برد محافظ باتری‌های لیتیوم یون
مقدمه:
در این مقاله قصد داریم که به برد محافظ باتری‌های لیتیوم یون (و لیتیوم پلیمر) بپردازیم. این بردها نقش بسیار مهمی در ایمنی و عملکرد نهایی باتری داشته و در صورتی که به آن‌ها توجه نشود، مشکلات بسیاری برای مصرف کننده ایجاد می‌شود. در این مقاله ابتدا به ماهیت این بردها پرداخته می‌شود. و سپس امکانات یک برد محافظ مناسب، بررسی خواهد شد . بعد از آن پارامترهایی که در برد محافظ مطرح شده‌اند را بررسی می‌کنیم. این مقاله برای افرادی که از باتری‌های قابل شارژ بر پایه‌ی لیتیوم استفاده می‌کنند، مناسب است. نکته‌ی مهم اینکه برخی از ویژگی‌های ذکر شده برای این برد ، با ویژگی‌های مدارات مانیتورینگ (BMS) یکسان است.
برد محافظ چیست:
یک نوع برد که باتری‌های لیتیوم یون (و باتری‌های لیتیوم پلیمر) را از اتفاقات زیر محافظت می‌کند. مانند :
- اضافه ولتاژ در هنگام شارژ
- کاهش ولتاژ در هنگام دشارژ
- اتصال کوتاه
- افزایش دما
تغییرات ولتاژ
در باتری‌های لیتیوم یون، ولتاژ شارژ (معمولا 4.2 ولت) و ولتاژ دشارژ (معمولا 2.5 ولت) بسیار مورد اهمیت است و هرگز نباید سل هر باتری، از محدوده‌ی مجاز خارج شود که برد محافظ باید این کار را برای هر سل از پک باتری انجام دهد. (برای اطلاعات بیشتر در این زمینه به مقاله‌ی آموزشی “نحوه شارژ و دشارژ باتری‌های لیتیوم یون” مراجعه شود)
اتصال کوتاه
اتصال کوتاه در باتری‌های لیتیوم یون یک اتفاق مضر است و حتی می‌تواند خطرات جبران ناپذیری داشته باشد. بردهای محافظ معمول در بازار این اتفاق را پیش‌بینی می‌کنند و از بروز آن جلوگیری می‌کنند. اتصال کوتاه باتری‌های لیتیوم یون موجب عبور جریان بسیار زیاد از باتری شده که این اتفاق می‌تواند ساختار داخلی باتری را از بین ببرد که بردهای محافظ در کسری از ثانیه باید از وقوع آن جلوگیری کنند.
افزایش دما
بحث دمایی یکی دیگر از بحث‌های مهم در ساخت بردهای محافظ است که گاهی‌اوقات بردهای محافظ این ویژگی را ندارند. در هنگام شارژ و دشارژ، دمای باتری نباید بالا باشد (به خصوص در هنگام شارژ) . اگر دمای باتری بیش از حد تحمل باتری باشد احتمال تخریب ساختار داخلی و حتی انفجار آن وجود خواهد داشت. در مدارات محافظی که حفاظت دمایی در آن‌ها تعبیه شده است، می‌توان با تغییراتی، دمای قطع شدن را تغییر داد. این دما می تواند به دلیل خود باتری افزایش یافته باشد و یا حتی محیطی که باتری در آن قرار دارد، یک محیط گرم باشد.
در برخی از مدارات محافظ، حفاظت های دیگری مانند “جلوگیری از نصب اشتباه پایانه های شارژ” نیز وجود دارد که برای اطمینان بیشتر در برد محافظ قرار گرفته است . بردهای محافظ به دلیل تنوع در ساخت و ویژگی‌های مختلف، در ابعاد و اندازه‌های مختلف ساخته می‌شوند که در ادامه بیشتر به آن می‌پردازیم.
