PCM, NTC czy BMS – z tymi określeniami spotykamy się bardzo często w notach katalogowych czy opisach produktowych akumulatorów. W artykule opisujemy działanie każdego z tych elementów i jego znaczenie dla bezpieczeństwa akumulatorów, a także wskazujemy praktyczne kryteria doboru zabezpieczeń.
Specyfika akumulatorów litowo-polimerowych sprawia, że do poprawnej i bezpiecznej pracy wymagają one odpowiedniego doboru ładowarek, ale równie ważne są zabezpieczenia przed nadmiernym prądem rozładowania czy wręcz przypadkowym zwarciem biegunów, np. w wyniku awarii w obwodach obciążenia. Nawet najlepsza ładowarka nie będzie więc w stanie ochronić ogniwa lub pakietu w 100%. Z pomocą przychodzą trzy uzupełniające się rozwiązania: wbudowane moduły PCM, termistory NTC, a w bardziej rozbudowanych pakietach – systemy BMS.
PCM – ostatnia linia ochrony akumulatora
PCM (Protection Circuit Module) jest niewielkim modułem montowanym zwykle bezpośrednio przy wyprowadzeniach ogniwa. Jego zadaniem jest odłączenie akumulatora od zewnętrznych układów (zarówno ładowarki, jak i obciążenia) po wystąpieniu jednego z czterech warunków:
- przekroczeniu dopuszczalnego napięcia ładowania (overcharge),
- nadmiernym rozładowaniu akumulatora (overdischarge),
- przeciążeniu (overcurrent),
- zwarciu (short circuit).
Prawdopodobnie najpopularniejszym, scalonym kontrolerem PCM przeznaczonym do zabezpieczenia pojedynczych ogniw jest układ DW01A lub DPDW01. Typowy schemat aplikacyjny tych układów pokazano poniżej.
Wyjścia OC i OD sterują dwoma tranzystorami N-MOSFET połączonymi przeciwsobnie, co umożliwia blokowanie zarówno podczas ładowania, jak i rozładowania. W małych układach PCM często stosuje się układ FS8205A, zawierający dwa tranzystory połączone drenami o dopuszczalnym prądzie drenu równym 4…6 A (w zależności od napięcia bramka-źródło). Zarówno kontroler DW01A, jak i tranzystor 8205A, są produkowane w obudowach typu SOT23-6, zatem cały układ można zmieścić na miniaturowej płytce drukowanej o powierzchni rzędu 20 mm2. Pozwala to na umieszczenie modułów PCM nawet w najmniejszych ogniwach litowo-polimerowych o pojemności na poziomie 40…80 mAh.
W modułach o większych prądach roboczych (więc zwykle także o znacznie większych rozmiarach) spotyka się bardziej rozbudowane kontrolery PCM, współpracujące z układem 2×2: dwa podwójne MOSFET-y pracują równolegle, ograniczając straty przewodzenia i nagrzewanie.
BMS – zarządzanie pakietem
BMS (Battery Management System) to pojęcie znacznie szersze niż PCM, dotyczy bowiem znacznie bardziej rozbudowanych modułów. Układ BMS może mierzyć napięcie każdej sekcji, prąd i temperaturę, równoważyć ogniwa (funkcja balancera), szacować stan naładowania i zużycia pakietu, a nawet komunikować się z urządzeniem nadrzędnym. Dlatego więc systemy takie stosuje się przede wszystkim w pakietach wieloogniwowych, między innymi w elektronarzędziach, laptopach, pojazdach elektrycznych i magazynach energii.
Warto dodać, że w przypadku uniwersalnych pakietów litowo-polimerowych system BMS jest najczęściej zewnętrznym modułem, zaś sam akumulator ma jedynie wyprowadzoną (oprócz głównych przewodów +/-) także dodatkową wiązkę przewodów pozwalających na pomiar napięcia i balansowanie wszystkich sekcji szeregowych.
W pojedynczym ogniwie Li-Po nie występuje problem rozbieżności napięć sekcji połączonych szeregowo, dlatego też jakikolwiek układ balansowania nie miałby tu żadnego zastosowania. Typowe akumulatory o strukturze 1S zawierają więc tylko sam moduł PCM, natomiast ładowarka i ewentualny pomiar stanu naładowania znajdują się w urządzeniu. Na marginesie warto dodać, że prostsze pakiety litowo-polimerowe o kilku sekcjach szeregowych (np. 4S1P) mogą pracować bez układu BMS i dlatego mają wyprowadzone tylko dwa przewody z głównych biegunów pakietu – w przypadku markowych akumulatorów tego typu także stosowane są wbudowane zabezpieczenia PCM, konstruowane rzecz jasna w oparciu o odpowiednie układy scalone przeznaczone do pracy z wyższymi napięciami.
NTC – nadzór nad temperaturą ładowania
Temperatura akumulatora jest jednym z najważniejszych parametrów zarówno w procesie ładowania, jak i podczas rozładowania. Niektóre ogniwa i pakiety litowo-polimerowe są wyposażone w zintegrowany czujnik temperatury w postaci termistora NTC, umieszczonego na płytce modułu NTC i połączonego z dodatkowym, trzecim przewodem. Drugi pin termistora jest zwykle łączony z biegunem ujemnym.
