EnglishHệ thống quản lý an toàn pin BMS – Battery Management System
Giám đốc điều hành Mercedes Dieter Zetsche nói: ” Sự thông minh của pin không nằm ở cell mà nằm ở hệ thống quản lý pin. ” Điều này gợi nhớ đến những chiếc máy tính vào những năm 1970 có phần cứng lớn nhưng ít phần mềm [1]
Pin li-ion luôn được trang bị BMS.
Các chức năng của mạch bảo vệ – Battery Management System – BMS:
- Mang lại sự an toàn và tăng tuổi thọ cho pin. BMS buộc phải có đối với pin li-ion.
- Cho biết trạng thái hoạt động dưới chỉ số trạng thái sạc và trạng thái sức khỏe
- Đưa ra cảnh báo sớm: các vấn đề liên quan tới quá nhiệt, mất cân bằng cell hoặc hiệu chuẩn áp và dòng.
- Cho biết khi nào pin hết vòng đời khi dung lượng giảm xuống dưới ngưỡng đã đặt.
Xin lưu ý là không phải tất cả BMS đều cung cấp tất cả các tính năng này. Các chức năng cơ bản nhất là bảo vệ pin và hiển thị trạng thái sạc (SoC).
Mặc dù SoC rất hữu ích nhưng quá trình đọc sẽ không đầy đủ nếu không có biểu đồ theo dõi dung lượng khi pin yếu dần. Người dùng có thể đã quen với suy nghĩ pin hoạt động theo dung lượng danh định nhưng trạng này chỉ là tạm thời và không thể duy trì được. Dung lượng là chỉ tiêu chính về tình trạng sức khỏe của pin (SoH) và phải là một phần của hệ thống quản lý pin (BMS). Biết SoC và SoH sẽ tính được trạng thái hoạt động (SoF), tiêu chí đáng tin cậy cao nhất về mức độ sẵn sàng cấp điện, tuy nhiên, công nghệ cung cấp thông tin này một cách hiệu quả chưa thỏa đáng và đang được cải tiến.
Làm ra một mạch BMS tốt hơn là một thách thức khi chúng ta vẫn thiếu một phương pháp đáng tin cậy để đọc trạng thái sạc SOC- vốn là thước đo cơ bản nhất của pin. Đọc năng lượng còn lại trong pin phức tạp hơn nhiều việc đọc bình xăng còn bao nhiêu xăng. Lý do là bình nhiên liệu có kích thước cố định và nhiên liệu trong bình có thể đo được với độ chính xác cao, thì hệ thống lưu trữ điện hóa có kích cỡ giảm đi và việc đo điện tích Cu-lông (coulomb- Cb) ra vào pin không thể được tính với độ chính xác cao khi pin đã già.
BMS cũng cung cấp khả năng bảo vệ khi sạc và xả; nó sẽ ngắt kết nối pin nếu vượt quá giới hạn đã đặt hoặc nếu xảy ra lỗi. BMS được dựng theo tiêu chuẩn SMBus (System Management Bus) được sử dụng cho hầu hết các thiết bị cầm tay, cũng như CAN Bus (Controller Area Network) và Bus LIN (Local Interconnect Network) để sử dụng trong công nghiệp ô tô.
Trạm pin cho hệ thống lữu trữ năng lượng là một trong những loại pin đầu tiên có BMS và hệ thống này giám sát điện áp của từng cell. Một số còn thể hiện thông số nhiệt độ cell và đo dòng điện. Việc phát hiện một sự khác biệt nhỏ về nhiệt độ của cell sẽ gợi ý có trục trặc, và việc đo áp bị sụt của từng cell ở dòng tải cố định sẽ cho ra thông số điện trở cell. Pin bị cạn, ăn mòn, tách tấm hoặc một vài sai phạm có thể từ đó mà xác định được.
BMS không xác định được dung lượng khả dụng của pin.
Mặc dù BMS có hiệu quả trong việc phát hiện những điểm bất thường; việc giảm dung lượng – vốn là thông số quan trọng nhất để xác định tình trạng sức khỏe pin, lại không làm được, do áp và điện trở gần như không bị ảnh hưởng. Khả năng đọc dung lượng giảm dần từ 100 đến 70% sẽ rất có giá trị, nhưng hầu hết BMS không thể thực hiện điều này hiệu quả và pin có thể được phân loại tình trạng tốt ngay cả khi dung lượng đã giảm xuống 50%. Hầu hết BMS chỉ cho thấy những bất thường nằm ngoài vấn đề về dung lượng, chẳng hạn như sự lệch áp của cell do pin không cân bằng hoặc sự thay đổi điện trở trong.
Một số nhà sản xuất thiết bị công nghiệp và y tế sử dụng tem ngày để xác định thời hạn sử dụng của pin, một số khác quan sát số chu kỳ pin. Mặc dù đếm chu kỳ nghe có vẻ đơn giản nhưng không có quy ước nào xác định chu kỳ và một số nơi gọi một chu kỳ là khi pin được sạc Việc ghi ngày tháng cũng có những nhược điểm tương tự ở chỗ người ta sẽ bỏ đi những pin còn hoạt động tốt mặc dù chúng hiếm khi làm việc nên còn dung lượng; trong khi một số pin làm việc quá nhiều lại không được thay thế lúc cần thiết. Để giảm thiểu rủi ro, chính quyền yêu cầu thay thế sớm và đặt thời hạn sử dụng pin là hai năm. Việc pin bị lưu trữ quá lâu cũng sẽ dẫn tới tình trạng pin bị giảm tuổi thọ.
Các kỹ sư y tế đều nhận thức được rằng hầu hết các loại pin đều được thay thế quá sớm. Nhiều người dùng iPhone phàn nàn rằng smart phone của họ hiển thị 100% sạc đầy trong khi pin chỉ được sạc 90%. Một số tướng quân đội cũng nói rằng pháo pin của họ kém đến mức nhiều binh sĩ thà mang theo đá còn hơn. Một hệ thống quản lý pin hiệu quả vẫn còn thiếu hoặc vẫn chưa hoàn thiện. người dùng kỳ vọng quá nhiều vào BMS là điều thường thấy và rất nhiều sẽ choáng váng khi pin đột nhiên hỏng mà BMS không báo gì.
Hãy cùng chúng tôi xem xét cách hoạt động của BMS, với những thiếu sót và xem xét các công nghệ sắp ra mắt, có thể chúng sẽ thay đổi cách quản lý pin.
BMS sử dụng các con số quá trình sạc và xả và thiết lập “thông tin điện tử” cho người dùng. Hình 1 minh họa các thành phần của pin bao gồm năng lượng dự trữ, phần trống có thể được nạp lại và phần không hoạt động đã bị mất vĩnh viễn.
Dung lượng danh định là thông số mà nhà sản xuất chỉ định tính bằng Ah (ampe-giờ) chỉ có giá trị khi pin mới; công suất khả dụng biểu thị khả năng lưu trữ năng lượng thực sự có được bằng cách trừ đi phần không hoạt động. Trạng thái sạc (SoC) đề cập đến năng lượng được lưu trữ, bao gồm cả phần không hoạt động.
Hình 1: Ba phần của pin
Pin bao gồm năng lượng được lưu trữ (stored energy), phần trống có thể được sạc lại (empty) và phần không hoạt động đã bị mất vĩnh viễn do lão hóa (inactive).
Rated capacity: Dung lượng danh định
Available capacity: Dung lượng khả dụng
SOC – state of charge: Trạng thái sạc
BMS được lập trình theo dung lượng danh dịnh và nó đo các Cu-lông đầu vào và đầu ra liên quan đến dung lượng khả dụng. Khi dung lượng giảm, số Coulomb giảm và sự khác biệt này cho phép ước tính dung lượng. Các kết quả chính xác nhất có thể đạt được khi đếm số coulomb từ lúc pin đã xả sạch sau khi sạc no, hoặc từ lúc pin no và xả sạch tới điểm cut-out (điểm cắt dòng). Tuy nhiên trong thực tế, người dùng hiếm khi để pin trong tình trạng đó, và việc ước tính dung lượng không còn chính xác nữa.
BMS sẽ báo cờ khi đạt điểm xả cạn hoặc sạc no. Trong thời gian nghỉ, BMS tiên tiến cũng có thể tính toán SoC dựa trên open circuit voltage – điện áp mạch hở ổn định (điện áp khi không tải) và bắt đầu đếm coulomb trong quá trình sạc và xả từ điểm thuận lợi đó. Một số BMS cũng xem xét khả năng phục hồi điện áp sau khi loại bỏ tải để ước tính SoC và/hoặc SoH.
Thêm chức năng ước tính dung lượng khả dụng trong BMS tương lai
Hình 3 cho thấy một BMS có thông số phổ biến và người ta đã thêm vào khả năng đo dung lượng. Spectro™ là viết tắt của lectrochemical impedance spectroscopy (EIS) với thuật toán phức tạp, giúp tính toán ra SOF từ các thông số cơ bản của BMS.
Spectro-BMS™
Biết SoF sẽ cải thiện việc đánh giá pin, nhưng một số nhà sản xuất thiết bị từ chối tiết lộ chỉ số dung lượng nhỏ hơn 100% cho người tiêu dùng, đặc biệt là trong thời gian bảo hành. Để che giấu thông tin không mong muốn, dữ liệu có thể được cung cấp bằng mã để chỉ nhân viên dịch vụ truy cập khi cần.
Gạt những lo ngại của người tiêu dùng sang một bên, SoF biểu thị sự cải thiện nhất thời đối với BMS về độ tin cậy của pin khi nó theo dõi mức giảm dung lượng và tính toán thời gian chạy thực sự trên năng lượng khả dụng. BMS trong tương lai khi tính toán được dung lượng khả dụng sẽ tính toán được thời gian pin cần thay thế thông qua thuật toán của mình.
