Balanszírozó és BMS: A modern akkumulátorok kulcsfontosságú elemei

Az akkumulátorban, amely több sorba, párhuzamosan vagy kombináltan kapcsolt cellából áll, soha nem működik az összes cella teljesen egyformán. Néhányuk gyorsabban töltődik, mások lassabban merülnek le – és ezek a kis különbségek idővel egyre nagyobbak lesznek. Ez az akkumulátor egyenetlen terhelését eredményezi, csökken a kapacitása, és szélsőséges esetekben a cellák károsodhatnak is. Ennek elkerülése érdekében a modern akkumulátorok balanszírozót használnak – ez egy elektronikus eszközt, amely felügyeli a feszültség egyensúlyát a cellák között, megakadályozza azok túlterhelését, és segít az akkumulátor optimális állapotának fenntartásában. A balanszírozó általában egy komplexebb BMS – Battery Management System (akkumulátor menedzsment rendszer) része, amely irányítja a töltést, a kisütést és védi az egész akkumulátort a károsodástól.

BMS kontra Balanszírozó – mi a különbség közöttük?

Ezt a két fogalmat gyakran összekeverik, de nem ugyanazok.

A BMS (Battery Management System) egy vezérlő elektronika, amely felügyeli az akkumulátor összes alapvető paraméterét – feszültség, áram, hőmérséklet vagy töltöttségi állapot – és biztosítja annak biztonságos töltését és lemerülését. Megakadályozza a rövidzárlatot, a túlterhelést, a túlmelegedést és a cellák túlzott lemerülését.

A balanszírozó csak a BMS egyik funkciója, amelynek célja a feszültség kiegyenlítése az egyes cellák között. Ha valamelyik cella magasabb feszültséget ér el, mint a többi, a balanszírozó beavatkozik – vagy eloszlatja a felesleges energiát, vagy átirányítja azt a gyengébb cellákba.

Egyszerűbben fogalmazva:

• BMS - „az akkumulátor agya”, amely az egész rendszert irányítja és védi
• Balanszírozó - „feszültségkiegyenlítő”, amely fenntartja a harmóniát a cellák között

A modern akkumulátorokban ezek az áramkörök egyetlen modulba vannak integrálva, de funkciójukat tekintve két különböző egységről van szó – a vezérlőről (BMS) és a balanszírozóról (balancer).

Miért fontos a balanszírozó?

Mint már említettük, az elektromos kéziszerszámokhoz, elektromos kerékpárokhoz vagy napenergia-tárolókhoz használt akkumulátorok több, egymással összekapcsolt cellából állnak. Bár az összes cella azonos típusú, már a gyártás során is kis eltérések keletkeznek a belső ellenállás, a kapacitás, az önkisülés vagy az elektródrétegek pontossága tekintetében. Az 18650-es cella belső ellenállása 15–18mΩ lehet, a kapacitás pedig néhány százalékkal eltérhet. Az cellák közötti különbségeket az 1. ábra szemlélteti.

Ezek miatt a kis eltérések miatt az cellák kissé eltérő sebességgel töltődnek fel és lemerülnek le.

• a nagyobb belső ellenállású cella töltés közben jobban felmelegszik, és hamarabb éri el a végfeszültséget
• a valamivel kisebb kapacitású cella lemerülése gyorsabb, mint a többié
• a nagyobb önkisülésű cella fokozatosan lemarad a többitől

1. ábra. A cellák eltérései

Ezek a különbségek minden ciklussal növekednek, és ha nem egyenlítik ki őket, probléma léphet fel:

• a hamarabb lemerülő cella túlterhelt és gyorsan degradálódik
• a hamarabb feltöltődő cella a túltöltődés és a túlmelegedés veszélyének van kitéve, ami jelentősen lerövidíti élettartamát és biztonsági kockázatot jelent

Eredmény: az akkumulátor egyenetlenül töltődik, csökken a hasznos kapacitása, nő az cellák belső terhelése és nő a meghibásodás kockázata.

Hogyan működik a balanszírozó?

Töltés közben valamelyik cella hamarabb eléri a maximális kapacitását, mint a többi. Ha a töltés folytatódna, túltöltődne – ezért a balanszírozó:

• figyeli mindegyik cella feszültségét
• leállítja a már a felső határt elért cella töltését
• az energia egy részét a gyengébb cellákba irányítja, vagy hő formájában leadja
• ezzel a módszerrel kiegyenlíti az összes cella feszültségét

A cél az, hogy a teljesen feltöltött akkumulátorban minden cellának azonos feszültsége legyen, például 4,2 V ±0,01 V. Ugyanez az elv érvényes a lemerítésre is – hogy egyetlen cella se merüljön le túlságosan.

Miért fontos a balanszírozás pontossága?

Az 18650 típusú lítium-ion celláknál, mint például a Lithplus L1865-2.0P30 vagy L1865-2.5P30, amelyekből akkumulátoraink készülnek, a maximális töltési feszültség 4,20V ±0,03V. Ez a kis tűrés (csak ±30 mV) mutatja, mennyire érzékenyek ezek a cellák a töltés pontosságára – már egy kis túllépés is gyorsabb öregedést, túlmelegedést vagy akár a cella károsodását okozhatja.

Ezért a modern BMS-ek, amelyeknek része a balanszírozó is, millivoltos pontossággal figyelik minden cella feszültségét.

Más szavakkal - egyetlen gyengébb vagy túltöltött cella is hatással van az egész akkumulátorra. A balanszírozó pontossága ezért nem csak kényelmi bónusz, hanem a biztonságos működés alapvető feltétele. Az eredmény egyenletes töltés, hosszabb élettartam és nagyobb biztonság az egész akkumulátor számára.

Az cellák közötti energiaáramlás módja alapján a balanszírozókat passzív és aktív típusúakra osztjuk.

Passzív balanszírozó

Ez a legelterjedtebb és egyben a legegyszerűbb típusú balanszírozó. Passzív kiegyenlítés esetén a túltöltött cellákból származó energia nem kerül át a többi cellába, hanem ellenállásokon keresztül hővé alakul (eloszlik). Ezt szemlélteti a 2. ábra.

2. ábra. Passzív balanszírozó

Elv:
Ha valamelyik cellának magasabb a feszültsége, mint a többinek, a balanszírozó megnyitja az ellenállási áramkör ágat, és egy részét az energiának „elégeti”. A töltés addig folytatódik, amíg az összes cella el nem éri az azonos szintet.

Előnyök:

• egyszerű és olcsó konstrukció
• magas megbízhatóság

Hátrányok:

• energetikailag nem hatékony – a felesleges energia hővé alakul
• lassabb kiegyenlítés
• alkalmas kisebb akkumulátorokhoz (pl. akkus kéziszerszámokhoz)

Tipikus felhasználási terület:
4S2P akkumulátorok (4S2P = nyolc cella, négy párhuzamosan kapcsolt cella egységből, két egység sorba kapcsolva – az akkumulátorok jelöléséről itt) olvashat bővebben) és hasonlóak, ahol a egyszerűség és az ár fontos.

Aktív balanszírozó

Az aktív balanszírozók egy modernebb és hatékonyabb változatot képviselnek. Ahelyett, hogy a felesleges energiát elégetnék, azt a magasabb feszültségű cellákból az alacsonyabb feszültségűekbe továbbítják – akár közvetlenül, akár elektronikus alkatrészek, például kondenzátorok vagy tekercsek segítségével, ahogyan az a 3. ábrán látható.

Elv:
Az elektronika folyamatosan méri az összes cella feszültségét, és a felesleges energiát „áttölti” egymás között – ezáltal energiaveszteség nélküli egyensúly jön létre.

Előnyök:

• magas hatékonyság (szinte semmi energia nem vész el)
• gyorsabb kiegyenlítés
• meghosszabbítja az cellák élettartamát

Hátrányok:

• bonyolultabb és drágább konstrukció
• stabil vezérlést és minőségi alkatrészeket igényel

Tipikus felhasználási terület:
Nagy kapacitású akkumulátoros rendszerek – elektromos kerékpárok, napenergia-tárolók, UPS rendszerek, elektromos autók.

