BMS для Na-Ion: балансир для натриевых АКБ

Балансир (balancer) — это устройство, которое используется для выравнивания напряжений на отдельных ячейках аккумуляторной батареи в многоячеечной сборке. Его основная задача — обеспечить равномерное распределение заряда между всеми ячейками, чтобы они работали в одном диапазоне напряжений. Это критически важно для безопасности, эффективности и долговечности батареи. BMS нужен как для Li-Ion, так и для новых Na-Ion аккумуляторов.

Зачем требуется балансир

1. Разные характеристики ячеек
   Даже если ячейки в сборке одинаковые по спецификациям, на практике всегда есть небольшие различия из-за:
   • Производственных допусков.
   • Разной скорости деградации.
   • Температурных градиентов в батарее.

   Эти различия приводят к тому, что одни ячейки заряжаются быстрее, а другие медленнее.

2. Неравномерный заряд и разряд
   Когда батарея заряжается или разряжается, ячейки с разным состоянием заряда (SOC) достигают своих верхних и нижних напряжений в разное время. Это может вызвать:
   • Перезаряд: ячейки с высоким SOC превышают допустимое напряжение, что опасно.
   • Глубокий разряд: ячейки с низким SOC разряжаются ниже безопасного уровня, что ускоряет их деградацию.
3. Защита от перегрева и возгорания
   Перезаряд или глубокий разряд отдельных ячеек может привести к их перегреву, возгоранию или даже взрыву. Балансир помогает предотвратить такие ситуации.
4. Увеличение срока службы батареи
   Если одна или несколько ячеек деградируют быстрее из-за неравномерного распределения заряда, это может привести к сокращению общей ёмкости и срока службы всей батареи. Балансир помогает поддерживать равномерную нагрузку на ячейки, продлевая срок службы батареи.
5. Повышение общей эффективности
   Без балансира ёмкость батареи ограничивается самой слабой ячейкой. Балансировка позволяет использовать полный потенциал каждой ячейки, повышая энергоёмкость и эффективность.

Как работает балансир

Балансир выравнивает заряд между ячейками двумя основными способами:

Пассивная балансировка

• Избыточная энергия ячеек с высоким напряжением рассеивается в виде тепла через резисторы.
• Это простой и недорогой метод, но он неэффективен, так как энергия теряется.
• Подходит для систем с невысокими требованиями к эффективности.

Активная балансировка

• Переносит энергию от ячеек с высоким напряжением к ячейкам с низким напряжением.
• Используются индуктивные, ёмкостные или преобразовательные схемы.
• Повышает эффективность, минимизируя потери энергии.
• Подходит для батарей с большим количеством ячеек или в системах, где важна высокая производительность.

Последствия отсутствия балансира

1. Риск повреждения батареи
   • Ячейки с низким напряжением могут подвергнуться глубокому разряду, а с высоким напряжением — перезаряду, что приведёт к их повреждению.
2. Снижение ёмкости
   • Общая ёмкость батареи ограничивается ёмкостью самой слабой ячейки.
3. Сокращение срока службы
   • Неравномерное распределение заряда ускоряет деградацию ячеек.
4. Повышенный риск возгорания
   • Неравномерное напряжение может привести к тепловому разбегу и возгоранию батареи.

Так что балансир — это важный элемент схемы управления батареей, особенно в многоячеечных сборках. Он предотвращает повреждение аккумуляторов, улучшает их производительность, увеличивает срок службы и делает эксплуатацию более безопасной. Выбор подходящего типа балансировки зависит от требований к эффективности, стоимости и области применения аккумуляторной батареи.

BMS для натрий-ионных аккумуляторов

Система управления батареей (BMS — Battery Management System) для натрий-ионных аккумуляторов играет ключевую роль в обеспечении их безопасной и эффективной эксплуатации. Она выполняет функции защиты, контроля и балансировки ячеек, чтобы аккумулятор работал в заданных пределах напряжения, тока и температуры. Задачи BMS для натриевых аккумуляторов:

1. Контроль напряжения
   • Номинальное напряжение натрий-ионных ячеек обычно составляет 3,0 В.
   • Система должна отслеживать напряжение каждой ячейки и предотвращать его выход за безопасные пределы:
     • Верхний предел: 3,9 В (High cut-off).
     • Нижний предел: 1,5 В (Low cut-off).
2. Контроль тока
   • Управление зарядными и разрядными токами, чтобы избежать перегрузки:
     • Стандартный заряд: 0,5C.
     • Быстрый заряд: 1C.
     • Максимальный пиковый разряд: 10C.
3. Балансировка ячеек
   • Аккумуляторные сборки состоят из нескольких ячеек, каждая из которых может иметь незначительно разное напряжение из-за различий в производстве или износе.
   • BMS выравнивает напряжение ячеек, обеспечивая равномерную работу батареи. Это предотвращает избыточный заряд одних ячеек и недозаряд других.
4. Защита
   • BMS предотвращает перегрев, короткое замыкание, перезаряд и глубокий разряд. Это особенно важно для натрий-ионных батарей, так как превышение пороговых значений может ухудшить их характеристики.
5. Мониторинг состояния
   • Современные BMS обеспечивают удалённый мониторинг параметров батареи через интерфейсы, такие как Bluetooth или CAN-шина.

Требования к BMS для натрий-ионных АКБ

1. Совместимость с напряжением
   • BMS должна быть настроена на работу с номинальным напряжением 3,0 В для каждой ячейки.
2. Балансировочный ток
   • Для натрий-ионных ячеек рекомендуется балансировочный ток не менее 50–100 мА, чтобы эффективно компенсировать разницу в заряде.
3. Максимальная сила тока
   • BMS должна выдерживать токи заряда и разряда в пределах рабочих значений (например, 0,5C для стандартного заряда, 1C для быстрой зарядки и 10C для пиковых разрядов).
4. Температурный диапазон
   • Натрий-ионные аккумуляторы могут работать при низких температурах, поэтому BMS должна обеспечивать стабильную работу в диапазоне от -20 °C до +60 °C или более.
5. Защитные функции
   • Контроль напряжения, тока и температуры.
   • Быстрое отключение при коротком замыкании.
6. Масштабируемость
   • BMS должна поддерживать различное количество ячеек (например, от 1S до 16S), в зависимости от конфигурации батареи.

Примеры BMS для натриевых батарей

• Daly BMS: доступный вариант с пассивной балансировкой для базовых систем.
• Bestech Power: профессиональные системы с расширенными функциями защиты и активной балансировкой.
• Overkill Solar: решения с поддержкой мониторинга через Bluetooth.

Выбор BMS для NIBs должен учитывать специфику применения, размер батарейной сборки, допустимые токи и необходимость точной балансировки. Современные схемы управления обеспечивают безопасность, эффективность и долговечность, раскрывая потенциал этих аккумуляторов в различных областях.

Использовать обычные балансиры от литиевых батарей нельзя — тут совершенно другой вольтаж и режимы.

На графике представлен процесс заряда натриевого аккумулятора:

1. Фаза постоянного тока (CC):
   • Заряд начинается с постоянного тока (обычно 0.5C), и напряжение постепенно увеличивается от 1.5 В до 3.9 В.
   • Эта фаза занимает большую часть времени заряда (примерно 80% времени).
2. Фаза постоянного напряжения (CV):
   • После достижения максимального напряжения (3.9 В) ток постепенно снижается, чтобы предотвратить перезаряд.
   • Этот этап завершается, когда ток становится минимальным.

График иллюстрирует, как напряжение и ток меняются в процессе заряда, соответствуя стандартному методу заряда натриевых аккумуляторов (CC-CV).

Сравнение режимов заряда натриевых и литиевых

Вот таблица отличий режимов заряда современных натриевых и литиевых аккумуляторов:

Какую купить BMS для натриевых АКБ

В продаже ищите балансир специально для натриевых (sodium-ion) аккумуляторов, либо универсальное, где есть пометка про NIB. Вот несколько примеров:

• XJ BMS System 4S 7S 16S 80A 100A 200A 300A Sodium Ion Battery 18650 22650 Lifepo4 48V. Цена примерно 6000 руб.

• HAKADI Sodium-ion BMS 4S 8S 12S 16S 10A-40A Active Balance. Цена примерно 2000 руб.

• Heltecbms Sodium-ion battery BMS 3S 4S-10S 30A 40A 50A Sodium Battery protetcion 12-36 V. Цена примерно 2000 руб.

Рабочее напряжение: 1,8 В – 4,5 В. Подходит для литий-титанатных и натрий-ионных батарей. Блок конденсаторов эффективно передает заряд для выравнивания питания. При подключении плата балансировки начинает процесс выравнивания. Оснащена новыми МОП-транзисторами с ультранизким внутренним сопротивлением и печатной платой с толщиной меди 2OZ.

Ток выравнивания: 0 – 5,5 А. Чем лучше сбалансирована батарея, тем меньше ток. Имеется ручной переключатель режима сна; ток в спящем режиме составляет менее 0,1 мА, а точность балансировочного напряжения находится в пределах 5 мВ!

Потребление в режиме покоя: около 12 мА. Рекомендуется для батарей с емкостью 60–300 Ач. Есть защита от низкого напряжения: при напряжении ниже 3 В плата автоматически прекращает работу, а энергопотребление в режиме ожидания составляет доли миллиампер. Есть в продаже версии на 4S — 6S.

• BMS универсальный баланиср для 96S — 192S элементов 108S 120S 132S 144S 156S 168S 180S LTO lifepo4 lithium sodium App LCD 80A 150A 200A 300A 500A. Цена примерно 80000 руб.

Видео про BMS для Na-Ion АКБ