CHÁY XE MÁY ĐIỆN THỰC TRẠNG HAY NỖI OAN - PHẦN 4.1 PIN VÀ BỘ QUẢN LÝ PIN BMS
Cấu tạo, phân loại hệ thống pin Lithium - Ion
Cấu tạo:
Cấu tạo pin lithium ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện.
- Điện cực dương (Cathode)
Vật liệu dùng làm điện cực dương là LicoO2 và LiMnO4. Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium. Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, Li+.
- Điện cực âm (Anode)Cực âm được cấu tạo từ Than chì (graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể.
- Bộ phân tách
Bộ phân tách hay còn gọi là màng ngăn cách điện được làm bằng nhựa PE hoặc PP. Bộ phận này nằm giữa cực dương và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ, có chức năng ngăn cách giữa cực dương và cực âm. Tuy nhiên, các ion Li+ vẫn được đi qua.
- Chất điện phân
Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn. Dung dịch điện phân có chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ. Dung dịch có chức năng như vật dẫn các ion Li+ từ.
Chất điện phân là môi trường truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và xả pin. Nguyên tắc cơ bản trong dung dịch điện ly cho pin li-on là có độ dẫn ion tốt. Cụ thể độ dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng. Tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C.
Nguyên lý hoạt động
Trong cơ chế hoạt động pin lithium ion, cực âm, cực dương đóng vai trò là nguyên liệu trong phản ứng điện hóa. Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti di chuyển giữa 2 điện cực âm và dương. Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin di chuyển. Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả. Cụ thể như sau:
- Quy trình xả:
Ion-liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly sang cực dương và dương cực sẽ có phản ứng với ion liti. Mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương trong pin thì ở mạch ngoài, lại tiếp tục có 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Điều này tạo ra cân bằng điện tích giữa 2 cực.
- Quy trình sạc:
Quá trình sạc diễn ra ngược lại quá trình xả. Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trò cực dương). Trong quá trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều.
Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi các điện tử của chúng. Các ion liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm. Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện.
Cấu tạo, phân loại, chức năng hệ thống quản lý pin BMS
Hệ thống quản lý pin Lithium (BMS) là một mạch điện tử phức tạp, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và tối ưu hóa hiệu suất của pin Lithium-ion. Hệ thống quản lý pin (BMS) thường bao gồm một số khối chức năng, bao gồm máy phát hiệu ứng trường cắt (FET), màn hình đo nhiên liệu, màn hình điện áp cell, cân bằng điện áp cell, đồng hồ thời gian thực, màn hình nhiệt độ và khối làm mát. BMS giám sát liên tục các thông số của pin như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và trạng thái sạc (SOC) để đảm bảo pin hoạt động an toàn và hiệu quả.
Cấu tạo
IC điều khiển:
Đây là "bộ não" của BMS, thực hiện các thuật toán điều khiển, giám sát và bảo vệ pin.
Cảm biến:
Cảm biến điện áp: Đo điện áp của từng cell pin.
Cảm biến dòng điện: Đo dòng điện sạc và xả của pin.
Cảm biến nhiệt độ: Đo nhiệt độ của từng cell pin hoặc của toàn bộ pack pin.
I.1.3. Mạch bảo vệ :
Mạch bảo vệ quá dòng: Ngắt mạch khi dòng điện vượt quá ngưỡng cho phép.
Mạch bảo vệ quá áp: Ngắt mạch khi điện áp của cell pin quá cao.
Mạch bảo vệ dưới áp: Ngắt mạch khi điện áp của cell pin quá thấp.
Mạch cân bằng: Cân bằng điện áp giữa các cell pin để đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất của pack pin.
I.1.4. Mạch thông tin
Cho phép BMS giao tiếp với các thiết bị khác như bộ điều khiển, màn hình hiển thị.
Phân loại:
BMS tích hợp: Được tích hợp trực tiếp vào module pin.
BMS rời: Được lắp đặt bên ngoài module pin.
Chức năng, nhiệm vụ của bộ điều khiển động cơ:
Bảo vệ pin: Ngăn ngừa các tình trạng quá sạc, quá xả, quá dòng, ngắn mạch, quá nhiệt để đảm bảo an toàn cho pin và thiết bị.
