Что такое система управления BMS

Литий-ионные аккумуляторы и их модификации успешно вытесняют остальные виды химических источников тока с рынка элементов питания. Обладая многочисленными достоинствами, позволяющими осуществить эту экспансию, тем не менее, Li-ion батареи имеют врожденные проблемы в плане пожароопасности и взрывоопасности. По этой причине разработчики вынуждены оснащать эти аккумуляторы дополнительными средствами защиты.

Что такое система BMS, где применяется

Одним из подобных широко применяемых устройств является система BMS — battery management system (в точном переводе — система управления батареей, а в русскоязычном инженерном сленге – балансир). Применяется она для защиты батарей, составленных из нескольких последовательно соединенных литиевых элементов.

Невозможно подобрать в батарею ячейки с полностью идентичными характеристиками, включая емкость. Между «банками» всегда будет существовать разброс, который в течение периода эксплуатации будет скорее увеличиваться, чем уменьшаться.

Известно, что время зарядки зависит, в том числе, и от зарядного тока. Если элементы соединены последовательно, то при подзаряде (да и при разряде тоже) ток в такой цепи будет одинаковым для каждой «банки». В результате разницы в емкостях, одни элементы будут еще не заряжены, в других уровень энергии достигнет предельного значения. Если процесс в этот момент не прервать, а дожидаться полного заряда всех элементов, ячейки с меньшей емкостью войдут в режим перезаряда. Это крайне нежелательно, так как перезаряд чреват возгоранием. Если же подзаряд остановить по достижению предельного уровня одним элементом, остальные ячейки будут недозаряжены, что тоже плохо. Чтобы избежать этой ситуации потребовалось разработать специальное электронное устройство.

Основные функции, характеристики и принцип работы

Главная функция, которую выполняет устройство балансировки – не допустить перезаряда ни одной из ячеек, полностью зарядив все аккумуляторы. Для этого напряжение на каждом элементе постоянно контролируется. При достижении номинального уровня различные по схемотехнике платы отрабатывают одним из двух способов:

1. Либо закорачивают (шунтируют) зарядившийся элемент (резистором или другим способом).
2. Либо подключают его через резистор к недозаряженной ячейке, выравнивая запас энергии.

Достоинства первого способа, называемого пассивным – простота реализации, а минусом считается излишняя потеря энергии на шунтирующих элементах.

Второй способ, называемый активным, сложнее, зато экономичнее. Обычно применяются два алгоритма:

• подзаряд от самого заряженного элемента всей оставшейся цепочки аккумуляторов;
• подзаряд от самой заряженной «банки» самого разряженного элемента.

Активная система балансировки может быть использована для подзаряда в буферном режиме, поэтому ее применяют в источниках бесперебойного питания и подобных устройствах.

Существует еще одна активная система балансировки, когда каждая ячейка оснащается своим зарядным устройством.

Помимо основного назначения, на плату BMS обычно возлагаются и дополнительные защитные функции:

• защита от перегрева (для этого нужен отдельный выносной датчик температуры) – прекращает подзаряд, если батарея достигла верхнего ограничения по температуре;
• защита от сверхтока (перегрузки) – отключает всю батарею при превышении отдаваемого тока выше заданного предела;
• защита от глубокого разряда (при достижении одним элементом нижнего порогового уровня отключается от нагрузки вся цепочка аккумуляторов).

Все эти функции могут быть реализованы измерением одного лишь напряжения, включая защиту от сверхтока. Эта защита срабатывает при определенном «проседании» напряжения элемента или нескольких одновременно. Но иногда отключение от сверхтока реализуется и другими способами (например, с помощью традиционного токоизмерительного шунта – так точнее, но сложнее).

Схема подключения BMS платы для литиевого аккумулятора

Плата балансировки в процессе работы должна контролировать напряжение каждого элемента батареи, поэтому у нее есть выводы для подключения измерительных выходов параллельно каждой ячейке.

