Bms контроллер для li ion аккумуляторов

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:

BMS балансир контроллер заряда шуруповерта Li-Ion

# ОПЛАТА ТОЛЬКО НАЛИЧНЫМИ
# ПН-ВС: самовывоз Химки: 0 руб
# ПН-ВС: до м.Планерная: 200 руб
# Наложенный платеж Почта России: от 400 руб

т.к. сейчас запрещается размещать фотографии нескольких товаров в одном объявлении, фото конкретного товара присылаю по запросу в личном сообщении

Фото #1:
1S4a — 30 руб. — контроллер заряда Li-Ion 1S 3A
CH1b — 50 руб. — контроллер заряда Li-Ion 1S 1A (c MicroUSB)
2S5a1 — 120 руб. — контроллер заряда Li-Ion 2S 5A
2S3a1 — 130 руб. — контроллер заряда Li-Ion 2S 3A/5A
TP4056 — 25 руб. — микросхема
2S8a1 — 170 руб. — контроллер заряда Li-Ion 2S 8A
CI3:2S — 250 руб. — индикатор уровня заряда Li-Ion 2S
B3 — 200 руб. — держатель аккумуляторов 18650

Фото #2:
3S8a1 — 250 руб. — контроллер заряда Li-Ion 3S 8A/10A
3S40Li23 — 350 руб. — контроллер заряда Li-Ion 3S 40A (+балансировщик 100mA)
3S40Lfp22 — 250 руб. — контроллер заряда LiFePO4 3S 40A (+балансировщик 100mA)
DN1g — 200 руб. — Понижающий DC-DC LM2596 (с режимом CV/CC — для разядки аккумуляторов до 2A)
4S10 — 250 руб. — контроллер заряда Li-Ion 4S 10A
4S30Li — 350 руб. — контроллер заряда Li-Ion 4S 30A (+балансировщик 60mA)
4S40Li20 — 350 руб. — контроллер заряда Li-Ion 4S 40A (+балансировщик 100mA)
DN1i — 250 руб. — Понижающий DC-DC XL4015 (с режимом CV/CC — для разядки аккумуляторов до 5A)

Фото #3:
INR18650-25R — 275 руб. — Аккумулятор Li-Ion 2500mAh (до 20А без защиты)
LGDBMJ118650 — 350 руб. — Аккумулятор Li-Ion 3500mAh (до 10А без защиты)
NCR18650B — 350 руб. — Аккумулятор Li-Ion 3400mAh (без защиты)
16AWG — 200 руб. — Силиконовый сверхгибкий провод (ток до 22А)
PS5521m — 100 руб. — Гнездо на корпус под пай 5.5х2.1мм
PS5525m — 100 руб. — Гнездо на корпус под пай 5.5х2.5мм
PM5521b — 100 руб. — Штекер на кабель под пай 5.5х2.1мм
PM5525b — 100 руб. — Штекер на кабель под пай 5.5х2.5мм

Фото #4:
CI2:1S — 150 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 1S (бескорпусной с кнопкой)
CI2:2S — 150 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 2S (бескорпусной с кнопкой)
CI2:3S — 150 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 3S (бескорпусной с кнопкой)
CI2:4S — 150 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 4S (бескорпусной с кнопкой)
U3-15S — 700 руб. — Программируемый индикатор уровня заряда Li-Ion/Lead-Acid 3S-15S
CI1:4S — 200 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 4S
CI3:4S — 250 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 4S (с кнопкой)
CI4:4S — 250 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 4S (малогабаритный с кнопкой)

Фото #5:
CH4S-2A — 1000 руб. — Зарядное устройство Li-Ion 3S-4S 2A (штекер 5.5х2.1мм)
CH4S-5A — 1300 руб. — Зарядное устройство Li-Ion 3S-4S 5A (штекер 5.5х2.1мм)

Фото #6:
10S8-15 — 1200 руб. — Контроллер заряда Li-Ion 10S (заряд 8A, разряд 15А, защита 55А)
10S2A:CH — 1700 руб. — Зарядное устройство Li-Ion 10S 2A (штекер GX16-2pin + гнездо)