Niektóre scalone układy ładowarek (np. MCP73833) są przystosowane do podłączenia termistora dzięki wbudowanym obwodom pomiarowym, zwykle zrealizowanym w oparciu o źródło prądowe. Warto sprawdzić w dokumentacji akumulatora, jaki dokładnie współczynnik czułości ma zastosowany termistor, gdyż producenci ładowarek scalonych podają w notach katalogowych wzory pozwalające na dopasowanie obwodu czujnika NTC do precyzyjnie ustalonych progów fabrycznych. Takie rozwiązanie znacznie upraszcza implementację zabezpieczenia termicznego. W przypadku braku takiego wejścia w ładowarce zastosowanej w projekcie, termistor można z powodzeniem podłączyć w prostej konfiguracji dzielnika napięciowego i mierzyć sygnał wyjściowy takiego układu za pomocą wejścia ADC mikrokontrolera bądź np. prostego układu z komparatorem.
PCM – czy samo hasło w opisie produktu wystarczy?
Sama obecność PCM w opisie danego modelu akumulatora nie przesądza jeszcze o poprawnym działaniu pakietu jako całości. Znaczenie mają tolerancje progów detekcji zdarzeń (przeładowania, głębokiego rozładowania, etc.), parametry MOSFET-ów, rezystancja przewodów, jakość zgrzewów czy wreszcie warunki cieplne. Producent powinien zatem kwalifikować zabezpieczenie razem z konkretnym ogniwem i okablowaniem, a nie wyłącznie na podstawie schematu kontrolera.
W dokumentacji gotowego akumulatora litowo-polimerowego powinny być określone nie tylko parametry samego ogniwa, lecz także parametry całego zespołu z modułem PCM oraz wyniki badań bezpieczeństwa, m.in.:
- zdolność zachowania ładunku, np. ponad 90% pojemności po 30 dniach składowania;
- maksymalny prąd ładowania, np. 1 C;
- maksymalny prąd rozładowania, np. 1 C;
- wynik próby zwarciowej przeprowadzonej w określonych warunkach, np. przy rezystancji obwodu 100 mΩ;
- wynik próby wymuszonego przeładowania, np. napięciem 4,3 V przez 8 godzin.
Osobno powinny zostać podane progi zadziałania zabezpieczeń PCM: nadnapięciowego, podnapięciowego, nadprądowego i zwarciowego.
Warto przy tym zwrócić uwagę na fakt, że granice normalnej eksploatacji ogniwa są węższe niż zakres wyznaczony przez progi awaryjnego odłączenia PCM. Przykładowo w dokumentacji akumulatora AKY0833 maksymalne napięcie ładowania wynosi 4,2 V, natomiast zalecane napięcie zakończenia rozładowania – 3,0 V. Zabezpieczenie PCM ma z kolei przerwać ładowanie przy napięciu około 4,30 V oraz zapobiec dalszemu rozładowaniu po spadku napięcia do około 2,5 V.
Różnica między granicami normalnej pracy a progami zadziałania zabezpieczeń tworzy margines zapobiegający odłączaniu akumulatora w prawidłowych warunkach eksploatacji. Nie należy traktować go jako rozszerzenia dopuszczalnego zakresu napięć. Moduł PCM pełni funkcję zabezpieczenia awaryjnego i nigdy nie powinien być traktowany jako zamiennik prawidłowo działającej ładowarki ani układu kontrolującego zakończenie rozładowania.
Podsumowanie
Zadaniem modułu PCM jest odcięcie ogniwa lub pakietu od ładowarki oraz obciążenia w stanach awaryjnych, które mogłyby stanowić potencjalne zagrożenie dla bezpieczeństwa użytkownika bądź samego urządzenia. Termistor NTC pozwala na łatwy pomiar temperatury akumulatora, np. na potrzeby zabezpieczeń termicznych. Z kolei moduły BMS, oprócz pełnienia funkcji zabezpieczającej, zarządzają pakietami wieloogniwowymi wyposażonymi w wyprowadzenia do pomiaru napięcia i balansowania poszczególnych sekcji. Każde z wymienionych rozwiązań pokrywa zatem pewien obszar potrzeb związanych z bezpieczną eksploatacją ogniw, ale… żadne z nich nie zastępuje prawidłowo dobranej ładowarki. Poszczególne moduły i elementy tworzą kolejne warstwy ochrony, dzięki czemu nawet w przypadku wystąpienia poważnej awarii ładowarki lub obciążenia system będzie mógł wciąż zapewnić wymagany poziom bezpieczeństwa.
Sponsorem artykułu jest marka Akyga Battery
Akyga Battery to linia produktowa marki Akyga Components, oferująca praktyczne rozwiązania zasilania dla elektroniki użytkowej i przemysłowej. Baterie pierwotne oraz akumulatory Akyga projektowane są z myślą o stabilnej pracy i niezawodnym dostarczaniu energii w urządzeniach takich jak czujniki, piloty czy sprzęt przenośny. Więcej informacji można znaleźć na stronie: akygabattery.com
