Balancer a BMS: Kľúčové prvky moderných akumulátorov

V akumulátore, ktorý tvorí sústava viacerých článkov zapojených sériovo, paralelne alebo kombinovane, nikdy nepracujú všetky články úplne rovnako. Niektoré sa nabíjajú rýchlejšie, iné sa vybíjajú pomalšie – a tieto malé rozdiely sa časom zväčšujú. Výsledkom je nerovnomerné zaťaženie akumulátora, znížená kapacita a v extrémnych prípadoch aj riziko poškodenia článkov. Aby sa tomu predišlo, moderné akumulátory používajú balancer – elektroniku, ktorá dohliada na rovnováhu napätí medzi článkami, zabraňuje ich preťaženiu a pomáha udržiavať akumulátor v optimálnom stave. Balancer je spravidla súčasťou komplexnejšieho systému BMS – Battery Management System, ktorý riadi nabíjanie, vybíjanie a chráni celý akumulátor pred poškodením.

BMS verzus Balancer – aký je medzi nimi rozdiel?

Tieto dva pojmy sa často zamieňajú, no nejde o to isté.

BMS (Battery Management System) je riadiaca elektronika, ktorá dohliada na všetky základné parametre akumulátora – napätie, prúd, teplotu či stav nabitia – a zabezpečuje jeho bezpečné nabíjanie aj vybíjanie. Zabraňuje skratu, preťaženiu, prehriatiu aj nadmernému vybitiu článkov.

Balancer je pritom len jedna z funkcií BMS, zameraná na vyrovnávanie napätí medzi jednotlivými článkami. Ak niektorý článok dosiahne vyššie napätie než ostatné, balancer zasiahne – buď prebytočnú energiu rozptýli alebo ju presunie do slabších článkov.

Zjednodušene:

• BMS - „mozog akumulátora“, ktorý riadi a chráni celý systém
• Balancer - „vyrovnávač napätia“, ktorý udržiava harmóniu medzi článkami

V moderných akumulátoroch sú tieto obvody integrované do jedného modulu, no z hľadiska funkcie ide o dva odlišné prvky – riadiaci (BMS) a vyrovnávací (balancer).

Prečo je balancer dôležitý

Ako bolo spomenuté, akumulátory pre náradie, elektrobicykle či solárne úložiská obsahujú viacero navzájom prepojených článkov. Hoci sú všetky články rovnakého typu, už počas výroby vznikajú drobné rozdiely vo vnútornom odpore, kapacite, samovybíjaní či presnosti elektródových vrstiev. Vnútorný odpor článku 18650 môže byť 15–18mΩ a kapacita sa môže líšiť o niekoľko percent. Rozdiely v článkoch ilustračne zobrazuje obr. 1.

Tieto malé odchýlky spôsobujú, že sa články nabíjajú a vybíjajú mierne odlišným tempom.

• článok s vyšším vnútorným odporom sa pri nabíjaní viac zahrieva a skôr dosiahne koncové napätie
• článok s o niečo nižšou kapacitou sa pri vybíjaní vybije skôr ako ostatné
• článok s vyšším samovybíjaním postupne zaostáva za ostatnými

Obr. 1. Rozdiely v článkoch

Tieto rozdiely sa každým cyklom zväčšujú a ak sa nevyrovnávajú, môže nastať problém:

• článok, ktorý sa vybije skôr, je preťažovaný a rýchlo degraduje
• článok, ktorý sa nabije skôr, je ohrozený prebitím a prehrievaním, čo výrazne skracuje jeho životnosť a predstavuje bezpečnostné riziko

Výsledok: akumulátor sa nabíja nerovnomerne, znižuje sa jeho využiteľná kapacita, rastie vnútorné namáhanie článkov a zvyšuje sa riziko poruchy.

