Hệ thống quản lý pin (Battery Management Systems) – là “bộ não” điều phối toàn bộ hoạt động của pin trên xe điện. Từ việc giám sát nhiệt độ, điện áp cho đến cân bằng cell và bảo vệ pin khỏi quá tải hay sạc quá mức, BMS đóng vai trò không thể thiếu.
Ngày nay, pin Li-ion, với mật độ năng lượng lên tới 265 Wh/kg. Tuy nhiên, chúng có thể phát nổ và đốt cháy toàn bộ năng lượng đó nếu chúng chịu áp lực quá mức. Đây là lý do tại sao chúng thường yêu cầu hệ thống quản lý pin (BMS) để kiểm soát chúng.
Nếu bạn đang học về xe điện, làm kỹ thuật hoặc đơn giản là quan tâm đến công nghệ pin hiện đại, bài viết này sẽ giúp bạn hiểu cặn kẽ về cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của Battery Management Systems.
1. Cấu hình BMS cơ bản
- Trong Hình 1, chúng ta thấy các khối cơ bản về cách BMS hoạt động để ngăn ngừa các sự cố nghiêm trọng của pin.
- Ví dụ BMS này có thể xử lý bốn cell Li-ion nối tiếp. Một bộ giám sát điện áp đọc tất cả các điện áp cell và cân bằng điện áp giữa chúng: chức năng này được gọi là cân bằng (sẽ nói thêm về điều này sau). Điều này được điều khiển bởi một MCU xử lý dữ liệu đo lường, cũng như thao tác chuyển mạch và chiến lược cân bằng.
- Trên thực tế, thị trường cung cấp nhiều giải pháp khác nhau cho các thiết kế đơn giản hơn, bao gồm cả các cell đơn không có bộ cân bằng hoặc MCU, như thể hiện trong Hình 2.
- Nhược điểm của những hệ thống này là nhà thiết kế bị ràng buộc vào chức năng của bộ phận được cung cấp (ví dụ: công tắc bên cao hoặc bên thấp) mà không có khả năng tùy chỉnh.
- Khi sử dụng nhiều cell hơn, cần có hệ thống cân bằng. Có những sơ đồ đơn giản vẫn hoạt động mà không cần MCU, như thể hiện trong Hình 3.
- Khi sử dụng bộ pin lớn hơn hoặc bất kỳ thứ gì yêu cầu các cell nối tiếp hoặc tính toán mức dung lượng chính xác, cần có MCU. Giải pháp tích hợp nhất (và do đó tiết kiệm chi phí thấp) là giải pháp trong Hình 4.
- Đây là BMS sử dụng MCU với phần mềm độc quyền chạy tất cả các chức năng liên quan đến pin.
2. Các thành phần của hệ thống quản lý pin
- Hãy xem lại Hình 1 để có cái nhìn tổng quan về các bộ phận cơ bản quan trọng đối với BMS. Bây giờ, chúng ta hãy xem xét các bộ phận chính của Hình 4 chi tiết hơn một chút để hiểu các thành phần khác nhau liên quan đến sơ đồ khối BMS.
2.1 Cầu chì
- Khi xảy ra hiện tượng đoản mạch lớn, các cell pin cần được bảo vệ nhanh chóng. Trong Hình 5, có thể thấy cầu chì bảo vệ tự kiểm soát (SCP), có nghĩa là bị IC kiểm soát quá áp làm nổ trong trường hợp quá áp, dẫn chân 2 xuống đất.
- MCU có thể thông báo tình trạng cầu chì bị đứt, đó là lý do tại sao nguồn điện của MCU phải được đặt trước cầu chì.
2.2 Cảm biến dòng điện
- Ở đây thực hiện phép đo dòng điện phía thấp, cho phép kết nối trực tiếp với MCU.
- Giữ một tham chiếu thời gian và tích hợp dòng điện theo thời gian, chúng ta có được tổng năng lượng đi vào hoặc ra khỏi pin, triển khai bộ đếm Coulomb. Nói cách khác, chúng ta có thể ước tính trạng thái sạc (SOC, không nên nhầm lẫn với hệ thống trên chip) bằng cách sử dụng công thức sau:
Trong đó:
- SOC(t0) là SOC ban đầu (tính bằng Ah)
- Crated là dung lượng định mức (tính bằng Ah)
- Ib là dòng điện của pin
- Iloss tính đến tổn thất phản ứng của cell
- τ là chu kỳ trung bình của các mẫu dòng điện
2.3 Nhiệt điện trở
- Cảm biến nhiệt độ, thường là nhiệt điện trở, được sử dụng để theo dõi nhiệt độ và can thiệp an toàn.
- Trong Hình 7, bạn có thể thấy một nhiệt điện trở điều khiển đầu vào của IC điều khiển quá áp. Điều này làm nổ SCP (cầu chì được hiển thị trong Hình 5) một cách tự động mà không cần sự can thiệp của MCU.
Hình 8 cho thấy hai nhiệt điện trở bổ sung để đo nhiệt độ.
2.4 Công tắc chính
- Để hoạt động như công tắc, MOSFET cần điện áp nguồn xả là Vds≤Vgs−Vth.
- Dòng điện trong vùng tuyến tính là Id=k⋅(Vgs−Vth)⋅Vds, làm cho điện trở của công tắc RMOS=1/[k⋅(Vgs−Vth)].
- Điều quan trọng là phải điều khiển Vgs cho phù hợp để đảm bảo điện trở thấp và do đó giảm tổn thất.
- Vì thông thường các loại NMOS có điện trở bật (Rds(on)) nhỏ hơn, nên chúng cũng thường được dùng làm công tắc ở phía điện áp cao (công tắc phía trên) thông qua mạch bơm sạc.
2.5 Cân bằng
- Các cell pin có dung sai về dung lượng và trở kháng. Vì vậy, qua các chu kỳ, chênh lệch điện tích có thể tích tụ giữa các cell nối tiếp.
- Nếu một bộ cell yếu hơn có dung lượng nhỏ hơn, nó sẽ sạc nhanh hơn so với các cell khác trong chuỗi. Do đó, BMS phải ngăn các cell khác sạc, nếu không các cell yếu hơn sẽ bị sạc quá mức, như thể hiện trong Hình 10.
- Ngược lại, một cell có thể bị xả nhanh hơn, khiến cell có nguy cơ xuống dưới điện áp tối thiểu. Trong trường hợp này, một BMS không có bộ cân bằng phải dừng cung cấp điện sớm hơn, như thể hiện trong Hình 11.
- Một mạch như trong Hình 12 sẽ xả pin với SOC (trạng thái sạc) cao hơn như thể hiện trong Hình 10 ở mức của các pin khác trong chuỗi. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp cân bằng thụ động được gọi là phân luồng sạc.
- Bởi vì dòng điện chạy qua bóng bán dẫn khi ở trạng thái BẬT và tiêu tán qua R, và bởi vì điện áp tham chiếu là CELL1 (cực âm), nên chỉ có một cell như vậy mới xả hết năng lượng dư thừa của nó.
Trên đây là toàn bộ thông tin về hệ thống quản lý pin (Battery Management Systems) mà trung tâm VATC gửi đến bạn. Hy vọng bạn đã có thêm cho mình kiến thức hay trong ngày.
Nếu bạn có đang đam mê hoặc muốn tìm hiểu về các khóa học trong ngành ô tô thì liên hệ ngay với trung tâm VATC theo thông tin dưới đây để được tư vấn chi tiết nhất nhé!
Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC
- Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
- Điện thoại: 0945711717
- Email: info@oto.edu.vn
Xem thêm:
