Що таке BMS для акумулятора

Сьогодні ми поговоримо про таку річ, як BMS (battery management system), розберемо, що це, для чого призначена, що контролює, чи можна обійтися без системи управління батареями.
Але спочатку почнемо з прикладу, примітивного, але дуже поширеного. Якщо взяти побутовий акумуляторний електроінструмент, наприклад шуруповерт, ну давайте так, з недорогих, то якщо розкрити зарядний пристрій, то там часто можна виявити кілька резисторів, конденсаторів, що гасять напругу і мабуть все. Які мікросхемні стабілізатори, та плати контролерів BMS ! Дешево та примітивно. Однак самих акумуляторів кілька. Зазвичай це круглі нікель-кадмієві акумулятори, з'єднані послідовно, щоб набралася потрібна напруга, наприклад 14 або 18 Вольт. А BMS то тут до чого ? А ось при тому, що її тут нема. І жодного індивідуального походу до кожного акумулятора не може бути й мови. Ніхто не збирає інформацію (під "ніхто" розуміється не людина, а електронний контролер, який і є основою інтелектуальної BMS), ніхто не видає керуючі та коригувальні сигнали…

Що таке BMS для акумулятора

Ось поступово ми за кроками, на прикладах ми й підходимо до визначення, що таке BMS.

Система керування акумуляторними батареями (BMS) — це технологія, призначена для моніторингу стану кількох АКБ, з'єднаних певним чином з метою збільшення терміну їхньої служби, зменшення зносу та отримання максимальної віддачі.

Підкреслимо, йдеться про кілька батарей. Їх може бути 2,4 та більше. Про це можна судити з асортименту плат BMS, що представлені у продажу, які пропонуються в Україні.
Але питання не так у кількості каналів, а в тому, який алгоритм "зашитий" у конкретній BMS. Які саме напруги та струми подаються на батареї залежно від їх стану, навантаження, температури та інших факторів.
Якщо говорити простіше, BMS це "розум" всієї акумуляторної системи. Це вартовий, це захисник. Це контролер. А якщо ми додамо ще одну літеру до останнього визначення, то отримаємо контроллер.

І контролер, як невсипуща ланка нагляду і контроллер як практична реалізація у вигляді електронної схеми – обидва терміни відмінно підходять до визначення того, що таке BMS для акумуляторної батареї. Це не просто гра слів. Той випадок, коли перше і друге правильно. У всякому разі, для керуючих схем так і є.
Про які батареї ми говоритимемо? Насамперед це літій-іонні та літій ферум полімерні. Вони мають високу щільність енергії в перерахунку на одиницю маси та об'єму і використовуються від електромобілів та дитячих електрокерованих іграшок до зв'язки 'інвертор потужністю в кілька кіловат – акумулятори'.
Незважаючи на те, що технології виробництва АКБ незмірно просунулися, проте багато залежить як від дотримання правил експлуатації, так і від самої BMS, яка багато в чому визначає - чи пропрацює потужний інвертор для безперебійного живлення будинку або квартири належний термін, або передчасно доведеться його списати в брухт, що найчастіше і буває з не зовсім сумлінними виробниками низькоякісних ДБЖ. А потім покупці скаржаться...

BMS, якщо говорити людськими термінами, створює "комфортні" умови для роботи батарей

А якщо більш предметно ?

  1. Неухильно стежить за розрядом-розрядом.
  2. Оцінює робочий стан та ступінь зносу.
  3. Контролює внутрішній опір.
  4. Визначає втрату ємності.
  5. Захищає від короткого замикання та перевантаження по струму.
  6. Дозволяє уникнути перегріву, перезаряду або надто низького розряду.
  7. Вживає заходів щодо температурного контролю.

Тим самим, все вищеописане знижує вплив людського фактора, щоб максимально досягти результату: "купив, підключив і забув".

Як працють системи керування акумуляторними батареями (контролер BMS)?

Відразу зазначимо, що говорячи про завдання BMS, ми перерахували по максимуму все, але в конкретній схемній реалізації чогось може не бути. Наприклад, контролю температури. Чому чогось не може бути? Економічно не доцільно. У нашому прикладі з дешевим шуруповертом ставити дорогу систему BMS не має сенсу. Це невиправдано завищить його вартість. Хоча безперечно, це трохи продовжити термін служби акумуляторів. Але все-таки інструменти, як і інші товари, які живляться від акумуляторів, не вимагають надто складної та дорогої системи BMS. Та й самих батарей не шкода. Це насправді видатковий товар. За півроку-рік поміняв на нові. І це не обтяжливо для особистого бюджету. Інша справа, якщо батарея коштує десятки тисяч гривень і живить наприклад офісне приміщення або житло.

