В контакте

Концепция платы защиты BMS для литий-ионных АКБ

Хочу описать своё виденье о том какой должна быть плата защиты для литий ионных аккумуляторов различной химии и различной ёмкости. Сейчас конечно очень большой выбор различных BMS для li-ion аккумуляторов. Но простые BMS имеют жёсткие и слишком критические настройки срабатывания, от чего часто аккумуляторы выходят из строя (в основном разбухают от перезаряда). А продвинутые BMS имеющие множество компонентов и умеющие измерять даже внутреннее сопротивление ячеек, и через ПК и интернет настраиваться и обмениваться данными, стоят пока очень дорого, и из-за своей сложности они сложны в использовании для простых людей, а так-же их стоимость высока.

Думаю сейчас самая большая проблема в использовании литий-ионных аккумуляторов большой емкости это системы контроля и защиты таких аккумуляторов. Решения я повторюсь уже есть, но их можно пересчитать по пальцам, и они дорогие и не совсем универсальные, хотя в этом направлении прогресс не стоит на месте.

Само слово BMS означает Battery Monitoring System то-есть система мониторинга батареи, и этим коротким обозначением могут называться как простые аналоговые платы защиты, так и сложные микро-компьютерные системы мониторинга литий-ионных АКБ. Но как я уже написал выше - первые слишком примитивные и имеют слишком критические настройки срабатывания, а вторые слишком навороченные и дорогие. Но нет такой battery monitoring system, которая была-бы дешёвая и простая, но в тоже время имела возможность настройки под различные типы li-ion аккумуляторов, а так-же настройки отсечки заряд/разряд и настройки балансировки.

Фото плат защиты литий-ионных аккумуляторов

BMS для lifepo4

На этом фото простая и дешёвая плата защиты для lifepo4 аккумуляторов 4s 12v(4 ячейки). Такие BMS обычно устанавливаются внутри аккумуляторов, например в аккумуляторах электро-инструмента
Платы защиты BMS могут быть различных размеров и на различное количество ячеек, то-есть отдельных аккумуляторов. Принцип работы таких плат очень простой, они отслеживают напряжение на каждой ячейке аккумулятора. И если на любой ячейке напряжение превысит порог срабатывания, то в BMS сработают силовые транзисторы и отключат аккумулятор от зарядного или потребителей. Так-же при установленном напряжении включается балансировка. Основной параметр, на который стоит обращать внимание это ток, на который рассчитана плата защиты.

Ниже на фото более дорогая и полнофункциональная BMS

BMS

Есть и такие полноценные BMS, которые настраиваются и отображают все данные аккумулятора на ПК. Так-же имеют и дополнительный lcd дисплей для отображения текущего состояния АКБ
Так-же существуют и другие виды BMS, например ориентированные на работу в составе солнечной электростанции, н так-же они могут использоваться и в электро-транспорте.

BMS

Контроллер для литий-ионных аккумуляторов с полным контролем состояния ячеек и отображением состояния на ПК и lcd дисплее
Ну и еще пример BMS созданной для электромобилей

BMS для электромобиля

Контроллер и мониторинг работы литий-ионных аккумуляторов для электромобилей

Достоинства и недостатки различных BMS

Дешёвые аналоговые платы защиты в основном предназначены для электротранспорта и электроинструмента, и имеют критические пороги защиты и балансировки, по-этому они не могут работать в буферном режиме и при этом балансировать ячейки. Это приводит к дисбалансу и частому срабатыванию защиты и перезаряду ячеек. А дорогие BMS умеют всё, но стоят очень дорого как я считаю, и рассчитаны на большие ёмкости, а для АКБ небольшой ёмкости эти BMS будут стоить дороже чем сам аккумулятор.

Концепция моей BMS

1. Я думаю вполне достаточно контролировать ячейки и аккумулятор в целом только по напряжению, не усложняя дополнительными измерениями тока и сопротивления. Да, конечно для точного определения ёмкости и токов проходящих в цепи хотелось бы знать всё. Но обычному пользователю совершенно не интересно какие токи там блуждают между ячейками, их внутреннее сопротивление, или просто ток заряда/разряда. И ток зарядки обычно показывают контроллеры, через которые происходит заряд АКБ. А так-же если нет, то можно поставить амперметр отдельно. Думаю кроме измерения напряжения ничего больше мерить не нужно и по нему довольно точно можно видеть состояние АКБ и по отдельности ячеек.