Фото #7:
NS:4SL — 50 руб. — Никелевая пластина 0.15мм (уголок) для сварки 4х акк. 18650
B1b — 50 руб. — Никелевая пластина 20см для сварки 4х акк. 18650 (конструктор)
NS:4SR — 50 руб. — Никелевая пластина 0.15мм (квадрат) для сварки 4х акк. 18650
NS:3W — 100 руб. — Никелевая пластина 0.15мм
NS:10:0.1 — 50 руб. — Никелевая пластина 0.1мм/10мм/100мм
NS:8:0.12 — 50 руб. — Никелевая пластина 0.12мм/8мм/100мм
NS:8:0.15 — 50 руб. — Никелевая пластина 0.15мм/8мм/100мм
NS:7:0.2 — 50 руб. — Никелевая пластина 0.2мм/7мм/100мм

Фото #8:
B1b — 10 руб. — Ячейка конструктора для наборного аккумулятора 18650
IP1Sc — 30 руб. — Картонный изолятор с клеевым слоем для 4х акк. 18650
BERYL — 30 руб. — Неполярный конденсатор 220мкФx63В
SW:250V/6A — 50 руб. — Выключатель
XT60 — 100 руб. — Разъем на большие токи 500V/30A
SG6-7 — 100 руб. — Золоченые пружины для фонариков
IP1Sa — 30 руб. — Картонные изоляторы на «ПЛЮС» акк. 18650
CJMCU — 100 руб. — Гнездо Micro USB на плате

Фото #9:
B5 — 200 руб. — держатель аккумуляторов 18650 (два последовательно соединенные)
K1a — 150 руб. — держатель аккумуляторов/батареек AA
K1c — 200 руб. — Ключ для коммутации напряжения цепи конструктора
AutoPlug — 150 руб. — Штекер прикуривателя
BA1 — 150 руб. — держатель аккумуляторов/батареек AA 3S
K1b — 200 руб. — Патрон для маленькой лампочки (конструктор)
VB7a — 200 руб. — Вольтметр-амперметр 100V/10A
AC44 — 50 руб. — Пара крокодилов 44мм

В наличии:
— Аккумуляторы большой емкости NCR18650B, LGDBMJ11865
— Аккумулятор INR18650-25R Liitokala 25RN-N
— Балансировщик (балансир), Плата BMS, Контроллер заряда, защитные платы Li-Ion, LiFePO, Charger Protection Board: 1s, 2s, 3s, 4s, 10S. Есть: CF-4S30A-A, HX-3S-FL25A-A
— Платы для переделки шуруповерта на аккумуляторы Li-Ion, LiFePO
— Держатели аккумуляторов 18650, AA
— Ячейки конструктора для сборки аккумулятора произвольной формы
— Никелевые полоски, профили
— Разъем XT60, XT-60
— DC-DC для самодельного зарядного устройства (чип XL4015)
— Картонные изоляторы
— Зарядные устройства
— Индикаторы уровня заряда Li-Ion (Lithium Battery Capacity Indicator)
— Микросхемы TP4056

# ОПЛАТА ТОЛЬКО НАЛИЧНЫМИ
# ПН-ВС: самовывоз Химки: 0 руб
# ПН-ВС: до м.Планерная: 200 руб
# Наложенный платеж Почта России: от 400 руб

т.к. сейчас запрещается размещать фотографии нескольких товаров в одном объявлении, фото конкретного товара присылаю по запросу в личном сообщении

Фото #1:
1S4a — 30 руб. — контроллер заряда Li-Ion 1S 3A
CH1b — 50 руб. — контроллер заряда Li-Ion 1S 1A (c MicroUSB)
2S5a1 — 120 руб. — контроллер заряда Li-Ion 2S 5A
2S3a1 — 130 руб. — контроллер заряда Li-Ion 2S 3A/5A
TP4056 — 25 руб. — микросхема
2S8a1 — 170 руб. — контроллер заряда Li-Ion 2S 8A
CI3:2S — 250 руб. — индикатор уровня заряда Li-Ion 2S
B3 — 200 руб. — держатель аккумуляторов 18650

