Hệ thống quản lý pin (BMS)

Giới thiệu cơ bản về Hệ thống quản lý pin BMS

Trong các ứng dụng ô tô hiện đại, hệ thống quản lý pin (BMS) là thiết yếu, đặc biệt là đối với xe điện và xe hybrid (HEV). Là bộ não đằng sau hoạt động của pin, BMS đảm bảo pin hoạt động an toàn, lành mạnh và ở trạng thái tốt nhất. Phần này mô tả các yếu tố thiết yếu của BMS và làm sáng tỏ chức năng và tầm quan trọng của nó trong các hệ thống ô tô.

Vai trò và ý nghĩa của BMS trong hệ thống ô tô

Vì pin là nền tảng của phương tiện di chuyển bằng điện nên không thể không nhấn mạnh tầm quan trọng của BMS trong bối cảnh hệ thống ô tô hiện đại.

• Đảm bảo an toàn: BMS theo dõi một số đặc điểm của pin, bao gồm điện áp, dòng điện và nhiệt độ, để tránh các tình huống nguy hiểm tiềm ẩn như sạc quá mức hoặc quá nhiệt.

• Tối ưu hóa hiệu suất: BMS duy trì hiệu suất tối ưu, tối ưu hóa hiệu quả và phạm vi hoạt động của ô tô điện bằng cách kiểm soát các quy trình sạc và xả.

• Giám sát tình trạng: BMS có thể dự báo tuổi thọ của pin và cảnh báo người dùng khi cần bảo dưỡng hoặc thay thế bằng cách liên tục đánh giá trạng thái sạc (SOC) và trạng thái sức khỏe (SOH).

• Quản lý năng lượng: Bằng cách phối hợp hoạt động của pin với nhu cầu năng lượng của xe, các kỹ thuật cắt tải và tái tạo năng lượng, BMS đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý năng lượng.

• Tích hợp với các hệ thống xe: BMS giao tiếp với các hệ thống xe khác để cung cấp chức năng phối hợp của hệ thống truyền động, quản lý nhiệt và các hệ thống khác cũng như cung cấp thông tin quan trọng cho người lái xe.

Các thành phần của BMS

Một số thành phần được liên kết, mỗi thành phần có chức năng riêng biệt tạo nên một BMS điển hình. Các thành phần chính bao gồm:

• Cảm biến: Cảm biến đo nhiệt độ của các cell pin và dòng điện trong bộ pin. Họ cung cấp dữ liệu theo thời gian thực và hoạt động như đôi mắt của hệ thống.

• Mô-đun điều khiển: Mô-đun mạch tập hợp, xử lý và quyết định dữ liệu cảm biến. Nó sử dụng thuật toán để kiểm soát hoạt động sạc và xả cũng như để dự đoán SOC và SOH.

• Mạch bảo vệ: Bao gồm các công tắc Sạc và Xả có thể tắt trong trường hợp sạc quá mức, xả quá mức, đoản mạch hoặc quá nhiệt. Các công tắc này được quản lý bởi Mô-đun điều khiển.

• Mạch cân bằng: Mạch cân bằng đảm bảo mỗi cell trong bộ pin nhận được lượng điện tích bằng nhau, giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất chung của pin.

• Giao diện truyền thông: Giúp xác định và chẩn đoán lỗi dễ dàng hơn bằng cách cho phép giao tiếp giữa các thiết bị chính và phụ của BMS cũng như với các hệ thống khác của xe.

Hệ thống quản lý pin là những bánh răng quan trọng trong bộ máy phức tạp của các hệ thống ô tô hiện đại, đặc biệt là trong các phương tiện chạy bằng điện. Thông qua việc giám sát, kiểm soát, bảo vệ, cân bằng và giao tiếp chặt chẽ, BMS đảm bảo rằng pin không chỉ hoạt động tốt nhất mà còn hoạt động theo cách an toàn, hiệu quả và bền vững. Sự kết hợp phức tạp của các thành phần của nó tượng trưng cho một công nghệ mạnh mẽ hỗ trợ tầm nhìn rộng hơn về khả năng di chuyển sạch và thông minh. Những tiến bộ trong tương lai của BMS có thể sẽ tiếp tục đóng vai trò then chốt khi ngành công nghiệp ô tô phát triển theo hướng các giải pháp điện khí hóa và tự động hóa hơn.

