Что такое bms контроллер
Устройство BMS платы
Статья обновлена: 2020-12-17
Li-ion аккумуляторы наряду с многочисленными достоинствами имеют слабую сторону – это чувствительность к перезаряду выше 4,2 В и разряду ниже допустимой границы в 2,5 В на элемент. Поэтому для безопасного использования литий-ионные батареи снабжаются системами контроля заряда-разряда – BMS платами управления, обеспечивающими защиту и балансировку элементов питания в сборке.
Польза от применения БМС
BMS – это электронная система, управляющая зарядно-разрядными процессами в автономном источнике питания. Она:
Благодаря использованию платы Battery Management System обеспечивается безопасное использование АКБ и по максимуму увеличивается срок ее службы. К АКБ и контроллеру этот модуль подсоединяется выходящими проводами. Вместо одной платы может использоваться связка регулировочных электронных систем. В таком случае каждая из них управляет отдельной группой ячеек, отправляя информацию об их работе на общий контроллер.
Устройство БМС платы
На этой электронной системе распаяны компоненты, защищающие аккумуляторы от различных нежелательных отклонений по цепи питания. Электрическая схема этого модуля предельно простая. На печатной плате обычно находятся:
Иногда контроллер вместо 2-х имеет 3 контакта. В таком случае кроме «плюса» и «минуса» используется «информационный контакт».
Принцип работы BMS платы
Принцип работы BMS контроллера заключается в постоянном мониторинге состояния батареи и ее компонентов. При обнаружении какого-либо опасного фактора плата управления отключает батарею. Например, при превышении граничного значения напряжения она отключает АКБ от зарядного устройства, а при критическом снижении напряжения – происходит отключение от нагрузки.
Некоторые конфигурации BMS плат способны сохранять сведения о работе АКБ и в дальнейшем передавать эти данные на компьютер. В целом использование БМС контроллера снижает риск повреждения отдельных аккумуляторов и поломки батареи. Дополнительно этот модуль обеспечивает балансировку ячеек – выравнивает напряжение всех элементов в сборке. Это необходимо, чтобы избежать перезаряда одних ячеек и недостаточного заряда других, что приводит к быстрому износу батареи.
Как работает плата BMS с балансировкой
Даже незначительное различие в емкости приводит к разнице напряжений аккумуляторов сборки при их циклическом заряде-разряде. Параллельно соединенные ячейки имеют приблизительно одинаковое напряжение, т.к. более заряженные из них отдают его менее заряженным. Но при последовательной схеме соединения заряд между аккумуляторами не распределяется, и уровень их емкости оказывается различным. В итоге, даже при оптимальном общем напряжении сборки после зарядки некоторые ячейки будут перезаряжены.
Из-за этого в них будут протекать необратимые процессы деградации. На практике это будет проявляться как снижение емкости батареи, уменьшение ее токоотдачи и преждевременный выход из строя. Ячейки с недозарядом будут быстрее разряжаться, а элементы с более высоким зарядом будут разряжаться только частично. Балансировка ячеек позволяет не допустить разнобоя в напряжении и избежать ускоренной деградации в АКБ.
На завершающем этапе процесса зарядки батареи БМС плата выполняет балансировку шунтированием заряженных элементов или перенаправляет энергию аккумов с более высоким напряжением к менее заряженным. При пассивной балансировке элементы питания, которые почти восполнили своей заряд, получают минимальный зарядный ток или не участвуют в процессе подзарядки до момента, когда напряжение у всех составляющих аккумуляторной сборки станет одинаковым.
Функции БМС платы
Напряжения, уровня заряда и глубины разряда
Модуль отслеживает общее напряжение АКБ, напряжение отдельных элементов, не допускает их выхода за рамки допустимых значений.
БМС контроллер может иметь собственные температурные датчики и отслеживать температуру компонентов батареи.
Токов при заряде и разряде
При превышении допустимых значений тока контроллер отключает зарядное устройство или потребляющее оборудование.
Контроль исправности выполняется путем анализа данных, хранящихся в памяти модуля управления: количества циклов перезарядки, граничных значений напряжения и тока.
Мониторинг предельно допустимых токов, количества получаемой и расходуемой энергии при зарядно-разрядном процессе. Оценка внутреннего сопротивления элементов. Анализ общего числа рабочих циклов батареи.
Поддержание оптимальных условий для безопасной работы батареи. Корректное подключение и отключение нагрузки, управление ею, защита АКБ от токовых перегрузок, излишнего заряда, критического разряда, нагрева, утечки тока, КЗ. БМС плата не допускает опасного состояния, непосредственно влияя на батарею (отключая ее), или подает соответствующий сигнал на управляющий контроллер. Отключение АКБ от нагрузки или ЗУ происходит при несоответствии требованиям хотя бы 1 рабочего параметра.
БМС плата может передавать сведения о рабочих параметрах на внешние управляющие устройства по проводной или беспроводной связи.
Распределение энергии между элементами АКБ – для обеспечения корректной зарядки и продления срока службы батареи.
Кроме отслеживания работы батареи, БМС плата может участвовать в контроле рабочих параметров электротранспорта, управлять его электрической мощностью и выполнять другие функции. Если электротранспортное средство имеет систему рекуперации энергии, плата управления может управлять подзарядкой АКБ при торможении.
Типы BMS плат
Типы BMS платПод это понятие подпадают всевозможные устройства, которые каким-либо образом обеспечивают корректную эксплуатацию аккумуляторов и батарей. БМС платами считаются и простейшие защитно-балансировочные модули, и микроконтроллеры со сложной конструкцией, способные считать циклы заряда-разряда и определять разрядные токи.
Широко распространенные BMS платы подразделяются на 4 категории:
Чем шире функционал используемой платы защиты, тем дольше сможет проработать батарея – благодаря исключению нежелательных условий ее эксплуатации. И хотя теоретически литий-ионные аккумуляторы могут работать и без БМС платы, такое пренебрежение модулем защиты значительно ускорит их выход из строя и может привести к критическим последствиям.
Рекомендации по выбору и использованию БМС плат
При выборе защитно-балансировочной платы нужно учитывать перечень задач, решаемых аккумуляторной батареей, ее конструкционные особенности и технические характеристики. В продаже представлен большой выбор защитных модулей, способных обеспечить стабильную и безопасную работу аккумуляторной батареи любой конфигурации.
Подключение БМС платы рекомендуется даже в устройствах с минимальным потреблением тока, а при использовании высокотокового оборудования это – обязательное требование безопасности. Помните, что защитно-балансировочная плата поддерживает корректные условия работы АКБ, что благоприятно сказывается на сроке службы батареи и безопасности ее использования.
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.
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:
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:
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:
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: