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
| Параметр | 1 элемент | 4S (12 В) | 8S (24 В) | 16S (48 В) |
|---|---|---|---|---|
| Номинальное напряжение | 3,2 В | 12,8 В | 25,6 В | 51,2 В |
| Максимальное напряжение заряда | 3,65 В | 14,6 В | 29,2 В | 58,4 В |
| Практичное напряжение заряда | 3,45–3,55 В | 13,8–14,2 В | 27,6–28,4 В | 55,2–56,8 В |
| Нижняя граница разряда | 2,5 В | 10,0 В | 20,0 В | 40,0 В |
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
- 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.
- Подключите B−. Толстый провод B− платы соединяется с минусом сборки, то есть с минусом первого элемента.
- 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.
- Подключите балансировочный разъём к плате.
- 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.
- 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.