PCM vs BMS dla akumulatorów LiPo: jakiego systemu ochrony potrzebuje Twoje urządzenie?

Bateria litowo-polimerowa wymaga czegoś więcej niż tylko odpowiedniego napięcia i pojemności. Jego system ochrony musi także odpowiadać składowi chemicznemu ogniw, liczbie serii, prądowi obciążenia, metodzie ładowania, temperaturze roboczej i informacjom wymaganym przez urządzenie główne.

W specyfikacjach akumulatorów często pojawiają się dwa terminy: PCM, czyli moduł obwodu zabezpieczającego, oraz BMS, czyli system zarządzania akumulatorem.

PCM zwykle koncentruje się na podstawowej ochronie przed awariami, takimi jak przeładowanie, nadmierne rozładowanie, nadmierne natężenie prądu i odcięcie zwarciowe. BMS może zapewniać tę samą ochronę, dodając funkcje takie jak monitorowanie grup komórkowych, równoważenie, szacowanie stanu naładowania, rejestrowanie danych i komunikacja.

To rozróżnienie jest przydatne, ale nie jest absolutne. Wyrafinowany pakiet jednoogniwowy może wymagać BMS, podczas gdy zespół wieloogniwowy może wykorzystywać stosunkowo prostą płytkę zabezpieczającą. Dostawcy mogą również inaczej wykorzystywać PCM, PCB, płytkę zabezpieczającą i BMS.

Właściwy wybór zależy zatem od funkcji, jakich potrzebuje Twoje urządzenie, a nie tylko od nazwy obwodu.

W tym przewodniku porównano funkcje PCM i BMS, wyjaśniono, kiedy każde podejście może być właściwe, oraz przedstawiono praktyczny proces określania ochrony akumulatora litowo-polimerowego.

Kluczowe dania na wynos

• PCM jest przeznaczony przede wszystkim do odłączania akumulatora w przypadku określonych usterek elektrycznych.

• BMS zwykle łączy ochronę z szerszymi funkcjami monitorowania, szacowania, równoważenia, sterowania lub komunikacji.

• PCM i BMS nie są uniwersalnie ustandaryzowanymi kategoriami produktów.

• Rzeczywista specyfikacja obwodu jest ważniejsza niż nazwa wydrukowana na rysunku lub wycenie.

• Pakiet jednoogniwowy może nadal potrzebować BMS, gdy urządzenie wymaga dokładnego procentu naładowania baterii, uwierzytelnienia, diagnostyki lub komunikacji.

• Pakiet składający się z wielu serii wymaga indywidualnego monitorowania serii-grup, nawet jeśli jego płyta zabezpieczająca nazywa się PCM.

• Równoważenie ogniw dotyczy grup napięcia połączonych szeregowo, a nie konwencjonalnego pakietu 1S.

• Ani PCM, ani BMS nie powinny być automatycznie traktowane jako ładowarka akumulatorów.

• Wartości wyzwalania nadprądowego nie są takie same, jak bezpieczne wartości znamionowe prądu ciągłego.

• Ogniwa wysokiego napięcia wymagają ochrony i progów ładowania dostosowanych do ich rzeczywistego składu chemicznego.

• Ochrona temperaturowa jest dostępna tylko wtedy, gdy uwzględniony jest wymagany czujnik, progi i ścieżka sterowania.

• Rozmiar, prąd czuwania, koszt, wydajność prądową i wymagania komunikacyjne należy oceniać łącznie.

• Przed zatwierdzeniem projektu zabezpieczenia do produkcji wymagane są testy na poziomie opakowania i urządzenia.

Co to jest PCM w zestawie akumulatorów LiPo?

PCM oznacza moduł obwodu zabezpieczającego . Jest również powszechnie opisywany jako płytka zabezpieczająca lub płytka zabezpieczająca.

Typowy PCM zawiera układ zabezpieczający, tranzystory MOSFET do ładowania i rozładowywania, rezystory, kondensatory i ścieżki przewodzące do przenoszenia prądu akumulatora. W zależności od konstrukcji może on również zawierać element wykrywający prąd, bezpiecznik, interfejs NTC lub inne komponenty.

Jego głównym celem jest zapobieganie pozostawaniu ogniwa lub pakietu w określonych nieprawidłowych warunkach elektrycznych.

Typowe funkcje PCM

Podstawowy PCM może zapewniać:

• Ochrona przed przeładowaniem i napięciem

• Zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem

• Zabezpieczenie nadprądowe rozładowania

• Zabezpieczenie nadprądowe ładowania

• Zabezpieczenie przed zwarciem

• Kontrola ładowania i rozładowywania MOSFET

• Odzyskiwanie po stanie awaryjnym

Dodatkowe funkcje mogą obejmować:

• Wykrywanie temperatury

• Wtórne zabezpieczenie przeciwprzepięciowe

• Bezpiecznik termiczny

• Identyfikacja paczki

• Opóźnione wykrywanie usterek

• Oddzielne ścieżki kontroli ładowania i rozładowania

Nie każdy moduł zabezpieczający zawiera wszystkie te funkcje. Na przykład bateria może mieć przewód NTC odczytywany przez ładowarkę lub urządzenie główne, a nie przez sam PCM.

Czego zwykle nie zapewnia podstawowy PCM

Konwencjonalny moduł zabezpieczający zwykle nie oferuje zaawansowanych funkcji, takich jak:

• Dokładne raportowanie stanu naładowania

• Ocena stanu zdrowia

• Liczenie cykli

• Przewidywanie pozostałego czasu działania

• Rejestrowanie zdarzeń lub błędów

• Kontrola równoważenia komórek

• Komunikacja cyfrowa

• Uwierzytelnianie baterii

• Oprogramowanie sprzętowe konfigurowalne w terenie

• Szczegółowe dane diagnostyczne

Funkcje te wymagają dodatkowych obwodów pomiarowych, algorytmów, pamięci czy interfejsów komunikacyjnych.

PCM może zatem chronić akumulator, nie informując urządzenia o ilości pozostałej energii użytkowej ani o tym, dlaczego nastąpiło wcześniejsze wyłączenie.

Co to jest BMS?

BMS oznacza system zarządzania baterią . Odnosi się do szerszej kombinacji funkcji monitorowania baterii, ochrony, kontroli i zarządzania danymi.

System BMS można wdrożyć przy użyciu dedykowanego układu scalonego do zarządzania akumulatorem, układu scalonego wskaźnika paliwa, mikrokontrolera, czujników prądu i temperatury, obwodów równoważących, tranzystorów MOSFET, pamięci i komponentów komunikacyjnych. Dokładna architektura zależy od liczby komórek i wymagań urządzenia.

Szersze wprowadzenie do tych funkcji można znaleźć w przewodniku ZERNE w jaki sposób system zarządzania baterią monitoruje i chroni pakiet baterii.

Typowe funkcje BMS

W zależności od projektu BMS może zapewniać:

• Monitorowanie napięcia ogniwa lub grupy szeregowej

• Monitorowanie napięcia pakietu

• Pomiar prądu ładowania i rozładowania

• Monitorowanie temperatury

• Ochrona przed przeładowaniem i nadmiernym rozładowaniem

• Zabezpieczenie nadprądowe i zwarciowe

• Pasywne lub aktywne równoważenie ogniw

• Oszacowanie stanu naładowania

• Ocena stanu zdrowia

• Obliczanie pozostałej pojemności

• Liczenie cykli

• Rejestrowanie usterek i zdarzeń

• Uwierzytelnianie baterii

• Kontrola ładowania i rozładowania

• Komunikacja z urządzeniem głównym lub ładowarką

• Konfigurowalne progi ochrony

• Zarządzanie snem, gotowością i pobudką

BMS nie uwzględnia automatycznie wszystkich funkcji na tej liście. Niektóre systemy zapewniają ochronę i równoważenie, ale nie zapewniają wskaźnika poziomu paliwa. Inne zapewniają dokładne informacje o stanie naładowania, ale polegają na oddzielnym zabezpieczeniu jako dodatkowej warstwie bezpieczeństwa.

Wymagane funkcje muszą być wyraźnie określone w specyfikacji akumulatora.

PCM vs BMS: najważniejsza różnica

Praktyczna różnica polega na zakresie.

PCM pyta przede wszystkim:

Czy akumulator osiągnął określony stan usterki elektrycznej i czy należy przerwać ładowanie lub rozładowywanie?

BMS może również zapytać:

Co dzieje się wewnątrz opakowania, ile energii pozostało, jak starzeją się komórki i jakich informacji lub działań wymaga urządzenie?

Nie oznacza to, że PCM jest niebezpieczny lub że BMS jest zawsze lepszy. Dobrze zaprojektowany PCM może być całkowicie odpowiedni dla kompaktowego produktu 1S o prostych wymaganiach operacyjnych. Niepotrzebnie skomplikowany system zarządzania może zwiększyć koszty, obszar obwodu, czas programowania, zużycie w trybie gotowości i prace związane z integracją oprogramowania bez poprawy komfortu użytkowania.

Celem jest wybranie najprostszej architektury, która spełnia wszystkie wymagania elektryczne, bezpieczeństwa, diagnostyczne i produktowe, z odpowiednim marginesem projektu.

Porównanie PCM i BMS

Ta tabela opisuje powszechną praktykę branżową, a nie uniwersalny standard nazewnictwa. Produkt oznaczony „BMS” może zapewniać jedynie podstawową ochronę przed odcięciem, podczas gdy zaawansowana płytka oznaczona „PCM” może obejmować monitorowanie lub równoważenie temperatury.

Zawsze porównuj specyfikację funkcjonalną, parametry obwodu i wymagania testowe.

Jak działają funkcje zabezpieczające PCM i BMS

Konstrukcje PCM i BMS mogą mieć kilka wspólnych podstawowych funkcji ochronnych. Główna różnica polega na tym, jak bardzo monitorują i co robią z zebranymi informacjami.

Ochrona przed przeładowaniem

Zabezpieczenie przed przeładowaniem monitoruje, czy podczas ładowania ogniwo lub grupa ogniw przekracza zdefiniowany próg napięcia.

Jeśli próg zostanie przekroczony przez określony czas opóźnienia, obwód zabezpieczający może wyłączyć MOSFET ładowania i przerwać ładowanie.

Należy wyróżnić trzy wartości:

• Normalne napięcie zakończenia ładowarki

• Napięcie wykrywania zabezpieczenia

• Napięcie odzyskiwania zabezpieczenia

Próg przeładowania nie powinien być używany jako normalny cel ładowania. Jest to limit błędu, który ma reagować, gdy zawiodła normalna regulacja ładowania lub wystąpił nienormalny stan.

Przykładowo konwencjonalne ogniwo 4,2 V i ogniwo wysokonapięciowe zaprojektowane na 4,35 V lub 4,4 V wymagają różnych parametrów ładowania i ochrony. Produkt za pomocą W przypadku akumulatorów litowo-polimerowych wysokiego napięcia należy stosować progi dopasowane do wybranego ogniwa, a nie typową płytkę zabezpieczającą akumulator litowy.

Ochrona przed nadmiernym rozładowaniem

Zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem odłącza obciążenie, gdy monitorowane napięcie spadnie poniżej określonego limitu.

Funkcja ta pomaga zapobiegać nadmiernemu rozładowaniu ogniwa. Jednakże normalne wyłączenie urządzenia powinno na ogół nastąpić, zanim obwód zabezpieczający osiągnie próg awaryjnego wyłączenia.

Jeśli urządzenie regularnie działa do czasu odłączenia pakietu przez PCM lub BMS, w akumulatorze może wystąpić:

• Nagłe wyłączenie urządzenia

• Zmniejszony cykl życia użytkowego

• Powtarzające się obciążenia niskim napięciem

• Trudności z ponownym uruchomieniem pod obciążeniem

• Niedokładne raportowanie procentu baterii

• Problemy z odzyskiwaniem, gdy napięcie ogniwa jest bardzo niskie

Dlatego należy skoordynować strategię dotyczącą zbyt niskiego napięcia urządzenia głównego i próg ochrony.

Zabezpieczenie nadprądowe

Zabezpieczenie nadprądowe reaguje, gdy prąd ładowania lub rozładowania przekracza zdefiniowany poziom detekcji przez określony czas.

Ustawienie musi uwzględniać prawidłowe zdarzenia obciążenia, takie jak:

• Uruchomienie procesora

• Wybuchy transmisji radiowej

• Rozruch silnika

• Zatrzymanie silnika

• Aktywacja pompy

• Uruchamianie nagrzewnicy

• Ładowanie kondensatora

• Uruchomienie diody LED lub wyświetlacza

• Tymczasowa moc szczytowa

Zbyt niski próg może powodować uciążliwe wyłączenia. Zbyt wysoki próg może nie chronić odpowiednio ogniwa, tranzystorów MOSFET, połączeń wzajemnych, przewodu lub złącza.

Zależność pomiędzy pojemnością akumulatora a możliwością rozładowania omówiono w dalszej części przewodnika Ocena baterii LiPo C.

Zabezpieczenie przed zwarciem

Zabezpieczenie zwarciowe reaguje na bardzo duży prąd lub nagłą zmianę napięcia związaną z uszkodzeniem o niskiej rezystancji.

Jego działanie zależy od czegoś więcej niż tylko bieżącej wartości. Odpowiednie parametry projektowe obejmują:

• Metoda wykrywania

• Próg detekcji

• Opóźnienie reakcji

• Czas przełączania MOSFET-u

• Rezystancja ścieżki prądowej

• Indukcyjność pętli zwarcia

• Metoda odzyskiwania

• Zachowanie łącznika

• Możliwość pomiaru prądu zwarciowego ogniwa

Etykieta stwierdzająca „ochrona przed zwarciem” nie dowodzi, że pakiet będzie zachowywał się prawidłowo w przypadku każdego możliwego uszkodzenia zewnętrznego. Ukończony zespół nadal wymaga zdefiniowanych testów usterek.

Ochrona temperaturowa

Ochrona temperaturowa może wykorzystywać jeden lub więcej termistorów NTC, czujników temperatury IC lub innych elementów czujnikowych.

Czujnik może być monitorowany poprzez:

• Obwód ochronny

• BMS-a

• Ładowarka

• Urządzenie hosta

• Więcej niż jeden system

Specyfikacja powinna określać, który system odczytuje czujnik, a który może zatrzymać ładowanie lub rozładowywanie.

Limity temperatur mogą się różnić w przypadku:

• Ładowanie

• Ciągłe rozładowanie

• Szczytowe rozładowanie

• Składowanie

• Praca w niskiej temperaturze

• Praca w wysokiej temperaturze

Akumulator z przewodem NTC nie ma automatycznie autonomicznego odcięcia temperatury. NTC może przekazywać informacje wyłącznie innemu administratorowi.

Równoważenie komórek

Równoważenie ogranicza różnice napięć pomiędzy grupami połączonymi szeregowo.

Podstawowy pasywny obwód równoważący usuwa podczas ładowania niewielką ilość ładunku z grupy o wyższym napięciu. Bardziej zaawansowane systemy mogą kontrolować równoważenie w zależności od napięcia, stanu naładowania, temperatury lub stanu pracy.

Równoważenie nie jest wymagane pomiędzy grupami szeregowymi w konwencjonalnym pakiecie 1S, ponieważ istnieje tylko jedna grupa napięciowa. Pakiet 1S2P jest również traktowany jako jedna grupa napięciowa, chociaż jego równoległe ogniwa nadal muszą być ściśle dopasowane.

Wyważanie nie może naprawić:

• Uszkodzona komórka

• Poważna utrata pojemności

• Wysokie samorozładowanie

• Słabe spawanie

• Główne różnice w rezystancji

• Nieprawidłowa konfiguracja pakietu

• Nieodpowiednia ładowarka

Pakiet, w którym stale występuje znaczna niezrównoważenie, wymaga zbadania, a nie samego wyższego prądu wyrównawczego.

PCM jest zwykle odpowiedni, gdy…

PCM może być odpowiedni, gdy produkt ma stosunkowo proste wymagania dotyczące baterii.

Typowe warunki obejmują:

• Pakiet posiada jedną szeregową grupę napięciową

• Urządzenie nie wymaga dokładnego raportowania procentu naładowania baterii

• Nie jest wymagana żadna komunikacja cyfrowa

• System hosta zarządza już interfejsem użytkownika i normalnym zamknięciem

• Wystarczające jest podstawowe zabezpieczenie napięciowe, prądowe i przeciwzwarciowe

• Temperatura jest monitorowana przez ładowarkę lub urządzenie główne

• Rozmiar obwodu jest bardzo ograniczony

• Ważne jest bardzo niskie zużycie energii w trybie gotowości

• Akumulator nie jest przeznaczony do dostarczania danych serwisowych ani diagnostycznych

• Progi ochrony mogą pozostać stałe

• Profil obciążenia jest przewidywalny i został zatwierdzony

Możliwe zastosowania obejmują czujniki kompaktowe, podstawowe trackery, proste produkty oświetleniowe, małą elektronikę użytkową i inne urządzenia, które wymagają niezawodnego odcinania usterek bez funkcji inteligentnych baterii.

Słowo „prosty” odnosi się do wymagań dotyczących zarządzania, a nie do znaczenia aplikacji. Małe urządzenie może nadal wymagać zaawansowanego monitorowania, jeśli ważne jest wykrywanie awarii, dokładne informacje o czasie działania lub identyfikowalność.

BMS jest zwykle preferowany, gdy…

Szerszy system zarządzania może być odpowiedni, gdy urządzenie wymaga funkcji wykraczających poza podstawowe zabezpieczenie przed odcięciem.

Typowe przyczyny to:

• Pakiet zawiera wiele grup połączonych szeregowo

• Należy monitorować napięcia poszczególnych grup

• Wymagane jest zrównoważenie komórek

• Urządzenie wyświetla dokładny procent naładowania baterii

• Należy oszacować pozostały czas pracy

• Urządzenie hosta potrzebuje danych dotyczących napięcia, prądu i temperatury akumulatora

• Pakiet musi zgłaszać usterki

• Wymagana jest liczba cykli lub stan zdrowia

• Wymagane jest uwierzytelnienie baterii

• System ładowania komunikuje się z pakietem

• Ustawienia ochrony muszą być konfigurowalne

• Aplikacja wykorzystuje wymienną inteligentną baterię, którą można wymienić na miejscu

• Pakiet obsługuje wiele trybów pracy

• Produkt wymaga diagnostyki serwisowej lub zapisu zdarzeń

• Urządzenie posiada zmienny lub wymagający profil obciążenia

• System musi koordynować zachowanie baterii z innymi podsystemami

Wymagania te często pojawiają się w przypadku terminali przenośnych, elektroniki medycznej, robotyki, instrumentów przemysłowych, przenośnego sprzętu testowego, urządzeń komunikacyjnych i produktów podłączonych do sieci.

Czy każda bateria LiPo 1S potrzebuje tylko PCM?

NIE.

Pakiet 1S ma tylko jedną szeregową grupę napięciową, więc nie wymaga równoważenia pomiędzy ogniwami połączonymi szeregowo. Zmniejsza to złożoność obwodu, ale nie eliminuje potrzeby stosowania funkcji zarządzania.

Bateria jednoogniwowa może nadal wymagać układu BMS lub inteligentnego obwodu baterii, gdy urządzenie wymaga:

• Dokładne raportowanie stanu naładowania

• Oszacowanie pozostałego czasu działania

• Pomiar prądu

• Liczenie cykli

• Śledzenie stanu zdrowia

• Historia usterek

• Uwierzytelnianie baterii

• Komunikacja cyfrowa

• Konfigurowalna ochrona

• Wiele pomiarów temperatury

Na przykład podłączone urządzenie medyczne i prosty produkt LED mogą wykorzystywać ogniwo etui 3,7 V. Ich napięcie baterii może być takie samo, ale wymagania dotyczące monitorowania, diagnostyki i niezawodności są bardzo różne.

Sama liczba serii nie powinna określać architektury ochrony.

Czy każdy pakiet składający się z wielu serii potrzebuje BMS?

Akumulator wieloszeregowy wymaga zabezpieczenia monitorującego każdą połączoną szeregowo grupę napięcia. Monitorowanie wyłącznie całkowitego napięcia pakietu nie jest wystarczające.

Przykładowo pakiet 2S o całkowitym napięciu 8,0 V może zawierać:

• Dwie grupy po 4,0 V każda

• Jedna grupa przy 4,15 V i jedna przy 3,85 V

• Jedna grupa przy 4,25 V i jedna przy 3,75 V

To samo całkowite napięcie może ukryć grupę, która przekroczyła dozwolony limit.

Stosunkowo prosta wieloogniwowa płytka zabezpieczająca może zapewniać indywidualne wykrywanie napięcia bez zapewniania komunikacji, pomiaru poziomu paliwa lub zaawansowanej diagnostyki. Niektórzy dostawcy nazywają ten obwód wielokomórkowym PCM, podczas gdy inni nazywają go podstawowym BMS.

Zasadnicze wymagania są następujące:

• Odpowiada dokładnej liczbie serii

• Monitoruje każdą grupę serii

• Wykorzystuje prawidłowe progi napięcia

• Obsługuje wymagany prąd

• Prawidłowo reaguje na brak równowagi

• Zapewnia równoważenie, jeżeli wymaga tego konstrukcja

• Pasuje do ładowarki i składu chemicznego ogniwa

• Ma odpowiednią temperaturę i zachowanie w przypadku usterek

Ważniejsza jest specyfikacja funkcjonalna niż to, czy w ofercie zastosowano PCM czy BMS.

Przykłady urządzeń: PCM czy BMS?

To są punkty wyjścia, a nie ostateczne zalecenia. Ocena ryzyka urządzenia, profil działania, obowiązujące standardy, architektura ładowarki i konstrukcja pakietu mogą zmienić wybór.

Jak wybrać pomiędzy PCM a BMS

1. Sprawdź skład chemiczny ogniwa i limity napięcia

Dokument:

• Chemia komórkowa

• Napięcie nominalne

• Maksymalne napięcie ładowania

• Zalecany limit rozładowania

• Liczba grup serii

• Liczba równoległych komórek na grupę

• Limit prądu ładowania

• Możliwość ciągłego rozładowania

• Szczytowa zdolność rozładowania

• Dopuszczalny zakres temperatur

Nie wybieraj płytki zabezpieczającej z samej etykiety „Akumulator 3,7 V”. Ogniwa o podobnych napięciach nominalnych mogą stosować różne maksymalne limity ładowania.

2. Zdefiniuj profil obciążenia urządzenia

Zmierz lub oszacuj:

• Prąd uśpienia

• Prąd czuwania

• Typowy prąd

• Maksymalny prąd ciągły

• Prąd szczytowy

• Szczytowy czas trwania

• Prąd rozruchowy

• Prąd utyku silnika

• Powtarzający się prąd impulsowy

• Prąd zwarciowy

• Prąd ładowania

Krótkie impulsy obciążenia mogą mieć wpływ na wybór zabezpieczenia nawet wtedy, gdy średni prąd jest niski.

Na przykład bezprzewodowy tracker może spędzać większość czasu w stanie niskiego poboru mocy, a następnie pobierać krótki impuls prądowy podczas transmisji danych. PCM lub BMS musi umożliwiać prawidłowy impuls bez nadmiernego spadku napięcia lub uciążliwego odcięcia.

3. Zdecyduj, co urządzenie musi wiedzieć

Zapytaj, czy urządzenie hosta potrzebuje tylko zasilania, czy także informacji o baterii.

Możliwe wymagania dotyczące danych obejmują:

• Napięcie pakietu

• Indywidualne napięcie grupowe

• Aktualny

• Temperatura

• Stan naładowania

• Pozostała pojemność

• Pozostały czas działania

• Stan zdrowia

• Liczba cykli

• Kod błędu

• Identyfikator baterii

• Dane produkcyjne

Jeśli urządzenie potrzebuje jedynie ostrzeżenia o niskim poziomie naładowania baterii, wystarczający może być ADC hosta. Jeśli musi wyświetlać niezawodny procent naładowania baterii przy zmiennym obciążeniu i temperaturze, konieczna może być funkcja wskaźnika poziomu paliwa.

4. Ustal, czy wymagana jest komunikacja

Inteligentny BMS może komunikować się poprzez:

• I²C

• SMBus

• UART

• MÓC

• RS-485

• Opatentowany interfejs jednoprzewodowy

• Kolejny protokół specyficzny dla produktu

Interfejs musi zostać uzgodniony wcześniej, ponieważ ma wpływ na złącze akumulatora, liczbę styków, oprogramowanie hosta, proces testowania i strategię wymiany.

Sama nazwa protokołu nie wystarczy. Zespół urządzenia i dostawca baterii powinni również określić:

• Pola danych

• Adresowanie

• Szybkość aktualizacji

• Zachowanie po przebudzeniu

• Obsługa błędów

• Uprawnienia do poleceń

• Własność oprogramowania

• Zgodność między wersjami

5. Zdefiniuj odpowiedzialność za wykrywanie temperatury

Sprecyzować:

• Liczba czujników temperatury

• Typ czujnika i rezystancja

• Lokalizacja czujnika

• Limity temperatury ładowania

• Limity temperatury rozładowania

• Temperatury odzyskiwania

• Który kontroler odczytuje każdy czujnik

• Który kontroler może przerwać ładowanie

• Który kontroler może zatrzymać rozładowywanie

Pakiet kompaktowy może wykorzystywać jeden NTC w pobliżu korpusu ogniwa. Zespół o większym lub większym natężeniu prądu może wymagać oddzielnych czujników w pobliżu ogniw i elementów zabezpieczających.

6. Oceń monitorowanie i równoważenie serii i grup

W przypadku konfiguracji obejmujących wiele serii należy określić:

• Liczba monitorowanych grup

• Dokładność pomiaru napięcia

• Progi przeładowania i nadmiernego rozładowania

• Opóźnienie wykrywania

• Zachowanie regeneracyjne

• Dopuszczalna różnica napięć grupowych

• Równoważenie napięcia początkowego

• Prąd równoważący

• Warunki równoważenia

• Usterka w przypadku odłączenia przewodu czujnikowego

Równoważenie należy dobrać w zależności od konsystencji ogniw, liczby serii, metody ładowania, oczekiwanego starzenia i profilu operacyjnego.

