Как работает плата BMS с балансировкой для литиевых аккумуляторов

В сборке из нескольких литиевых элементов ячейки никогда не работают абсолютно одинаково.
Даже элементы одной партии немного отличаются по емкости и внутреннему сопротивлению. После десятков и сотен циклов разница становится заметнее. Одна группа заряжается быстрее. Другая раньше проседает под нагрузкой.

Контроль только общего напряжения батареи здесь не спасает.

Представим сборку 4S из литий-ионных элементов. Суммарное напряжение может выглядеть нормальным, но одна группа уже находится на верхнем пределе, а другая еще недозаряжена. По общему напряжению батареи этого не видно.

Плата BMS для литиевых аккумуляторов измеряет напряжение каждой последовательной группы отдельно.

В зависимости от модели она может выполнять такие функции:

• защита от перезаряда и глубокого разряда;
• ограничение тока и отключение при коротком замыкании;
• контроль температуры через один или несколько датчиков;
• балансировка напряжения между группами ячеек.

У продвинутых BMS добавляются интерфейсы связи, журнал ошибок, расчет состояния заряда и передача данных внешнему контроллеру.

Схема конкретной платы зависит от напряжения батареи, числа последовательных групп, рабочего тока и набора защит.

Но основные узлы обычно похожи.

Контроллер BMS

Специализированная микросхема получает данные о напряжении отдельных групп и сравнивает их с заданными порогами.

Например, если напряжение одной группы выходит за верхний предел, контроллер формирует команду на отключение заряда.
При чрезмерном падении напряжения происходит обратное: BMS отключает нагрузку.

MOSFET-транзисторы

MOSFET работают как силовые электронные ключи.
Через них плата разрешает или блокирует зарядный и разрядный ток. Поэтому максимальный ток BMS зависит не только от управляющей микросхемы, но и от характеристик силовой части, охлаждения и разводки платы.

Балансировочные резисторы

В BMS с пассивной балансировкой рядом с контроллером устанавливаются резисторы, через которые отводится небольшой ток от наиболее заряженных групп.

Энергия при этом превращается в тепло.

Именно поэтому на работающей пассивной BMS некоторые резисторы могут заметно нагреваться во время балансировки.

Температурные датчики

В более мощных аккумуляторных сборках одного контроля напряжения мало.
Терморезистор или внешний датчик позволяет BMS отключить заряд при слишком низкой температуре или остановить разряд при перегреве. Пороговые значения зависят от химии аккумулятора и настроек конкретной платы.

Если говорить о практической стороне вопроса, LTO создавался не ради рекордной энергоемкости. Его сильная сторона — возможность многократно принимать и отдавать высокую мощность без столь быстрого износа батареи.

Обычный Li-ion аккумулятор в большинстве случаев выигрывает по удельной энергии. При одинаковой массе такая батарея способна накопить больше энергии и поэтому хорошо подходит для портативной электроники, электротранспорта и других устройств, где масса и габариты имеют большое значение.

У литий-титанатных аккумуляторов другая специализация. Они особенно хорошо показывают себя при частых циклах заряда-разряда, больших токах и необходимости регулярно восстанавливать заряд за короткое время.

Основные различия выглядят так:

Принцип работы BMS довольно простой: плата измеряет параметры батареи и разрывает силовую цепь, если один из них выходит за допустимый диапазон.
Но каждая защита срабатывает по своему сценарию.

Защита от перезаряда

Во время зарядки напряжение групп растет.
Если одна из них достигает верхнего порога раньше остальных, BMS блокирует дальнейший заряд или включает предусмотренный схемой режим защиты.
Для обычных Li-ion элементов верхняя граница часто находится около 4,2 В на ячейку, но конкретное значение зависит от химии элемента и алгоритма зарядки.
У LiFePO4 пределы другие. У LTO тоже.
Поэтому нельзя брать первую попавшуюся BMS только по количеству групп.

Защита от глубокого разряда

Под нагрузкой напряжение снижается.
Если одна группа просела ниже установленного порога, BMS отключает нагрузку. Это не дает слабой ячейке уйти в глубокий разряд, пока остальные группы еще имеют запас энергии.
Именно слабая группа чаще всего первой ограничивает работу всей батареи.

Защита по току

Если нагрузка требует больше тока, чем допускает плата, BMS отключает силовой выход.
При коротком замыкании реакция должна быть еще быстрее. Конкретная скорость зависит от контроллера и схемы защиты.

Для аккумуляторов электровелосипедов, инверторов, электроинструмента и тягового оборудования этот параметр особенно критичен.

Контроль температуры

Температурная защита работает через термодатчик.
BMS сравнивает полученное значение с установленным диапазоном. При перегреве она может остановить разряд. При слишком низкой температуре некоторые платы блокируют заряд, что особенно актуально для LiFePO4.в.

Последовательно соединенные ячейки получают один и тот же ток, но их состояние постепенно расходится.

Причина проста: емкость и внутреннее сопротивление немного отличаются.

Допустим, в аккумуляторе 4S после зарядки получились такие значения:

• первая группа: 4,08 В;
• вторая группа: 4,14 В;
• третья группа: 4,20 В;
• четвертая группа: 4,11 В.

