Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Moduły zasilające cz.2 - BMS-y, akumulatory litowe i układy pomocnicze

W sklepach internetowych i na portalach aukcyjnych można kupić wiele różnych modułów elektronicznych. W tej części serii artykułów omówimy BMS-y, akumulatory litowe oraz układy pomocnicze.
Article Image

Co to są BMS-y?

BMS-y są układami kontrolującymi napięcie ładowanego (rozładowywanego) akumulatora oraz prąd ładowania (rozładowania). Układy BMS (battery management system) stosuje się głównie w układach wykorzystujących akumulatory litowe, które są bardzo wrażliwe zarówno na nadmierne rozładowanie, jak i przeładowanie. Nadmierne rozładowanie akumulatora litowego powoduje spadek jego żywotności.

Nadmierne przeładowanie nie tylko obniża żywotność, ale grozi również zapłonem akumulatora!

Rys.7 Struktura układu BMS

Typową strukturę układu BMS pokazano na rysunku 7, układy BMS na fotografii 8, układ BMS zintegrowany z ładowarką-balanserem na fotografii 9. Akumulator rozłączają tranzystory N-MOSFET połączone ze sobą szeregowo, a pokazane na schemacie diody są diodami pasożytniczymi struktury MOSFET. Jeden z tranzystorów kontroluje proces ładowania, drugi – proces rozładowania. Aby móc czerpać prąd z akumulatorów, oba klucze muszą być załączone. Pomiar prądu ładowania/rozładowania zwykle zrealizowany jest przez pomiar spadku napięcia na rezystancjach tranzystorów MOSFET. Dobór prądu zadziałania zabezpieczenia nadprądowego realizuje się przez dobór tranzystorów odpowiednich typów i odpowiedniej rezystancji RDSon.

Fot.8 Układy BMS
Fot.9 Układ BMS zintegrowany z ładowarką-balanserem

W bardziej złożonych układach BMS pomiar prądu wykonywany jest na podstawie pomiaru spadku napięcia na znanej rezystancji. Układy takie łatwo jest poznać, gdyż mają one na płytce rezystory SMD o dużych gabarytach i rezystancji kilkudziesięciu miliomów. Pobór prądu przez układ BMS nie przekracza kilku mikroamperów.

W przypadku pojedynczych akumulatorów najczęściej wykorzystuje się układ DV01. Układ ten wykorzystuje się również w przypadku więcej niż dwóch akumulatorów, łącząc je szeregowo. W przypadku układów zawierających dwa szeregowo łączone akumulatory stosuje się najczęściej układ HY2120. Układ ten lepiej się nadaje do nadzorowania akumulatorów niż dwa szeregowo połączone układy DV01, gdyż zawiera tylko dwa elementy przełączające, na których występuje spadek napięcia, co zapewnia mniejsze straty na układzie zabezpieczającym – tranzystorach MOSFET.

Układ HY2120 monitoruje napięcie każdego akumulatora niezależnie. Bardzo ważny jest dobór odpowiedniego wykonania układu. Układ HY2120 występuje w kilku wersjach różniących się poziomem napięć detekcji, np. układ HY2120- -PB rozpoznaje zbyt duże napięcie na akumulatorze, gdy napięcie na nim wyniesie 4,25V, a uzna akumulator za nadmiernie rozładowany, gdy napięcie na pojedynczej celi spadnie poniżej 2,4V. Oczywiście w celu poprawnej pracy układ pracuje z odpowiednimi histerezami. Napięcie ponownego startu ładowania wynosi dla wspomnianego układu 4,05V, a dalsze rozładowanie jest możliwe, gdy napięcie celi wzrośnie do 3V.

Rys.10 Przykładowy schemat podłączenia modułu BMS

W przypadku szeregowo połączonych akumulatorów o odcięciu zasilania przez układ BMS decyduje najsłabsze ogniwo. Napięcie zadziałania układu BMS kontrolującego górne napięcie akumulatora jest o kilkadziesiąt mV wyższe niż napięcie nominalne akumulatora. Przykładowy schemat podłączenia modułu BMS pokazany jest na rysunku 10. Układ umożliwia ładowanie akumulatorów połączonych równolegle, co oznaczono za pomocą przerywanych linii na rysunku 10. W przypadku łączenia równoległego akumulatorów autor najpierw łączy je przez rezystor o wartości kilkudziesięciu omów, by wyrównać ich napięcia, a dopiero po pewnym czasie łączy je bezpośrednio ze sobą.

Układy BMS współpracują z balanserem, który musi być zasilany z zasilacza z ograniczeniem prądowym. Stosowanie układu BMS nie zwalnia ze stosowania balansera, ale zapewnia dodatkowy stopień ochrony. Do ładowania więcej niż jednego akumulatora najczęściej wykorzystuje się układ HY2213. Liczba wykorzystanych układów HY2213 zależy od liczby akumulatorów. Układ balansera ogranicza napięcie ładowania do napięcia w pełni naładowanego akumulatora. Autor z opisanych modułów tworzy pakiety do zasilania modeli i elektronarzędzi – fotografia 11.

Fot.11 Pakiet do zasilania modeli i elektronarzędzi

Jak działają akumulatory litowe?

Najczęściej stosowanymi akumulatorami litowo-jonowymi są akumulatory Li-Ion w obudowie 18650. Akumulatory tego typu łączone są bardzo często w pakiety. W warunkach amatorskich najprościej montować je w specjalnych koszykach – fotografia 12. W zastosowaniach profesjonalnych najczęściej łączy się je w pakiety, wykorzystując technikę zgrzewania.

Autor lutuje akumulatory za pomocą przewodów o dużych przekrojach, używając topnika Alumweld Chrome i stopu Lichtenberga z niewielkim dodatkiem cyny ołowiowej. Nadmiar topnika należy zmyć alkoholem, gdyż działa on korozyjnie. Temperatura lutownicy nie powinna przekraczać 140–150°C, a sam proces lutowania powinien być przeprowadzony możliwie szybko. Podczas przygotowania stopu cyny ze stopem Lichtenberga temperatura grota musi być na tyle wysoka, aby stopić stop lutowniczy.

Fot.12 Koszyk na akumulator Li-Ion

Do łączenia akumulatorów warto używać przewodów o dużych przekrojach w izolacji silikonowej, stosowanych w modelarstwie. Do podłączania pakietu do zasilanego urządzenia dobrze nadają się złącza modelarskie. Stosowanie takich złączy uniemożliwia odwrotne podłączenie akumulatora. Tak wykonane pakiety zabezpiecza się rurką termokurczliwą, pod którą warto zastosować cienką piankę używaną do zabezpieczania elementów elektronicznych podczas transportu.

Oddzielnym problemem jest kupno akumulatora. Fantazja producentów nie zna w tym temacie granic. Deklarują oni pojemność ogniw w obudowach 18650 na poziomie od 3200 do 6000, a nawet ponad 9000mAh. Pomiary pokazują jednak, że tanie ogniwa mają pojemność na poziomie około 650mAh (akumulatory w pełni naładowane, rozładowywane do 3V) – fotografia 13. Co ciekawe, pojemność większą od takich podróbek mają używane, kilkuletnie nawet akumulatory tego typu, stosowane w laptopach, o ile tylko laptop jest w stanie pracować na nich choć kilkanaście minut...

Fot.13 Tanie ogniwo

Chlubnym wyjątkiem są akumulatory firmy Liitokala, które mają rezystancję wewnętrzną około 30 miliomów i pojemność na poziomie 2,5Ah. Warto zawsze kupić jeden egzemplarz na próbę, a dopiero po sprawdzeniu resztę potrzebnych akumulatorów. W niektórych zastosowaniach warto dolutować do pakietu akumulatorów kondensator elektrolityczny o pojemności kilku tysięcy mikrofaradów o niskiej impedancji wyjściowej. Zwiększa on chwilową wydajność prądową pakietu np. w momencie uruchomienia elektronarzędzia lub startu modelu, gdy pobór prądu jest zwiększony.

Fot.14 Moduły monitorujace zasilanie

Układy pomocnicze do modułów zasilających

Najbardziej przydatnymi układami pomocniczymi są moduły monitorujące zasilanie. Wykonuje się je jako mierniki cyfrowe, pokazujące liczbę cel akumulatora litowego oraz napięcie na poszczególnych celach lub sygnalizujących akustycznie niskie napięcie na pojedynczej celi. Takie rozwiązanie szczególnie dobrze nadaje się do kontroli niezbyt głośnych modeli i często zapobiega możliwej utracie modelu – fotografia 14.

Do pobrania
Download icon Moduły zasilające cz.2 - BMS-y, akumulatory litowe i układy pomocnicze
Tematyka materiału: BMS, akumulatory litowe
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
styczeń 2020
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo