Система управления аккумулятором (bms) для электромобилей
На 7 — м января 2013 года, полет Boeing 787 был припаркован для технического обслуживания, в течение этого механик замеченного пламени и дым, выходящий из вспомогательного блока питания (литиевая батарея) полета, который используется для питания электронных систем полета. Усилия были предприняты, чтобы тушить пожар прочь, но через 10 дней, прежде чем этот вопрос можно решить, на 16 — е января очередного провал батареи произошел в 787 рейса, выполняемого All Nippon Airways вызвавших аварийную посадку в японском аэропорту. Эти два частых катастрофических выхода из строя аккумуляторной батареи привели к тому, что рейс Boeing 787 Dreamliners был остановлен на неопределенный срок, что подорвало репутацию производителя и привело к огромным финансовым потерям.
После серии совместных исследований, проведенных США и Японией, литиевый аккумулятор B-787 прошел компьютерную томографию и показал, что один из восьми литий-ионных аккумуляторов был поврежден, что привело к короткому замыканию, которое вызвало тепловой разгон с возгоранием. Этого инцидента можно было бы легко избежать, если бы система управления батареями литий-ионной аккумуляторной батареи была разработана для обнаружения / предотвращения коротких замыканий. После некоторых изменений конструкции и правил безопасности B-787 снова начал летать, но инцидент все еще остается доказательством того, насколько опасными могут стать литиевые батареи, если с ними не обращаться должным образом.
Перенесемся на 15 лет вперед, и сегодня у нас есть электромобили, использующие те же литий-ионные батареи, которые упакованы сотнями, если не тысячами. Эти массивные аккумуляторные блоки с номинальным напряжением около 300 В устанавливаются в автомобиле и обеспечивают ток до 300 А (приблизительные цифры) во время работы. Любой несчастный случай здесь закончится большой катастрофой, поэтому в электромобилях всегда уделяется большое внимание системе управления батареями. Итак, в этой статье мы узнаем больше об этой системе управления батареями (BMS) и разберемся, чтобы понять ее конструкцию и функции, чтобы понять ее намного лучше. Поскольку батареи и BMS тесно связаны, мы настоятельно рекомендуем ознакомиться с нашими предыдущими статьями об электромобилях и батареях электромобилей.
Зачем нам нужна система управления батареями (BMS)?
Литий-ионные батареи оказались интересными для производителей электромобилей из-за их высокой плотности заряда и небольшого веса. Несмотря на то, что эти аккумуляторы достаточно мощны для своего размера, они очень нестабильны по своей природе. Очень важно, чтобы эти батареи никогда не были чрезмерно заряженными или разряженными при любых обстоятельствах, которые вызывают необходимость контролировать их напряжение и ток. Этот процесс становится немного сложнее, поскольку в электромобиле много ячеек, собранных вместе, чтобы сформировать аккумуляторную батарею, и каждая ячейка должна контролироваться индивидуально на предмет ее безопасности и эффективности, что требует специальной специальной системы, называемой системой управления батареями.. Также, чтобы получить максимальную эффективность от аккумуляторной батареи, мы должны полностью заряжать и разряжать все элементы одновременно при одном и том же напряжении, которое снова требует BMS. Помимо этого, BMS отвечает за многие другие функции, которые будут рассмотрены ниже.
Соображения по проектированию системы управления батареями (BMS)
При проектировании BMS следует учитывать множество факторов. Полное рассмотрение зависит от конкретного конечного приложения, в котором будет использоваться BMS. Помимо электромобилей BMS также используются везде, где задействован литиевый аккумулятор, такой как массив солнечных панелей, ветряные мельницы, силовые стены и т. Д. Независимо от области применения при проектировании BMS необходимо учитывать все или многие из следующих факторов.
Контроль разрядки: основная функция BMS — поддерживать литиевые элементы в безопасной рабочей области. Например, типичный литиевый элемент 18650 будет иметь пониженное напряжение около 3 В. BMS несет ответственность за то, чтобы ни одна из ячеек в пакете не разряжалась ниже 3 В.
Контроль зарядки: помимо разрядки процесс зарядки также должен контролироваться системой BMS. Большинство аккумуляторов имеют тенденцию к повреждению или сокращению срока службы при неправильной зарядке. Для зарядного устройства литиевых батарей используется двухступенчатое зарядное устройство. Первый этап называется постоянного тока (CC), в течение которого зарядное устройство выводит постоянный ток для зарядки аккумулятора. Когда аккумулятор почти полностью заряжен, начинается второй этап, называемый постоянным напряжением (CV).Используется этап, во время которого на аккумулятор подается постоянное напряжение при очень малом токе. BMS должна следить за тем, чтобы напряжение и ток во время зарядки не превышали допустимые пределы, чтобы не перезарядить или быстро зарядить батареи. Максимально допустимое напряжение зарядки и ток зарядки указаны в паспорте аккумулятора.
Определение состояния заряда (SOC): вы можете рассматривать SOC как индикатор уровня топлива электромобиля. Фактически, он показывает нам емкость аккумулятора в процентах. Прямо как в нашем мобильном телефоне. Но это не так просто, как кажется. Напряжение и ток заряда / разряда батареи всегда следует контролировать, чтобы спрогнозировать емкость батареи. После измерения напряжения и тока существует множество алгоритмов, которые можно использовать для расчета SOC аккумуляторной батареи. Чаще всего используется метод счета кулонов; мы обсудим это позже в статье. BMS также отвечает за измерение значений и расчет SOC.
Определение состояния здоровья (SOC): емкость аккумулятора зависит не только от напряжения и тока, но также от возраста и рабочей температуры. Измерение SOH сообщает нам о возрасте и ожидаемом сроке службы батареи на основе истории ее использования. Таким образом, мы можем узнать, насколько сокращается пробег (пройденное расстояние после полной зарядки) электромобиля с возрастом батареи, а также мы можем узнать, когда следует заменить аккумулятор. SOH также следует рассчитывать и отслеживать с помощью BMS.
Балансировка ячеек: Еще одна жизненно важная функция BMS — поддерживать баланс ячеек. Например, в пакете из 4 элементов, соединенных последовательно, напряжение всех четырех элементов всегда должно быть одинаковым. Если одна ячейка имеет меньшее или высокое напряжение, чем другая, это повлияет на всю батарею, скажем, если одна ячейка имеет 3,5 В, а остальные три — 4 В. Во время зарядки эти три элемента будут достигать 4,2 В, а другой — только 3,7 В. Аналогично, этот элемент будет первым, разряженным до 3 В, раньше остальных трех. Таким образом, из-за этой единственной ячейки все другие ячейки в пакете не могут быть использованы с максимальным потенциалом, что снижает эффективность.
Чтобы справиться с этой проблемой, BMS должна реализовать так называемую балансировку ячеек. Существует много типов методов балансировки ячеек, но обычно используются активные и пассивные методы балансировки ячеек. Идея пассивной балансировки заключается в том, что ячейки с избыточным напряжением будут принудительно разряжаться через нагрузку, подобную резистору, чтобы достичь значения напряжения других ячеек. При активном балансировании более сильные ячейки будут использоваться для зарядки более слабых ячеек, чтобы уравнять их потенциалы. Мы узнаем больше о балансировке ячеек позже в другой статье.
Температурный контроль: срок службы и эффективность литиевой аккумуляторной батареи во многом зависит от рабочей температуры. В жарком климате аккумулятор разряжается быстрее, чем при нормальной комнатной температуре. В дополнение к этому потребление большого тока еще больше повысит температуру. Это требует наличия тепловой системы (в основном масляной) в аккумуляторной батарее. Эта тепловая система должна быть способна только снижать температуру, но также должна иметь возможность повышать температуру в холодном климате, если это необходимо. BMS отвечает за измерение температуры отдельных элементов и соответствующее управление тепловой системой для поддержания общей температуры аккумуляторной батареи.
Питание от самой батареи: единственный источник питания, доступный в электромобиле, — это сама батарея. Таким образом, BMS должна быть рассчитана на питание от той же батареи, которую она должна защищать и обслуживать. Это может показаться простым, но это действительно увеличивает сложность конструкции BMS.
Менее идеальная мощность: BMS должна быть активной и работать, даже если автомобиль работает, заряжается или находится в идеальном режиме. Это обеспечивает постоянное питание схемы BMS и, следовательно, обязательно, чтобы BMS потребляла очень меньше энергии, чтобы не сильно разряжать батарею. Когда электромобиль остается незаряженным в течение нескольких недель или месяцев, BMS и другие схемы имеют тенденцию разряжать аккумулятор самостоятельно и в конечном итоге требуют запуска или зарядки перед следующим использованием. Эта проблема по-прежнему остается распространенной даже для таких популярных автомобилей, как Tesla.
Гальваническая развязка: BMS действует как мост между аккумуляторной батареей и ЭБУ электромобиля. Вся информация, собранная BMS, должна быть отправлена в ECU для отображения на комбинации приборов или на приборной панели. Таким образом, BMS и ECU должны постоянно взаимодействовать через стандартный протокол, такой как связь CAN или шина LIN. Конструкция BMS должна обеспечивать гальваническую развязку между аккумуляторной батареей и ЭБУ.
Регистрация данных: для BMS важно иметь большой банк памяти, так как он должен хранить много данных. Такие значения, как SOH состояния здоровья, можно рассчитать только в том случае, если известна история зарядки аккумулятора. Таким образом, BMS должна отслеживать циклы зарядки и время зарядки аккумуляторной батареи с момента установки и при необходимости прерывать эти данные. Это также помогает инженерам в послепродажном обслуживании или анализе проблемы с электромобилем.
Точность: когда элемент заряжается или разряжается, напряжение на нем постепенно увеличивается или уменьшается. К сожалению, кривая разряда (напряжение в зависимости от времени) литиевой батареи имеет плоские участки, поэтому изменение напряжения намного меньше. Это изменение необходимо точно измерить, чтобы рассчитать значение SOC или использовать его для балансировки ячеек. Хорошо спроектированная BMS может иметь точность до ± 0,2 мВ, но должна иметь минимальную точность 1–2 мВ. Обычно в процессе используется 16-битный АЦП.
Скорость обработки: BMS электромобиля должна выполнять множество вычислений для вычисления значения SOC, SOH и т. Д. Для этого существует множество алгоритмов, а некоторые даже используют машинное обучение для выполнения задачи. Это делает BMS требовательным к обработке данных. Помимо этого, он также должен измерять напряжение на сотнях ячеек и почти сразу замечать тонкие изменения.
Строительные блоки BMS
На рынке доступно множество различных типов BMS, вы можете либо разработать их самостоятельно, либо даже приобрести интегрированную ИС, которая уже доступна. С точки зрения аппаратной структуры существует только три типа BMS в зависимости от ее топологии: централизованная BMS, распределенная BMS и модульная BMS. Однако функции этих BMS схожи. Общая система управления батареями проиллюстрирована ниже.
Сбор данных BMS
Давайте проанализируем приведенный выше функциональный блок из его ядра. Основная функция BMS — контролировать аккумулятор, для которого необходимо измерить три жизненно важных параметра, такие как напряжение, ток и температуру, от каждой ячейки в аккумуляторном блоке.. Мы знаем, что аккумуляторные блоки формируются путем соединения множества ячеек в последовательной или параллельной конфигурации, например, Tesla имеет 8256 ячеек, в которых 96 ячеек соединены последовательно, а 86 соединены параллельно, образуя батарею. Если набор ячеек соединен последовательно, мы должны измерить напряжение на каждой ячейке, но ток для всего набора будет одинаковым, поскольку ток будет одинаковым в последовательной цепи. Точно так же, когда набор ячеек соединен параллельно, мы должны измерить только полное напряжение, поскольку напряжение на каждой ячейке будет одинаковым при параллельном подключении. На изображении ниже показан набор ячеек, соединенных последовательно, вы можете заметить, что напряжение и температура измеряются для отдельных ячеек, а ток батареи измеряется в целом.