Третья группа уже достигла верхнего предела.

Если продолжать заряд без балансировки, именно она первой уйдет в перезаряд. Если BMS отключит батарею, остальные группы останутся недозаряженными.
Балансировка уменьшает эту разницу.

Пассивная балансировка

Пассивная балансировка применяется во многих недорогих и средних по классу BMS.
Когда напряжение одной группы поднимается выше заданного уровня, плата подключает к ней балансировочный резистор. Через резистор проходит небольшой ток.
Часть заряда рассеивается в виде тепла.

За счет этого наиболее заряженная группа перестает уходить вперед так быстро, а остальные получают время приблизиться к ней по напряжению.

Плюсы пассивной балансировки:

• простая схема;
• низкая стоимость;
• небольшие размеры;
• минимум дополнительных компонентов.

Есть и заметный минус.

Энергия не передается соседним ячейкам, а просто теряется в виде тепла. Кроме того, ток пассивной балансировки у недорогих плат часто невелик, поэтому выравнивание большой батареи может идти долго.

Активная балансировка

Активная балансировка работает иначе.

Энергия от более заряженных групп переносится к менее заряженным. Для этого используют более сложные схемы на конденсаторах, индуктивностях или преобразователях.
Такой подход полезен для батарей большой емкости.

Если аккумулятор имеет емкость 100 А·ч, балансировочный ток 30–50 мА может оказаться слишком маленьким для заметного исправления разбаланса. В таких системах активный балансир с током в сотни миллиампер или несколько ампер работает намного быстрее.
Но схема получается дороже и сложнее.

Разбалансировка редко появляется за один цикл.

Обычно разница накапливается постепенно. Сначала между группами может быть несколько десятков милливольт. Затем разброс растет.

И батарея начинает терять полезную емкость.

При зарядке первой ограничение достигает наиболее заряженная группа. При разряде первой отключение вызывает самая слабая.

В результате часть емкости остальных элементов остается неиспользованной.
BMS с балансировкой уменьшает этот разброс и помогает батарее дольше работать в нормальном диапазоне.

Но балансировка не лечит плохую ячейку.

Если одна группа заметно потеряла емкость или имеет повышенное внутреннее сопротивление, никакой балансир не сделает ее новой. В таком случае нужно искать проблему в самой аккумуляторной сборке.

Балансир и BMS решают разные задачи.

Балансир выравнивает состояние последовательно соединенных ячеек.

BMS выполняет более широкий набор функций: измеряет напряжение групп, отключает батарею при опасных режимах, ограничивает ток и может контролировать температуру.

Поэтому отдельный балансир не заменяет полноценную BMS.

И обратная ситуация тоже встречается.

Некоторые BMS вообще не имеют балансировочного контура. Другие балансируют только при зарядке и только после достижения заданного напряжения.
Эти параметры нужно проверять в характеристиках конкретной платы.

Выбор начинается не с максимального тока, а с конфигурации батареи.

Количество последовательных групп

Обозначение S показывает число последовательно соединенных групп.
4S означает четыре группы, 8S — восемь, 16S — шестнадцать.
Если аккумулятор собран по схеме 16S, использовать BMS на 15S или 17S нельзя.

Химический состав ячеек

Li-ion, LiFePO4 и LTO работают при разных напряжениях.
Поэтому BMS должна быть рассчитана именно на ту химию, которая используется в батарее.
Совпадения по количеству групп недостаточно.

Рабочий ток

Нужно смотреть не только на цифру, напечатанную в названии платы.
Для двигателя или инвертора важны продолжительный ток, кратковременная перегрузка, качество охлаждения и реальная конструкция силовой части.

BMS на заявленные 100 А без нормального теплоотвода может вести себя хуже качественной платы на меньший ток.

Ток балансировки

Для маленьких батарей на 5–20 А·ч небольшой балансировочный ток часто приемлем.
Для аккумулятора на 100–200 А·ч те же 30–50 мА уже дают очень медленное выравнивание. Тогда имеет смысл смотреть на BMS с более мощной балансировкой или отдельный активный балансир.

Температурные датчики и связь

Для простой бытовой сборки Bluetooth не обязателен.
Для тягового аккумулятора, системы накопления энергии или промышленной батареи он уже может быть полезен. Через приложение или внешний контроллер удобно видеть напряжение каждой группы, температуру, ток и историю ошибок.

CAN, RS-485 и UART нужны там, где BMS должна обмениваться данными с инвертором, зарядным устройством или другой автоматикой.

Одиночный элемент может иметь собственную плату защиты.

С многосекционной батареей ситуация другая.

В сборке 4S, 8S, 16S и выше нужно следить не только за общим напряжением, но и за каждой последовательной группой отдельно. Иначе слабая ячейка может выйти за допустимый диапазон раньше остальных.

Особенно опасно экономить на BMS в тяговых батареях, аккумуляторах для ИБП, инверторов и мощного электрооборудования.

Плата должна соответствовать химии ячеек, количеству групп, рабочему току и реальному режиму нагрузки.

Если эти параметры подобраны правильно, BMS не мешает аккумулятору работать. Она не дает одной слабой группе испортить работу всей батареи.