Hệ thống quản lý pin lưu trữ – Battery Management System (BMS)
Giám đốc điều hành của Mercedes – Dieter Zetsche nói rằng, “Sự thông minh của pin lưu trữ không nằm ở cell pin mà trong hệ thống phức tạp của pin”. Điều này gợi nhớ đến những chiếc máy tính vào những năm 1970 có phần cứng lớn nhưng phần mềm ít ỏi”.
Công dụng của BMS:
- Đảm bảo an toàn cho pin và kéo dài tuổi thọ, một thứ nhất định phải có cho pin Li-ion.
- Thể hiện trạng thái chức năng (state-of-function) dưới dạng trạng thái dung lượng (state-of-charge) và trạng thái sức khỏe (state-of-health).
- Báo trạng thái vận hành và cảnh báo lỗi. Có thể là nhiều độ cao quá ngưỡng, cell pin mất cân bằng hay cần được hiệu chỉnh.
- Cảnh báo hết pin khi dung lượng còn dưới ngưỡng cài đặt.
Không phải tất cả BMS đều có những chức năng trên. Công dụng cơ bản nhất là bảo vệ pin và hiển thị trạng thái dung lượng (SoC).
Mặc dù SoC rất hữu ích nhưng dữ liệu hiển thị sẽ không hoàn chỉnh nếu không theo dõi dung lượng khi pin cạn dần. Người dùng có thể quen với việc pin được cung cấp với dung lượng đầy đủ, nhưng tình trạng này chỉ là tạm thời và không thể duy trì. Dung lượng là chỉ số chính về tình trạng sức khỏe của pin (SoH) và phải là một phần của hệ thống quản lý pin (BMS). Biết rằng SoC và SoH cung cấp trạng thái chức năng (SoF) – thông tin hiển thị đáng tin cậy nhất, nhưng công nghệ đáp ứng chức năng này một cách hiệu quả vẫn đang được cải tiến.
Chế tạo một BMS tốt hơn vẫn còn là một thử thách khi chúng ta vẫn còn thiếu một phương pháp đáng tin cậy để xác định SoC, một thước đo cơ bản nhất của pin. Xác định năng lượng còn lại trong pin phức tạp hơn việc phân phối nhiên liệu lỏng. Trong khi bình nhiên liệu có kích thước cố định và việc xác đinh thể tích nhiên liệu có thể được đo lường một cách chính xác; còn trong hệ thống lưu trữ năng lượng các coulomb điện tích chảy vào và ra không thể được đánh giá chính xác khi pin già (dung lượng bị suy hao) đi.
BMS cũng cung cấp khả năng bảo vệ pin khi sạc/xả; nó sẽ tự động ngắt dòng tải ra khỏi pin khi vượt quá ngưỡng giới hạn được cài đặt trong BMS hay pin gặp sự cố (ngắn mạch, quá nhiệt, …). Các tiêu chuẩn BMS đã được thiết lập là SMBus (System Management Bus) được sử dụng cho hầu hết các ứng dụng di động, cũng như Bus CAN (Controller Area Network) và Bus LIN (Local Interconnect Network) đơn giản hơn để sử dụng trên ô tô.
Các trạm pin lưu trữ là một trong những loại pin đầu tiên tích hợp hệ thống giám sát và cơ bản nhất là theo dõi điện áp của từng cell pin riêng lẻ. Một vài hệ thống được tích hợp cả cảm biến nhiệt độ của cell và đo lường dòng điện. Ghi nhận lại sự khác biệt nhỏ nhất về nhiệt độ cell pin giúp đánh giá một số vấn đề, và đo lường độ sụt áp của mỗi cell ở một tải nhất định cho thấy điện trở của cell pin. Do đó, có thể xác định được hiện tượng khô, ăn mòn, phân tách điện cực và các sự cố khác.
Mặc dù BMS có hiệu quả trong việc phát hiện các dị thường; sự suy hao dung lượng – chỉ số dễ dự đoán nhất, lại rất khó để xác định chính xác vì điện áp và nội trở thường không bị ảnh hưởng. Khả năng xác định dung lượng suy hao từ 100% đến 70% sẽ rất có giá trị, nhưng hầu hết các BMS không thể làm việc này một cách hiệu quả và pin vẫn có thể được đánh giá là tốt dù đã suy hao đến 50% dung lượng. BMS thường chỉ phản ứng với những dị thường nằm ngoài việc ước tính dung lượng, chẳng hạn như sự chênh lệch điện áp giữa các cell gây ra bởi sự mất cân bằng trong cell pin và sự thay đổi nội trở.
Một số nhà sản xuất thiết bị y tế và công nghiệp sử dụng tem ngày/tháng để xác định thời điểm pin kết thức vòng đời, những nhà sản xuất khác dựa trên số đếm chu kỳ sạc/xả. Mặc dù việc đếm số chu kỳ có thể đơn giản nhưng không tồn tại quy ước nào cho việc này và một số hệ thống chỉ đơn giản xem một chu kỳ là khi pin được sạc đầy. Dán tem ngày/tháng có những khuyết điểm tương tự ở chỗ nó thúc đẩy việc thay thế sớm trong khi dung lượng suy hao vần nằm trong ngưỡng cho phép hay các loại pin chịu tải cao có vòng đời sử dụng rất dài. Để giảm nguy cơ hư hỏng, cơ quan chức năng có thẩm quyền thường yêu cầu thay thế sớm và thời gian vòng đời thường là 2 năm. Việc lưu trữ trong thời gian dài sẽ làm cho pin bị rút ngắn tuổi thọ.
Các kỹ sư y sinh nhận thấy rằng hầu hết các loại pin đều được thay thế quá sớm. Các chủ sở hữu iPhone phàn nàn rằng điện thoại của họ hiển thị mức sạc 100& trong khi pin chỉ được sạc 90%. Ngay cả các nhà lãnh đạo quân đội cũng nói rằng pin dành cho chiến đấu trong kho của họ có chất lượng quá kém đến mức nhiều lúc binh sĩ mang theo đá thay vì pin. Việc quản lý pin hiệu quả vẫn còn thiếu nhiều yếu tố hay không đạt yêu cầu. Việc mong đợi quá nhiều vào BMS là điều phổ biến và người dùng phải bàng hoàng khi phải mắc kẹt với pin không có năng lượng.
Hãy xem cách hoạt động của BMS, lưu ý những thiếu sót và xem sét các công nghệ mới ra mắt có thể thay đổi cách thức giám sát pin lưu trữ.
BMS lấy dấu ẩn của “pin hóa học” trong quá trình sạc/xả và thiết lập “pin kỹ thuật số” có thể giao tiếp với người dùng. Hình dưới minh họa các thành phần của pin bao gồm: năng lượng lưu trữ, phần trống có thể được nạp lại và phần không hoạt động bị mất vĩnh viễn. Dung lượng định mức đề cập đến công suất được chỉ định của nhà sản xuất tính bằng Ah (Ampe-Giờ), chỉ có giá trị đối với pin mới; dung lượng khả dụng chỉ ra khả năng lưu trữ thực sự của pin tính bằng dung lượng định mức trừ đi phần không hoạt động. Trạng thái dung lượng (SoC) đề cập đến dung lượng được lưu trữ, cũng bao gồm phần không hoạt động.
Một BMS được lập trình với một dung lượng định mức và nó đo lường dòng coulomb vào và ra tương quan với lượng pin khả dụng. Khi dung lượng giảm, số coulomb giảm tương ứng giúp ước tính dung lượng của pin. Cách xác định dung lượng chính xác nhất là khi số coulomb được tính từ lúc pin được xả cạn hoàn toàn đến khi được sạc bão hòa hay ngược lại. Một khởi đầu chính xác như vậy hiếm khi có thể thực hiện được do việc ước tính dung lượng trong đời thực bị xáo trộn theo thời gian.
BMS sẽ đánh dấu sau mỗi lần được sạc đầy hay xả cạn. Trong suốt quá trình nghỉ, một BMS nâng cao vẫn có thể tính toán được SoC dựa trên điện áp hở mạch ổn định và bắt đầu đếm số coulomb khi sạc hay xả từ điểm mốc đó. Một số BMS cũng có thể xác định SoC và/hay SoH dựa trên điện áp phục hồi sau khi ngắt tải.
Thêm chức năng ước tính dung lượng trong BMS
EBM có những giới hạn nhất định là nó không thể xác định dung lượng một cách hiệu quả. Điều này có thể được khắc phục bằng cách thêm các dữ liệu ước tính dung lượng.
Hình trên cho thấy một BMS với các cảm biến thông dụng với chức năng ước tính dung lượng đã được thêm vào. SpectroTM đại diện cho Quang phổ trở kháng điện hóa (EIS – Electrochemical impedance spectroscopy) với mô hình phức tạp. Công cụ này chuyển đổi tín hiệu từ các cảm biến cơ bản của pin sang mức trạng thái chức năng (SoF).
Biết rằng SoF cải thiện khả năng nhận diện tình trạng pin, nhưng một số nhà sản xuất thiết bị từ chối tiết lộ các chỉ số dung lượng dưới 100% cho người dùng, đặc biệt là khi còn trong thời hạn bảo hành. Để che giấu thông tin không mong muốn, dữ liệu có thể được mã hóa chỉ dành cho nhân viên dịch vụ sử dụng.
Mối quan tâm của người tiêu dùng được gạt sang một bên, SoF cho thấy một sự cải tiến đáng kể đối với BMS về độ tin cậy của pin khi nó theo dõi sự tiêu hao dung lượng và tính toán thời gian chạy thực sự dựa trên dung lượng khả dụng. BMS cũng có thể dự đoán thời điểm nên thay mới, nhưng vẫn chưa thể đáp ứng đầy đủ với các công nghệ BMS hiện nay. BMS trong tương lai hứa hẹn sẽ có khả năng đồng bộ dữ liệu “pin kỹ thuật số” với của “pin hóa học” để cung cấp dữ liệu SoF đáng tin cậy hơn thông qua các thuật toán nâng cao.
Lithaco
Nguồn: BU-908: Battery Management System (BMS) – Battery University
![Hệ thống quản lý [Pin Lithium] là gì?](https://dienxanheco.com/wp-content/uploads/2024/05/1-93-414x266-2.jpg "Hệ thống quản lý [Pin Lithium] là gì? 10")
