Trong quá trình vận hành, các thiết bị điện tử dùng pin thường nóng lên, đặc biệt khi hoạt động liên tục trong thời gian dài hoặc vừa sử dụng vừa sạc. Hiện tượng này nhìn chung là bình thường, nhưng trong một số trường hợp, sự tích tụ nhiệt có thể trở thành yếu tố dẫn đến các sự cố nghiêm trọng hơn. Với pin lithium-ion, nhiệt độ tăng cao là một trong những rủi ro quan trọng dẫn đến hiện tượng thermal runaway (quá nhiệt hoặc thoát nhiệt mất kiểm soát), có thể gây cháy nổ nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời.

Ở quy mô lớn hơn, như trong các hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) sử dụng rất nhiều cell pin, vấn đề về nhiệt trở nên phức tạp và mang tính quyết định đối với an toàn hệ thống. Chỉ một điểm nóng nhỏ hoặc sai lệch nhiệt độ giữa các module cũng có thể làm tăng tốc độ lão hóa pin, ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành, hoặc trong trường hợp xấu hơn, có thể dẫn đến chuỗi phản ứng nguy hiểm.

Chính vì vậy, mọi hệ thống BESS hiện đại đều cần một giải pháp quản lý nhiệt chuyên biệt: Hệ thống quản lý nhiệt – Thermal Management System (TMS). Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG sẽ giới thiệu một số thông tin về hệ thống có nhiệm vụ kiểm soát nhiệt độ pin trong suốt vòng đời vận hành, duy trì sự ổn định, hạn chế rủi ro và đảm bảo an toàn.

Hệ thống quản lý nhiệt và vai trò quan trọng
Hệ thống quản lý nhiệt là hệ thống tích hợp có nhiệm vụ kiểm soát và duy trì nhiệt độ vận hành của pin trong hệ thống BESS trong một ngưỡng an toàn và tối ưu, thường từ 15°C đến 35°C tùy loại cell pin và nhà sản xuất.

TMS không đơn thuần là một thiết bị làm mát. Nó là một hệ thống điều phối nhiệt toàn diện: vừa loại bỏ nhiệt thừa sinh ra trong quá trình sạc/ xả, vừa sưởi ấm pin trong môi trường lạnh, vừa cân bằng nhiệt độ đồng đều giữa các cell và module để tránh lão hóa không đồng đều.

Trong kiến trúc tổng thể của một hệ thống BESS, TMS thuộc lớp thiết bị phần cứng, phối hợp chặt chẽ với hệ thống quản lý pin (BMS) để nhận dữ liệu nhiệt độ thực tế và điều chỉnh hoạt động làm mát/ sưởi tương ứng. TMS có vai trò giữ cho nhiệt độ của hệ thống BESS luôn ở mức ổn định để có thể hoạt động bình thường, tránh việc xảy ra các sự cố ngoài ý muốn.

Cơ chế sinh nhiệt của pin lithium-ion
Pin lithium-ion sinh nhiệt theo hai cơ chế chính. Thứ nhất là nhiệt Joule, phát sinh do điện trở của cell pin khi dòng điện chạy qua, tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện. Thứ hai là phản ứng điện hóa – các phản ứng oxy hóa khử bên trong cell cũng giải phóng hoặc hấp thụ nhiệt tùy theo hướng vận hành (sạc hay xả) và tốc độ C-rate (1).
(1) C-rate là cách biểu thị tốc độ sạc hoặc xả của pin so với dung lượng định danh của nó. Nói cách khác, C-rate cho biết pin có thể được sạc hoặc xả nhanh đến mức nào.

Trong điều kiện vận hành cường độ cao hoặc môi trường nhiệt độ cao, nhiệt lượng tích lũy có thể đẩy nhiệt độ cell vượt ngưỡng 45°C. Đây là điểm mà tốc độ lão hóa pin tăng rất nhanh. Khi vượt qua 60°C, nguy cơ thermal runaway bắt đầu xuất hiện, có thể dẫn đến cháy nổ cho bộ rack pin.

Hệ thống TMS kiểm soát nhiệt độ như thế nào
Vòng kiểm soát nhiệt của TMS hoạt động liên tục theo chu trình: Đo lường, xử lý và phản ứng. Hàng nghìn cảm biến nhiệt độ, có thể là điện trở nhiệt (thermistor) hoặc cặp nhiệt độ (thermocouple) phân bố tại các điểm chiến lược trong bộ pin liên tục gửi dữ liệu về bộ điều khiển TMS. Bộ điều khiển sẽ phân tích dữ liệu, so sánh với ngưỡng mục tiêu, và kích hoạt cơ cấu làm mát hoặc sưởi ấm tương ứng.

Đối với hệ thống làm mát chất lỏng, phổ biến nhất trong hệ thống BESS quy mô lớn, chất làm mát (thường là ethylene glycol/ nước hoặc dầu điện môi) được bơm qua các kênh dẫn nhiệt tiếp xúc trực tiếp với module pin, hấp thụ nhiệt và mang về bộ trao đổi nhiệt (heat exchanger) để giải nhiệt ra môi trường. Toàn bộ lưu lượng, tốc độ bơm và nhiệt độ đầu vào đều được điều chỉnh theo thời gian thực dựa trên thuật toán điều khiển PID (2) hoặc model predictive control (MPC) (3) tiên tiến hơn.
(2) PID Controller là một thuật toán điều khiển phản hồi (feedback control) được dùng phổ biến trong công nghiệp để giữ một đại lượng nào đó ở giá trị mong muốn.
(3) Model Predicting Control (MPC) là một thuật toán điều khiển nâng cao, sử dụng mô hình toán học của hệ thống để dự đoán hành vi trong tương lai và tính toán hành động điều khiển tối ưu.

Ba phương pháp làm mát trong hệ thống quản lý nhiệt

1. Làm mát bằng không khí (Air cooling)
Đây là giải pháp đơn giản và có chi phí thấp nhất: quạt và luồng khí cưỡng bức (forced airflow) được dẫn qua các khe giữa module pin để mang nhiệt ra ngoài. Làm mát bằng không khí phù hợp với các hệ thống nhỏ, có mật độ năng lượng thấp hoặc môi trường có khí hậu mát mẻ. Hạn chế rõ ràng là khả năng tải nhiệt thấp, phân bổ nhiệt không đồng đều và hiệu quả giảm mạnh khi nhiệt độ môi trường cao.

2. Làm mát bằng chất lỏng (Liquid cooling)
Làm mát bằng chất lỏng, dù là dạng gián tiếp (chất lỏng tuần hoàn qua tấm làm mát tiếp xúc với pin) hay trực tiếp (chất lỏng cách điện tiếp xúc trực tiếp với cell), đều cho hiệu quả trao đổi nhiệt vượt trội so với làm mát bằng không khí. Đây hiện là giải pháp tiêu chuẩn cho các hệ thống BESS có quy mô MW trở lên. Nhược điểm của phương pháp này là chi phí đầu tư cao hơn và yêu cầu bảo trì hệ thống ống dẫn, bơm tuần hoàn và chất lỏng làm mát.

3. Làm mát ngâm (Immersion cooling)
Đây là công nghệ mới nổi trong vài năm gần đây: toàn bộ cell pin được ngâm trong chất lỏng điện môi không dẫn điện. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng trao đổi nhiệt cực cao, phân bố nhiệt đồng đều gần như tuyệt đối và an toàn cháy nổ tốt hơn đáng kể. Tuy nhiên, chi phí hiện tại của phương pháp này còn rất cao và hệ sinh thái bảo trì chưa trưởng thành. Đây vẫn đang là giai đoạn triển khai thử nghiệm đối với phần lớn các nhà phát triển BESS.

Ứng dụng thực tế
Tại thị trường BESS toàn cầu, làm mát bằng chất lỏng đang chiếm ưu thế ở phân khúc quy mô lưới điện. Các nhà sản xuất lớn như CATL (Trung Quốc), Fluence (Mỹ) và BYD đều tích hợp hệ thống làm mát bằng chất lỏng trực tiếp vào thiết kế container BESS tiêu chuẩn của họ.

Một xu hướng đáng chú ý là sự tích hợp sâu hơn giữa TMS và BMS thông qua nền tảng dữ liệu thống nhất. Thay vì hai hệ thống hoạt động song song và trao đổi tín hiệu rời rạc, các thiết kế thế hệ mới đang xây dựng một “bộ điều khiển” thống nhất, trong đó dữ liệu nhiệt độ thời gian thực được dùng để điều chỉnh đồng thời chiến lược sạc/ xả lẫn cường độ làm mát, giúp tối ưu hóa cả hiệu suất lẫn tuổi thọ pin.

Tại Việt Nam, khi thị trường BESS đang ở giai đoạn đầu hình thành gắn với làn sóng điện mặt trời và điện gió, lựa chọn giải pháp TMS phù hợp với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm trở thành một yếu tố kỹ thuật quan trọng mà các chủ đầu tư và đơn vị EPC cần tính đến ngay từ giai đoạn thiết kế.

Kết luận
Hệ thống quản lý nhiệt không phải là thành phần phụ trong một hệ thống BESS, mà nó là điều kiện tiên quyết để pin và hệ thống có thể hoạt động an toàn, hiệu quả và bền lâu. Khi mật độ năng lượng của pin ngày càng tăng và quy mô hệ thống ngày càng lớn, nhu cầu đối với TMS cũng tăng theo.

Xu hướng hiện nay không chỉ là về khả năng làm mát, mà còn là về độ thông minh của hệ thống: dự đoán được điểm nóng trước khi nó hình thành, điều chỉnh tài nguyên làm mát chính xác đến từng module, và học hỏi từ dữ liệu vận hành để tối ưu liên tục. Đó là lý do AI và học máy (machine learning) đang dần xuất hiện trong các lộ trình phát triển TMS của những doanh nghiệp hàng đầu trong ngành.

Để xem các tin bài khác về “Hệ thống quản lý nhiệt”, hãy nhấn vào đây.