Что такое bms плата и зачем она нужна

Что такое BMS для аккумулятора

Сегодня мы поговорим о такой вещи, как BMS (battery management system), разберем, что это, для чего предназначено, что контролирует, можно ли обойтись без системы управлениями батареями.
Но сначала начнем с примера, примитивного, но весьма распространенного. Если взять бытовой аккумуляторный электроинструмент, например шуруповерт, ну давайте так, из недорогих, то если вскрыть зарядное устройство, то там зачастую можно обнаружить несколько резисторов, конденсаторов, гасящих напряжение и пожалуй все. Никаких микросхемных стабилизаторов и тем более плат контроллеров BMS здесь нет и в помине. Дешево и примитивно. Однако при этом самих аккумуляторов несколько. Обычно это бочонки – никель-кадмиевые аккумуляторы, соединенные последовательно, чтобы набралось нужное напряжение, например 14 или 18 Вольт. А плата BMS то здесь причем ? А вот при том, что ее здесь нет. И никакого индивидуального похода к каждому аккумулятору не может быть и речи. Никто не собирает информацию (под «никто» понимается не человек, а электронный контролер, который и является основой интеллектуальной BMS), никто не выдает управляющие и корректирующие сигналы…

Что такое BMS для аккумулятора

Вот постепенно мы по шажкам, на примерах мы и подходим к определению, что же такое BMS.

Система управления аккумуляторными батареями (BMS) — это технология, предназначенная для мониторинга состояния нескольких АКБ, соединенных определенным образом с целью увеличения срока их службы, уменьшения износа и максимальной отдачи.

Подчеркнем, речь идет о нескольких батареях. Их может быть 2,4 и более. Об это можно судить по ассортименту, представленных в продаже плат BMS, предлагаемых в Украине.
Но вопрос не столько в количестве каналов, а в том, какой алгоритм «зашит» в конкретной BMS. Какие именно напряжения и токи подаются на батареи в зависимости от их состояния, нагрузки, температуры и других факторов.
Если говорить проще, BMS это «ум» всей аккумуляторной системы. Это страж, это защитник. Это контролер. А если мы добавим еще одну букву в последнее определение, то получим контроллер.

И контролер, как неусыпное надзорное звено и контроллер как практическая реализация в виде электронной схемы – оба термина отлично подходят к определению того что такое BMS для аккумулятора. Это не просто игра слов. Тот случай, когда и первое и второе правильно. Во всяком случае для управляющих схем так и есть.
О каких батареях мы будем говорить ? Прежде всего это литий-ионнные и литий феррум полимерные. Они имеют высокую плотность энергии в пересчете на единицу массы и объема и используются от электромобилей и детских электроуправляемых игрушек до связки инвертор мощностью в несколько Киловатт – аккумуляторы.
Несмотря на то, что технологии производства АКБ неизмеримо продвинулись, тем не менее многое зависит как от соблюдения правил эксплуатации, так и от самой BMS, которая во многом и определяет — проработает ли мощный инвертор для бесперебойного питания дома или квартиры положенный срок, или преждевременно придется его списать в утиль, что зачастую и бывает с не совсем добросовестными производителями низкокачественных ИБП. А потом покупатели жалуются.

BMS, если говорить человеческими терминами, создает «комфортные» условия для работы батарей

А если более предметно ?

1. Неусыпно следит за разрядом-разрядом.
2. Оценивает рабочее состояние и степень износа.
3. Контролирует внутреннее сопротивление.
4. Определяет потерю емкости.
5. Защищает от короткого замыкания и перегрузки по току.
6. Позволяет избежать перегрева, перезаряда или слишком низкого разряда.
7. Принимает меры по температурному контролю.

Тем самым, все вышеописанное снижает влияние человеческого фактора, чтобы по максимуму добиться результата: «купил, подключил и забыл».

Как работают системы управления аккумуляторными батареями (контролер BMS)?

Сразу отметим, что говоря о задачах BMS, мы перечислили по максимуму все, но в конкретной схемной реализации, чего-то может не быть. Например контроля температуры. Почему чего-то не может быть ? Экономически не целесообразно. В нашем примере с дешевым шуруповертом, ставить дорогую систему BMS не имеет смысла. Это неоправданно завысит его стоимость. Хотя бесспорно, это несколько продлить срок службы аккумуляторов. Но все-таки инструменты, как и другие товары, которые питаются от аккумуляторов, не требуют слишком сложной и дорогой системы BMS. Да и самих батарей не жалко. Это по сути расходный товар. Через год поменял на новые. И это не обременительно для кошелька. Другое дело, если батарея стоит десятки тысяч гривень и питает например офисное помещение и или жилище.

