Bms для li ion аккумуляторов своими руками

Как на транзисторах сделать блок балансировки на любое количество литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к перезарядке. И стоит только немного перезарядить батарею, как она тут же выходит из строя. Чтобы аккумуляторы равномерно заряжались в последовательной цепи, применяют схемы балансовой защиты, исключающие перезарядку.

Собрать такой контроллер самому на транзисторах довольно не сложно.

Понадобится

Схема и работа контроллера BMS на примере одной ячейки

Схема подключается паралельно аккумулятору и контролирует напряжение на нем. При достижения, во время зарядки, напряжения выше 4,2 В блокирует дальнейшее повышение.

В основе стоит микросхема регулируемого стабилизатора TL431. Которая управляет ключом на транзисторе. Транзистор через цепочку диодов блокирует превышение напряжения путем открывания и пропускания лишнего тока через себя. Светодиод служит для индикации и при загорании свидетельствует о полной зарядке батареи.

Если использовать данную схему для каждого элемента, то заряжать их можно последовательно в неограниченном количестве, без перезарядки

Схема на 3 элемента

Пример использования батареи из трех АКБ. Паралельно каждому аккумулятору подключен свой контроллер. В результате чего при отклонении параметров и неравномерной зарядке в последовательном соединении, контроллеры не дадут ни одному элементы выйти из строя.

Изготовление BMS платы

Если планируется использовать 3 батареи в одной цепи, то все контроллеры для каждого АКБ можно собрать на одной плате.

Изготавливаем плату и готовим все элементы.

Устанавливаем все детали и припаиваем. Вывода откусываем.

Настройка BMS платы

Перед подключением аккумуляторов в схему каждый контроллер необходимо отрегулировать.

Устанавливаем на блоке питания напряжение 4,2 В и подключаемся к первому контроллеру.

Вращением переменного резистора добиваемся начального свечения светодиодов.

Далее подобным образом настраиваем два последующих контроллера.

Припаиваем провода к плате и подключаем к каждому АКБ.

Схема зарядки

Данные контроллеры отслеживают превышение напряжения, но для регулировки тока зарядки нужно собрать еще небольшую схему из двух стабилизаторов, контролирующих ток и напряжение.

Заряжать линейку из трех АКБ будем от блока питания ноутбука 19 В. Первый стабилизатор на LM317 ограничивает напряжение до 14 В, второй ограничивает ток до 600 мА.

В принципе под все задачи можно было бы использовать одну микросхему LM317, но в данном примере мощности бы ее не хватило, поэтому разбивка была на две микросхемы.

Подключаем схему и производим зарядку АКБ.

Свечение всех светодиодов указывает на завершение зарядки и полном заряде всех элементов.

Вот такая несложная схема поможет быстро и сразу зарядить множество литий-ионных аккумуляторов.

Смотрите видео

Источник

BMS – обзор контроллеров защиты аккумуляторов

В наш современный век всеобщей популяризации литиевых батарей любой, даже простой пользователь бытовых устройств, должен хотя-бы примерно представлять их функционирование и факторы риска при их эксплуатации. Среди произошедших несчастных случаев с аккумуляторами (например, электронных сигарет) лишь небольшой процент обязан производственному браку, чаще всего неисправности возникают в результате неправильной эксплуатации.

В нашей статье мы рассмотрим новейшие технологии, которые призваны защитить литиевые аккумуляторы, а также расскажем, почему они так важны.

Из теории литиевых аккумуляторов можно узнать, что им противопоказан перезаряд, переразряд или разряд слишком большими токами, а также короткие замыкания. При переразряде, в аккумуляторе образуются металлические связи между катодом и анодом, которые приводят к короткому замыканию при зарядке аккумулятора, что может привести к порче не только элементов питания, но и зарядного устройства. Перезаряд же (набор аккумулятором напряжения больше разрешенного) почти сразу ведёт к возгоранию, а зачастую даже к взрыву.

