Các hệ thống pin lithium ngày càng có xu hướng chuyển sang dung lượng lớn hơn và mức điện áp cao hơn khi nhu cầu điện khí hóa phương tiện di chuyển, công cụ và thiết bị công nghiệp tiếp tục gia tăng. Mặc dù điều này mang lại hiệu suất và tính di động tốt hơn, nhưng số lượng cell pin cao hơn và điện áp lớn hơn đòi hỏi công nghệ hệ thống quản lý pin (BMS) phải phát triển để đáp ứng xu hướng này.
Với độ phức tạp, chi phí gia tăng và các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt của các thiết bị điện hóa hiện đại, BMS cần có khả năng nâng cao hơn về giao tiếp, đo dung lượng, cân bằng cell, định thời và hỗ trợ nhiều loại hóa học pin lithium khác nhau.
Tổng Quan Về Công Nghệ Pin Lithium
Pin lithium là thiết bị lưu trữ năng lượng, trong đó các hóa chất năng lượng được giữ trong các cell pin với một điện cực dương (cực âm – cathode) và một điện cực âm (cực dương – anode). Pin lithium-ion dựa trên các vật liệu có cấu trúc tinh thể nhiều lớp, trong đó các ion lithium có thể di chuyển giữa các lớp, được gọi là hợp chất xen kẽ (intercalation compounds).
Quá Trình Xả Pin (Discharge Cycle)
Trong chu kỳ xả, các ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm, khiến các electron di chuyển theo hướng ngược lại. Quá trình này tạo ra dòng điện để cấp năng lượng cho thiết bị. Mức điện áp và dòng điện đầu ra của pin phụ thuộc vào số lượng ion lithium di chuyển. Khi điện áp giảm, dòng điện cũng giảm do số lượng ion lithium có thể di chuyển ít dần.
Quá Trình Sạc Pin (Charge Cycle)
Chu trình sạc diễn ra theo chiều ngược lại, khi một điện áp được đưa vào hai cực của pin lithium, các ion lithium sẽ di chuyển trở lại cực dương và tái tích trữ trong cực âm.
Pin lithium hiện đại có thể được làm từ nhiều hợp chất xen kẽ khác nhau cho cực dương, phổ biến nhất là:
- Lithium-ion (Li-ion)
- Lithium-ion polymer (LiPo)
- Lithium iron phosphate (LiFePO4)
Cực âm của pin lithium thường là graphite. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đang liên tục tìm kiếm các vật liệu mới cho cả cực dương, cực âm và chất điện phân để cải thiện hiệu suất pin.
Nguy Cơ Nhiệt Độ Cao Và Quản Lý Pin
Pin lithium có tính phản ứng cao, do đó cần phải giám sát nhiệt độ, dòng điện và điện áp trong suốt quá trình sạc và xả. Nếu không được kiểm soát, ngay cả các hợp chất lithium ổn định hơn cũng có thể rơi vào trạng thái nhiệt mất kiểm soát (thermal runaway), gây hư hại điện cực, vỏ pin và thậm chí dẫn đến cháy nổ.
Nhiều hệ thống pin lithium bao gồm nhiều cell pin được mắc nối tiếp (để tăng điện áp) và song song (để tăng dòng điện đầu ra). Do sai số trong sản xuất, tốc độ lão hóa không đồng đều giữa các cell và nhiều yếu tố khác, sự chênh lệch về điện áp và dòng điện giữa các cell có thể dẫn đến suy giảm hiệu suất hoặc thậm chí làm hỏng pin.
Ví dụ, nếu một cell pin có hiệu suất kém khi mắc nối tiếp với các cell khác, nó có thể hoạt động như một tải (load), tiêu thụ dòng điện thay vì cung cấp, dẫn đến điện áp của các cell còn lại giảm xuống dưới mức an toàn.