نحوه ی وصل کردن برد محافظ به باتری:
برای وصل کردن برد محافظ به باتری، چند نکته ی ساده را باید در نظر بگیریم. اول این که مسیر جریان اصلی را باید از سیم‌های مناسب (قابلیت جریان بالا) استفاده کنیم. نکته‌ی دوم این است که اگر بردهای محافظ دارای سیستم بالانس باشد، سیم‌های متناسب با جریان بالانس انتخاب گردد. و نکته‌ی آخر این که برای وصل کردن برد محافظ به پک باتری، متناسب با تعداد سل باتری (مثلا 6 سل) به ترتیب از کمترین ولتاژ، سیم های ارتباطی وصل گردد . مطابق شکل زیر :
بردهای محافظ انواع گوناگونی دارند . در هنگام وصل کردن ممکن است دارای کانکتور باشند و یا به کمک لحیم کاری برد محافظ به باتری وصل می‌شود. در همه‌ی این موارد اصول کار تقریبا ثابت است. پیشنهاد می‌شود در صورتی که تا به حال این کار را انجام نداده‌اید، برای وصل کردن از افراد با تجربه کمک بگیرید. اصولا پک‌های باتری لیتیوم یون به همراه برد محافظ فروخته می‌شوند اما ممکن است در برخی موارد برد محافظ از بین رفته باشد و یا اصلا پک باتری دارای برد محافظ نباشد.
امکانات یک برد محافظ:
در این بخش به ویژگی‌ها و امکانات یک برد محافظ می‌پردازیم . از این قبیل امکانات، می‌توان به بالانسر، سیستم ارتباطی، حفاظت دمایی و سیستم تنظیم ضرایب اشاره کرد. این امکانات از ملزومات بردهای محافظ نیستند اما می‌توان در برخی از بردهای محافظ آن‌ها را یافت. همان طور که در قسمت قبل اشاره شد، قسمت حفاظت دمایی یکی از حفاظت‌های مهم برای پک باتری به حساب می‌آید اما برای پک‌های کوچک باتری، این قسمت می تواند حذف شود . در صورت نیاز و عدم وجود این قسمت، می توان آن را به مدار محافظ اضافه نمود (به صورت دستی).
بالانسر
بالانسر باتری لیتیوم یون در هنگام شارژ نقش یکسان سازی ولتاژ سل‌های پک باتری را بر عهده دارد. این نوع مدارات، به دو دسته‌ی فعال و غیر فعال تقسیم بندی می شود . معمولا در بردهای محافظ ساده، بالانسر غیر فعال قرار دارد. در صورت استفاده از مدارات بالانسر فعال، شرکت سازنده آن را بیان می‌کند و هزینه‌ی آن‌ها نیز بیشتر است. اگر سل‌های پک باتری در یک ولتاژ قرار نداشته باشند، علاوه بر کاهش ظرفیت عملی باتری، عمر باتری نیز کاهش می‌یابد . زیرا عدم تعادل در ولتاژ سل‌های باتری، فشار زیادی به سل‌ها وارد می‌کند که منجر به کاهش عمر پک باتری خواهد شد. درصورتی که برد محافظ دارای سیستم بالانس کننده نباشد، می‌توان آن را به صورت دستی به مدار اضافه نمود.
حفاظت دمایی
در مورد سیستم حفاظت دما در قسمت قبل توضیح داده شد . در ادامه کمی بیشتر با این قسمت آشنا می‌شویم. بردهای حفاظت دمایی نقش قطع مسیر جریان را در هنگام بالا رفتن دما را دارند. این قسمت معمولا در بردهای محافظ تعبیه می‌شود . اما در صورتی که در برد محافظ این قسمت وجود نداشته باشد، می‌توان آن را به مدار افزود (در برخی از موارد این کار مشکل است). علاوه بر آن، این قابلیت وجود دارد که دمای قطع را نیز کمی تغییر داد که در کاربردهای حساس این کار انجام می‌شود.
سیستم ارتباطی
سیستم ارتباطی یکی از امکانات قرار داده شده در برخی از بردهای محافظ است . به عبارتی در حالت معمول از این سیستم در برد محافظ استفاده نمی‌شود. چرا که برای مصرف کننده‌ها این قابلیت در برابر افزایش قیمت برد محافظ به صرفه نیست. سیستم ارتباطی این امکان را می‌دهد که هشدارهای لازم برای مصرف کننده با روش‌های مختلف ارسال شود . روش هایی مانند : بلوتوث، وایفای، SPI و سایر روش های ارتباطی . این قابلیت در مدارات مانیتورینگ (BMS) بسیار مهم و تقریبا غیرقابل اجتناب است . اما همان‌طور که ذکر گردید برای مدارات محافظ این قسمت قابل چشم‌پوشی می‌باشد.
