Balancer a BMS: Klíčové prvky moderních akumulátorů

V akumulátoru, který tvoří soustava více článků zapojených sériově, paralelně nebo kombinovaně, nikdy nepracují všechny články úplně stejně. Některé se nabíjejí rychleji, jiné se vybíjejí pomaleji – a tyto malé rozdíly se časem zvětšují. Výsledkem je nerovnoměrné zatížení akumulátoru, snížená kapacita a v extrémních případech i riziko poškození článků. Aby se tomu předešlo, moderní akumulátory používají balancer – elektroniku, která dohlíží na rovnováhu napětí mezi články, zabraňuje jejich přetížení a pomáhá udržovat akumulátor v optimálním stavu. Balancer je zpravidla součástí komplexnějšího systému BMS – Battery Management System, který řídí nabíjení, vybíjení a chrání celý akumulátor před poškozením.

BMS versus Balancer – jaký je mezi nimi rozdíl?

Tyto dva pojmy se často zaměňují, ale nejde o totéž.

BMS (Battery Management System) je řídicí elektronika, která dohlíží na všechny základní parametry akumulátoru – napětí, proud, teplotu či stav nabití – a zajišťuje jeho bezpečné nabíjení i vybíjení. Zabraňuje zkratu, přetížení, přehřátí i nadměrnému vybití článků.

Balancer je přitom jen jedna z funkcí BMS, zaměřená na vyrovnávání napětí mezi jednotlivými články. Pokud některý článek dosáhne vyšší napětí než ostatní, balancer zasáhne – buď přebytečnou energii rozptýlí, nebo ji přesune do slabších článků.

Zjednodušeně:

• BMS - „mozek akumulátoru“, který řídí a chrání celý systém
• Balancer - „vyrovnávač napětí“, který udržuje harmonii mezi články

V moderních akumulátorech jsou tyto obvody integrovány do jednoho modulu, ale z hlediska funkce jde o dva odlišné prvky – řídicí (BMS) a vyrovnávací (balancer).

Proč je balancer důležitý

Jak bylo zmíněno, akumulátory pro nářadí, elektrokola či solární úložiště obsahují více navzájem propojených článků. Přestože jsou všechny články stejného typu, již během výroby vznikají drobné rozdíly ve vnitřním odporu, kapacitě, samovybíjení či přesnosti elektrodových vrstev. Vnitřní odpor článku 18650 může být 15–18mΩ a kapacita se může lišit o několik procent. Rozdíly v článcích ilustračně zobrazuje obr. 1.

Tyto malé odchylky způsobují, že se články nabíjejí a vybíjejí mírně odlišným tempem.

• článek s vyšším vnitřním odporem se při nabíjení více zahřívá a dříve dosáhne koncového napětí
• článek s o něco nižší kapacitou se při vybíjení vybije dříve než ostatní
• článek s vyšším samovybíjením postupně zaostává za ostatními

Obr. 1. Rozdíly v článcích

Tyto rozdíly se každým cyklem zvětšují a pokud se nevyrovnávají, může nastat problém:

• článek, který se vybije dříve, je přetěžován a rychle degraduje
• článek, který se nabije dříve, je ohrožen přebitím a přehříváním, což výrazně zkracuje jeho životnost a představuje bezpečnostní riziko

Výsledek: akumulátor se nabíjí nerovnoměrně, snižuje se jeho využitelná kapacita, roste vnitřní namáhání článků a zvyšuje se riziko poruchy.

Jak funguje balancer

Během nabíjení některý článek dosáhne maxima kapacity dříve než ostatní. Pokud by nabíjení pokračovalo dál, mohl by se přebíjet – proto balancer:

• sleduje napětí každého článku
• zastavuje nabíjení článku, který již dosáhl horní hranice
• přesměruje část energie do slabších článků nebo ji rozptýlí jako teplo
• tímto způsobem vyrovnává napětí všech článků

Cílem je, aby při plně nabitém akumulátoru měly všechny články stejné napětí, například 4,2V ±0,01V. Stejný princip se uplatňuje i při vybíjení - aby se žádný článek nevybil příliš hluboko.

Proč je přesnost balancování důležitá

U Li-ion článků typu 18650, jako například Lithplus L1865-2.0P30 nebo L1865-2.5P30, ze kterých se skládají naše akumulátory, je maximální nabíjecí napětí 4,20V ±0,03V. Tato malá tolerance (pouze ±30mV) ukazuje, jak citlivé jsou tyto články na přesnost nabíjení – již drobné překročení způsobuje zrychlené stárnutí, přehřívání nebo dokonce poškození článku.

Proto moderní BMS, jejichž součástí jsou i balancery, sledují napětí každého článku s přesností v milivoltech.

Jinými slovy – jediný slabší nebo přebitý článek ovlivní celý akumulátor. Přesnost balanceru proto není jen komfortní bonus, ale klíčová podmínka bezpečného provozu. Výsledkem je rovnoměrné nabíjení, delší životnost a vyšší bezpečnost celého akumulátoru.

Podle způsobu, jakým energie mezi články proudí, rozlišujeme balancery na pasivní a aktivní.