Для горения литиевых аккумуляторов не нужен кислород – оно происходит анаэробно, поэтому стандартные методы тушения не подходят; также, при реакции лития с водой выделяется еще и горючий газ водород, который только ухудшает ситуацию. Разряд высокими токами приводит к вздутию аккумулятора, а если нарушается целостность оболочки – происходит реакция лития с водяными парами в воздухе, что само по себе способно спровоцировать возгорание.

Всё это отнюдь не перечёркивает явные преимущества аккумуляторов, среди них:

• большая плотность энергии на единицу массы
• низкий процент саморазряда
• практически полное отсутствие эффекта памяти (когда заряд неполностью разряженного элемента приводит к снижению ёмкости)
• большой температурный диапазон работы

Незначительное снижение напряжения в процессе разряда накладывает некоторые обязанности на пользователя. Нельзя допустить превышения максимального напряжения (4.25 В), снижение напряжения ниже минимального (2.75 В), а также превышения рабочего тока, который отличается для каждой модели. И в этом хитром деле нам помогут специальные устройства – BMS-контроллеры!

Что такое BMS?

В переводе с английского, BMS (Battery Management System) – система управления батареей. Понятие слишком широкое, поэтому оно описывает почти все устройства, так или иначе обеспечивающие корректную работу аккумуляторов в данном устройстве, начиная с простых плат защиты или балансировки, заканчивая сложными микроконтроллерными устройствами, подсчитывающими ток разряда и количество циклов заряда (например, как в батареях ноутбуков). Мы не будем рассматривать сложные устройства – как правило, они специфичны и не предназначаются для рядового радиолюбителя, а выпускаются только под заказ для крупных производителей устройств.

То, что продаётся повсеместно, условно можно разделить на четыре категории:

• балансиры
• защиты (по току, напряжению)
• платы, обеспечивающие заряд (да, они тоже считаются устройствами BMS)
• те или иные комбинации вышеперечисленных вариантов, вплоть до объединения всего в одно устройство

Чем функциональней и разветвлённей защита – тем больше ресурс работы вашего аккумулятора.

Принцип работы BMS-контроллеров

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.

Защита по току (от короткого замыкания / превышения допустимого тока)

Существует множество вариантов узнать, какой ток течёт по линии. Самый распространённый – шунт (измерение падения напряжения на резисторе с низким сопротивлением и большой мощностью), но он требует большой точности измерений и весьма громоздкий. Метод с измерением на основе эффекта Холла лишён этих недостатков, но стоит дороже, поэтому самый распространённый метод определения КЗ на линии – измерение напряжения, которое проседает практически до нуля в режиме КЗ.

Современные контроллеры позволяют сделать это в очень короткий промежуток времени, за который ущерб не нанесётся ни подключенному устройству, ни самому аккумулятору. Но защита по току может функционировать и на шунте – ведь в случае BMS тут не нужно точное измерение, важен лишь переход падения напряжения через определённый порог. Как только событие наступает, контроллер сразу же отключает нагрузку при помощи транзисторов.

Защита по напряжению (от перезаряда или переразряда)

С этой защитой разобраться попроще, так как измерение напряжения легко можно сделать, используя аналогово-цифровой преобразователь. Но и тут есть некая специфика – стоит отметить, что если контроллер защищает большую сборку из последовательно соединённых аккумуляторов, то обычно он меряет напряжение каждой банки персонально, так как ввиду мельчайших различий в элементах они имеют мельчайшие же различия по ёмкости, что выливается в неравномерный разряд и возможность высадить «в ноль» отдельный элемент.

Некоторые системы не подключают нагрузку, не дождавшись дозаряда аккумулятора до определённого напряжения после срабатывания триггера по переразряду, то есть недостаточно подзарядить элемент пару минут, чтобы он поработал ещё хоть малое время – обычно необходимо зарядить до номинального напряжения (3.6 – 4.2В, в зависимости от типа аккумулятора).

