BMS: balansz vagy nem balansz – Ez itt a kérdés

Az egyszerű, olcsó akkumulátor védő áramköröknél (BMS) meg szokták különböztetni a balasz funkciós (balance) és balansz nélküli kialakítást. Ez utóbbiból van enhanced is. De mit is jelentenek ezek?

Kezdük az elején! Miért is van ezekre szükség, mi a funkciójuk?

A probléma gyökere az, hogy semmilyen akkumulátor, a lítum alapúak pedig különösen nem bírják sem a túltöltést, sem a mély lemerítést. A Li-ion és Li-polimer akkumulátorok esetében a nominális töltőfeszültség 4.2 V, és ezt csak nagyon picivel, kb. 4.3 voltig lehet túllépni, már ez is jelentős élettartam csökkenést okoz. A másik oldalon, kisütésnél 2.5 V alá menni semmiképpen nem szabad, tulajdonképpen 3 volt alatt tárolva már károsodnak.

Ha több akkumulátor cellát sorba kell kötnünk a megfelelő feszültség/teljesítmény elérése érdekében (pl. szerszámgép akkumulátoroknál, elektromos járművekben, stb) mindig találkozunk egy problémával: az akkumulátor cellák már új korukban sem tökéletesen egyforma kapacitácúak. Az idő előrehadtával ez a különbség tovább nő.

Ha e két állítást összekapcsoljuk, megérkeztünk. Használat közben a legkissebb kapacitású cella fog először lemerülni, bár a teljes pakk feszültsége még elegendő, de a lemerült cella elkezd tönkremenni.

Másik oldalról, ha töltjük az akkumulátor csomagunkat, akkor szintén a legkisebb kapacitású cella fog először feltöltődni, de a töltő még nem áll le, mert a többi még nincs kész. Azután a leggyengébb láncszem túltöltődik, és szintén drasztikusan rongálódik. Ezt kell valamiképpen megakadályoznunk.

A komolyabb töltés- és kisütés szabályozó (aktív BMS) áramkörök egyszerre mindkét problémát orvosolják, mert az akkumulátor csomagot úgy töltik / merítik, hogy minden celláján egy időben ugyanakkora feszültség van, így egyik cella sem fog túltöltődni / mélykisülni. A technika lényege, hogy kisütéskor, vagy kiegyenlítettlen helyzetben nyugalmi állapotban is, egy inverter energiát tol a nagyobb kapacitású (ezáltal magasabb feszültségű) cellákból a lemerültebb cellákba. Mivel ez a technika nagyon költséges, csak erősen korlátozottan alkalmazzák, hobby szinten egyáltalán nem hozzáférhető.

Az olcsóbb, passzív, balansz nélküli BMS áramkörök ezt annyival elintézik, hogy ha töltés közben bármelyik cellán a feszültség eléri a 4.28 – 4.3 voltot, akkor az egész csomagot leválasztják a töltésről. Ennek következtében az egész csomag nem tud teljesen feltöltődni. Ezek a töltés kiegyensúlyozására nem alkalmasak.

Közbenső megoldást a passzív BMS áramkörök jelentik balansz funkcióval. Ezek nem sokkal drágábbak a balansz nélkülieknél, de csodákra nem képesek. A lényegük az, hogy az áramkörön elhelyezett teljesítmény FET-ek és ellenállások párhuzamosan vannak kötve az egyes cellákkal, és eldisszipálják (hővé alakítják) azt az energiát, ami a cellák kiegyenlítéséhez kell. Azaz a nagyobb kapacitású cellák fölös kapacitását elpocsékolják, hővé alakítják. Ez érvényes a töltés és a lemerítés idejére is, bár az olcsóbbak általában inkább csak a töltés idején aktívak. Ennek a megoldásnak az az előnye, hogy teljes kimerülésig (jelentős mértékben) nem károsodhat egyik cella sem. Hátránya, hogy az energia egy részét hővé alakítják. Másik probléma, hogy ezzel a megoldással csak kis kapacitás különbségeket lehet kiegyenlíteni, mivel a felszabaduló hőenergia korlátozott. Minél nagyobb a cellák közti kapacitás különbség, annál kevésbé hatásosak. A kialakítások többségében nincs hőmérséklet védelem, így a kiegyenlítésben részt vevő FET-ek túlmelegedhetnek, tönkre mehetnek, ha nagy teljesítményt kell kiegyenlíteniük. Ha viszont a hőledásra figyeltek tervezéskor, akkor lehet, hogy kiegyenlítettlen marad a blokk, mert nem lehet annyi energiát elfűteni, amennyi kellene a hatásos kiegyenlítéshez.

Akkor mi a jó megoldás?

Olcsón tökéletes megoldást nem fogunk kapni!

A legfontosabb: a lehető legjobban figyelni a cellák egyformaságára. Semmiképpen sem jó nagyon különböző kapacitású, állapotú, gyártmányú, korú cellákat sorba kötni. Messzire kerüljük el a filléres kínai 18000, 25000 és csilliárd mAh-ás csodákat. A legnevesebb gyártók a 18650-es méret esetén 3500-4000 mAh-nál tartanak. Ezt nem fogja egy nevenincs kínai cég az ár töredékéért sokszorosan lekörözni. Ha ezt sikerül betartani, akkor az olcsóbb balanszos BMS-ek is elfogadható eredményt adhatnak. A szakirodalom szerint ez max. 5 – 10% kapacitáskülönbségig jó megoldás.

A legjobb módszer töltésre, hogy a cellákat külön-külön kell tölteni, és mindegyiknek akkor lekapcsolni a töltését, mikor az adott cella feltöltődött. Ez kicsit költségesebb töltő építését jelenti, de egyértelműen a legbiztosabb megoldás. Ennél lehet használni balansz nélküli BMS-t is.

Ha nem tudjuk megoldani a cellánkénti töltést, akkor csak a balanszos BMS jöhet szóba. Ebben az esetben viszont próbáljuk lehetőleg kisebb árammal tölteni a pakkot ( 0.3 – 0.5 C ).

A másik oldalon, kisütésnél kevesebb a mozgásterünk. Ha kis árammal terheljük a csomagunkat – pl. LED-es világításra, telefon töltésre, stb.) – jók a balanszos megoldások. Nagyobb terhelésre ( pl. szerszámgépbe, nagyobb motorhoz ) fölösleges a balanszos megoldás, erre a célra ajánlott a balansz nélküli enhanced verzió. Ez elvisel rövidebb ideig tartó nagy – tipikusan 2x-es – terhelést.

Webshopunk kínálatában mindkét BMS típusból lehet választani.