Vì vậy, công nghệ cân bằng cell (cell balancing) rất quan trọng đối với các hệ thống pin lithium nhiều cell. Các hệ thống tích hợp giám sát pin, điều khiển và cân bằng cell thường được gọi là hệ thống quản lý pin (BMS – Battery Management System). Nhờ sự phát triển của công nghệ pin lithium, các hệ thống BMS cũng đã được cải tiến để đảm bảo an toàn, hiệu suất và tuổi thọ pin dài hơn.
Xu Hướng Mới Trong Hệ Thống Pin Lithium
Trong nhiều thập kỷ, các công cụ làm vườn, thiết bị xây dựng, phương tiện di chuyển và máy móc công nghiệp chủ yếu sử dụng xăng hoặc hệ thống điện có dây. Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ pin lithium đã giúp các thiết bị điện hoạt động bằng pin ngày càng trở nên phổ biến hơn.
Ví dụ, các thiết bị như máy cắt cỏ, máy thổi lá, máy cưa xích, máy khoan SDS, xe điện (scooter, e-bike, mô tô điện), máy cắt bê tông, máy hàn di động đều đang được điện khí hóa. Hệ thống pin điện cho các thiết bị này thường có điện áp 20V, 40V, 60V, 80V, và trong tương lai có thể còn cao hơn.
Sự thành công của các thiết bị chạy bằng pin dẫn đến nhu cầu về hiệu suất cao hơn, đồng nghĩa với việc cần tăng điện áp, dung lượng và khả năng dòng điện của hệ thống pin lithium. Do mức điện áp của mỗi cell pin lithium bị giới hạn, cách duy nhất để đạt điện áp cao hơn là tăng số lượng cell mắc nối tiếp.
Tuy nhiên, nếu dòng điện đầu ra hoặc đầu vào quá cao, các cell pin có thể bị hư hại nghiêm trọng, thậm chí gây cháy nổ. Vì vậy, để tăng khả năng cấp và nhận dòng điện, số lượng cell mắc song song cũng cần phải tăng. Việc nâng cao dung lượng tổng thể của hệ thống pin lithium có thể yêu cầu một số lượng lớn cell pin hoặc các cell có dung lượng cao hơn.
Hệ Thống BMS Thông Minh Giải Quyết Thách Thức Của Pin Lithium Hiện Đại
Với sự phát triển của xe điện (EV), máy phát điện dự phòng, robot tự động, các hệ thống pin lithium đang tiến tới mức điện áp, dung lượng và khả năng dòng điện cao hơn. Do đó, công nghệ BMS cũng cần phải nâng cấp để đáp ứng các yêu cầu này.
Qorvo’s Intelligent BMS (PAC22140/PAC25140) là một bước tiến mới trong công nghệ BMS. Các BMS cũ chỉ đơn thuần giám sát điện áp và tắt sạc khi nhiệt độ hoặc điện áp vượt quá mức an toàn. Nhưng BMS thông minh mới có thể giám sát:
✔ Pin 10S đến 20S (10–20 cell mắc nối tiếp)
✔ Các loại pin lithium phổ biến: Li-ion, Li-Polymer, LiFePO4
✔ Tích hợp vi điều khiển (MCU) FLASH-programmable (Arm® Cortex®-M0)
✔ Quản lý năng lượng, cảm biến dòng/điện áp/nhiệt độ
✔ Giao tiếp UART/SPI, I2C/SMBus, và thậm chí CAN
Bộ Kit Đánh Giá BMS Qorvo
Để giúp các kỹ sư thử nghiệm và làm quen với công nghệ mới, Qorvo cung cấp bộ kit đánh giá PAC22140EVK1 và PAC225140EVK1. Các bộ kit này giúp kiểm tra toàn bộ chức năng của BMS, đồng thời cung cấp đầy đủ các tín hiệu cần thiết để kích hoạt MCU và các linh kiện nội bộ.
Tham khảo thêm các thông tin thú vị với Insight, lựa chọn sản phẩm đo lường với TECOTEC và đừng quên tìm đến chúng tôi khi bạn cần các giải pháp cho doanh nghiệp của mình!
