تخریب ماژول 3S BMS حفاظت و مدیریت باتری لیتیوم یون 6 آمپر

در این مطلب، ویژگی ها و عملکرد یک سیستم مدیریت باتری لیتیوم یون 3S 6A یا همان BMS را بررسی میکنیم. همچنین قطعات و مدار این ماژول را موشکافی کرده و در ادامه با برداشتن تمام قطعات از روی PCB و اندازه گیری تمام تریس های PCB با مولتی متر، مهندسی معکوس میکنیم. برای تست BMS و مدار، یک پک باتری ساختیم و این پک را با BMS  شارژ و دشارژ خواهیم کرد.

قابلیت حفاظت دستگاه توسط ماژول 3S 6A BMS مبتنی بر JW3313S

BMS یک قطعه ضروری برای هر پک باتری محسوب میشود. این قطعه نه تنها باتری را از شارژ و دشارژ بیش از حد حفظ میکند، بلکه طول عمر سرویس دهی باتری را با حفاظت از آن در برابر هرگونه خطر احتمالی، افزایش میدهد. به این منظور از پک باتری 6 آمپر 3S استفاده میکنیم که دارای IC محافظ باتری JW3313S است. سیستم مدیریت باتری یا BMS میتواند از دستگاه در برابر مواردی که در لیست زیر آورده شده اند، محافظت کند:

• تشخیص شارژ بیش از حد
• تشخیص تخلیه یا دشارژ بیش از حد
• ولتاژ تشخیص اتصال کوتاه

شارژ بیش از حد

هنگامیکه باتری لیتیومی از ولتاژ شارژ ایمن بیشتر شارژ میشود، سلول فوق العاده گرم شده و سلامت آن تحت تاثیر قرار میگیرد. در این شرایط چرخه عمر باتری و ظرفیت حمل جریان آن نیز کاهش می یابد. یک سیستم مدیریت باتری خوب و کارآمد برای حفاظت از سلول در این شرایط، باید یک اضافه ولتاژ داخلی داشته باشد. تراشه JW3313S نیز از این قضیه مستثنی نیست و باید این شرایط را داشته باشد. در آزمایش شارژ پک باتری، ولتاژ قطع تقریبا 12.75 ولت است. این یعنی ولتاژ قطع هر سلول 4.25 ولت خواهد بود.

تخلیه بیش از حد

موارد بالا میتوانند در مورد حفاظت باتری از تخلیه بیش از حد نیز صادق باشند. هنگامیکه ولتاژ باتری از مقدار آستانه کمتر شود، سلول لیتیوم تحت تاثیر قرار گرفته و طول عمر سلول نیز کاهش می یابد. هر BMS باید در این شرایط  بتواند باتری را از دشارژ بیش از حد  حفظ کرده و تراشه JW3313S نیز از این قضیه مستثنی نیست. ولتاژ سلول در این آزمایش، تا 2.7 ولت (برای هر سلول) کاهش یافته و سپس سیستم مدیریت باتری وارد عمل شده و از تخلیه بیشتر جلوگیری میکند.

اتصال کوتاه

بسیار ضروری است که سیستم مدیریت باتری یا BMS بتواند از باتری در برابر جریان بیش از حد (جریان بار بالا یا اتصال کوتاه) محافظت کند. هنگامیکه اتصال کوتاه اتفاق می افتد، جریان کشیده شده از حداکثر جریان در نظر گرفته شده برای باتری بسیار بیشتر میشود. اتصال کوتاه میتواند بر سلامت باتری تاثیر گذاشته و یا حتی باعث آسیب رسیدن به سلول و آتش سوزی بشود. به دلیل وجود همین عواقب است که تراشه ما قادر به حفاظت از باتری در برابر عبور جریان بیش از حد و اتصال کوتاه است.

لطفا در نظر داشته باشید که در کنار تمام این ویژگی ها، تراشه JW3313S دارای هیسترزیس است. هنگامیکه تراشه از باتری در برابر عبور جریان بیش از حد محافظت میکند، اتصال باتری قطع شده و شارژ آن نیز قطع میشود. این اتفاق باعث میشود که ولتاژ باتری تا کمی کمتر از ولتاژ قطع کاهش یابد. در این لحظه باتری دوباره شروع به شارژ شدن میکند و این پروسه تا بی نهایت ادامه می یابد. افزودن مقداری هیسترزیس از این پروسه جلوگیری میکند.

