Ako detailne funguje BMS - schéma a zoznam dielov

Tento článok je preložený zo zdroja: 

https://circuitdigest.com/electronic-circuits/lithium-ion-battery-management-and-protection-module-bms-teardown-schematics-parts-list-and-working

Toto BMS sa dodáva v 3 variantoch: štandardnej verzii, vylepšenej verzii a vyváženej verzii

Pozrieme sa na vyváženú verziu. Vyvážená verzia má 4 odpory, ktoré sú schopné vyvážiť zaťaženie, táto funkcia nie je k dispozícii v ostatných verziách. Štandardná verzia a vylepšená verzia sú takmer podobné len s rozdielom 1 pasívneho komponentu, tieto varianty nie sú schopné aktívne vyvážiť bunky, zatiaľ čo vyvážená verzia má obvody na vyváženie buniek.

Ochranné vlastnosti schémy zapojenia 4S 40A BMS

BMS je nevyhnutný na predĺženie životnosti batérie a tiež na ochranu akumulátora pred akýmkoľvek potenciálnym nebezpečenstvom. Ochranné funkcie dostupné v systéme správy batérií 4s 40A sú:

• Vyvažovanie buniek
• Ochrana proti prepätiu
• Ochrana proti skratu
• Ochrana proti podpätiu

Schéma zapojenia BMS

Schéma tohto BMS je navrhnutá pomocou KiCADu. Úplné vysvetlenie schémy sa vykonáva neskôr v článku.

Spojenie BMS s akumulátorom

Modul BMS má úhľadné usporiadanie s označením na prepojenie BMS s rôznymi bodmi v akumulátore. Obrázok nižšie ukazuje, ako musíme spojiť bunku s BMS.

Označenie a spojenie s BMS

• - / Záporné pripojenie svorky pre batériu na nabíjanie a pripojenie záťaže.
• + / Kladné terminálové pripojenie pre batériu na nabíjanie a pripojenie záťaže
• 0 / Záporná svorka 1sv bunka
• 4.2 / Kladný terminál 1. bunka
• 8.4 / Kladný terminál 2. bunka
• 12.6 / Kladný terminál 3. bunka
• 16.8 / Kladný terminál 4th bunka

BMS funguje ako 4 samostatné moduly pre 4 samostatné bunky a potom sú tieto 4 moduly veľmi inteligentne integrované spolu s tranzistormi a pasívnymi komponentmi, aby sa vytvoril kompletný BMS, ktorý je schopný dodávať prúd až do 40A a chrániť parametre jednotlivých buniek.

Vnorenie sa hlbšie do BMS

BMS má 2 integrované obvody, DW01 a BB3A; niektoré varianty tohto BMS môžu mať rovnaké integrované obvody alebo podobné integrované obvody od rôznych výrobcov. Ale všetky integrované obvody budú mať rovnaké výstupy a fungovanie. O 2 integrovaných obvodoch budem diskutovať neskôr. Na nasledujúcom obrázku sú znázornené časti BMS zodpovedné za rôzne operácie.

Z vyššie uvedeného obrázku je zrejmé, že jeden IC je zodpovedný za prepätie, nadprúd a ochranu proti skratu a že IC je DW01-A, zatiaľ čo iný IC BB3A je zodpovedný za vyváženie buniek.

DW01-A: Ochrana batérie

DW01-A je 1-článková ochrana Li-ion / polymérovej batérie IC. Je zodpovedný za všetky ochranné prvky BMS. Každá jednotlivá bunka má pripojený 1 DW01-A, ktorý monitoruje zdravie konkrétnej bunky. Dodáva sa v balení 6 pinov sot-23-6. Môžete si pozrieť údajový hárok IC a pozrieť si funkčný diagram a ďalšie údaje. Má obvod interného deliča napätia, ktorý je zodpovedný za meranie podpätia a prepätia článku. Skrat a nadprúd sú detekované komparátormi, ktoré porovnávajú napätie medzi vstupom kolíka CS a VSS.

Elektrické charakteristiky DW01-A

Fungovanie akéhokoľvek integrovaného obvodu závisí od toho, ako bol navrhnutý, čo je dané výrobcom, elektrické charakteristiky DW01 sú uvedené v nasledujúcej tabuľke:

Ochranný obvod

Tu je uvedený ochranný obvod tejto batérie. Tu Batt+ a S3 označujú kladné a záporné svorky bunky. IC meria napätie článku pomocou obvodu interného deliča napätia medzi VCC a uzemňovací kolík a na základe tabuľky elektrických charakteristík zobrazenej vyššie ovládajte kolík Over-discharge (OD) a Overcharge (OC), čím riadia tranzistory Q2 a Q3 na obrázku nižšie.
DW01-A neustále monitoruje nadprúd alebo skrat meraním napätia na kolíku prúdového snímania. V prípade skratu napätie presahuje VPOPÍJAŤa porucha, t. j. skrat, je inhibovaná vypnutím ovládača vybíjania MOSFET. Vysvetlenie nadprúdu je uvedené ďalej v tomto článku.

