Pin Lithium trên ô tô điện là chủ đề được nhiều người quan tâm hiện nay, khi mà chủ đề xe điện đang rất nóng tại Việt Nam trong những ngày gần đây. Vậy hệ thống quản lý của chúng quan trọng như thế nào, hãy cùng xem bài viết dưới đây:
Kiểm soát quá trình xả pin
Chức năng chính của hệ thống quản lý pin lithium (BMS – Battery Management System) là duy trì các cell pin lithium luôn trong tình trạng hoạt động an toàn. Chẳng hạn như một cell pin lithium 18650 điển hình, sẽ có mức điện áp < 3V. Hệ thống BMS có nhiệm vụ đảm bảo rằng, không có cell pin nào trong gói pin được phóng điện dưới 3V.
Kiểm soát sạc pin ở ô tô điện
Ngoài việc xả pin, quá trình sạc cũng luôn được các nhà sản xuất quan tâm. Đa số các loại pin luôn có xu hướng bị giảm tuổi thọ nếu như không được sạc đúng cách. Đối với bộ sạc pin lithium trên ô tô điện, bộ sạc 2 giai đoạn được áp dụng.
- Giai đoạn đầu tiên gọi là Dòng điện không đổi CC (Constant Current). Trong đó, bộ sạc tạo nên dòng điện không đổi để sạc pin.
- Tới lúc gần đầy pin sẽ kích hoạt giai đoạn hai, giai đoạn này gọi là Điện áp không đổi CV (Constant Voltage). Giai đoạn này sử dụng điện áp không đổi, được cung cấp tới pin ở mức điện rất thấp.
Hệ thống quản lý pin lithium BMS phải đảm bảo rằng cả dòng điện và điện áp trong quá trình sạc, không vượt qua giới hạn cho phép để sạc nhanh hơn hoặc sạc vượt quá giới hạn cho phép của pin. Bạn có thể tìm thấy điện áp sạc tối đa cho phép và dòng sạc trong biểu dữ liệu của pin.
Xác định trạng thái sạc SOC (State-of-charge)
SOC là chỉ số nhiên liệu của cell pin trên xe ô tô điện. Nó cho chúng ta biết được dung lượng pin của các gói theo phần trăm, tương tự như một chiếc điện thoại di động. Tuy nhiên, điều này không hề dễ dàng, điện áp và dòng điện sạc/xả của các gói pin phải luôn được theo dõi để dự đoán đúng dung lượng của pin.
Sau khi đo điện áp và dòng điện, có khá nhiều thuật toán có thể sử dụng để tính SOC của bộ pin lithium. Đo lường các giá trị và tính toán SOC cũng là một trong những chức năng của hệ thống quản lý pin lithium trên ô tô điện – BMS.
Xác định trạng thái sức khỏe SOH (State-of-health)
Dung lượng pin ngoài việc phụ thuộc vào cấu hình điện áp và dòng điện, thì nó còn phụ thuộc vào cả tuổi và nhiệt độ hoạt động của pin. Phép đo SOH cho chúng ta biết được tuổi và vòng đời dự kiến của pin dựa trên lịch sử sử dụng của nó.
Bằng cách này, chúng ta có thể biết được quãng đường (quãng đường di chuyển được sau khi sạc đầy) của EV giảm bao nhiêu sau khi pin bị lão hóa, và từ đó chúng ta cũng có thể biết được thời điểm nào nên thay bộ pin mới. Hệ thống quản lý pin pin lithium trên ô tô điện BMW cũng tính toán và theo dõi SOH.
Cân bằng cell pin
Một chức năng không kém phần quan trọng khác của hệ thống BMW là duy trì sự cân bằng cell pin. Ví dụ như, trong một gói gồm 4 cell pin mắc nối tiếp nhau, điện áp của cả bốn cell pin phải luôn bằng nhau. Nếu như có một cell pin có điện áp thấp hơn hoặc cao hơn các viên còn lại, nó sẽ ảnh hưởng tới toàn bộ gói pin.
Chẳng hạn như một cell pin ở mức 3.5V, trong khi ba cell pin còn lại là 4V. Trong lúc sạc, ba cell này sẽ đạt mức 4.2V còn cell pin còn lại chỉ đạt mức 3.7V. Tương tự như vậy, cell pin này sẽ là đầu tiên xả xuống 3V trước ba cell pin kia.
Vậy nên, do cell pin khác biệt kia nên các cell pin còn lại trong khối pin không thể khai thác hết tiềm năng của nó, do đó ảnh hưởng tới độ hiệu quả.
Để loại bỏ vấn đề này, hệ thống quản lý pin lithium trên ô tô điện BMW được trang bị tính năng cân bằng cell pin. Có nhiều loại kỹ thuật khác nhau để cân bằng cell pin, nhưng kỹ thuật thường được sử dụng nhiều nhất là kỹ thuật cân bằng cell pin loại thụ động và chủ động.
- Cân bằng thụ động: ý tưởng là các cell pin có điện áp dư thừa sẽ bị phóng điện cưỡng bức qua một tải như điện trở, để có thể đạt tới giá trị điện áp của các cell pin còn lại.
- Cân bằng chủ động: Các cell pin mạnh hơn sẽ được sử dụng để sạc các cell pin yêu hơn nhằm cân bằng điện thế của chúng.
Kiểm soát nhiệt độ pin
Độ hiệu quả và tuổi thọ của pin lithium phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ trong lúc hoạt động. Trong điều kiện khí hậu nóng bức, pin có xu hướng xả nhanh hơn so với nhiệt độ bình thường.
Mặt khác, việc tiêu thụ dòng điện cũng sẽ cao hơn nên sẽ làm nhiệt độ tăng pin tăng lên nhiều. Để giải quyết vấn đề này, đòi hỏi phải có một hệ thống tản nhiệt trong một bộ pin. Hệ thống tản nhiệt này vừa có khả năng làm giảm nhiệt độ của pin, vừa có thể làm tăng nhiệt độ của pin ở những vùng có khí hậu lạnh.
Hệ thống quản lý pin Lithium trên ô tô điện – BMS chịu trách nhiệm đo nhiệt độ từng cell pin và điều khiển hệ thống nhiệt cho phù hợp để duy trì nhiệt độ chung của bộ pin.
Nhận nguồn cấp từ pin
Nguồn điện duy nhất có sẵn trên ô tô điện chính là pin. Vậy nên, một hệ thống BMS được thiết kế để có thể cung cấp năng lượng bởi loại pin mà BMW có trách nhiệt bảo vệ và duy trì. Điều này nghe có vẻ dễ dàng, nhưng nó lại làm tăng thêm độ khó của thiết kế hệ thống quản lý pin Lithium.
Hệ thống quản lý pin BMW tự động tiêu thụ công suất thấp phải đảm bảo hoạt động và khởi chạy ngay cả khi xe đang hoạt động, đang sạc hoặc ở chế độ lý tưởng. Điều này khiến mạch BMS được cung cấp năng lượng liên tục và do đó bắt buộc BMW phải tiêu thụ điện năng rất ít để không làm hao quá nhiều pin.
Khi ô tô điện không được trong một thời gian dài, hệ thống BMS và các mạch điện khác có xu hướng tự tiêu hao pin, cuối cùng sẽ yêu cầu người dùng phải sạc lại trước khi muốn sử dụng xe. Vấn đề này khá phổ biến đôi với những mẫu xe điện của hãng Tesla.
Mạng giao tiếp
Hệ thống quản lý pin lithium trên ô tô điện BMS đảm nhận nhiệm vụ kết nối giữa bộ pin và ECU của xe. Tất cả những thông tin do BMS thu nhập đều được gửi tới ECU và hiển thị trên bảng điều khiển hoặc cụm đồng hồ. Vậy nên, BMS và ECU nên được giao tiếp liên tục qua giao thức tiêu chuẩn như giao tiếp CAN hoặc bus LIN. Thiết kế BMS phải có khả năng cách ly điện giữa bộ pin và ECU.
Tốc độ xử lý của hệ thống BMS của ô tô phải thực hiện rất nhiều thao tác xử lý số để tính toán giá trị của SOH, SOC,… Các nhà sản xuất đã sử dụng nhiều thuật toán nhằm điều khiển tốc độ ghi và truyền dữ liệu. Điều này sẽ giúp cho BMW trở thành một thiết bị xử lý một cách nhanh chóng với rất nhiều dữ liệu.
Ngoài ra, BMS còn phải đo điện áp cell pin trên hàng trăm cell pin và nhận thấy những thay đổi tinh vi gần như ngay lập tức.
Lưu trữ dữ liệu
Điều quan trọng đối với một hệ thống BMS là cần có một ngân hàng bộ lớn lớn, bởi nó phải lưu trữ rất nhiều thông tin dữ liệu. Các giá trị như SOH chỉ có thể được tính khi lịch sử sạc của pin được lưu trữ lại.
Vậy nên, hệ thống quản lý pin lithium trên ô tô điện BMS cần phải theo dõi được các chu kỳ sạc và thời gian sạc của bộ pin kể từ ngày lắp đặt và ngắt các dữ liệu này khi được yêu cầu. Điều này cũng hỗ trợ rất nhiều trong việc cung cấp dịch vụ sau khi bán hàng hoặc phân tích các vấn đề liên quan tới việc bảo trì và sửa chữa.
Độ chính xác
Khi một cell pin đang được sạc hoặc phóng điện, điện áp trên nó sẽ được tăng hoặc giảm dần. Không may rằng đường cong phóng điện (điện áp so với thời gian) của pin lithium có các vùng bằng phẳng, do đó sự thay đổi điện áp là rất ít. Sự thay đổi này phải được đo chính xác để tính giá trị của SOC hoặc sử dụng nó để cân bằng cell pin.
Một hệ thống quản lý pin lithium trên ô tô điện BMS được thiết kế tốt có thể có độ chính xác cao tới ± 0,2mV nhưng nó phải có độ chính xác tối thiểu là 1mV-2mV. Thông thường mạch chuyển đổi từ tính hiệu Analog sang Digital (ADC 16-bit) được sử dụng trong quá trình này.
Thông tin nhiều người quan tâm hiện nay:
Nguồn: Oto-hui.com
