, они отключают ее от питания, продолжая заряжать вторую.
• 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 счет применения аналоговых комплектующих.

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