قطعات استفاده شده در ماژول 3S 6A BMS

پیش از اینکه نگاهی به شماتیک بیندازیم، در اینجا لیستی از قطعات مورد نیاز برای ساخت ماژول 3S 6A BMS را مشاهده میکنید. تراشه اصلی کنترلی بورد ما، تراشه محافظ JW3313S است. این تراشه دارای 8 پایه بوده و توسط یک شرکت سازنده چینی به نام Joulwatt طراحی و ساخته شده است. روی بورد، دو عدد ماسفت FL3095K و یک مقاومت 0.005R داریم. به علاوه همانطور که میتوانید در تصویر زیر مشاهده کنید، چند مقاومت و خازن نیز داریم. لیست قطعات لازم برای ساخت این ماژول در زیر آورده شده اند:

• 2 عدد تراشه کم مصرف محافظ باتری JW3313S
• 2 عدد ماسفت FL3095K
• 1 عدد  IN4148
• 5 عدد خازن 0.1 میکروفارادی
• 1 عدد خازن 0.15 میکروفارادی
• 4 عدد مقاومت 1 کیلواهمی
• 3 عدد مقاومت ده کیلواهمی
• 1 عدد مقاومت 2 مگا اهمی
• 1 عدد خازن 1 میکروفارادی

مداراتصال ماژول 3S 6A BMS

شماتیک این BMS با استفاده از نرم افزار طراحی PCB ایگل طراحی شده است. همانطور که میتوانید در تصویر زیر مشاهده کنید، درک مدار اتصال کامل 3S 6A BMS کار سخت و پیچیده ای نیست.

همانطور که مشاهده میکنید در مدار، تراشه JW3313S را داریم که تمام اعمال دستگاه را کنترل میکند. اگر با دقت به ماژول نگاه کنید، میتوانید ترمینال هایی که به صورت جداگانه برای +P و +B درنظر گرفته شده است را ببینید. روی بورد، +P همان ورودی مثبت تغذیه و +B ورودی مثبت پک باتری است. در PCB این دو ترمینال به هم متصل شده اند در نتیجه ما نام این اتصال را +P+B گذاشتیم. در ادامه به پایه های CO و DO تراشه میرسیم که در واقع همان پایه های 7 و 8 هستند. این پایه ها، دو ماسفت به کار رفته در مدار را کنترل میکنند.

هنگامیکه در وضعیت شارژ بیش از حد قرار میگیریم، پایه CO به وضعیت HIGH رفته و هنگامیکه در وضعیت دشارژ بیش از حد هستیم، پایه DO به وضعیت HIGH میرود. در ادامه به پایه 6 میرسیم که در شماتیک با VM علامت گذاری شده است. تراشه به کمک این پایه از دستگاه در برابر جریان اضافی حفاظت میکند. این تراشه به گونه ای طراحی شده است که بتواند از مقاومت داخلی ماسفت ها برای تشخیص جریان استفاده کند اما در این مورد، همانگونه که مشاهده میکنید سازندگان از یک مقاومت شفت جریان مجزا استفاده کرده اند زیرا که ماسفت های استفاده شده در این مدار مقاومت داخلی بالایی دارند. پایه شماره 1 دستگاه همان پایه تغذیه است که تغذیه موردنیاز تراشه را فراهم میکند. پایه های 2، 3 و 4 نیز پایه های sense ماژول BMS هستند. پایه 5 ماژول نیز همان پایه زمین یا Ground است. علاوه بر اینها، از چند مقاومت و خازن برای فیلتراسیون و محدود سازی جریان استفاده شده است.

اتصال BMS به پک باتری- شماتیک در Fritzing

ماژول BMS دارای 4 ترمینال است که به چهار نقطه متفاوت از پک باتری متصل میشوند. به این شکل ماژول BMS میتواند به صورت جداگانه بر هر سلول نظارت کرده و آن ها را در برابر شارژ یا دشارژ بیش از حد محافظت کند.

دیاگرام شماتیک BMS در تصویر زیر نشان داده شده است.

