Battery Management System (BMS) для литиевых аккумуляторов

Большинство неприятностей, связанных с повреждениями литиевой батареи, вызваны неправильной эксплуатацией. Эти батареи нельзя заряжать или разряжать выше-ниже определенных значений, нельзя использовать токи, выходящие за пределы рекомендуемых производителем, и соблюдать температурные режимы эксплуатации. 

Для безопасной и долгой эксплуатации Li аккумуляторов важно не допускать их чрезмерного нагрева, глубокого разряда, перезаряда, токовых перегрузок. Для выполнения этих условий используется BMS , или «система обслуживания батареи», которая контролирует режимы работы литиевого аккумулятора. Контроль рабочих характеристик АКБ и ее защиту от опасных состояний обеспечивает BMS плата. Ее использование для Li батарей обязательно, т.к. малейший выход за допустимые границы любого параметра (напряжения, тока, температуры) недопустим и опасен.

Функции BMS

• защита от превышения тока разряда. BMS должна отключать аккумуляторную батарею, если ток превышает допустимы. Нужно подбирать ток срабатывания защиты BMS ниже максимально допустимого тока литиевой АКБ. Если ток срабатывания защитной платы BMS превышает значение допустимого тока аккумулятора – смысла в покупке нет. Если в аккумуляторе «банки» включаются параллельно, ток срабатывания нужен не более чем в два раза больше предельного тока для одной «банки». Когда отдаваемый ток выйдет за пределы нормы, батарея отключится от нагрузки;
• защита от перезаряда. BMS измеряет напряжение на каждом элементе АКБ. Когда ячейки полностью заряжаются, батарея отключается от зарядки;
• защита от переразряда. BMS отслеживает напряжение на каждой ячейке. Даже если одна ячейка разрядится до минимальных значений, АКБ отключится от нагрузки;
• защита от перегрева. BMS подразумевает наличие термодатчика, измеряющего нагрев аккумулятора. Чтобы датчик работал, требуется тепловой контакт между ним и хотя бы одной «банкой». Если BMS обнаруживает перегрев, то отключит АКБ от нагрузки или зарядного устройства;
• балансировка. Если последовательно соединить аккумуляторные батареи, то заряжаться и разряжаться в одно время они будут только при одном условии – у каждой будет одинаковая емкость и внутреннее сопротивление. Но встречается это редко, а даже небольшие отклонения в параметрах со временем приведут к тому, что в каждой «банке» будет разное напряжение. Балансировка нужна, чтобы выровнять напряжение на всех элементах аккумуляторной батареи.
• хорошие BMS также запрещают заряд при низких температурах, а некоторые даже имеют функцию управления внешним подогревом аккумуляторов при низких температурах

Встроенная в плату BMS балансировка обычно слаботочная (максимум 40-80 мА), и используется только для аккумуляторов малой емкости. В системах автономного и резервного электроснабжения используются аккумуляторы большой емкости (обычно сотни А*ч), поэтому для их балансировки встроенная в BMS функция недостаточна. Для балансировки таких ячеек применяются отдельные балансиры, имеющие ток балансировки от 0,5А до нескольких ампер.

Различают пассивные и активные балансиры. Подробно о балансирах рассказано в нашей статье про  балансиры, поэтому здесь мы не будем на них останавливаться.

Правильная балансировка литиевого аккумулятора — пожалуй, самая важная функция системы BMS. Этот процесс критически важен для обеспечения максимальной эффективности и максимальной ёмкости на протяжении всего жизненного цикла аккумулятора.

Помимо балансировки, какие еще 5 функций есть у интеллектуальной системы BMS?

Основными функциями интеллектуальной системы BMS, помимо балансировки, являются:

1. Мониторинг каждого параметра батареи в режиме реального времени

Электроника должна иметь возможность контролировать температуру и напряжение каждой ячейки в режиме реального времени, измеряя входящий и исходящий ток аккумулятора. На основе этих показаний система управления аккумулятором (BMS) будет принимать стратегические решения, необходимые для оптимального управления этапами заряда и разряда или, проще говоря, длительным периодом бездействия.

2.  Передача информации инвертору (в случае применения в системе электроснабжения)  или системе управления транспортным средством (если BMS установлена на электромобиле).

При применении свинцовых аккумуляторах электроника инвертора определяла состояние аккумулятора, считывая только общее напряжение. Если установлен общий измерительный шунт на аккумуляторе и устройство вычисления степени заряженности SOC, то инвертор может работать не только по уровню напряжения, но и по степени заряженности, что является более точным методом работы. Обычно схема вычисления SOC встроена в инвертор или солнечный контроллер (например в солнечные контроллеры Sunstar MPPT или Steca Tarom) или обеспечивается специальными Мониторами АКБ (Victron Energy BMV, TBS Battery Monitor, Studer BSP).

С литиевыми аккумуляторами всё иначе: аккумулятор отправляет данные инвертору самостоятельно. Передаются различные данные, но наиболее важными являются:

• состояние заряда (SOC), другими словами, оставшийся уровень заряда батареи;
• данные о сроке службы батареи, Ач, потребляемые батареей, и жизненные циклы;
• сигналы для управления специальными функциями , такими как, например, отключение функций транспортного средства или дополнительной нагрузки в зависимости от степени заряда или температуры.

3. Управление зарядным устройством

В литиевых аккумуляторах зарядное устройство представляет собой просто источник питания, обеспечивающий необходимый аккумулятору ток; кривая заряда определяется аккумулятором на основе требований каждого отдельного элемента. Для передачи информации между зарядным устройством и аккумулятором обычно используется протокол шины CAN. Если же используются автомобильные стандарты, например, CCS Combo (европейский стандарт зарядки электромобилей), протокол использует преимущества технологии Power Line Communication.

