Máy tính Thời gian Cân bằng Cell BMS

Cân bằng Cell BMS là gì?

Trong một bộ pin nối tiếp (phổ biến trong xe điện, ESS và dụng cụ điện), dung sai sản xuất và sự lão hóa không đồng đều khiến điện áp của từng cell trôi dạt ra xa nhau qua các chu kỳ sạc. Hệ thống Quản lý Pin (BMS) khắc phục điều này bằng cách cân bằng — đưa mọi cell trở lại một điện áp chung để dung lượng khả dụng của bộ pin không bị giới hạn bởi cell yếu nhất hoặc lệch pha nhất.

Cân bằng thụ động, phương pháp đơn giản và phổ biến nhất, xả năng lượng dư thừa từ các cell cao hơn mức trung bình của bộ pin qua một điện trở xả cho đến khi chúng khớp với cell thấp nhất (hoặc trung bình). Dòng cân bằng được thiết kế cố ý nhỏ (thường vài chục miliampe) để hạn chế tỏa nhiệt, nghĩa là cân bằng một độ chênh lệch điện áp lớn có thể mất từ vài phút đến vài giờ.

Thời gian cần thiết phụ thuộc vào ba yếu tố: độ chênh lệch điện áp (ΔV) giữa một cell và mức trung bình của bộ pin, dung lượng của cell (quyết định lượng điện tích tương ứng với chênh lệch điện áp đó), và dòng cân bằng khả dụng. Một bộ pin nói chung được coi là "đã cân bằng" khi độ chênh lệch giữa điện áp cell cao nhất và thấp nhất giảm xuống dưới một ngưỡng nhỏ, thường khoảng 10 mV.

Formula: t_balance = (ΔV / V̄) × Q × 1000 / I_bal × 60

Ví dụ Tính toán

Một bộ pin 4 cell đo được 3,65 V, 3,68 V, 3,62 V và 3,70 V, với dòng cân bằng 50 mA và dung lượng cell 3,0 Ah. Điện áp trung bình là 3,6625 V, do đó cell cao nhất (3,70 V) cao hơn mức trung bình 37,5 mV. Chuyển đổi độ chênh lệch điện áp đó thành điện tích tương đương (37,5 mV / 3,6625 V × 3,0 Ah × 1000 = 30,7 mAh) và chia cho dòng cân bằng 50 mA cho ra khoảng 36,9 phút để đưa cell đó xuống mức trung bình của bộ pin — thời gian dài nhất trong tất cả các cell, nên nó quyết định tổng thời gian cân bằng.

Khi nào nên sử dụng máy tính này

• Kỹ sư thiết kế BMS hoặc bộ pin xác định dòng cân bằng cần thiết để giữ thời gian cân bằng trong giới hạn chu kỳ sạc chấp nhận được
• Kỹ sư thử nghiệm pin ước tính thời gian một bộ pin cần để đạt trạng thái cân bằng sau khi nhận các cell có điện áp không khớp nhau
• Người đam mê hoặc người chế tạo xe điện/xe đạp điện chẩn đoán lý do tại sao một bộ pin mất thời gian sạc lâu bất thường (thường do một hoặc hai cell ngoại lệ)
• Kỹ sư so sánh các tùy chọn dòng cân bằng thụ động với thời gian cân bằng tương ứng để đưa ra đánh đổi chi phí/nhiệt/tốc độ

Những sai lầm thường gặp cần tránh

• Cho rằng dòng cân bằng cao hơn luôn tốt hơn — dòng xả lớn hơn sinh nhiều nhiệt hơn trong BMS và có thể rút ngắn tuổi thọ linh kiện hoặc kích hoạt bảo vệ nhiệt; dòng cân bằng được chọn như một sự thỏa hiệp, không phải để tối đa hóa
• Bỏ qua dung lượng cell khi ước tính thời gian cân bằng — cùng một độ chênh lệch điện áp mất thời gian cân bằng lâu hơn tỷ lệ thuận trên cell có dung lượng cao hơn, vì cần loại bỏ nhiều điện tích hơn để thay đổi điện áp cùng một mức
• Coi thời gian cân bằng là một phép tính một lần — độ chênh lệch điện áp cell thay đổi theo mỗi chu kỳ sạc khi các cell lão hóa với tốc độ khác nhau, vì vậy thời gian cân bằng nên được đánh giá lại định kỳ, không nên coi là không đổi
• Nhầm lẫn thời gian cân bằng với thời gian sạc — cân bằng thường chạy song song với (hoặc ngay sau) giai đoạn sạc điện áp không đổi; nó không nhất thiết cộng thêm vào tổng thời gian sạc trừ khi mất cân bằng nghiêm trọng
• Áp dụng mô hình cân bằng thụ động này cho một BMS cân bằng chủ động — cân bằng chủ động (truyền năng lượng dựa trên tụ điện/cuộn cảm) tuân theo các phương trình thời gian và hiệu suất khác và không được mô hình hóa bởi máy tính này

