a) Sơ đồ nguyên lý, b) Ví dụ thực tế
- Điện áp qua cảm biến được kết nối có thể được khuếch đại và đo lường để lấy giá trị dòng điện của bộ pin.
b) Cảm biến hiệu ứng Hall
Một cảm biến hiệu ứng Hall được đặt bên trong từ trường được tạo ra bởi một sợi cáp treo để kích thích dịng điện của gói và nó tạo ra một điện áp tỷ lệ với dịng điện đó. Điện áp đó có thể được đo trực tiếp (Hình). Cảm biến hiệu ứng Hall dịng cao
là các mơ-đun có hình dạng như một chiếc nhẫn, thơng qua đó, nó mở ra một dây cáp mang dòng khối pin được định tuyến. Cảm biến hiệu ứng Hall dịng điện thấp là IC có hai đầu nối nguồn, qua đó dịng điện được định tuyến. Cảm biến hiệu ứng Hall được đặc trưng bởi:
33 Dòng điện được báo cáo bởi cảm biến hiệu ứng Hall vẫn chính xác theo thời gian và nhiệt độ.
Cảm biến hiệu ứng Hall được cách ly khỏi dòng điện.
Cảm biến hiệu ứng Hall chịu sự bù đắp ở dịng điện 0, thay đổi theo nhiệt độ. Vì vậy, ngay cả khi chúng được làm bằng 0 ở nhiệt độ phòng, chúng sẽ báo cáo một hiện tại khi khơng có khi chúng nóng lên hoặc lạnh đi. Hiệu chuẩn thường xuyên là
có thể trong các ứng dụng có chu kỳ dịng điện bằng 0, chẳng hạn như HEV.
Hình 2.22: Cảm biến dịng hiệu ứng hall a) Sơ đồ nguyên lý, b) mô-đun cảm biến gắn trên cáp
Cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall là các mô-đun bao gồm bộ khuếch đại của riêng chúng. Vì vậy, khơng giống như tín hiệu ngắt dịng điện, đầu ra của chúng ở mức cao. Chúng có thể được hỗ trợ bởi một nguồn cung cấp (5V) hoặc hai nguồn cung cấp (+/− 12V hoặc +/− 15V), và chúng có thể là duy nhất có hướng (chỉ có thể nhìn thấy dịng điện theo một hướng) hoặc hai chiều (có thể nhìn thấy cả hai hướng sạc và xả dịng điện).
2.2.2.2. Quản lí
Hệ thống quản lí pin có thể quản lí một khối pin theo ba chức năng chính: - Bảo vệ: Khơng để pin bị hỏng do sử dụng ngồi khoảng SOA của nó - Cân bằng tế bào pin: Tối ưu dung lượng của khối pin
- Quản lí nhiệt: Chủ động đưa pin vào nhiệt độ an toàn
Một hệ thống quản lí pin đơn giản cần phải có 2 chức năng bảo vệ và cân bằng tế bào. Một số hệ thơng tốt hơn có thêm chức năng quản lí nhiệt.
34 2.2.2.2.1. Bảo vệ
Một hệ thống quản lí pin tốt sẽ bảo vệ bộ pin bằng cách ngăn chặn hoạt động của pin khi vượt quá giá trị SOA quy định. Tùy theo yêu cầu mà hệ thống quản lí pin có thể hỗ trợ ngắt dịng, u cầu ngắt dòng điện (điều khiển on-off) hoặc giảm, giới hạn dòng điện.
a) Các điều kiện được giám sát:
Hệ thống quản lí pin thực hiện chức năng bảo vệ pin dựa trên các điều kiện sau:
- Dòng điện bộ pin: Dòng điện được giám sát bởi các thơng sơ sau: Dịng sạc liên tục, dòng sạc cao nhất, dòng xả liên tục và dòng xả cao nhất.
