Система керування батареєю (BMS)

В останні роки популярність набули так звані "розумні" акумулятори, або іншими словами Smart batteries. Акумулятори цієї групи оснащуються мікропроцесором, здатним не тільки забезпечувати обмін даними із зарядним пристроєм, а й регулювати роботу акумуляторних батарей, інформувати користувача про рівень їхньої працездатності. Акумулятори, що комплектуються спеціалізованою системою інтелектуального регулювання, знаходять широке застосування в різному технічному електрообладнанні, включно та електротранспортному. Примітно, що групу інтелектуальних батарей утворюють переважно акумулятори, що містять літій, хоч і зустрічаються серед них герметизовані або вентильовані свинцево-кислотні, нікель-кадмієві.

Розумні батареї, як мінімум, на 25% дорожчі за звичайні акумулятори. Однак інтелектуальні акумулятори відрізняються не тільки ціною, як більшість передбачає, але і особливостями регулювального пристрою, що додається до них. Останнє гарантує ідентифікацію типу акумуляторних батарей із зарядним пристроєм, відстежує температуру, напругу, струм, рівень заряду акумуляторів. Значна частина літій-іонних батарейних модулів має вбудовану систему моніторингу та управління (BMS), яка відповідає за стан акумуляторів та керує ними таким чином, щоб максимально зберегти працездатність акумуляторних батарей у різних умовах.

Розглянемо докладніше, що таке акумуляторна батарея з BMS. Розумні батареї - це акумулятори, обладнані спеціальною мікросхемою, у якій запрограмовані постійні та часові дані. Постійні дані програмуються ще на заводі-виробнику і не підлягають зміні: дані щодо виробничої серії BMS, її маркування, сумісності з типом акумуляторних батарей, вольтажу, максимальних і мінімальних меж напруги, температурних меж. Тимчасові дані – це дані, що підлягають періодичному оновленню. До них відносяться переважно експлуатаційні вимоги та дані користувача. Як правило, передбачається можливість підключення системи керування та балансування до комп'ютера чи контролера з метою моніторингу стану батарей та контролю їх параметрів. Деякі моделі BMS можуть налаштовуватися під різні типи батарей (рівні їхньої напруги, значення струму, ємність).

Система управління батареєю (BMS) – електронна система, яка керує зарядом/розрядним процесом акумуляторної батареї, відповідає за безпеку її роботи, проводить моніторинг стану батареї, оцінку вторинних даних працездатності.

BMS (Battery Management System) – це електронна плата, яка ставиться на акумуляторну батарею з метою контролю процесу її заряду/розряду, моніторингу стану акумулятора та його елементів, контролю температури, кількості циклів заряду/розряду, захист складових акумуляторної батареї. Система керування та балансування забезпечує індивідуальний контроль напруги та опору кожного елемента акумулятора, розподіляє струми між складовими акумуляторної батареї під час зарядного процесу, контролює струм розряду, визначає втрату ємності від дисбалансу, гарантує безпечне підключення/відключення навантаження.

На основі даних BMS виконує балансування заряду осередків, захищає акумулятор від короткого замикання, перевантаження по струму, перезаряду, перерозряду (високої і надмірно низької напруги кожного осередку), перегріву і переохолодження. Функціональність BMS дозволяє не лише покращити режим експлуатації акумуляторних батарей, а й максимально збільшити термін їхньої служби. При визначенні критичного стану батареї Battery Management System відповідно реагує, видаючи заборону використання акумуляторної батареї в електросистемі - відключає її. У деяких моделях BMS передбачена можливість ведення реєстру (запису даних) про роботу акумуляторної батареї та їх подальшу передачу на комп'ютер.

Літій-залізо-фосфатні акумулятори (відомі як LiFePO4), що істотно перевершують ряд інших акумуляторних батарей літій-іонної технології з точки зору безпеки, стабільності та продуктивності, також комплектуються схемами управління BMS. Справа в тому, що літій-залізо-фосфатні батареї чутливі до перезаряду, а також розряду нижче за певну напругу. З метою зменшення ризику пошкодження окремих акумуляторних осередків та виходу батареї загалом з ладу всі LiFePO4 акумулятори оснащуються спеціальною електронною схемою балансування – системою керування батареями (BMS).

Напруга на кожному з осередків, об'єднаних у літій-залізо-фосфатну батарею, повинна перебувати в певних межах і бути рівною між собою. Ситуація така, що ідеально рівна ємність всіх осередків, що входять до складу єдиного акумулятора, - досить рідкісне явище. Навіть мала відмінність на пару частцій ампер-годин може спровокувати надалі відмінність рівня напруги при зарядному/розрядному процесі. Різниця в рівні заряду/розряду осередків єдиної LiFePO4 батареї досить небезпечна, оскільки може занапастити акумулятор.

При паралельному з'єднанні осередків напруга на кожній з них приблизно дорівнює: заряджені елементи зможуть витягувати менш заряджені. При послідовному з'єднанні рівномірного розподілу заряду між осередками не відбувається, в результаті чого одні елементи залишаються недозарядженими, а інші перезаряджаються. І навіть, якщо загальна напруга після завершення зарядного процесу буде близько до ідеального, внаслідок навіть невеликого перезаряду деяких осередків в батареї відбуватимуться незворотні руйнівні процеси. Акумуляторна батарея в процесі експлуатації не буде віддавати необхідної ємності, і через нерівномірне розподілення заряду швидко стане непридатним. Осередки з найменшим рівнем заряду стануть своєрідним "слабким місцем" акумулятора: вони швидко піддаватися розряду, тоді, коли акумуляторні елементи більшої ємності проходитимуть лише частковий розрядний цикл.

Уникнути негативних руйнівних процесів в акумуляторі дозволяє метод балансування. Система керування та балансування осередків BMS стежить за тим, щоб усі осередки в кінці зарядки отримували рівну напрузі. При підході зарядного процесу до кінця BMS робить балансування шунтуванням клітинок, що зарядилися, або ж переносить енергію елементів з більшою напругою до елементів з меншою напругою. На відміну від активного, при пасивному балансуванні практично повністю зарядили комірки отримують менший струм або виключаються із зарядного процесу до моменту, поки всі елементи акумулятора не будуть мати рівний рівень напруги. Система управління батареєю (BMS), здійснюючи балансування, а також забезпечуючи контроль температури та виконання ряду інших функцій, максимально продовжує термін служби акумулятора.

Зазвичай магазини продають уже готові збірні акумуляторні батареї з BMS, проте деякі магазини та фірми все ж таки надають можливість придбання акумуляторних складових окремо. До них належить і фірма «Електра». Електра – перша фірма в Україні, що зважилася на постачання та створення ринку акумуляторних елементів для самостійного складання та конструювання літій-залізо-фосфатних акумуляторних батарей (LiFePO4) у нашій країні. Головна перевага самостійного складання батарей з окремих осередків полягає у можливості отримання збірного акумуляторного комплекту максимально наближеного до запитів користувача з погляду робочих параметрів та ємності. При покупці комплектуючих для складання LiFePO4 батареї важливо звертати увагу не тільки на відповідність акумуляторних осередків між собою, а й дивитися на параметри BMS: напруга, струм розряду, кількість осередків, на яку вона розрахована. Експлуатація літієво-фосфатної акумуляторної батареї також передбачає використання виключно зарядного пристрою, що відповідає їй за типом. Його напруга повинна дорівнювати загальному напрузі акумуляторної батареї.

Основні цілі застосування BMS(BatteryManagementSystem) як регулятор роботи акумуляторної батареї: - захист акумуляторних клітин та цілої батареї від пошкоджень; - Збільшення терміну служби батареї; - Підтримка акумулятора в стані, при якому стане максимально можливим виконання всіх покладених на нього завдань.

Функції BMS (Battery Management System)

1. Контролює стан елементів акумуляторної батареї з точки зору: