В останні роки популярність здобули так звані "розумні" акумулятори, або іншими словами Smart batteries. Акумулятори цієї групи оснащуються мікропроцесором, здатним не тільки забезпечувати обмін даними із зарядним пристроєм, але і регулювати роботу акумуляторних батарей, інформувати користувача про ступінь їх працездатності. Акумулятори, що комплектуються спеціалізованою системою інтелектуального регулювання, знаходять широке застосування в самому різному технічному електрообладнанні, включно і електротранспорт. Примітно, що групу інтелектуальних батарей утворюють переважно літійових акумулятори, хоч і зустрічаються серед них герметизовані або вентильовані свинцево-кислотні, нікель-кадмієві.
Розумні батареї, як мінімум, на 25% дорожче звичайних акумуляторів. Однак інтелектуальні акумулятори відрізняються не тільки ціною, як більшість передбачає, а й особливостями прикладеного до них регулювального пристрою. Останнє гарантує ідентифікацію типу акумуляторних батарей із зарядним пристроєм, відстежує температуру, напругу, струм, ступінь заряду акумуляторів. Значна частина літій-іонних батарейних модулів має вбудовану систему моніторингу та управління (BMS), яка відповідає за стан акумуляторів і управляє ними таким чином, щоб максимально зберегти працездатність акумуляторних батарей в різних умовах.
Розглянемо ж докладніше, що таке акумуляторна батарея з BMS. Розумні батареї - це акумулятори, обладнані спеціальною мікросхемою, в якій запрограмовані постійні і тимчасові дані. Постійні дані програмуються ще на заводі-виробнику і не підлягають зміні: дані, що стосуються виробничої серії BMS, її маркування, сумісності з типом акумуляторних батарей, вольтажу, максимальних і мінімальних меж напруги, температурних меж. Тимчасові ж дані - це дані, які підлягають періодичному оновленню. До них відносяться переважно експлуатаційні вимоги і призначені для користувача дані. Як правило, передбачається можливість підключення системи управління і балансування до комп'ютера або контролера з метою моніторингу стану батарей і контролю їх параметрів. Деякі моделі BMS можуть налаштовуватися під різні типи батарей (рівні їх напруги, значення струму, ємність).
Система управління батареї (BMS) - електронна система, яка управляє заряд / розрядних 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 і його елементів, контролю температури, кількості циклів заряду / розряду, захисту складових акумуляторної батареї. Система управління та балансування забезпечує індивідуальний контроль напруги і 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 отриманих даних BMS виконує балансування заряду осередків, захищає акумулятор від короткого замикання, перевантаження по струму, перезарядження, переразряда (високого і надмірно низької напруги кожного осередку), перегріву і переохолодження. Функціональність BMS дозволяє не тільки поліпшити режим експлуатації акумуляторних батарей, а й максимально збільшити термін їх служби. При визначенні критичного стану батареї Battery Management System відповідно реагує, видаючи заборона на використання акумуляторної батареї в електросистемі - відключає її. У деяких моделях BMS передбачена можливість ведення реєстру (запису даних) про роботу акумуляторної батареї і їх подальшої передачі на комп'ютер.
Літій-залізо-фосфатні акумулятори (відомі як LiFePO4), що істотно перевершують ряд інших акумуляторний батареї літій-іонної технології з точки зору безпеки, стабільності і продуктивності, також комплектуються схемами управління BMS. Справа в тому, що літій-залізо-фосфатні батареї чутливі до перезаряду, а також розряду нижче певної напруги. З метою зменшення ризику пошкодження окремих акумуляторних осередків і виходу батареї в цілому з ладу всі LiFePO4 акумулятори оснащуються спеціальною електронною схемою балансування - системою управління батареями (BMS).
Напруга на кожній з комірок, об'єднаних в літій-залізо-фосфатну батарею, має перебувати в певних межах і бути рівним між собою. Ситуація ж така, що ідеально рівна ємність всіх осередків, що входять до складу єдиного акумулятора, - досить рідкісне явище. Навіть мала відмінність на пару часткою ампер-годин може спровокувати в подальшому відмінність рівня напруги при зарядно / розрядному процесі. Різниця в рівні заряду / розряду осередків єдиної LiFePO4 батареї досить небезпечна, оскільки може погубити акумулятор.
При паралельному з'єднанні осередків напруга на кожній з них буде приблизно рівним: більш заряджені елементи зможуть витягати менш заряджені. При послідовному ж з'єднанні рівномірного распреденія заряду між осередками не відбувається, в результаті чого одні елементи залишаються недозаряженнимі, а інші перезаряджаються. І навіть, якщо загальна напрузі по завершенні зарядного процесу буде близький до ідеального, вследствіедаже небольшогоперезаряда деяких осередків в батареї будуть відбуватися незворотні руйнівні процеси. Акумуляторна батарея в процесі експлуатації не буде віддавати необхідної ємності, і через нерівномірного распреденія заряду швидко прийде в непридатність. Осередки з найменшим рівнем заряду стануть своєрідним "Cлабо місцем" акумулятора: вони будуть швидко піддаватися розряду, в той час, коли акумуляторні елементи більшої місткості будуть проходити тільки частковий розрядний цикл.
Уникнути негативних руйнівних процесів в акумуляторної батареї дозволяє метод балансування. Система управління та балансування осередків BMS стежить за тим, щоб всі осередки в кінці зарядки отримували рівне напрузі. При підході зарядного процесу до кінця BMS робить балансування шунтуванням заряд осередків або ж переносить енергію елементів з великим напруженням до елементів з меншою напругою. На відміну від активної, при пасивній балансуванню практично повністю заповнити заряд осередки отримують менший струм або виключаються з зарядного процесу до моменту, поки всі елементи акумулятора не матимуть рівний рівень напруги. Система управління батареєю (BMS), виробляючи балансування, а також забезпечуючи контроль температури і виконання ряду інших функцій, максимально подовжує термін служби акумулятора.
