На Токе
заряженный портал

Что такое BMS (Battery Management System) и для чего она нужна? — На токе

Что такое BMS (Battery Management System) и для чего она нужна?

Современные аккумуляторные батареи не являются такими примитивными как их древние предшественники. Технический прогресс шагает вперёд неудержимо, да и к тому же, разработчикам нужно что-то постоянно изобретать, дабы удивлять публику совершенством своего мозга и естественно, вытягивать с завидной регулярностью деньги с кармана неискушённого потребителя, удивляя его какими-либо научно-техническими «фокусами». Но даже если откинуть эти самые чудеса, имеет место чисто технологическая необходимость, от которой просто никуда не деться. В этой теме речь пойдёт о такой нужной «примочке», как система управления батареей или сокращённо BMS, которая практически всегда является неотъемлемым атрибутом современной, высокотехнологичной АКБ.

Содержание:

• Что такое система управления батареей (BMS)?
• Для чего нужна BMS (основное назначение).
• Функции BMS.
• Другие технические нюансы.
• Как определить качественную BMS (советы сведущих людей).

Что такое система управления батареей (BMS)?

BMS — это электронная плата, устанавливаемая на АКБ для выполнения таких задач:

1. Контроль зарядки/разрядки и количества циклов зарядки/разрядки.
2. Отслеживание состояния электронакопителя и его компонентов.
3. Защита элементов АКБ.
4. Контроль напряжения, температуры и сопротивления элементов электробатареи.
5. Распределение токов между компонентами электроаккумулятора по ходу процесса зарядки.
6. Контроль тока заряда.
7. Защищённое подключение/отключение нагрузки.
8. Определение потери ёмкости от дисбаланса.

BMS получает данные и на их основе балансирует заряд компонентов, предохраняет батарею от КЗ, излишнего разряда и излишнего заряда, перегрузки по току, перегрева и переохлаждения. Функционал БМС не только повышает эффективность работы аккумуляторов, но и в значительной степени продлевает срок эксплуатации накопителей. Если АКБ доходит до критического состояния, BMS принимает соответствующее решение: она запрещает использование накопителя в системе, просто отключая его. Есть такие вариации BMS, в которых разработчики организовали запись данных о функционировании электробатареи и их передачу на ПК.

BMS очень важна для такой разновидности АКБ, как литий-железо-фосфатная (обозначается LiFePO4). Эти изделия весомо переигрывают своих Li-ion оппонентов по безопасности, производительности, а также стабильности. Однако у LiFePO4 АКБ есть один недостаток: девайсы восприимчивы к перезаряду, а также к разряду ниже допустимого для них напряжения. Поэтому система управления аккумулятором устанавливается на LiFePO4 в обязательном порядке, так будет максимально снижен риск порчи отдельных ячеек АКБ и полной поломки агрегата.

В идеале, напряжение каждого из компонентов находящегося в составе LiFePO4 аккумулятора, не должно выходить за определённые рамки и оно должно быть у всех составляющих одинаковым. Как обстоят дела на самом деле? Очень редко можно встретить аккумуляторную батарею, у которой все элементы входящие в её состав демонстрируют идеально ровную ёмкость. Думаете различие всего на долю-другую ампер-часов останется незаметным и всё обойдётся? Ошибаетесь! Даже такая мизерная разница, может в дальнейшем обусловить разность напряжения при процессе зарядки/разрядки. Для LiFePO4 эта самая разница может обернуться довольно печальными последствиями.

Если ячейки соединены параллельно, то напряжение на каждой будет находиться почти на одном и том же уровне: те компоненты, которые окажутся более заряженными, смогут тянуть своих менее заряженных коллег. А вот при последовательном подключении, к сожалению, ровного распределения заряда ожидать не приходится. Чем это чревато? А тем, что одни компоненты будут недозаряжаться, а другие наоборот, будут получать избыточный заряд. Не стоит обманываться, если общее напряжение по окончанию зарядки дойдёт практически до идеального показателя.

Даже при скромном превышении заряда некоторых элементов аккумуляторной батареи, имеет место деградация: электронакопитель по ходу эксплуатации не сможет отдавать нужную ёмкость и из-за неравномерного распределения заряда, агрегат в ускоренном режиме станет сдавать свои былые позиции и по итогу, дойдёт до полной неработоспособности. Компоненты с самым маленьким уровнем заряда станут просто-напросто слабым звеном аккумуляторной батареи: они будут довольно быстро разряжаться, а вот элементы обладающие большей ёмкостью будут разряжаться только отчасти.

В этом случае помогает балансировка аккумулятора, которую осуществляет BMS. Микросхема тщательно отслеживает чтобы все компоненты АКБ по окончанию зарядного процесса получили равномерное напряжение. Когда зарядное мероприятие подходит к логическому окончанию, БМС осуществляет балансировку посредством шунтирования подзарядившихся компонентов либо же переправляет энергию ячеек с повышенным напряжением, компонентам на которых оно меньше. Блок контроля АКБ, балансируя агрегат и контролируя температурный режим, а также осуществляя ряд других функций, обеспечивает максимально долгий срок эксплуатации батареи.

Для чего нужна BMS (основное назначение)

• Защита составляющих электронакопителя от повреждений.
• Продления срока службы АКБ.
• Поддержание агрегата в таких кондициях, при которых он в максимальной степени будет выполнять все поставленные перед ним задачи.

Вообще, понятие BMS — весьма широкое, поэтому оно распространяется практически на всё оборудование, обеспечивающее корректное функционирование АКБ. Это могут быть как простенькие платы защиты либо балансировки, так и более сложные микроконтроллерные приспособления.

То, что сейчас предлагают разработчики, можно условно выделить в 4 категории:

1. Балансиры.
2. Защитные устройства (по току и напряжению).
3. Платы, обеспечивающие подзарядку — они так же относятся к BMS-устройствам.
4. Сочетания приведённых вариантов (система может включать в себя даже все варианты сразу).

Функции BMS

1. Контролирует:

• напряжение: общее, отдельных элементов, наибольшее и наименьшее каждого компонента;
• температурный режим: усреднённый, на выходе, электролита, отдельных составляющих АКБ, платы БМС;
• токи заряда/разряда;
• глубину заряда/разряда;
• рабочее состояние.

Схема имеет возможность сохранять в памяти некоторые данные: число циклов заряда/разряда, значение наибольшего и наименьшего напряжения составляющих и тока зарядки/разрядки. Именно на эту информацию и нужно ориентироваться при определении рабочего состояния АКБ.

2. Интеллектуально-вычислительная функция. На основе выше приведённых пунктов, система контроля АКБ оценивает:

• предельно допустимый ток заряда;
• количество электроэнергии, которая поставляется при зарядке или же теряется при разряде;
• сопротивление компонентов;
• сколько наработал электронакопитель по ходу эксплуатации.

3. Связная функция. Микросхема предоставляет возможность подавать вышеприведённые данные на внешние устройства управления, посредством проводной либо беспроводной связи.

4. Защитная функция. Система защиты АКБ оберегает её, не давая выходить на тот режим работы, который может нанести ущерб. Микросхема осуществляет безопасное подключение и отключение нагрузки, её гибкое регулирование, а также защищает электробатарею от:

• перегрузки по току;
• перенапряжения по ходу зарядки;
• падения напряжения ниже установленного уровня во время разряда;
• переохлаждения и перегрева;
• утечки.

Контрольная плата может нейтрализовать опасный для электронакопителя процесс, воздействуя непосредственно на аккумулятор либо же, подавая нужный сигнал контроллеру о недопустимости дальнейшего использования АКБ. Система отключает электронакопитель от нагрузки или зарядного приспособления в ситуации, когда хотя бы один из рабочих параметров выйдет за рамки принятых значений.

5. Функция балансировки. Равный заряд всех ячеек электронакопителя, продлевает срок его службы в максимальной степени.

Другие технические нюансы

1. Для защиты микросхемы БМС от влаги и пыли, производитель наносит на неё специальное защитное покрытие.

2. Бывают случаи, когда в распоряжении батареи имеется несколько контрольных плат и каждая из них заведует определённым количеством элементов и отправляет выходящие данные общему контроллеру.

3. На самом деле, БМС могут брать на себя намного больше обязанностей, чем просто управление аккумулятором. Данная плата может даже в некоторой степени контролировать режим работы электротранспорта. Если АКБ участвует в функционировании системы рекуперации, то высокотехнологичная микросхема может осуществлять регулировку процесса зарядки электробатареи при замедлении.

4. Практически во всех магазинах можно найти уже готовые решения в состав которых входит блок контроля батареи. Однако если случилось так, что вам нужно найти BMS отдельно, то учитывайте следующее: плату контроля нужно совмещать только с той разновидностью аккумуляторных батарей, на которую она рассчитана. Кроме того, нужно учитывать, какое количество ячеек должна обслуживать приобретаемая BMS. Этот параметр обозначается «Cells» либо литерой «S». К примеру, если микросхема имеет обозначение «12S» или «12 cells», то плата рассчитана на обслуживание 12 элементов.

5. Для избежания перезарядки, в принципе, можно обойтись и без BMS — оказывается защитить аккумуляторную батарею от перезаряда может и контроллер. У этих устройств есть такая функция как отключение АКБ, если та разрядится до определённого напряжения, а защиту от перегрева, как правило, берёт на себя зарядное оборудование. Что касается конкретно балансировки, то можно собственными силами соорудить простейший балансир.

Как определить качественную BMS (советы сведущих людей)

1. Если говорить о продукции приобретаемой на всенародно любимом AliExpress, то у хорошей платы должно быть большое количество положительных отзывов от покупателей их Европы, США и естественно России.

2. Количество баланс-резисторов и светодиодных элементов (при их наличии), должно быть равно числу ячеек в аккумуляторной батарее.

3. Разводка и пайка должны быть выполнены аккуратно хотя бы внешне, кроме того, нужно обращать внимание на «полиграфические изыски», проще говоря на наклейку, и толщину силовых дорожек.

4. Весьма хорошим вариантом будет поиск информации о присмотренной вами платы управления в рунете. Ищите особенности оборудования, нюансы и отзывы реальных людей.

5. Отнеситесь к выбору BMS с максимальной степенью ответственности. Не рационально экономить на этом устройстве, ведь даже качественное, стоит не так уж и много, а запороть аппаратуру в случае с некачественным вариантом может на приличную сумму.

Заключение

Ну что же, как видим, Battery Management System, вещь действительно необходимая современным аккумуляторам. От чего она только не спасает! Если на вашей АКБ установлена подобная система — можете спасть спокойно, ваш агрегат не пропадёт и кроме того, прослужит вам максимально долго, радуя своей предельной отдачей при этом!

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: