Бмс для li ion аккумуляторов что это
Все о плате BMS для электротранспорта
Статья обновлена: 2021-10-28
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:
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.
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:
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.
BMS контроллер
Литиевые батареи уверенно удерживают лидерство среди всех разновидностей аккумуляторов. Даже простые пользователи примерно представляют себе принципы правильной эксплуатации. На все случаи выхода батарей из строя только единицы приходятся на производственный брак. В остальных ситуациях виновниками происшествий являются сами пользователи. Чтобы предотвратить поломку источника питания, производители прибегают к использованию инновационных технологических решений. BMS контроллер является одним из ярчайших тому примеров.
Что являет собой BMS?
BMS – это специальная система, отвечающая за управление аккумуляторной батареей. Это понятие является слишком широким, поэтому сюда входит подавляющее большинство устройств, в той или иной степени обеспечивающих правильную эксплуатацию источников питания внутри устройства. К этому понятию относятся как простые защитные/балансировочные платы, так и технически сложные микроконтроллеры, вычисляющими остаточные циклы заряда и определяющими токи разряда. Ниже не будут рассмотрены технически сложные системы ввиду их специфичности. По большому счету, они крайне редко попадают в руки рядовых радиолюбителей, их целевая аудитория – крупные производители оборудования.
Системы, которые продаются везде, условно разделяются на 4 группы.
Чем более функциональна и разветвленная защита, тем выше эксплуатационный ресурс аккумуляторной батареи.
Как работает BMS-контроллер?
В общей сложности, плата состоит из:
Упрощенные схемы балансиров
Упрощенный балансир для аккумуляторов обычно разрабатывается на основе TL431. Задача резисторов R1 и R2 заключается в поддержке стабильного напряжения. Если имеющийся тип батареи несовместим с имеющимися резисторами, для нее можно выбрать другие резисторы. От транзистора передается эталонное напряжение, после чего, ближе к границе требуемого тока система приступает к постепенному открыванию транзистора. Тем самым она предотвращает превышение заданного мастером напряжения. При минимальном увеличении подаваемого тока транзисторное напряжение быстро увеличится.
К категории упрощенных балансиров подходят практически любые PNP-транзисторы, предназначенные для работы в пределах установленных токов/напряжений. Если источник питания должен получить ток 500 миллиампер, мощность транзистора составит 2.1 вольта. Идентичный уровень потеряет транзистор, вследствие чего систему надо снабдить небольшой системой охлаждения. При одноамперном зарядном токе или превышении этого значения увеличивается мощность потерь. Следовательно, с каждым разом системе будет сложнее избавляться от чрезмерной тепловой энергии. При выборе делителя напряжения необходимо ориентироваться на предельную величину напряжения ограничения, которого надо добиться.
Особенности схемы устройств для балансировки АКБ
В общей сложности, схема балансировки аккумулятора выступает в качестве стабилитрона повышенной мощности, на который подается низкоомная нагрузка. Посредством микросхем D1 ведется измерение напряжения на минусовой и плюсовой стороне аккумуляторной батареи. При достижении максимального значения открывается транзистор повышенной мощности, через который проходит все напряжение от зарядного устройства.
Учитывая небольшие размеры блоков, у мастеров появляется возможность без проблем устанавливать их на элемент. Правда, не стоит забывать о потенциале отрицательного полюса, появляющегося на корпусе источника питания. Важно проявлять максимальную осторожность в ходе установки систем общего радиатора. Обязательным условием является использование изоляции для транзисторных корпусов.
Защита по току
Есть несколько способов определения величины тока по линиям. Наиболее распространенным является шунт. Он фиксирует напряжение на резисторах, имеющее большую мощность и низкое сопротивление. Правда, здесь требуется повышенная точность измерений, да и сам шунт имеет большие габариты. При проведении измерений, опираясь на эффект Холла, эти недостатки полностью устраняются, но это неизбежно приводит к удорожанию конструкции. Следовательно, наиболее популярным методом диагностики короткого замыкания на линиях является проверка напряжения, проседающего до полного нуля при коротком замыкании.
Благодаря современным контроллерам появляется возможность мгновенно измерить напряжение и предотвратить порчу как аккумулятора, так и питаемого устройства. Возможно использование шунта. Если BMS предназначается для высокоточных измерений, тут они не требуются. Все, что надо – это зафиксировать скачок напряжения выше предельного значения. При наступлении события автоматически срабатывает контроллер, отключая посредством транзисторов нагрузку.
Защита по напряжению
Тут разобраться в сути вопроса гораздо проще. Для измерения напряжения требуется минимум времени, так как процедура выполняется посредством аналогово-цифрового преобразователя. Но и здесь есть свои нюансы. Если контроллеры отвечают за защиту большой сборки аккумуляторов, соединенных между собой последовательно, тут они отдельно меряют напряжение на каждой банке. Учитывая минимальные различия в элементах, емкость также, хоть и минимально, но все же отличается. Результат – неравномерность разряда с риском высадки отдельного элемента «в ноль».