Na vyššie uvedenom obrázku môžete pozorovať, že kolík VSS je pripojený k kladnej svorke bunky s odporom R24 a VSS a VDD majú kondenzátor C1 rovnobežný s nimi. Kondenzátor a odpor sú nevyhnutné na potlačenie vlnenia a rušenia z nabíjačky.

HY2212 BB3A: vyvažovanie buniek

Pokiaľ ide o bunkový balančný obvod, srdcom tohto obvodu je HY2212 BB3A, 1-článková lítium-iónová/polymérová rovnováha nabíjačky batérií IC. Tento IC je schopný aktívne vyvážiť bunku elektrickým monitorovaním hladiny a obsahuje veľmi presný obvod detekcie napätia a oneskorený obvod.

Séria HY2212 je vytvorená pre jednočlánkový lítium-iónový alebo môže byť tiež použitá pre viacčlánkové batérie s jednotlivými článkami. Je vybavený riadením rovnováhy náboja, elektrickými integrovanými obvodmi na monitorovanie hladiny elektrickou hladinou a tiež obsahuje vysoko presný obvod detekcie napätia a oneskorený obvod Funkčná bloková schéma IC je uvedená nižšie, ako vidíte, IC má obvod deliča napätia pripojený k vstupu VSS a VDD, ktorý sa privádza do komparátora detekcie prebitia, ktorý sa používa na ovládanie vylepšenia MOSFET. Môžete sa pozrieť na údajový hárok IC, aby ste videli vnútornú blokovú schému tejto IC. Má veľmi jednoduchý obvod, ktorý iba meria napätie pomocou komparátora detekcie napätia a poskytuje výstup. Výstup sa používa na ovládanie brány MOSFET. Môže sa použiť MOSFET typu P alebo N a efektívna prevádzka oboch MOSFET je uvedená v nasledujúcej tabuľke.

V tomto BMS sa používa N-kanálový BMS, ktorý je potom pripojený k odporu 480 ohmov, obvod použitý v BMS je znázornený na obrázku nižšie:

Vo vyššie uvedenom obvode je MOSFET použitý s týmto IC A2SHB, čo je N-kanálový vylepšenie MOSFET. Keď výstupný kolík z kolíka 6 BB3A dáva vysoký signál bráne tohto vylepšeného typu MOSFET, MOSFET pripojí cestu nízkeho odporu cez tento odpor 480 ohmov, ktorý funguje ako odpor zaťaženia a začne vybíjať batériu.

Rýchlosť vypúšťania možno ľahko nájsť podľa Ohmovho zákona. V = IR

Batériu je teda možné vybíjať rýchlosťou 91 mA za hodinu. Rýchlosť vybíjania môžeme zmeniť zmenou hodnoty odporu.

Úplná schéma zapojenia 4S 40A BMS

Vyššie uvedený obrázok ukazuje kompletnú schému zapojenia obvodu BMS, ako je uvedené vyššie, obvod je možné rozdeliť na menšie moduly na vyváženie a monitorovanie každej jednej bunky.
Ako je znázornené na obrázku nižšie, vidíme, že Balancer IC je spojený paralelne s bunkou. Podobne je nabíjanie batérie IC, DW01 tiež pripojené paralelne s článkom.

Ako je vysvetlené vyššie, VSS a VDD DW01 sú spojené so záporným a kladným prvkom bunky a kolík 2, čo je prúdový zmyslový kolík, je pripojený k zápornej koľajnici. Podľa prijatého vstupu z prúdového zmyslového kolíka sú kontrolované tranzistory Overcharge a Over-discharge.

Ako funguje okruh BMS 4s 40A?