Фото #2:
3S8a1 — 250 руб. — контроллер заряда Li-Ion 3S 8A/10A
3S40Li23 — 350 руб. — контроллер заряда Li-Ion 3S 40A (+балансировщик 100mA)
3S40Lfp22 — 250 руб. — контроллер заряда LiFePO4 3S 40A (+балансировщик 100mA)
DN1g — 200 руб. — Понижающий DC-DC LM2596 (с режимом CV/CC — для разядки аккумуляторов до 2A)
4S10 — 250 руб. — контроллер заряда Li-Ion 4S 10A
4S30Li — 350 руб. — контроллер заряда Li-Ion 4S 30A (+балансировщик 60mA)
4S40Li20 — 350 руб. — контроллер заряда Li-Ion 4S 40A (+балансировщик 100mA)
DN1i — 250 руб. — Понижающий DC-DC XL4015 (с режимом CV/CC — для разядки аккумуляторов до 5A)

Фото #3:
INR18650-25R — 275 руб. — Аккумулятор Li-Ion 2500mAh (до 20А без защиты)
LGDBMJ118650 — 350 руб. — Аккумулятор Li-Ion 3500mAh (до 10А без защиты)
NCR18650B — 350 руб. — Аккумулятор Li-Ion 3400mAh (без защиты)
16AWG — 200 руб. — Силиконовый сверхгибкий провод (ток до 22А)
PS5521m — 100 руб. — Гнездо на корпус под пай 5.5х2.1мм
PS5525m — 100 руб. — Гнездо на корпус под пай 5.5х2.5мм
PM5521b — 100 руб. — Штекер на кабель под пай 5.5х2.1мм
PM5525b — 100 руб. — Штекер на кабель под пай 5.5х2.5мм

Фото #4:
CI2:1S — 150 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 1S (бескорпусной с кнопкой)
CI2:2S — 150 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 2S (бескорпусной с кнопкой)
CI2:3S — 150 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 3S (бескорпусной с кнопкой)
CI2:4S — 150 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 4S (бескорпусной с кнопкой)
U3-15S — 700 руб. — Программируемый индикатор уровня заряда Li-Ion/Lead-Acid 3S-15S
CI1:4S — 200 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 4S
CI3:4S — 250 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 4S (с кнопкой)
CI4:4S — 250 руб. — Индикатор уровня заряда Li-Ion 4S (малогабаритный с кнопкой)

Фото #5:
CH4S-2A — 1000 руб. — Зарядное устройство Li-Ion 3S-4S 2A (штекер 5.5х2.1мм)
CH4S-5A — 1300 руб. — Зарядное устройство Li-Ion 3S-4S 5A (штекер 5.5х2.1мм)

Фото #6:
10S8-15 — 1200 руб. — Контроллер заряда Li-Ion 10S (заряд 8A, разряд 15А, защита 55А)
10S2A:CH — 1700 руб. — Зарядное устройство Li-Ion 10S 2A (штекер GX16-2pin + гнездо)

Фото #7:
NS:4SL — 50 руб. — Никелевая пластина 0.15мм (уголок) для сварки 4х акк. 18650
B1b — 50 руб. — Никелевая пластина 20см для сварки 4х акк. 18650 (конструктор)
NS:4SR — 50 руб. — Никелевая пластина 0.15мм (квадрат) для сварки 4х акк. 18650
NS:3W — 100 руб. — Никелевая пластина 0.15мм
NS:10:0.1 — 50 руб. — Никелевая пластина 0.1мм/10мм/100мм
NS:8:0.12 — 50 руб. — Никелевая пластина 0.12мм/8мм/100мм
NS:8:0.15 — 50 руб. — Никелевая пластина 0.15мм/8мм/100мм
NS:7:0.2 — 50 руб. — Никелевая пластина 0.2мм/7мм/100мм

Фото #8:
B1b — 10 руб. — Ячейка конструктора для наборного аккумулятора 18650
IP1Sc — 30 руб. — Картонный изолятор с клеевым слоем для 4х акк. 18650
BERYL — 30 руб. — Неполярный конденсатор 220мкФx63В
SW:250V/6A — 50 руб. — Выключатель
XT60 — 100 руб. — Разъем на большие токи 500V/30A
SG6-7 — 100 руб. — Золоченые пружины для фонариков
IP1Sa — 30 руб. — Картонные изоляторы на «ПЛЮС» акк. 18650
CJMCU — 100 руб. — Гнездо Micro USB на плате

