d) Sự lựa chọn cho sự phát triển công nghệ cân bằng
Cân bằng chủ động và cân bằng thụ động đều để loại bỏ sự không nhất quán của bộ pin, nhưng nguyên tắc thực hiện của cả hai hoàn toàn trái ngược nhau:
Cân bằng thụ động tiêu tán năng lượng, một điện trở xả được kết nối song song với mỗi chuỗi pin. Khi sạc, pin dung lượng thấp bị sạc quá mức và pin dung lượng cao khơng được sạc đầy, BMS kiểm sốt điện trở song song của pin thấp Pin dung lượng để tạo ra nhiệt và phóng điện. Vì vậy, để giải quyết vấn đề q tải, nhưng nó khơng có ý nghĩa cân bằng đáng kể đối với q trình phóng điện. Cân bằng thụ động xuất hiện trước khi cân bằng chủ động, vì mạch đơn giản và chi phí thấp, và nó vẫn được sử dụng rộng rãi.
Cân bằng chủ động kiểu truyền năng lượng, bộ chuyển đổi nguồn chuyển đổi tần số cao hai chiều được điều khiển bên trong bởi BMS. Trong quá trình sạc, dịng điện của pin đã sạc quá mức có thể được ngắt và bổ sung vào pin chưa sạc đầy để đảm bảo rằng một pin có thể được sạc đầy. Vấn đề sạc; và trong quá trình xả, pin dung lượng cao, điện áp cao có thể được sạc cho pin công suất thấp, điện áp thấp để giải quyết hiệu ứng thùng của pin dung lượng thấp
41 để tối ưu hóa hiệu quả của q trình phóng điện. Loại cân bằng này khơng có điện trở tiêu tán năng lượng điện, ít tổn thất năng lượng điện hơn và có dịng điện cân bằng lớn hơn. Nó có thể đóng một vai trị trong q trình sạc và phóng điện. Nó phù hợp hơn cho pin điện của xe năng lượng mới với dòng sạc và xả lớn hơn.
Kết luận cho sự phát triển của công nghệ cân bằng
Lợi ích của việc cân bằng chủ động là rất rõ ràng, hiệu suất cao, truyền được năng lượng và tổn thất chỉ là tổn hao của cuộn dây biến áp chiếm tỷ lệ nhỏ, dịng cân bằng có thể thiết kế lớn, đạt một vài ampe hoặc thậm chí 10A, và việc cân bằng có hiệu lực nhanh chóng. Bất chấp những lợi ích này, việc cân bằng chủ động cũng mang đến những vấn đề mới.
- Đầu tiên là kết cấu phức tạp, đặc biệt là giải pháp máy biến áp. Làm thế nào để thiết kế ma trận công tắc yêu cầu của hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm pin và làm thế nào để điều khiển biến tần đều là những vấn đề đau đầu, vì vậy đây là lý do tại sao chức năng cân bằng hoạt động không thể được tích hợp hồn tồn vào vi mạch chun dụng cho đến nay.
- Thứ hai là vấn đề chi phí, kết cấu phức tạp chắc chắn sẽ sinh ra những mạch phức tạp, việc tăng giá thành và tỷ lệ hỏng hóc là điều khơng thể tránh khỏi, hiện nay giá thành của BMS có chức năng cân bằng chủ động sẽ cao hơn rất nhiều so với loại cân bằng thụ động, điều này cũng hạn chế phần nào sự cân bằng tích cực của BMS.
Tuy nhiên, theo thơng tin hiện có thì chỉ có chi phí và cơng nghệ hiện có mới cản trở việc thúc đẩy cân bằng chủ động chứ không thể cản trở sự phát triển của BMS. Về lâu dài, trong lĩnh vực xe năng lượng mới, công nghệ BMS chủ động và cân bằng sẽ là xu hướng phát triển trong tương lai.
2.2.2.3. Giao tiếp
Chức năng giao tiếp của hệ thống quản lí pin được chia thành;
- Dây chuyên dùng: Tín hiệu Analog (biến đổi liên tục) và tín hiệu điều khiển Digital (ON-OFF) thơng qua rờ le cơ khí.
- Liên kết dữ liệu: Cổng dữ liệu kết nối, có dây (RS232, RS485, CAN, UART, ...); Liên kết vô tuyến không dây (WiFi, Bluetooth).
42 2.2.2.3.1. Dây tín hiệu Analog
Dây sử dụng tín hiệu đầu vào và đầu ra ở dạng tuyến tính, thường nằm trong khoảng từ 0 đến 5V.
- Đầu vào: Tín hiệu đầu vào được đo từ cảm biến bên ngoài khối pin và một số tín hiệu được BMS quan tâm trong khối pin như điện áp, nhiệt độ và dòng điện.
- Đầu ra: Đầu ra DCL (Thường ở mức 5V nhưng khi BMS quyết định giới hạn dòng xả nên nó giảm dần điện áp đầu ra cho đến khi giảm về 0 tức là không cho phép dịng phóng điện), đầu ra CCL (Tương tự như DCL nhưng để hạn chế dòng sạc), đầu ra SOC (Phạm vi từ 0 đến 5V tương ứng với 0% đến 100%), …
2.2.2.3.2. Dây tín hiệu Digital
BMS sử dụng dây tín hiệu Digital để bật/tắt giao tiếp với các thiết bị bên ngoài.
- Đầu vào cho phép các thiết bị bên ngồi kiểm sốt BMS hoặc báo cáo 1 số trạng thái với nó.
- Đầu ra để cho phép BMS điều khiển các hệ thống bên ngồi hoặc báo cáo 1 số trạng thái với nó.
2.2.2.3.3. Liên kết dữ liệu
Trong các ứng dụng chuyên dụng, BMS sử dụng tối thiểu các đường dây chuyên dụng và ưu tiên vào liên kết dữ liệu để giao tiếp với hệ thống bên ngoài. Liên kết dữ liệu sử dụng một số giao thức tiêu chuẩn trong giao tiếp được sử dụng phổ biến hiện nay như:
a) Chuẩn giao tiếp RS232:
- RS232 là một cổng giao tiếp nối tiếp và là một trong những chuẩn truyền thơng cơng nghiệp, truyền dữ liệu theo hình thức nối tiếp. RS232 có thể được coi như là một huyền thoại, vào những năm về trước cổng RS232 được sử dụng phổ biến nhất với những tên gọi khác như: DB9 hay COM. Giao tiếp nối tiếp chậm hơn so với giao tiếp song song, tuy nhiên được dụng phổ biến để truyền dữ liệu dài bởi chi phí thấp hơn. Giao tiếp nối tiếp sẽ truyền dữ liệu theo kiểu từng bit một, trong khi giao tiếp song song truyền dữ liệu theo byte (8 bit) hoặc ký tự hoặc bus tại cùng một thời điểm.
- Tốc độ truyền của cổng RS232 được dùng phổ biến như: 9600, 14400, 28800 và 33600. Nó khơng được sử dụng lâu dài do nó khơng cân bằng và mơi trường làm việc bị hạn chế. Vì
43 vậy việc sử dụng chuẩn giao tiếp RS232 không được sử dụng trong công nghiệp và các ứng dụng trên ô tô do tốc độ thấp và môi trường loại bỏ nhiễu kém.
b) Chuẩn giao tiếp RS484:
- Có thể coi RS485 là một phiên bản nâng cấp của RS422, điểm khách biệt là RS485 cho phép kết nối và truyền dữ liệu với tối đa 32 cặp thu phát trên đường truyền cùng một lúc.
- Tương tự với RS422, tốc độ truyền dữ liệu của RS485 cũng phụ thuộc và tỷ lệ với khoảng cách. Với chiều dài đường truyền là 40 feet (12m) thì tốc độ truyền tối đa là 10 Mbits/s, 400 feet (122m) là 1 Mbits/s và 4000 feet (1219m) là 100 kbits/s.
c) Chuẩn giao tiếp CAN Bus:
- CAN là từ viết tắt của cụm từ tiếng anh Control Area Network, xuất phát là một phát triển chung của hai hãng Bosch và Intel nhằm phục vụ việc nối mạng trong các phương tiện giao thông cơ giới để thay thế cách nối điểm – điểm cổ điển, sau đó được chuẩn hóa quốc tế trong ISO 11898. Với một số chủng loại ô tô cỡ lớn, chiều dài dây dẫn tổng cộng trong cách nối điểm – điểm có thể lên tới hàng kilomet, và khối lượng riêng của dây dẫn cũng lên tới hàng trăm kilogram. Chỉ tính 2 yếu tố này thì cũng đã thấy sự hiệu quả của việc sử dụng một hệ thống bus trường như CAN (CANbus) để giải quyết được vấn đề này.
- Nhờ tốc độ truyền dẫn tương đối cao ở khoảng cách ngắn và những ưu thế ở một số đặc tính kỹ thuật mà cơng nghệ này đã được đưa vào một số lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp. CAN là một mạng điều khiển vùng cho phép các thiết bị trong Bus có thể giao tiếp với nhau chỉ thông qua 2 dây nối (CAN-High và CAN-Low). Các thiết bị trong cùng cùng Bus được gọi là các Node (trong xe hơi thì có thể coi như là các ECU), chúng có thể lên tới vài chục Note trong phạm vi từ vài trăm mét đến vài kilomet mà vẫn đảm bảo được tốc độ truyền tín hiệu. Điều đó tạo nên sự khác biệt của CAN so với các giao thức khác.
d) Chuẩn giao tiếp UART:
- UART là từ viết tắt của cụm từ tiếng anh Universal Asynchronous Receiver – Transmitter. UART là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi.
44 - UART có chức năng chính là truyền dữ liệu nối tiếp. Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai phương thức là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.
- UART thường được sử dụng trong các bộ vi điều khiển có các u cầu chính xác và chúng cũng có sẵn trong các thiết bị liên lạc khác nhau như giao tiếp không dây, thiết bị GPS, mô-đun Bluetooth và nhiều ứng dụng khác.
- Các tiêu chuẩn truyền thông như RS422 & TIA được sử dụng trong giao tiếp chuẩn UART (ngoại trừ RS232). Thông thường, UART là một IC riêng được sử dụng trong giao tiếp nối tiếp UART.
2.2.2.4. Lưu trữ dữ liệu
BMS có thể lưu trữ và ghi lại tất cả các trạng thái của hệ thống. Thông qua giao tiếp với thiết bị bên ngồi, từ đây thu được các thơng tin trạng thái của pin.
2.2.3. Nguyên lý hoạt động
Hình 2.32: Ngun lí hoạt động của hệ thống quản lí pin
- BMS giám sát từng cell pin riêng biệt trong bộ pin. Sau đó tính tổng cơng suất dịng an toàn cố thể đi vào (sạc) và đi ra (xả) mà khơng gây tổn hại gì đến pin. Giới hạn dịng điện ngăn cho nguồn công suất vào (bộ sạc) và tải đầu ra (biến tần DC/AC) làm bộ pin quá tải. Điều này đảm bảo cho điện áp của cell pin không tăng hay giảm quá mức – giúp kéo dài tuổi thọ cho pin.
- BMS cũng giúp ta xác định dung lượng còn lại trong pin. Nó theo dõi lượng năng lượng được sạc vào và xả ra của từng cell pin, và từ dữ liệu này BMS biết được khi nào thì pin được sạc đầy hay xả cạn để giới hạn công suất hay điều khiển cho pin ngưng xả. Đây là lý do tại sao pin Lithium-ion khơng có dấu hiệu chết như ắc quy axit chì, mà chỉ bị tắt đi.
45
2.2.4. Phương thức giao tiếp với BMS
2.2.4.1. Giao tiếp UART 2.2.4.1.1. Khái niệm UART
- UART là từ viết tắt của cụm từ tiếng anh Universal Asynchronous Receiver – Transmitter. UART là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi.
- UART có chức năng chính là truyền dữ liệu nối tiếp được chuyển đổi từ giao tiếp song song.
Hình 2.33: Giao tiếp UART
2.2.4.1.2. Truyền dữ liệu trong UART
- Dữ liệu truyền UART được tập hợp thành gói (packet). Mỗi gói chứa 1 bit khởi đầu (start bit), 5 đến 9 bit dữ liệu (data bits, tùy thuộc vào UART), 1 bit chẵn lẻ (Parity bit) tùy chọn và 1 hoặc 2 bit kết thúc (Stop bits).
Hình 2.34: Khung truyền tín hiệu UART
Trong đó:
St: Start bit (bit khởi đầu, luôn luôn ở mức thấp)
(n): Data bits (bit dữ liệu, từ 0 đến 8 bit)
46 Sp: Stop bit (bit kết thúc, luôn luôn ở mức cao)
IDLE: Không truyền trên đường giao tiếp (RxDn hoặc TxDn)
Các khái niệm quan trọng trong chuẩn giao tiếp UART:
- Baudrate: Số bit truyền được trong 1s, ở truyền nhận khơng đồng bộ thì ở các bên truyền và nhận phải thống nhất Baudrate. Các thông số tốc độ Baudrate thường hay sử dụng dể giao tiếp với máy tính là 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 38400, 56000, 57600, 115200.
- Frame: Ngoài việc giống nhau của tốc độ baudrate 2 thiết bị truyền nhận thì khung truyền của bên cũng được cấu hình giống nhau. Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, bit bắt đầu “Start bit”, các bit kết thúc (Stop bit), bit kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity), ngồi ra số bit quy định trong một gói dữ liệu cũng được quy định bởi khung truyền. Có thể thấy, khung truyền đóng một vai trị rất quan trọng trong việc truyền thành cơng dữ liệu.
+ Idle frame: Đường truyền UART ở mức “1”, để xác nhận hiện tại đường truyền dữ liệu
trống, khơng có frame nào đang được truyền đi.
