INTRO
I circuiti per la protezione delle batterie al litio sono dei circuiti usati per proteggere da una serie di condizioni sfavorevoli le celle al litio. Questi circuiti sono chiamati anche BMS ovvero Battery Management System oppure Battery Protection Circuit e servono ad aumentare la vita delle batterie e a proteggerle da condizioni che le danneggerebbero o creerebbero situazioni di pericolo. Molte volte smontando le batterie del cellulare si nota un piccolo circuito al di sopra della cella, quel circuito è un BMS.
I dispositivi di basso livello permettono la protezione da sovraccarica, da sovrascarica, da corrente massima e da cortocircuito. La prima protezione fa in modo che le celle si scollegano dal caricatore quando si raggiunge la tensione di massima carica, La protezione da sovrascarica stacca le celle invece dal carico. La protezione da cortocircuito e da corrente massima scollegano le celle dal carico quando avviene una di queste due condizioni.
I circuiti di livello alto invece dispongono anche della protezione termica, ovvero scollegano le celle quando si supera una certa temperatura. I BMS sono veramente utili per caricare le celle in serie, questo perché semplificano il caricatore ed evitano rotture soprattutto in fase di carica.
Il tipo di circuito da usare dipende sia dalla corrente sia dal numero di celle collegate in serie. Per indicare il numero di celle collegate in serie si usa il numero delle celle seguite dalla lettera S. 1S significa che vi è una sola cella, 2S significa che si sono due celle collegate in serie e così via.
CIRCUITO PER SINGOLA CELLA
Un tipico circuito per singola cella è così fatto:
La batteria viene connessa come indicato facendo attenzione alla polarità, Il caricatore viene connesso ai poli P+ e P-. Il circuito è composto da un integrato che funge da controllore e da due o più mosfet che servono per scollegare la cella quando è in condizione di pericolo. Il numero dei mosfet dipendono dalla corrente di uscita, ad esempio in figura si ha un BMS da 10A. Il circuito di controllo è solitamente composto da un integrato DW01-p anche se costruttori diversi possono usare diversi integrati.
Lo schema del circuito di protezione è il seguente:
Anche se sembrerebbe che i mosfet essendo in controfase non possono condurre entrambi, questo è possibile grazie alla logica di controllo. Un parametro molto importante che riguarda i mosfet è la resistenza interna, questo perché si crea una perdita di potenza che dipende da essa. Inoltre l’integrato assorbe una piccola potenza anch’esso, in ogni caso le perdite di potenza dei mosfet e dell’integrato sono trascurabili.
Per ogni modulo vi sono delle caratteristiche che dipendono dall’integrato usato e dai mosfet. Per il modulo di figura le caratteristiche sono:
- Tensione di sovraccarica: 4.28±0.025V
- Tensione di sovrascarica: 2.8±0.08V
- Massima corrente: 10A.
- Resistenza: 10mOhm
Queste informazioni ci dicono che il caricatore viene scollegato dalla cella quando la tensione è pari a 4.28V con un errore pari a 25mV, la batteria viene scollegata dal carico quando raggiunge una scarica pari a 2.8V con un errore di 80mV e la corrente massima è 10A.
La resistenza dovuta ai mosfet è di 10mOhm ovvero 0.01 Ohm, quindi su 10A si crea una caduta di tensione di 100mV e quindi si perde una potenza di 0.1W al massimo della corrente erogata (circa 42-28W) quindi 0.1W è una quantità molto piccola.
Per quanto riguarda la corrente massima non conviene mai usare un BMS con corrente maggiore di quella che serve, ad esempio se il mio circuito assorbe al massimo 1.5A un BMS da 2A è perfetto perché mi protegge il circuito da sovracorrenti, al contrario usare uno da 10A per un circuito che assorbe al massimo 1.5A mi permette di avere correnti di 10A che brucerebbero completamente il circuito, inoltre il BMS da 10A ha un costo maggiore.
CIRCUITO DI PROTEZIONE PER DUE CELLE
Un classico circuito di protezione per due celle in serie è il seguente:
In questo caso come circuito di controllo si utilizza un R5460 oppure un S2562, un circuito di controllo in grado di controllare singolarmente le due celle. Infatti questo circuito dispone del contatto BM ovvero il contatto mediano della connessione in serie. In questo modo il circuito di controllo è in gradi di misurare la sovracarica e la sovrascarica di entrambe le celle in modo tale da staccare le batterie dal caricato quando una delle due raggiunge una tensione di carica pericolosa o una tensione di scarica troppo bassa, proteggendo la singola cella nel caso una sia più carica o più scarica dell’altra.
Le caratteristiche del circuito di figure sono:
- Tensione di sovraccarica: 4.25±0.05V
- Tensione di sovrascarica: 2.75±0.05V
- Massima corrente: 5A
- Resistenza: 21mOhm
- Assorbimento del circuito di controllo: 10uA
Anche in questo caso attenzione al collegamento e non attenzione a ben dimensionare la corrente del circuito.
CIRCUITI PER PIÙ DI DUE CELLE E CELLE IN PARALLELO
Esistono circuiti di protezione per tre celle in serie, detti 3S, in grado di fornire 10.4V, ma esistono anche circuiti 4S e 5S per avere 4 o 5 serie rispettivamente. Anche in questo caso, come visto in precedenza per i circuiti 2S oltre agli estremi della serie bisogna connettere i contatti centrali. Nel caso dei 3S vi saranno 2 contatti centrali, nei 4S ve ne saranno 3 e nei 5S ve ne saranno 4.
Se il circuito di protezione delle batterie dispone di un sensore di temperatura questo va connesso al centro del pacco batteria. I circuiti visti fin ora sono adatti sia per le celle agli ioni di litio sia per le celle LiPo.
Se bisogna collegare due celle in parallelo si consiglia di usare un BMS per ogni cella e poi collegare l’uscita dei circuiti insieme, ovvero:
La stessa cosa per le celle in serie, ovvero se si vuole il parallelo di due celle in serie collego la prima serie con un BMS 2S, la seconda serie la collego in modo uguale e poi metto in parallelo i contatti P+ e P- dei due BMS. Stessa cosa per il parallelo di due serie da tre e così via. Se si vogliono invece paralleli di più di due celle ci vogliono più di due BMS e la connessione è uguale.
Molte volte si vedono le celle in parallelo collegate con un solo BMS, questa tecnica si può usare ma non protegge la singola cella da sovracorrenti. A volte alla prima accensione i circuiti non forniscono tensione in uscita. In questo caso basta collegare il pacco batterie con il BMS al caricatore per pochi secondi oppure ad un generatore di tensione di valore opportuno.
