BMS плата — что это. Bms что это такое.

В целом, сегодня на рынке можно найти плату управления батареями для любого применения, которая будет отвечать вашим потребностям и защищать устройство, а также сами батареи.

Содержание

Что такое BMS (Battery Management System) и для чего она нужна?

Сегодняшние батареи не так примитивны, как их старые предки. Технический прогресс неумолимо идет вперед, а кроме того, разработчикам приходится постоянно что-то придумывать, чтобы удивить публику совершенством своих умов и, конечно же, с завидной регулярностью вынимать деньги из карманов необразованного потребителя, удивляя его какими-нибудь научно-техническими «фокусами». Но даже если оставить в стороне эти чудеса, существует чисто техническая необходимость, от которой никуда не деться. Этот выпуск посвящен такой полезной «диковинке», как система управления аккумулятором, или BMS, которая почти всегда является неотъемлемой частью современного высокотехнологичного аккумулятора.

Содержание:

Что такое система управления батареей (BMS)?
Для чего нужна BMS (основное назначение).
Функции BMS.
Другие технические нюансы.
Как определить качественную BMS (советы сведущих людей).

Что такое система управления батареей (BMS)?

BMS — это электронная схема, встроенная в батарею для выполнения этих задач:

Контроль зарядки/разрядки и количества циклов зарядки/разрядки.
Отслеживание состояния электронакопителя и его компонентов.
Защита элементов АКБ.
Контроль напряжения, температуры и сопротивления элементов электробатареи.
Распределение токов между компонентами электроаккумулятора по ходу процесса зарядки.
Контроль тока заряда.
Защищённое подключение/отключение нагрузки.
Определение потери ёмкости от дисбаланса.

BMS получает данные и на их основе балансирует заряд компонентов, защищает аккумулятор от короткого замыкания, чрезмерного разряда, повышенного напряжения, перегрева и переохлаждения. Функция BMC не только повышает эффективность работы батареи, но и значительно продлевает срок ее службы. Если батарея достигает критического состояния, BMS принимает соответствующее решение: она запрещает использование приводного устройства в системе, просто отключая его. Существуют варианты BMS, в которых разработчики позаботились о том, чтобы данные о работе батареи записывались и передавались на компьютер.

BMS очень важна для такого типа батарей, как железо-литий-фосфатные (LiFePO4), поскольку эти изделия превосходят свои литий-ионные аналоги по безопасности, производительности и стабильности. Однако у батарей LiFePO4 есть недостаток: устройства чувствительны к перезарядке, а также к разрядке ниже допустимого для них напряжения. Поэтому крайне важно установить на LiFePO4 батарею систему управления батареей, чтобы минимизировать риск повреждения отдельных компонентов батареи и полного разрушения устройства.

В идеале напряжение отдельных компонентов батареи LiFePO4 должно находиться в определенных пределах и быть одинаковым для всех компонентов. Как на самом деле обстоят дела? Редко можно встретить аккумулятор, все компоненты которого имеют абсолютно одинаковую емкость. Вы думаете, что разница всего в долю или две ампер-часа останется незамеченной и все будет в порядке? Вы ошибаетесь. Даже такая крошечная разница может вызвать еще одну разницу в напряжении при зарядке/разрядке. Для LiFePO4 эта разница может иметь довольно печальные последствия.

Когда ячейки соединены параллельно, напряжение каждой из них находится почти на одном уровне: более заряженные ячейки могут тянуть своих менее заряженных собратьев. Однако, к сожалению, при последовательном соединении элементов заряд распределяется неравномерно. В чем заключается опасность? Потому что некоторые компоненты будут недозаряжены, а другие, наоборот, перезаряжены. Не обманывайтесь, если в конце процесса зарядки общее напряжение достигнет почти идеального значения.

Даже если некоторые компоненты батареи будут умеренно перезаряжены, произойдет деградация: электрический накопитель не сможет обеспечить необходимую емкость во время работы, а из-за неравномерного распределения заряда устройство покинет прежнее положение ускоренной работы и в конечном итоге достигнет точки, когда перестанет функционировать вообще. Компоненты с наименьшей емкостью просто становятся самым слабым звеном в батарее и разряжаются относительно быстро, в то время как компоненты с наибольшей емкостью разряжаются лишь частично.

Для чего нужна BMS (основное назначение)

Защита составляющих электронакопителя от повреждений.
Продления срока службы АКБ.
Поддержание агрегата в таких кондициях, при которых он в максимальной степени будет выполнять все поставленные перед ним задачи.

В целом, термин BMS является очень широким, поэтому он применяется практически ко всем устройствам, обеспечивающим надлежащую работу батареи. Это могут быть как простые платы защиты или выравнивания, так и более сложные микроконтроллерные устройства.

Ассортимент устройств, предлагаемых разработчиками, можно разделить на четыре категории:

Балансиры.
Защитные устройства (по току и напряжению).
Платы, обеспечивающие подзарядку — они так же относятся к BMS-устройствам.
Сочетания приведённых вариантов (система может включать в себя даже все варианты сразу).

Что делает система BMS

Плата управления собирает данные и регулирует работу аккумулятора, защищая его от короткого замыкания, перегрева, перезарядки и перегрузки. Задачи системы управления включают:

Контроль процесса зарядки и разрядки аккумулятора, счёт циклов
Регистрация состояния всех компонентов
Снятие параметров температуры, напряжения, сопротивления, тока заряда
Распределение и балансировка токов между разными компонентами
Защита подключения к нагрузке и отключения

Сложные устройства с расширенными функциями могут выполнять и другие задачи. Например, функция интеллектуальной обработки данных. Эти карты рассчитывают предельный ток зарядки, сопротивление компонентов, входную и выходную энергию, а также контролируют пробег электропривода. Эти усовершенствованные модификации обычно способны передавать данные на компьютер или приложение для смартфона.

Устройство работы и функции BMS

С помощью платы управления можно максимально увеличить производительность батареи и защитить ее в непредвиденных ситуациях, чтобы она не отключилась. Двигатели с OBD служат дольше и требуют меньше ремонта. То, как именно правление регулирует работу и принимает решения, описано ниже:

BMS не даёт какой-либо одной параллели перезарядиться и обгонять другие ветви. Если бы этой функции не было, то АКБ невозможно было бы зарядить полностью, и тогда заявленную ёмкость отдавать в полной мере она не сможет. Балансировка производит стимуляцию заряда на “отстающих” частях батареи, выравнивает напряжение на всех параллелях и обеспечивает корректную работу АКБ.

Производители систем управления аккумуляторами заботятся о защите микросхем от грязи и влаги, поэтому эти печатные платы часто имеют специальное защитное покрытие.

BMS как балансир аккумулятора

В качестве балансира управляющий чип обеспечивает синхронную и одинаковую зарядку всех элементов батареи. БМК могут быть активными или пассивными:

Активный BMS контролирует, чтобы после полного заряда одной параллели она отключалась от питания, и заряд перенаправлялся на следующие, еще не зарядившиеся полностью ячейки.
Пассивный балансир состоит из аналоговых комплектующих с более надежной точностью, для его работы не нужно внешнее питание. Через резисторы с помощью малых токов устройство снижает напряжение на заряженных элементах, направляя избыток на ячейки с недостатком заряда.

Балансир и BMS — это одно и то же или нет

Прежде всего, необходимо понять, для чего нужен балансир батареи. Батареи, входящие в состав аккумулятора, неизбежно имеют разные параметры, особенно электрическую емкость и внутреннее сопротивление. Во время работы эти параметры «разбегаются» еще больше.

Задача балансира для литий-ионных батарей — обеспечить полную зарядку всех элементов и в то же время предотвратить глубокий разряд и перезаряд каждого элемента. Когда элемент полностью заряжен, он отключается от зарядного устройства, в то время как все остальные элементы продолжают заряжаться.

Когда один из элементов разряжается до минимума, вся батарея отключается от нагрузки. Это обеспечивает бесперебойную и длительную работу всех компонентов батареи. Таким образом, балансир и модуль BMS — это разные устройства с разными функциями.

Специалист по ремонту, техническому обслуживанию и сервисному обслуживанию электрического и промышленного электронного оборудования.
Побочное замечание. Балансировочный блок часто интегрируется в панели BMS. Поэтому BMS и балансир перепутаны.

И несколько слов о балансирах. Они могут быть пассивными или активными. Пассивная балансировка проще в изготовлении, но работает при малых балансировочных токах. При мощном зарядном устройстве, высокой емкости аккумулятора и больших зарядных токах пассивный балансир не сможет выполнить свою функцию. Активная балансировочная схема более сложна, но более эффективна и в любом случае выполняет свою работу.

Принцип работы

Чтобы понять, как работает плата BMS, в качестве примера возьмем модель, построенную на специальном контроллере серии HY2120. Конструктивно устройство состоит из двух полевых транзисторов, соединенных последовательно. На рисунке узлы 8205A соединены попарно параллельно. Оба транзистора управляются микросхемой HY2120.

Пока напряжение батареи в норме и оба транзистора открыты, энергия может отбираться и поступать в батарею (зарядка). Если напряжение на одном из элементов падает до минимально допустимого значения (примерно 2,5-2,9 В), транзистор М1 закрывается и предотвращает разрядку. Однако батарея может заряжаться — M2 открыт, а закрытый M1 перемыкается диодом в обратном направлении. Когда во время зарядки напряжение на одном из элементов достигает 4,2 В, регулятор M2 закрывается. Процесс зарядки остановлен, но M1 открыт, а M2 перекрыт — энергия может быть использована.

Специалист по ремонту, техническому обслуживанию и сервисному обслуживанию электрического и промышленного электронного оборудования.

В схеме нет контроля температуры, но принцип тот же. Если элементы перегреваются, контроллер отключает оба транзистора, предотвращая зарядку/разрядку, пока батарея не остынет.

Эта же микросхема управляет током разряда (клемма CS). Резисторы транзисторов M1 и M2 используются в качестве токоизмерительных резисторов. Это все, что может сделать этот простой контроллер. Как мы видим, балансировщик отсутствует. Контроль осуществляется только напряжением каждого элемента и общим током разряда. Схема настолько проста, что ее можно собрать своими руками. Но есть и сложные схемы, в которых используются программируемые микроконтроллеры.

Функции BMS

Давайте рассмотрим функции BMS, которыми они обладают в зависимости от модели:

контроль глубины разряда;
контроль уровня зарядки;
контроль зарядного/разрядного токов;
контроль температуры батареи или каждой ячейки;
контроль уровня заряда и глубины разряда каждой ячейки;
балансировка (выравнивание уровней заряда) каждой ячейки;
ведение статистики – количество циклов заряда/разряда, режимы и время работы, объём энергии и пр.;
передача на внешнее устройство текущей информации об АКБ и статистики, управление и настройка режимов с внешнего устройства.

Требования к новой системе BMS

Учитывая это, наши основные требования были следующими:

Две независимые взаиморезервирующие машины c автоматической синхронизацией, работающие на двух разных облачных платформах в разных ЦОДах (в нашем случае ЦОДы Linxdatacenter Санкт-Петербург и Москва);
Бесплатное добавление новых устройств;
Бесплатное обновление ПО и его компонентов (за исключением доработок функционала);
Открытый исходный код, позволяющий нам самостоятельно поддерживать систему в случае проблем на стороне разработчика;
Возможность получать и использовать данные из BMS, например на сайте или в личном кабинете;
Доступ через WEB браузер без «толстого» клиента;
Использование доменных учетных записей сотрудников для доступа в BMS;
Наличие анимации и еще много мелких и не очень пожеланий, которые материализовались в подробное ТЗ.

Последняя капля

Когда мы поняли, что центр обработки данных перерос свою систему BMS, наиболее очевидным решением показалась модернизация существующей системы. «На распутье коня не меняют», верно?

Однако крупные компании обычно не предлагают индивидуальные изменения в «отполированных» десятилетиями решениях, продаваемых в десятках стран. В то время как новые компании тестируют идею или прототип будущего продукта на потенциальных клиентах и полагаются на отзывы пользователей для дальнейшего развития продукта, компании продолжают продавать лицензии на то, что когда-то было отличным, но, к сожалению, теперь устаревшим и негибким продуктом.

И мы ощутили разницу в подходах на собственном опыте. В ходе переписки с поставщиком старой BMS довольно быстро стало ясно, что предложенная поставщиком модернизация существующей системы фактически будет представлять собой покупку новой системы с полуавтоматическим переносом базы данных, высокими затратами и подводными камнями во время перехода, которые даже поставщик не мог предвидеть. Конечно, расходы на обслуживание модернизированного решения возрастут, а при расширении его возможностей все равно придется покупать лицензии.

И что хуже всего, новая система не могла полностью удовлетворить наши требования к резервированию. Модернизированная BMS могла быть реализована на облачной платформе, как мы и хотели, что позволило бы нам обойтись без оборудования, но опция резервирования не была включена в цену. Нам пришлось бы приобрести второй виртуальный сервер BMS и дополнительные лицензии для резервирования данных. При стоимости лицензии около 76 долларов и количестве 1000 IP-адресов дополнительные затраты только на лицензии для резервных машин составляют 76 000 долларов.

Глазурью на торте» в новой версии BMS является необходимость приобретения дополнительных лицензий «для всех устройств» — включая центральный сервер. Здесь следует уточнить, что существуют устройства, которые подключаются к BMS через шлюзы. Шлюз имеет один IP-адрес, но контролирует множество устройств (в среднем 10). В старой BMS для этого требовалась одна лицензия на IP-адрес шлюза, статистика выглядела примерно так: «IP-адресов/лицензий 1000, устройств 1200». Обновленная BMS работала по другому принципу, и статистика выглядела как «IP-адресов 1000, устройств/лицензий 1200». Поэтому производитель изменил принцип лицензирования в новой версии, и нам пришлось приобрести около 200 дополнительных лицензий.

В итоге бюджет «обновления» состоял из четырех пунктов:

стоимость облачной версии и услуги по миграции на нее;
дополнительные лицензии к существующему пакету для устройств, подключенных через шлюзы;
стоимость резервной облачной версии;
комплект лицензий для резервной машины.

В конце концов мы поняли, что будет проще — и, возможно, дешевле — разработать новую систему с нуля, учитывая все наши требования и предусматривая возможность будущих расширений. Но мы еще не нашли никого, кто был бы готов разработать такую сложную систему, сравнить предложения, выбрать и пройти путь от тендера до внедрения с финалистом… Читайте об этом во второй части статьи в ближайшее время.

ЦОД
мониторинг
система мониторинга
системы мониторинга
BMS
BMS-системы
дата-центр
ит-инфраструктура
it-инфраструктура
эксплуатация
инженерная инфраструктура

BMS – обзор контроллеров защиты аккумуляторов

В современную эпоху распространения литиевых батарей по всему миру каждый, даже простой пользователь бытовых приборов, должен хотя бы приблизительно знать, как они работают и какие факторы риска связаны с их использованием. Лишь небольшой процент несчастных случаев, вызванных батареями (например, электронными сигаретами), происходит из-за неправильной конструкции, в то время как больший процент — из-за неправильного использования.

В этой статье мы рассмотрим новейшие технологии защиты литиевых батарей и почему они так важны.

Из теории литиевых батарей мы можем узнать, что литиевые батареи никогда не должны быть перезаряжены, разряжены или закорочены чрезмерным током. Если батарея разряжена слишком сильно, между катодом и анодом образуются металлические соединения, вызывающие короткое замыкание при зарядке батареи, что может повредить не только батареи, но и зарядное устройство. Перезарядка (зарядка батареи до напряжения, превышающего допустимое) почти сразу приводит к возгоранию, а часто даже к взрыву.

Для горения литиевых батарей не нужен кислород — они анаэробны, поэтому обычные методы пожаротушения непригодны; кроме того, литий при реакции с водой выделяет легковоспламеняющийся водородный газ, что усугубляет ситуацию. При разрядке большими токами батарея разбухает, и если целостность корпуса нарушена, литий вступает в реакцию с водяным паром в воздухе, что может привести к пожару.

Все это не умаляет очевидных преимуществ аккумуляторных батарей, которые заключаются в следующем:

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

Небольшое снижение напряжения во время разряда возлагает некоторую ответственность на пользователя. Не следует превышать максимальное напряжение (4,25 В), падение напряжения ниже минимального (2,75 В) и рабочий ток, который для каждой модели свой, не должен быть превышен. А помогают нам в этом нелегком деле специальные устройства — контроллеры BMS!

Что такое BMS?

В переводе с английского BMS (Battery Management System) означает система управления батареей. Термин очень широкий и поэтому относится практически к любому устройству, которое каким-либо образом обеспечивает надлежащее функционирование батарей в конкретном устройстве, от простых плат защиты или балансировки до сложных микроконтроллерных устройств, измеряющих ток разряда и количество циклов заряда (как, например, в батареях ноутбуков). Сложные устройства не рассматриваются — они обычно специальные и не предназначены для рядового радиолюбителя и только на заказ для крупных производителей оборудования.

То, что продается повсюду, 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 более функциональной и комплексной является защита, тем дольше время автономной работы.

Принцип работы BMS-контроллеров

Давайте рассмотрим, как системы BMS служат своей цели.

Структурно мы можем дифференцироваться на доске:

микросхема защиты
аналоговая обвязка (для определения тока/балансировки аккумуляторов)
силовые транзисторы (для отключения нагрузки)

Внимательно изучите функции мер индивидуальной защиты.

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

Существует много способов определить, какой ток течет по линии. Наиболее распространенным является метод шунтирования (измерение падения напряжения на низкоомном резисторе большой мощности), но он требует высокой точности и довольно громоздок. Метод эффекта Холла не имеет ни одного из этих недостатков, но является более точным, поэтому наиболее распространенным методом обнаружения повреждений линии является измерение напряжения, которое падает почти до нуля при коротком замыкании.

С помощью современного испытательного оборудования это можно сделать за очень короткое время, не повредив подключенное устройство или саму батарею. Однако защита по току может работать и как байпас — ведь при использовании BMS не требуется точного измерения, важно только падение напряжения выше определенного порога. Как только происходит событие, контроллер немедленно отключает нагрузку с помощью транзисторов.

Защита по напряжению (от перезаряда или переразряда)

Такая защита проще в обращении, поскольку измерение напряжения может быть просто выполнено с помощью аналого-цифрового преобразователя. Однако есть одна особенность: когда контроллер защищает большую группу батарей, соединенных последовательно, он обычно измеряет напряжение каждой группы, так как из-за наименьшей разницы в емкости элементы имеют наименьшую разницу, что приводит к неравномерному разряду и возможности выхода одного элемента «в ноль».

Некоторые системы включают заряд только тогда, когда батарея заряжена до определенного напряжения после срабатывания триггера перезаряда, т.е. недостаточно зарядить элемент в течение нескольких минут, чтобы иметь возможность эксплуатировать его еще некоторое время — обычно он должен быть заряжен до номинального напряжения (3,6 — 4,2 В, в зависимости от типа батареи).

Защита по температуре

В современных устройствах такое встречается редко, но недаром большинство телефонных батарей оснащены третьим контактом — это вывод термистора (резистора с четкой зависимостью сопротивления от температуры окружающей среды). Перегрев обычно не происходит автоматически, и существуют другие типы защитных устройств — например, перегрев может быть вызван коротким замыканием.

Алгоритм работы заряда батарей

Литиевые батареи заряжаются в 2 этапа: CC (постоянный ток) и CV (постоянное напряжение). На первом этапе зарядное устройство постепенно повышает напряжение так, чтобы заряжаемая батарея пропускала определенный ток (обычно рекомендуемое значение равно 1 емкости батареи). Когда напряжение достигает 4 В, зарядное устройство переходит на второй этап и поддерживает на батарее напряжение 4,2 В.

Когда ячейка практически не потребляет ток, она считается заряженной. На практике алгоритм можно реализовать и с помощью обычного лабораторного блока питания, но зачем, если существуют специальные интегральные схемы, заранее настроенные на такую последовательность, например, самая известная из них, TP4056, которая может заряжать до 1 А?