Защита по току

Для каждого типа батареи предусмотрены свои предельные токи заряда и разряда. Есть пиковые токи потребления в течение короткого времени. Есть максимальные зарядно-разрядные токи, которые обычно производители указывают и которые отслеживает BMS.
Случиться может все. И короткое замыкание. И внезапное включение «прожорливой» нагрузки, в результате чего максимальный отдаваемый ток может быть превышен. А значит нужно, чтобы батарея автоматически отключалась, в зависимости от установленного ограничения по отдаваемому току или уходила в защитный, аварийный режим (в зависимости от модели).
Для этих целей BMS должна обладать практически мгновенной чувствительностью к экстремальным пиковым значениям тока, таким как короткое замыкание, когда даже предохранители и аварийные автоматы не успеют сработать.
Давайте к примеру.

• При приближении к верхнему пределу напряжения, BMS может задать постепенное снижение зарядного тока (щадящий режим зарядки) или может даже полностью прекратить заряд, если аккумулятор заряжен.
• Также, при приближении к нижнему пределу напряжения (глубокий разряд) BMS ограничит отдаваемый в нагрузки ток, если у последних чрезмерные электрически-энергетические «аппетиты».

В продвинутых инверторных системах допускается заряд большими значениями токов, чтобы батареи быстрее набрали емкость. Если производитель это предусматривает и контроллер BMS соответственно не запрещает, то так тому и быть. Но все же если отключения света не такие частые, все же лучше заряжать меньшим током, в щадящем режиме. Хотя мы уже слышим голос: ”А у нас свет включают на 2 часа, надо успеть зарядить”. Но что ж ответить. надо соглашаться. Да, кроме как заряжать быстрее, другого выхода нет.

Защита по напряжению

Литий-ионный элемент аккумулятора должен работать в определенном диапазоне напряжений. Эти границы определяются внутренней конструкцией, состоянием батареей, температурой, степенью износа и другим показателями.
Давайте ближе к практике. К нашей реальности 2022-2023 годов.
Имеется инвертор мощностью 5 КВт, который при аварийном или плановом отключении света выдает синусоиду на выходе (чистые 220 Вольт), а подзарядка выполняется от электрической сети, в то время, когда дома электричество в розетке присутствует.
Но могут быть и другие источники для заряда батарей.

Солнечные батареи	Инверторы, которые подключаются к ним обычно называются гибридными.
Генераторы	Причем инверторного типа, которые выдают не модифицированную синусоиду.

При длительных блекаутах, приходится задействовать все имеющиеся в наличии источники электроэнергии. Запасенные в аккумуляторах, неисчерпаемые – от солнца и даже ветряка. А когда темно и все разрядилось, тогда уже придет время включать дымящий и гудящий децибелами бензиновый или дизельный генератор, непременный атрибут нынешней действительности.
Но мы говорим сейчас не о всех возможных случаях, что могут случиться в жизни. Жители Украины знают это и без нас. Тем более в военное время, когда враг наносит удары по нашей энергетической инфраструктуре.
А говорим мы это к тому, что на вход батареи может подаваться электричество разного качества. В идеале такого не должно быть, но на практике – иначе. И как мы уже отметили, это касается как заряда, так и разряда. Как следствие — любой аккумуляторный блок подвергается значительным броскам тока из-за различных источников энергии. Плата BMS должна строго выдерживать пределы напряжения, чтобы реальные значения не превышали их.

Защита по температуре

Да, литий-ионные элементы могут работать при более широком диапазоне температур, чем свинцово-кислотные или никель-металлогидридные батареи, однако все равно общая емкость батареи уменьшается при низких температурах, поскольку скорость химических реакций преобразования энергии в электричество ощутимо замедляется (снижается такой показатель как токоотдача и даже без нагрузки растет ток саморазряда). Также проблематичной является зарядка при низких температурах, особенно близких к 0 °C. И тем более ниже. А вот благоприятный режим в пределах от +5 до +20 °C.
Если говорить о батареях для стационарных инверторов DC-AC для дома, то мы настойчиво рекомендуем устанавливать аккумуляторы внутри помещения, а не в подвале, на неотапливаемой веранде, в холодной летней кухне или прямо на улице.