2. Еще думаю абсолютно лишние датчики температуры, так-как это лишние провода если плата защиты устанавливается не на АКБ. Ну и перегрев аккумулятора может происходить при огромных токах заряда/разряда что обычно никогда не происходит. Обычно аккумуляторы заряжаются и разряжаются небольшими токами относительно ёмкости, и скажем акб ёмкостью 100Ач никто не будет заряжать током 300-500А и разряжать такими токами. По этому перегрев при исправных ячейках просто невозможен.

3. Плата защиты АКБ обязательно должна иметь возможность настраиваться под разные типы li-ion АКБ, и настройки порогов балансировки. И для этого должен быть установлен дисплей и кнопочки управления. Конечно сейчас можно легко сделать связь с ПК и работать с настройками через программное обеспечение. Но это не удобно так-как ПК не всегда под рукой, да и проще видеть происходящее и настраивать прямо на BMS, чем соединяться с ПК, тем-более что не все уверенные пользователи ПК. В общем я за хороший и большой дисплей на самой BMS, а связь с ПК и мониторинг с записью логов просто ни к чему.

4. Настройка работы должна заключаться в следующем: Установка порога напряжения при котором отключается зарядное устройство. Например для lifepo4 это 3.6-3.9 вольт на ячейку. При этом порог отключения должен вручную изменяться и указываться любой, хоть 3,40вольт, хоть 4.30вольт, то-есть под любой тип литий-ионных аккумуляторов. И для работы в буферном режиме где аккумулятор находится постоянно под напряжением и 100% постоянный заряд губительно влияет на ячейки (они вздуваются).

При этом на плате не нужны встроенные силовые ключи для размыкания контакта. Вообще заряд и разряд нужно разделить на два раздельных канала, чтобы при отключении зарядного устройства от АКБ потребители не оказались в ситуации когда акб отключен и они питаются только от зарядного устройства. А в качестве ЗУ могут быть и солнечные батареи, и ветрогенератор, и любой другой источник с нестабильным и повышенным напряжением, от которого без АКБ могут сгореть подключенные потребители. Вот чтобы этого не случилось (как уже случалось) нужно разделить каналы отключения зарядки и потребителей.

При этом не нужно ставить на плате транзисторные ключи на определенный ток, так-как кому-то скажем хватит и 10А, а кому-то и 200А мало. Вместо ключей можно просто сделать маломощные выводы скажем с током на 1А, на которые можно вешать обычные или твердотельные реле, которыми и отключать зарядку и потребителей. Например если у вас ток зарядки не превышает 20А, то ставим на заряд реле на 20А. А если разряд через инвертор бывает токами до 100А, то ставить реле отключения потребителей на 100А.

5. Пороги балансировки ячеек тоже должны настраиваться и ток балансировки должен быть довольно мощный, думаю до 5А на случай использования некачественных ячеек с разным внутренним сопротивлением и разной емкости. Вот здесь можно использовать технологию PWM для установки тока балансировки. Или к примеру сделать возможность смены балансировочных резисторов на разный ток.

Внешний вид контроллера li-ion аккумуляторов

По внешнему виду я хочу видеть примерно такое устройство. Та-же с дисплеем, только раза в три побольше в общем 4-5 дюймов.

BMS lcd

Контроллер литий-ионных аккумуляторов
BMS так-же должна иметь выходы на ячейки, только на болтиках, количество думаю любое от 2S до 16S. Выход отключения зарядного устройства под внешнее реле отключения, так-же выход отключения потребителей аналогичный. И думаю больше ничего не нужно. И так-как балансиры будут находится внутри BMS, то должен быть массивный алюминиевый радиатор способный рассеивать до 300ватт энергии.

Вообще конечно можно делать законченные BMS с внутренними ключами и различным током балансировки, и под разное количество ячеек, но их нужно будет десятки различных конфигураций выпускать. А так одна BMS подходящая под основные задачи. Ток балансировки 5А на ячейку конечно большеват так-как при 16 ячейках и работе всех балансиров мощность рассеиваемая в тепло будет до 300ватт. Но как я описал выше ток балансировки можно устанавливать. Ну и чтобы уменьшить габариты и радиатор максимальный ток балансировки можно уменьшить в 5 раз. 1А думаю тоже будет достаточно даже для АКБ большой ёмкости.

Вот на этом всё, думаю я подробно объяснил что хотелось бы видеть и почему именно так...