Trong bài viết trước về chủ đề Pin và hệ thống lưu trữ năng lượng, ban biên tập technologyMAG đã chia sẻ bài viết về hệ thống quản lý pin (BMS), có vai trò duy trì hoạt động an toàn và ngăn ngừa các nguy cơ cháy nổ, cũng như hư hỏng cho pin. Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Stafl Systems, nói về giới hạn an toàn và vai trò giám sát nhiều điều kiện khác nhau trong bộ pin (đặc biệt là pin Lithium-Ion) của hệ thống BMS.

Ví dụ, trong một bộ pin 3S1P, BMS sẽ theo dõi điện áp của cả ba cell mắc nối tiếp. Tại bất kỳ thời điểm nào, một cell có thể báo điện áp 3,650 V, cell khác là 3,675 V, trong khi cell thứ ba, có thể là một ngoại lệ, ở mức 3,812 V. BMS theo dõi sát sao các giá trị này theo thời gian thực nhằm đảm bảo an toàn cho pin.

Ý nghĩa của việc giám sát điện áp và nhiệt độ
Việc giám sát điện áp và nhiệt độ trở nên đặc biệt quan trọng khi xét đến vùng hoạt động an toàn (SOA – Safe Operating Area) của cell pin, thường được thể hiện dưới dạng đồ thị với trục hoành (trục nằm ngang) là nhiệt độ và trục tung (trục thẳng đứng) là điện áp. 

SOA là vùng mà cell pin vận hành an toàn. Ở trục nhiệt độ, phía bên trái là nhiệt độ vận hành tối thiểu an toàn, thường khoảng -20°C đối với một số cell, trong khi phía bên phải thể hiện nhiệt độ tối đa, thường vào khoảng 55°C. Trên trục điện áp, ranh giới dưới là điện áp cell tối thiểu an toàn, thường là 2,5 volt cho các cell NMC (1), còn ranh giới trên là 4,2 volt, mức điện áp sạc tối đa an toàn. Mọi cell trong bộ pin đều phải hoạt động trong vùng này để tránh các sự cố về an toàn.
(1) Cell NMC là tế bào pin lithium-ion sử dụng vật liệu cực dương (cathode) thuộc nhóm NMC, được tạo thành từ ba kim loại chính là niken (Ni), Mangan (Mn) và Coban (Co).

Nếu một cell vượt quá vùng giới hạn an toàn đó, nó sẽ rơi vào các khu vực nguy hiểm ngoài SOA. Ví dụ, nếu nhiệt độ vượt giới hạn tối đa, cell có thể rơi vào trạng thái thermal runaway (2), khi đó nhiệt độ tăng nhanh lên 200, 400, thậm chí 600°C, đủ để làm chảy nhôm và gây ra nguy cơ cháy nổ nghiêm trọng. Nếu điện áp vượt mức tối đa – bị sạc quá mức lên 4,4, 4,5 hoặc 4,6 V – cell cũng có thể rơi vào trạng thái thermal runaway do không còn giữ được năng lượng một cách an toàn. Cả hai trường hợp đều cực kỳ nguy hiểm, thể hiện bằng các vùng màu đỏ cảnh báo ngoài khu SOA.
(2) Thermal runaway (thoát nhiệt mất kiểm soát) là tình trạng pin tự tăng nhiệt độ nhanh chóng và không thể dừng lại, do các phản ứng hóa học bên trong bắt đầu sinh nhiệt nhiều hơn mức nó có thể tản ra ngoài.

Rủi ro của điện áp thấp và nhiệt độ thấp
Điện áp dưới ngưỡng tối thiểu cũng là một rủi ro lớn. Nếu điện áp cell xuống dưới 2,5 V (không phải khi đang tải mà ở trạng thái hở mạch), cell sẽ bị over-discharge (xả quá mức) (3). Hiện tượng này có thể tạo nên “dendrite” – những sợi nhỏ bằng vật liệu dẫn điện mọc bên trong cell, tạo ra các điểm chập nội bộ, là nguyên nhân tiềm ẩn sinh ra thermal runaway và gây cháy nổ khi cell được sạc lại.
(3) Over-discharge (xả quá mức) là tình trạng điện áp của cell pin bị giảm xuống dưới ngưỡng an toàn, tức là thấp hơn mức mà nhà sản xuất quy định cho từng loại pin.

Xả quá mức còn có thể gây hiện tượng phủ lithium (lithium plating) (4), làm giảm dung lượng khả dụng của cell, khiến độ an toàn và độ bền cùng bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Tương tự, việc sạc/ xả cell khi dưới nhiệt độ vận hành tối thiểu, chẳng hạn dưới -20°C, khiến quá trình điện hóa bị cản trở, ion di chuyển không hiệu quả, làm tăng nguy cơ phủ lithium và các vấn đề như đã đề cập với xả quá mức.
(4) Lithium plating là hiện tượng kim loại lithium bám lên bề mặt cực dương (anode) của pin lithium-ion dưới dạng một lớp mỏng hoặc các cấu trúc dạng sợi khi pin bị sạc trong điều kiện không phù hợp.

Chức năng giám sát và bảo vệ của BMS
Để ngăn ngừa những tình huống này, BMS có trách nhiệm liên tục giám sát điện áp và nhiệt độ của từng cell trong hệ thống pin, nhằm đảm bảo chúng luôn hoạt động trong giới hạn an toàn. Để tăng cường mức độ an toàn, BMS nên vận hành với với biên an toàn, ví dụ 100 mV hoặc 5°C giữa giới hạn tuyệt đối của nhà sản xuất cell và ngưỡng kiểm soát thực tế mà BMS áp dụng. 

Các loại lỗi chính mà BMS cần phát hiện và bảo vệ bao gồm: quá điện áp (over-voltage), quá nhiệt (over temperature), điện áp thấp (under-voltage) và nhiệt độ thấp (under-temperature), với mỗi lỗi được theo dõi trên từng cell riêng biệt. BMS phải chủ động tạm ngắt hoạt động hoặc giảm tải hệ thống nếu bất kỳ cell nào sắp chạm ngưỡng không an toàn. Việc chỉ theo dõi một cell là không đủ; mọi cell đều cần được kiểm soát vì chỉ một cell gặp sự cố cũng có thể gây nguy hiểm cho toàn bộ bộ pin.

Truyền thông và kiểm soát trong hệ thống BMS
Truyền thông và kiểm soát (communication and control) cũng là hai khía cạnh then chốt của BMS. BMS thường giao tiếp với hệ thống ngoài để thông báo khi cell bị quá nhiệt hoặc quá điện áp, từ đó yêu cầu ngừng sạc hoặc xả. Nếu hệ thống ngoài không thực hiện theo yêu cầu, có thể do lỗi phần mềm hoặc lỗi thiết bị – BMS cần có khả năng tự động tách rời (disconnect) bộ pin khỏi tải hoặc khỏi bộ sạc để bảo vệ pin. 

Yêu cầu an toàn của hệ thống BMS
Tóm lại, các chức năng an toàn chủ đạo của BMS xoay quanh việc giám sát cẩn trọng điện áp và nhiệt độ của từng cell, áp dụng vùng đệm vận hành, phát hiện lỗi nghiêm trọng, truyền thông giới hạn cho các hệ thống liên quan, và chủ động ngắt kết nối để bảo vệ bộ pin khi cần thiết. Những tính năng an toàn thiết yếu này chính là cốt lõi hoạt động quản lý lỗi trong hệ thống BMS.

Tiếp tục khám phá chuyên đề BESS & Pin trên trang technologyMAG
Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) đang trở thành một trong những công nghệ quan trọng trong quá trình chuyển dịch năng lượng, từ điện mặt trời, điện gió cho đến các ứng dụng công nghiệp và lưới điện hiện đại. Tuy nhiên, đây cũng là lĩnh vực bao gồm nhiều khái niệm, công nghệ và tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau cần được tìm hiểu theo từng bước.

Để giúp độc giả thuận tiện tra cứu và theo dõi toàn bộ chuỗi nội dung, Ban biên tập technologyMAG đã xây dựng Trang tổng hợp chuyên đề BESS & Pin, bao gồm các nhóm bài viết về tổng quan công nghệ, cấu tạo hệ thống, pin lưu trữ, tiêu chuẩn kỹ thuật, ứng dụng thực tế và các xu hướng mới trong ngành.

Tìm hiểu thêm chuyên đề BESS & Pin tại đây: www.technologymag.net/technologymag-gioi-thieu-loat-tin-bai-chu-de-bess-pin/

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

 

Nguồn: Stafl Systems