Лучше позаботьтесь о «здоровье» вашего бесперебойника. И тогда он будет справляться со своим задачами снабжения Вас электричеством наилучшим образом.
Если же допустить зарядку например при минусовых температурах, то может возникнуть явление покрытия анода металлическим литием. Это необратимое разрушительное явление, что приводит к снижению емкости.

Некоторые BMS могут контролировать температуру аккумуляторной батареи посредством ее нагрева и охлаждения.

Каким образом ? С помощью дополнительного нагревателя. Однако здесь возникает другая проблема. Надо откуда-то брать энергию для обогрева. И лучше это будет питание от внешнего источника – от другой батареи, солнечных элементов и т.д.
Хотя если энергии требуется на нагрев минимум, то электричество для обогревателя может брать и от основного аккумулятора.
Иногда решить указанный обогревательный вопрос можно и с помощью конструктивных решений. Например электронные платы управления – тот же контроллер BMS выделяет некоторое количество тепла. А тем более силовая электроника: диоды, тиристоры. Почему бы его не использовать для обогрева ?
А если наоборот жарко ? Если речь идет например об установке источников бесперебойного снабжения электрической энергии в странах Африки или в Южных странах Европы. Если конечно нет кондиционеров.
Тогда система BMS должна брать на себя функции управления системой охлаждения. Высокая темперптура тоже не есть хорошо.
Стандартная комнатная температура это конечно идеальный вариант. Но уже при повышении температуры до 30°C, эффективность работы аккумуляторов может снизиться на целых 20%. Это много. Особенно опасны постоянные процессы заряда-разряда при более высоких температурах, например при 40-50°C.
Охлаждение может быть как пассивным с помощью конвекционных потоков, применением радиаторов, а также активным с помощью вентиляторов.

Контроль емкости батареи

Даже у самых педантичных пользователей батарей, выполняющих строго все предписания производителей, все равно с каждым циклом разряда-заряда они теряют сотые доли процента своей емкости. Вечных аккумуляторов нет. Однако если батареи, дающие постоянное напряжение для инверторов, функционируют в благоприятных условиях, то прослужить они могут 5-7 лет и это реальность. Это много. За это время, а скорее всего значительно раньше, они полностью выполнят свою роль, давая возможность жить и работать своим хозяевам с электричеством. А учитывая прогресс, к концу десятилетия может быть прорыв в источниках энергии. И тогда тяжелые аккумуляторы, о которых «хлопочет» BMS, уйдут в прошлое.
Соответственно важнейшей задачей для BMS является сохранение максимальной емкости аккумулятора. В частности, “ворами емкости” являются токи утечки.

Поскольку сама батарея состоит из нескольких элементов (ячеек), то каждая из них, несмотря на одинаковые условия производства и сборки, все же хоть немного, но отличается по параметрам. Различаются в том числе и токи утечек.
Саморазряд это характеристика батареи, может не такая известная и «ТОПовая» как напряжение, емкость или максимальный ток разряда, но все же с увеличением тока саморазряда, Вы теряете емкость.

• Да, если говорить строго, то малейшие микроизменения в технологическом процессе (его несовершенство) играют роль в разном токе утечки аккумуляторных ячеек.
• Но даже, если бы токи были для новой батареи нулевые, то в процессе множества циклов разряда-заряда, их рост неизбежен. Вопрос в том, как быстро они растут. С каждым месяцем и годом.

На увеличение токов саморазряда влияют уже озвученные выше причины: это высокая температура, естественная деградация литий-ионовых элементов или старение, перезаряд и недозаряд.
Например если батарея полностью заряжена, а BMS функционирует не должным образом (а должна бы полностью прекратить заряд), то дополнительная энергия от зарядного устройства превращается в тепло. А про негативное влияние повышенной температуры мы уже писали.

Платы BMS являются многоканальными. Поскольку соединенный массив батарей обладает такой характеристикой как общее напряжение сборки.