Защита по температуре

Редко встречается в современных устройствах, но не зря большинство аккумуляторов для телефонов оборудовано третьим контактом – это и есть вывод терморезистора (резистора, имеющего чёткую зависимость сопротивления от окружающей температуры). Обычно перегрев не наступает сам собой и раньше успевают сработать другие виды защиты – например, перегрев может быть вызван коротким замыканием.

Алгоритм работы заряда батарей

Зарядка литиевых аккумуляторов происходит в 2 этапа: CC (constant current, постоянный ток) и CV (constantvoltage, постоянное напряжение). В течение первого этапа зарядное устройство постепенно поднимает напряжение таким образом, чтобы заряжаемый элемент брал заданный ток (обычное рекомендованное значение равно 1 ёмкости аккумулятора). Когда напряжение достигает 4В, зарядка переходит на второй этап и поддерживает напряжение 4.2В на батарее.

Когда элемент практически перестанет брать ток, он считается заряженным. На практике, алгоритм можно реализовать и при помощи обычного лабораторного блока питания, но зачем, если есть специализированные микросхемы, заранее «заточенные» под выполнение этой последовательности действий, например, самая известная из них – TP4056, способна заряжать током до 1А.

Что такое балансировка?

Напоследок мы оставили самую интересную функцию BMS – функцию балансировки элементов многобаночного аккумулятора.

Итак, что же такое балансировка? 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.

Активные и пассивные балансиры

Активные балансиры производят балансировку уже при зарядке – зарядив одну банку сборки, они отключают её от питания, продолжая заряжать вторую. Как яркий пример такого устройства – популярное среди моделистов ЗУ Imax B6, в режиме Balance оно сразу проверяет напряжения индивидуально на каждой банке и справляется с этим на отлично.

Пассивные балансиры наоборот, разряжают элементы до одного значения малыми токами через резисторы. Их основной плюс – они не требуют внешнего питания, а также являются более точными за счёт применения аналоговых комплектующих (и более дешёвыми, так как не содержат сложных микросхем).

Рассмотрим некоторые примеры готовых плат BMS:

Источник

Самодельная Li-ion 3S батарея с платой защиты и балансировки BMS-WH3S0404LI2535

В статье будет рассмотрено, как подключить литий-ионные аккумуляторы к модулю BMS с обозначением WH-2535S3A4J, и как самостоятельно собрать и сделать трёх-секционную батарею с балансировкой отдельных секций на её основе. Такая батарея пригодится для автономного энергообеспечения различных устройств и потребителей, питающихся от напряжения 12 В:

Для сборки батареи было использовано шесть аккумуляторов типоразмера 18650 с ёмкостью каждого из них по 2600 мА*ч,:

Модуль контроля и балансировки представляет из себя плату небольших размеров с контактными площадками для подключения аккумуляторов и выходных клемм для зарядки/разрядки:

В итоге собранная батарея литий-ионных аккумуляторов имеет следующие технические характеристики:

Параметр	Значение
Тип батареи	Li-ion
Количество секций	3
Количество элементов	6
Ёмкость	5200 мА*час
Энергия батареи	58 Вт*час
Номинальное напряжение	11,1 Вольт
Мин/Макс напряжение	8,2/12,6 Вольт
Максимальный ток разрядки	4 Ампер
Максимальный ток зарядки	2 Ампер
Уровень саморазряда	8 мкА
Защита от переразряда	Есть
Защита от перезаряда	Есть
Защита от перегрузки	Есть
Система балансировки	Имеется
Рабочая температура	+5 . . . +40 °C
Габариты Д X Ш X В	78 x 60 x 40 мм
Масса	340 гр.