Зазвичай магазини продають вже готові збірні акумуляторні батареї з BMS, однак деякі магазини і фірми все ж надають можливість придбання акумуляторних складових окремо. До їх числа належить і фірма «Електра». Електра - перша фірма в Україні, що зважилася на поставку і створення ринку акумуляторних елементів для самостійної збірки і конструювання літій-залізо-фосфатних акумуляторних батарей (LiFePO4) в нашій країні. Головна перевага самостійної збірки батарей з окремих осередків складається в можливості отримання збірного акумуляторного комплекту максимально наближеного до запитів користувача з точки зору робочих параметрів і ємності. При покупці комплектуючих для зборки 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 яке вона розрахована. Експлуатація літій-залізо-фосфатного акумуляторної батареї також передбачає використання виключно зарядного пристрою, що відповідає їй за типом. Його напруга повинна бути рівним загальному напрузі акумуляторної батареї.
24v 36v 48v 60v
Основні цілі застосування BMS (BatteryManagementSystem) в якості регулятора роботи акумуляторної батареї:
- захист акумуляторних клітин і цілої батареї від пошкоджень;
- збільшення терміну служби батареї;
- підтримання акумулятора в стані, при якому стане максимально можливим виконання всіх покладених на нього завдань.
ФункцііBMS (Battery Management System)
1. Контроль за станом елементів акумуляторної батареї з точки зору:
- напруги: загальну напругу, напругу окремих осередків, мінімальне і максимальне напруження осередку;
- температури: середня температура, температура електроліту, температура на виході, температура окремих акумуляторних "клітин", плати BMS (електронна плата, як правило, оснащується як внутрішніми температурними датчиками, які проводять моніторинг температури безпосередньо регулювального пристрою, так і зовнішніми, які використовуються для контролю температури конкретних елементів батареї);
- заряду і глибини розряду;
- струмів заряду / розряду;
- справності
Система управління та балансування осередків може зберігати в пам'яті такі показники, як кількість циклів заряду / розряду, максимальне і мінімальне напруження осередків, максимальне і мінімальне значення струму заряду і розряду. Саме ці дані і дозволяють визначати стан справності акумуляторної батареї.
Неправильний заряд - одна з найбільш поширених причин виходу акумуляторної батареї з ладу, тому контроль заряду є однією з основних функцій мікроконтролера BMS.
2. Інтелектуально-обчислювальна. На основі вищеперелічений пунктів BMS проводить оцінку:
- максимального допустимого струму заряду;
- максимального допустимого струму розряду;
- кількості енергії, що поставляється внаслідок зарядки, або ж втрачається при розряді;
- внутрішнього опору осередку;
- сумарного напрацювання акумуляторної батареї в процесі експлуатації (загальної кількості циклів роботи).
3. Зв'язкова. BMS може подавати вищезгадані дані на зовнішні вузли знаходяться шляхом провідний або ж бездротової комунікації.
4. Захисна. BMS захищає батарею, запобігаючи її вихід за межі безпечної роботи. BMS гарантує безпеку підключення / відключення навантаження, гнучке управління навантаженням, захищає акумуляторну батарею від:
- перевантаження по струму;
- перенапруження (під час зарядки);
- падіння напруги нижче допустимого рівня (під час розряду);
- перегріву;
- переохолодження;
- витоку струму.
BMS може запобігти небезпечний для акумуляторної батареї процес шляхом безпосереднього впливу на неї або ж подачі відповідного сигналу про неможливість подальшого використання акумулятора до пристрою (контролера). Система інтелектуального моніторингу (BMS) відключає акумуляторну батарею від навантаження або зарядного пристрою при виході хоча б одного з робочих параметрів за межі допустимого діапазону.
5. Балансування. Балансування - це метод рівномірного розподілу заряду між усіма осередками акумуляторної батареї, завдяки чому максимально продовжується термін служби акумулятора.
BMS запобігає надмірний перезаряд, недозаряд і нерівномірний розрядний процес в окремих акумуляторних осередках:
- здійснюючи "перетасування" енергії від найбільш заряджених клітин до менш зарядженим (активна балансування);
- знижуючи до достатнього низького рівня надходження струму до практично повністю зарядженої осередку, одночасно з тим, коли менш заряджені акумуляторні клітини продовжують отримувати нормальний зарядний струм (принцип шунтування),
- забезпечуючи процес модульної зарядки;
- регулюючи вихідні струми осередків акумулятора, підключеного до електропристроїв.
З метою захисту плати BMS від негативного впливу вологи і пилу її покривають спеціальним епоксидним герметиком.
Не завжди акумулятори має тільки одну систему управління і балансування. Іноді замість однієї плати BMS, під'єднується за допомогою виходять проводів до акумуляторної батареї і контролера, використовується відразу кілька пов'язаних між собою регулювальних електронних плат, кожна з яких управляє певною кількістю осередків і подає виходять дані до єдиного контролера.
З практичної точки зору BMS можуть виконувати значно більше функцій, ніж просто управління роботою батареї. Ніг і ця електронна система може брати участь в контролі параметрів режиму роботи електричного транспортного засобу, і здійснювати відповідні дії з управління його електричною потужністю. Якщо акумуляторна батарея бере участь в роботі системи рекуперації енергії при гальмуванні електричного транспортного засобу, то BMS також може регулювати процес підзарядки батареї при уповільненні і спусках.