«Как измерить напряжение ячеек в BMS?»
Поскольку типичный электромобиль имеет большое количество соединенных вместе ячеек, довольно сложно измерить напряжение отдельных элементов аккумуляторной батареи. Но только если мы знаем напряжение отдельной ячейки, мы можем выполнить балансировку ячейки и обеспечить защиту ячейки. Для считывания значения напряжения ячейки используется АЦП. Но сложность здесь высока, поскольку батареи соединены последовательно. Это означает, что клеммы, на которых измеряется напряжение, необходимо каждый раз менять. Есть много способов сделать это, включая реле, мультиплексоры и т. Д. Помимо этого есть также некоторая ИС управления батареями, такая как MAX14920, которую можно использовать для измерения напряжений отдельных ячеек нескольких ячеек (12-16), соединенных последовательно.
«Как измерить температуру ячейки для BMS?»
Помимо температуры ячеек, иногда BMS также необходимо измерять температуру шины и температуру двигателя, поскольку все работает на большом токе. Наиболее распространенный элемент, используемый для измерения температуры, называется NTC, что означает отрицательный температурный коэффициент (NTC). Он похож на резистор, но он изменяет (уменьшает) свое сопротивление в зависимости от температуры вокруг него. Измеряя напряжение на этом устройстве и используя простой закон сопротивления, мы можем рассчитать сопротивление и, следовательно, температуру.
Мультиплексный аналоговый интерфейс (AFE) для измерения напряжения и температуры элемента
Измерение напряжения на ячейке может быть сложным, поскольку оно требует высокой точности и может также вносить коммутационные шумы от мультиплексора, кроме этого, каждая ячейка подключена к резистору через переключатель для балансировки ячеек. Чтобы преодолеть эти проблемы, используется AFE — Analog Front End IC. AFE имеет встроенный мультиплексор, буфер и модуль АЦП с высокой точностью. Он может легко измерять напряжение и температуру в синфазном режиме и передавать информацию на главный микроконтроллер.
«Как измерить ток батареи для BMS?»
Аккумуляторный блок EV может обеспечивать большое значение тока до 250 А или даже выше, кроме этого, мы также должны измерить ток каждого модуля в пакете, чтобы убедиться, что нагрузка распределяется равномерно. При разработке токового чувствительного элемента мы также должны обеспечить изоляцию между измерительным и чувствительным устройством. Наиболее часто используемые методы измерения тока — это метод шунта и метод на основе датчика Холла. У обоих методов есть свои плюсы и минусы. Ранние методы шунтирования считались менее точными, но с появлением в последнее время высокоточных конструкций шунтов с изолированными усилителями и модуляторами они более предпочтительны, чем метод на основе датчика Холла.
Оценка состояния батареи
Основная вычислительная мощность BMS предназначена для оценки состояния батареи. Это включает измерение SOC и SOH. SOC можно рассчитать, используя напряжение ячейки, ток, профиль заряда и профиль разряда. SOH можно рассчитать, используя количество циклов зарядки и производительность аккумулятора.
«Как измерить SOC батареи?»
Существует множество алгоритмов измерения SOC аккумулятора, каждый из которых имеет свои собственные входные значения. Наиболее часто используемый метод для SOC называется методом кулоновского подсчета или бухгалтерского учета. Мы обсудим
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.
- Балансир для li ion аккумуляторов.
- Защита по напряжению или току.
- Плата, отвечающая за обеспечение заряда.
- Вариации устройств, перечисленных выше, включая объединение нескольких групп в единую систему.
Чем более функциональна и разветвленная защита, тем выше эксплуатационный ресурс аккумуляторной батареи.
Как работает BMS-контроллер?