Но в процессе заряда, из-за разного износа или просто конструктивных особенностей или дефектов, будет наблюдаться разница. В идеале конечно зарядный ток должен быть одинаковым для всех ячеек.
Но если например одна ячейка полностью зарядится, а неисправная (или более изношенная) не полностью будет заряжена, возникнет дисбаланс, приводящий к тому, что некоторые ячейки будут хронически недозаряжены, а другие полностью заряжены.
Существуют разные методы решения этой проблемы. Но в любом случае за процесс “выравнивания” или электрической балансировки отвечает именно BMS.
Как это решается ?
Например, инженеры, разрабатывающие BMS для батарей, проектируют алгоритм работы схемы таким образом, чтобы каждая ячейка имела такой же заряд, как и самая “слабая” ячейка. В этом есть логика.

Поскольку общая емкость определяется не самым сильным, а самым слабым звеном.

Если проблемная ячейка будет разряжена, и больше уже не сможет отдавать ток, то не имеет значения, если даже останется заряд на нормальных ячейках. Он будет бесполезен. Это как неисправная банка в АКБ автомобиля. Одна «умерла», остальные 5 исправны, но двигатель уже не заведется – емкости не хватит.
Технически с помощью электронного ключа на транзисторе, BMS управляет зарядными токами, распределяя их по разным ячейкам для сбалансирования их заряда.
Мы постарались объяснить Вам, что такое BMS, почему она важна для аккумулятора, какие функции выполняет. Будьте с энергией !

Как работает плата BMS с балансировкой для литиевых аккумуляторов

Литий-ионные (Li-ion) батареи, кроме массы положительных сторон, имеют и некоторые особенности. В их числе чувствительность к превышению допустимого уровня заряда выше 4,2 и разряду ниже границы в 2,5 В на элемент. В связи с этим для безопасной эксплуатации таких источников питания применяются специальные системы контроля – BMS-платы управления, обеспечивающие защиту от подобных явлений и балансировку во время процесса зарядки. Разберемся, как работает BMS (battery management system, система управления батареи) и в чем ее преимущества.

Важность использования плат управления

1. Контроль состояния батареи в разных условиях эксплуатации.
2. Постоянная оценка рабочих параметров.
3. Распределение токов между ячейками в процессе зарядки.
4. Отслеживание разрядного тока.
5. Проверка состояния АБ и внутренних компонентов.
6. Защита от перенапряжения, токовых перегрузок и критического разряда.

Внутреннее устройство платы БМС

Чтобы наглядно разобраться, как работает BMS для литиевых аккумуляторов, следует рассмотреть ее внутреннее устройство. На электронной системе находятся распаянные компоненты, которые оберегают батарею от различных отклонений в подаче питания.

Схема платы выглядит предельно просто и включает такие компоненты:

1. Защитная микросхема (небольшой контроллер на плате).
2. Резисторы в схеме защиты и питания.
3. Терморезистор.
4. Накопительный конденсатор.
5. Транзисторы типа MOSFET.

В некоторых случаях в контроллере вместо 2 контактов используется 3. При таком устройстве помимо силовых контактов предусматривается еще и информационный контакт.

Принцип действия

После просмотра схемы становится понятнее, как работает BMS. Весь принцип действия сводится к непрерывному отслеживанию состояния АБ и ее внутренних составляющих. При возникновении потенциально опасных факторов плата автоматически отключает аккумулятор, тем самым сохраняя его от выхода из строя или потери рабочего ресурса. В случае превышения граничного параметра напряжения прибор отключает АБ от ЗУ, а при критическом снижении – отключает от нагрузки.

Продвинутые модификации плат BMS работают по такому принципу, что сохраняют данные о работе батареи для последующей передачи на любой внешний носитель. Плата BMS отвечает за балансировку ячеек, выравнивая их напряжение в общей схеме. Таким образом удается избежать перезаряда одних ячеек и дефицита заряда других, что ставит под угрозу корректную работу источника питания в будущем.

Советы по выбору

При подборе БМС-платы необходимо выделить список задач, которые решает АБ, и ознакомиться с особенностями ее конструкции в техническом паспорте. На рынке представлены разные модели защитных модулей, которые обеспечивают безотказную и стабильную работу батареи на протяжении всего срока службы.

Как работает BMS плата для литиевых аккумуляторов?

Для безопасной и долгой эксплуатации Li-ion аккумуляторов важно не допускать их чрезмерного нагрева, глубокого разряда, перезаряда, токовых перегрузок. Контроль рабочих характеристик АКБ и ее защиту от опасных состояний обеспечивает BMS плата. Ее использование для Li-ion батарей обязательно, т.к. малейший выход за допустимые границы любого параметра (напряжения, тока, температуры) недопустим и опасен.

