Trong các thiết bị và hệ thống như điện thoại, xe điện hay BESS, pin đóng vai trò là thành phần cung cấp năng lượng không thể thiếu. Để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của pin, cần thiết phải có một hệ thống giám sát liên tục trạng thái của pin. Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Stafl Systems, nói về hệ thống quản lý pin – Battery Management System (BMS).

Vai trò cốt lõi của hệ thống quản lý pin
Một hệ thống quản lý pin có hai chức năng chính đối với một bộ pin: đảm bảo pin vận hành an toàn và duy trì pin vận hành ổn định, tin cậy.

Tất cả các tính năng nâng cao của BMS đều có thể quy về một trong hai mục tiêu này. Mỗi tính năng hoặc nhằm đảm bảo an toàn cho bộ pin, hoặc nhằm duy trì khả năng vận hành ổn định theo thời gian. Vì vậy, khi đánh giá một tính năng cụ thể của BMS, việc đặt nó trong bối cảnh mục tiêu mà nó phục vụ sẽ giúp hiểu rõ hơn bản chất và ý nghĩa của tính năng đó.

Mô hình khối của hệ thống BMS
Ở mức độ cơ bản nhất, một hệ thống quản lý pin có thể được xem như một mô hình hộp đen (black-box system) (1), trong đó BMS tiếp nhận nhiều tín hiệu đầu vào và tạo ra một số đầu ra quan trọng.
(1) Black-box system là cách gọi một hệ thống mà ta chỉ biết đầu vào và đầu ra, còn cách nó xử lý bên trong thì không quan sát được, không truy cập được hoặc không cần thiết phải biết.

Các tín hiệu đầu vào bao gồm nhiều giá trị điện áp, chẳng hạn như điện áp của từng cell pin (đơn vị nhỏ nhất cấu thành nên một bộ pin) riêng lẻ và điện áp tổng của cả bộ pin. BMS cũng nhận dữ liệu từ nhiều cảm biến nhiệt độ được bố trí rải rác trong bộ pin để đánh giá sự phân bố nhiệt của các cell. Ngoài ra, BMS còn đo dòng điện đi vào hoặc đi ra khỏi bộ pin, từ đó xác định pin đang được sạc hay xả và mức độ dòng điện tương ứng.

Bên trong BMS, một loạt thuật toán được thực hiện để xử lý các dữ liệu đầu vào này và tạo ra những ước lượng chính xác cho các đại lượng đầu ra quan trọng.

Các đầu ra chính của hệ thống BMS
Một trong những đầu ra quan trọng nhất của BMS là trạng thái sạc – State of Charge, viết tắt là SOC, thường được gọi là đồng hồ nhiên liệu của pin. Đây chính là thông tin mà người dùng thấy trên điện thoại hoặc xe điện, ví dụ như pin còn 75 phần trăm hay 50 phần trăm dung lượng.

BMS cũng tạo ra ước lượng về trạng thái sức khỏe pin – State of Health. Ở mức khái quát, trạng thái sức khỏe phản ánh dung lượng mà bộ pin hiện có thể lưu trữ so với dung lượng ban đầu khi pin còn mới. Chẳng hạn, sau vài năm sử dụng, pin điện thoại thường không còn thời lượng như ban đầu và trạng thái sức khỏe có thể chỉ còn khoảng 70 phần trăm.

Một số hệ thống BMS tiên tiến còn phát triển khái niệm Safe Operating Envelope, cho phép xác định tại mỗi thời điểm pin có thể được sạc hoặc xả với mức dòng điện tối đa bao nhiêu trong giới hạn về điện áp, nhiệt độ và trạng thái sạc để đảm bảo an toàn.

Cuối cùng, BMS cũng xuất ra nhiều tín hiệu thông báo lỗi và trạng thái khác nhau để thông báo cho bộ điều khiển của hệ thống ứng dụng. Các tín hiệu này được kích hoạt trong những điều kiện cụ thể và đóng vai trò quan trọng trong việc điều phối hoạt động tổng thể của hệ thống. 

Ở mức tổng quan, BMS sẽ sử dụng dữ liệu đầu vào và các thuật toán nội bộ để cung cấp những thông tin thiết yếu cho bộ điều khiển hệ thống.

BMS trong cấu hình bộ pin nhiều cell
Hệ thống quản lý pin có thể được sử dụng cho các ứng dụng pin lithium-ion một cell hoặc nhiều cell. Ví dụ, một bộ pin cấu hình 3S1P (2) bao gồm ba cell được mắc nối tiếp. BMS là một bảng mạch điện tử thường được đặt rất gần các cell pin, cho phép giám sát điện áp tại từng điểm kết nối nhằm đo điện áp của từng cell riêng lẻ cũng như điện áp tổng của toàn bộ bộ pin.
(2) 3S1P là ký hiệu mô tả cách ghép các cell pin trong một bộ pin, với S (series) là nối tiếp và P (parallel) là song song:
– Nối tiếp: Tăng điện áp (V), giữ nguyên dung lượng (Ah)
– Song song: Tăng dung lượng (Ah), giữ nguyên điện áp (V)

BMS đồng thời đo dòng điện đi vào hoặc đi ra khỏi bộ pin, thông qua cảm biến dòng dạng shunt hoặc cảm biến dòng hiệu ứng Hall. Ngoài ra, hệ thống còn được trang bị một cơ cấu ngắt chính, cho phép BMS dừng quá trình sạc hoặc xả khi phát hiện bộ pin đang bước vào trạng thái không an toàn hoặc không mong muốn.

Kết nối với hệ thống bên ngoài
Các đầu cực của bộ pin kết nối bộ pin với thiết bị bên ngoài, chẳng hạn như bộ điều khiển động cơ trong xe điện, bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời, bộ chuyển đổi hoặc bộ sạc pin. Những thiết bị này cho phép bộ pin được sạc và xả trong quá trình vận hành. BMS giám sát toàn bộ các điều kiện bên trong bộ pin và truyền tải thông tin đó ra bên ngoài thông qua một giao diện truyền thông (communication interface) (3), giúp bộ điều khiển bên ngoài có thể điều chỉnh hành vi của mình phù hợp với trạng thái thực tế của pin.
(3) Communication interface là cơ chế cho phép hai thiết bị trao đổi dữ liệu với nhau. Nó bao gồm lớp kết nối vật lý và giao thức truyền dữ liệu, đảm bảo thông tin được gửi và nhận một cách chính xác và đáng tin cậy. Nhờ có giao diện truyền thông, các thiết bị trong hệ thống có thể phối hợp và vận hành đồng bộ dựa trên cùng một luồng thông tin.

Kết luận
BMS là thành phần không thể thiếu trong các bộ pin lithium-ion, đặc biệt đối với các cấu hình nhiều cell. BMS đóng vai trò giám sát các thông số vận hành quan trọng như điện áp, dòng điện và nhiệt độ, đồng thời xử lý các dữ liệu này để cung cấp những thông tin cần thiết cho hệ thống bên ngoài.

Thông qua cơ chế giám sát, ước lượng và ngắt bảo vệ khi cần thiết, BMS giúp bộ pin vận hành an toàn, ổn định và đáng tin cậy.

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

 

Nguồn: Stafl Systems