7. Sprawdź rzeczywistą ścieżkę prądu

Nie wybieraj deski wyłącznie według jej reklamowanego prądu.

Prąd użyteczny zależy od:

• MOSFET o rezystancji

• Liczba i rozmieszczenie tranzystorów MOSFET

• Grubość miedzi PCB

• Rezystancja w sensie prądu

• Odporność na zaczepy i spoiny

• Grubość i długość drutu

• Rezystancja złącza

• Warunki chłodzenia

• Temperatura obudowy

• Szczytowy czas trwania

• Czas ochrony

Płyta zabezpieczająca opisana jako „10 A” może nie być w stanie w sposób ciągły przenosić prądu 10 A w szczelnie zamkniętym urządzeniu kompaktowym bez nadmiernego wzrostu temperatury.

Aktualna wartość znamionowa musi zostać sprawdzona w przeznaczonym opakowaniu i obudowie.

8. Weź pod uwagę zasilanie w trybie gotowości

Zarówno obwody PCM, jak i BMS zużywają energię.

Staje się to szczególnie ważne w:

• Ogniwa o małej pojemności

• Produkty o długim przechowywaniu

• Urządzenia śledzące

• Zdalne czujniki

• Sprzęt awaryjny

• Produkty z długim terminem wysyłki

• Urządzenia, które większość czasu spędzają w stanie uśpienia

Inteligentny system zarządzania może oferować tryb niskiego poboru mocy lub tryb wysyłki, ale jego działanie należy zweryfikować. Ważne specyfikacje obejmują:

• Normalny prąd roboczy

• Prąd uśpienia

• Prąd wyłączenia

• Metoda budzenia

• Zachowanie w trybie przechowywania

• Regeneracja po głębokim śnie

Zaawansowany obwód, który wyczerpuje baterię podczas przechowywania, może być mniej odpowiedni niż prostszy PCM, nawet jeśli zapewnia więcej funkcji.

9. Dopasuj ładowarkę do kompletnego pakietu

Ładowarka powinna zapewniać prawidłowy profil ładowania, limit napięcia i regulację prądu dla wybranego składu chemicznego i konfiguracji ogniwa.

PCM lub BMS to na ogół warstwa ochronna, a nie normalny regulator ładowania.

Niektóre zintegrowane rozwiązania łączą funkcje ładowania i zarządzania, ale należy to potwierdzić na podstawie rzeczywistego projektu. Dostawca nie powinien zakładać, że tablica kontroluje ładowanie tylko dlatego, że nazywa się ją BMS.

Potwierdzać:

• Napięcie wyjściowe ładowarki

• Zakres prądu ładowania

• Metoda zakończenia ładowania

• Kontrola temperatury

• Zachowanie przed ładowaniem

• Próg ładowania

• Wymagania komunikacyjne

• Zachowanie po wyłączeniu ochrony

• Zgodność ze ścieżką zasilania hosta

10. Zdefiniuj zachowanie w przypadku awarii i odzyskiwania

Ochrona nie dotyczy tylko sytuacji rozłączenia akumulatora. Zespół zajmujący się urządzeniem musi także zrozumieć, co dzieje się później.

Określić:

• Czy ścieżki ładowania i rozładowania są kontrolowane oddzielnie

• Czy do odzyskiwania wymagana jest ładowarka

• Czy ładunek musi zostać usunięty

• Czy odzyskiwanie jest automatyczne

• Czy usterka trwała jest zablokowana

• Czy host otrzymuje kod błędu

• Czy przechowywane dane są zachowywane

• Czy użytkownik może ponownie uruchomić urządzenie

• Czy wymagana jest interwencja serwisu

Nieoczekiwane zachowanie w trybie odzyskiwania może spowodować awarie pola, nawet jeśli obwód zabezpieczający działa prawidłowo.

Dlaczego sama nazwa ochronna nie wystarczy

Cytat stwierdzający tylko „w zestawie PCM” lub „w zestawie BMS” jest niekompletny.

Dostawca powinien określić co najmniej:

• Wspierana chemia

• Liczba serii

• Maksymalne napięcie ładowania

• Wykrywanie przeładowania i napięcie odzyskiwania

• Wykrywanie nadmiernego rozładowania i napięcie odzyskiwania

• Próg przetężenia ładowania

• Próg przetężenia rozładowania

• Reakcja na zwarcie

• Możliwość pracy w trybie prądu stałego

• Wydajność i czas trwania prądu szczytowego

• Funkcje monitorowania temperatury

• Funkcje równoważenia komórek

• Bieżące zużycie

• Interfejs komunikacyjny

• Funkcja wskaźnika paliwa

• Złącze i układ pinów

• Zachowanie regeneracyjne

• Wymiary fizyczne

Jeśli wymagany jest inteligentny BMS, dokumentacja może również wymagać:

• Protokół komunikacyjny

• Zarejestruj mapę

• Plik konfiguracyjny

• Wersja oprogramowania

• Algorytm stanu naładowania

• Proces kalibracji

• Metoda uwierzytelniania

• Zachowanie polegające na zatrzymywaniu danych

• Procedura aktualizacji i kontroli wersji

Nazwa płytki to dopiero początek specyfikacji.

Typowe błędy w wyborze PCM i BMS

Informacje, które należy przekazać producentowi baterii LiPo

Kompletne zapytanie umożliwia dostawcy baterii zarekomendowanie systemu PCM lub BMS opartego na urządzeniu, a nie na ogólnej płycie.