Стандарта для маркировки выводов не существует, однако, многие производители обозначают точки подключения так:

• B- — отрицательный вывод всей батареи;
• B+ — положительный вывод всей батареи;
• B1 – точка подключения анода первой ячейки (считая от общего отрицательного вывода) и катода второй «банки»;
• B2 — точка подключения анода второго элемента и катода третьей ячейки;
• Bn – точка подключения анода предпоследней ячейки батареи и катода самой верхней (от общего плюсового вывода), состоящей из n+1 «банок».

К точкам, обозначенным в данном случае P+ и P-, подключается источник зарядного тока во время зарядки батареи и нагрузка во время рабочего цикла.

У других производителей применяется другая маркировка точек подключения. На рисунке приведен пример такого обозначения:

1. Нагрузка и зарядное устройство подключаются к площадкам, обозначенным знаками + и -.
2. Нижний элемент подключается между точками 0V и 4,2 V.
3. Вторая ячейка подключается между терминалами 4,2 V и 8,4 V.

Остальные элементы подключаются по тому же принципу между точками с разницей в 4,2 V.

Если плата рассчитана на подключение термодатчика, у нее для этого предусмотрен отдельный вход.

Проверка на работоспособность

При сборке батареи в первую очередь лучше уравнять заряды всех ячеек. Можно зарядить все до полного уровня (3,7 вольт для обычных или 3,2 вольт для литий-железофосфатных) или разрядить до нуля (2,75 вольт). Но если стоит задача протестировать работу системы, лучше, если аккумуляторы будут заряжены для какого-то промежуточного значения, близкого к верхнему уровню (чтобы сэкономить время заряда).

После сборки батареи надо подсоединить зарядное устройство. Начнется подзаряд «банок». На этом этапе потребуется постоянный контроль напряжения на каждом элементе. При достижении на любой из ячеек верхнего уровня напряжения, система должна зашунтировать аккумулятор. Если этого не произошло, надо срочно прекратить процесс и искать дефект в плате.

Если первый этап прошел успешно, надо нагрузить батарею и следить за разрядом каждого элемента. Как только напряжение на одной из ячеек достигнет минимума, плата должна обесточить нагрузку. Если этого не произошло, потребителя надо отключить, чтоб не загнать аккумуляторы в глубокий разряд, и начать искать проблему.

Можно проверить и срабатывание термодатчика. Его можно нагреть от стороннего источника (например, от промышленного фена с регулируемой температурой воздушного потока).

Где можно купить

Приобрести платы BMS проще всего на торговых интернет-площадках Юго-Восточной Азии. Каждая плата рассчитана на определенное количество ячеек, поэтому на этот параметр надо обращать внимание в первую очередь.

Другая важная характеристика – максимальный ток. Она определяет пороговый уровень, при достижении которого сработает защита от сверхтока. Потребляемый ток зависит от условий, в которых будет работать аккумулятор. Например, если от батареи питается шуруповерт, то нагрузки источника питания (например, при сверлении тяжелых материалов) будут высоки, и потребуется ток не менее 20 А. В противном случае при повышении нагрузки на валу двигателя балансир будет отключать питание инструмента. А, например, в аккумуляторных видах транспорта пиковые нагрузки меньше, там можно отключать аккумулятор при меньших токах.

Все эти пороги в большинстве случаев не настраиваются пользователем, поэтому важен правильный выбор по параметрам. Исключение составляют так называемые Smart BMS. Они позволяют пользователю выбирать параметры работы устройства. Стоят такие модули заметно дороже обычных.

Не менее важен функционал платы – она может иметь защиту от перегрева или не иметь, выполнять другие функции или не выполнять. Чем больше набор выполняемых защит, тем надежнее работа батареи, но и тем выше стоимость платы.

Читайте также: Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов

Резюмируя, можно сделать вывод, что заряжать «столбики» из двух и более последовательно соединенных литий-ионных элементов без балансировочного устройства нельзя – это приведет к сокращению срока службы элементов и более того, это опасно в плане возгорания. Плату BMS для контроля аккумулятора можно собрать самостоятельно, а можно купить готовую. Надо лишь понимать, что устройство BMS не является зарядным устройством, то есть, не формирует алгоритм подзаряда Li-ion ячеек. Этот вопрос придется решать отдельно.