Pin hình trụ trong ống có đường kính "D"
Đường kính gần đúng
của vịng trịn mơ tả Kế hoạch
2 ô 2D Cạnh bên nhau
3 ô 2,16D Tam giác
4 ô 2.414 D Quảng trường
5 ơ 2,70 Hình năm góc
5 ơ 3D Hình vng với một bên trong
6 ơ 3D Hình lục giác
7 ô 3D Lục giác với một bên trong
8 ô 3,305D Heptagon với một bên trong
9 ơ 3,62D Hình bát giác với một bên trong
10 ô 4,4D
Lầu năm góc với 5 ơ nữa được sắp xếp đối xứng xung quanh ơng ở bên
ngồi
10 ơ 3,92D Nonagon với một bên trong
11 ô 4D Nonagon với hai bên trong
12 ô 4D Nonagon với ba bên trong
26
14 ô 4,4D Hình trang trí với bốn bên trong
15 ô 4,55D Undecagon với bốn bên trong
16 ô 4,9D Dodecagon với bốn bên trong
19 ơ 5D Đóng gói hình lục giác
37 ơ 7D Đóng gói hình lục giác
61 ơ 9D Đóng gói hình lục giác
91 ơ 11D Đóng gói hình lục giác
i) Trường hợp 9: Tuyến tính, hoặc kiểu L, hoặc Trục Đây là một ngăn xếp của các ô kết thúc đến cuối.
Hình 2.14: Phương pháp liên kết pin theo tuyến tính, hoặc kiểu L, hoặc trục
Các gói này thường được cấu tạo bằng cách đặt hai ô cạnh nhau và hàn một dải niken qua các đầu cuối, như trong gói bậc thang. Sau đó, các tế bào được uốn cong từ đầu đến cuối bằng cách uốn dải nối niken theo hình chữ "U". Cho phép tăng độ dày ½ đến 1 mm cho mỗi điểm nối cho việc này.
2.1.2.3. Mạch bảo vệ
a) Khái niệm: Mạch bảo vệ là một bộ phận không thể thiếu của mỗi quả pin. Nó bao gồm các thành phần có cơng dụng bảo vệ nhất định. Cụ thể như sau:
- PTC: Có tác dụng chống lại sự tăng nhiệt độ quá định mức. Đồng thời nó gián tiếp bảo
vệ lại hiện tượng q dịng. Khi đó PTC sẽ tự động cài đặt lại (Reset).
- CID: Còn được gọi với các tên khác là van nén (Pressure Valve). Nó có tác dụng vơ
khối hiệu hóa hoạt động của khối pin vĩnh viễn trong trường hợp vượt quá ngưỡng cho phép.
- PCB: Có khả năng bảo vệ cục pin khỏi hiện tượng xả cạn hay sạc điện q ngưỡng.
Dịng xả q cao thì nó sẽ tự động reset hay khởi động lại khi đặt pin vào nguồn sạc. Điều này phụ thuộc vào thiết kế của PCB.
b) Trường hợp pin khơng có mạch bảo vệ: Pin khơng có mạch bảo vệ sẽ khơng có thành phần PCB, nhưng thường sẽ vẫn có PTC và CID. Mạch PCB được khuyến cáo nên có cho một số pin Li-Ion như Li-CoO2. Ở ảnh dưới, tôi mô tả cách mà PCB lắp vào khối pin.
27
Hình 2.15: Trường hợp pin khơng có mạch bảo vệ
Kết cấu này được áp dụng cho mọi loại pin Li-Ion, tôi đã “mổ” bung viên pin AW 18650 và Soshine để xem mạch bảo vệ bên trong. PTC và CID khơng nhìn thấy được vì nó là một phần của phoi pin, nhưng tất cả các phần khác của mạch bảo vệ đều có thể thấy được.
Nếu van nén CID bên trong viên pin kích hoạt, nó sẽ ngắt kết nối bên trong ra bên ngồi viên pin. Vì thế nó cịn được gọi là CID – Current Interrupt Device
2.1.2.4. Khảo sát các kiểu bộ pin được sử dụng cho các xe điện hiện nay
Hiện nay trên các loại xe máy điện hay ô tô điện thường sử dụng các bộ pin được kết nối theo cấu trúc hình vng hay hình chữ nhật.