Pasivní balancer

Je nejrozšířenější a zároveň nejjednodušší typ balanceru. Při pasivním vyrovnávání se energie z přebitých článků nepřesouvá do ostatních, ale spotřebovává (rozptyluje) přes rezistory ve formě tepla. Ilustračně to znázorňuje obr. 2.

Obr. 2. Pasivní balancer

Princip:
Pokud má některý článek vyšší napětí než ostatní, balancer otevře odporovou větev a část energie „spálí“. Nabíjení pokračuje, dokud všechny články nedosáhnou stejné úrovně.

Výhody:

• jednoduchá a levná konstrukce
• vysoká spolehlivost

Nevýhody:

• energetická neefektivnost – přebytečná energie se mění na teplo
• pomalejší vyrovnávání
• vhodný pro menší akumulátory (např. do nářadí)

Typické použití:
Akumulátory 4S2P (4S2P = osm článků uspořádaných jako čtyři paralelní dvojice zapojené sériově - o označování akumulátorů se můžete více dočíst zde) apod., kde je důležitá jednoduchost a cena.

Aktivní balancer

Aktivní balancery představují modernější a efektivnější variantu. Místo toho, aby přebytečnou energii spálily, přesouvají ji z článků s vyšším napětím do těch s nižším – buď přímo, nebo využitím elektronických prvků jako jsou např. kondenzátory nebo cívky, jak je to zobrazeno na obr. 3.

Princip:
Elektronika průběžně měří napětí všech článků, přebytečnou energii „přelévá“ mezi nimi - výsledkem je rovnováha bez energetických ztrát.

Výhody:

• vysoká účinnost (téměř žádná energie se neztratí)
• rychlejší vyrovnávání
• prodlužuje životnost článků

Nevýhody:

• složitější a dražší konstrukce
• vyžaduje stabilní řízení a kvalitní komponenty

Typické použití:
Velkokapacitní bateriové systémy – elektrická kola, solární úložiště, UPS systémy, elektromobily.

Obr. 3. Aktivní balancer

Kombinované systémy – BMS s balancerem

Obr. 4. Pohled na BMS akumulátoru HERMAN BL18053A 18V 5000 mAh

Obr. 4 zobrazuje elektroniku akumulátoru HERMAN BL18053A 18V 5000mAh, která plní několik úkolů:

• chrání baterii před přebitím a podbitím
• sleduje teplotu a proud
• při nabíjení vyrovnává napětí článků
• řídí nabíjení a vybíjení tak, aby se dosáhlo maximální životnosti

Potřebuje akumulátor „balancování“?
Články v akumulátoru s integrovaným BMS s balancerem se obvykle dokážou vyrovnat automaticky při nabíjení. V případě, že jde o akumulátor bez vestavěného balanceru, je třeba články vyrovnat individuálně – například pomocí servisního balanceru připojeného přímo na jednotlivé články.

Příznaky nevyvážených článků:

• akumulátor se nabíjí kratší dobu než obvykle
• napětí při plném nabití není stejné pro všechny články (rozdíl větší než 0,05V)
• kapacita akumulátoru se citelně snížila
• některé články se zahřívají více než ostatní
• BMS častěji přerušuje nabíjení nebo signalizuje chybu

Jak vypadá balancer v praxi

Obr. 5 znázorňuje typické zapojení pro 4S2P konfiguraci článků. Na každém článku jsou vyvedeny balanční vodiče, které vedou do BMS modulu. Ten sleduje napětí každé dvojice článků a podle potřeby spíná balancování.

Takto BMS zaručuje, že všechny čtyři sériové větve budou mít stejné napětí, a tím i stejné využití kapacity.

Obr. 5. Schéma zapojení článků 4S2P s balancerem

Závěr

Balancer je nenápadná, ale mimořádně důležitá součást akumulátoru. Bez něj by se články časem rozladily – některé by se přebíjely, jiné by se nenabily na plnou kapacitu, což by vedlo ke snížení výkonu, přehřívání nebo dokonce poškození.

Díky balanceru jsou všechny články ve stejné kondici, akumulátor si zachovává kapacitu a delší výdrž.

Ať už jde o akumulátor pro akumulátorový šroubovák, nebo bateriový blok pro solární systém – bez správně fungujícího balanceru by to prostě nešlo.

Klíčová slova: balancer, battery balancer, BMS, battery management system, balancování článků, Li-ion akumulátor, články 18650, nabíjení baterie, sériové zapojení, paralelní zapojení, 4S2P, vyrovnávání článků, bezpečnost baterií, životnost akumulátoru, aktivní balancer, pasivní balancer

Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti 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

Práce ve firmě je mým prvním zaměstnáním a již téměř 25 let nic lepšího neznám. Začínal jsem v montérkách jako technik pro záruční a pozáruční opravy HERMAN nářadí, několik let jsem řídil úsek servisu, pak jsem se zakousl do logistiky, IT, programování a také se zabývám manažmentem kvality. Nabyté zkušenosti uplatňuji v současnosti při neustálém vylepšování a zdokonalování interních procesů a služeb pro zákazníka. Hlavu si rád „pročistím“ při manuální práci ve své dílně nebo v sedle kola hltáním nesčetných kilometrů u nás na Gemeru a okolí.