В общей сложности, плата состоит из:
- защитной микросхемы;
- аналоговой обвязки, определяющей балансировку или ток источника питания;
- силового транзистора, отвечающего за отключение нагрузки в нужный момент.
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.
Что такое система управления BMS
Литий-ионные аккумуляторы и их модификации успешно вытесняют остальные виды химических источников тока с рынка элементов питания. Обладая многочисленными достоинствами, позволяющими осуществить эту экспансию, тем не менее, Li-ion батареи имеют врожденные проблемы в плане пожароопасности и взрывоопасности. По этой причине разработчики вынуждены оснащать эти аккумуляторы дополнительными средствами защиты.
Что такое система BMS, где применяется
Одним из подобных широко применяемых устройств является система BMS — battery management system (в точном переводе — система управления батареей, а в русскоязычном инженерном сленге – балансир). Применяется она для защиты батарей, составленных из нескольких последовательно соединенных литиевых элементов.
Невозможно подобрать в батарею ячейки с полностью идентичными характеристиками, включая емкость. Между «банками» всегда будет существовать разброс, который в течение периода эксплуатации будет скорее увеличиваться, чем уменьшаться.
Известно, что время зарядки зависит, в том числе, и от зарядного тока. Если элементы соединены последовательно, то при подзаряде (да и при разряде тоже) ток в такой цепи будет одинаковым для каждой «банки». В результате разницы в емкостях, одни элементы будут еще не заряжены, в других уровень энергии достигнет предельного значения. Если процесс в этот момент не прервать, а дожидаться полного заряда всех элементов, ячейки с меньшей емкостью войдут в режим перезаряда. Это крайне нежелательно, так как перезаряд чреват возгоранием. Если же подзаряд остановить по достижению предельного уровня одним элементом, остальные ячейки будут недозаряжены, что тоже плохо. Чтобы избежать этой ситуации потребовалось разработать специальное электронное устройство.
Основные функции, характеристики и принцип работы
Главная функция, которую выполняет устройство балансировки – не допустить перезаряда ни одной из ячеек, полностью зарядив все аккумуляторы. Для этого напряжение на каждом элементе постоянно контролируется. При достижении номинального уровня различные по схемотехнике платы отрабатывают одним из двух способов:
- Либо закорачивают (шунтируют) зарядившийся элемент (резистором или другим способом).
- Либо подключают его через резистор к недозаряженной ячейке, выравнивая запас энергии.
Достоинства первого способа, называемого пассивным – простота реализации, а минусом считается излишняя потеря энергии на шунтирующих элементах.
Второй способ, называемый активным, сложнее, зато экономичнее. Обычно применяются два алгоритма:
- подзаряд от самого заряженного элемента всей оставшейся цепочки аккумуляторов;
- подзаряд от самой заряженной «банки» самого разряженного элемента.
Активная система балансировки может быть использована для подзаряда в буферном режиме, поэтому ее применяют в источниках бесперебойного питания и подобных устройствах.
Существует еще одна активная система балансировки, когда каждая ячейка оснащается своим зарядным устройством.
Помимо основного назначения, на плату BMS обычно возлагаются и дополнительные защитные функции:
- защита от перегрева (для этого нужен отдельный выносной датчик температуры) – прекращает подзаряд, если батарея достигла верхнего ограничения по температуре;
- защита от сверхтока (перегрузки) – отключает всю батарею при превышении отдаваемого тока выше заданного предела;
- защита от глубокого разряда (при достижении одним элементом нижнего порогового уровня отключается от нагрузки вся цепочка аккумуляторов).
Все эти функции могут быть реализованы измерением одного лишь напряжения, включая защиту от сверхтока. Эта защита срабатывает при определенном «проседании» напряжения элемента или нескольких одновременно. Но иногда отключение от сверхтока реализуется и другими способами (например, с помощью традиционного токоизмерительного шунта – так точнее, но сложнее).