В некоторых системах не подключается нагрузка без дозарядки аккумуляторной батареи до установленного напряжения, когда триггер по переразряду сработает. Другими словами, одной подзарядки элемента на протяжении нескольких минут будет явно недостаточно для продления эксплуатации. Как правило, требуется зарядка до номинального напряжения.
Защита по температуре
В современном устройстве редко используется защита по температуре для зарядки литиевых аккумуляторов. С другой стороны, на аккумуляторах для смартфонов не просто так имеется третий контакт. Он вводит в цепь терморезистор, сопротивление которого зависит от величины окружающей температуры. Как правило, перегрев не наступает сам по себе. До его появления срабатывают другие защитные элементы.
Важно! Появление перегрева может спровоцировать короткое замыкание.
Как работает заряд батарей?
Аккумуляторы на литиевой основе заряжаются в два этапа. Первый – при постоянном токе, второй – при постоянном напряжении. На протяжении 1-го этапа устройство для зарядки плавно увеличивает напряжение так, чтобы батарея брала определенный ток. Доведя напряжение до четырех вольт, первый этап заканчивается, после чего наступает следующий – плавное поддержание напряжение аккумулятора на уровне 4.2 вольта.
Как только источник питания прекратит прием тока, система зарегистрирует это поведение как завершение зарядки. Реализация этого алгоритма также возможна с использованием обычных лабораторных блоков питания. Но это не всегда актуально, учитывая активное применение специализированных микросхем, предварительно настроенных под соблюдение четкой последовательности действий, указанных выше. Примером такой схемы является TP4056 – она может заряжать устройство, подавая ток величиной не более 1 А.
Что являет собой балансировка?
BMS контроллер оснащен еще одной, по мнению многих – самой интересной функцией. В многобаночных аккумуляторах предусмотрена функция балансировки элементов.
Что такое балансировка? Ее задача заключается в том, чтобы повысить общее напряжение сборки. Положительный эффект достигается за счет выравнивания напряжения каждого элемента. Многобаночные АКБ не состоят из элементов с идентичной емкостью – хоть и немного, но она все-таки отличается. Может возникнуть ситуация, когда один элемент зарядится полностью, в то время как другие еще нуждаются в доборе заряда.
Закон Ома дает понять, что когда такая сборка начнет разряжаться, те элементы, которые зарядились больше всего, примут на себя наивысший ток. При одном-двух циклах зарядки подобным образом с батареей вряд ли что-то случится. Но на длительной дистанции банки, постоянно принимающие наибольший объем энергии, постепенно начнут изнашиваться. Причем их износ окажется сильнее по сравнению с аккумуляторными банками, постоянно принимающими меньшее напряжение.
Важно! Во предотвращение негативных последствий проводится балансировка литий ионных аккумуляторов. Для этого используются специальные балансиры.
Разновидности балансиров – активные и пассивные
В общей сложности, активные и пассивные балансиры отличаются между собой в зависимости от принципа работы. Так, например, активный балансир для зарядки нормализует напряжение в элементах при зарядке. Суть следующая – когда одна банка полностью зарядится, балансир активирует подачу напряжения на другую банку, делая это до тех пор, пока все банки не будут равномерно заряжены. Моделисты пользуются зарядным устройством Imax B6, которое в режиме балансировки индивидуально диагностирует каждую банку.
А как работает балансир li ion аккумуляторов пассивного типа? Здесь все наоборот – выравнивание происходит при разрядке, когда ток проходит через группу резисторов. Преимущество заключается в отсутствии необходимости пользоваться внешним питанием. А благодаря использованию аналоговых элементов при сборке их точность значительно увеличивается.
Следовательно, алгоритм работы заряда батарей может отличаться между собой в зависимости от типа балансира.
Выводы
Если возникают сомнения в том, какая именно балансировочная плата подойдет к тому или иному устройству, при выборе необходимо ориентироваться на спектр задач, решаемых батареей, особенности конструкции источника питания и технические характеристики. На рынке представлен широкий спектр специальных контроллеров, способных обеспечить батарею равномерной подачей тока заряда.
Категорически запрещается игнорировать требования техники безопасности. Если установка защиты в устройствах, где ток потребления минимален – это правило хорошего тона, это не значит, что от нее можно отказаться и высокотоковом проекте. За счет обеспечения качественной защиты аккумуляторных батарей достигается не только продление срока эксплуатации, но и повышение общей безопасности при работе с источниками питания.
Балансир для Li-Ion аккумуляторов — что это такое
Общее свойство литиевых аккумуляторов – они не терпят перезаряда и глубокую посадку напряжения. Литий-ионных АКБ более 10 разновидностей, и в них используются разные активные составляющие. У каждой свой рабочий диапазон по напряжению, и эти границы должны соблюдаться. Плата балансировки литиевых аккумуляторов – это электрическая схема в цепи, поддерживающая нужные параметры, и отключающая батарею, если та неисправна. Зарядка, контроль уровня разряда и защита АКБ реализована посредством отдельных плат, но бывают и совмещенные схемы.
