Что такое BMS-плата: принцип работы

В наше время, когда литиевые аккумуляторы (АКБ) используются повсеместно, нужно понимать их принципы работы и возможные риски. Даже если вы просто пользуетесь гаджетами или техникой, желательно в общих чертах представлять, как устроены АКБ и что может пойти не так при их эксплуатации. Например, большинство проблем с батареями – возгорания в электросамокатах или автомобилях – вызваны не дефектами производства, а ошибками при выборе.

.

Что такое BMS?

Это модуль управления АКБ, который устанавливается практически в любой литиевой батарее. Задача BMS — защищать аккумулятор от внешних/внутренних воздействий, а также продлевать срок его службы.

Например, плата БМС помогает предотвратить риски, которые могут возникнуть из-за перегрева, переразряда, перегрузки или короткого замыкания. BMS – это защитный барьер, а также «менеджер» для АКБ, контролирующий её работоспособность и безопасность.

Конструктивно BMS состоит из таких компонентов:

• Главная микросхема-контроллер, которая следит за состоянием агрегата;
• Блок резисторов — отвечает за стабилизацию питания и защиту схемы;
• Конденсатор — накапливает, передает энергию в цепи;
• Терморезистор — следит за температурой АКБ;
• Блок транзисторов (MOSFET) — регулирует потоки энергии в цепи.

Некоторые модели БМС имеют три контакта вместо двух. Помимо стандартных «плюса» и «минуса», добавляется третий — информационный контакт, чтобы считывать данные.

Для чего нужна BMS?

Любая АКБ рассчитана на определенный диапазон рабочего напряжения. Например, для литий-ионных он обычно составляет 2,7-4,2 В на одну параллельную линию. Батарея может состоять из одной или нескольких параллелей, которые подключаются последовательно. Если напряжение в одной из параллелей выходит за пределы рабочих значений, последствия могут быть серьезными. В легком случае АКБ будет терять емкость и быстро изнашиваться, что сократит срок службы. В худшем — возможны отказ, возгорание или даже взрыв.

BMS следит за нормальной работой всей батареи и каждой ее секции. Также система выполняет еще несколько задач:

• Контролирует зарядные/разрядные токи. Модуль прерывает цепь, если токи превышают допустимые значения. Это помогает защитить АКБ на автомобиле или в другом устройстве от короткого замыкания и перегрузок. Каждая АБ имеет ограничения по нагрузке, а BMS помогает их соблюдать.
• Контроль температуры. При работе батарея может сильно нагреваться, а это опасно. Литий-ионные модели начинают деградировать при температурах выше 60 °C, а при более высоком нагреве возникает риск самовозгорания. Система контроля оснащается термодатчиками, которые разрывают цепь, если нагрев превышает безопасный уровень, а потом включают ее обратно, когда остынет.
• Балансировка напряжения. Для стабильной работы АКБ напряжение на всех секциях должно быть равномерным. Если одна перезаряжается быстрее остальных, модуль приостанавливает заряд, не давая этой секции выйти за пределы нормы, пока другие не догонят. Без этой функции АБ не сможет заряжаться до конца. Балансировочный модуль выравнивает напряжение на всех секциях, что позволяет батарее полностью отдавать энергию.
• Интеллектуальный мониторинг. Система анализирует предельные токи, следит за количеством энергии, потребляемой/отдаваемой во время эксплуатации. Также она оценивает сопротивление элементов, фиксирует общее количество циклов зарядки. Это помогает точно оценивать состояние агрегата.

Чем больше опций у защитной платы, тем дольше АБ остается исправной. В теории литий-ионная батарея может обойтись без защитного модуля, но это сильно сократит срок службы и увеличивает риски проблем. Отказ от модуля защиты может привести к повреждению батареи или даже к опасным последствиям.

Как работает BMS?

Контроллер постоянно следит за состоянием АБ и её элементов. Если возникает угроза, плата разрывает цепь. Например, когда напряжение превышает допустимые пределы, она работает на отключение от ЗУ. А при слишком низком уровне – отключает от нагрузки, предотвращая повреждение.