Например, перегрев или заряд выше уровня 4,2 В на ячейку может спровоцировать возгорание. Глубокий разряд (ниже отметки 2,5 В на ячейку) приводит к необратимым изменениям химической структуры, снижению восстанавливаемой емкости и сокращению срока службы ячеек. Хранение в разряженном состоянии приводит к росту дендритов и утрате работоспособности АКБ. Для минимизации подобных рисков применяется BMS плата для литиевых аккумуляторов, которая становится залогом сохранения их работоспособности и циклического ресурса.

Выполняемые задачи

БМС плата – это электронная система, которая обеспечивает мониторинг, защиту, балансировку элементов и управление циклами заряда-разряда в аккумуляторной батарее. Благодаря этому снижается вероятность повреждения отдельных ячеек и поломки АКБ. Плата защиты решает важные задачи:

1. Контролирует состояние АКБ и ее элементов, обеспечивает их безопасное использование.
2. Постоянно оценивает ее рабочие характеристики, в первую очередь – напряжение. Поддерживает его значение в установленном диапазоне. По достижении верхней границы напряжения отключает АКБ от зарядного устройства, а при падении напряжения до минимально допустимой величины – отключает батарею от нагрузки.
3. Распределяет зарядные токи между отдельными «банками» сборки.
4. Отслеживает токи, отдаваемые в нагрузку. Контролирует, чтобы они не превышали допустимых значений. При токовых перегрузках отключает батарею от нагрузки.
5. Защищает батарею от короткого замыкания в нагрузке.
6. Контролирует температуру.

Некоторые платы защиты дополнительно делают балансировку – равномерно распределяют энергию между элементами АКБ, выравнивая их напряжение. Устранение дисбаланса помогает полноценно и равномерно использовать все ячейки, а также избегать быстрого износа батареи из-за перезаряда одних и недозаряда других элементов.

Как устроена BMS плата?

Этот электронный модуль содержит распаянные компоненты, которые оберегают ячейки от разных рисков. На печатной плате расположены:

• микросхема защитного контроллера – с 2 или 3 контактами – «плюс», «минус» и у некоторых моделей «информационный контакт»;
• резисторы;
• накопительный конденсатор;
• терморезистор;
• MOSFET-транзисторы.

Рассмотрим подробнее, как устроена и как работает BMS для литиевых аккумуляторов, на примере электронного модуля защиты от шуруповерта. Это простейшая плата защиты, не имеющая функции балансировки. Маркировка TL181203-V4S-WKS_V1.0 говорит о том, что этот модуль предназначен для мониторинга и защиты 4 литиевых аккумуляторов, которые соединены последовательно для суммирования напряжения (схема 4S).

Устройство платы TL181203

Защитным контроллером (Battery protection IC) и «мозгом» всей электронной системы выступает микросхема CM1041-DS. Защитная плата выполнена по стандартной схеме с разделением зарядно-разрядной цепи. Зарядка АКБ производится через специальный разъем, к которому с помощью контактов Charge (CH+ и CH-) подключается зарядное устройство. К нагрузке АКБ подключается при помощи клемм Power (P+ и P-).

Согласно схеме подключения BMS для литиевых аккумуляторов, питание микросхемы происходит от самой батареи. Подача плюсового напряжения осуществляется на вывод 1 (VCC), а минусового – на вывод 7 (VSS). Благодаря этому обеспечивается постоянная работа БМС платы – до тех пор, пока она подключена к АКБ, в т. ч. при длительном хранении. Микросхема CM1041 производится в разных версиях – для разных типов Li-ion аккумуляторов (LFP, NCA, NMC и т.д.). Например, для литий-марганцевых (INR) и других аккумуляторов с диапазоном рабочих напряжений от 2,7 до 4,2 предназначена микросхема CM1041-DS.

Два MOSFET-транзистора (Q2 и Q3) регулируют потребление энергии и токоотдачу в режимах заряда (Charge) и разряда (Discharge). Транзисторы играют роль ключа и пребывают в открытом или закрытом положении. Их работой управляет защитный контроллер (микросхема CM1041-DS). Зарядный ток АКБ протекает через транзистор заряда Q2, который управляется по выводу 15 (CO). Разрядный ток батареи протекает через транзистор разряда Q3, который управляется по выводу 14 (DO).

Дополнительно в схеме предусмотрен защитный диод Шоттки D3. Он блокирует прохождение тока при неправильной подаче напряжения от ЗУ. При корректном подключении зарядника он не препятствует прохождению тока. Этот диод рассчитан на ток 3 А и имеет малое снижение напряжения (500 мВ) на переходе в прямом включении.

Диод D2, обратно включенный между клеммами P+ и P- батареи, обеспечивает ее дополнительную защиту от напряжения неправильной полярности и некорректного подключения зарядного устройства. При срабатывании защиты от перегрузки сгорает защитный предохранитель в ЗУ.

Для мониторинга температуры к выводу 11 (RTS) подключается терморезистор NTC с минусовым температурным коэффициентом. Для более точного измерения температуры датчик устанавливают на один из элементов сборки. Часто в АКБ для электроинструмента терморезистор имеет вид капли с парой проводов, запаиваемых на BMS плату.

Контроль напряжения

Микросхема контролирует напряжение на каждом из 4 элементов питания при помощи выводов VC1, VC2, VC3 и VC4. Если хоть на одном из них произойдет падение напряжения до нижней границы 2,7 В, микросхема сразу же отключит транзистор разряда. При этом батарея будет отключена от нагрузки (например, шуруповерта), чтобы не допустить дальнейшего падения напряжения. Так микросхема защищает АКБ от критического разряда. Чтобы транзистор разряда закрылся, напряжение на всех ячейках должно подняться до минимального рабочего значения – 3 В.

При заряде АКБ микросхема контролирует, чтобы напряжение на элементах не превысило допустимый максимум. По достижении 4,25 В происходит отключение транзистора заряда и зарядка АКБ прекращается. Процесс зарядки сможет возобновиться, когда вольтаж всех ячеек будет ниже 4,15 В. При подключении шуруповерта или другого аккумуляторного оборудования защита сбрасывается благодаря срабатыванию цепи выявления нагрузки (VM, вывод 16). При этом вольтаж всех элементов снижается до значений менее 4,15 В.

Мониторинг токовых нагрузок

Для защиты от токовых перегрузок и КЗ микросхема постоянно отслеживает уровень токоотдачи АКБ. Контроль осуществляется по выводу V_INI (13), напряжение на котором зависит от потребляемого тока. При этом схема предусматривает 3 порога отключения транзистора разряда, для каждого из которых установлена определенная задержка срабатывания:

• 1 уровень – напряжение V_INI превышает 0,085–0,115 В – задержка срабатывания составляет не менее 0,5–1,5 секунды;
• 2 уровень – превышен порог 0,16–0,24 В – не менее 50–200 миллисекунд;
• 3 уровень – превышено пороговое значение 0,4–0,6 В – задержка срабатывания не менее 100–600 микросекунд, и происходит отключение транзистора разряда из-за признаков короткого замыкания в нагрузке.

Чтобы сбросить защиту от токовых перегрузок, нужно отключить батарею от нагрузки или устранить короткое замыкание. Отключена ли нагрузка, микросхема выясняет по выводу 16 (VM). При зарядке микросхема отслеживает зарядный ток с помощью вывода V_INI, и если он превысит допустимое значение, отключает транзистор заряда. Для сброса защиты нужно отключить зарядное устройство.

Контроль температуры

Мониторинг температуры обеспечивает NTC-резистор. При ее снижении до -10 °C блокируется зарядка АКБ, чтобы избежать ее выхода из строя. При перегреве батареи выше 52 °C не допускается ни ее зарядка, ни отдача энергии в нагрузку. Для отключения защиты от перегрева нужно, чтобы температура снизилась на 10 °C.

Вывод

Функционал БМС контроллеров бывает разным. Некоторые модели кроме набора основных функций обеспечивают сохранение и передачу данных о работе батареи на компьютер или другое электронное устройство. Но главная задача BMS платы состоит в постоянном отслеживании рабочих параметров АКБ и ее отключении при возникновении опасных состояний.

В интернет-магазине Shura Master вы можете купить BMS платы с разными рабочими значениями и всевозможными наборами функций, для любых аккумуляторов.

В предыдущей статье блога Shura Master мы рассказали о том, как заряжать литиевый аккумулятор.

Зачем нужна плата BMS в аккумуляторной батарее?

В современном мире, где все больше устройств и приборов работают от аккумуляторных батарей, вопрос о правильной эксплуатации и обслуживании этих батарей становится все более актуальным. Одной из ключевых деталей, обеспечивающих долгую и надежную работу аккумулятора, является плата BMS (Battery Management System). В этой статье мы рассмотрим, для чего необходима такая плата и какие функции она выполняет.

BMS (Battery Management System) – это система управления батареей, предназначенная для контроля и балансировки напряжения, тока и температуры на каждой ячейке аккумулятора. Она обеспечивает безопасность работы батареи и предотвращает ее выход из строя в результате перезарядки, переразрядки, короткого замыкания или перегрева.

Плата BMS выполняет следующие основные функции:

Контроль напряжения на каждой ячейке: плата постоянно измеряет напряжение на каждом элементе аккумулятора и сравнивает его с заданным пороговым значением. Если напряжение падает ниже определенного уровня, BMS отключает аккумулятор от нагрузки, чтобы предотвратить его глубокий разряд и возможное повреждение.

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.

2. Балансировка напряжения:

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.

Защита от короткого замыкания:

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:

1. Защита от критически высоких токов и короткого замыкания. Для определения протекающего по линии тока обычно используется шунт. Он измеряет снижение напряжения на резисторе с высокой мощностью и малым сопротивлением. Но шунт не отличается компактностью и требует высокой точности измерений. Альтернативный вариант – использование эффекта Холла, но его реализация обходится дороже. Поэтому чаще всего для определения короткого замыкания на линии измеряется напряжение. При КЗ оно проседает почти до нулевого значения. Современные платы защиты быстро определяют КЗ и отключают нагрузку, не допуская повреждения аккумов или подключенного к ним устройства.
2. Защита от чрезмерного заряда и глубокого разряда. Для измерения напряжения обычно используется аналогово-цифровой преобразователь. Если контроллер защиты установлен на АКБ из последовательно соединенных элементов, то зачастую он измеряет по-отдельности напряжение каждого элемента. Это важно для профилактики неравномерного разряда элементов и глубокого разряда аккумуляторов меньшей емкости.
3. Защита от перегрева. Обеспечивается с использованием терморезистора – резистора, сопротивление которого зависит от температуры. Используется редко, т.к. перегрев обычно связан с другими опасными состояниями – перезарядом или коротким замыканием, когда срабатывают другие типы защиты.

BMS контролирует состояние контактов между ячейками и при обнаружении короткого замыкания отключает батарею от нагрузки.

Защита от короткого замыкания BMS

Защита от короткого замыкания BMS может произойти, когда клеммы аккумулятора случайно подключены, что приводит к протеканию большого тока. Это может привести к перегреву аккумулятора и возможному возгоранию. Защита от короткого замыкания отключит аккумулятор, если обнаружит короткое замыкание.

Некоторые аккумуляторы имеют несколько уровней защиты от короткого замыкания, а другие — только один. Наиболее распространенным типом защиты от короткого замыкания BMS является тепловое отключение, которое срабатывает, когда температура батареи достигает определенной точки. Другие типы защиты включают отключение плавким предохранителем и электронное отключение.

Большинство литиевых батарей имеют настройку защиты от короткого замыкания около 200-300 мА. Обычно этого достаточно для защиты аккумулятора от повреждения, но если вы используете мощные устройства, которые могут потреблять больший ток, вы можете увеличить защиту от короткого замыкания до 500 мА или более.

Если вы используете аккумулятор с высокой скоростью разряда, обязательно увеличьте защиту BMS от короткого замыкания. Высокая скорость разряда может привести к протеканию большого тока в случае короткого замыкания, что может привести к повреждению или даже разрушению аккумулятора.

Защита от короткого замыкания BMS — очень важная настройка, которую следует учитывать при использовании литий-ионных аккумуляторов. Обязательно выберите параметр, который защитит аккумулятор от повреждений, но при этом позволит вам использовать нужные вам устройства.

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. BMS постоянно измеряет температуру аккумулятора и, если она превышает заданный порог, снижает ток нагрузки или отключает аккумулятор. 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.

Заключение

Таким образом, плата BMS является неотъемлемой частью аккумуляторной батареи, обеспечивающей ее надежную и безопасную работу. Без BMS аккумулятор может выйти из строя раньше времени, что приведет к дополнительным затратам на покупку нового устройства или замену батареи. Поэтому при выборе аккумулятора важно убедиться, что он оснащен качественной платой BMS, которая обеспечит его долгую и стабильную работу.