Как работает BMS плата для литиевых аккумуляторов?

  • 24.04.2023 г.
  • 5924 просмотра.

BMS платаДля 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).

Маркировка TL181203-V4S-WKS_V1.0

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.

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

Контроль напряженияМикросхема 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 VINI (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 VINI 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 VINI, 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.

 БМС контроллер

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.

Лучшие литий-ионные аккумуляторы
Предыдущая
Лучшие литий-ионные аккумуляторы
Следующая
Как восстановить Ni-Cd аккумулятор от шуруповерта?
Как восстановить Ni-Cd аккумулятор от шуруповерта?

Еще может быть интересно...