Фото #9:
B5 — 200 руб. — держатель аккумуляторов 18650 (два последовательно соединенные)
K1a — 150 руб. — держатель аккумуляторов/батареек AA
K1c — 200 руб. — Ключ для коммутации напряжения цепи конструктора
AutoPlug — 150 руб. — Штекер прикуривателя
BA1 — 150 руб. — держатель аккумуляторов/батареек AA 3S
K1b — 200 руб. — Патрон для маленькой лампочки (конструктор)
VB7a — 200 руб. — Вольтметр-амперметр 100V/10A
AC44 — 50 руб. — Пара крокодилов 44мм

В наличии:
— Аккумуляторы большой емкости NCR18650B, LGDBMJ11865
— Аккумулятор INR18650-25R Liitokala 25RN-N
— Балансировщик (балансир), Плата BMS, Контроллер заряда, защитные платы Li-Ion, LiFePO, Charger Protection Board: 1s, 2s, 3s, 4s, 10S. Есть: CF-4S30A-A, HX-3S-FL25A-A
— Платы для переделки шуруповерта на аккумуляторы Li-Ion, LiFePO
— Держатели аккумуляторов 18650, AA
— Ячейки конструктора для сборки аккумулятора произвольной формы
— Никелевые полоски, профили
— Разъем XT60, XT-60
— DC-DC для самодельного зарядного устройства (чип XL4015)
— Картонные изоляторы
— Зарядные устройства
— Индикаторы уровня заряда Li-Ion (Lithium Battery Capacity Indicator)
— Микросхемы TP4056

Система управления батареи (BMS)

Система управления батареи (BMS) – электронная система, которая управляет заряд/разрядным процессом аккумуляторной батареи, отвечает за безопасность её работы, проводит мониторинг состояния батареи, оценку вторичных данных работоспособности.

BMS (Battery Management System) – это электронная плата, которая устанавливается на аккумуляторную батарею с целью контроля процесса её заряда/разряда, мониторинга состояния аккумулятора и его элементов, контроля температуры, количества циклов заряда/разряда, защиты составных аккумуляторной батареи. Система управления и балансировки обеспечивает индивидуальный контроль напряжения и сопротивления каждого элемента аккумулятора, распределяет токи между составными аккумуляторной батареи во время зарядного процесса, контролирует ток разряда, определяет потерю емкости от дисбаланса, гарантирует безопасное подключение/отключение нагрузки.

На основе получаемых данных BMS выполняет балансировку заряда ячеек, защищает аккумулятор от короткого замыкания, перегрузки по току, перезаряда, переразряда (высокого и чрезмерно низкого напряжения каждой ячейки), перегрева и переохлаждения. Функциональность BMS позволяет не только улучшить режим эксплуатации аккумуляторных батарей, но и максимально увеличить срок их службы. При определении критического состояния батареи Battery Management System соответственно реагирует, выдавая запрет на использование аккумуляторной батареи в электросистеме — отключает её. В некоторых моделях BMS предусмотрена возможность ведения реестра (записи данных) о работе аккумуляторной батареи и их последующей передачи на компьютер.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (известные как LiFePO4), что существенно превосходят ряд иных аккумуляторный батареи литий-ионной технологии с точки зрения безопасности, стабильности и производительности, также комплектуются схемами управления BMS. Дело в том, что литий-железо-фосфатные батареи чувствительны к перезаряду, а также разряду ниже определенного напряжения. С целью уменьшения риска повреждения отдельных аккумуляторных ячеек и выхода батареи в целом из строя все LiFePO4 аккумуляторы оснащаются специальной электронной схемой балансировки – системой управления батареями (BMS).

Напряжение на каждой из ячеек, объединенных в литий-железо-фосфатную батарею, должно находиться в определенных пределах и быть равным между собой. Ситуация же такова, что идеально равная емкость всех ячеек, входящих в состав единого аккумулятора, — довольно редкое явление. Даже малое различие на пару долей ампер-часов может спровоцировать в дальнейшем различие уровня напряжения при зарядно/разрядном процессе. Разница в уровне заряда/разряда ячеек единой LiFePO4 батареи довольно опасна, так как может погубить аккумулятор.