Балансир для Li-Ion аккумуляторов служит для поддержки нужных параметров.
Что такое плата балансировки, ее функции
Балансир для аккумуляторов 18650 (BMS – Battery Monitoring System) – система, отслеживающая состояние батареи.
Любой качественный литий ионный источник питания имеет в своей конструкции такой балансир. Сразу стоит обозначить, что большинство неприятностей, связанных с повреждениями батареи, вызваны неправильной эксплуатацией. Вот минимальные требования, необходимые литию: не заряжать и не разряжать выше-ниже определенных значений, не использовать токи, выходящие за пределы рекомендуемых производителем. Плата BMS и нужна, чтобы контролировать все эти моменты.
Выделяют пассивную и активную балансировку. Схема проще у первой – устройство включается в работу только под конец зарядки. Те «банки», у которых напряжение достигнуто максимума, отдают часть тока в виде тепла на резисторы. Оставшиеся секции в это время продолжают получать заряд. И так до тех пор, пока каждая «банка» не наберет 100%. По окончании заряда АКБ будет отключена.
Подключение платы балансировки.
Активная балансировка сложнее, да и устройство дороже. Но ее особенность – она начинает работать не под конец зарядки, а сразу. Если у секции много напряжения, она делится им с «банками», где его недостает. До конца АКБ в этом случае заряжать не обязательно.
В каких случаях применяют балансировку
Балансиры, применяемые для зарядки Li-Ion АКБ, обеспечивают безопасность процесса. Благодаря этому устройству достигается одинаковое значение напряжения в «банках» батареи, а это один из ключевых факторов для ее стабильной работы.
Схемы балансира литиевого аккумулятора
Каждая батарея, будь то самодельная или фабричного производства, должна иметь защиту. Литиевые аккумуляторы заряжают с применением специальных балансировочных плат. Одни делают их своими руками, другие заказывают с китайских площадок, например, AliExpress, TaoBao.
Если делают балансир своими руками, обычно используют стабилитрон TL431A и транзистор BD140.
Плата балансировки – элемент, отслеживающий состояние аккумуляторной батареи во время зарядки и обеспечивающий безопасность процесса. Он характерен компактными размерами и без проблем крепится к общей пластине.
Как на транзисторах сделать блок балансировки на любое количество литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к перезарядке. И стоит только немного перезарядить батарею, как она тут же выходит из строя. Чтобы аккумуляторы равномерно заряжались в последовательной цепи, применяют схемы балансовой защиты, исключающие перезарядку.
Собрать такой контроллер самому на транзисторах довольно не сложно.
Понадобится
Схема и работа контроллера BMS на примере одной ячейки
Схема подключается паралельно аккумулятору и контролирует напряжение на нем. При достижения, во время зарядки, напряжения выше 4,2 В блокирует дальнейшее повышение.
В основе стоит микросхема регулируемого стабилизатора TL431. Которая управляет ключом на транзисторе. Транзистор через цепочку диодов блокирует превышение напряжения путем открывания и пропускания лишнего тока через себя. Светодиод служит для индикации и при загорании свидетельствует о полной зарядке батареи.
Если использовать данную схему для каждого элемента, то заряжать их можно последовательно в неограниченном количестве, без перезарядки
Схема на 3 элемента
Пример использования батареи из трех АКБ. Паралельно каждому аккумулятору подключен свой контроллер. В результате чего при отклонении параметров и неравномерной зарядке в последовательном соединении, контроллеры не дадут ни одному элементы выйти из строя.
Изготовление BMS платы
Если планируется использовать 3 батареи в одной цепи, то все контроллеры для каждого АКБ можно собрать на одной плате.
Изготавливаем плату и готовим все элементы.
Устанавливаем все детали и припаиваем. Вывода откусываем.
Настройка BMS платы
Перед подключением аккумуляторов в схему каждый контроллер необходимо отрегулировать.
Устанавливаем на блоке питания напряжение 4,2 В и подключаемся к первому контроллеру.
Вращением переменного резистора добиваемся начального свечения светодиодов.
Далее подобным образом настраиваем два последующих контроллера.
Припаиваем провода к плате и подключаем к каждому АКБ.
Схема зарядки
Данные контроллеры отслеживают превышение напряжения, но для регулировки тока зарядки нужно собрать еще небольшую схему из двух стабилизаторов, контролирующих ток и напряжение.
Заряжать линейку из трех АКБ будем от блока питания ноутбука 19 В. Первый стабилизатор на LM317 ограничивает напряжение до 14 В, второй ограничивает ток до 600 мА.
В принципе под все задачи можно было бы использовать одну микросхему LM317, но в данном примере мощности бы ее не хватило, поэтому разбивка была на две микросхемы.
Подключаем схему и производим зарядку АКБ.
Свечение всех светодиодов указывает на завершение зарядки и полном заряде всех элементов.
Вот такая несложная схема поможет быстро и сразу зарядить множество литий-ионных аккумуляторов.