Pin sạc là thành phần cơ bản của Hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS). Ngày nay, ngày càng có nhiều hệ thống hóa học khác nhau được kết hợp thành các bộ pin gồm hàng chục, hàng trăm, thậm chí hàng nghìn tế bào, đạt được khả năng hoạt động hiệu quả hơn ở điện áp cao hơn. Đối với các nhà thiết kế hệ thống quản lý pin (BMS), cấu trúc thiết kế này phải đối mặt với nhiều thách thức trong việc đạt được hiệu suất, hiệu quả, độ tin cậy và an toàn tối ưu.
Ví dụ, việc thiết kế hoặc lựa chọn các mạch tích hợp (IC) đáp ứng các yêu cầu ứng dụng đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về hóa học pin, sạc, giám sát, cân bằng tải, cách ly, an toàn và công nghệ truyền thông để đảm bảo triển khai hiệu quả.
Để đạt được mục đích này, các nhà cung cấp đã tích hợp nhiều chức năng cần thiết vào các IC chuyên dụng về cơ bản không phụ thuộc vào bộ xử lý. Nhiều mẫu IC loại này không chỉ hỗ trợ nhiều hệ thống hóa học pin dựa trên lithium mà còn tương thích với các tế bào pin không phải lithium. Loại IC này thu thập dữ liệu từ các tế bào pin và đưa ra các quyết định và hành động quản lý pin theo thời gian thực tối ưu. Ngoài ra, các loại IC này còn cung cấp dữ liệu cho bộ xử lý hệ thống về trạng thái pin và trạng thái hoạt động.
Bài viết này sẽ giới thiệu ngắn gọn các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt của nhóm đa ô. Sau đó, giới thiệu các IC được tối ưu hóa chuyên dụng tiên tiến của Analog Devices và trình bày chi tiết cách sử dụng các IC này để đáp ứng các yêu cầu trên.
Nhiều cell pin sẽ mang lại nhiều thách thức hơn
Sơ đồ mạch cơ bản của một bộ pin có vẻ đơn giản nhưng thực tế nó bao gồm nhiều tế bào pin có điện áp cao hơn thông qua kết nối nối tiếp và dòng điện lớn hơn thông qua kết nối song song. Điều này có nghĩa là những cấu hình như vậy chỉ là phần mở rộng đơn giản của bộ pin đơn/vài cell, hầu như không cần quản lý bổ sung. Bộ pin nhiều cell này phù hợp với các dụng cụ điện yêu cầu điện áp 18V hoặc 48V, xe điện (EV) yêu cầu điện áp 400V hoặc 800V và hệ thống BESS thường yêu cầu điện áp 1500V.
Tình hình thực tế của những bộ pin lớn hơn này là độ chi tiết và độ phức tạp của chúng vượt xa những gì được thể hiện trong sơ đồ mạch điện. Khi số lượng tế bào và bộ pin tăng lên, khó khăn trong việc giải quyết những thách thức này sẽ tăng theo cấp số nhân.
Đầu tiên, cần theo dõi tế bào pin để theo dõi điện áp đầu cực, đường cong phóng điện, trạng thái sạc (SoC), nhiệt độ và các đặc điểm báo trước lỗi. Ngoài ra, cần quản lý thống nhất các cell pin khác nhau và ghi lại, xem xét sự khác biệt của chúng.
Nếu thiếu một bộ quy tắc chung, điều đó sẽ làm tăng thêm sự phức tạp của việc quản lý pin. Ngoài ra, sự phù hợp của chiến lược quản lý được áp dụng còn phụ thuộc vào đặc tính hóa học của pin. Các chiến lược quản lý được áp dụng cho các hệ thống hóa chất chính khác nhau là khác nhau (chẳng hạn như pin lithium-ion (Li ion) và pin axit chì) và trong cùng một hệ thống hóa học tổng quát (chẳng hạn như các công thức pin Li ion khác nhau), các chiến lược quản lý được sử dụng cũng khác nhau. Do đó, các chiến lược quản lý BMS tiên tiến phải được tùy chỉnh theo đặc tính hóa học của pin được quản lý.
Do số lượng lớn các cell pin chứa trong các bộ pin điện áp cao và dung lượng cao phải đáp ứng nhiều tiêu chuẩn an toàn nên việc giám sát và quản lý các cell pin cục bộ hiện là giải pháp kỹ thuật khả thi nhất. Mặc dù hệ thống thường được trang bị bộ xử lý chính nhưng nó thường chỉ có thể đưa ra các hướng dẫn quy định nâng cao để giám sát tế bào cục bộ và đánh giá hiệu suất tổng thể của bộ pin. Việc giám sát và quản lý một pin đơn được thực hiện bằng hệ thống điện tử tự động cung cấp chức năng thời gian thực và hoạt động chủ yếu mà không cần sự can thiệp của bộ xử lý ở cấp hệ thống.
Cân bằng pin thụ động và chủ động
Cân bằng tế bào đặc biệt quan trọng để duy trì tính toàn vẹn của nhiều nhóm tế bào, đảm bảo rằng một số tế bào không bị hỏng do quá tải và tránh các loại pin khác không hoạt động do mức sử dụng thấp. Cân bằng tế bào có thể ngăn ngừa hư hỏng tế bào và bộ pin, từ đó tối đa hóa hiệu suất. Cân bằng tế bào đảm bảo rằng tất cả các tế bào trong bộ pin đều đồng thời đạt công suất tối đa, ngăn ngừa tình trạng sạc quá mức, mất cân bằng SoC, xả quá mức và lão hóa sớm, cuối cùng là kéo dài tuổi thọ của pin.
Có hai phương pháp cân bằng tế bào: cân bằng chủ động và cân bằng thụ động. Cân bằng chủ động chính xác hơn và nhanh hơn cân bằng thụ động nhưng thực hiện phức tạp hơn. Cân bằng chủ động sử dụng công nghệ mạch hoạt động để phân phối lại điện tích giữa từng ô trong bộ pin, đảm bảo SoC của tất cả các ô vẫn nhất quán. Mạch này giám sát điện áp của từng cell pin và điều chỉnh dòng sạc, xả phù hợp dựa trên kết quả giám sát.
Ngược lại, cân bằng thụ động dựa vào định luật Ohm và các điện trở cân bằng để điều chỉnh tế bào về cùng trạng thái SoC. Ngoài độ chính xác thấp và tốc độ chậm, cân bằng thụ động cũng có thể tiêu tán (lãng phí) năng lượng dư thừa trong các cell pin cao.
Bắt đầu từ giám sát đa tế bào
Mặc dù đã có rất nhiều giải pháp ESS trên thị trường nhưng hai chức năng cốt lõi của BMS vẫn nằm ở việc giám sát và cân bằng pin. IC ADES1830CCSZ được hiển thị trong Hình 1, là thiết bị giám sát pin hệ thống đa hóa chất, đa cell, 16 kênh, không chỉ đạt được các chức năng trên mà còn tích hợp nhiều tính năng chính giúp đơn giản hóa thiết kế và vận hành hệ thống tổng thể.
Bộ giám sát tế bào ADES1830CCSZ của Analog Devices với nhiều tế bào và hệ thống hóa học (Nhấp để phóng to)
Hình 1: Bộ giám sát tế bào ADES1830CCSZ với nhiều tế bào và nhiều hệ thống hóa học được sử dụng làm khối xây dựng cơ bản cho một BMS toàn diện. (Nguồn hình ảnh: Thiết bị Analog)
Màn hình nhóm nhiều ô này có thể đo tới 16 ô được kết nối nối tiếp, với tổng sai số đo (TME) dưới 2 mV trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ; trong khi TME của ADES1831CCSZ khác có cùng thông số kỹ thuật lại cao hơn một chút, ở mức 5 mV. Phạm vi đầu vào đo từ -2 V đến 5,5 V giúp ADES1830 và ADES1831 phù hợp với hầu hết các vật liệu hóa học pin.
Để duy trì tính nhất quán khi giám sát các bộ pin chứa số lượng lớn ô, tất cả các ô có thể được đo đồng bộ một cách dự phòng thông qua bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) tích hợp kép. Các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) này hoạt động liên tục ở tốc độ lấy mẫu cao 4,096 megasamples mỗi giây (MSPS), do đó giảm việc sử dụng các bộ lọc tương tự bên ngoài và đạt được kết quả đo không có răng cưa. Nếu cần, có thể giảm nhiễu bổ sung thông qua các bộ lọc đáp ứng xung vô hạn có thể lập trình được (IIR). ADES1830 và ADES1831 cũng có chức năng cân bằng thụ động - đạt được thông qua điều khiển chu kỳ nhiệm vụ điều chế độ rộng xung (PWM) độc lập và hỗ trợ dòng phóng điện lên tới 300 mA trên mỗi tế bào.
Mặc dù một thiết bị ADES1830 hoặc ADES1831 chỉ hỗ trợ 16 ô nối tiếp, nhưng nhiều thiết bị có thể được xếp tầng để giám sát đồng thời các ô của bộ pin điện áp cao chuỗi dài. Để đạt được kết nối giữa các chip IC, mỗi thiết bị được trang bị một giao diện cổng nối tiếp biệt lập (isoSPI), được cách ly về điện thông qua các tụ điện hoặc máy biến áp do người dùng lựa chọn để đạt được khả năng liên lạc tốc độ cao ở khoảng cách xa có thể chống nhiễu tần số vô tuyến.
Thông qua phương pháp này, một kết nối bộ xử lý chính có thể đọc dữ liệu và giám sát toàn bộ chuỗi pin. Liên kết cổng nối tiếp này cho phép giao tiếp hai chiều, đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu ngay cả trong trường hợp đường truyền liên lạc bị lỗi.
Để tối ưu hóa khả năng ứng dụng của các máy dò đa cell này, Analog Devices đã cho ra mắt bảng đánh giá EV-ADES1830CCSZ (Hình 2, bên trái). Để gần với thực tế hơn, nhiều bảng đánh giá có thể được kết nối thông qua giao diện isoSPI để giám sát một chuỗi dài các cell trong bộ pin (phía bên phải của Hình 2).