Некоторые модели имеют опцию записи данных, которые потом можно проанализировать на компьютере как работает батарея. Это помогает лучше понимать, как используется АБ, а также вовремя выявлять проблемы. Еще одна задача — балансировка секций. Она уравновешивает напряжение между всеми элементами батареи, чтобы избежать перезаряда одних ячеек и недозаряда других.

Какие бывают BMS?

В зависимости от опций, их можно разделить на несколько категорий:

• Платы защиты по току/напряжению – предотвращают перепады напряжения, защищают от перегрузок.
• Балансиры – уравнивают напряжение между ячейками для стабильной эксплуатации АБ.
• Комбинированные модели – совмещают несколько функций.

Обычно используются комплексные модели. Они защищают от перепадов напряжения/тока, коротких замыканий и перегрева. Также они оснащаются балансировкой для выравнивания характеристик по напряжению.

Защитные системы выпускаются симметричными и несимметричными. В первом случае используется один разъем для зарядки и разряда. Во втором – разные разъемы. Выбор между ними зависит от АКБ и конкретных задач.

Также выпускаются Smart BMS – усовершенствованные модули управления. У них больше опций по сравнению с обычными вариантами:

Оснащаются несколькими датчиками температуры, что позволяет точно контролировать нагрев АБ. Это особенно важно для больших сборок или систем с высоким энергопотреблением.

Можно подключить специальный дисплей, на котором отображаются напряжение, температура и состояние ячеек.

Подключения к плате через Bluetooth. Используя приложения для смартфона, можно отслеживать и настраивать параметры аккумулятора.

Smart-система может:

• Задавать число параллелей, с которыми она будет работать, что делает ее совместимой с разными сборками батарей.
• Устанавливать пороговые значения напряжения, чтобы адаптировать опции модуля под разные типы АКБ.
• Регулировать максимально допустимые токи для зарядки и разрядки, чтобы избежать перегрузки.
• Мониторить общее напряжение батареи, показатели каждой секции, токи зарядки/разрядки, а также температуру.

Балансиры выпускают двух типов: активные и пассивные. Первые управляют процессом при зарядке — как только одна ячейка достигает нужного уровня, она отключается от питания, а заряд продолжается для остальных. Пассивные, наоборот, разряжают лишний заряд на отдельных элементах через резисторы – приводят их к общему уровню. Такие модели просты в использовании, не требуют дополнительного питания, отличаются высокой точностью благодаря аналоговым компонентам. 

Как подобрать BMS?

Выбор зависит от задач, которые будет выполнять ваша батарея, её конструкции и технических характеристик. На рынке доступно много вариантов для разных типов АКБ. Чтобы не ошибиться, нужно учитывать.

• Тип АКБ. Каждая защитная плата работает с определенным типом батарей, поэтому нужно знать, какие АКБ вы собираетесь использовать. Исключение составляют Smart-модули, которые можно адаптировать под разные виды.
• Количество секций. Защитный модуль выбирается на конкретное число секций в вашей батарейной сборке. Это важно, поскольку неверный выбор приведет к неправильной работе системы. Smart-модули здесь тоже позволяют подстроиться под разное количество параллелей.
• Уровень нагрузки. Учитывайте силу тока, с которой будет работать ваша система. Если ток превышает допустимый для защитной системы, она будет перегреваться и отключаться. Для замкнутых или плохо вентилируемых корпусов рекомендуется брать модуль с запасом по силе тока в два раза, чтобы избежать перегрева.
• Тип подключения. Разберитесь, какая BMS нужна — симметричная или несимметричная. Например, в устройствах вроде гироскутеров используется один разъем для зарядки/разрядки, поэтому несимметричная модель там не подойдет.
• Мониторинг. Если нужно отслеживать параметры батареи, а также возможность их настройки, лучше выбрать Smart-систему. У таких модулей больше опций управления.

Установка БМС важна даже для устройств с небольшим потреблением тока, а для мощного оборудования — это обязательный элемент безопасности. Она обеспечивает стабильные и безопасные условия работы АКБ, что продлевает срок службы, снижает риски во время эксплуатации. Защитно-балансировочный модуль помогает батарее работать эффективно и без сбоев.