Giám sát và kiểm soát các thông số của pin

Hệ thống quản lý pin (BMS) chủ yếu dựa vào việc giám sát và quản lý các đặc tính khác nhau của pin. Nó đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của pin, kéo dài tuổi thọ pin và cải thiện hiệu suất chung của xe. Phần này đi sâu vào các số liệu thiết yếu mà BMS giám sát và kiểm soát, chẳng hạn như trạng thái sạc (State of Charge – SOC), trạng thái sức khỏe (State-of-health – SOH), điện áp, dòng điện, nhiệt độ và các quy trình sạc và xả.

Ước tính trạng thái sạc (SOC)

Trạng thái sạc hiện tại (SOC) của pin được thể hiện dưới dạng phần trăm dung lượng danh nghĩa của pin. Ước tính SOC chính xác rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu vì nó cho người lái xe biết về lượng năng lượng hiện có, cho phép đưa ra các lựa chọn như thời điểm sạc.

• Phương pháp: Nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm đếm Coulomb và ước tính dựa trên điện áp, được sử dụng và chúng thường được kết hợp để cải thiện độ chính xác.

• Tầm quan trọng: Cung cấp thông tin năng lượng theo thời gian thực, tác động đến hành vi lái xe và sạc.

Ước tính tình trạng sức khỏe (SOH)

Trạng thái sức khỏe (SOH) của pin cho biết tình trạng tổng thể của pin so với trạng thái mới. Ước tính SOH đòi hỏi các thuật toán phức tạp tính đến nhiều thông số như chu kỳ sạc/xả, lịch sử nhiệt độ và tác động lão hóa.

• Phương pháp: Đo trở kháng, phân tích chu kỳ và thuật toán thích ứng đều được đưa vào.

• Tầm quan trọng: Cần thiết để ước tính tuổi thọ của pin và các yêu cầu bảo trì.

Giám sát điện áp và dòng điện

Giám sát điện áp và dòng điện giữa các cell pin và cụm pin là rất quan trọng đối với hiệu suất và sự an toàn.

• Giám sát điện áp: Giám sát điện áp đảm bảo rằng các cell pin hoạt động trong giới hạn cho phép. Sự mất cân bằng điện áp có thể báo hiệu các vấn đề như điện trở không đồng đều, có thể dẫn đến tổn thất hiệu suất. Việc giám sát điện áp ở cấp cụm pin cũng là một thông số quan trọng đối với nhiều hoạt động của xe.

• Giám sát dòng điện: Đo dòng điện đến và đi từ bộ pin, hỗ trợ ước tính SOC và phát hiện các trường hợp bất thường như quá dòng và đoản mạch.

• Tầm quan trọng: Cần thiết để cân bằng hoạt động, bảo mật và tối ưu hóa hiệu quả.

Giám sát nhiệt độ

Nhiệt độ của bộ pin có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, độ an toàn và tuổi thọ.

• Phương pháp: Cảm biến NTC (Nhiệt điện trở hệ số nhiệt độ âm) được phân bổ chiến lược trên khắp các cell và mô-đun được sử dụng.

• Tầm quan trọng: Hỗ trợ quản lý nhiệt bằng cách ngăn ngừa quá nhiệt hoặc làm mát quá mức và ảnh hưởng đến các số liệu khác như SOC và SOH.

Quá trình sạc và xả

Khả năng quản lý quá trình sạc và xả rất quan trọng đối với hiệu suất và tuổi thọ của pin.

• Kiểm soát sạc: BMS xử lý dòng điện, điện áp và các giai đoạn sạc như dòng điện không đổi (CC) và điện áp không đổi (CV). Nó cũng giao tiếp với cơ sở hạ tầng sạc để xác minh việc tuân thủ tiêu chuẩn.

• Kiểm soát xả: BMS đảm bảo rằng việc xả diễn ra trong giới hạn an toàn bằng cách tính đến các yếu tố như dòng điện, điện áp, nhiệt độ và dung lượng còn lại.

• Tầm quan trọng: Yếu tố này có tác động trực tiếp đến hiệu suất pin, tuổi thọ và khả năng đáp ứng nhu cầu của xe.