Все отдельные элементы были сгруппированы и комбинировано соединены параллельно-последовательно, после чего они были обмотаны бумажным скотчем:

Сначала они соединяются по два параллельно, а затем сдвоенные аккумуляторы соединяются последовательно в три секции по следующей схеме:

Все точки залуживаются в необходимых местах для дальнейшего подключения к плате BMS:

Плата модуля защиты и балансировки типа WH3S0404LI2535 заказывалась на Aliexpress, и на момент написания статьи стоила US $4,25:

Далее представлены заявленные технические характеристики модуля с сайта продавца:

Плата приходит в небольшом, герметично запаянном, антистатическом пакете:

Её длина меньше обычной спичинки, и она легко полностью умещается на ладони взрослого человека:

Модуль основан на контроллере S-8254A, для батарей из трёх или четырёх литий-ионных аккумуляторов, который представляет из себя микросхему в корпусе поверхностного монтажа типа TSSOP с шестнадцатью выводами:

Приводится стандартная схема включения контроллера S-8254A из официальной технической документации, для случая батареи, состоящей из трёх секций:

Подробные технические характеристики можно посмотреть в официальной документации на микросхему.

Микросхема управляет силовыми ключами на транзисторах, в качестве которых на плате модуля установлены p-канальные MOSFET-ы типа AO4407A в SMD-корпусе SOIC-8:

Транзистор может работать с напряжением до 25 Вольт и пропускать ток до 10 Ампер. При этом рассеиваемая на нём мощность не должна превышать 2 Ватт. На эти транзисторы так же имеется документация с техническими характеристиками.
Кроме транзисторов и управляющей микросхемы на плате имеется система балансировки на пороговых элементах, а также некоторое количество резисторов и конденсаторов. По краям удобно выведены контактные площадки для подключения батареи с соответствующей маркировкой:

Подобно маркировке на плате, на саму сборку аккумуляторов маркером были нанесены обозначения, возле соответствующих им контактов:

Далее к этим контактам припаиваются изолированные медные полоски для подсоединения к самой плате:

Как подключить данную батарею аккумуляторов к плате модуля контроля и балансировки WH3S0404LI2535 показано на следующем рисунке:

Перед подключением к батарее, на обратную сторону модуля был наклеен толстый двухсторонний скотч, для дальнейшей фиксации и удержания платы на аккумуляторах батареи:

Плата выравнивается с контактными лентами, приклеивается к самой батарее, а ленты припаиваются к соответствующим контактным площадкам:

Для снятия напряжения с батареи и для её зарядки можно установить площадку с контактами, или подсоединить кабель, с дальнейшей установкой разъёма на его другой конец. В данном случае был применён второй способ, и для этой цели использовался отрезок многожильного кабеля в двойной изоляции:

Кабель был проведён между элементами батареи в удобном месте, и был припаян к соответствующим контактным площадкам платы модуля:

Прежде чем установить разъём на другой конец кабеля и придать изделию окончательный вид, было произведено испытание и тестирование батареи, и соответственно применённой платы модуля.

Для этого батарея была подключена к многофункциональному измерительному прибору, обзор которого был в предыдущей статье:

Чтобы исключить лишнюю погрешность, прибор подключался к батарее по схеме с отдельным питанием. О том как это сделать, смотрите в упомянутой статье:

В качестве нагрузки был взят толстый нихромовый провод, изменяя длину которого, подбирался необходимый нагрузочный ток. При протекающем токе около 4 Ампер, который заявлен максимальным в технических характеристиках используемого модуля, батарея работает нормально и на плате ничего не греется:

После превышения тока нагрузки уровня 5,5 Ампер, немного начинают нагреваться силовые транзисторы на плате модуля, а при токе 7,5 Ампер нагрев транзисторов становится ощутимым, но батарея продолжает нормально работать:

Уменьшая длину и сопротивление подключённого к выходным клеммам нихромового провода, и тем самым соответственно увеличивая ток нагрузки до 11 Ампер, и сам провод и транзисторы нагреваются мгновенно, так как установленные ключи в таком режиме работают на пределе своих возможностей. Напряжение батареи при этом сильно проседает, но она всё равно продолжает питать нагрузку:

Установив ток нагрузки свыше 16 Ампер, нихромовый провод раскаляется докрасна, но модуль продолжает работать в штатном режиме. Это хорошо для питания таких схем, где пусковой ток превышает рабочий в три-четыре раза, но он должен быть кратковременным, так как при работе с таким током транзисторы силовых ключей не выдержат перегрева и быстро выйдут из строя.
При дальнейшем увеличении силы тока и после превышения порога 17 Ампер срабатывает защита и выходная цепь обесточивается:

При коротком замыкании так же довольно быстро срабатывает защита, и не даёт повредится проводникам или радиокомпонентам, не говоря уже о самих аккумуляторах:

В заключение силовым тестам можно сделать вывод, что модуль прекрасно работает при заявленном токе в 4 Ампер, и не будет ложных срабатываний защиты в момент включения устройства, когда пусковой ток в несколько раз превышает номинальный. С другой стороны транзисторы силовых ключей рассчитаны на максимальный ток 10 Ампер, а защита срабатывает при превышении силы тока уровня 17 Ампер. Это нужно помнить и учитывать, не подключая к батарее слишком мощные потребители в роли чисто активной нагрузки.

Можно немного доработать плату контроля и уменьшить ток срабатывания её защиты. В качестве токового шунта здесь выступает низкоомный резистор с маркировкой R010 (сопротивление 0,01 Ом) под обозначением «RJ1» на самой плате. Так вот, ток срабатывания защиты можно уменьшить в два раза, установив вместо штатного, резистор с обозначением R020, что будет соответствовать сопротивлению 0,02 Ом и ток срабатывания защиты составит примерно 9 А, что уже на 1 А меньше предельно допустимого тока ключей:

Для проверки защиты от глубокого разряда аккумуляторов, к батарее, на продолжительное время, была подключена маломощная нагрузка в виде небольшой лампы накаливания с током потребления 0,3 Ампер. Автоматическое отключение нагрузки и обесточивание цепи произошло при падении общего напряжения батареи ниже 8,2 Вольт:

При этом самое низкое напряжение на отдельном аккумуляторном элементе (секции) составило 2,83 Вольт, что является нормой для применённой платы BMS:

Чтобы не уменьшать срок службы аккумуляторов батареи, после полной их разрядки желательно как можно быстрее начать зарядку, и для этого было использовано специальное зарядное устройство литий-ионных батарей, подключённое вместе с измерительным прибором:

Весь процесс зарядки происходил в нормальном режиме, а под конец, как и положено, зарядный ток упал до 100 мА:

После определённого порога уровня напряжения на аккумуляторах, в самом конце процесса зарядки, в работу включается система балансировки отдельных ячеек, и происходит выравнивание уровня заряда всех элементов с силой тока в 50 мА:

При этом наблюдается небольшой нагрев балансировочных резисторов на плате модуля BMS, а самое высокое напряжение отдельной секции при этом составило 4,17 Вольт. Следует отметить, что используемый мультиметр занижает показание измеренного напряжения на 0,5% и реальное значение уровня минимального и максимального напряжения будет немного бО́льшим, по сравнению с отображаемым:

На этом батарею можно считать заряжённой и закончить её проверку и тестирование модуля защиты и балансировки. Далее на конец выходного кабеля нужно установить унифицированный разъём для удобного и быстрого подключения батареи к нагрузке и зарядному устройству. В качестве такого был выбран стандартный и надёжный для батарей разъём типа XT60. Разъём имеет удобную форму и позолоту контактов, и хорошо выдерживает большие токи:

Разъём с контактами типа «мама» припаивается к вводному кабелю батареи, а место пайки изолируется термо-усадочной трубкой подходящего диаметра. Сторона разъёма с отрицательным полюсом контактов немного суживается к краю, что защищает от неверного подключения и переполюсовки:

Батарея удобно подключается к зарядному устройству с таким же разъёмом и контактами типа «папа» и он защёлкивается обеспечивая надёжный контакт и физическую устойчивость. По краям разъёмы имеют обозначения полюсов контактов, в соответствии с которыми и производится пайка и их установка:

Готовую батарею было решено поместить в термо-усадочную трубу. Может это не лучшее решение, так как для уплотнения трубы её нужно нагреть до довольно высокой температуры и есть риск повредить аккумуляторы, так как при высоких температурах они обычно вздуваются, выходят из строя и даже могут взорваться и воспламениться. Каждый сам должен решить сможет он это сделать или нет, и всё это делается на собственный страх и риск. Для этой цели было взято два отрезка труб разных диаметров:

В трубу меньшего диаметра батарея вошла плотно, и при нагревании труба сильно натянулась и раскрылась по длине. В трубу же большего диаметра батарея поместилась с двойным запасом, но так как при нагревании она может уменьшаться до двух раз, то дальнейший выбор был остановлен на ней. Для нагревания трубы использовался технический фен с установленной температурой нагрева 400 ℃, а перед нагревом со стороны платы защиты, и противоположно ей, на двойной скотч были прикреплены пластиковые щёчки подходящего размера. Для обеспечения безопасности нагревательные работы проводились в перчатках и защитных очках:

Далее вводной кабель был укорочен и произведены физические замеры и взвешивание готовой батареи. Батарея получилась плотно стянутой и довольно устойчивой к внешним физическим воздействиям. Можно ещё было приделать кольцо или небольшой карабин в виде подвески, но при сложностях с усаживанием трубы это перешло на второй план:

Коротко рассмотрим качества сконструированной батареи. Кроме того, что это хороший вариант сделать что то полезное своими руками, изделие так же имеет положительные черты.

• Самым главным достоинством можно назвать простоту и доступность изготовления. В процессе использовались подручные материалы, имеющиеся в каждой мастерской и не представляющие собой дефицита.
• После первого достоинства можно определить второе, но по важности стоящее наравне с первым — компактность, прочность и удобство конструкции, которую можно изменять в некоторых пределах, при этом сохраняя высокие показатели.
• По электронной части так же можно отметить приемлемую надёжность, связанную с высокой изолированностью, свободно выдерживающего номинальный нагрузочный ток выходного кабеля, наличия у контроллера защиты по токовой перегрузке и короткого замыкания, а так же сохранения долговечности отдельных аккумуляторов при контроле их напряжения и отключении нагрузки/зарядки при выходе этого напряжения за заданный для литий-ионных аккумуляторов предел.
• Большим плюсом является наличие на плате используемого модуля системы балансировки отдельных секций батареи, что позволяет максимально задействовать весь ресурс и потенциал используемых аккумуляторов, и при этом так же сохранить их долговечность, и долговечность батареи в целом.

При всех достоинствах хотелось бы обратить внимание на одну небольшую деталь, которая является слабым звеном в данном варианте.

• Порог срабатывания системы защиты от перегрузок у используемого модуля находится в пределах 17 Ампер, а максимально допустимый ток транзисторов силовых ключей составляет 10 Ампер. При этом транзисторы будут сильно нагреваться даже на таком токе, а при частом превышении тока нагрузки предельно допустимого они могут выйти из строя. Поэтому придётся не надеяться на защиту от перегрузки по току и всегда учитывать этот фактор, или же немного доработать плату, сменив резистор токового шунта, как описывалось выше..

Это был один из вариантов автономного источника питания для радиолюбителя и не только. Смотрите также видео тестирования на нагрузку, зарядку и короткое замыкание. Автор использовал данную батарею для питания разнообразных потребителей в течении года до написания статьи, и за всё это время не было никаких проблем и осложнений. Собранную батарею можно с успехом использовать для питания «Мультимедийного LCD телевизора с DVB-T2 на основе платы LUA63A82».

Спасибо за внимание и потраченное Вами время. При проявлении интереса напишите отзыв или же просто оставьте свой комментарий. Смотрите так же дополнительные материалы по теме:

Источник