Giới thiệu về cân bằng cell trong hệ thống pin

Hiện nay, nhiều cell pin thường được mắc nối tiếp để đáp ứng yêu cầu về điện áp trong các hệ thống pin lithium-ion, đặc biệt đối với pin xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng và các thiết bị điện tử di động. Tuy nhiên, các cell vẫn có thể khác nhau về dung lượng, điện trở trong, mức độ tự phóng điện và đặc tính lão hóa dù chúng cùng một loại và được sản xuất theo cùng quy trình. Chính những điều này khiến cho điện áp và trạng thái sạc trong quá trình hoạt động của từng cell dần mất cân bằng. Trong đó, quá trình sạc hoặc xả của toàn bộ bộ pin có thể phải dừng sớm khi một số cell đạt đến điện áp giới hạn trước khi các cell còn lại. Nếu một cell vượt quá giới hạn điện áp cho phép thì sẽ làm giảm dung lượng sử dụng thực tế, ảnh hưởng đến hiệu suất và có thể gây ra các vấn đề về an toàn.

Chính vì vậy, hệ thống quản lý pin (Battery Management System hay BMS) thường tích hợp chức năng cân bằng cell (hay cell balancing) để giải quyết vấn đề này. Trong đó, cân bằng thụ động (hay passive balancing) và cân bằng chủ động (hay active balancing) là hai phương pháp phổ biến nhất. Cụ thể hơn, điện trở được sử dụng để tiêu tán phần năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt độ với cân bằng thụ động. Trong đó, phương pháp cân bằng chủ động dùng các linh kiện như cuộn cảm, tụ điện hay bộ biến đổi công suất để chuyển năng lượng từ cell có mức sạc cao sang cell có mức sạc thấp. Các kỹ sư cần cân nhắc nhiều yếu tố như hiệu suất, cách xác định điện trở xả, lựa chọn cuộn cảm truyền năng lượng, chi phí linh kiện và yêu cầu quản lý nhiệt của hệ thống để lựa chọn giữa hai phương pháp.

Nguyên lý và cách lựa chọn điện trở xả trong cân bằng cell thụ động

Trong nhiều hệ thống pin, phương pháp đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất là cân bằng thụ động. Trong đó, mạch cân bằng sẽ kích hoạt một điện trở mắc song song với cell đó khi BMS phát hiện một cell có điện áp hoặc trạng thái sạc cao hơn mức mong muốn. Điện áp hoặc trạng thái sạc của cell sẽ giảm xuống so với các cell còn lại do dòng điện đi qua điện trở sẽ làm tiêu tán phần năng lượng dư thừa thành nhiệt

Cụ thể, BMS có thể kích hoạt điện trở xả để giảm tốc độ tăng điện áp của cell nếu một cell đạt giới hạn điện áp sạc trước những cell khác trong một bộ pin gồm nhiều cell mắc nối tiếp. Khi các điều kiện vận hành và giới hạn an toàn cho phép, quá trình sạc có thể tiếp tục. Trong đó, cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và dễ tích hợp vào các mạch là những ưu điểm lớn nhất của phương pháp này. Tuy nhiên, phương pháp này được cho rằng sẽ kém hiệu quả hơn khi dung lượng pin lớn hoặc mức độ mất cân bằng đáng kể do năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt thay vì được tái sử dụng.

Trong đó, dòng điện cân bằng mong muốn và điện áp làm việc của cell pin là hai yếu tố đầu tiên để lựa chọn điện trở. Độ lớn của dòng điện đi qua điện trở được xác định bằng điện áp đặt lên điện trở chia cho giá trị điện trở đó, theo định luật Ohm. Ví dụ, nếu một cell pin có điện áp và dòng điện cân bằng mục tiêu lần lượt là 4,0 V và 100 mA thì điện trở lý tưởng sẽ có giá trị là 10 ohm. Tuy nhiên, điện áp thực tế của cell sẽ xác định điện áp trên điện trở. Chính vì vậy, trong quá trình hoạt động, dòng điện cũng sẽ thay đổi. Tiếp đó, các kỹ sư cần kiểm tra công suất tiêu tán của điện trở sau khi xác định dòng điện. Giá trị này được xác định theo hai cách, bằng bình phương của dòng điện nhân với điện trở hoặc bằng bình phương của điện áp chia cho điện trở. Ví dụ cụ thể, nếu giá trị điện trở là 40 ohm ở điện áp 4,0 V thì công suất tiêu tán sẽ khoảng 0,4 W. Trên thực tế, không nên chỉ dựa trên giá trị tính toán tối thiểu để lựa chọn điện trở. Các kỹ sư cần xem xét nhiều yếu tố khác nhau như hệ số dự phòng phù hợp, nhiệt độ môi trường, khả năng tản nhiệt của PCB hay thời gian điện trở phải hoạt động liên tục. Ngoài ra, điều kiện lắp đặt và nhiệt độ môi trường cũng sẽ tác động đến công suất định mức được công bố trong tài liệu kỹ thuật. Ví dụ, một điện trở có công suất danh định 0,5 W cũng không nhất thiết có thể tiêu tán liên tục 0,5 W trong mọi điều kiện mà vẫn duy trì nhiệt độ an toàn.

Những yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế

Thời gian điều chỉnh chênh lệch điện tích giữa các cell càng ngắn khi dòng điện cân bằng càng lớn. Tuy nhiên, điều này cũng tác động đến việc tăng công suất tiêu tán và nhiệt lượng sinh ra trên điện trở. Quá trình cân bằng có thể kéo dài, đặc biệt trong các bộ pin có dung lượng lớn nếu dòng quá nhỏ. Còn ngược lại, hệ thống có thể cần điện trở công suất cao hơn, đường dẫn dòng điện phù hợp và giải pháp tản nhiệt tốt hơn nếu dòng điện quá lớn. Chính vì vậy, sự cân đối giữa thời gian cân bằng, chi phí linh kiện và giới hạn nhiệt của hệ thống là các yếu tố cần đạt được khi thiết kế cân bằng thụ động.

Nguyên lý hoạt động và vai trò của cuộn cảm truyền năng lượng trong cân bằng cell chủ động

Khác với phương pháp trên, cân bằng chủ động không loại bỏ phần năng lượng dư thừa bằng cách chuyển hóa thành nhiệt mà mạch sử dụng các linh kiện điện tử công suất để truyền năng lượng từ cell có mức sạc cao sang cell có mức sạc thấp hơn hoặc sang một nhóm cell khác. Trong đó, mạch cân bằng sử dụng cuộn cảm là một trong những cấu trúc phổ biến nhất. Đối với cấu trúc này, các công tắc bán dẫn sẽ điều khiển quá trình nạp năng lượng vào cuộn cảm từ một cell và giải phóng năng lượng đó sang cell nhận. Quá trình này được thực hiện thông qua việc áp dụng một trình tự phù hợp để đóng cắt các công tắc. Khi đó, năng lượng sẽ được truyền qua cuộn cảm và các phần tử chuyển mạch.