3. ábra. Aktív balanszírozó

Kombinált rendszerek – BMS balanszírozóval

4. ábra. A HERMAN BL18053A 18 V 5000 mAh akkumulátor BMS-ének képe

A 4. ábra a HERMAN BL18053A 18V 5000mAh akkumulátor elektronikáját mutatja, amely több feladatot is ellát:

• védi az akkumulátort a túltöltéstől és az alultöltéstől
• figyeli a hőmérsékletet és az áramerősséget
• töltés közben kiegyenlíti az cellák feszültségét
• vezérli a töltést és a kisütést, hogy maximális élettartamot érjen el

Szüksége van az akkumulátornak „balanszírozásra”?
Az integrált BMS-sel és balanszírozóval ellátott akkumulátor cellái általában automatikusan kiegyenlítődnek töltés közben. Beépített balanszírozó nélküli akkumulátorok esetében a cellákat egyenként kell kiegyenlíteni – például egy közvetlenül az egyes cellákhoz csatlakoztatott szerviz balanszírozó segítségével.

A kiegyensúlyozatlan cellák tünetei:

• az akkumulátor rövidebb ideig töltődik, mint általában
• a teljes feltöltéskor a feszültség nem azonos minden cellában (a különbség nagyobb, mint 0,05V)
• az akkumulátor kapacitása érezhetően csökkent
• egyes cellák jobban felmelegednek, mint a többiek
• a BMS gyakrabban szakítja meg a töltést, vagy hibát jelez

Hogyan működik a balanszírozó a gyakorlatban

Az 5. ábra egy tipikus 4S2P cellakonfiguráció bekötését mutatja. Minden cellán vannak balanszírozó vezetékek, amelyek a BMS modulhoz vezetnek. Ez figyelemmel kíséri minden cellapár feszültségét, és szükség szerint bekapcsolja a kiegyenlítést.

Így a BMS garantálja, hogy mind a négy soros ág azonos feszültséggel fog rendelkezni, és így azonos lesz a kapacitási kihasználhatóságuk is.

5. ábra. 4S2P cellák kapcsolási sémája balanszírozóval

Zárszó

A balanszírozó egy nem feltűnő, de rendkívül fontos alkatrész az akkumulátorban. Nélküle az cellák idővel tulajdonságaikban eltérnének egymástól – egyesek túltöltődnének, mások nem töltenék fel teljesen, ami teljesítménycsökkenéshez, túlmelegedéshez vagy akár károsodáshoz vezetne.

A balancernek köszönhetően minden cella azonos kondícióban van, az akkumulátor megőrzi kapacitását és hosszabb élettartamát.

Legyen szó akkus csavarozó akkumulátoráról vagy napenergia-rendszer akkumulátorblokkjáról – megfelelően működő balanszírozó nélkül ez egyszerűen nem lenne lehetséges.

Kulcsszavak: balanszírozó, battery balancer, BMS, battery management system, cellák kiegyenlítése, Li-ion akkumulátor, 18650 cellák, akkumulátor töltése, soros kapcsolás, párhuzamos kapcsolás, 4S2P, cellák kiegyenlítése, akkumulátorok biztonsága, akkumulátor élettartama, aktív balanszírozó, passzív balanszírozó

Források:
A HERMAN cég belső műszaki és oktató dokumentációi
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

A HERMAN cegnél dolgozom közel 25 éve. Ez az első munkahelyem es ennél jobbat nem ismerek. Munkaruhában kezdtem, mint a szerszámok garanciális és garancia utánni javításait végző technikus, néhány évig a szerviz részleget vezettem, majd belekóstoltam a logisztikába, az informatikába, programozásba és részt veszek a minőségirányításban is. A megszerzett tapasztalatokat most a belső folyamatok és az ügyfélszolgálat folyamatos javítására és finomítására fordítom. Szeretem "kiszellőztetni a fejemet" a műhelyemben végzett kétkezi munka közben, vagy ha a kerékpárom nyergében ülök, és számtalan kilométert teszek meg Gömörben és környékén.