Разборка модуля управления и защиты литий-ионного аккумулятора (BMS) — схемы, список деталей и работа

В этой статье мы узнаем о функциях и работе системы управления батареями (BMS) 4s 40A , рассмотрим все компоненты и схему модуля. Я провел полный реверс-инжиниринг этого модуля, чтобы выяснить, как он работает, и показать, как работает BMS. Также у нас есть еще одна статья и видео, где мы проверили параметры безопасности этой BMS. На изображении ниже показан аккумуляторный блок, который также имеет вольтметр, нагрузку (лампочку) и гнездо постоянного тока для зарядного устройства. Подробнее об этом можно прочитать здесь .

Эта BMS поставляется в трех вариантах: стандартной версии, расширенной версии и сбалансированной версии.

Мы будем рассматривать сбалансированную версию. Балансная версия имеет 4 резистора, способных балансировать нагрузку, в других версиях эта функция недоступна. Стандартная версия и расширенная версия почти похожи, с разницей всего в 1 пассивный компонент. Эти варианты не способны активно балансировать ячейки, тогда как балансная версия имеет схему балансировки ячеек.

Характеристики защиты принципиальной схемы 4S 40A BMS

BMS необходима для продления срока службы батареи, а также для защиты аккумуляторной батареи от любой потенциальной опасности. Функции защиты, доступные в системе управления батареями 4s 40A:

• Балансировка ячеек
• Защита от перенапряжения
• Защита от короткого замыкания
• Защита от пониженного напряжения

Принципиальная схема BMS

Схема этой BMS разработана с использованием KiCAD . Полное объяснение схемы приведено далее в статье.

Соединение BMS с аккумуляторным блоком

Модуль BMS имеет аккуратную компоновку с маркировкой для подключения BMS к различным точкам аккумуляторного блока. На изображении ниже показано, как нам нужно подключить ячейку к BMS.

BMS действует как 4 отдельных модуля для 4 отдельных ячеек, а затем эти 4 модуля очень разумно интегрируются вместе с транзисторами и пассивными компонентами, образуя полную BMS, которая способна подавать ток до 40 А и защищать параметры отдельных ячеек.

Копаем глубже в BMS

BMS имеет две микросхемы: DW01 и BB3A; некоторые варианты этой BMS могут иметь одинаковые микросхемы или аналогичные микросхемы от разных производителей. Но все микросхемы будут иметь одинаковую распиновку и функционирование. Я буду обсуждать эти две микросхемы позже. На рисунке ниже показаны части BMS, отвечающие за различные операции.

Из изображения выше видно, что одна микросхема отвечает за защиту от перенапряжения, перегрузки по току и короткого замыкания и что это микросхема DW01-A , тогда как другая микросхема BB3A отвечает за балансировку ячеек.

DW01-A: Микросхема защиты аккумулятора 

DW01-A — это 1-элементная интегральная схема защиты литий-ионного/полимерного аккумулятора. Он отвечает за все функции защиты BMS. К каждой отдельной ячейке подключен 1 DW01-A, который контролирует состояние конкретной ячейки. Он поставляется в 6-контактном корпусе sot-23-6. Вы можете обратиться к техническому описанию микросхемы, чтобы увидеть функциональную схему и другие данные. Он имеет внутренний делитель напряжения, который отвечает за измерение пониженного и повышенного напряжения элемента. Короткое замыкание и перегрузка по току обнаруживаются компараторами, которые сравнивают напряжение между входом CS и VSS.

Электрические характеристики DW01-A

Работа любой интегральной схемы зависит от ее конструкции, указанной производителем. Электрические характеристики DW01 приведены в таблице ниже:

Схема защиты 

Схема защиты этого аккумуляторного блока показана здесь. Здесь Batt+ и S3 обозначают положительные и отрицательные клеммы ячейки соответственно. Микросхема измеряет напряжение элемента с помощью схемы внутреннего делителя напряжения между V _CC и контактом заземления и на основе таблицы электрических характеристик, показанной выше, управляет контактами переразряда (OD) и перезаряда (OC), таким образом управляя транзисторами Q2 и Q3. на рисунке ниже.
DW01-A постоянно контролирует перегрузку по току или короткое замыкание, измеряя напряжение на выводе датчика тока. В случае короткого замыкания напряжение превышает V _SIP и неисправность, т.е. короткое замыкание, подавляется путем отключения МОП-транзистора управления разрядом. Объяснение сверхтока дано далее в этой статье.

На приведенном выше рисунке вы можете видеть, что вывод VSS подключен к положительному выводу ячейки с помощью резистора R24, а VSS и VDD имеют параллельный им конденсатор C1. Конденсатор и резистор необходимы для подавления пульсаций и помех от зарядного устройства.

HY2212 BB3A: ИС балансировки ячеек 

Что касается схемы балансировщика ячеек, то сердцем этой схемы является HY2212 BB3A , ИС балансировки зарядного устройства для 1-элементной литий-ионной/полимерной батареи. Эта микросхема способна осуществлять активную балансировку элемента посредством мониторинга электрического уровня и содержит схему определения напряжения очень высокой точности и схему задержки.

Серия HY2212 создана для одноэлементных литий-ионных аккумуляторов или также может использоваться для многоячеечных аккумуляторных блоков с отдельными элементами. Он оснащен контролем баланса заряда , микросхемами контроля электрического уровня , а также содержит  высокоточную схему определения напряжения и схему задержки. Функциональная блок-схема микросхемы приведена ниже. Как вы можете видеть, микросхема имеет схему делителя напряжения, подключенную к входные сигналы VSS и VDD, которые подаются на компаратор обнаружения перезаряда, который используется для управления улучшающим MOSFET-транзистором. Вы можете обратиться к техническому описанию микросхемы, чтобы увидеть внутреннюю блок-схему этой микросхемы. Он имеет очень простую схему, которая просто измеряет напряжение с помощью компаратора обнаружения напряжения и выдает выходной сигнал. Выход используется для управления затвором МОП-транзистора. Можно использовать МОП-транзистор P-типа или N-типа. Эффективная работа обоих МОП-транзисторов указана в таблице ниже.

В этой BMS используется N-канальная BMS, которая затем подключается к резистору сопротивлением 480 Ом. Схема, используемая в BMS, показана на изображении ниже:

В приведенной выше схеме с этой микросхемой используется полевой МОП-транзистор A2SHB, который представляет собой N-канальный МОП-транзистор расширения. Когда выходной вывод контакта 6 BB3A подает высокий сигнал на затвор этого полевого МОП-транзистора расширенного типа, полевой МОП-транзистор подключает путь с низким сопротивлением через это сопротивление 480 Ом, которое действует как нагрузочный резистор и начинает разряжать батарею.

Скорость разряда легко найти по закону Ома. В=ИК

 Таким образом, аккумулятор можно разряжать со скоростью 91 миллиампер в час. Мы можем изменить скорость разряда, изменив номинал резистора.

Полная принципиальная схема 4S 40A BMS

На изображении выше показана полная принципиальная схема схемы BMS, как обсуждалось выше, схему можно разделить на более мелкие модули для балансировки и мониторинга каждой отдельной ячейки.
Как показано на изображении ниже, мы видим, что микросхема балансира подключена параллельно ячейке. Аналогично, микросхема зарядки аккумулятора DW01 также подключается параллельно к элементу.

Как объяснялось выше, VSS и VDD DW01 подключены к отрицательному и положительному полюсу ячейки соответственно, а контакт 2, который является контактом измерения тока, подключен к отрицательной шине. В соответствии с входным сигналом, полученным от контакта измерения тока, управляются транзисторы перезаряда и переразряда.

Как работает схема BMS 4s 40A?

10 МОП-транзисторов AOD472 фактически соединены как 2 набора по 5 МОП-транзисторов в каждом. Первый набор предназначен для защиты от перегрузки по току, а другой набор отвечает за защиту от переразряда. Все элементы в цепях могут активировать защиту от перегрузки по току или переразряда, это необходимо, поскольку состояние ячеек ухудшается с разной скоростью для разных ячеек. Затворы всех параллельных МОП-транзисторов соединены вместе, как и выводы истока, чтобы запустить их вместе. Стоковые контакты всех 10 МОП-транзисторов соединены вместе, что означает, что схема будет работать только тогда, когда все МОП-транзисторы находятся во включенном состоянии, в противном случае ток не будет течь, и аккумуляторная батарея в это время не будет ни питать выход, ни заряжаться.

Почему подключено несколько МОП-транзисторов? 

Поскольку система BMS предназначена для работы с электродвигателями дрелей, пусковой ток обычно превышает номинальный ток. Пусковой ток двигателей может превышать номинальный ток в 4–8 раз. Ток уменьшается и возвращается к своей номинальной скорости по мере того, как двигатель ускоряется и достигает своей синхронной или базовой скорости. Таким образом, даже несмотря на то, что он рассчитан на ток 40 А, при подключении двигателя мощностью 500 Вт, потребляющего около 40 А, импульсный ток может превышать 240 А в течение очень короткого времени, поэтому несколько МОП-транзисторов подключаются параллельно.

Примечание . При параллельном подключении МОП-транзисторов убедитесь, что все МОП-транзисторы имеют очень близкие фактические значения V _​GS (TS),  поскольку вы хотите, чтобы все параллельно соединенные МОП-транзисторы включались одновременно, чтобы избежать повреждения МОП-транзистор.

На изображении выше показан поток тока, когда все МОП-транзисторы находятся во включенном состоянии. Ток от батареи протекает через аккумуляторный блок и через последовательно-параллельное соединение MOSFET AOD 472.

Управление МОП-транзисторами 

МОП-транзисторы управляются путем управления выводами перезаряда и переразряда микросхемы DW01. Исток на левых МОП-транзисторах подключен к земле, вывод датчика тока DW01 соединен с истоком, поэтому, когда происходит короткое замыкание или перегрузка по току, обнаруженная микросхемой DW01, он включает Q9, который включает транзистор. пара подает сигнал на вывод затвора, отключая полевые МОП-транзисторы.

Затвор правой пары МОП-транзисторов, отвечающих за защиту аккумуляторной батареи от перезарядки, подключен к положительной клемме аккумуляторной батареи. Когда батарея перезаряжена, микросхема DW01 определит состояние перезарядки с помощью схемы внутреннего делителя потенциала и включит транзистор OD.

Взяв микросхему 1 в этом состоянии, она включит транзистор Q2, ток включит Q21, соединяя затвор комбинации параллельных МОП-транзисторов, отвечающих за защиту от перезаряда, с землей, тем самым выключая его и, следовательно, отключая всю цепь. . На графике ниже показана работа микросхемы DW01 в состоянии зарядки.

Компоненты, используемые в модуле 4S 40A BMS

Что касается компонентов BMS, то BMS имеет две микросхемы: DW01-A , которая представляет собой микросхему защиты аккумулятора , и BB3A , которая представляет собой микросхему балансировки ячеек . Помимо двух микросхем, у нас есть этот компонент с надписью G1 , который представляет собой MMBT5551 ( высоковольтный NPN-транзистор) , 2L (высоковольтный PNP-транзистор) , PMST5401, кроме того, у нас есть выпрямитель Шоттки , а здесь внизу у нас есть 10 N- расширение канала MOSFET D472 с двумя параллельными наборами по 5 MOSFET, соединенных последовательно, что обеспечивает высокую передачу тока и является очень важным компонентом для защиты от перегрузки по току и защиты от перезаряда.

Все компоненты, используемые в BMS, приведены в таблице ниже:

Характеристики защиты модуля 4S 40A BMS

Как обсуждалось выше, модуль BMS обладает всеми необходимыми функциями для защиты аккумуляторной батареи: он обеспечивает защиту от перезаряда, защиту от переразряда, защиту от короткого замыкания по балансировке ячеек. Более подробная информация о функциях защиты приведена ниже.

Состояние перезаряда

Когда аккумулятор заряжается за пределами безопасного зарядного напряжения, это влияет на его здоровье и сокращает жизненный цикл аккумулятора. Чтобы защитить аккумулятор от перезарядки, в этой BMS используется механизм защиты от перезарядки, который отключает аккумуляторную батарею от зарядного устройства. Работа защиты от перезаряда показана на графике ниже.

Из приведенного выше графика видно, что при подключении зарядного устройства напряжение аккумулятора продолжает увеличиваться, и как только оно превышает V _OCP (напряжение защиты от перезаряда), он ожидает T _OC  (время задержки перезарядки) и размыкается. транзистор защиты от перезаряда, тем самым отключая полевые МОП-транзисторы защиты от перезаряда. Микросхема не отключит вывод OC, если напряжение элемента не упадет ниже V _OCR (напряжение сброса перезаряда батареи).

Состояние чрезмерной разрядки

Когда напряжение элемента падает ниже безопасного рабочего напряжения, это ухудшает здоровье элемента и сокращает его жизненный цикл. Чтобы защитить элемент от переразряда, в этой BMS используется защита от переразряда. Работа защиты от переразряда показана на графике ниже:

На приведенном выше графике вы можете видеть, что при подключении нагрузки напряжение батареи продолжает снижаться, и как только оно опускается ниже V _ODP (напряжение защиты от переразряда), оно ожидает T _OD (время задержки превышения разрядки). ) и открыть транзистор защиты от переразряда, отключив таким образом МОП-транзисторы защиты от переразряда. Следовательно, через BMS ток не течет. И до тех пор, пока батарея не перезаряжается и напряжение элемента не выходит за пределы V _ODR (напряжение сброса чрезмерной разрядки), BMS не позволяет использовать аккумуляторную батарею, тем самым увеличивая срок службы нашей батареи. пакет.

На изображении выше показано течение тока в условиях переразряда. Как вы можете видеть, транзисторы соединены параллельно, потому что, когда транзисторы соединены параллельно, они действуют как один большой транзистор, способный выдерживать больший ток.

Транзисторы параллельно

Защита от сверхтока 

Защита от перегрузки по току в BMS необходима для защиты аккумуляторных систем от перегрузки по току или короткого замыкания в случае возникновения короткого замыкания или скачка тока от нагрузки, который превышает характеристики аккумуляторных блоков. Это состояние может повлиять на здоровье клетки или даже вызвать повреждение клетки, что приведет к пожару. Чтобы защитить ячейку от перегрузки по току, эта BMS использует защиту от перегрузки по току. Работа защиты от перегрузки по току показана на графике ниже.

В нормальных условиях вывод CS контролирует ток разряда, постоянно отслеживая напряжение на выводе CS. Когда происходит всплеск потребляемого тока от ячейки и напряжение на выводе CS превышает V _OIP (напряжение защиты от перегрузки по току) дольше, чем T _OI1 (время задержки перегрузки по току), срабатывает схема защиты от перегрузки по току и отключает OC. МОП-транзистор, тем самым разъединяя цепь. Защита от перегрузки по току срабатывает только тогда, когда нагрузка отключена или сопротивление аккумулятора между положительной и отрицательной клеммой становится больше 500 кОм.

Заключение

4s 40A BMS — это экономичный и очень эффективный модуль для защиты литий-ионных элементов от повреждений. Конструкция может быть изменена для использования с большим или меньшим количеством ячеек, что делает ее очень универсальной. Компоненты, используемые в BMS, легко доступны, и на рынке доступно множество запасных частей, что делает ее действительно хорошей BMS для вашего следующего проекта.

Я надеюсь, что вам понравилось читать эту статью и вы узнали что-то новое. Если у вас есть какие-либо другие сомнения, вы можете опубликовать это в разделе комментариев ниже.