+ Break frame: Đường truyền UART ở mức “0”, để xác nhận hiện tại trên đường truyền
đang truyền dữ liệu, có frame đang được truyền đi.
47
- Start bit: Bit đầu tiên được truyền trong một frame, bit này có chức năng báo cho bên
nhận rằng sắp có một gói dữ liệu truyền đến. Đường truyền UART ln ở trạng thái cao mức “1” cho đến khi chip muốn truyền dữ liệu đi thì nó gởi bit start bằng cách kéo xuống mức “0”. Như vậy start bit giá trị điện áp 0V và phải bắt buộc có bit start trong khung truyền
Hình 2.36: Start bit trong giao tiếp UART
- Data: Data hay dữ liệu là thơng tin mà chúng ta nhận được trong q trình truyền và nhận. Data trong STM32 có quy định khung truyền là 8 bit hoặc 9 bit. Trong quá trình truyền UART, bit có trọng số thấp nhất (LSB – least significant bit – bên phải) sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởng cao nhất (MSB – most significant bit – bên trái).
- Parity bit: Parity dùng để kiểm tra dữ liệu truyền có đúng hay khơng. Có 2 loại Parity đó là Parity chẵn (even parity) và parity lẽ (odd parity). Parity chẵn nghĩa là số bit 1 trong trong data truyền cùng với bit Parity luôn là số chẵn, ngược lại nếu Parity lẽ nghĩa là số bit 1 trong data truyền cùng với bit Parity luôn là số lẽ. Bit Parity khơng phải là bit bắt buộc và vì thế chúng ta có thể loại bỏ bit này ra khỏi khung truyền.
48
Hình 2.37: Parity bits trong giao tiếp UART
- Stop bits: Stop bits là một bit báo cáo để cho bộ truyền/nhận biết được gói dữ liệu đã
được gởi xong. Stop bits là bit bắt buộc phải có trong khung truyền. Stop bits có thể là 1bit, 1.5bit, 2bit, 0.5bit tùy thuộc vào ứng dụng UART của người sử dụng.
49 2.2.4.1.3. Các ứng dụng của giao tiếp UART:
- UART thường được sử dụng trong các bộ vi điều khiển cho các yêu cầu chính xác và chúng cũng có sẵn trong các thiết bị liên lạc khác nhau như giao tiếp không dây, thiết bị GPS, mô-đun Bluetooth và nhiều ứng dụng khác.
- Các tiêu chuẩn truyền thông như RS422 & TIA được sử dụng trong UART ngoại trừ RS232. Thông thường, UART là một IC riêng được sử dụng trong giao tiếp nối tiếp UART. 2.2.4.1.4. Các bước truyền UART:
- Bước 1: UART nhận dữ liệu song song từ bus dữ liệu.
Hình 2.39: UART nhận dữ liệu song song từ bus dữ liệu
- Bước 2: UART truyền thêm bit start, bit chẵn lẻ và bit dừng vào khung dữ liệu.
50 - Bước 3: Tồn bộ gói được gửi nối tiếp từ UART truyền đến UART nhận. UART nhận lấy mẫu đường dữ liệu ở tốc độ truyền được định cấu hình trước.
Hình 2.41: UART truyền truyền dữ liệu qua UART nhận
- Bước 4: UART nhận loại bỏ bit start, bit chẵn lẻ và bit stop khỏi khung dữ liệu.
Hình 2.42: UART nhận loại bỏ bit start, bit chẵn lẻ và bit stop khỏi khung dữ liệu
- Bước 5: UART nhận chuyển đổi dữ liệu nối tiếp trở lại thành song song và chuyển nó đến bus dữ liệu ở đầu nhận.
Hình 2.43: UART nhận chuyển đổi dữ liệu nối tiếp trở lại thành song song và chuyển nó đến bus dữ liệu ở đầu nhận.
51 2.2.4.1.5. Ưu, nhược điểm và lưu ý khi dùng giao tiếp UART:
Ưu điểm:
- Nó chỉ cần hai dây để truyền dữ liệu, khơng cần tín hiệu clock. - Nó bao gồm một bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi
- Cấu trúc của gói dữ liệu có thể được thay đổi miễn là cả hai bên điều được thiết lập cho nó.
- Phương pháp dễ sử dụng và được dùng rộng rãi. Nhược điểm:
- Kích thước của khung dữ liệu được giới hạn tối đa là 9 bit. - Không hỗ trợ nhiều hệ thống slave hoặc nhiều hệ thống master - Tốc độ truyền của mỗi UART phải nằm trong khoảng 10% của nhau
Lưu ý khi dùng: Tốc độ truyền và nhận dữ liệu phải đồng bộ. Các tốc độ phổ biến hiện