Самодельная BMS: схемы на Arduino для мониторинга и балансировки

BMS плата (Battery Management System) нужна для минимизации всевозможных рисков при эксплуатации литиевых батарей, их эффективной работы и продления срока службы. Благодаря этому модулю поддерживаются безопасные условия работы АКБ – без выхода за допустимые пределы токов заряда и разряда, температуры, напряжения заряда и разряда.

Сегодня в продаже представлен большой выбор БМС плат разных типов и функционала, в т. ч. с возможностью балансировки ячеек. Популярны также программируемые платы защиты Smart BMS, которые позволяют пользователю отслеживать и настраивать рабочие параметры через мобильное приложение по Bluetooth или через ПК с помощью проводных интерфейсов. Главная задача любого BMS контроллера – обеспечивать защиту аккумуляторов от опасных состояний: перезаряда, перегрева, критического разряда и разбега ячеек по напряжению.

При выборе БМС платы для литиевой батареи учитывают тип химии (Li-ion или LiFePO4), количество последовательно соединенных элементов или серий, диапазон рабочих напряжений и допустимые токи заряда и разряда. При желании, можно собрать и самодельную BMS плату, например, на базе микроконтроллера Arduino.

Компоненты БМС платы

В конструкции BMS контроллера есть:

• микросхема, например, микроконтроллер Arduino UNO – «мозг» системы, который собирает данные от датчиков и принимает решение об отключении аккумуляторной батареи от нагрузки или зарядного устройства;
• аналоговая обвязка – датчики напряжения, тока и температуры для мониторинга этих параметров, накопительный конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения;
• силовые транзисторы – компоненты, управляющие подачей тока на батарею при зарядке и токоотдачей при разрядке, а также обеспечивающие защиту от короткого замыкания (при токах, превышающих допустимые значения, они отключают АКБ от ЗУ или от нагрузки);
• компоненты для балансировки – резисторы для отвода избыточного заряда в виде тепла или активные модули для перевода энергии от более заряженных элементов к менее заряженным;
• балансировочные провода для подключения ко всем последовательно соединенным элементам питания и выравнивания напряжения на них;
• провода для подключения и передачи данных;
• в некоторых моделях – Bluetooth-модуль, чтобы просматривать сведения о состоянии батареи и управлять настройками со смартфона или другого устройства.

Создание самодельной BMS платы на базе микроконтроллера Arduino

Arduino – это открытая платформа, позволяющая создавать различные электронные устройства и прототипы. Ее составляющие – это платы микроконтроллеров с многочисленными контактами для подключения компонентов схемы и простая среда разработки (IDE). Для написания программ используется упрощенный язык программирования на базе С++. Схемы печатных плат Arduino и исходные коды ПО есть в открытом доступе, что открывает возможности для модификации плат и создания нужных версий электронных устройств с использованием более сложных или, наоборот, простых компонентов.

Программируемые платы Arduino UNO, Nano, Due и других конфигураций способны принимать информацию от датчиков, анализировать ее и управлять работой устройства, например, БМС контроллера. Для его сборки своими руками понадобятся:

• плата Arduino (например, UNO – прямоугольная, предоставляет много места для пайки, имеет напряжение питания 5 В);
• датчики напряжения для каждого элемента;
• транзисторы для управления зарядными и разрядными токами;
• токоизмерительный датчик для отслеживания общего тока;
• резисторы или активные модули для балансировки;
• балансировочные и силовые провода.

Вначале, с учетом разработанной схемы и количества ячеек в АКБ, нужно выбрать датчики, транзисторы и остальные компоненты с подходящими рабочими характеристиками. Затем – припаять их. После этого – создать и загрузить программу (прошивку) для микроконтроллера Arduino. Она должна считывать информацию с датчиков и управлять транзисторными ключами, обеспечивать балансировку и защиту аккумуляторов. Готовую систему нужно тщательно протестировать, чтобы убедиться в корректности измерений и в том, что при выходе за пороговые значения АКБ точно будет отключаться от зарядного устройства и нагрузки.

Вывод

Если вы решите самостоятельно собирать БМС плату защиты и мониторинга на Arduino, не жалейте времени на внимательную разработку схемы, выбор подходящих компонентов и тестирование готового проекта. Помните, что от надежности и корректной работы BMS контроллера зависит то, как долго и эффективно проработает литиевая батарея и не будет ли она подвержена рискам возгорания или взрыва.

Ранее в блоге VirtusTec вышла статья об опасности перегрузки источников бесперебойного питания и способах их защиты от повышенных нагрузок.