Chắc chắn rồi. Vượt ra khỏi khái niệm cơ bản của BMS, việc hiểu rõ phần "bộ cân bằng chủ động thông minh" đòi hỏi phải đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật. Đây là nơi kỹ thuật thực sự diễn ra.
Hãy chia nhỏ kiến thức kỹ thuật thành các lĩnh vực chính: Nguyên tắc cốt lõi, Cấu trúc liên kết & Mạch điện, Hệ thống điều khiển và Giao tiếp & Trí thông minh.
1. Nguyên tắc cốt lõi: "Chủ động" trong Cân bằng chủ động
Mục tiêu cơ bản là di chuyển năng lượng từ các cell có điện tích cao hơn đến các cell có điện tích thấp hơn.
• Cân bằng thụ động (Đường cơ sở): Lãng phí năng lượng dư thừa từ các cell cao nhất dưới dạng nhiệt thông qua điện trở (thường trong giai đoạn sạc CV). Nó đơn giản và rẻ nhưng không hiệu quả, đặc biệt đối với các bộ pin lớn hoặc mất cân bằng cao.
• Cân bằng chủ động (Phương pháp nâng cao): Chuyển năng lượng giữa các cell. Điều này hiệu quả hơn nhiều và có thể hoạt động trong quá trình sạc, xả và thậm chí cả khi nghỉ.
Các chỉ số chính cho bộ cân bằng chủ động:
• Dòng cân bằng: Đây là thông số kỹ thuật quan trọng nhất. Thụ động có thể là 0,1-0,2A, trong khi bộ cân bằng chủ động có thể dao động từ 1A đến 20A+.
• Hiệu suất: Tỷ lệ năng lượng được cung cấp cho cell thấp so với năng lượng lấy từ cell cao. Bộ cân bằng chủ động tốt có hiệu suất >90%.
• Dòng điện tĩnh: Dòng điện mà bộ cân bằng tự rút khi ở trạng thái không hoạt động. Một BMS thông minh phải có dòng điện tĩnh rất thấp để không làm cạn kiệt bộ pin trong quá trình lưu trữ.
Enerkey chỉ tập trung vào cân bằng chủ động, Chúng tôi có nhiều loại bộ cân bằng chủ động, Vui lòng xem bên dưới:
2. Cấu trúc liên kết & Mạch điện: Cách di chuyển năng lượng
Đây là trung tâm của kiến thức kỹ thuật. Các thiết kế mạch khác nhau sử dụng các thành phần khác nhau để di chuyển năng lượng.
Các cấu trúc liên kết cân bằng chủ động phổ biến:
a) Điện dung (Tụ điện chuyển mạch / Vận chuyển điện tích)
• Nguyên tắc: Sử dụng các tụ điện bay (hoặc một mảng) để "vận chuyển" điện tích giữa các cell liền kề.
• Quá trình: Một tụ điện được kết nối với một cell điện áp cao và được sạc. Sau đó, nó bị ngắt kết nối và kết nối với một cell điện áp thấp hơn, xả vào nó. Điều này lặp lại nhanh chóng.
• Ưu điểm: Đơn giản, chi phí tương đối thấp, không có thành phần từ tính.
• Nhược điểm: Dòng cân bằng giảm khi điện áp cell cân bằng. Tốt nhất cho các cell liền kề; cân bằng trên một chuỗi dài là chậm.
• Các thành phần chính: MOSFET (dưới dạng công tắc), Tụ điện.
b) Cảm ứng (Dựa trên bộ chuyển đổi DC-DC)
Đây là phương pháp phổ biến và mạnh mẽ nhất cho các hệ thống hiệu suất cao. Có hai cách triển khai chính:
• i) Biến áp đơn cho mỗi cặp cell (Bộ chuyển đổi Flyback hai chiều)
o Nguyên tắc: Mỗi cell (hoặc cặp cell liền kề) có một biến áp nhỏ. Năng lượng được lưu trữ trong từ trường của biến áp từ cell cao và sau đó được giải phóng cho cell thấp.
o Ưu điểm: Có thể cân bằng bất kỳ cell nào trong bộ pin với bất kỳ cell nào khác, không chỉ các cell lân cận. Rất nhanh và linh hoạt.
o Nhược điểm: Phức tạp và tốn kém hơn do nhiều biến áp và mạch điều khiển.
o Các thành phần chính: Biến áp, MOSFET, Diode, IC điều khiển.
• ii) Biến áp đa cuộn dây (Lõi đơn)
o Nguyên tắc: Một biến áp duy nhất với một cuộn dây sơ cấp cho toàn bộ bộ pin và một cuộn dây thứ cấp cho mỗi cell.
o Ưu điểm: Có thể cân bằng tất cả các cell đồng thời. Rất thanh lịch và có khả năng tiết kiệm chi phí cho số lượng cell cao.
o Nhược điểm: Thiết kế và sản xuất biến áp phức tạp. Lỗi của biến áp đơn làm vô hiệu hóa toàn bộ hệ thống cân bằng.
o Các thành phần chính: Biến áp đa cuộn dây tùy chỉnh, MOSFET.
c) Bộ chuyển đổi DC-DC với Bus lưu trữ năng lượng
• Nguyên tắc: Sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều để lấy năng lượng từ (các) cell cao nhất và đổ nó vào một "bus" chung (có thể là toàn bộ bộ pin hoặc một tụ điện lưu trữ chuyên dụng). Một bộ chuyển đổi khác sau đó lấy năng lượng từ bus này để cung cấp cho (các) cell thấp nhất.
• Ưu điểm: Rất linh hoạt, có thể truyền một lượng lớn năng lượng giữa bất kỳ cell nào.
• Nhược điểm: Độ phức tạp và chi phí cao nhất.
3. Hệ thống điều khiển & Thuật toán: Phần "Thông minh"
Một bộ cân bằng "ngu ngốc" chỉ bật. Một bộ cân bằng thông minh quyết định khi nào, như thế nào và trong bao lâu để cân bằng.
• Kích hoạt cân bằng:
o Hiệu điện thế: Phương pháp phổ biến nhất. Bắt đầu cân bằng khi hiệu điện thế giữa cell cao nhất và thấp nhất vượt quá một ngưỡng đặt trước (ví dụ: 10mV).
o Hiệu điện tích (SoC): Nâng cao và chính xác hơn. Sử dụng Bộ lọc Kalman hoặc Đếm Coulomb để ước tính hàm lượng năng lượng thực tế của mỗi cell và cân bằng dựa trên SoC. Điều này vượt trội vì điện áp có thể là một chỉ báo gây hiểu lầm dưới tải.
• Chiến lược cân bằng:
o Cân bằng trên: Xả năng lượng từ (các) cell cao nhất xuống mức của các cell khác.
o Cân bằng dưới: Thêm năng lượng vào (các) cell thấp nhất lên mức của các cell khác. (Ít phổ biến hơn với cân bằng chủ động).
o Cân bằng trung bình: Di chuyển năng lượng để đưa tất cả các cell về điện áp/SoC trung bình của bộ pin.
• Vòng điều khiển PID: Dòng cân bằng không chỉ được bật/tắt. Một hệ thống thông minh sử dụng bộ điều khiển Tỷ lệ-Tích phân-Đạo hàm (PID) để điều chỉnh công suất cân bằng một cách trơn tru, ngăn chặn hiện tượng vượt quá và dao động.
4. Giao tiếp & Tích hợp hệ thống
Một BMS thông minh không hoạt động trong chân không.
• Bộ vi điều khiển (MCU): Bộ não. Nó chạy các thuật toán cân bằng, theo dõi các thông số cell và quản lý giao tiếp.
o ADC (Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số): Chất lượng ADC của MCU rất quan trọng để đo điện áp chính xác, đây là nền tảng của việc cân bằng tốt.
• Giao thức giao tiếp:
o CAN Bus (Mạng khu vực bộ điều khiển): Tiêu chuẩn công nghiệp. Được sử dụng trong EV, hệ thống lưu trữ năng lượng. Mạnh mẽ, chống ồn và cho phép nhiều thiết bị giao tiếp.
o UART/RS485: Phổ biến cho DIY và các hệ thống nhỏ hơn (thường là những gì các ứng dụng "Smart BMS" sử dụng qua Bluetooth).
o SMBus / I2C: Được sử dụng để giao tiếp giữa các chip bên trong hoặc với bộ sạc thông minh.
• Ghi dữ liệu: Một BMS thông minh sẽ ghi lại dữ liệu (điện áp cell tối thiểu/tối đa, nhiệt độ, thời gian cân bằng, mã lỗi) rất có giá trị để chẩn đoán và bảo trì dự đoán.
Thông số kỹ thuật chính để phân tích bộ cân bằng chủ động thông minh:
Khi đánh giá một BMS, hãy tìm các thông số kỹ thuật này:
1. Cấu trúc liên kết: Điện dung? Cảm ứng? (Cảm ứng thường vượt trội cho nhu cầu dòng điện cao).
2. Dòng cân bằng liên tục tối đa: ví dụ: "5A". Điều này cho bạn biết sức mạnh của nó.
3. Hiệu suất cân bằng: ví dụ: ">92%".
4. Phương pháp cân bằng: Khi nào nó cân bằng? (Sạc/Xả/Tĩnh và dựa trên Điện áp/SoC).
5. Độ chính xác đo điện áp: ví dụ: "±2mV". Rất quan trọng để cân bằng chính xác.
6. Giao diện giao tiếp: CAN, UART, Bluetooth?
7. Dòng điện tĩnh: ví dụ: "<200µA".
Các cân nhắc thực tế:
• Tản nhiệt: Di chuyển dòng điện 5-10A tạo ra nhiệt. BMS phải có thiết kế nhiệt phù hợp (tản nhiệt, đổ đồng PCB).
• EMI/EMC: Việc chuyển mạch tần số cao của bộ cân bằng chủ động có thể tạo ra nhiễu điện từ. Thiết kế tốt bao gồm che chắn và lọc để đáp ứng các tiêu chuẩn quy định.
• Khả năng chịu lỗi: Điều gì sẽ xảy ra nếu MOSFET chuyển mạch bị lỗi ngắn mạch? Thiết kế tốt bao gồm bảo vệ để ngăn ngừa đoản mạch thảm khốc của một cell.
Tóm lại, "bộ cân bằng chủ động thông minh" là một hệ thống điện tử công suất tinh vi. Nó kết hợp thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC tần số cao, đo lường tương tự chính xác, thuật toán điều khiển nâng cao và giao thức giao tiếp mạnh mẽ để tối đa hóa hiệu suất, an toàn và tuổi thọ của bộ pin. Để đi sâu hơn, tôi khuyên bạn nên nghiên cứu các cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi DC-DC (đặc biệt là Flyback và Buck-Boost) và hệ thống điều khiển nhúng.
Enerkey đã phát triển công nghệ cân bằng chủ động thông minh cho pin lithium trong máy bay không người lái, bao gồm bảng cân bằng chủ động tụ điện Fit, một công nghệ đã được cấp bằng sáng chế. Công nghệ này cũng được sử dụng để bảo vệ và quản lý các bộ pin lưu trữ năng lượng trong thiết bị y tế, bộ pin lưu trữ năng lượng gia đình và bảo vệ chống dòng chảy ngược song song cho bộ pin trong thiết bị cơ sở hạ tầng viễn thông.