Система управления батареей (BMS)
В последние годы популярность обрели так называемые «разумные» аккумуляторы, или иными словами Smart batteries. Аккумуляторы этой группы оснащаются микропроцессором, способным не только обеспечивать обмен данными с зарядным устройством, но и регулировать работу аккумуляторных батарей, информировать пользователя о степени их работоспособности. Аккумуляторы, комплектуемые специализированной системой интеллектуального регулирования, находят широкое применение в самом разном техническом электрооборудовании, включительно и электротранспортном. Примечательно, что группу интеллектуальных батарей образовывают преимущественно литийсодержащие аккумуляторы, хоть и встречаются среди них герметизированные или вентилируемые свинцово-кислотные, никель-кадмиевые.
Разумные батареи, как минимум, на 25% дороже обычных аккумуляторов. Однако интеллектуальные аккумуляторы отличаются не только ценой, как большинство предполагает, но и особенностями прилагаемого к ним регулировочного устройства. Последнее гарантирует идентификацию типа аккумуляторных батарей с зарядным устройством, отслеживает температуру, напряжение, ток, степень заряда аккумуляторов. Значительная часть литий-ионных батарейных модулей имеет встроенную систему мониторинга и управления (BMS), которая отвечает за состояние аккумуляторов и управляет ими таким образом, чтобы максимально сохранить работоспособность аккумуляторных батарей в различных условиях.
Рассмотрим же более подробно, что такое аккумуляторная батарея с BMS. Разумные батареи — это аккумуляторы, оборудованные специальной микросхемой, в которой запрограммированы постоянные и временные данные. Постоянные данные программируются ещё на заводе-изготовителе и не подлежат изменению: данные, касаемые производственной серии BMS, её маркировки, совместимости с типом аккумуляторных батарей, вольтажа, максимальных и минимальных пределов напряжения, температурных границ. Временные же данные – это данные, подлежащие периодическому обновлению. К ним относятся преимущественно эксплуатационные требования и пользовательские данные. Как правило, предусматривается возможность подключения системы управления и балансировки к компьютеру или контроллеру с целью мониторинга состояния батарей и контроля их параметров. Некоторые модели BMS могут настраиваться под разные типы батарей (уровни их напряжения, значения тока, емкость).
Система управления батареи (BMS) – электронная система, которая управляет заряд/разрядным процессом аккумуляторной батареи, отвечает за безопасность её работы, проводит мониторинг состояния батареи, оценку вторичных данных работоспособности.
BMS (Battery Management System) – это электронная плата, которая ставится на аккумуляторную батарею с целью контроля процесса её заряда/разряда, мониторинга состояния аккумулятора и его элементов, контроля температуры, количества циклов заряда/разряда, защиты составных аккумуляторной батареи. Система управления и балансировки обеспечивает индивидуальный контроль напряжения и сопротивления каждого элемента аккумулятора, распределяет токи между составными аккумуляторной батареи во время зарядного процесса, контролирует ток разряда, определяет потерю емкости от дисбаланса, гарантирует безопасное подключение/отключение нагрузки.
На основе получаемых данных BMS выполняет балансировку заряда ячеек, защищает аккумулятор от короткого замыкания, перегрузки по току, перезаряда, переразряда (высокого и чрезмерно низкого напряжения каждой ячейки), перегрева и переохлаждения. Функциональность BMS позволяет не только улучшить режим эксплуатации аккумуляторных батарей, но и максимально увеличить срок их службы. При определении критического состояния батареи Battery Management System соответственно реагирует, выдавая запрет на использование аккумуляторной батареи в электросистеме — отключает её. В некоторых моделях BMS предусмотрена возможность ведения реестра (записи данных) о работе аккумуляторной батареи и их последующей передачи на компьютер.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (известные как LiFePO4), что существенно превосходят ряд иных аккумуляторный батареи литий-ионной технологии с точки зрения безопасности, стабильности и производительности, также комплектуются схемами управления BMS. Дело в том, что литий-железо-фосфатные батареи чувствительны к перезаряду, а также разряду ниже определенного напряжения. С целью уменьшения риска повреждения отдельных аккумуляторных ячеек и выхода батареи в целом из строя все LiFePO4 аккумуляторы оснащаются специальной электронной схемой балансировки – системой управления батареями (BMS).