- Điện áp (cell pin hoặc cả bộ pin): Khi sạc đến điện áp cao, BMS có thể yêu cầu giảm dòng sạc. Một số bộ sạc cho phép kiểm sốt dịng sạc, trong trường hợp đó cell pin có điện áp cao được giảm dòng sạc cho đến khi bằng các cell lân cận.
- Nhiệt độ (cell pin hoặc cả bộ pin): Nhiệt độ của bộ pin phải nằm trong phạm vi quy định để đảm bảo an tồn cho việc sạc và pin.
Hình 2.23: Vùng hoạt động an tồn của pin Lithium-Ion a) Dòng điện và điện áp, b) nhiệt độ a) Dòng điện và điện áp, b) nhiệt độ
b) Ngắt dòng:
Tùy thuộc vào loại mà BMS có thể bảo vệ bộ pin khỏi các hoạt động bên ngoài bằng nhiều cách như sau:
- Theo dõi hoặc cân bằng yêu cầu ngắt - Bộ bảo vệ ngắt trực tiếp
35
Hình 2.24: Các phương pháp ngắt dịng a) Yêu cầu ngắt, b) Ngắt trực tiếp, c) Khơng ngắt
2.2.2.2.2. Quản lí nhiệt
Phạm vi nhiệt độ của các tế bào Li-Ion (ví dụ, -20 đến + 60 °C) tốt hơn so với các tế bào hóa chất khác, nhưng vẫn kém hơn những gì được nhiều yêu cầu bời vì nhiều ứng dụng (chẳng hạn như môi trường ô tô: −40 đến + 85 °C). Nó hồn hồn khơng thể chấp nhận được đối với ứng dụng quân sự. Do đó, một số ứng dụng yêu cầu phải quản lý nhiệt của khối pin.
BMS có thể kiểm sốt nhiệt độ của gói của nó thơng qua: - Sưởi ấm;
- Làm mát. a) Sưởi ấm
Biết nhiệt độ khối pin, BMS có thể điều khiển lị sưởi để giữ khối pin trên nhiệt độ hoạt động tối thiểu của nó. Thơng thường, điều này chỉ được thực hiện nếu khối pin có thể lấy năng lượng từ nguồn cung cấp sạc của nó (tức là khi xe được cắm vào sạc). Một mẹo để làm nóng một gói với BMS phân tán (mặc dù khơng hiệu quả như sử dụng lị sưởi) là bật tất cả các tải cân bằng thụ động trên bảng mạch di động, tạo nhiệt (theo thứ tự 1W trên mỗi ô, theo thứ tự 100W cho tồn bộ gói).
b) Làm mát
Tương tự, khi biết nhiệt độ khối pin, BMS có thể điều khiển quạt hoặc quạt gió để giữ cho gói dưới nhiệt độ hoạt động tối đa của nó. Tất cả những gì mà một chiếc quạt có thể làm là cân bằng nhiệt độ của khối pin với nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh. Nếu
36 mơi trường xung quanh ở 60 ° C, thì việc sử dụng quạt có thể thực sự tăng nhiệt độ khối pin (có thể vẫn mát so với trước ban đêm do cách nhiệt của gói và khối lượng nhiệt cao).
Tiếng ồn từ hệ thống thơng gió có thể là một vấn đề, vì vậy BMS có thể bao gồm
quy định cho điều khiển tốc độ thay đổi của quạt, để quạt có thể hoạt động nhẹ nhàng khi khối pin khơng q nóng và hoạt động ở tốc độ ngày càng cao khi nhiệt độ khối pin tăng lên 2.2.2.2.3. Cân bằng tế bào pin
Công nghệ cân bằng tế bào pin là là cơng nghệ then chốt của hệ thống quản lí năng lượng pin hiện đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới. Công nghệ giúp các cell trong khối pin được cân bằng điện áp với nhau trong quá trình sạc và xả, bảo vệ khối pin khỏi các hư hỏng do sạc hoặc xả quá mức.
a) Tại sao phải cân bằng tế bào pin
- Trong quá trình sản xuất pin, do các vấn đề về quy trình và vật liệu khơng đồng đều, có sự khác biệt về độ dày của tấm pin, mức độ hoạt hóa của vật liệu hoạt động dẫn đến sự khác nhau về dung lượng, nội trở và điện áp giữa các cell
- Trong quá trình hoạt động, nhiệt độ ảnh hưởng lên mỗi cell cũng không đều nhau hay ảnh hưởng của tuổi thọ khiến tính chất của các cell khơng đồng đều. Có cell có điện áp cao hơn một chút, có cell có điện áp thấp hơn một chút so với các cell khác, hay nói cách khác, điện áp các cell không cân bằng với nhau. Các cell pin yếu hơn có xu hướng sạc và xả nhanh hơn các cell cịn lại.
Hình 2.25: Sự mất cân bằng tế bào pin
- Trong q trình sạc, cell có điện áp cao hơn sẽ đầy trước trong khi một số cell còn lại chưa đầy. Nếu vẫn tiếp tục sạc, cell đó sẽ bị overcharge khiến nhiệt độ và áp suất tăng cao làm giảm tuổi thọ của cả bộ pin thậm chí phá hỏng cell đó. Ngược lại, trong q trình xả, cell có điện áp thấp hơn sẽ chóng cạn hơn. Nếu vẫn tiếp tục xả sâu, cell đó sẽ bị over-discharge, làm
37 giảm tuổi thọ pin. Khi một cell bị hỏng, thơng thường ta phải thay thế tồn bộ cả hệ thống pin, bởi lẽ, nếu chỉ thay cell bị hỏng (có thể được trong một số trường hợp) thì cell mới đó vẫn có tính chất khác so với các cell cịn lại, nghĩa là nguy cơ mất cân bằng (unbalance) vẫn có thể xảy ra.
Càng nhiều cell mắc nối tiếp, nguy cơ xảy ra mất cân bằng càng cao và độ tin cậy càng giảm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nếu hệ thống pin được ghép nối bởi n cell, xác suất xảy ra mất cân bằng tăng lên gấp n lần so với chỉ 1 cell hoạt động độc lập. Để hạn chế vấn đề này, có một số cách có thể xem xét. Trước tiên, người ta sẽ cố gắng chọn các cell có thơng số tương đối đồng đều để ghép nối với nhau. Các cell sau đó sẽ được ghép nối song song-nối tiếp với nhau thay vì chỉ ghép nối tiếp vì như vậy, dịng chạy vịng giữa các cell sẽ giúp cân bằng các cell với nhau (self-balacing). Sau đó, trong q trình sử dụng, nhiệt độ phải được giám sát chặt chẽ để đảm bảo phân bố đều trên các cell.
Để giải quyết các vấn đề gây ra bởi sự không nhất quán của pin, công nghệ cân bằng của hệ thống quản lý pin đã ra đời.
b) Thuật toán cân bằng: Các thuật toán cân bằng của BMS dựa trên: Điện áp, điện áp trên cùng và lịch sử SOC
- Cân bằng dựa trên điện áp: Là thuật toán đơn giản nhất, dựa trên quan điểm các cell pin có điện áp bằng nhau sẽ cùng một SOC. Trong khi sạc, điện áp sẽ bị loại bỏ khỏi các cell có điện áp cao nhất.
- Cân bằng dựa trên điện áp trên cùng: Là thuật tốn được sử dụng phổ biến nhất. Nó hoạt động tốt nhưng cần có thời gian đáp ứng. Phương pháp này giống phương pháp trước nhưng thay vì hoạt động ở mọi lúc thì nó chỉ hoạt động khi điện áp của cell vượt quá điện áp cuối cùng trên ngưỡng. (3,4 V cho pin LiFePO4 và 4,2V cho pin Lithium – Ion).
- Cân bằng dựa trên lịch sử SOC: Đây là thuật tốn phức tạp nhất. Nó hoạt động rất tốt nhưng nó cần có bộ nhớ mạnh để tính tốn và lưu trữ, vì nó dựa trên kết quả SOC trong q khứ để tính tốn thời gian cân bằng cho mỗi ô.
c) Các phương pháp cân bằng hiện nay:
Theo công nghệ cân bằng cell pin, BMS có thể được chia thành cân bằng thụ động và cân bằng chủ động.
38 - Cân bằng chủ động (kiểu truyền năng lượng): Phương pháp truyền năng lượng chuyển năng lượng cao của monome thành năng lượng thấp của monome. Trong quá trình thực hiện, cần có bộ lưu trữ năng lượng để năng lượng có thể được phân phối lại thơng qua bộ phận này. Phương pháp này có ưu điểm giúp hệ thống cân bằng về áp và khơng có tổn hao do năng lượng được luân chuyển lẫn nhau giữa các cell. Tuy nhiên, thiết kế cho mỗi cell một nguồn sạc độc lập là không thực tế. Việc cân bằng áp được thực hiện tuần tự cho một hoặc một nhóm cell. Do đó, để sạc đầy cả bộ pin cần thời gian khá lớn.
Hình 2.26: Cân bằng tế bào chủ động
Các mạch cân bằng tế bào hoạt động khác thường dựa trên tụ điện, cuộn cảm hoặc máy biến áp và giao diện điện tử cơng suất. Những điều này địi hỏi:
Dựa trên tụ điện
• Tụ điện đơn - phương pháp này đơn giản vì nó sử dụng một tụ điện duy nhất bất kể
số lượng tế bào được kết nối trong pin. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi một số lượng lớn các công tắc và sự điều khiển thông minh của các cơng tắc.
• Nhiều tụ điện - phương pháp này với nhiều tụ điện được kết nối với mỗi pin truyền
năng lượng tế bào không bằng nhau bởi nhiều tụ điện. Nó khơng u cầu cảm biến điện áp hoặc điều khiển vịng kín.
39
Dựa trên cuộn cảm hoặc máy biến áp
• Cuộn cảm đơn / nhiều cuộn cảm - mạch cân bằng tế bào với một cuộn cảm đơn có
khối lượng nhỏ và chi phí thấp trong khi nhiều cuộn cảm có tốc độ cân bằng nhanh và hiệu quả cân bằng tế bào khá.
Hình 2.28: Phương pháp Buck Boost
• Máy biến áp đơn - phương pháp này có tốc độ cân bằng nhanh với tổn thất từ trường
thấp.
• Nhiều máy biến áp - bộ cân bằng tế bào này có tốc độ cân bằng nhanh. Tuy nhiên,
nó địi hỏi một mạch điện phức tạp và đắt tiền giúp máy biến áp không bị ngập nước.
Hình 2.29: Phương pháp Fly back based
- Cân bằng bị động (kiểu tiêu tán năng lượng): Ở chế độ tiêu thụ năng lượng điện trở, mỗi cell pin đơn được mắc song song với một điện trở để tiêu thụ năng lượng, việc cân bằng này nhằm tiêu hao năng lượng thừa trong pin với công suất lớn để đạt được sự cân bằng điện áp của cả nhóm pin. Bộ sạc cần ngắt sạc ngay khi một cell nào đó đã đầy. Cell pin đã đầy sẽ được xả qua điện trở cho đến khi bằng cell thấp hơn. Sau đó, bộ sạc được tiếp tục đóng điện trở lại và chu trình lại được lặp lại cho đến khi tất cả các cell đã đầy. Phương pháp này đơn giản hơn phương pháp cân bằng chủ động nhưng gây ra tổn hao trên điện trở và ở dòng cân bằng cao, năng lượng chuyển thành nhiệt có thể ảnh hưởng đến hoạt động của khối pin.
40
Hình 2.30: Cân bằng tế bào bị động
Hình 2.31: Phương pháp cân bằng bị động
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 cơng 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 khơng 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