10 MOSFET AOD472 je v skutočnosti pripojených ako 2 sady po 5 MOSFEToch. Prvá sada je určená na nadprúdovú ochranu a druhá sada je zodpovedná za ochranu proti nadmernému vybitiu. Všetky bunky v obvodoch môžu spustiť ochranu proti nadprúdu alebo nadmernému vybitiu, čo je potrebné, pretože zdravie buniek sa pre rôzne bunky zhoršuje rôznymi rýchlosťami. Brána všetkých paralelných MOSFETov je navzájom prepojená a rovnako aj zdrojové kolíky, ktoré ich spúšťajú spolu. Všetkých 10 MOSFETov má svoje vypínacie kolíky navzájom spojené, čo znamená, že obvod bude fungovať iba vtedy, keď sú všetky MOSFETy v zapnutom stave, inak nebude prúdiť žiadny prúd a batéria nebude v tom čase napájať výstup ani nabíjať.

Prečo je pripojených viac MOSFETov?

Pretože BMS je určený na použitie v operáciach s motorom, štartovací prúd je vo všeobecnosti vyšší ako menovitý prúd. Štartovací prúd motorov môže byť až 4-8-násobok jeho menovitého prúdu. Prúd sa znižuje a vracia sa k svojim menovitým otáčkam, keď motor zrýchľuje a dosahuje svoje synchrónne alebo základné otáčky. Takže, aj keď je dimenzovaný na 40A, ak je pripojený 500W motor, ktorý spotrebúva okolo 40A, prepäťový prúd môže byť na veľmi krátky čas vyšší ako 240 ampérov, a preto je paralelne pripojených viac MOSFET.

Poznámka: Pri paralelnom umiestnení MOSFETov sa uistite, že všetky MOSFETy majú veľmi blízke skutočné hodnoty VGS(TS) pretože chcete, aby sa všetky paralelne pripojené MOSFETy zapli súčasne, aby sa zabránilo poškodeniu MOSFET.

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje tok prúdu, keď sú všetky MOSFET v stave On. Prúd z batérie preteká akumulátorom a zo sériovo paralelného pripojenia MOSFET AOD 472s.

Ovládanie MOSFETov

MOSFETy sú riadené kontrolou kolíkov prebíjania a prebíjania DW01 IC. Zdroj na ľavej strane MOSFET je pripojený k zemi, prúdový senzorový kolík DW01 je spojený so zdrojom, a preto keď dôjde ku skratu alebo je DW01 IC detekovaný nadprúd, zapne Q9, ktorý zapne pár tranzistorov, čím vypne pár tranzistorov, čím vypne MOSFETy.

Brána pravého páru MOSFETov, ktoré sú zodpovedné za ochranu batérie pred prebíjaním, je pripojená k kladnému pólu akumulátora. Keď je batéria prebitá, DW01 IC zaznamená stav prebitia pomocou obvodu deliča vnútorného potenciálu a zapne tranzistor OD.

Ak vezmeme IC 1 v tomto stave, zapne tranzistor Q2, tok prúdu sa zapne Q21 spájajúci bránu kombinácie paralelných MOSFETov zodpovedných za ochranu proti prebitiu so zemou, čím sa vypne a tým sa odpojí celý obvod. Nasledujúci graf nám ukazuje fungovanie DW01 IC počas stavu nabíjania.

Komponenty použité v module 4S 40A BMS

Pokiaľ ide o komponenty BMS, BMS má 2 integrované obvody, DW01-A, čo je IC na ochranu batérie a BB3A, čo je IC vyvažujúci články. Okrem 2 integrovaných obvodov máme tento komponent s textom G1, čo je MMBT5551 vysokonapäťový NPN tranzistor, 2L, čo je vysokonapäťový tranzistor PNP, PMST5401 okrem toho máme Schottky usmerňovač a tu v spodnej časti máme 10 N-kanálové vylepšenie MOSFET D472 s 2 paralelnými sadami 5 MOSFET zapojených do série, čo umožňuje vysoký prenos prúdu a je veľmi dôležitou súčasťou pre ochranu proti nadprúdu a ochranu proti prebitiu.

Všetky komponenty použité v BMS sú uvedené v nasledujúcom zozname:

• DW01-A / Ochrana batérie IC
• BB3A / 1-článková lítium-iónová/polymérová rovnováha nabitia batérie IC
• G1 (MMBT5551) / Vysokonapäťový tranzistor SMD (NPN)
• 2L (PMST5401) / PNP vysokonapäťový tranzistor
• A2SHB / N-Channel Enhancement mode Field Effect Transistor)
• SS34 / Schottky usmerňovač
• D472 (10 rôznych typov) / Tranzistor s efektom N-Channel Enhancement Mode Field Effect

Ochranné vlastnosti modulu 4S 40A BMS

Ako je uvedené vyššie, modul BMS má všetky potrebné funkcie na ochranu batérie, poskytuje ochranu proti prebitiu, ochranu proti prebitiu, ochranu proti skratu pozdĺž vyvažovania článkov. Ďalšie podrobnosti o ochranných funkciách sú uvedené nižšie.

Podmienka preplatenia

Keď sa článok nabíja nad rámec bezpečného nabíjacieho napätia, je ovplyvnené zdravie článku a životný cyklus článku sa skracuje. Na ochranu článku pred prebíjaním využíva tento BMS ochranný mechanizmus proti prebitiu, ktorý odpojí batériu od nabíjačky. Fungovanie ochrany proti prebitiu je znázornené na nasledujúcom grafe

Z vyššie uvedeného grafu môžete vidieť, že keď je nabíjačka pripojená, napätie batérie sa naďalej zvyšuje a akonáhle prejde cez VOCP(ochranné napätie proti prebitiu), čaká na TOC (čas oneskorenia prebitia) a otvorí tranzistor ochrany proti prebitiu, čím vypne MOSFET ochrany proti prebitiu. IC nevypne kolík OC, pokiaľ napätie článku neklesne pod VOCR(Uvoľňovacie napätie pri prebíjaní batérie).

Stav prebitia

Keď napätie článku klesne pod bezpečné prevádzkové napätie, je ovplyvnené zdravie článku a životný cyklus článku sa skracuje. Na ochranu bunky pred nadmerným vybitím tento BMS využíva ochranu pred vybíjaním. Fungovanie ochrany proti nadmernému vybitiu je znázornené v nasledujúcom grafe-

Z vyššie uvedeného grafu môžete vidieť, že keď je záťaž pripojená, napätie batérie naďalej klesá a akonáhle sa dostane pod VODP(Ochranné napätie proti prebitiu) čaká na TOD(počas doby oneskorenia vybitia) a otvorte tranzistor ochrany pred vybíjaním, čím sa vypnú MOSFETy s ochranou proti prebitiu. Preto cez BMS nepreteká žiadny prúd. A kým sa batéria nenabíja a napätie článku neprekročí VRSO(uvoľňovacie napätie pri nadmernom vybíjaní), BMS neumožňuje použitie akumulátora, čím sa predlžuje životnosť našej batérie.

Vyššie uvedený obrázok ukazuje tok prúdu počas podmienok prebíjania. Ako vidíte, tranzistory sú zapojené paralelne, pretože keď sú tranzistory zapojené paralelne, pôsobia ako jeden veľký tranzistor, ktorý zvládne vyššie množstvo prúdu.

Tranzistory paralelne

Ochrana pred prúdom

Ochrana proti prepätiu v BMS je potrebná na ochranu batériových systémov pred nadprúdom alebo skratom, keď dôjde ku poruche skratu alebo k prudkému nárastu prúdu zo záťaže, ktorý je vyšší ako špecifikácia akumulátora. Tento stav môže ovplyvniť zdravie bunky alebo dokonca spôsobiť poškodenie bunky vedúce k požiarom. Na ochranu bunky pred nadprúdom využíva tento BMS nadprúdovú ochranu. Fungovanie nadprúdovej ochrany je znázornené na nasledujúcom grafe.

Za normálnych podmienok kolík CS monitoruje vybíjací prúd neustálym monitorovaním napätia kolíka CS. Keď dôjde k prudkému nárastu dopytu po prúde z článku a napätie v CS kolíku prekročí VOIP(Nadprúdové ochranné napätie) dlhšie ako TOI1(Čas oneskorenia nadprúdu) obvod nadprúdovej ochrany pracuje a vypne OC MOSFET, čím sa obvod odpojí. Ochrana proti nadprúdovému vybitiu sa uvoľní iba vtedy, keď sa uvoľní záťaž alebo impedancia batérie medzi kladným a záporným pólom sa stane väčšou ako 500k ohm.

Záver

4s 40A BMS je ekonomický a veľmi efektívny modul na ochranu Li-ion buniek pred poškodením. Dizajn je možné upraviť tak, aby sa dal použiť pre vyšší alebo nižší počet buniek, čo z neho robí veľmi všestranný dizajn. Komponenty použité v BMS sú ľahko dostupné a na trhu je k dispozícii veľa náhradných dielov, čo z neho robí skutočne dobrý BMS, ktorý môžete vyskúšať pre svoj ďalší projekt.

Dúfam, že sa vám tento článok páčil a naučili ste sa niečo nové

Tento článok je preložený zo zdroja: https://circuitdigest.com/electronic-circuits/lithium-ion-battery-management-and-protection-module-bms-teardown-schematics-parts-list-and-working