Wymagania dotyczące baterii

• Napięcie nominalne

• Maksymalne napięcie ładowania

• Wymagana pojemność

• Konfiguracja szeregowa i równoległa

• Preferowana chemia komórkowa

• Maksymalne wymiary akumulatora

• Limit wagi

• Oczekiwany cykl życia

• Temperatura pracy i przechowywania

• Docelowy czas ładowania

Wymagania dotyczące obciążenia

• Typowy prąd

• Maksymalny prąd ciągły

• Prąd szczytowy

• Szczytowy czas trwania

• Prąd rozruchowy

• Prąd utknięcia silnika lub rozruchu nagrzewnicy

• Prąd uśpienia

• Wymagany czas działania

• Próg zbyt niskiego napięcia urządzenia

Wymagania dotyczące ochrony

• Ochrona przed przeładowaniem

• Zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem

• Zabezpieczenie nadprądowe ładowania

• Zabezpieczenie nadprądowe rozładowania

• Zabezpieczenie przed zwarciem

• Wykrywanie temperatury

• Bezpiecznik dodatkowy lub warstwa ochronna

• Równoważenie komórek

• Wymagane zachowanie przy usuwaniu usterek

Wymagania dotyczące inteligentnej baterii

• Wyświetlanie procentu baterii

• Dokładność stanu naładowania

• Ocena stanu zdrowia

• Liczba cykli

• Obliczanie pozostałego czasu działania

• Rejestrowanie usterek

• Uwierzytelnianie baterii

• Protokół komunikacyjny

• Wymagania dotyczące oprogramowania sprzętowego lub rejestru

Wymagania dotyczące połączenia

• Producent i seria złącza

• Złącze współpracujące

• Liczba pinów

• Pinout

• Biegunowość

• Wskaźnik drutu

• Długość drutu

• Przewód NTC

• Przewód balansowy

• Przewody komunikacyjne

• Kierunek wyjścia kabla

ZERNE’a niestandardowe rozwiązania w zakresie akumulatorów litowo-polimerowych mogą integrować wybór ogniw, funkcje PCM lub BMS, wykrywanie temperatury, złącza, okablowanie i strukturę pakietu wokół wymagań elektrycznych i mechanicznych urządzenia OEM.

Jak zweryfikować wybrany system ochrony

Wybrany PCM lub BMS należy ocenić najpierw na poziomie akumulatora, a następnie wewnątrz urządzenia końcowego.

Odpowiednia weryfikacja może obejmować:

• Kompatybilność ładowania

• Napięcie pełnego ładowania

• Wykrywanie przeładowania

• Wykrywanie nadmiernego rozładowania

• Praca w trybie prądu stałego

• Odpowiedź na prąd szczytowy

• Zachowanie startowe

• Reakcja na zwarcie

• Wzrost temperatury MOSFET-u

• Wzrost temperatury złącza

• Spadek napięcia

• Dokładność czujnika temperatury

• Zachowanie w niskich i wysokich temperaturach

• Pomiar napięcia szeregowo-grupowego

• Równoważenie komórek

• Dokładność stanu naładowania

• Stabilność komunikacji

• Zachowanie podczas snu i budzenia się

• Prąd w trybie wysyłki

• Rejestrowanie usterek

• Odzyskiwanie po wyłączeniu ochrony

• Powtarzające się cykle ładowania i rozładowania

• Długotrwałe przechowywanie

• Zachowanie przy wyłączaniu urządzenia

Testowanie powinno wykorzystywać ogniwa przeznaczone do celów produkcyjnych, złącza, przewody, złącza, materiały obudowy, oprogramowanie sprzętowe i ustawienia ładowarki.

Bateria, która pomyślnie przejdzie test prądu na otwartej próbie, może zachowywać się inaczej w zamkniętym urządzeniu. Środowisko termiczne i cała ścieżka prądowa mogą wpływać na spadek napięcia, temperaturę MOSFET, podział prądu i zachowanie odcięcia.

The System kontroli jakości akumulatorów litowo-polimerowych dostarcza dalszych informacji na temat konsystencji ogniw, monitorowania procesu, weryfikacji elektrycznej i kontroli gotowego akumulatora.

Wniosek

Zarówno PCM, jak i BMS mogą chronić akumulator LiPo, ale zostały zaprojektowane z myślą o różnych poziomach odpowiedzialności za system.

PCM zwykle zapewnia niezbędną ochronę przed napięciem, prądem i zwarciem w kompaktowym obwodzie o niskim stopniu złożoności. Może być odpowiedni, gdy urządzenie ma przewidywalne obciążenie, nie wymaga szczegółowych informacji o akumulatorze i obsługuje normalne ładowanie i wyłączanie za pośrednictwem innych części systemu.

BMS staje się bardziej przydatny, gdy akumulator musi monitorować wiele grup serii, równoważyć ogniwa, szacować pozostałą pojemność, rejestrować błędy, uwierzytelniać pakiet lub komunikować się z urządzeniem głównym.

Wyboru nie należy opierać wyłącznie na wielkości opakowania, pojemności lub liczbie serii. Małe urządzenie jednokomórkowe może wymagać inteligentnego zarządzania, podczas gdy większy zestaw może wymagać jedynie dobrze określonej podstawowej ochrony. Podobnie ani etykieta PCM, ani BMS nie gwarantuje określonych funkcji temperaturowych, równoważących, pomiarowych lub komunikacyjnych.