سیستم تنظیم
برخی از مدارات محافظ این قابلیت را دارند که برخی از پارامترهای مطرح شده در برد محافظ را تنظیم کنند . این قابلیت در تعداد کمی از بردهای محافظ مطرح می‌شود. از این پارامترها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد
- تنظیم مدت زمان تشخیص اتصال کوتاه
- حد ولتاژ شارژ
- حد ولتاژ دشارژ
- تنظیم دمای قطع .
این قابلیت در بردهای محافظ معمولی یافت نمی‌شود اما گاهی اوقات با تغییر خازن و مقاومت‌های مربوط به این قسمت، می‌توان پارامترها را تنظیم کرد.
پارامترهای مهم در برد محافظ:
برای خرید بردهای محافظ پارامترهای گوناگونی مطرح می‌شوند . این پارامترها به ترتیب شناخت بازار عبارت‌اند از: تعداد سل باتری، جریان برد محافظ، دمای حفاظتی، حد ولتاژ شارژ و دشارژ، جریان بالانس . سایر پارامترهای دیگر که به دلیل اهمیت کم‌تر از بیان آن‌ها خودداری می‌شود. دانستن دقیق این پارامترها، مصرف‌کننده را برای انتخاب برد محافظ برای کاربرد مورد نظر کمک می‌کند.
شناخت پارامترها
اولین نکته برای انتخاب یک برد دانستن تعداد سل باتری است . وابسته به تعداد سل به کار رفته در پک، نوع آن مشخص خواهد شد. پارامتر دیگر برای تعیین صحیح برد محافظ، جریان آن است . هر چه جریان این برد بیشتر باشد، هزینه‌ی نیز بیشتر می‌شود. جریان برد محافظ در واقع همان جریان خارج شده از باتری است که جهت محافظت از باتری، از داخل برد محافظ رد می‌شود.
در برخی کاربردها، دمای باتری به شدت مهم بوده و مصرف کننده به هنگام انتخاب نوع مدار محافظ باید آن را نیز لحاظ کند. در برخی از بردهای محافظ، حد بالای دمای شارژ و دشارژ با یکدیگر برابر است . در صورت نیاز به تفاوت در حد بالای دمای شارژ و دشارژ، باید به این نکته توجه شود.
امروزه باتری‌های لیتیوم یون از تنوع بالایی برخورداراند. و سل‌های به کار رفته در باتری دارای ولتاژ شارژ و دشارژ متفاوتی هستند . مانند باتری های LFP و باتری‌های ولتاژ بالا (high voltage) که ولتاژ شارژ و دشارژ آن‌ها با سایر باتری‌های معمول بازار (معمولا باتری‌های با کاتد LCO ) فرق دارد. این پارامتر در این حالت بسیار اهمیت دارد که اگر به آن دقت نشود امکان آتش سوزی وجود دارد.
پک‌های با ظرفیت بالا در هنگام بالانس شدن، زمان زیادی می‌برند و موجب هدر رفتن وقت خواهد شد . در این حالت، با افزایش جریان بالانس، مدت زمان متعادل سازی ولتاژ سل‌ها کاهش می‌یابد. سایر پارامترهای دیگر مانند پروتکل ارتباطی مدار محافظ (در صورت وجود داشتن) از اهمیت کمتری برخوردار است که متناسب با نیاز باید انتخاب گردند.
ساخت برد محافظ:
در برخی از کاربردها برد محافظ مورد نظر پیدا نخواهد شد . در این صورت نیاز است به شرکت‌های سازنده سفارش داده شود. اصولا هنگامی که تعداد سل‌های باتری و یا جریان مصرفی بالا باشد برد محافظ در کشور به سختی پیدا می‌شود.
برخی دیگر از پارامترها مانند “هشدارهای مورد نیاز” و “پروتکل‌های ارتباطی” در بردهای محافظ وارداتی یافت نمی‌شود . در این صورت نیز باید متناسب با نیازهای ذکر شده، برد محافظ طراحی گردد. در هنگام طراحی حتما باید به شرکت‌های مطمئن سفارش داده شود . چرا که بردهای محافظ در صورت طراحی اشتباه خسارت‌های جانی و مالی جبران ناپذیری بر مصرف کننده تحمیل خواهد کرد.