Что такое bms плата и зачем она нужна

Зачем нужна плата BMS в аккумуляторной батарее?

VoltsPRO 20 декабря 2024

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.

0 комментариев

Обращаем Ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями ч. 2 ст. 437 Гражданского кодекса Российской Федерации. Для получения подробной информации о стоимости товаров, пожалуйста, обращайтесь к менеджерам по продажам. Продолжая работу с сайтом, вы даете согласие на использование сайтом cookies и обработку персональных данных в целях функционирования сайта, проведения статистических исследований, улучшения сервиса и предоставления релевантной рекламной информации на основе ваших предпочтений и интересов.

Устройство BMS платы

Li-ion аккумуляторы наряду с многочисленными достоинствами имеют слабую сторону – это чувствительность к перезаряду выше 4,2 В и разряду ниже допустимой границы в 2,5 В на элемент. Поэтому для безопасного использования литий-ионные батареи снабжаются системами контроля заряда-разряда – BMS платами управления, обеспечивающими защиту и балансировку элементов питания в сборке.

Польза от применения БМС

BMS – это электронная система, управляющая зарядно-разрядными процессами в автономном источнике питания. Она:

• обеспечивает безопасную работу батареи, в т. ч. при подключении и отключении нагрузки и ЗУ;
• контролирует ее состояние;
• оценивает рабочие параметры;
• в ходе зарядки АКБ распределяет токи между ячейками;
• контролирует их температуру, напряжение и сопротивление;
• отслеживает разрядный ток;
• выполняет балансировку (равномерное распределение энергии) аккумуляторов в сборке;
• отслеживает состояние АКБ и ее компонентов;
• обеспечивает их защиту от перенапряжения, КЗ, токовых перегрузок, перегрева, критического разряда и других опасных состояний.

Благодаря использованию платы Battery Management System обеспечивается безопасное использование АКБ и по максимуму увеличивается срок ее службы. К АКБ и контроллеру этот модуль подсоединяется выходящими проводами. Вместо одной платы может использоваться связка регулировочных электронных систем. В таком случае каждая из них управляет отдельной группой ячеек, отправляя информацию об их работе на общий контроллер.

Устройство БМС платы

На этой электронной системе распаяны компоненты, защищающие аккумуляторы от различных нежелательных отклонений по цепи питания. Электрическая схема этого модуля предельно простая. На печатной плате обычно находятся:

• контроллер в виде защитной микросхемы;
• резисторы – в схеме питания и защиты;
• накопительный конденсатор;
• терморезистор;
• транзисторы класса MOSFET.

Иногда контроллер вместо 2-х имеет 3 контакта. В таком случае кроме «плюса » и «минуса » используется «информационный контакт».

Принцип работы BMS платы

Принцип работы BMS контроллера заключается в постоянном мониторинге состояния батареи и ее компонентов. При обнаружении какого-либо опасного фактора плата управления отключает батарею. Например, при превышении граничного значения напряжения она отключает АКБ от зарядного устройства, а при критическом снижении напряжения – происходит отключение от нагрузки.

Некоторые конфигурации BMS плат способны сохранять сведения о работе АКБ и в дальнейшем передавать эти данные на компьютер. В целом использование БМС контроллера снижает риск повреждения отдельных аккумуляторов и поломки батареи. Дополнительно этот модуль обеспечивает балансировку ячеек – выравнивает напряжение всех элементов в сборке. Это необходимо, чтобы избежать перезаряда одних ячеек и недостаточного заряда других, что приводит к быстрому износу батареи.

Как работает плата BMS с балансировкой

Даже незначительное различие в емкости приводит к разнице напряжений аккумуляторов сборки при их циклическом заряде-разряде. Параллельно соединенные ячейки имеют приблизительно одинаковое напряжение, т.к. более заряженные из них отдают его менее заряженным. Но при последовательной схеме соединения заряд между аккумуляторами не распределяется, и уровень их емкости оказывается различным. В итоге, даже при оптимальном общем напряжении сборки после зарядки некоторые ячейки будут перезаряжены.

Из-за этого в них будут протекать необратимые процессы деградации. На практике это будет проявляться как снижение емкости батареи, уменьшение ее токоотдачи и преждевременный выход из строя. Ячейки с недозарядом будут быстрее разряжаться, а элементы с более высоким зарядом будут разряжаться только частично. Балансировка ячеек позволяет не допустить разнобоя в напряжении и избежать ускоренной деградации в АКБ.

На завершающем этапе процесса зарядки батареи БМС плата выполняет балансировку шунтированием заряженных элементов или перенаправляет энергию аккумов с более высоким напряжением к менее заряженным. При пассивной балансировке элементы питания, которые почти восполнили своей заряд, получают минимальный зарядный ток или не участвуют в процессе подзарядки до момента, когда напряжение у всех составляющих аккумуляторной сборки станет одинаковым.

Плата BMS для аккумулятора — что это?

Литиевые аккумуляторные батареи широко используются сегодня в мобильных устройствах, бытовой технике, ноутбуках, фотоаппаратах, камерах и т. д. Практика показывает, что заводской брак этих источников питания встречается довольно редко. Некорректная работа и неисправности литиевых АБ чаще всего становятся следствием неправильной их эксплуатации. Для недопущения поломок и продления срока службы аккумуляторных батарей схему подключения дополняют BMS-контроллером.

Назначение и функции БМС-контроллера

BMS-плата – это устройство для защиты аккумуляторной батареи от перезаряда, переразряда, короткого замыкания, а также для контроля текущего состояния АБ. В числе функций БМС-контроллера – формирование сигнала на отключение нагрузки при достижении рабочими параметрами предельных значений, отслеживание уровня зарядки и разрядки аккумуляторной батареи.

Как работает устройство

• по току. Устройство размыкает цепи питания, если значение тока заряда или разряда превышает допустимый уровень. Отключение должно произойти максимально быстро, чтобы за это время не пострадали ни сам контроллер, ни аккумуляторная батарея;
• по напряжению. Благодаря этой опции АБ защищена от слишком большого заряда и глубокого разряда. Контроллер измеряет рабочие параметры каждой отдельно взятой ячейки аккумуляторной батареи. Если напряжение на одной из них ниже допустимой нормы, BMS-плата снимает нагрузку или отключает зарядку.

Что такое балансировка

Под балансировкой элементов АБ понимают выравнивание напряжений на каждой из ячеек, подключенных последовательно. Ячейки, как правило, несколько различаются по емкости: этим объясняется разное время, необходимое для зарядки каждой из них. Когда один элемент уже заряжен, другим может потребоваться дополнительное время для готовности к работе. При разряде такой батареи большими токами самые заряженные ячейки возьмут на себя максимальный ток (закон Ома). Это ведет к сокращению их рабочего ресурса и преждевременному выходу из строя. Чтобы не допустить подобного, аккумуляторные батареи оснащаются балансирами – специальными устройствами для выравнивания напряжения на всех элементах до одного уровня.

Особенности применения BMS-контроллеров

BMS-платы – достаточно широкий круг устройств, каждое из которых может отвечать за выполнение определенных функций. В некоторых случаях бывает недостаточно одного контроллера, подключенного к аккумуляторной батарее выходящими проводами. Если требуется более функциональная схема, используются несколько связанных между собой электронных плат. Каждая из них может управлять заданным количеством ячеек и отправлять данные на единый контроллер. В каталоге компании НЭТЕР представлены платы для литий-ионных и литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей.

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.