BMS pro domácí úložiště LiFePO

[střídač_N]

Výhoda balancování spočívá v možnosti spolupráce článků.......

U Kybose jsem zvyklý na přesnou argumentaci, tudíž to nemohl psát on, neb žádné počty, jen obecné proklamace.

[střídač_N]

.... už konečně pochop, ...... a to je ten rozdíl, jestli stojím 1km od nabíječky, nebo u nabíječky.

Předně řešíme jak zní nadpis "BMS pro domácí úložiště LiFePO", tudíž auta nechme stranou.

První otázka je, zdali budu využívat celou kapacitu, nebo jen její část. Zkušenosti ukazují na to, jít tak do 70% využití kapacity. Je to kompromis, mezi životností a využitím. Navíc je třeba kapacitu využívat kolem pomyslného středu napětí akumulátoru. Možnost "balancovat" ať již "nahoře" nebo "dole" nevyužiji.
Dokonce i argument samovybíjení je lichý. Ve své podstatě by to vypadalo následovně. Samovybíjením se symovybije článek a zasáhne BMS a bude jej udržovat ve spodním stavu a to tak dlouho, dokud se nevybije zbytek akumulátorů.

Nechci nikoho přemlouvat k investicím do jakéhokoli balancování, leč já osobně jej považuji pro FVE za nevyužitelné, nebo spíš, zasahující jen při haváriích, no a to bych raději svěřil jednoznačnému odpojení a vyčkání rozhřešení co s načatým večerem, ehm baterkou.

Zkusme ještě trošku počítat. Předpokládejme, že budu mít jeden článek 100% kapacity a druhé!! 110% kapacity a celkovou kapacitu 10kWh, tudíž bych mohl kapacitu zvýšit na asi!! 11kWh. Při vybíjení víc než její kapacitu nedostanu ať dělám co dělám.
Stojí mí za tu jednu kWh investovat do složitého zařízení, navíc s možností fatální poruchy, nebo peníze takto hloupě neutratit a navýšit kapacitu o deset procent.

Má zkušenost je následující:
Pokud první článek dosáhne určeného nabíjecího napětí, odpojit.
Pokud první článek dosáhne určeného vybíjecího napětí, odpojit.
Mezi těmito napětími cokoli do 0,5C.

[kodl69]

Je to pořád dokola. Mám například možnost koupit 45Ah Li-ion články za zajímavý peníze, ale některý kusy trpí na samovybíjení, i když vyberu ty lepší, tak za 2 měsíce napětí z 4.2V pokleslo na 4V u těch lepších. Podle odhadu je to cca 10% kapacity. A není to u všech stejně. takže pokud nebudu balancovat, a rozdíl v samovybíjení bude jenom 1% kapacity za 2 měsíc, tak za 100 měsíců dojde k tomu, že článek s největším samovybíjením bude prázdenej i při plným nabití ostatních, a už po 50-ti měsících dojde k tomu, že v tom ščlánku bude jenom max. 50% kapacity proti nejlepším. Není potřeba balancovat každodenně, ale cca 1x za měsíc, nejlépe automaticky, malým proudem dotáhnout všehny články k horní hranici napětí.
A argumet, že popisuju stav u Li-ion aku a ne lifepo beru jako slovíčkaření, prostě jsou to všechno akumulátory s Li-xx technologií. To, že za 2 roky přijdu při pasvním balancování o energii v řádu jednoho cyklu akumulátoru - to je nutný zlo, který dokáže aktivní balancování omezit na minimum.

Samozřejmě vyhodnocení napětí na jednotlivých článcích při nabíjení a vybíjení různými proudy může sloužit k tomu, že skutečně některý článek je třeba nahradit lepším, tohle by chtělo alespoň nějakou sofistikovanou tabulku v excelu, kde by se po načtení CSV ( čas, x krát napětí , proud ) automaticky vyhodnotilo poměry kapacit článků, poměry vniřních odporů a samovybíjení článků - to bych hodnotil jako přínos BMS. A třeba to, že při zatížení na jednom článku napětí klesá a na druhým roste, se dá vyhodnotit jako povolená propojka mezi článkama...

[kybos]

U Kybose jsem zvyklý na přesnou argumentaci, tudíž to nemohl psát on, neb žádné počty, jen obecné proklamace.