Giám sát và quản lý các đặc tính của pin bên trong BMS là một nghệ thuật và khoa học kết hợp sự phức tạp về công nghệ với các mối quan tâm thực tế. BMS duy trì sự cân bằng hài hòa giữa an toàn, hiệu suất và hiệu quả thông qua việc quan sát liên tục, ước tính chính xác và kiểm soát thông minh. BMS hoạt động như một người điều phối một bản giao hưởng được điều chỉnh tinh tế, cho dù là đánh giá trạng thái tức thời thông qua SOC, đánh giá tình trạng tổng thể thông qua SOH, kiểm soát các thông số quan trọng như điện áp, dòng điện và nhiệt độ hay xử lý điệu nhảy phức tạp của việc sạc và xả. Công nghệ cảm biến, phân tích dữ liệu và các tiến bộ của thuật toán thích ứng đang tiếp tục tinh chỉnh quá trình điều phối này, hứa hẹn khả năng quản lý pin sắc thái và phản hồi hơn nữa trong tương lai của các hệ thống xe.

Cơ chế bảo vệ pin

Các phương pháp bảo vệ là cần thiết trong Hệ thống quản lý pin (BMS) để duy trì sự an toàn, độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống pin. Các biện pháp bảo vệ này giúp pin không hoạt động trong những tình huống có thể gây ra hư hỏng không thể phục hồi, mất hiệu suất hoặc các vấn đề về an toàn. Các trạng thái quá tải và xả quá mức, cũng như các tình huống ngắn mạch và nhiệt, là hai vấn đề chính cần được quan tâm. Phần này sẽ đề cập đến các tính năng quan trọng này của bảo vệ pin.

Bảo vệ quá tải và quá xả

Những biện pháp bảo vệ này giúp pin không bị sạc hoặc cạn kiệt vượt quá giới hạn an toàn. Ví dụ, trong trường hợp pin Lithium-ion, điện áp cell tối đa được phép là 4,1-4,2V. Điện áp cell tối thiểu được phép nằm trong khoảng từ 2,4 đến 3V.

Bảo vệ quá tải

• Chức năng: Ngăn chặn việc sạc pin quá điện áp tối đa, ngăn ngừa tác hại tiềm ẩn.
• Phương pháp: Bao gồm theo dõi điện áp và kiểm soát dòng điện sạc. Khi đạt đến ngưỡng điện áp quy định, có thể sử dụng mạch ngắt để ngắt kết nối bộ sạc.
• Tầm quan trọng: Hỗ trợ ngăn ngừa các rủi ro có thể xảy ra như rò rỉ chất điện phân, phồng rộp và mất nhiệt.

Bảo vệ quá xả

• Chức năng: Ngăn chặn pin xả dưới điện áp tối thiểu, ngăn chặn tình trạng đảo ngược cell và mất dung lượng.
• Phương pháp: Theo dõi điện áp và hoạt động với hệ thống điều khiển để giảm hoặc ngắt tải khi đạt đến ngưỡng nhất định.
• Tầm quan trọng: Ngăn ngừa hư hỏng vĩnh viễn cho cell pin và góp phần kéo dài tuổi thọ pin.

Bảo vệ ngắn mạch và nhiệt

Bảo vệ chống đoản mạch và bảo vệ khỏi nhiệt độ cực cao là rất quan trọng để duy trì sự an toàn và chức năng.

Bảo vệ ngắn mạch

• Chức năng: Phát hiện và ứng phó với các sự cố đoản mạch, giảm dòng điện và ngắt kết nối pin nếu cần.
• Phương pháp: Để cắt dòng điện, cảm biến dòng điện và mạch bảo vệ phản ứng nhanh được sử dụng. Để tự phục hồi, có thể sử dụng cầu chì có thể đặt lại.
• Tầm quan trọng: Quan trọng đối với an toàn, vì nó ngăn ngừa quá nhiệt, hỏa hoạn và các sự cố thảm khốc khác.

Bảo vệ nhiệt

• Chức năng: Bảo vệ nhiệt là chức năng đảm bảo pin hoạt động trong phạm vi nhiệt độ an toàn.
• Phương pháp: Sử dụng cảm biến nhiệt độ và mô hình nhiệt để kiểm soát hệ thống làm mát hoặc sưởi ấm và có thể tắt hoặc hạn chế hoạt động của pin khi nhiệt độ cao.
• Tầm quan trọng: Kiểm soát ứng suất nhiệt, giảm sự mất kiểm soát nhiệt và thúc đẩy hiệu suất và tuổi thọ cao nhất.

Kỹ thuật cân bằng

Cân bằng pin là một thành phần quan trọng của Hệ thống quản lý pin (BMS) trong ô tô và các ứng dụng khác yêu cầu pin nhiều cell. Cân bằng đảm bảo rằng tất cả các cell trong bộ pin có cùng trạng thái sạc (SOC). Phần này giới thiệu về cân bằng cell và đi sâu vào hai kỹ thuật cơ bản: cân bằng cell thụ động và cân bằng cell chủ động.

Giới thiệu về Cân bằng cell pin

Hành động đảm bảo rằng tất cả các cell riêng lẻ trong một bộ pin đạt được mức sạc bằng nhau được gọi là cân bằng cell. Điều này là cần thiết vì ngay cả những sai lệch nhỏ trong quá trình sản xuất, lão hóa, nhiệt độ hoặc tốc độ tự xả cũng có thể gây ra sự thay đổi trong mức điện áp và dung lượng của từng cell.

Tại sao cần phải cân bằng cell:

• Hiệu suất: Các cell không cân bằng có thể làm giảm hiệu suất chung của pin vì hiệu suất của cell yếu nhất có thể quyết định hiệu suất của toàn bộ bộ pin.
• Tuổi thọ: Các cell không cân bằng có thể khiến một số cell xuống cấp nhanh hơn, hạn chế tuổi thọ tổng thể của bộ pin.
• An toàn: Sự mất cân bằng cực độ có thể khiến một số cell bị sạc quá mức hoặc xả quá mức, do đó gây ra vấn đề về an toàn.

Kỹ thuật cân bằng Cell thụ động và chủ động

Có hai phương pháp để cân bằng các cell trong một bộ pin: cân bằng thụ động và cân bằng chủ động. Cả hai phương pháp đều cố gắng cân bằng điện tích của các cell, mặc dù chúng thực hiện theo những cách khác nhau.

Cân bằng Cell thụ động

Chức năng: Loại bỏ điện tích dư thừa khỏi các cell có điện áp lớn hơn, thường thông qua điện trở hoặc mạng lưới điện trở-transistor. Sơ đồ bên dưới minh họa một mạch cân bằng thụ động. Với sự hỗ trợ của công tắc transistor, mỗi cell pin có thể được xả độc lập thông qua điện trở Rn và Rn-1. Tốc độ xả được xác định bởi các giá trị điện trở được sử dụng.

Ưu điểm: Ít phức tạp hơn, ít tốn kém hơn và không cần hệ thống điều khiển phức tạp.
Nhược điểm: Năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt, có thể dẫn đến các vấn đề về quản lý nhiệt. Ít hiệu quả hơn, đặc biệt là với sự mất cân bằng lớn.

Cân bằng Cell chủ động

• Chức năng: Thay vì giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt, điện tích được truyền từ các cell có điện tích cao hơn sang các cell có điện tích thấp hơn. Một thiết bị lưu trữ năng lượng như cuộn cảm, máy biến áp hoặc tụ điện có thể hỗ trợ việc này.
• Ưu điểm: Hiệu suất cao hơn vì năng lượng được bảo toàn thay vì bị tiêu tán. Nhanh chóng khắc phục tình trạng mất cân bằng và phù hợp với các bộ pin lớn hơn.
• Nhược điểm: Cần nhiều diện tích hơn trên bảng mạch in và tốn kém hơn cũng như phức tạp hơn. Nó đòi hỏi các bộ phận bổ sung và phương pháp điều khiển phức tạp. Hơn nữa, dễ gây ra các vấn đề về phát xạ điện từ.

Cân bằng cell pin là điều cần thiết đối với hiệu suất, độ tin cậy và tính bảo mật lâu dài của bộ pin. Mặc dù cân bằng thụ động có thể kém hiệu quả hơn và phản ứng chậm hơn, nhưng đây là lựa chọn đơn giản và hợp túi tiền hơn. Tuy nhiên, thực tế cho thấy ngay cả đối với bộ pin xe điện, cân bằng thụ động thường là đủ. Ngược lại, cân bằng chủ động, mặc dù phức tạp và tốn kém hơn, nhưng lại mang đến giải pháp hiệu quả và phản ứng nhanh hơn, đặc biệt lý tưởng cho các bộ pin lớn hơn.

Giao tiếp và chẩn đoán BMS

Hệ thống quản lý pin (BMS) không phải là các thành phần riêng biệt trong hệ thống ô tô. Chúng phải kiểm soát giao tiếp nội bộ giữa các thành phần chính và phụ, thực hiện chẩn đoán liên tục và phát hiện lỗi, và tương tác hiệu quả với nhiều hệ thống con của xe. Các khu vực hoạt động quan trọng của BMS này được đề cập chi tiết trong phần này.

