RadioRadar - Радиоэлектроника, даташиты, схемы

https://www.radioradar.net/radiofan/power_supply/bms_lifepo4_selection_connection.html

BMS для LiFePO4: как выбрать и подключить плату защиты

Аккумуляторные сборки LiFePO4 (литий-железо-фосфатные) всё чаще используют для резервного питания: с инверторами, ИБП для газового котла, роутера и освещения, а также в самодельных зарядных станциях. Сборку из нескольких последовательных элементов нельзя эксплуатировать без платы защиты BMS (Battery Management System). В статье разобрано, что делает BMS, как выбрать плату под задачу и как правильно её подключить.

Зачем нужна BMS

Литиевые элементы не переносят перезаряда и глубокого разряда, а при последовательном соединении их напряжения со временем расходятся. Свинцовый аккумулятор частично выравнивается сам, а литиевая сборка без контроля быстро приходит в состояние, когда один элемент перезаряжен, а другой разряжен. BMS решает эти задачи:

• отключает заряд, если напряжение любого элемента превысило порог;
• отключает нагрузку, если напряжение любого элемента опустилось ниже порога;
• защищает от превышения тока и короткого замыкания;
• выравнивает (балансирует) напряжения элементов;
• при наличии датчиков отключает заряд при недопустимой температуре.

Основные напряжения LiFePO4

Точные пороги указаны в даташите на конкретные элементы, ориентируйтесь на него. Если заряжать элементы не до максимума, а до 3,45–3,55 В, они теряют лишь небольшую часть ёмкости и служат дольше.

Как выбрать BMS

1. Химия и количество элементов

BMS выпускают отдельно для Li-ion (NMC) и для LiFePO4: пороги защиты у них разные. Для LiFePO4 перезаряд элемента отключается примерно на 3,65–3,75 В, а переразряд — около 2,0–2,5 В. Количество последовательных элементов (4S, 8S, 16S и т. д.) должно совпадать со сборкой.

2. Рабочий ток

Ток нагрузки считается по мощности: I = P / (U × КПД). Например, инвертор 1000 Вт от сборки 12,8 В с КПД около 90% потребляет примерно 1000 / (12,8 × 0,9) ≈ 87 А. Для такой нагрузки нужна BMS с длительным током не менее 100–120 А. Пиковый ток (для пусковых нагрузок вроде насосов и холодильников) смотрите отдельно в характеристиках платы.

3. Общий или раздельный порт

• Общий порт (common port): заряд и нагрузка подключаются к одному выводу P−. Это самый удобный вариант для инверторов и ИБП, у которых зарядное устройство встроено.
• Раздельный порт (separate port): у заряда свой вывод (C−), у нагрузки свой (P−). Часто ток заряда у таких плат значительно меньше тока разряда, поэтому проверьте, подходит ли это вашему зарядному устройству.

4. Балансировка

• Пассивная: излишек энергии на самом заряженном элементе рассеивается на резисторе. Ток балансировки обычно десятки миллиампер. Этого достаточно для сборок из новых одинаковых элементов, но медленно для элементов с заметно разной ёмкостью.
• Активная: энергия перекачивается с более заряженных элементов на менее заряженные. Ток составляет от сотен миллиампер до нескольких ампер. Такой вариант полезен для больших сборок и элементов «с рук».

5. Защита по температуре

Заряжать LiFePO4 при отрицательной температуре нельзя: это повреждает элементы. Если батарея будет стоять в неотапливаемом помещении, выбирайте BMS с датчиком температуры и блокировкой заряда на холоде.

6. Мониторинг

Платы с Bluetooth или UART показывают напряжения элементов, ток и температуру, а также позволяют менять пороги. Это сильно упрощает обслуживание сборки.

Как подключить BMS

Всегда сначала изучите схему подключения в инструкции к вашей плате: порядок у разных производителей может отличаться. Типовая последовательность:

Рис. 1. Подключение BMS к сборке LiFePO4 4S

1. Соберите сборку и выровняйте элементы. Перед сборкой зарядите все элементы до одинакового напряжения. Лучше всего соединить их параллельно и зарядить блоком питания до 3,6 В.
2. Подключите B−. Толстый провод B− платы соединяется с минусом сборки, то есть с минусом первого элемента.
3. Проверьте балансировочный разъём до подключения. Распаяйте провода балансировки на элементы по схеме (B0/B−, B1, B2…). Не подключая разъём к плате, проверьте вольтметром напряжения на его контактах относительно минуса сборки. Для 4S они должны расти ступенями примерно по 3,2–3,4 В: около 3,3; 6,6; 9,9; 13,2 В.
4. Подключите балансировочный разъём к плате.
5. Подключите выходы. Нагрузку и заряд подключают между P− (C−) платы и плюсом сборки. Плюс сборки в BMS не заходит, но на нём обязательно должен стоять предохранитель или автоматический выключатель постоянного тока на соответствующий ток.
6. Проверьте работу. Многие BMS после первого подключения нужно активировать: кратковременно подключить зарядное устройство. Пока этого не сделано, на выходе нет напряжения.

Зарядка и работа с инвертором

• Заряжайте сборку зарядным устройством для LiFePO4 или источником с режимом CC/CV. Для 4S напряжение окончания заряда — 14,2–14,6 В.
• Зарядные устройства для свинцовых аккумуляторов подходят не всегда. Режимы десульфатации и выравнивающего заряда поднимают напряжение выше 15 В, что для литиевой сборки недопустимо. Если такие режимы есть, их нужно отключить.
• В инверторе или ИБП установите порог отключения по низкому напряжению выше, чем у BMS. Например, 11,5–12 В для 4S. Тогда защита BMS будет срабатывать только в аварийной ситуации.
• Если инвертор работает параллельно с сетью или подключается к домашней проводке, позаботьтесь о защите от встречного напряжения. Подробнее в статье «Устройство защиты для инверторного преобразователя».

Частые ошибки

• Подключение балансировочного разъёма с перепутанным порядком проводов — самая частая причина выхода BMS из строя.
• BMS, рассчитанная на ток впритык. Без запаса плата перегревается, а при пусковых токах срабатывает защита.
• Тонкие провода и отсутствие предохранителя на плюсе сборки.
• Элементы с разной ёмкостью и внутренним сопротивлением в одной сборке. Пассивная балансировка такую разницу не компенсирует.
• Зарядка на морозе без датчика температуры.

Полезные материалы на RadioRadar

• ЗУ для Li-ion и LiFePO4 аккумуляторов малых типоразмеров
• Узел контроля разрядки литиевого аккумулятора
• Устройство защиты для инверторного преобразователя