Напряжение на каждой из ячеек, объединенных в литий-железо-фосфатную батарею, должно находиться в определенных пределах и быть равным между собой. Ситуация же такова, что идеально равная емкость всех ячеек, входящих в состав единого аккумулятора, — довольно редкое явление. Даже малое различие на пару долей ампер-часов может спровоцировать в дальнейшем различие уровня напряжения при зарядно/разрядном процессе. Разница в уровне заряда/разряда ячеек единой LiFePO4 батареи довольно опасна, так как может погубить аккумулятор.
При параллельном соединении ячеек напряжение на каждой из них будет приблизительно равным: более заряженные элементы смогут вытягивать менее заряженные. При последовательном же соединении равномерного распредения заряда между ячейками не происходит, в результате чего одни элементы остаются недозаряженными, а другие перезаряжаются. И даже, если общее напряжении по завершении зарядного процесса будет близко к идеальному, вследствиедаже небольшогоперезаряда некоторых ячеек в батарее будут происходить необратимые разрушительные процессы. Аккумуляторная батарея в процессе эксплуатации не будет отдавать требуемой емкости, и по причине неравномерного распредения заряда быстро придет в негодность. Ячейки с наименьшим уровнем заряда станут своеобразным «cлабым местом» аккумулятора: они будут быстро поддаваться разряду, в то время, когда аккумуляторные элементы большей емкости будут проходить только частичный разрядный цикл.
Избежать негативных разрушительных процессов в аккумуляторной батарее позволяет метод балансировки. Система управления и балансировки ячеек BMS следит за тем, чтобы все ячейки в конце зарядки получали равное напряжении. При подходе зарядного процесса к концу BMS делает балансировку шунтированием зарядившихся ячеек или же переносит энергию элементов с большим напряжением к элементам с меньшим напряжением. В отличии от активной, при пассивной балансировке практически полностью восполнившие заряд ячейки получают меньший ток или исключаются из зарядного процесса до момента, пока все элементы аккумулятора не будут иметь равный уровень напряжения. Система управления батареей (BMS), производя балансировку, а также обеспечивая контроль температуры и выполнение ряда иных функций, максимально продлевает срок службы аккумулятора.
Обычно магазины продают уже готовые сборные аккумуляторные батареи с BMS, однако некоторые магазины и фирмы все же предоставляют возможность приобретения аккумуляторных составных по отдельности. К их числу относится и фирма «Электра». Электра – первая фирма в Украине, решившаяся на поставку и создание рынка аккумуляторных элементов для самостоятельной сборки и конструирования литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей (LiFePO4) в нашей стране. Главное преимущество самостоятельной сборки батарей из отдельных ячеек состоит в возможности получения сборного аккумуляторного комплекта максимально приближенного к запросам пользователя с точки зрения рабочих параметров и емкости. При покупке комплектующих для сборки LiFePO4 батареи важно обращать внимание не только на соответствие аккумуляторных ячеек между собой, но и смотреть на параметры BMS: напряжение, ток разряда, количество ячеек, на которое она рассчитана. Эксплуатация литий-железо-фосфатной аккумуляторной батареи также предусматривает использование исключительно зарядного устройства, отвечающего ей по типу. Его напряжение должно быть равным общему напряжению аккумуляторной батареи.
24v 36v 48v 60v
Основные цели применения BMS(BatteryManagementSystem) в качестве регулятора работы аккумуляторной батареи:
— защита аккумуляторных клеток и целой батареи от повреждений;
— увеличение срока службы батареи;
— поддержание аккумулятора в состоянии, при котором станет максимально возможным выполнение всех возложенных на него задач.