При параллельном соединении ячеек напряжение на каждой из них будет приблизительно равным: более заряженные элементы смогут вытягивать менее заряженные. При последовательном же соединении равномерного распределения заряда между ячейками не происходит, в результате чего одни элементы остаются недозаряженными, а другие перезаряжаются. И даже, если общее напряжении по завершении зарядного процесса будет близко к идеальному, вследствие даже небольшого перезаряда некоторых ячеек в батарее будут происходить необратимые разрушительные процессы. Аккумуляторная батарея в процессе эксплуатации не будет отдавать требуемой емкости, и по причине неравномерного распределения заряда быстро придет в негодность. Ячейки с наименьшим уровнем заряда станут своеобразным «cлабым местом» аккумулятора: они будут быстро поддаваться разряду, в то время, когда аккумуляторные элементы большей емкости будут проходить только частичный разрядный цикл.

Избежать негативных разрушительных процессов в аккумуляторной батарее позволяет метод балансировки. Система управления и балансировки ячеек BMS следит за тем, чтобы все ячейки в конце зарядки получали равное напряжении. При подходе зарядного процесса к концу BMS делает балансировку шунтированием зарядившихся ячеек или же переносит энергию элементов с большим напряжением к элементам с меньшим напряжением. В отличии от активной, при пассивной балансировке практически полностью восполнившие заряд ячейки получают меньший ток или исключаются из зарядного процесса до момента, пока все элементы аккумулятора не будут иметь равный уровень напряжения. Система управления батареей (BMS), производя балансировку, а также обеспечивая контроль температуры и выполнение ряда иных функций, максимально продлевает срок службы аккумулятора.

Основные цели применения BMS(BatteryManagementSystem) в качестве регулятора работы аккумуляторной батареи:

— защита аккумуляторных клеток и целой батареи от повреждений;

— увеличение срока службы батареи;

— поддержание аккумулятора в состоянии, при котором станет максимально возможным выполнение всех возложенных на него задач.

Функции BMS (Battery Management System)

1. Контроль за состоянием элементов аккумуляторной батареи с точки зрения:

— напряжения: общее напряжение, напряжение отдельных ячеек, минимальное и максимальное напряжение ячейки;

— температуры: средняя температура, температура электролита, температура на выходе, температура отдельных аккумуляторных «клеток», платы BMS (электронная плата, как правило, оснащается как внутренними температурными датчиками, проводящими мониторинг температуры непосредственно регулировочного устройства, так и внешними, которые используются для контроля температуры конкретных элементов батареи);

— заряда и глубины разряда;

— токов заряда /разряда;

Система управления и балансировки ячеек может хранить в памяти такие показатели, как количество циклов заряда/разряда, максимальное и минимальное напряжение ячеек, максимальное и минимальное значение тока заряда и разряда. Именно эти данные и позволяют определять состояние исправности аккумуляторной батареи.

Неправильный заряд – одна из наиболее распространенных причин выхода аккумуляторной батареи из строя, поэтому контроль заряда является одной из основных функций микроконтроллера BMS.

2. Интеллектуально-вычислительная. На основе вышеперечисленный пунктов BMS проводит оценку:

— максимального допустимого тока заряда;

— максимального допустимого тока разряда;

— количества энергии, поставляемой вследствие зарядки, или же теряемой при разряде;

— внутреннего сопротивления ячейки;

— суммарной наработки аккумуляторной батареи в процессе эксплуатации (общего количества циклов работы).

3. Связная.BMS может подавать вышеуказанные данные на внешние управляющие устройства путем проводной или же беспроводной коммуникации.

4. Защитная.BMS защищает батарею, предотвращая её выход за пределы безопасной работы. BMS гарантирует безопасность подключения/отключения нагрузки, гибкое управление нагрузкой, защищает аккумуляторную батарею от:

— перегрузки по току;

— перенапряжения (во время зарядки);

— падения напряжения ниже допустимого уровня (во время разряда);

BMS может предотвратить опасный для аккумуляторной батареи процесс путем непосредственного влияния на неё или же подачи соответствующего сигнала о невозможности последующего использования аккумулятора к управляющему устройству (контроллеру). Система интеллектуального мониторинга (BMS) отключает аккумуляторную батарею от нагрузки или зарядного устройства при выходе хотя бы одного из рабочих параметров за границы допустимого диапазона.