یک ماژول BMS به گونه ای رفتار میکند که انگار 3 ماژول محافظ جداگانه در حال محافظت از سه سلول هستند اما در واقع این ماژول یک تراشه است که تمامی قابلیت ها را با هم ادغام کرده تا بتواند جریان برگشتی تا 6 آمپر را تحویل دهد.

تست ماژول 3S 6A BMS در شرایط اضافه ولتاژ، آندرولتاژ یا ولتاژ کم و اتصال کوتاه

حال بیایید این ماژول را تست کرده و بررسی کنیم که آیا میتواند همانطور که در دیتاشیت معرفی شده است عمل کند یا خیر. ما از یک ماژول 3S 6A BMS استفاده میکنیم که مجهز به تراشه محافظ باتری JW3313S است. این تراشه توسط Joulwatt که یک سازنده چینی است، طراحی شده و توسعه یافته است. برای دسترسی به اطلاعات بیشتر در مورد این تراشه میتوانید نگاهی به وب سایت Joulwatt بیندازید.

تست حفاظت در برابر اضافه ولتاژ

آزمایش خود را با قرار دادن پک های باتری در پیکربندی 3S شروع کرده و پروسه شارژ را نیز با جریان ثابت 600 میلی آمپر آغاز کردیم.

براساس دیتاشیت، پروسه شارژ باید زمانیکه ولتاژ پک به 13.125 ولت یعنی 4.375 ولت برای هر سلول رسید، متوقف میشد اما تعجب آور بود که پروسه شارژ متوقف نشد، باتری بیش از اندازه شارژ شد و سپس شروع به گرم شدن کرد و درنهایت ما خود پروسه شارژ را متوقف کردیم. نمیدانستیم که این مشکل به بوردی که از آن استفاده میکردیم مربوط میشود یا خیر پس آزمایش خود را با یک ماژول جدید انجام دادیم اما نتیجه دو آزمایش کاملا یکسان بود. میتوانید پروسه آزمایش را در ویدیو بالا مشاهده کنید.

تست حفاظت در برابر ولتاژ کم یا آندر ولتاژ

هنگامیکه پک باتری به طور کامل شارژ شد (در این مورد بیش از حد شارژ شد)، تست حفاظت در برابر ولتاژ کم را شروع کردیم.

همانطور که میتوانید در ویدیو بالا مشاهده کنید، برای تست ولتاژ کم، باتری را از نگهدارنده باتری خارج کردیم و RPS یا منبع تغذیه تنظیم شده خود را با آن جایگزین کردیم. حال ولتاژ را کاهش دادیم و همانطور که در ویدیو مشاهده میکنید، BMS بار کمتر از 2.8 ولت را قطع کرد. یعنی دو سیستم حفاظت داریم که به صورت همزمان با هم کار میکنند. سیستم اول، BMS است که بر ولتاژ کل نظارت کرده و سیستم دوم همان BMS است که بر ولتاژ هر سلول به صورت جداگانه نظارت میکند. درصورتیکه هر یک از سلول ها آسیب ببینند، BMS تغذیه را قطع میکند.

تست حفاظت دربرابر اتصال کوتاه

پس از اینکه آزمایش حفاظت در برابر اضافه ولتاژ و آندر ولتاژ به اتمام رسید، باید بررسی میکردیم که ماژول BMS قادر به حفاظت از پک باتری در شرایط اتصال کوتاه و اضافه بار هست یا خیر.

برای این منظور، یک مولتی متر را به خروجی ماژول BMS متصل کردیم و همانطور که مشاهده میکنید، خروجی ماژول را با پراب های مولتی متر اتصال کوتاه کردیم. ولتاژ صفر شده و خوشبختانه هیچ چیزی آتش نگرفته است. این امر نشان میدهد که مکانیزم حفظ ایمنی در وضعیت اتصال کوتاه به درستی عمل میکند.

نتیجه گیری

ماژول 3S 6A BMS یک ماژول مقرون به صرفه و بسیار موثر و کارآمد برای حفاظت باتری های Li-PO و Li-ION در برابر آسیب دیدگی است. ظرفیت تغذیه 6 آمپری این ماژول، آن را به یک دستگاه همه کاره تبدیل میکند زیرا که نه تنها میتواند برای سه پک سری استفاده شود بلکه میتواند برای ساخت سه پک سری و دو پک باتری موازی نیز استفاده گردد. این قابلیت آن را برای پروژه های بسیاری مفید میسازد.