Ostateczna specyfikacja ochrony powinna odpowiadać składowi chemicznemu ogniwa, profilowi ​​obciążenia, ładowarce, ścieżce prądowej, temperaturze roboczej, docelowemu trybowi gotowości, oprogramowaniu urządzenia i oczekiwanemu zachowaniu w przypadku awarii. Potwierdzenie tych wymagań przed wyprodukowaniem próbki pomaga zapobiegać uciążliwym przestojom, niedokładnym raportom dotyczącym akumulatorów, nadmiernemu nagrzewaniu i przeprojektowaniu produktu na późnym etapie.

Często zadawane pytania

Jaka jest główna różnica między PCM a BMS?

PCM zapewnia głównie ochronę przed awariami elektrycznymi, podczas gdy BMS może łączyć ochronę z monitorowaniem, równoważeniem, oceną stanu, diagnostyką i komunikacją. Dokładne funkcje różnią się w zależności od produktu, dlatego specyfikacja jest bardziej wiarygodna niż nazwa.

Czy każda bateria LiPo potrzebuje PCM lub BMS?

Akumulator litowo-polimerowy wymaga odpowiedniej strategii ochrony na poziomie systemu. Zabezpieczenie może być zintegrowane z pakietem baterii, urządzeniem lub innym odpowiednim obwodem, w zależności od architektury produktu. Ogniwa nie należy używać bez sprawdzonych kontroli przeładowania, nadmiernego rozładowania, przetężenia, zwarcia, ładowania i kontroli temperatury odpowiednich do zastosowania.

Czy PCM to to samo, co płytka zabezpieczająca PCB?

Terminy te są często używane zamiennie. Technicznie rzecz biorąc, PCB odnosi się do samej płytki drukowanej, podczas gdy PCM odnosi się do kompletnego modułu obwodu zabezpieczającego. Jednakże w komercyjnych ofertach akumulatorów dostawcy mogą stosować PCM, PCB i płytkę zabezpieczającą do podobnych zespołów.

Czy PCM może zrównoważyć komórki?

Niektóre wieloogniwowe moduły zabezpieczające obejmują równoważenie, ale wiele podstawowych modułów PCM tego nie robi. Jeżeli wymagane jest równoważenie, należy wyraźnie określić jego napięcie początkowe, prąd, dokładność i warunki pracy.

Czy BMS może ładować akumulator LiPo?

Nie koniecznie. BMS może monitorować lub kontrolować, czy ładowanie jest dozwolone, ale oddzielna ładowarka zwykle reguluje wymagany profil prądu i napięcia. Niektóre układy scalone łączą funkcje ładowania i zarządzania akumulatorem, dlatego należy potwierdzić rzeczywistą architekturę.

Czy akumulator LiPo 1S potrzebuje BMS?

Podstawowy pakiet 1S może wymagać jedynie PCM, ale BMS może być odpowiedni, jeśli urządzenie wymaga dokładnego raportowania stanu naładowania, pomiaru prądu, komunikacji, uwierzytelniania, rejestrowania usterek lub innych inteligentnych funkcji.

Czy akumulator 2S potrzebuje BMS 2S?

Wymaga obwodu zabezpieczającego i monitorującego przeznaczonego dla dwóch połączonych szeregowo grup napięciowych. Produkt można nazwać 2S BMS lub 2S PCM, ale musi monitorować obie grupy i odpowiadać wymaganiom dotyczącym składu chemicznego, prądu, napięcia ładowania i równoważenia.

Czy BMS jest zawsze bezpieczniejszy niż PCM?

Nie. Bezpieczeństwo zależy od kompletnego projektu, parametrów komponentów, ustawień zabezpieczeń, jakości ogniwa, ładowarki, okablowania, złącza, konstrukcji mechanicznej i walidacji. Prawidłowo określony PCM może być bardziej odpowiedni niż źle dopasowany BMS.

Czy czujnik NTC sam w sobie zapewnia ochronę temperaturową?

Nie. NTC to element wyczuwający temperaturę. Ładowarka, urządzenie główne, PCM lub BMS muszą go odczytać i podjąć wymagane działania, gdy temperatura przekroczy określone limity.

Jak wybrać aktualną ocenę PCM lub BMS?

Użyj maksymalnego prądu ciągłego urządzenia, prądu szczytowego, czasu trwania szczytu, prądu rozruchu lub utyku, prądu ładowania i temperatury roboczej. Sprawdź także straty MOSFET, układ płytki, przewód, złącze, spadek napięcia, progi detekcji i wydajność cieplną.

Która opcja zużywa mniej energii w trybie gotowości?

Podstawowy PCM generalnie zużywa mniej energii niż bogaty w funkcje BMS, ale rzeczywiste wartości znacznie się różnią. Porównaj prąd pracy, uśpienia, wyłączenia i transportu, korzystając z rzeczywistych specyfikacji obwodu.

Czy PCM lub BMS można dostosować do urządzenia OEM?

Tak. Progi zabezpieczeń, liczba serii, wydajność prądowa, czujniki temperatury, równoważenie, komunikacja, pomiar paliwa, złącze, układ pinów, długość przewodu, wymiary fizyczne i zachowanie w zakresie odzyskiwania mogą być zaprojektowane w oparciu o wymagania urządzenia.