Tak to vezmu trochu obšírněji. Jelikož patřím do skupiny solárníků, kteří si spočítali, že kupovat nové články pro FVE je nerentabilní, tak řeším metodiku, jak se popasovat s těmi ojetými, které již dávno nejsou jak z čerstvé dodávky z výrobní linky, kdy měly kapacitu jeden jako druhý (+10%) ale jsou rozjeté a vzhledem k tomu, že jsou přebrané a posbírané z různých uskupení, nepracovaly od výroby společně a každý má za sebou jinou historii, je zřejmé, že budou mít i rozdílnou kapacitu, vnitřní odpor i samovybíjení. První filtr jsem provedl ještě před nákupem, kdy jsem vybral do jedné množiny články s přibližně stejným vnitřním odporem. V druhém kole jsem tuto množinu uspořádal podle reálné hodnoty kapacity článků a seskupil je do sad s přibližně stejnou kapacitou. Vzhledem k tomu, že jsem jich měřil jen desítky a ne stovky, je výsledný stav takový, že rozptyl kapacity v sadě je cca 20%. Rozhodl jsem se z bezpečnostních důvodů uspořádat sady tak, že budou zapojeny v sériové kombinaci šestnácti článků a tyto sady se budou s příslušným jištěním spojovat paralelně. Chci se tak vyhnout nejištěnému paralelnímu spojení článků různých kapacit, které považuji za problematické. Pokud by měly být paralelní kombinace jednotlivých článků jištěny, vstupuje do obvodu poměrně velký přídavný odpor jištění a tím i ztráty. Pokud jsem se rozhodl pro výhradně sériovou kombinaci článků, bude mi stačit jedna pojistka na celou sériovou sadu. Na to, abych mohl tvrdit, že ampérhodinová kapacita sériové kombinace článků (bez další podpory) je rovna ampérhodinové kapacitě toho nejslabšího z nich nepotřebuji žádné složité výpočty, na to stačí jeden Kirchhoffův zákon.
Jsme tedy ve stavu, kdy máme sériové kombinace šestnácti článků s poněkud rozdílnými vlastnostmi a máme na výběr, zda tyto sériové kombinace budeme využívat v limitech toho nejslabšího článku nebo je využijeme více a to tak, že k nim připojíme inteligentní BMS, která bude vhodným způsobem přelévat náboj ze silnějších článků do slabších, aby se ty slabší nedostaly mimo stanovený rozsah svorkového napětí. Vzhledem k původu článků lze předpokládat, že rozdíly reálných kapacit jednotlivých článků v sadě se budou v dalším provozu zvyšovat. Proto jsem se rozhodl pro druhou variantu s inteligentní BMS, která zajistí normalizaci kapacit článků v sérii.
Teď je otázkou jak tento problém nestejných parametrů článků řešit. Souvisí s tím samozřejmě i ekonomika takového řešení. Vezmeme-li v úvahu cenové hladiny nakupovaných článků, je zřejmé, že je zde určitá cenová hranice do kdy má smysl realizovat inteligentní BMS a od kdy je výhodnější přikoupit další nevyváženou sadu článků bez inteligentní BMS.
Hovoříme-li zde o úložišti na bázi LiFePO, je evidentní, že alespoň nějaká pasivní a neinteligentní BMS bude u článků nutná, jelikož je tento typ článků velice zranitelný překročením limitních mezí napětí.
BMS musí zajistit minimálně dva úkoly:
1. Změřit pokud možno přesně napětí článku.
2. Přesunout náboj článku vhodným směrem na základě zjištěného napětí.
Ve zjednodušeném provedení je možno zajistit jen první úkol a ten druhý nechat po odstavení části úložiště z provozu na odborné obsluze, která se s ním nějak vypořádá a vrátí příslušnou sériovou sadu zpět do provozu. Pokud ale nechci být otrokem svého úložiště, nechal bych tuto činnost raději na nějakém zařízení, které povýší úložiště na bezobslužnou jednotku. Tím bych asi skončil s obecnými proklamacemi a je nutno přistoupit k tvrdým ekonomickým datům a příslušným výpočtům. Jak jsme si v obecném úvodu vysvětlili, je zřejmé že u LiFePO bude nutná alespoň minimální podpora článků ve smyslu měření napětí. Tuto činnost bych rutinně na obsluze s voltmetrem asi nenechal. Vzhledem k ploché vybíjecí charakteristice článků LiFePO musí být měření dostatečně přesné, abychom byli schopni spolehlivě identifikovat stav článku v jeho okrajových mezích. Obávám se, že běžné třímístné voltmetry k tomuto účelu stačit nebudou. Jednak mám jisté zkušenosti s přístroji této třídy přesnosti čínského původu a také musíme vzít v úvahu, jaká škoda vznikne při selhání takového levného měřidla. Ekonomicky vzato tento měřící prvek rozhoduje o životnosti článku v ceně několika tisíc korun. Proto pokládám za vhodné investovat do zabezpečení článku částku, která by se měla zespodu blížit ceně tohoto článku podělené mírou rizika, že dojde v provozu k překročení povolených napěťových mezí. Míru rizika si musí stanovit každý sám podle druhu provozu a stavu článků. Já ji pro svou situaci odhaduji na 20%. (Očekávám plodnou diskusi a konkurenční odhady.) Pro mé vstupní ceny článků a přijatelnou míru rizika vychází cenový strop zabezpečení článku na 600 Kč. Do této ceny by se mohl vejít minimálně čtyřmístný voltmetr. Otázka konkrétního provedení a formy výstupu takového voltmetru je tedy na pořadu řešení. Máme danou přesnost a cenový limit, můžeme tedy vybírat formu realizace:
A ) Výběr vhodného typizovaného modulu velkosériově vyráběného a přizpůsobení se jeho vlastnostem.
B ) Vývoj vlastního modulu s vlastnostmi optimálními pro navázanou BMS.
Abychom mohli posoudit vhodnou formu realizace, je nutno nejdříve provést průzkum trhu, vyhodnotit vlastnosti modulů, které jsou k dispozici a posoudit, zda nebo do jaké míry jsou vhodné k zamýšlenému účelu.
Pokud jste se dočetli až sem, tak vězte že teď nechám prostor pro postřehy oponentury, případně pro návrhy řešení.

[rottenkiwi]

Tu som len tak narýchlo nahodil nejaké čísla, čo mi prišlo pod prsty:
B - nominálna kapacita
C - rozdiel reálnej a nom. kapacity
D - reálna kapacita
E - reálna kapacita pri t = 25 *C a SOC = 70 %
F - reálna využiteľná kapacita bez BMS
G - modré pole = max. kapacita ktorú možeme prečerpať
H - zelené pole = ASB zeleného poľa je energia, ktorú sme dodali do najlabších článkov
---- žlté pole = ABS ž. poľa je energia, ktorú sme čerpali pri 85 % nej účinnosti BMS
---- fialové pole = zostávajúca energia na dodanie po 1. hod balancovania
I a J ako H, len bal. prúd je 4 a 8 A.

[trud]

Moja názor na balancovanie je taký že komu sa batérie rozchádzajú musí balancovat (alebo zrovnat kapcitu pridaním článku k najslabšej vetve) komu sa nerozchádzajú balancovanie nepotrebuje. Dôkazom je x používatelov tu na fóre čo balancér nemajú.
Moja batéria šlape bez banalcéra rok..a to je teda pekne rôzna..rôzny výrobcovia 18650, rôzne kapacity, + 18ks lion z elektromobilu.
A kedže elektromobilových blokov mam 18ks a bateriu 7s ostavli mi 4 ks ..pouzil som 2*7 člankov. A co teraz ? Doma sa valali 4 ks 40Ah lioniek z elektromobilu...no pekne som kúpil 48ks 18650 a zlozil 3 lionky po 16ks a kapacita cca 41,6Ah....pozapájal a ani takto rozdielne batérie (kapacita je velmi podobná) netreba balancovat.

Môj záver : pokial je technologia baterii rovnaka, kapacita vetiev rovnaka (+/- 1-2%) nie je ziadne balancovanie potrebné..a ak mi dáka vetva začne vykazovať menšiu kapacitu...pridám XY článkov 18650..mne to príde lepšie ako balancér. Taktiež je dôležité aké prúdy taham a dodávam do batérie..určite sa skôr rozhodí batéria kde tlačím 1C ako batéria kde ide 0,1C.

Čo som ešte odsledoval tu na fore,, kapacity aj nových lidepo4 sú značne rozhádzané aj 5-8% od toho čo udáva výrobca....zatial co pri lion sú to 1-2%.

[rva]

Bez balancování si provoz baterie nedovedu představit. Když jsem měl jenom pasivní balancery, tak to znamenalo jednou za čas došťouchnout některé články. Vždy se jednalo o ty samé. Teď s aktivními balancéry od Mandy mám pokoj a vím, že drobnější nerovnoháhu bez problémů zvládnou. Navíc šetří nejslabší články, které by jinak prodělávaly nejhlubší cykly. A na 350 Ah zatím stačí i toto balancování, kde je snad max. balancovací proud 1A.