Hình 2.16: Bộ pin Lithium-Ion được dùng trên xe máy điện, xe đạp điện
28
2.1.3. Lựa chọn, phân bố cell pin cho bộ pin 36V-13Ah
Dựa vào cell pin Lithium-Ion ICR18650-26F có sẵn trên thị trường, ta xây dựng được một bộ pin 36V-13Ah
Thông số cell pin Lithium-Ion ICR18650-26F: - Dung lượng dự trữ đạt tới 2600 mAh
- Điện áp điện mức: 3,7 V
- Nhờ các số liệu trên, ta xây dựng một bộ pin có cấu trúc 10S5P (10 cell pin mắc nối tiếp, 5 cell pin mắc song song). Khi đó, ta cần có 50 cell pin
Hình 2.18: Mơ hình thiết kế bộ pin có cấu trúc 10S5P
Trong đó:
1- Cell pin Lithium-Ion ICR18650-26F 2- Kẽm hàn cell pin
29
2.2. Hệ thống quản lý pin BMS
2.2.1. Khái niệm, thành phần cấu tạo, phân loại, ứng dụng phổ biến
a) Khái niệm:
- Hệ thơng quản lí pin hay cịn được biết là BMS (Battery Management System) là hệ thống dùng để theo dõi, bảo vệ và tối ưu hóa hiệu suất của pin trong quá trình sạc và sử dụng pin. Hệ thống quản lí từng cell pin trong khối pin, giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, quản lí tính tốn SOC, đo nhiệt độ và điện áp, …
- Là hệ thống quan trọng và vô cùng cần thiết trong các thiết bị dùng năng lượng pin như: Điện thoại, Laptop, máy khoan, máy cắt, xe điện, … với hai chức năng chính là bảo vệ an tồn và quản lí năng lượng.
b) Thành phần cấu tạo: Một hệ thống quản lí pin cơ bản gồm có các thành phần cấu tạo như sau: Bộ pin, mạch quản lý pin và cảm biến nhiệt độ.
c) Ứng dụng phổ biến: Hệ thống quản lí pin được ứng dụng trong khối pin của 1 số thiết bị với các chức năng bảo vệ quan trọng như sau:
- Chức năng bảo vệ khi quá áp (OV): Khi sạc (bao gồm cả quá trình phục hồi năng lượng nhanh), điện áp sạc của bất kí cell nào vượt quá giá trị cài đặt, điện áp sạc sẽ tự động giảm để tránh cell pin đó bị sạc quá mức.
- Chức năng bảo vệ khi điện áp thấp (UV): Khi xả, điện áp của bất kỳ cell nào thấp hơn giá trị cài đặt, quá trình xả sẽ dừng lại để tránh cell pin đó bị xả quá mức.
- Chức năng bảo vệ khi nhiệt độ cao (OT): Khi sạc hoặc xả hoặc dừng trạng thái ngủ, khi nhiệt độ của bất kỳ pin lithium nào vượt quá giá trị cài đặt, hãy khởi động hệ thống quản lý nhiệt pin để giảm nhiệt độ pin. Khi nhiệt độ tối đa được phép vượt quá, mạch sẽ tự động bị cắt ngay lập tức.
- Chức năng bảo vệ khi nhiệt độ thấp (UT): Khi sạc, khi nhiệt độ của pin thấp hơn giá trị cài đặt, dòng sạc sẽ tự động thay đổi, thường giảm xuống còn 1/3 dòng sạc; khi xả, khi nhiệt độ của pin thấp hơn giá trị cài đặt, hệ thống quản lý nhiệt của pin được kích hoạt để tăng nhiệt độ pin.
- Chức năng bảo vệ khi quá dòng (OC): Khi sạc hoặc xả, dòng điện của pin vượt quá giá trị cài đặt và dòng điện sẽ tự động bị giới hạn.
30 - Chức năng bảo vệ khi ngắn mạch (SC): Trong q trình sạc, xả và ngủ đơng, pin bị đoản mạch và mạch sẽ tự động bị cắt.
