Enostavne BMS enote običajno skrbijo za to, da celic ne moremo preveč napolniti ali izprazniti, pri polnjenju pa nad določeno napetostjo celice z najvišjo napetostjo še praznijo in jih na ta način med seboj izenačujejo (balansirajo).

Zaradi običajno prostorskih in termalnih omejitev imajo tovrstni BMSi tok balansiranja precej majhen, običajno v rangu 50 do 100 mA, kar zna biti precej malo v primeru, da je polnilni tok večji. Zavedati se moramo, da moramo pri balansiranju odvečno energijo v obliki toplote odvajati, kar pri določenih izvedbah baterijskih paketov sploh ni mogoče (plastično zaprto ohišje …) in je nizek tok balansiranja tako kompromis.

Če izdelujemo svoj akumulatorski paket, pa si lahko privoščimo izvedbo ohišja, ki bo dopuščala več hlajenja. Paziti moramo predvsem na to, da toplota ne bo grela neposredno akumulatorskih celic, kar jih bo na krajši ali daljši rok uničilo. Pri veliko nizkocenovnih paketih je BMS fiksiran direktno na eno celico in v 90% je ta celica tista, ki prva odpove, saj se je grela dosti več od ostalih.

Oglejmo si tak “standardni” BMS za 8 celic:

1

V zgornjem delu vidimo močnostne MOSFETe (MOSFET si lahko poenostavljeno predstavljamo kot stikalo), ki odklopijo baterijo ali polnjenje v primeru prenizke ali previsoke napetosti. Pri nekaterih izvedbah BMSov je MOSFET za izklop polnjenja ločen od teh za breme, pri večini pa je vezava izvedena tako, da lahko tok teče v obe smeri (bidirectional). Na njih je tudi zaščitno temperaturno stikalo, saj se v primeru previsokih tokov MOSFETi lahko grejejo do te mere, da se uničijo. Na levi strani med P+ in P- priključkoma (tako sta običajno označena priključka, kamor priklopimo breme in polnilec) se nahaja še zaščitna dioda, ki preprečuje dostop morebitnim tokovnim konicam nasprotne polaritete, ki se generirajo pri induktivnih bremenih (motor, rele …).

V spodnjem delu (črn tekst) pa vidimo osem identičnih sklopov (po en za vsako celico), ki sestojijo iz balansirnih uporov, čipa za nadzor celice ter MOSFET tranzistorja, ki pri preseženi napetosti vklopi balansiranje – praznjenje dotične celice preko uporov.

Zaradi lažjega sestavljanja – nižje cene – je večina BMSov opremljena s SMD (surface mount devices) upori za balansiranje, ki pa niso namenjeni za večje moči, dodaten minus pa je tudi postavitev direktno na vezje, saj tako toploto sproščajo v samo vezje in ga s tem tudi termično degradirajo. Če gre za nizke moči to še ni problem, v primeru višjih praznilnih tokov pa taka rešitev na dolgi rok kar kliče po težavah.

Pa poglejmo to na primeru konkretnega BMSa. Vidimo, da so za vsako celico namenjeni trije 47 R upori v vzporedni vezavi, kar skupaj nanese 15,7 R. Glede na to, da gre za BMS za LiFePO4 celice se balansiranje običajno prične pri napetosti 3,60 V. Tok, ki bo tekel skozi upore bo tako 229 mA (I=U/R), moč pa 0,83 W (P=U*I). Nekaj manj kot 1 W torej – ne prav veliko, po drugi strani pa dovolj, če te toplote ni kam odvajati! Treba je namreč vedeti, da lahko balansiranje poteka na več celicah hkrati (v najslabšem primeru na eni celici manj kot na vseh), kar nanese že 7 W.

Kaj pa, če želimo tok balansiranja še povečati? To je potrebno, če s takim BMSom želimo nadzirati celice večje kapacitete (10 Ah+) oz. so celice slabše kvalitete in posledično med seboj bolj različne. Rešitev niti ni tako komplicirana: potrebno je torej obstoječe upore zamenjati z manjšimi (I=U/R – manjši upor = večji tok), ki morajo biti seveda ustrezni glede na moč, po potrebi pa tudi MOSFET tranzistorje, ki tok preko uporov vklapljajo (ker bo tok seveda večji).

3Izbira ustreznih uporov

Glede na želeni tok balansiranja izračunamo vrednost upora in tok, ki se bo trošil na uporu pri najvišji dovoljeni napetosti. Ta napetost je različna glede na tip BMSa in seveda celice, običajno pa je okrog 3,65 V za LiFePO4 in 4,20 V za LiPo/LiIon.

V konkrentem primeru smo želeli balansirni tok okrog 0,5 A, kar nanese upornost 7,2 R. (R=U/I = 3,6/0,5) Moč pri takem toku, ki se bo sproščala na enem uporu je 1,8 W (P=U*I = 3,6*0,5).

2Ker uporov s točno tako vrednostjo ni bilo na zalogi smo vzeli bližnjo vrednost 8,2 R, kar v praksi pomeni nekoliko manjšo moč balansiranja (440 mA, 1,58 W). Upor mora biti obvezno predviden za delovanje na tej moči, priporočam pa, da se vzame upor z vsaj dvakratno močjo. V konkretnem primeru vidite 5 W upore. Najprej odstranimo stare balansirne upore, nato pa na njihovo mesto zalotamo nove.
Zaradi povečanja balansirnega toka sem zamenjal še MOSFETe, ki odpirajo tok skozi balansirne upore. Primerni so praktično vsi t.i. “logic level” MOSFETi v SOT23 ohišju, ki seveda ustrezajo predvidenemu toku balansiranja (plus nekaj rezerve!).

4Po “operaciji” ima BMS nove balansirne upore (in MOSFET tranzistorje), ki so precej večji, zaradi kvadratne oblike pa jih lahko “naslonimo” tudi na kovinsko ohišje in na ta način še dodatno hladimo.