ФункцииBMS (Battery Management System)
1. Контроль за состоянием элементов аккумуляторной батареи с точки зрения:
— напряжения: общее напряжение, напряжение отдельных ячеек, минимальное и максимальное напряжение ячейки;
— температуры: средняя температура, температура электролита, температура на выходе, температура отдельных аккумуляторных «клеток», платы BMS (электронная плата, как правило, оснащается как внутренними температурными датчиками, проводящими мониторинг температуры непосредственно регулировочного устройства, так и внешними, которые используются для контроля температуры конкретных элементов батареи);
— заряда и глубины разряда;
— токов заряда /разряда;
Система управления и балансировки ячеек может хранить в памяти такие показатели, как количество циклов заряда/разряда, максимальное и минимальное напряжение ячеек, максимальное и минимальное значение тока заряда и разряда. Именно эти данные и позволяют определять состояние исправности аккумуляторной батареи.
Неправильный заряд – одна из наиболее распространенных причин выхода аккумуляторной батареи из строя, поэтому контроль заряда является одной из основных функций микроконтроллера BMS.
2. Интеллектуально-вычислительная. На основе вышеперечисленный пунктов BMS проводит оценку:
— максимального допустимого тока заряда;
— максимального допустимого тока разряда;
— количества энергии, поставляемой вследствие зарядки, или же теряемой при разряде;
— внутреннего сопротивления ячейки;
— суммарной наработки аккумуляторной батареи в процессе эксплуатации (общего количества циклов работы).
3. Связная. BMS может подавать вышеуказанные данные на внешние управляющие устройства путем проводной или же беспроводной коммуникации.
4. Защитная. BMS защищает батарею, предотвращая её выход за пределы безопасной работы. BMS гарантирует безопасность подключения/отключения нагрузки, гибкое управление нагрузкой, защищает аккумуляторную батарею от:
— перегрузки по току;
— перенапряжения (во время зарядки);
— падения напряжения ниже допустимого уровня (во время разряда);
BMS может предотвратить опасный для аккумуляторной батареи процесс путем непосредственного влияния на неё или же подачи соответствующего сигнала о невозможности последующего использования аккумулятора к управляющему устройству (контроллеру). Система интеллектуального мониторинга (BMS) отключает аккумуляторную батарею от нагрузки или зарядного устройства при выходе хотя бы одного из рабочих параметров за границы допустимого диапазона.
5. Балансировка. Балансировка – это метод равномерного распределения заряда между всеми ячейками аккумуляторной батареи, благодаря чему максимально продлевается срок службы аккумулятора.
BMS предотвращает чрезмерный перезаряд, недозаряд и неравномерный разрядный процесс в отдельных аккумуляторных ячейках:
— осуществляя «перетасовку» энергии от наиболее заряженных клеток к менее заряженным (активная балансировка);
— снижая до достаточного низкого уровня поступление тока к практически полностью заряженной ячейке, одновременно с тем, когда менее заряженные аккумуляторные клетки продолжают получать нормальный зарядный ток (принцип шунтирования),
— обеспечивая процесс модульной зарядки;
— регулируя выходные токи ячеек аккумулятора, подключенного к электроустройству.
С целью защиты платы BMS от негативного воздействия влаги и пыли её покрывают специальным эпоксидным герметиком.
Не всегда аккумуляторы имеет только одну систему управления и балансировки. Иногда вместо одной платы BMS, подсоединяемой при помощи выходящих проводов к аккумуляторной батарее и контроллеру, используется сразу несколько связанным между собой регулировочных электронных плат, каждая из которых управляет определенным количеством ячеек и подает выходящие данные к единому контроллеру.
С практической точки зрения BMS могут выполнять значительно больше функций, нежели просто управление работой батареи. Иног да эта электронная система может принимать участие в контроле параметров режима работы электрического транспортного средства, и осуществлять соответствующие действия по управлению его электрической мощностью. Если аккумуляторная батарея участвует в работе системы рекуперации энергии при торможении электрического транспортного средства, то BMS также может регулировать процесс подзарядки батареи при замедлении и спусках.