Chức năng này thực hiện được nhờ thao tác ngắt FET và trình điều khiển FET
Khối chức năng trình điều khiển FET chịu trách nhiệm kết nối và cách ly bộ pin giữa tải và bộ sạc. Hành vi của trình điều khiển FET được dự đoán dựa trên các phép đo từ điện áp tế bào pin, phép đo dòng điện và mạch phát hiện thời gian thực. Hình 2 minh họa hai kiểu kết nối FET khác nhau giữa tải và bộ sạc, và bộ pin.
Hình A yêu cầu số lượng kết nối ít nhất với bộ pin và giới hạn chế độ hoạt động của bộ pin ở mức sạc, xả hoặc ngủ. Hướng dòng chảy hiện tại và hành vi của một bài kiểm tra thời gian thực cụ thể xác định trạng thái của thiết bị.
Hình vẽ thể hiện sơ đồ FET cắt cho kết nối đơn giữa tải và bộ sạc (A) và kết nối hai đầu cho phép sạc và xả đồng thời (B).
Xác định trạng thái sạc SOC (State of charge):
Bạn có thể coi SOC là chỉ số nhiên liệu của của cell pin ô tô điện. Nó thực sự cho chúng ta biết dung lượng pin của các gói theo phần trăm – Giống như một trong điện thoại di động của chúng ta. Nhưng nó không phải là dễ dàng, điện áp và dòng điện sạc / xả của các gói pin phải luôn được theo dõi để dự đoán dung lượng của pin.
Sau khi đo điện áp và dòng điện, có rất nhiều thuật toán có thể được sử dụng để tính SOC của bộ pin. Đo lường các giá trị và tính toán SOC cũng là trách nhiệm của hệ thống quản lý pin lithium BMS.
Xác định trạng thái sức khoẻ SOH (State of health)
Bạn có thể coi SOC là chỉ số nhiên liệu của của cell pin ô tô điện. Nó thực sự cho chúng ta biết dung lượng pin của các gói theo phần trăm – Giống như một trong điện thoại di động của chúng ta. Nhưng nó không phải là dễ dàng, điện áp và dòng điện sạc / xả của các gói pin phải luôn được theo dõi để dự đoán dung lượng của pin.
Sau khi đo điện áp và dòng điện, có rất nhiều thuật toán có thể được sử dụng để tính SOC của bộ pin. Đo lường các giá trị và tính toán SOC cũng là trách nhiệm của hệ thống quản lý pin lithium BMS.
Quản lý nhiệt độ:
Pin ngày nay cung cấp nhiều dòng điện trong khi vẫn duy trì điện áp không đổi. Điều này có thể dẫn đến tình trạng tháo chạy gây cháy pin. Các hóa chất được sử dụng để chế tạo pin rất dễ bay hơi — pin được cắm vào đúng đối tượng cũng có thể khiến pin bốc cháy. Các phép đo nhiệt độ không chỉ được sử dụng để đảm bảo an toàn mà còn có thể xác định xem bạn nên sạc hay xả pin hay không.
Cảm biến nhiệt độ giám sát từng ô cho các ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) hoặc một nhóm các ô cho các ứng dụng nhỏ hơn và di động hơn. Các nhiệt điện trở được cung cấp bởi tham chiếu điện áp ADC bên trong thường được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của mỗi mạch. Ngoài ra, tham chiếu điện áp bên trong giúp giảm sự thiếu chính xác của việc đọc nhiệt độ so với sự thay đổi nhiệt độ môi trường. Giám sát nhiệt độ của pin và thực hiện các biện pháp làm mát hoặc sưởi ấm khi cần thiết.
Quản lý điện năng: Tối ưu hóa việc sử dụng điện năng của pin, tăng hiệu suất sử dụng.
Chức năng chính của hệ thống quản lý pin lithium BMS là duy trì các cell pin lithium trong vùng hoạt động an toàn. Ví dụ, một cell pin Lithium 18650 điển hình sẽ có định mức điện áp dưới khoảng 3V. BMS có trách nhiệm đảm bảo rằng không có cell pin nào trong gói pin được phóng điện dưới 3V.
Kiểm soát sạc điện :
Ngoài việc xả, quá trình sạc cũng phải được điều khiển bởi hệ thống quản lý pin lithium BMS. Hầu hết các loại pin có xu hướng bị hỏng hoặc giảm tuổi thọ khi sạc không đúng cách. Đối với bộ sạc pin lithium, bộ sạc 2 giai đoạn được sử dụng.
Giai đoạn đầu tiên được gọi là Dòng điện không đổi (CC – Constant Current), trong đó bộ sạc tạo ra dòng điện không đổi để sạc pin.
Khi pin gần đầy, giai đoạn thứ hai được gọi là giai đoạn Điện áp không đổi (CV – Constant Voltage) được sử dụng trong đó điện áp không đổi được cung cấp cho pin ở dòng điện rất thấp.
Hệ thống quản lý pin lithium BMS phải đảm bảo cả điện áp và dòng điện trong quá trình sạc không vượt quá giới hạn cho phép để không sạc quá mức hoặc sạc nhanh cho pin. Điện áp sạc tối đa cho phép và dòng sạc có thể được tìm thấy trong biểu dữ liệu của pin.
Cần bằng cell pin:
Một chức năng quan trọng khác của hệ thống quản lý pin Lithium BMS là duy trì sự cân bằng cell pin. Ví dụ, trong một gói gồm 4 cell pin mắc nối tiếp, điện áp của cả bốn cell pin phải luôn bằng nhau. Nếu một viên pin có điện áp thấp hơn hoặc cao hơn viên khác, nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ gói pin.
Giả sử nếu một cell pin ở 3,4V trong khi ba cell pin còn lại ở 4V. Trong khi sạc, ba cell pin này sẽ đạt được 4,2V trong khi cell pin còn lại chỉ đạt 3,7V, tương tự như vậy, cell pin này sẽ là đầu tiên xả xuống 3V trước ba cell pin kia. Do vậy, bởi vì cell pin đơn này, tất cả các cell pin khác trong gói khối pin không thể được sử dụng hết tiềm năng của nó, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả.
Để giải quyết vấn đề này, hệ thống quản lý pin lithium BMS phải thực hiện một thứ gọi là cân bằng cell pin. Có nhiều loại kỹ thuật cân bằng cell pin, nhưng những kỹ thuật thường được sử dụng là kỹ thuật cân bằng cell pin loại chủ động và thụ 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 đạt đến giá trị điện áp của các cell pin khác.
Cân bằng chủ động: các cell pin mạnh hơn sẽ được sử dụng để sạc các cell pin yếu hơn để cân bằng điện thế của chúng.
Lưu trữ, giao tiếp và truyền tải chính xác tín hiệu:
Hệ thống quản lý pin Lithium BMS đóng vai trò là cầu nối giữa bộ Pin và ECU của ô tô. Tất cả thông tin do hệ thống BMS thu thập phải được gửi đến ECU để hiển thị trên cụm đồng hồ hoặc trên bảng điều khiển. Vì vậy, BMS và ECU nên được liên tục giao tiếp hầu hết thông qua giao thức tiêu chuẩn như mạng giao tiếp CAN hoặc bus LIN. Thiết kế BMS phải có khả năng cách ly điện giữa bộ pin và ECU.
Điều quan trọng đối với hệ thống quản lý pin Lithium BMS là phải có một ngân hàng bộ nhớ lớn vì nó phải lưu trữ rất nhiều dữ liệu. Các giá trị như SOH (State-of-health) chỉ có thể được tính nếu lịch sử sạc của pin được lưu trữ trước. Vì vậy hệ thống quản lý pin lithium BMS phải theo dõi 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 trong việc cung cấp dịch vụ sau khi bán hàng hoặc phân tích các vấn đề liên quan đến bảo trì và sửa chữa cho các kỹ sư.
Khi một cell pin đang được sạc hoặc phóng điện, điện áp trên nó tăng hoặc giảm dần. Thật không may, 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. Ví dụ Một hệ thống quản lý pin lithium 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.