4. Нагрев и охлаждение литиевого аккумулятора

В зависимости от области применения и места использования аккумулятор может быть оснащён  системами обогрева или охлаждения . Система BMS внутри аккумулятора активирует или деактивирует их в зависимости от состояния аккумулятора и транспортного средства.

5.  Проведение предиктивного анализа на протяжении всего срока службы

Помимо описанных выше функций, более продвинутые системы BMS также собирают наиболее важные данные, отправляют их в облако и анализируют.

Схема подключения платы BMS

Обычно BMS при срабатывании отключает отрицательный контакт аккумуляторной батареи от нагрузки.  Контакт «-PC» в схеме BMS (Battery Management System) используется для одновременной зарядки и разрядки, в то время как контакт «-P» обычно отвечает только за разряд. Другими словами, «-PC» позволяет использовать один и тот же провод для подключения как зарядного устройства, так и нагрузки, в то время как «-P» предназначен только для подключения нагрузки. Другими словами:

• «-P» (Discharge): Этот контакт предназначен только для разрядки аккумулятора, то есть для подключения нагрузки, потребляющей энергию. Зарядка осуществляется через отдельный контакт (например, «C») или отдельную цепь. Разъём P, или порт разряда, в системе BMS играет ключевую роль в управлении выходной мощностью аккумуляторной батареи. Подключённый к отрицательному полюсу аккумуляторной батареи, P-разъём обеспечивает контролируемый разряд энергии через защищённый выход BMS. Это помогает гарантировать работу аккумулятора в безопасных пределах напряжения и тока, минимизируя риск повреждения или ухудшения характеристик из-за чрезмерной скорости разряда или переразряда. Регулируя выходную мощность, система BMS также поддерживает температуру аккумулятора в безопасном рабочем диапазоне, предотвращая тепловой разгон и другие угрозы безопасности.  
• «-PC» (Power Charge/Discharge): Этот контакт обеспечивает как зарядку, так и разрядку аккумулятора через один провод. Это упрощает схему подключения и позволяет использовать одно зарядное устройство для различных устройств, подключенных к аккумулятору. Все функции защиты, которые описаны для контакта «-P» ниже, есть и для контакта «-PC»
• «-C» (Charge) — это вход для зарядки батареи.  C-разъём в системе BMS служит зарядным входом для аккумулятора. Благодаря защищённому зарядному входу C-разъём обеспечивает контролируемую подачу тока в аккумуляторную батарею во время процесса зарядки.

К этим точкам подключаются только отрицательные линии, поскольку BMS — это устройство с N-каналом, использующее N-канальные МОП-транзисторы для выполнения всех своих функций. В BMS с раздельными портами существуют три основных контакта: -P, -C (или совмещенный -PC) и -B. «-B» служит основным отрицательным контактом аккумулятора. В BMS с общим портом контакт C отсутствует, остаются только B и PC.

Преимущества использования общего порта (-PC):

• Упрощенная схема подключения: Один провод для зарядки и разрядки, что может быть удобнее в некоторых приложениях.
• Уменьшение количества проводов: Позволяет уменьшить количество кабелей и разъемов, что особенно актуально в компактных устройствах.
• Возможность использования одного зарядного устройства: Можно использовать одно и то же зарядное устройство для разных устройств, подключенных к аккумулятору. 

Недостатки использования общего порта (-PC):

• Сложность реализации: Может потребовать более сложной схемы BMS для обработки зарядки и разрядки через один контакт.
• Возможные проблемы с совместимостью: Не все зарядные устройства и нагрузки могут быть совместимы с общим портом. 

Положительный вывод аккумулятора подключается напрямую к терминалу «+» аккумуляторной батареи. 

Как подобрать BMS?

Выбор зависит от задач, которые будет выполнять ваша батарея, её конструкции и технических характеристик. На рынке доступно много вариантов для разных типов АКБ. Чтобы не ошибиться, нужно учитывать:

1. Тип аккумулятора. Каждая защитная плата работает с определенным типом батарей, поэтому нужно знать, какие АКБ вы собираетесь использовать. Исключение составляют Smart-модули, которые можно адаптировать под разные виды.
2. Количество ячеек в последовательной цепи АКБ. Защитный модуль выбирается на конкретное число секций в вашей батарейной сборке. Это важно, поскольку неверный выбор приведет к неправильной работе системы. Smart-модули здесь тоже позволяют подстроиться под разное количество последовательных и параллельных цепочек.
3. Уровень нагрузки. Учитывайте силу тока, с которой будет работать ваша система. Если ток превышает допустимый для защитной системы, она будет перегреваться и отключаться. Для замкнутых или плохо вентилируемых корпусов рекомендуется брать модуль с запасом по силе тока в два раза, чтобы избежать перегрева.
4. Тип подключения. Разберитесь, какая BMS нужна — симметричная или несимметричная. Обычно используется один разъем для зарядки/разрядки, поэтому несимметричная модель в большинстве случаев не подойдет.
5. Мониторинг. Если нужно отслеживать параметры батареи, а также возможность их настройки, лучше выбрать Smart-систему. У таких модулей больше опций управления.

Установка БМС важна даже для устройств с небольшим потреблением тока, а для мощного оборудования — это обязательный элемент безопасности. Она обеспечивает стабильные и безопасные условия работы АКБ, что продлевает срок службы, снижает риски во время эксплуатации. Защитно-балансировочный модуль помогает батарее работать эффективно и без сбоев.

Эта статья прочитана 5135 раз(а)!

Продолжить чтение