Ako funguje balancer

Počas nabíjania niektorý článok dosiahne maximum kapacity skôr ako ostatné. Ak by nabíjanie pokračovalo ďalej, mohol by sa prebíjať – preto balancer:

• sleduje napätie každého článku
• zastavuje nabíjanie článku, ktorý už dosiahol hornú hranicu
• presmeruje časť energie do slabších článkov alebo ju rozptýli ako teplo
• týmto spôsobom vyrovnáva napätia všetkých článkov

Cieľom je, aby pri plne nabitom akumulátore mali všetky články rovnaké napätie, napríklad 4,2V ±0,01V. Rovnaký princíp sa uplatňuje aj pri vybíjaní – aby sa žiadny článok nevybil príliš hlboko.

Prečo je presnosť balancovania dôležitá

Pri Li-ion článkoch typu 18650, ako napríklad Lithplus L1865-2.0P30 alebo L1865-2.5P30, z ktorých sa skladajú naše akumulátory, je maximálne nabíjacie napätie 4,20V ±0,03V. Táto malá tolerancia (iba ±30mV) ukazuje, aké citlivé sú tieto články na presnosť nabíjania – už drobné prekročenie spôsobuje zrýchlené starnutie, prehrievanie alebo dokonca poškodenie článku.

Preto moderné BMS, ktorých súčasťou sú aj balancery, sledujú napätie každého článku s presnosťou v milivoltoch.

Inými slovami – jediný slabší alebo prebitý článok ovplyvní celý akumulátor. Presnosť balancera preto nie je len komfortný bonus, ale kľúčová podmienka bezpečnej prevádzky. Výsledkom je rovnomerné nabíjanie, dlhšia životnosť a vyššia bezpečnosť celého akumulátora.

Podľa spôsobu, akým energia medzi článkami prúdi, rozlišujeme balancery na pasívne a aktívne.

Pasívny balancer

Je najrozšírenejší a zároveň najjednoduchší typ balancera. Pri pasívnom vyrovnávaní sa energia z prebitých článkov nepresúva do ostatných, ale spotrebúva (rozptyľuje) cez rezistory vo forme tepla. Ilustračne to znázorňuje obr. 2.

Obr. 2. Pasívny balancer

Princíp:
Ak má niektorý článok vyššie napätie než ostatné, balancer otvorí odporovú vetvu a časť energie „spáli“. Nabíjanie pokračuje, kým všetky články nedosiahnu rovnakú úroveň.

Výhody:

• jednoduchá a lacná konštrukcia
• vysoká spoľahlivosť

Nevýhody:

• energetická neefektívnosť – prebytočná energia sa mení na teplo
• pomalšie vyrovnávanie
• vhodný pre menšie akumulátory (napr. do náradia)

Typické použitie:
Akumulátory 4S2P (4S2P = osem článkov usporiadaných ako štyri paralelné dvojice zapojené sériovo - o označovaní akumulátorov sa môžete viac dočítať tu) a pod., kde je dôležitá jednoduchosť a cena.

Aktívny balancer

Aktívne balancery predstavujú modernejší a efektívnejší variant. Namiesto toho, aby prebytočnú energiu spálili, presúvajú ju z článkov s vyšším napätím do tých s nižším – buď priamo, alebo využitím elektronických prvkov ako sú napr. kondenzátory alebo cievky ako je to zobrazené na obr. 3.

Princíp:
Elektronika priebežne meria napätia všetkých článkov, prebytočnú energiu „prelieva“ medzi nimi - výsledkom je rovnováha bez energetických strát.

Výhody:

• vysoká účinnosť (takmer žiadna energia sa nestratí)
• rýchlejšie vyrovnávanie
• predlžuje životnosť článkov

Nevýhody:

• zložitejšia a drahšia konštrukcia
• vyžaduje stabilné riadenie a kvalitné komponenty

Typické použitie:
Veľkokapacitné batériové systémy – elektrické bycikle, solárne úložiská, UPS systémy, elektromobily.

Obr. 3. Aktívny balancer

Kombinované systémy – BMS s balancerom

Obr. 4. Pohľad na BMS akumulátora HERMAN BL18053A 18V 5000 mAh

Obr. 4 zobrazuje elektroniku akumulátora HERMAN BL18053A 18V 5000mAh, ktorá plní viacero úloh:

• chráni batériu pred prebitím a podbitím
• sleduje teplotu a prúd
• pri nabíjaní vyrovnáva napätia článkov
• riadi nabíjanie a vybíjanie tak, aby sa dosiahla maximálna životnosť

Potrebuje akumulátor „balancovanie“?
Články v akumulátore s integrovaným BMS s balancerom sa obvykle dokážu vyrovnať automaticky pri nabíjaní. V prípade, že ide o akumulátor bez vstavaného balancera, je potrebné články vyrovnať individuálne – napríklad pomocou servisného balancera pripojeného priamo na jednotlivé články.

Príznaky nevyvážených článkov:

• akumulátor sa nabíja kratšie ako zvyčajne
• napätie pri plnom nabití nie je rovnaké pre všetky články (rozdiel väčší ako 0,05V)
• kapacita akumulátora sa citeľne znížila
• niektoré články sa zahrievajú viac než ostatné
• BMS častejšie prerušuje nabíjanie alebo signalizuje chybu

Ako vyzerá balancer v praxi

Obr. 5 znázorňuje typické zapojenie pre 4S2P konfiguráciu článkov. Na každom článku sú vyvedené balančné vodiče, ktoré vedú do BMS modulu. Ten sleduje napätie každej dvojice článkov a podľa potreby spína balancovanie.

Takto BMS zaručuje, že všetky štyri sériové vetvy budú mať rovnaké napätie, a tým aj rovnaké využitie kapacity.

Obr. 5. Schéma zapojenia článkov 4S2P s balancerom

Záver

Balancer je nenápadná, no mimoriadne dôležitá súčasť akumulátora. Bez neho by sa články časom rozladili – niektoré by sa prebíjali, iné by sa nenabili na plnú kapacitu, čo by viedlo k zníženiu výkonu, prehrievaniu alebo dokonca poškodeniu.

Vďaka balanceru sú všetky články v rovnakej kondícii, akumulátor si zachováva kapacitu a dlhšiu výdrž.

Či už ide o akumulátor pre akumulátorový skrutkovač, alebo batériový blok pre solárny systém – bez správne fungujúceho balancera by to jednoducho nešlo.

Kľúčové slová: balancer, battery balancer, BMS, battery management system, balancovanie článkov, Li-ion akumulátor, články 18650, nabíjanie batérie, sériové zapojenie, paralelné zapojenie, 4S2P, vyrovnávanie článkov, bezpečnosť batérií, životnosť akumulátora, aktívny balancer, pasívny balancer

Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN
https://blog.seidel-philipp.de/diy-build-a-longrange-lithium-ion-battery
https://www.youtube.com/watch?v=ONmyxtp-p54
https://youtu.be/-swoFnETsac
VDE Fact Sheet – Battery Management Systems, 2021, VDE DKE, TUM

Mgr. Peter Halaj

Práca vo firme je mojím prvým zamestnaním a už takmer 25 rokov nič lepšie nepoznám. Začínal som v montérkach ako technik pre záručné a pozáručné opravy HERMAN náradia, niekoľko rokov som riadil úsek servisu, potom som sa zahryzol do logistiky, IT, programovania a venujem sa aj manažérstvu kvality. Nadobudnuté skúsenosti uplatňujem v súčasnosti pri neustálom vylepšovaní a zdokonaľovaní interných procesov a služieb pre zákazníka. Hlavu si rád „prečistím“ pri manuálnej práci vo svojej dielni alebo v sedle bicykla hltaním nespočetných kilometrov u nás na Gemeri a okolí.