5. Балансировка.Балансировка – это метод равномерного распределения заряда между всеми ячейками аккумуляторной батареи, благодаря чему максимально продлевается срок службы аккумулятора.

BMS предотвращает чрезмерный перезаряд, недозаряд и неравномерный разрядный процесс в отдельных аккумуляторных ячейках:

— осуществляя «перетасовку» энергии от наиболее заряженных клеток к менее заряженным (активная балансировка);

— снижая до достаточного низкого уровня поступление тока к практически полностью заряженной ячейке, одновременно с тем, когда менее заряженные аккумуляторные клетки продолжают получать нормальный зарядный ток (принцип шунтирования),

— обеспечивая процесс модульной зарядки;

— регулируя выходные токи ячеек аккумулятора, подключенного к электроустройству.

С целью защиты платы BMS от негативного воздействия влаги и пыли её покрывают специальным эпоксидным герметиком.

Не всегда аккумуляторы имеет только одну систему управления и балансировки. Иногда вместо одной платы BMS, подсоединяемой при помощи выходящих проводов к аккумуляторной батарее и контроллеру, используется сразу несколько связанным между собой регулировочных электронных плат, каждая из которых управляет определенным количеством ячеек и подает выходящие данные к единому контроллеру.

С практической точки зрения BMS могут выполнять значительно больше функций, нежели просто управление работой батареи. Иног да эта электронная система может принимать участие в контроле параметров режима работы электрического транспортного средства, и осуществлять соответствующие действия по управлению его электрической мощностью. Если аккумуляторная батарея участвует в работе системы рекуперации энергии при торможении электрического транспортного средства, то BMS также может регулировать процесс подзарядки батареи при замедлении и спусках.

Концепция платы защиты BMS для литий-ионных АКБ

Хочу описать своё виденье о том какой должна быть плата защиты для литий ионных аккумуляторов различной химии и различной ёмкости. Сейчас конечно очень большой выбор различных BMS для li-ion аккумуляторов. Но простые BMS имеют жёсткие и слишком критические настройки срабатывания, от чего часто аккумуляторы выходят из строя (в основном разбухают от перезаряда). А продвинутые BMS имеющие множество компонентов и умеющие измерять даже внутреннее сопротивление ячеек, и через ПК и интернет настраиваться и обмениваться данными, стоят пока очень дорого, и из-за своей сложности они сложны в использовании для простых людей, а так-же их стоимость высока.

Думаю сейчас самая большая проблема в использовании литий-ионных аккумуляторов большой емкости это системы контроля и защиты таких аккумуляторов. Решения я повторюсь уже есть, но их можно пересчитать по пальцам, и они дорогие и не совсем универсальные, хотя в этом направлении прогресс не стоит на месте.

Само слово BMS означает Battery Monitoring System то-есть система мониторинга батареи, и этим коротким обозначением могут называться как простые аналоговые платы защиты, так и сложные микро-компьютерные системы мониторинга литий-ионных АКБ. Но как я уже написал выше — первые слишком примитивные и имеют слишком критические настройки срабатывания, а вторые слишком навороченные и дорогие. Но нет такой battery monitoring system, которая была-бы дешёвая и простая, но в тоже время имела возможность настройки под различные типы li-ion аккумуляторов, а так-же настройки отсечки заряд/разряд и настройки балансировки.

Фото плат защиты литий-ионных аккумуляторов

BMS для lifepo4

Платы защиты BMS могут быть различных размеров и на различное количество ячеек, то-есть отдельных аккумуляторов. Принцип работы таких плат очень простой, они отслеживают напряжение на каждой ячейке аккумулятора. И если на любой ячейке напряжение превысит порог срабатывания, то в BMS сработают силовые транзисторы и отключат аккумулятор от зарядного или потребителей. Так-же при установленном напряжении включается балансировка. Основной параметр, на который стоит обращать внимание это ток, на который рассчитана плата защиты.