[střídač_N]

B ) Vývoj vlastního modulu s vlastnostmi optimálními pro navázanou BMS.
Abychom mohli posoudit vhodnou formu realizace, je nutno nejdříve provést průzkum trhu, vyhodnotit vlastnosti modulů, které jsou k dispozici a posoudit, zda nebo do jaké míry jsou vhodné k zamýšlenému účelu......

Nejsme ve sporu, zdali měřit. Jsme ve sporu co s tím naměřením. Já tvrdím odpojit, většina tvrdí balancovat. Z druhé strany je to tak v pořádku, nechť si dělá každý jak uzná za vhodné.

Dovolím si již nastínit dlouho ve mně zrající řešení.

Pominu to, co jsem doposud udělal, například měření pomocí B0505S. Přepínám jeden kus B0505S jazýčkovýma relátkama multiplexem a je to vcelku přijatelné co se týče nákladů a výsledku. Z druhé strany je to na hranici použitelnosti co se týče přesnosti.

Ještě k nabídce jež zde byla učiněna Budínksý BEL:
Monitor baterie - řídicí deska MB50-RD 2560,-
Monitor baterie - deska měření napětí a vyrovnávání MB50-MNV. 3750,- 2x
Monitor baterie - deska měření proudu a odpojování MB50-MPO 3000,-
CELKEM 13 060,-

Nechci kritizovat samotné zařízení, je bezesporu na vysoké úrovni, leč cena říká, že raději ne.

Tudíž řešení:
Přijatelná je sběrnice I2C, nebo spíš pro tuto sběrnici jsou vcelku přijatelné ceny ADC převodníků. V úvahu přichází známá součástka ADS1115 přesnost pro naše použití asi!! 0,2mV (zesílení jedna). Součástka má sice čtyři vstupy, ale jsou přepínány multiplexně, tudíž na stejném potenciálu. Druhý vstup by se dal použít na měření teploty termistorem. Na obvodu je možné nastavit jen 4 adresy, tudíž je třeba I2C multiplex patrně PCA9547. Díky rozdílným potenciálům je třeba použít barieru jak navrhl kodl ADUM1250. Napájení B0505S je sice možné, ale žravé. Asi je třeba pohledat něco lepšího.
Stačí čtyři čtveřice plus jedna ADS1115 bez bariery na měření celkového napětí, plus dalších třech napětí, třeba panelů.

Na měření proudů by bylo asi vskutku asi ještě větší přesnosti. Bočník 0,075V/200A dává 0,000375V na 1A. Při zesílení 16 u ADS1115, se snížením rozdílového napětí na vstupech na ±0.256 V je rozlišení 7.8125 μV kde jsme již schopni měřit desítky mA. Přirozeně v plus pólu, tudíž také bariera. Bude li třeba větší přesnosti, není problém přidat přesnější ADS převodník.

Náklady, uvažuji v současnosti jen pomocí dílčích modulů výhradně z ALI. Pokud to ještě jde.
ADS1115 modul 18 ks *1,60USD
B0505S 17 ks * 0,80USD
ADUM1250 20ks *1.00USD
PCA9547 3 ks * 1.00USD
arduino mini 1ks * 2.00USD
CELKEM asi 55USD.

Tímto řešením se budu bavit v zimně.

Uvítám jakékoli námitky, připomínky, kritiku.

[volente]

Nemám balancér, pouze občas měřím. Balancoval jsem svoji první baterii 96p7s z použitých 18650 poprvé po 14ti měsících provozu. Důvod? Rozdíl mezi články při běžném provozním napětí přesáhl 0,05V. Nejslabší článek jsem prostě dobil na napětí nejsilnějšího.
Od napětí plně nabité 28,4V do napětí téměř vybité 24,0V se články rozchází max. do 0,05V. Těsně před odpojením při 23,5V a zátěži je rozdíl mnohdy i 0,2V. Ovšem po odpojení zátěže se rychle srovnají.
Za tohoto stavu považuji balancér za zbytečnost s nejasnou spolehlivostí.
Podotknu že baterie z prizmatických článků např 17p7s, 13p7s a směsici článků nestejných kapacit 10p7s jsem za více jak dva roky provozu nebalancoval vůbec. Prostě nebyla potřeba.

[kodl69]

A nechceš se raděj zůčastnit modulovýho řešení s Attiny 85 -10bit ADC, tj rozlišení cca 3mV na každým článku (reference LM385) s komunikací přes optočleny? V nejbližší době osadím prvních 10ks, a bude potřeba programovat a testovat. Modul i se zvyšujícím měničem (místo něj může přijít 30W odpor) vyjde v materiálu něco přes 200Kč, s odporem by to bylo podstatně míň, tipuju do 100Kč... No a na vyhodnocení stačí třeba arduino, nebo cokoliv jinýho, co má uart.

