Trong bài viết trước về chủ đề Pin và hệ thống lưu trữ năng lượng, ban biên tập technologyMAG đã chia sẻ bài viết giới thiệu về hệ thống quản lý pin (BMS). Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Foolish Engineer, nói về cấu trúc và vai trò của hệ thống quản lý pin.

Một hệ thống BMS bao gồm nhiều khối chức năng phần cứng và phần mềm, trong đó có MOSFET ngắt mạch, cảm biến dung lượng hoặc mạch đo dòng, mạch giám sát điện áp cell và mạch cân bằng điện áp cell, đồng hồ thời gian thực (real-time clock – RTC), cùng hệ thống theo dõi nhiệt độ. Mỗi khối đều có mục đích và công nghệ riêng, góp phần giúp bộ pin, chẳng hạn như bộ pin trong xe điện vận hành an toàn và hiệu quả.

MOSFET ngắt mạch và cơ chế kết nối pin
MOSFET ngắt mạch thực chất là các transistor, đóng vai trò như các công tắc điều khiển. Chúng được sử dụng để kết nối hoặc cô lập bộ pin khỏi tải và bộ sạc. Vi điều khiển (microcontroller) của BMS liên tục đo điện áp các cell và dòng điện theo thời gian thực, sau đó dựa trên các thông số này để điều khiển việc bật hoặc tắt các MOSFET (1).
(1) MOSFET là viết tắt của Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor, một loại transistor hiệu ứng trường rất phổ biến, cho phép điều khiển dòng điện chính xác trong các mạch điện và hệ thống pin.

Các MOSFET này có thể được cấu hình theo hai cách. Ở cấu hình thứ nhất, bộ sạc và tải dùng chung một kết nối duy nhất, ví dụ như bộ điều khiển động cơ và động cơ. Ở cấu hình thứ hai, bộ sạc và tải có hai kết nối riêng biệt. Trên thực tế, cấu hình thứ nhất thường được sử dụng trong BMS vì giúp giảm số lượng phần cứng cần thiết – chỉ cần một bus nguồn để kiểm soát cả quá trình sạc và xả.

Ban đầu, cả hai MOSFET đều ở trạng thái tắt, vì vậy khi bộ sạc được kết nối thì dòng điện chưa thể chạy ngay lập tức. BMS sẽ cảm nhận điện áp tại đầu vào; khi phát hiện có bộ sạc, nó sẽ bật MOSFET sạc (Charge FET hoặc CFET) để cho phép pin được sạc. Nếu không có điện áp tại đầu vào, BMS sẽ xác định rằng tải – chẳng hạn động cơ – đang được kết nối và khi đó nó sẽ bật MOSFET xả (Discharge PET hoặc DFET).

Khối đo dòng và tính toán dung lượng pin
Khối fuel gauge (mạch đo dung lượng pin) hoặc current monitor (mạch đo dòng điện) có nhiệm vụ theo dõi lượng điện tích đi vào và đi ra khỏi bộ pin. Để đo dòng, hệ thống sử dụng một mạch khuếch đại dòng kết hợp với vi điều khiển có bộ chuyển đổi tương tự – số (Analog-to-digital converter – ADC).

Một điện trở có giá trị rất nhỏ (còn gọi là điện trở shunt) được mắc nối tiếp với pin, và điện áp trên điện trở này sẽ được đo bởi mạch khuếch đại dòng. Tín hiệu sau khi được khuếch đại sẽ được đưa vào ADC của vi điều khiển. Vi điều khiển đo điện áp này và tính toán lượng điện tích theo thời gian.

Chiều của dòng điện cho biết trạng thái của pin: nếu dòng điện đi ra khỏi pin thì pin đang xả, còn nếu dòng điện đi vào pin thì pin đang được sạc. Ngoài ra, trên thị trường còn có các IC (mạch tích hợp) chuyên dụng, có khả năng tự động tính toán trạng thái sạc (SOC) và trạng thái sức khỏe (SOH) của pin. Tuy nhiên, việc sử dụng các IC này thường làm tăng chi phí thiết kế BMS. Trong các ứng dụng có dòng tải biến thiên mạnh như xe điện, việc dùng điện trở shunt để đo dòng thường là giải pháp phù hợp hơn.

Cấu hình này cũng hỗ trợ chức năng bảo vệ quá dòng. Khi dòng điện vượt quá mức an toàn, mạch đo dòng sẽ phát hiện và gửi tín hiệu để tắt DFET hoặc CFET nhằm bảo vệ bộ pin.

Giám sát điện áp cell và cân bằng pin
Việc giám sát điện áp của từng cell riêng lẻ là cực kỳ quan trọng. Trong xe điện, pin lithium-ion thường được sử dụng, với điện áp cell điển hình nằm trong khoảng từ 2,5 V đến 4,2 V, tùy thuộc vào tính chất hóa học của pin. Việc vận hành pin ngoài dải điện áp này sẽ làm suy giảm đáng kể tuổi thọ của cell.

Các cell được ghép nối tiếp và song song để tạo thành bộ pin. Kết nối song song giúp tăng dung lượng pin, trong khi kết nối nối tiếp giúp tăng tổng điện áp. Ngay cả khi các cell được sản xuất bởi cùng một nhà sản xuất và cùng một lô, các đặc tính vật lý như điện trở trong, điện áp danh định (nominal voltage) và sự phân bố nhiệt vẫn có sai khác nhỏ. Do đó, trong quá trình sạc và xả, không phải cell nào cũng hoạt động giống nhau.