Ниже на фото более дорогая и полнофункциональная BMS

BMS для электромобиля

Достоинства и недостатки различных BMS

Концепция моей BMS

2. Еще думаю абсолютно лишние датчики температуры, так-как это лишние провода если плата защиты устанавливается не на АКБ. Ну и перегрев аккумулятора может происходить при огромных токах заряда/разряда что обычно никогда не происходит. Обычно аккумуляторы заряжаются и разряжаются небольшими токами относительно ёмкости, и скажем акб ёмкостью 100Ач никто не будет заряжать током 300-500А и разряжать такими токами. По этому перегрев при исправных ячейках просто невозможен.

3. Плата защиты АКБ обязательно должна иметь возможность настраиваться под разные типы li-ion АКБ, и настройки порогов балансировки. И для этого должен быть установлен дисплей и кнопочки управления. Конечно сейчас можно легко сделать связь с ПК и работать с настройками через программное обеспечение. Но это не удобно так-как ПК не всегда под рукой, да и проще видеть происходящее и настраивать прямо на BMS, чем соединяться с ПК, тем-более что не все уверенные пользователи ПК. В общем я за хороший и большой дисплей на самой BMS, а связь с ПК и мониторинг с записью логов просто ни к чему.

4. Настройка работы должна заключаться в следующем: Установка порога напряжения при котором отключается зарядное устройство. Например для lifepo4 это 3.6-3.9 вольт на ячейку. При этом порог отключения должен вручную изменяться и указываться любой, хоть 3,40вольт, хоть 4.30вольт, то-есть под любой тип литий-ионных аккумуляторов. И для работы в буферном режиме где аккумулятор находится постоянно под напряжением и 100% постоянный заряд губительно влияет на ячейки (они вздуваются).

При этом на плате не нужны встроенные силовые ключи для размыкания контакта. Вообще заряд и разряд нужно разделить на два раздельных канала, чтобы при отключении зарядного устройства от АКБ потребители не оказались в ситуации когда акб отключен и они питаются только от зарядного устройства. А в качестве ЗУ могут быть и солнечные батареи, и ветрогенератор, и любой другой источник с нестабильным и повышенным напряжением, от которого без АКБ могут сгореть подключенные потребители. Вот чтобы этого не случилось (как уже случалось) нужно разделить каналы отключения зарядки и потребителей.

При этом не нужно ставить на плате транзисторные ключи на определенный ток, так-как кому-то скажем хватит и 10А, а кому-то и 200А мало. Вместо ключей можно просто сделать маломощные выводы скажем с током на 1А, на которые можно вешать обычные или твердотельные реле, которыми и отключать зарядку и потребителей. Например если у вас ток зарядки не превышает 20А, то ставим на заряд реле на 20А. А если разряд через инвертор бывает токами до 100А, то ставить реле отключения потребителей на 100А.

5. Пороги балансировки ячеек тоже должны настраиваться и ток балансировки должен быть довольно мощный, думаю до 5А на случай использования некачественных ячеек с разным внутренним сопротивлением и разной емкости. Вот здесь можно использовать технологию PWM для установки тока балансировки. Или к примеру сделать возможность смены балансировочных резисторов на разный ток.

Внешний вид контроллера li-ion аккумуляторов

BMS так-же должна иметь выходы на ячейки, только на болтиках, количество думаю любое от 2S до 16S. Выход отключения зарядного устройства под внешнее реле отключения, так-же выход отключения потребителей аналогичный. И думаю больше ничего не нужно. И так-как балансиры будут находится внутри BMS, то должен быть массивный алюминиевый радиатор способный рассеивать до 300ватт энергии.

Вообще конечно можно делать законченные BMS с внутренними ключами и различным током балансировки, и под разное количество ячеек, но их нужно будет десятки различных конфигураций выпускать. А так одна BMS подходящая под основные задачи. Ток балансировки 5А на ячейку конечно большеват так-как при 16 ячейках и работе всех балансиров мощность рассеиваемая в тепло будет до 300ватт. Но как я описал выше ток балансировки можно устанавливать. Ну и чтобы уменьшить габариты и радиатор максимальный ток балансировки можно уменьшить в 5 раз. 1А думаю тоже будет достаточно даже для АКБ большой ёмкости.

Вот на этом всё, думаю я подробно объяснил что хотелось бы видеть и почему именно так.