Оглавление
BMS (система управления батареей) отслеживает уровень заряда, то есть соотношение оставшегося заряда к полной ёмкости каждой ячейки литий-ионных или натриевых аккумуляторов. При необходимости система балансирует заряд, что продлевает срок службы батареи и защищает её от повреждений, вызванных глубоким разрядом или перезарядом отдельных ячеек. Для этого применяются два метода: пассивная и активная балансировка, которые мы сравним в данной статье.
Методы балансировки: пассивная и активная
- Пассивная балансировка. Этот метод выравнивает уровень заряда всех ячеек в батарее за счёт рассеивания избыточного заряда через разрядный резистор. Однако при таком подходе уменьшается общий полезный заряд аккумулятора, что не увеличивает время работы устройства.
- Активная балансировка. Более сложный метод, предполагающий перераспределение заряда между ячейками во время зарядки и разрядки. Это позволяет увеличить общий полезный заряд и продлить срок службы батареи. К тому же активная балансировка снижает тепловые потери и сокращает время зарядки.
Проблемы несоответствия ёмкости
На показана новая аккумуляторная батарея, в которой все ячейки заряжены равномерно. При этом полный заряд составляет 90% от общей ёмкости, так как зарядка до 100% может сократить срок службы. Полная разрядка ограничена 30% ёмкости, чтобы предотвратить глубокий разряд. Со временем ёмкость ячеек начинает различаться из-за различных факторов:
- Различия в температуре и давлении внутри батареи;
- Незначительные отклонения в производственном процессе, такие как различия в внутреннем сопротивлении, скорости саморазряда и старении элементов.
Это приводит к профилю разряда, как показано далее. На нём видно, что ячейки с меньшей ёмкостью разряжаются быстрее. В итоге, даже если в некоторых ячейках остался заряд, батарея считается разряженной. Несоответствие ёмкости увеличивает количество циклов зарядки-разрядки, сокращая срок службы аккумулятора.
Если бы применялась активная балансировка, заряд перераспределялся бы от полностью заряженных ячеек к разряженным. Это позволило бы использовать весь заряд батареи, продлив её время работы.
Аналогично, при зарядке без балансировки ячейки с меньшей ёмкостью достигают полного заряда быстрее. В этом случае батарея считается заряженной, хотя ячейки с большей ёмкостью остаются недозаряженными. Применение активной балансировки позволяет перераспределить заряд, обеспечивая достижение полной ёмкости всей батареи. Далее таблица достоинств и недостатков разных типов балансировки заряда АКБ.
| Параметр | Пассивный | Активный |
|---|---|---|
| Точность поддержания напряжения на аккумуляторе | Высокая, определяется уставкой балансира, балансировка начинается при разбалансе 0,1V и меньше | Грубая, разница между ячейками аккумулятора для начала балансировка обычно не менее 0,5В |
| Потери энергии | Большие, лишняя энергия рассеивается на балластных резисторах или транзисторах | Малые, энергия перераспределяется между банками аккумулятора |
| Ток балансировки | Обычно небольшой, определяется мощностью балласта | Может быть большим, энергия балансировки не расходуются на нагрев балласта, а идет на заряд аккумулятора |
| Напряжение на ячейке | Определяется уставкой балансира (в простых балансирах), или внешним контроллером как среднее для всех ячеек | Определяется как среднее между напряжениями разных ячеек. Поэтому работа активного балансира обычно не зависит от типа аккумулятора, главное чтобы его напряжение было в допустимом диапазоне |
| Время работы балансировки | Только при заряде | При заряде и разряде |
Пассивная балансировка
Благодаря пассивной балансировке все ячейки в сборке заряжаются до одного уровня, соответствующего емкости самой «слабой». В процессе зарядки при относительно малом токе разряда избыточный заряд снимается с ячеек с наибольшим уровнем заряда. Разрядив их, зарядка может продолжаться до тех пор, пока все элементы не будут полностью заряжены. Для этого используется схема транзисторного ключа и разрядного резистора, подключенного параллельно каждой банке.
Метод пассивной балансировки не продлевает срок службы батареи. Хотя это недорогой подход, мощность, рассеиваемая на резисторе, теряется, что конечно неэффективно. С другой стороны, пассивная балансировка может исправить долговременное несоответствие токов саморазряда между элементами. Но их можно использовать только во время цикла зарядки, поскольку это только ускорит разрядку аккумулятора во время разрядки.
Пассивная балансировка на практике
Функция пассивной балансировки батареи имеется, например, в чипах серии LTC6804 от Analog Devices. Они позволяют контролировать до 12 ячеек, соединенных последовательно, с общей погрешностью измерения 1 мВ и диапазоном измерения 0–5 В. LTC6804 также можно подключить последовательно, чтобы одновременно контролировать большее количество ячеек. Дополнительные функции, кроме пассивной балансировки всех ячеек, которая может быть реализована с помощью встроенного или внешнего транзисторного ключа, включают в себя 5 линий ввода-вывода общего назначения и встроенный стабилизатор напряжения 5 В. В спящем режиме ток потребления. не превышает 4 мкА. Примеры применений включают: электрические и гибридные автомобили, системы резервных аккумуляторов, мощное портативное оборудование и сетевые накопители энергии. На рисунке показано типовое применение LTC6804.
Для настройки пассивной схемы балансировки аккумуляторов используются клеммы S1–S12, если одна из ячеек в блоке перезаряжена, для ее разрядки можно использовать соответствующую клемму S; Каждый выход S имеет внутренний N-канальный МОП-транзистор с максимальным сопротивлением в открытом состоянии 20 Ом. Для отвода тепла за пределы корпуса к транзистору необходимо подключить внешний резистор, как показано на рисунке. RC-фильтр можно использовать для дополнительной фильтрации при измерении напряжения элемента. Условием является то, что его резистор должен иметь небольшое сопротивление, желательно около 10 Ом, чтобы уменьшить влияние на запрограммированный ток балансировки. При использовании пассивной балансировки на основе встроенных МОП-транзисторов необходимо следить за температурой при разряде ячеек.
Выходы S LTC6804 также имеют встроенный подтягивающий транзистор PMOS. Таким образом, они могут работать как цифровые выходы, подходящие для управления затвором внешнего МОП-транзистора.
Для приложений, требующих высоких токов разряда батареи, подключите внешний ключ PMOS-транзистора и соответствующий разрядный резистор к элементу, а клемму затвора переключателя к соответствующей выходной клемме S.
Активная балансировка
При активной балансировке ячеек используются различные топологии. Примером является конфигурация на основе обратноходового преобразователя. Они позволяют передавать заряд в обоих направлениях, но для каждой ячейки батареи в стеке требуется двунаправленный преобразователь.
В зависимости от его конструкции существует несколько возможных путей передачи заряда. Например, его можно переместить из одной ссылки в ее подгруппу в стеке или из любой ссылки в следующую в стеке. Мощность также может передаваться на вспомогательную шину питания или от нее.
Недостаток обратноходового преобразователя заключается в том, что требуется много трансформаторов. Это приводит к некомпактной и дорогой конструкции аккумуляторных сборок с большим количеством ячеек.
Альтернативой является система, в которой используется набор переключателей, переключающих на отдельные ячейки только один общий трансформатор. Существует два типа ключей: переключатели ячеек и переключатели полярности.
- Первые подключаются непосредственно к элементам аккумулятора. Они могут блокировать ток, протекающий в элементы и из них, как во время зарядки, так и во время разрядки.
- Второй тип переключателей блокирует ток, протекающий только в одном направлении. Они подключаются непосредственно к вторичной обмотке одного двунаправленного обратноходового (или прямого) преобразователя.
Первичная сторона, в свою очередь, подключается к аккумулятору или шине вспомогательного питания. В этой конфигурации каждый элемент может обмениваться энергией во время зарядки или разрядки с аккумулятором или вспомогательной шиной питания. Его главное преимущество в том, что требуется всего один трансформатор.
Также используется более простой подход, основанный на повышающе-понижающих преобразователях. В этом случае вместо передачи заряда каким-либо ячейкам пакета или отдельной шине питания он передается непосредственно соседним ячейкам. Это значительно упрощает систему балансировки, поскольку несколько преобразователей работают одновременно, распределяя нагрузку по всему блоку.
По сравнению с двумя предыдущими конфигурациями эта, помимо простоты, отличается большей надежностью. Что представляют собой BMS на практике — смотрите в этом обзоре.