Khi sạc, nếu trong bộ pin có một cell yếu hơn mức trung bình, cell này sẽ đạt đến giới hạn điện áp trước các cell còn lại. Trong khi các cell khác vẫn tiếp tục sạc, cell yếu sẽ nóng lên và tuổi thọ bị suy giảm. Khi xả, cell yếu cũng sẽ cạn điện nhanh hơn và chạm ngưỡng cắt xả sớm hơn, khiến toàn bộ bộ pin phải ngừng xả dù các cell khác vẫn còn năng lượng. Vấn đề này được giải quyết bằng kỹ thuật cân bằng cell, bao gồm hai dạng chính là cân bằng thụ động và cân bằng chủ động.

Cân bằng cell thụ động
Cân bằng thụ động (passive balancing) là phương pháp đơn giản và tiết kiệm chi phí nhất. Trong phương pháp này, một tải giả (dummy load) – thường là điện trở, được dùng để xả phần năng lượng dư thừa của các cell có mức sạc cao hơn, giúp điện áp của chúng cân bằng với các cell còn lại. Những điện trở này được gọi là điện trở bypass.

Mỗi cell trong chuỗi nối tiếp đều có một điện trở bypass riêng, được điều khiển thông qua một công tắc, thường là MOSFET. Trong quá trình sạc, khi một cell yếu tiến gần đến trạng thái đầy, MOSFET mắc song song với cell đó sẽ được bật, làm tiêu tán một phần năng lượng của cell (dưới dạng nhiệt) qua điện trở. Điều này làm giảm tốc độ sạc hiệu dụng của cell đó, giúp các cell khác bắt kịp và tất cả cùng đạt trạng thái đầy gần như đồng thời.

Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả trong quá trình xả, vì cell yếu vẫn có thể chạm ngưỡng điện áp cắt xả sớm hơn các cell khác. Cân bằng thụ động có ưu điểm là rẻ và dễ triển khai về mặt kỹ thuật, nhưng hiệu suất thấp do năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt trong điện trở và do tổn hao chuyển mạch trên MOSFET. Một nhược điểm khác là toàn bộ dòng xả phải đi qua MOSFET, vốn thường được tích hợp trong IC điều khiển, nên dòng xả phải bị giới hạn ở mức thấp theo khả năng của IC, làm tăng thời gian xả.

Cân bằng cell chủ động
Trái với cân bằng thụ động, cân bằng chủ động không tiêu tán năng lượng dư thừa mà chuyển năng lượng từ cell có điện áp cao sang cell có điện áp thấp hơn để cân bằng. Việc chuyển năng lượng này được thực hiện thông qua các phần tử lưu trữ điện tích như tụ điện hoặc cuộn cảm.

Có nhiều phương pháp cân bằng chủ động khác nhau, trong đó phương pháp “charge shuttle” hay “flying-capacitor” là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Trong phương pháp này, tụ điện được sử dụng để chuyển điện tích từ cell có điện áp cao sang cell có điện áp thấp. Tụ được kết nối thông qua các công tắc SPDT (single-pole double-throw). Ban đầu, công tắc nối tụ với cell có điện áp cao để tụ được nạp. Sau khi nạp xong, công tắc sẽ chuyển sang nối tụ với cell có điện áp thấp hơn, và điện tích trong tụ sẽ chảy vào cell đó.

Nhược điểm của phương pháp này là điện tích chỉ có thể được chuyển giữa các cell liền kề nhau. Ngoài ra, quá trình chuyển điện tích cần thời gian vì tụ phải trải qua chu kỳ nạp rồi xả. Tuy vậy, phương pháp này vẫn hiệu quả hơn cân bằng thụ động.

Giám sát nhiệt độ và đồng hồ thời gian thực
Thông số quan trọng tiếp theo là nhiệt độ. Pin lithium-ion có khả năng cung cấp dòng điện rất lớn trong khi vẫn giữ điện áp tương đối ổn định, điều này trong một số điều kiện có thể dẫn đến hiện tượng thermal runaway, gây cháy pin. Cấu trúc của pin lithium-ion rất nhạy cảm, vì vậy việc đo nhiệt độ không chỉ phục vụ mục đích an toàn mà còn giúp xác định liệu nhiệt độ hiện tại của pin có phù hợp để sạc hay không.

Để đo nhiệt độ, BMS sử dụng cảm biến nhiệt, phổ biến nhất là thermistor. Thermistor là một điện trở phụ thuộc nhiệt độ, nghĩa là điện trở của nó thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Khi nhiệt độ pin tăng hoặc giảm, sự thay đổi điện trở của thermistor sẽ được BMS sử dụng để tính toán mức nhiệt tương ứng.

Bên cạnh đó, BMS còn đóng vai trò như một sổ ghi chép, lưu trữ dữ liệu theo thời gian để phục vụ việc tính toán SOH và các tham số khác của pin. Để làm được điều này, BMS cần tiếp tục hoạt động và ghi nhận dữ liệu ngay cả khi xe đã tắt. Tuy nhiên, nếu toàn bộ hệ thống vẫn hoạt động, nó có thể tiêu thụ đáng kể năng lượng từ pin. Để tránh điều đó, một đồng hồ thời gian thực được tích hợp trong BMS. RTC tiêu thụ rất ít năng lượng nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu ghi nhận thời gian cho mục đích lưu trữ dữ liệu.

Kết luận
Tóm lại, BMS của một xe điện bao gồm các khối chức năng chính như MOSFET ngắt mạch, mạch đo dòng và tính toán dung lượng, hệ thống giám sát và cân bằng điện áp cell (cả thụ động và chủ động), hệ thống giám sát nhiệt độ sử dụng thermistor, và đồng hồ thời gian thực tiêu thụ thấp để phục vụ ghi log dữ liệu. Tất cả các khối này phối hợp với nhau để đảm bảo bộ pin vận hành an toàn, bền bỉ và hiệu quả.

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

 

Nguồn: Foolish Engineer