Захист по струму

Для кожного типу батареї передбачені свої граничні струми заряду та розряду. Існують пікові струми споживання протягом короткого часу. Є максимальні зарядно-розрядні струми, які зазвичай вказують виробники і які відстежує BMS.
Трапитись може все. І коротке замикання. І раптове включення "ненажерливого" навантаження, в результаті чого максимальний струм, що віддається, може бути перевищений. А отже потрібно, щоб батарея автоматично відключалася, залежно від встановленого обмеження по струму, що віддається або йшла в захисний, аварійний режим (залежно від моделі).
Для цих цілей плата BMS повинна мати практично миттєву чутливість до екстремальних пікових значень струму, таких як коротке замикання, коли навіть запобіжники та аварійні автомати не встигнуть спрацювати.
Давайте, до прикладу.

  • При наближенні до верхньої межі напруги BMS може задати поступове зниження зарядного струму (щадливий режим зарядки) або навіть повністю припинити заряд, якщо акумулятор заряджений.
  • Також, при наближенні до нижньої межі напруги (глибокий розряд) BMS обмежить струм, що віддається в навантаження, якщо у останніх надмірні електрично-енергетичні "апетити".

У просунутих інверторних системах допускається заряд більшими значеннями струмів, щоб батареї швидше набрали ємність. Якщо виробник це передбачає і BMS відповідно не забороняє, то так і бути. Але все ж таки якщо відключення світла не такі часті, все ж таки краще заряджати меншим струмом, в щадному режимі. Хоча ми вже чуємо голос: ”А у нас світло включають на 2 години, треба встигнути зарядити”. Але що відповісти ? Треба тільки погодитись. Так, крім як заряджати швидше, іншого виходу немає.

Захист по напрузі

Літій-іонний елемент акумулятора повинен працювати у певному діапазоні напруги. Ці межі визначаються внутрішньою конструкцією, станом батареєю, температурою, ступенем зношування та іншими показниками.
Давайте ближче до практики. До нашої дійсності 2022-2023 років.
Є інвертор потужністю 5 кВт, який при аварійному або плановому відключенні світла видає синусоїду на виході (чисті 220 Вольт), а підзарядка виконується від електричної мережі, у той час, коли у вас вдома електрика в розетці є.
Але можуть бути інші джерела для заряду батарей.

Сонячні батареї Інвертори, які підключаються до них, зазвичай називаються гібридними.
Генераторы Причому інверторного типу, які видають не модифіковану синусоїду.

При тривалих блекаутах, доводиться задіяти всі наявні джерела електроенергії. Запасені в акумуляторах, невичерпні – від сонця і навіть вітряка. А коли темно і все розрядилося, тоді вже настане час включати бензиновий або дизельний генератор, що димить і гуде децибелами, цей неодмінний атрибут нинішньої дійсності.
Але ми говоримо зараз не про всі можливі випадки, що можуть статися в житті. Мешканці України знають це без нас. Тим більше у воєнний час, коли ворог завдає ударів по нашій енергетичній інфраструктурі.
А говоримо ми це до того, що на вхід батареї може подаватися електрика різної якості. В ідеалі такого не повинно бути, але на практиці – інакше. І як ми вже зазначили, це стосується як заряду, так і розряду. Як наслідок - будь-який акумуляторний блок піддається значним кидкам струму через різні джерела енергії. Плата BMS має суворо витримувати межі напруги, щоб реальні значення не перевищували них.

Захист за температурою

Так, літій-іонні елементи можуть працювати при ширшому діапазоні температур, ніж свинцево-кислотні або нікель-металогідридні батареї, проте все одно загальна ємність батареї зменшується при низьких температурах, оскільки швидкість хімічних реакцій перетворення енергії в електрику відчутно сповільнюється (знижується такий показник як струмовіддача і навіть без навантаження зростає струм саморозряду). Також проблематичною є зарядка при низьких температурах, особливо близьких до 0 °C. І тим паче нижче. А ось сприятливий режим у межах від +5 до +20 °C.
Якщо говорити про батареї для стаціонарних інверторів DC-AC для дому, потужністю 2,3 і навіть 5 КВт то ми наполегливо рекомендуємо встановлювати акумулятори всередині приміщення, а не в підвалі, на неопалюваній веранді, в холодній літній кухні або прямо на вулиці.

Краще подбайте про "здоров'я" вашого безперебійника. І тоді він справлятиметься зі своїми завданнями постачання електрики найкращим чином.
Якщо ж допустити зарядку, наприклад, при мінусових температурах, то може виникнути явище покриття анода металевим літієм. Це незворотне руйнівне явище, що призводить до зниження ємності.

Деякі BMS можуть контролювати температуру акумуляторної батареї за допомогою її нагрівання та охолодження.

Яким чином ? За допомогою додаткового нагрівача. Однак тут постає інша проблема. Треба звідкись брати енергію для обігріву. І краще це буде живлення від зовнішнього джерела – від іншої батареї, сонячних елементів та ін.
Хоча якщо енергії потрібно на нагрівання мінімум, то електрика для обігрівача може братись і від основного акумулятора.
Іноді вирішити вказане обігрівальне питання можна і за допомогою конструктивних рішень. Наприклад, електронні плати управління – той самий контролер BMS виділяє якусь кількість тепла. А тим паче силова електроніка: діоди, тиристори. Чому б її не використовувати для обігріву?
А якщо навпаки спекотно? Якщо йдеться, наприклад, про встановлення джерел безперебійного постачання електричної енергії в країнах Африки або в Південних країнах Європи. Якщо, звичайно, немає кондиціонерів.
Тоді система BMS має брати функції управління системою охолодження на себе. Висока температура теж не є добре.
Стандартна кімнатна температура це, звичайно, ідеальний варіант. Але вже при підвищенні температури до 30 °C, ефективність роботи акумуляторів може знизитися на цілих 20%. Це багато. Особливо небезпечні постійні процеси заряду-розряду за більш високих температур, наприклад при 40-50°C.
Охолодження може бути пасивним за допомогою конвекційних потоків, застосуванням радіаторів, а також активним за допомогою вентиляторів.

Контроль ємності батареї

Навіть у педантичних користувачів батарей, що виконують строго всі приписи виробників, все одно з кожним циклом розряду-заряду вони втрачають соті частки відсотка своєї ємності. Вічних акумуляторів немає. Однак якщо батареї, що дають постійну напругу для інверторів, функціонують у сприятливих умовах, то вони можуть прослужити 5-7 років і це реальність. Це багато. За цей час, а швидше за все значно раніше, вони повністю виконають свою роль, даючи можливість жити та працювати своїм господарям з електрикою. А з огляду на прогрес до кінця десятиліття може бути прорив у джерелах енергії. І тоді важкі акумулятори, про які "клопочеться" BMS, відійдуть у минуле.
Відповідно, найважливішим завданням для BMS є збереження максимальної ємності акумулятора. Зокрема, “крадіями ємності” є струми витоку.

що таке плата контролера bms для акумулятора

Оскільки сама батарея складається з декількох елементів (осередків), то кожна з них, незважаючи на однакові умови виробництва та складання, все ж таки хоч трохи, але відрізняється за параметрами. Розрізняються в тому числі і струми витоків.
Саморозряд це характеристика батареї, може не така відома і "ТОПова" як напруга, ємність або максимальний струм розряду, але все ж зі збільшенням струму саморозряду, Ви втрачаєте ємність.

  • Так, якщо говорити суворо, то найменші мікрозміни в технологічному процесі (його недосконалість) відіграють роль у різному струмі витоку акумуляторних осередків.
  • Але навіть, якби струми були для нової батареї нульові, то в процесі множинних циклів розряду-заряду, їх зростання неминуче. Питання у тому, як швидко вони ростуть. З кожним місяцем та роком.

На збільшення струмів саморозряду впливають вже озвучені вище причини: висока температура, природна деградація літій-іонових елементів або старіння, перезаряд і недозаряд.
Наприклад, якщо батарея повністю заряджена, а BMS функціонує не належним чином (а повинна повністю припинити заряд), то додаткова енергія від зарядного пристрою перетворюється на тепло. А про негативний вплив підвищеної температури ми вже писали.

Плати BMS є багатоканальними. Оскільки з'єднаний масив батарей має таку характеристику як загальна напруга складання.

Але в процесі заряду, через різне зношування або просто конструктивні особливості або дефекти, буде спостерігатися різниця. В ідеалі звичайно зарядний струм має бути однаковим для всіх осередків.
Але якщо, наприклад, один осередок повністю зарядиться, а несправний (або більш зношений) не повністю буде заряджений, виникне дисбаланс, що призводить до того, що деякі осередки будуть хронічно недозаряджені, а інші повністю заряджені.
Існують різні методи вирішення цієї проблеми. Але в будь-якому випадку за процес "вирівнювання" або електричного балансування, відповідає саме BMS.
Як це вирішується?
Наприклад, інженери, які розробляють BMS для батарей, проектують алгоритм роботи схеми таким чином, щоб кожен осередок мав такий самий заряд, як і самий “слабкий” комірка. У цьому є логіка.

Оскільки загальна ємність визначається не найсильнішою, а найслабшою ланкою.

Якщо проблемний осередок буде розряджений, і більше вже не зможе віддавати струм, то не має значення, якщо навіть залишиться заряд на нормальних осередках. Він буде марний. Це як несправна банка у АКБ автомобіля. Одна "померла", решта 5 справна, але двигун уже не заведеться – ємності не вистачить.
Технічно за допомогою електронного ключа на транзисторі, BMS керує зарядними струмами, розподіляючи їх по різних осередках для збалансування їх заряду.
Ми постаралися пояснити Вам, що таке BMS, чому вона важлива для акумулятора, які функції виконує. Будьте з електрикою !