Cách diễn giải kết quả

• Độ chênh lệch điện áp nhỏ (vài mV) với thời gian cân bằng ngắn cho thấy một bộ pin khỏe mạnh, khớp tốt, chỉ cần can thiệp cân bằng tối thiểu
• Độ chênh lệch điện áp lớn với thời gian cân bằng dài có thể cho thấy sự không khớp do lão hóa cell, một lỗi sản xuất ở một cell, hoặc một cell được lưu trữ/vận chuyển ở trạng thái sạc khác với các cell còn lại
• Nếu một cell cụ thể liên tục cho thấy thời gian cân bằng dài nhất qua nhiều chu kỳ sạc, cell đó đang trôi dạt khỏi bộ pin và nên được theo dõi để thay thế sớm
• Một bộ pin được coi là cân bằng khi độ chênh lệch điện áp giảm xuống dưới ngưỡng thiết kế (thường 5-10 mV) — máy tính báo cáo độ chênh lệch thô để bạn có thể so sánh với thông số kỹ thuật BMS của riêng mình
• Thời gian cân bằng tỷ lệ thuận với dung lượng cell và tỷ lệ nghịch với dòng cân bằng — tăng gấp đôi dòng cân bằng sẽ giảm một nửa thời gian ước tính cho cùng một độ chênh lệch điện áp

Tiêu chuẩn & tài liệu tham khảo

• IEEE 1725 / IEEE 1625 — Tiêu chuẩn cho pin sạc lại dùng trong máy tính di động và cầm tay, bao gồm hướng dẫn về cân bằng cell và mạch bảo vệ
• SAE J2929 — Tiêu chuẩn an toàn cho hệ thống pin truyền động xe điện và xe hybrid, tham chiếu đến giám sát điện áp cấp cell và các quy trình cân bằng
• Các ghi chú ứng dụng BMS của Texas Instruments và Analog Devices — tài liệu tham khảo ngành được sử dụng rộng rãi cho thiết kế mạch cân bằng thụ động và lựa chọn dòng xả

Câu hỏi thường gặp

Tại sao dòng cân bằng lại nhỏ như vậy (vài chục miliampe)?

Cân bằng thụ động đốt cháy năng lượng dư thừa thành nhiệt qua một điện trở. Dòng điện lớn hơn sẽ cân bằng cell nhanh hơn nhưng sinh ra nhiều nhiệt hơn bên trong BMS, vốn thường là một linh kiện nhỏ gắn trên PCB với khả năng tản nhiệt hạn chế. Cân bằng chủ động (dựa trên tụ điện hoặc cuộn cảm, truyền năng lượng giữa các cell thay vì lãng phí thành nhiệt) có thể sử dụng dòng điện cao hơn nhiều, nhưng máy tính này mô phỏng trường hợp thụ động đơn giản hơn và phổ biến hơn nhiều.

Độ chênh lệch điện áp nào được coi là "đã cân bằng"?

Không có một con số chuẩn chung duy nhất, nhưng 5-10 mV là mục tiêu thiết kế phổ biến cho bộ pin lithium-ion, vì mức này đủ nhỏ để không ảnh hưởng đáng kể đến dung lượng khả dụng hoặc tuổi thọ cell. Một số ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao nhắm tới dưới 5 mV, trong khi các ứng dụng ít quan trọng hơn có thể chấp nhận 15-20 mV.

Cân bằng cell chỉ diễn ra trong quá trình sạc?

Cân bằng thụ động hầu như luôn chỉ được thực hiện trong khi sạc (thường gần cuối quá trình sạc, nơi chênh lệch điện áp giữa các cell rõ rệt nhất và gây hại nhiều nhất cho dung lượng). Cân bằng trong khi xả hoặc khi nghỉ là hiếm vì nó lãng phí năng lượng khả dụng của bộ pin. Ngược lại, các hệ thống cân bằng chủ động có thể cân bằng bất cứ lúc nào vì chúng di chuyển năng lượng giữa các cell thay vì tiêu tán nó.