2.2.2. Chức năng
Hệ thống quản lí pin cung cấp các chức năng như sau: Đo lường, quản lí, giao tiếp và lưu trữ dữ liệu.
2.2.2.1. Đo lượng
Đo lường là chức năng đầu tiên của hệ thống quản lí pin là thu thập dữ liệu về BMS. Các thông số được hệ thống quản lí pin đo lường là điện áp của từng cell hoặc cả khối pin, nhiệt độ từng cell pin hoặc nhiệt độ tồn khối pin và dịng điện của khối pin.
2.2.2.1.1. Điện áp
- Mạch BMS đo trực tiếp điện áp trên mỗi tế bào (mạch được cấp nguồn bởi tế bào pin và đó chính là điện áp của nó). BMS đo điện thế giữa hai bảng pin mắc nối tiếp thì lúc này điện áp là hiệu điện thế giữa giữa 2 bảng pin đó.
- Điện áp được lấy từ analog multiplexer và được chuyển từ analog sang digital (A/D converter) trên cùng IC.
Hình 2.19: Các phương pháp đo điện áp
31 2.2.2.1.2. Nhiệt độ
- Hệ thống quản lí pin có chức năng đo nhiệt độ của khối pin hoặc tốt hơn là đo nhiệt độ của từng cell riêng lẻ.
- Nhiệt độ của pin được đo bằng điện trở nhiệt (có thể đặt ở từng cell pin hoặc đặt ở vị trí trọng tâm của bộ pin) để theo dõi nhiệt độ hoạt động của bộ pin.
- Nhiệt độ pin khơng được theo dõi và điều chỉnh thích hợp có thể dẫn đến một số hư hỏng pin như: Gây nổ, vỡ, rị rĩ hóa chất bên trong, làm cháy pin khi nhiệt độ cao. Nhiệt độ quá thấp có thể dẫn đến đóng băng chất điện ly, gây chết pin.
Một số phương pháp quản lí nhiệt được sử dụng khi bộ pin ở nhiệt độ cao:
- Tesla dùng chất lỏng (nước, glycol) để thông qua ống dẫn đến từng cell pin và làm mát cho bộ pin.
- Sử dụng tấm tản nhiệt gắn trên BMS hoặc bộ pin để giúp nhiệt độ pin được phân tán ra bên ngoài
- Ngồi ra một số BMS cịn dùng gió và hóa chất trong pin để duy trì nhiệt độ cần thiết cho pin
Hình 2.20: Cảm biến nhiệt độ được gắn trên pin a) mỗi cell 1 cảm biến, b) 1 cảm biến cho cả khối pin a) mỗi cell 1 cảm biến, b) 1 cảm biến cho cả khối pin
32 2.2.2.1.3. Dòng điện
Việc xác định dịng điện là vơ cùng quan trọng trong việc sử dụng bộ pin. Nó cung cấp thơng tin cho BMS thực hiện các chức năng bảo vệ khi q dịng hoặc ngắn mạch. Có hai phương pháp để xác định dòng điện của bộ pin:
- Current Shunt: Dùng 1 điện trở giá trị thấp, độ chính xác cao - Cảm ứng dịng điện bằng hiệu ứng Hall
a) Current Shunt:
Current Shunt chỉ đơn giản là dùng 1 điện trở có cơng suất cao, giá trị thấp và có độ chính xác cao (Hình 2.21). Dòng điện của khối pin được chuyển qua điện trở shunt, dẫn đến giảm điện áp trên nó tỉ lệ với dịng điện. Đặc biệt chú ý về cách kết nối để hạn chế các sai sót.
Hình 2.21: Cảm biến Current Shunt a) Sơ đồ nguyên lý, b) Ví dụ thực tế 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 dòng 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) mơ-đun cảm biến gắn trên cáp
Cảm biến dịng 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: Không 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 tồn
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 u cầu mà hệ thống quản lí pin có thể hỗ trợ ngắt dòng, yêu 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 u cầu giảm dịng 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 toàn 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 dịng:
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) Không 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 mơi trường ơ tơ: −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