Come funziona un circuito di bilanciamento e protezione della batteria?

Sto costruendo un pacco batteria LiPo 4S che vorrei incorporare in un progetto di altoparlanti portatili e devo assicurarmi che le batterie non richiederanno mai manutenzione oltre a sostituirle completamente entro 5 anni circa. Le batterie che sto usando sono NCR18650B, quindi dovrebbero essere abbastanza decenti.

Sto usando la seguente scheda BMS che utilizza un IC di ricarica Seiko :

Per verificare che funzioni correttamente, ho intenzionalmente sbilanciato una cella facendola caricare fino a 4 V e ho lasciato le altre 3 celle alla stessa tensione di 3,85 V.

L'alimentatore da banco è impostato su 16,8 V per la ricarica e si possono osservare le seguenti cose:

1. Non appena la prima batteria viene caricata a 4,25 V, il pacco viene disconnesso dall'alimentazione. In questo caso particolare, l'energia totale nel pacco è piuttosto bassa perché le batterie erano significativamente sbilanciate. Perché non disconnettere solo la cella più carica?
2. Non riesco a rilevare il bilanciamento con l'alimentazione accesa o spenta, dopo che il BMS ha deciso che la carica è terminata. Nessuna corrente fluisce dalla cella più carica.
3. Ho provato una tavola di bilanciamento alternativa e questo comportamento sembra essere coerente. Tutti i PCB di bilanciamento commerciale "funzionano" allo stesso modo?

Come funziona tutto questo bilanciamento? Quale sarebbe l'opzione migliore per il mio scenario in cui ho bisogno di un pacchetto 4S da cui il carico trarrà picchi di ~ 1A per brevi periodi di tempo?

Ho letto un capitolo di un ottimo libro che risponde a tutto.

Consiglio vivamente di leggere quel capitolo o il libro, ma se vuoi una storia molto breve le cose sono così.

• Normalmente si presume che un pacchetto sia assemblato con celle bilanciate, quindi un normale BMS non è progettato per bilanciare differenze enormi.
• Normalmente le celle al litio hanno un tasso di autoscarica molto basso e sono abbinate abbastanza uniformemente, quindi è necessario solo un piccolo bilanciamento per mantenere il pacco in buone condizioni.
• La maggior parte delle schede BMS che hanno un bilanciamento passano solo una corrente molto piccola dalla cella più carica a una resistenza di shunt, quindi sprecano effettivamente la carica fino a quando le altre celle raggiungono lo stesso livello.
• La maggior parte dei circuiti di bilanciamento non passa corrente da una cella all'altra (bilanciamento attivo) perché è più costoso farlo.
• A seconda del circuito di carica, il bilanciamento non è sempre attivo ma potrebbe essere attivo solo durante e della carica. Poiché non dovrebbe verificarsi un grande squilibrio, sarebbe stupido sprecare energia da una cella più carica quando il pacco è scollegato dall'alimentazione.
• Ci vogliono molti cicli per bilanciare le cellule. Naturalmente, a seconda del circuito, le cose potrebbero variare ma ci si potrebbe aspettare di bilanciare una differenza del 10% in circa 30 cicli di carica.
• Lo squilibrio per ciclo di cellule LiPo correttamente abbinate è generalmente inferiore allo 0,1%

Questa semplice tecnica di bilanciamento che è molto probabilmente implementata nelle comuni schede BMS funziona in questo modo:

Il bilanciamento interno P-MOSFET per una particolare cella, che deve essere bilanciata, viene attivato per primo. Ciò crea una corrente di polarizzazione di basso livello attraverso i divisori di resistori esterni, che collegano i terminali delle celle all'IC del controller di bilanciamento delle celle della batteria. La tensione gate-to-source viene quindi stabilita attraverso R2 e il MOSFET esterno viene attivato. La resistenza di accensione del MOSFET esterno è trascurabile rispetto alla resistenza di bilanciamento cellulare esterno e la corrente di bilanciamento esterna, I BAL, è data da I BAL = V CELL / R BAL. Selezionando correttamente il valore di resistenza R BAL, possiamo ottenere la corrente di bilanciamento cellulare desiderabile, che potrebbe essere molto più alta della corrente di bilanciamento cellulare interna e può accelerare il processo di bilanciamento cellulare.