Giao tiếp với các hệ thống xe khác

Hệ thống thông tin giải trí, bộ điều khiển truyền động (TCU), bộ điều khiển động cơ (ECU) và các hệ thống khác của xe đều phải có thể tương tác với BMS mà không gặp bất kỳ khó khăn nào. Kết nối này giúp phối hợp điều khiển và đạt hiệu suất tối ưu.

• Trao đổi dữ liệu: Dữ liệu quan trọng được truyền đạt với các hệ thống khác, chẳng hạn như mức điện áp, nhiệt độ và trạng thái pin (SOH) và trạng thái sạc (SOC).
• Giao thức: Đối với giao tiếp này, có thể sử dụng các giao thức chung như FlexRay, LIN (Mạng kết nối cục bộ) và CAN (Mạng khu vực bộ điều khiển).
• Tầm quan trọng: Nó đảm bảo chức năng đồng bộ, an ninh và tiết kiệm năng lượng bằng cách điều chỉnh mức tiêu thụ pin phù hợp với điều kiện lái xe và sở thích của người dùng.

Giao tiếp giữa BMS Master và Slaves

Một BMS Master giám sát một số đơn vị Slave, mỗi đơn vị chịu trách nhiệm theo dõi một nhóm cell hoặc mô-đun, là một cấu trúc phân cấp phổ biến được thấy trong các hệ thống pin phức tạp. Do điện áp này không vượt quá giới hạn nguy hiểm và không cần phải thận trọng thêm trong thiết kế nên các bộ pin điện áp cao thường chia tế bào của chúng thành các nhóm 48V (Li-Ion). Các slave BMS chịu trách nhiệm quản lý các nhóm này riêng lẻ.

• Đơn vị chính (Master Unit): Giám sát việc phối hợp, ra quyết định và giao tiếp với các hệ thống xe khác là trách nhiệm của đơn vị chính.
• Đơn vị phụ (Slave Unit): Theo dõi một ô đơn lẻ hoặc một nhóm ô và chuyển tiếp thông tin đến Đơn vị chính.
• Giao thức truyền thông: BMS có thể giao tiếp nhanh chóng và đáng tin cậy bằng cách sử dụng I²C, SPI hoặc các giao thức khác.
• Đồng bộ hóa: Nâng cao hiệu suất và tính an toàn bằng cách đảm bảo mọi thành phần của BMS hoạt động đồng bộ.

Chẩn đoán và phát hiện lỗi

Việc xác định, chẩn đoán và giám sát vấn đề liên tục là điều cần thiết đối với hiệu suất, độ an toàn và độ tin cậy của hệ thống pin.

• Phát hiện lỗi: Điều này liên quan đến việc xác định các vấn đề như lỗi giao tiếp, đoản mạch bên trong, sạc quá mức, sạc thiếu và quá nóng.
• Công cụ chẩn đoán: Sử dụng cả công cụ phần mềm và phần cứng để theo dõi hành vi của hệ thống và so sánh với các chuẩn hiệu suất được xác định trước.
• Bảo trì dự đoán: Chẩn đoán nâng cao có thể xác định các lỗi có thể xảy ra trước khi chúng trở nên nghiêm trọng, cho phép bảo trì chủ động.
• Giao thức an toàn: Để tránh hư hỏng hoặc rủi ro, BMS sẽ bắt đầu các quy trình an toàn trong trường hợp phát hiện ra lỗi. Các quy trình này bao gồm ngắt kết nối các ô bị ảnh hưởng hoặc tắt hệ thống.

Nhiệm vụ của BMS với tư cách là trung tâm chính để kiểm soát và giám sát pin bao gồm các tính năng chẩn đoán và giao tiếp mở rộng. Hiệu suất, độ an toàn và khả năng tiết kiệm năng lượng của xe được cải thiện nhờ BMS bằng cách tạo điều kiện giao tiếp liền mạch giữa các thành phần của xe và các hệ thống khác của xe. Trong ô tô điện và hybrid ngày nay, chẩn đoán liên tục và phát hiện sự cố cung cấp thêm một mức độ tin cậy, khiến các hệ thống này trở nên thiết yếu.

Sự hợp tác và tích hợp của các hệ thống ô tô khác nhau trở nên cần thiết hơn bao giờ hết khi công nghệ ô tô phát triển. Chức năng và thiết kế của BMS trong tương lai có thể sẽ bị ảnh hưởng bởi các tiêu chuẩn ngày càng phát triển, các giao thức liên lạc nâng cao và các công cụ chẩn đoán tiên tiến, tất cả đều sẽ giúp tạo ra những chiếc ô tô thông minh hơn, hiệu quả hơn và an toàn hơn.