[kodl69]

to střídač N: nevím, k čemu by měly být ty B0505, přece jde ty ADS1115 a ADUM1250 napájet přímo napětím článku, ADS má fungovat od 2 do 5V, ADUM od 3V do 5V, a jistě má nějakou rezervu směrem dolů, ale to už řešíme úplně vybitou baterku...

[střídač_N]

......přece jde ty ADS1115 a ADUM1250 napájet přímo napětím článku,...

Motivy jsou dva:
-možnost "odpojit" jednotlivé články od zdroje vybití
-nemám ověřeno, jak bude ADS1115 měřit stále jen "své" napětí.

Je klidně možné, že tyto obavy jsou podružné a že to dopadne tak, že půjdou " ADS1115 a ADUM1250 napájet přímo napětím článku".

K předešlému, pokud bude pro mne využití, rád se zapojím do čehokoli, co má smysl.

[kodl69]

teď se na to dívám, ADUM1250 "žere jako kamna" 1.8 až 3.3mA při 3.3V... ADS1115 0.3mA. Otázka je, jestli je to víc než samovybíjení článku většího než 18650...

[kybos]

... Druhý vstup by se dal použít na měření teploty termistorem...

Pro měření teploty bych dal přednost DS18B20. Jsou přesnější a stabilnější (v uvažovaném rozsahu teplot +-0,2°C) a knihovny pro jejich obsluhu na Arduinu jsou k dispozici. Nehledě ke skutečnosti, že zapojení je jednodušší.

[kybos]

teď se na to dívám, ADUM1250 "žere jako kamna" 1.8 až 3.3mA při 3.3V... ADS1115 0.3mA. Otázka je, jestli je to víc než samovybíjení článku většího než 18650...

Nebylo by vhodnější a na spotřebu méně náročné vyřešit komunikaci z článku na sousední článek s galvanickým spojením pomocí "level shift" bez galvanického izolátoru?

[kybos]

to střídač N: nevím, k čemu by měly být ty B0505, přece jde ty ADS1115 a ADUM1250 napájet přímo napětím článku, ADS má fungovat od 2 do 5V, ADUM od 3V do 5V, a jistě má nějakou rezervu směrem dolů, ale to už řešíme úplně vybitou baterku...

Nejsou k dispozici jednočipy s napájením od 3V a šestnáctibitovým A/D převodníkem přímo na těle za přijatelnou cenu?

[kodl69]

co je přijatelná cena? a pokud to není z rodiny AVR, ale PIC, tak s tím si nevím rady... ostatně 16bit není potřeba, spíš je potřeba lepší reference než interní v procesoru, s teplotou to chodí i o 10 procent. 5mV pro 10bit ADC rozlišení vidím jako dostatečnou hodnotu.

[kybos]

Přijatelná cena se bude měnit s ohledem na cenu článku, kterou daná jednotka ochraňuje a míru rizika se kterou napětí článku v reálném provozu může překročit povolené meze. Pokud chráním článek za 3000 Kč a míra rizika je 10%, pak by cena celého modulu neměla překročit 300 Kč, z čehož lze dovodit přijatelnou cenu jednočipu. Pokud bude stát plošný spoj s dalšími součástkami 100 Kč, je přijatelná cena jednočipu nanejvýš 200 Kč. Pokud bude míra rizika větší, bude logicky přijatelná cena jednočipu také vyšší.

[kodl69]

ještě jsi zapoměl na zisk výrobce a marži obchodníka takže na procesor zůstává max. 20Kč...
Jinak s tou cenovkou tak nějak souhlasím, BMS v ceně poloviny baterky mi nepřijde jako rozumná volba, ale už jsem to několikrát takhle musel řešit, ale u elektromobility, ne v pevné instalaci.

[rottenkiwi]

Ešte by ma zaujímalo, aký BMS je vhodný, ak mám napr.
1. 100 resp. 200 Ah LiFE @ 12 V @ 70 % SOC @ 5000 cycles
2. 200 resp. 400 Ah LiFE @ 24 V @ 75 % SOC @ 4000 cycles
3. 400 resp. 800 Ah LiFE @ 48 V @ 80 % SOC @ 3000 cycles.

Koĺko musí BMS za svoju životnosť prečerpať, aby sa zaplatil,
ak nejde o BMS typu on/off pri limitných napatiach ?