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.
