Mục lục · 11 phần
Cân bằng cell pin (Cell balancing) là quá trình BMS điều chỉnh mức điện tích theo từng cell, đưa SOC các cell nối tiếp về gần bằng nhau.[1][2] BMS làm việc này bằng cách xả bớt cell đầy hơn hoặc chuyển điện sang cell thấp hơn.[1][2] Mọi yếu tố làm SOC các cell tách nhau đều gây mất cân bằng, như khác biệt tự xả, dòng rò, hiệu suất Coulomb hay nhiệt độ.[1] Cân bằng thụ động đốt phần điện thừa qua điện trở xả, còn cân bằng chủ động chuyển điện tích giữa các cell.[2] Dòng cân bằng in trên tài liệu BMS và vi mạch đi từ tối đa 100 mA mỗi cell ở BQ76952 đến 10 A ở LTC3300.[3][4]
Chức năng cân bằng là một phần của hệ thống quản lý pin, được trình bày chung ở bài hệ thống quản lý pin BMS.
Tóm tắt nhanh
| Mục | Thông tin chính |
|---|---|
| Tên tiếng Anh | Cell balancing, còn gọi là equalizing hoặc cell equalisation[1][2] |
| Định nghĩa | Cân bằng cell pin (Cell balancing) là quá trình BMS điều chỉnh mức điện tích theo từng cell, đưa SOC các cell nối tiếp về gần bằng nhau[1][2] |
| Nguyên nhân gây độ lệch SOC | Khác biệt tự xả, dòng rò, hiệu suất Coulomb và nhiệt độ giữa các cell[1] |
| Độ lệch khi mới sản xuất | Từ 1% đến 10%, có thể vượt 10% khi bộ pin hết tuổi thọ[5] |
| Hệ quả chính | Cell yếu nhất giới hạn năng lượng của cả chuỗi nối tiếp[5] |
| Cân bằng thụ động | Xả điện thừa của cell điện áp cao qua điện trở xả, tỏa thành nhiệt[1][2] |
| Cân bằng chủ động | Chuyển điện tích từ cell cao sang cell thấp bằng tụ điện, cuộn cảm, biến áp hoặc bộ biến đổi[1][2] |
| Hiệu suất mạch chủ động | Từ 85% đến 97% theo các công trình được tổng quan[2] |
| Dòng cân bằng in trên tài liệu | Từ tối đa 100 mA mỗi cell ở BQ76952 đến 10 A ở LTC3300[3][4] |
| Đặc điểm với pin LFP | Đường điện áp phẳng giữa dải SOC, chỉ chênh khoảng 12 mV từ 40% đến 60% SOC[6] |
1. Cân bằng cell pin (Cell balancing) là gì?
Cân bằng cell pin (Cell balancing) là quá trình BMS điều chỉnh mức điện tích theo từng cell, đưa SOC các cell nối tiếp về gần bằng nhau.[1][2] Balancing và equalizing là hai tên gọi tương đương của cùng quá trình này.[1] Bộ pin cân bằng là bộ pin có mọi cell ở cùng một SOC tại một điểm trong chu kỳ.[1] Khi sạc đầy hoặc xả hết, các cell của bộ pin cân bằng có cùng điện áp.[34]
Định nghĩa cân bằng cell pin trong tài liệu khoa học
Cân bằng cell (cell equalisation) là chức năng có hai nhóm mạch thực hiện: nhóm thụ động và nhóm chủ động.[2] Nhóm thụ động dùng điện trở để tiêu tán năng lượng thừa của cell điện áp cao trong chuỗi nối tiếp.[2] Nhóm chủ động chuyển điện tích từ cell có mức sạc cao sang cell có mức sạc thấp.[1]
Cell pin và chuỗi cell nối tiếp trong bộ pin
Bộ pin đạt điện áp làm việc nhờ nối nhiều cell nối tiếp, điện áp tổng bằng tổng điện áp các cell.[7] Nối song song làm tăng dung lượng bằng cách cộng số ampe giờ (Ah) của các nhánh.[7] Chuỗi nối tiếp giống sợi xích: bộ pin chỉ mạnh bằng mắt xích yếu nhất.[7] Cách ghép cell nối tiếp và song song được trình bày ở bài Cấu hình cell pin.
Cân bằng cell pin là một chức năng của BMS
Hệ thống quản lý pin BMS (Battery management system) của pin Pylontech US5000 cân bằng cell trong quá trình vận hành.[8] Mạch giám sát BQ76952 của Texas Instruments đo được từ 3 đến 16 cell nối tiếp. BQ76952 cân bằng tự động hoặc theo lệnh của bộ điều khiển chủ.[3] Các chức năng khác của BMS nằm ở bài hệ thống quản lý pin BMS.
Dòng cân bằng thường gặp: từ vài chục mA đến vài A
Dòng cân bằng (balancing current) là dòng điện mạch cân bằng rút ra hoặc đưa vào một cell, ký hiệu I_balance.[1] Mạch cân bằng thụ động thường hiệu chỉnh ở mức mA.[9] Pin máy tính xách tay dùng dòng cân bằng hiệu dụng điển hình khoảng 25 mA đến 50 mA.[10] Mạch chủ động công bố dòng lớn hơn, như LTC3300 của Analog Devices đạt tới 10 A.[4]
Cân bằng cần có vì các cell trong cùng chuỗi không giữ SOC giống nhau suốt quá trình vận hành. Mục 2 nêu các nguyên nhân làm cell lệch nhau.
2. Vì sao các cell nối tiếp lệch nhau theo thời gian?
Các cell nối tiếp lệch nhau theo thời gian vì chúng khác nhau về dung lượng ban đầu, tự xả, dòng rò, hiệu suất Coulomb và nhiệt độ.[1][5] Mọi yếu tố làm SOC của một cell tách khỏi SOC của cell khác đều gây mất cân bằng.[1] Trạng thái sạc SOC (State of charge) được trình bày ở bài SOC.
Sai lệch dung lượng từ khâu sản xuất
Độ lệch giữa các cell là từ 1% đến 10% khi bắt đầu sử dụng, tùy chất lượng sản xuất và cách phân loại cell.[5] Nhà sản xuất không đoán trước được dung lượng chính xác của cell khi cell rời dây chuyền.[9] Dung sai chế tạo làm dung lượng và điện trở trong khác nhau giữa các cell.[11]
Tự xả và dòng rò khác nhau giữa các cell
Dòng điện thực qua mỗi cell gồm dòng tải, dòng tự xả (self-discharge) và dòng rò của mạch BMS.[1] Chênh lệch tự xả giữa các cell gây mất cân bằng. Mức tự xả tuyệt đối không gây mất cân bằng nếu mọi cell tự xả như nhau.[1] Pin LFP có tự xả cao hơn các loại lithium-ion khác, có thể gây vấn đề cân bằng khi pin già đi.[12]
Chênh lệch nhiệt độ trong bộ pin
Cell không suy giảm đều trong suốt tuổi thọ, do độ lệch ban đầu tăng lên và do phân bố nhiệt độ.[5] Hiệu suất, tốc độ tự xả và hoạt động của mạch điện tử đều phụ thuộc nhiệt độ.[1] Các điểm nóng trong bộ pin lớn làm cell giảm dung lượng hoặc tăng tự xả.[9] Cách hệ đo nhiệt độ từng vùng cell là nội dung của bài Cảm biến nhiệt độ pin.
Điện trở trong và lão hóa không đều
Điện áp cell lệch nhau vì bốn nguyên nhân: dung sai sản xuất, lão hóa không đối xứng, trở kháng trong và nhiệt độ phân bố không đều.[13] Điện trở khác nhau làm điện áp khác nhau khi có tải nhưng không làm SOC khác nhau.[1] Cell có điện trở cao giới hạn công suất của bộ pin.[1] Độ lệch thông số có thể vượt 10% khi bộ pin hết tuổi thọ.[5]
Độ lệch SOC và chênh lệch dung lượng
Chênh lệch dung lượng chỉ gây mất cân bằng tạm thời, tự hết khi cell trở về SOC ban đầu.[1] Dù vậy, chênh lệch dung lượng vẫn giới hạn năng lượng dùng được của bộ pin.[1] Hiệu suất Coulomb (Coulombic efficiency) là tỷ lệ giữa tổng điện tích lấy ra khỏi pin và tổng điện tích nạp vào pin trong một chu kỳ đầy đủ.[35] Pin Li-ion có hiệu suất Coulomb trên 99% ở dòng vừa phải và nhiệt độ mát.[35] Cell có hiệu suất Coulomb khác nhau tạo độ lệch SOC tăng dần trong lúc sạc.[1] Hiện tượng này xảy ra cả khi các cell cùng SOC ban đầu, cùng dung lượng và cùng dòng điện.[1]
Độ lệch tích lũy qua các chu kỳ, và chuỗi nối tiếp chịu hệ quả của cell lệch nhiều nhất. Mục 3 trình bày các hệ quả đó.
3. Cell lệch nhau gây hậu quả gì cho bộ pin?
Cell lệch nhau làm cell kém nhất quyết định dung lượng dùng được và tuổi thọ của cả chuỗi nối tiếp.[5] Khi sạc, cell cao áp chạm ngưỡng trước; khi xả, cell yếu cạn trước.[6][15]
Cell yếu nhất giới hạn dung lượng sạc và xả
Các cell yếu giới hạn thời gian vận hành của hệ thống: độ lệch 5% giữa các cell để lại 5% dung lượng không dùng tới.[14] Bộ pin mất cân bằng không cấp được và không nhận được năng lượng, công suất như thiết kế.[1] Toàn bộ dung lượng của bộ pin không được dùng hết khi cell lệch nhau.[10] Con số kWh in trên nhãn pin là nội dung của bài Dung lượng định mức.
Nguy cơ quá sạc ở cell có điện áp cao
Khi sạc, cell yếu đầy trước rồi chuyển sang trạng thái quá sạc sinh nhiệt.[9] Cell yếu suy giảm thêm qua các chu kỳ quá sạc liên tiếp. Điện áp cao hơn của cell yếu lúc kết thúc sạc làm dung lượng suy giảm nhanh hơn.[10] Quá trình sạc phải dừng khi một cell đầy, dù các cell khác chưa đầy.[6]
Cell yếu xả cạn trước các cell khác
Cell yếu chứa ít dung lượng hơn nên xả cạn trước các cell khỏe trong cùng chuỗi.[9] Quá trình xả kết thúc khi cell yếu nhất chạm điện áp ngắt.[15] Cell yếu có thể chạm ngưỡng thấp áp trong khi điện áp tổng của bộ pin vẫn đủ cho hệ thống chạy.[10] Độ sâu xả cho phép của từng loại pin được trình bày ở bài độ sâu xả DoD.
Tuổi thọ bộ pin giảm theo độ lệch
Muneeb ur Rehman và cộng sự mô phỏng bộ pin 84 cell của xe hybrid sạc điện ngoài (PHEV). Độ lệch ban đầu là ±2% về dung lượng và ±5% về điện trở.[5] Ở phương án cơ sở, bộ pin mất 5,6 năm để còn 80% dung lượng. Khi cân bằng công suất giữa các cell cả lúc sạc và xả, thời gian này tăng lên 6,8 năm, tức tăng 21%.[5] Số chu kỳ sạc xả của pin lithium được trình bày ở bài tuổi thọ pin lithium.
Bộ pin nào cần mạch cân bằng
Cách sạc không cân bằng dùng được cho bộ pin Li-ion đến 24 V, còn bộ pin trên 24 V nên có mạch cân bằng.[9] Dung sai dung lượng giữa các cell trong pin công nghiệp nên nằm trong ±2,5%.[9] Phân loại pin lưu trữ theo mức điện áp được trình bày ở bài pin lưu trữ điện áp cao và điện áp thấp.
Cách phổ biến nhất trong công nghiệp để chặn cell cao áp khỏi quá sạc là xả bớt điện của cell đó qua điện trở.[2] Mục 4 trình bày cách làm này.
4. Cân bằng thụ động (passive balancing) hoạt động thế nào?
Cân bằng thụ động (Passive balancing) là cách rút điện tích khỏi cell có mức sạc cao và tiêu tán phần năng lượng đó thành nhiệt.[1] Mạch thực hiện việc này bằng điện trở xả nối vào từng cell trong chuỗi nối tiếp.[2][11]
Nguyên lý xả bớt năng lượng qua điện trở xả
Điện trở xả (bleed resistor) là điện trở mạch cân bằng nối song song với một cell để xả bớt điện của cell đó.[9][10] Các cell cần cân bằng được xả qua một nhánh rẽ tiêu tán.[10] Năng lượng thừa của các cell chạm giới hạn điện áp trên trước tiên bị tiêu tán ở nhánh này.[5] Mạch thụ động xả cell cao áp qua điện trở trong lúc sạc, ở vùng từ 70% đến 80% SOC.[9]
Điện trở cố định và điện trở đóng cắt
Cân bằng thụ động có hai kiểu: điện trở cố định và điện trở đóng cắt.[2] Kiểu điện trở cố định có dòng rẽ nhánh liên tục, không dùng cho pin Li-ion vì cell có thể bị quá sạc.[2] Kiểu điện trở đóng cắt phổ biến nhất trong công nghiệp nhờ linh kiện rẻ và dễ điều khiển.[2] Mạch gồm điện trở và khóa đóng cắt nối vào từng cell.[11] Biến thể dùng diode zener chỉ hợp với hóa học chịu được sạc duy trì, không hợp với lithium-ion.[1]
Dòng cân bằng thụ động và nhiệt tỏa ra
Công suất nhiệt của mạch thụ động gần bằng điện áp định mức của cell nhân dòng cân bằng.[1]
Trong công thức, P là công suất tỏa thành nhiệt, V_nom là điện áp định mức của cell, I_balance là dòng cân bằng.[1] BQ76952 cho dòng cân bằng tối đa 100 mA qua một cell, ở mục giá trị giới hạn tuyệt đối.[3] Hãng yêu cầu giới hạn dòng cân bằng và số cell cân bằng cùng lúc để giữ nhiệt độ trong mức khuyến nghị.[3] Dòng cân bằng thụ động thường bị giới hạn bởi nhiệt độ của phần cứng.[15]
Ưu điểm và nhược điểm của cân bằng thụ động
Ưu điểm của cân bằng thụ động là linh kiện rẻ và dễ điều khiển.[2] Nhược điểm gồm thời gian cân bằng dài, nhiệt sinh ra lớn và hiệu suất thấp.[2] Hiệu suất năng lượng của cân bằng thụ động được coi bằng 0%.[15] Cân bằng thụ động có chi phí thấp hơn nhưng không kéo dài thời gian vận hành của hệ thống.[14]
Phần năng lượng mạch thụ động đốt thành nhiệt có thể được giữ lại nếu chuyển nó sang cell thấp.[1] Đó là cách làm của mạch chủ động ở mục 5.
5. Cân bằng chủ động (active balancing) chuyển năng lượng thế nào?
Cân bằng chủ động (Active balancing) là cách chuyển điện tích từ cell cao sang cell thấp để giữ lại năng lượng trong bộ pin.[1] Mạch chủ động dùng tụ điện, cuộn cảm, biến áp hoặc bộ biến đổi DC/DC làm phần tử trung gian.[1][2]
Nguyên lý chuyển điện tích từ cell cao sang cell thấp
Mạch chủ động phân phối lại điện tích trong cả chu kỳ sạc và chu kỳ xả, nhờ đó điện tích dùng được của bộ pin tăng lên.[14] Hai lợi ích chính là giảm tổn hao năng lượng và giảm nhiệt tỏa ra.[5] Các thiết kế chủ động gồm tụ điện đóng cắt, biến áp đóng cắt hoặc dùng chung, và bộ biến đổi DC/DC trên thanh cái chung.[1]
Mạch cân bằng dùng tụ điện đóng cắt
Mạch tụ điện đóng cắt (Switched capacitor) là mạch chủ động đóng cắt tụ điện luân phiên giữa các cell để chuyển điện tích giữa chúng.[1] Năng lượng tụ điện C chuyển được giữa cell điện áp cao v_high và cell điện áp thấp v_low là:[1]
Mạch này không cần hệ điều khiển phức tạp hay cảm biến, nhưng tốc độ cân bằng chậm.[2] Tốc độ của mạch tụ điện phụ thuộc giá trị điện dung, và dòng cân bằng giảm thấp khi chênh lệch điện áp nhỏ.[16] Với cell 10 Ah, tụ 1 F, chênh lệch 0,1 V, mỗi lần đóng cắt chỉ chuyển khoảng 3 phần triệu SOC.[1]
Mạch cân bằng dùng cuộn cảm
Mạch cuộn cảm có thời gian cân bằng ngắn nhờ dòng cân bằng tương đối cao.[13] Kiểu cuộn cảm cơ bản chỉ chuyển năng lượng giữa hai cell liền kề.[11] Mạch cuộn cảm cân bằng được cả khi sạc và khi xả, nhưng cuộn cảm đắt và cồng kềnh hơn tụ điện.[2]
Mạch cân bằng dùng biến áp và bộ biến đổi flyback
Mạch biến áp nhiều cuộn dây chuyển năng lượng trực tiếp giữa các cell không liền kề.[11] Mạch biến áp đắt, điều khiển phức tạp và chiếm diện tích lớn.[2] Giải pháp thương mại dùng bộ biến đổi DC/DC có cách ly thì chi phí cao và phụ thuộc nhà sản xuất vi mạch.[16] LTC3300 của Analog Devices là bộ điều khiển flyback hai chiều, cân bằng tối đa 6 cell nối tiếp. LTC3300 công bố dòng cân bằng đến 10 A và hiệu suất chuyển điện tích đến 92%.[4]
Ưu điểm và nhược điểm của cân bằng chủ động
Cân bằng chủ động hiệu quả hơn cân bằng thụ động, với hiệu suất từ 85% đến 97%.[2] Mạch chủ động rút ngắn thời gian sạc và giảm nhiệt khi cân bằng, đổi lại mạch phức tạp và chiếm nhiều diện tích hơn.[14] Phương pháp chủ động thường đắt hơn nhưng hiệu quả hơn phương pháp thụ động.[6] Pin xe điện chủ yếu dùng cân bằng thụ động vì lý do chi phí.[9]
So sánh cân bằng thụ động và chủ động
Bảng tổng hợp các khác biệt đã nêu ở mục 4 và mục 5.
| Tiêu chí | Cân bằng thụ động | Cân bằng chủ động |
|---|---|---|
| Cách xử lý năng lượng thừa | Tiêu tán qua điện trở xả thành nhiệt[1][2] | Chuyển sang cell có mức sạc thấp[1] |
| Hiệu suất năng lượng | Coi bằng 0%[15] | Từ 85% đến 97%[2] |
| Thời gian vận hành của hệ | Không kéo dài[14] | Tăng điện tích dùng được[14] |
| Chi phí và độ phức tạp | Linh kiện rẻ, dễ điều khiển[2] | Mạch phức tạp, diện tích lớn hơn[14] |
| Thời điểm hoạt động phổ biến | Trong lúc sạc[9] | Trong cả lúc sạc và lúc xả[14] |
| Linh kiện chính | Điện trở xả và khóa đóng cắt[11] | Tụ điện, cuộn cảm, biến áp, bộ biến đổi DC/DC[1][2] |
Dù dùng mạch nào, BMS phải biết cell nào lệch và lúc nào bật mạch cân bằng. Mục 6 trình bày tiêu chí và thời điểm cân bằng.
6. Khi nào BMS thực hiện cân bằng cell?
BMS thực hiện cân bằng cell khi có cell lệch vượt ngưỡng điện áp hoặc ngưỡng SOC đặt trước.[6][10] Nhiều BMS chỉ cân bằng ở giai đoạn cuối của quá trình sạc, khi các cell gần đầy.[10][17][18]
Cân bằng theo độ lệch điện áp và theo độ lệch SOC
Hai tiêu chí nhận biết cell lệch trên pin LiFePO4 là độ lệch điện áp và độ lệch SOC.[6] Vi mạch bq77PL900 cân bằng thụ động theo điện áp: khi một cell chạm ngưỡng, quá trình sạc tạm dừng và nhánh rẽ bên trong được bật.[10]
Đường điện áp phẳng của pin LFP gây khó gì cho cân bằng
Pin LFP, tức lithium sắt phosphate, có đường điện áp xả phẳng.[12] Trên cell LiFePO4 180 Ah, điện áp hở mạch chỉ chênh khoảng 12 mV từ 40% đến 60% SOC, và khoảng 132 mV từ 10% đến 90% SOC.[6] Độ phẳng này làm khó xác định cell nào cần sạc hoặc xả.[6]
Trong vùng điện áp phẳng của pin LFP, thuật toán cân bằng theo SOC và theo điện áp không còn hiệu quả.[15] Phần lớn hóa học lithium-ion có điện áp giữa các cell ít khác nhau dù SOC khác nhau nhiều.[1] Đặc điểm hóa học của pin LFP được trình bày ở bài pin LFP và bài Loại hóa học pin.
Cân bằng ở đỉnh, ở đáy hay ở giữa dải SOC
Điểm cân bằng có ba lựa chọn: ở đỉnh, ở đáy và ở giữa dải SOC.[1] Cân bằng ở đỉnh (Top balancing) là cách cân bằng các cell khi bộ pin gần đầy, để bộ pin chứa được nhiều năng lượng nhất.[1] Đổi lại, một số cơ chế lão hóa tăng nhanh ở SOC cao, và cell yếu vẫn chịu lão hóa này.[1] Cân bằng ở giữa dải cho năng lượng thấp hơn nhưng giảm lão hóa do SOC cao. Cân bằng ở đáy giúp bộ pin nhận và cấp công suất ở mức cao nhất.[1]
Với pin LiFePO4 trong hệ lưu trữ điện năng, chiến lược phù hợp nhất cho mọi trường hợp lệch là cân bằng theo SOC tại điểm giữa dải SOC.[6] Ở hai đầu dải SOC, điện áp thay đổi nhanh theo SOC.[6] Cân bằng ở SOC thấp không được khuyến nghị vì nằm ngoài vùng vận hành an toàn.[6] Tài liệu hãng BMS mô tả cách làm khác: REC khuyên đặt ngưỡng bắt đầu ở điện áp ứng với 90% dung lượng dùng được.[17] Victron chỉ cho cân bằng thụ động chạy trong giai đoạn sạc hấp thụ.[18]
Ngưỡng bắt đầu cân bằng trong tài liệu BMS
REC 2Q BMS đặt ngưỡng bắt đầu mặc định 3,45 V và ngưỡng kết thúc 3,58 V, với hóa học LiFePO4 là mặc định.[17] REC 2Q chỉ cân bằng khi dòng sạc trên 0,2 A và có cell vượt ngưỡng bắt đầu.[17] Pin Victron Lithium Smart bắt đầu cân bằng thụ động khi cell đạt 3,50 V và chỉ chạy ở giai đoạn sạc hấp thụ.[18] JK-PB2A16S20P cho chọn ngưỡng chênh lệch kích hoạt 10 mV và điện áp bắt đầu 3.000 mV, cả hai đều chỉnh được.[19]
Giai đoạn sạc hấp thụ (absorption) là giai đoạn bộ sạc giữ điện áp không đổi ở cuối quá trình sạc, được trình bày ở bài Đường cong sạc.
Cân bằng trong lúc sạc, xả và nghỉ
Vi mạch bq2084 chỉ cân bằng gần cuối quá trình sạc, khi dòng sạc giảm dần. Dòng vi mạch bq20zxx cân bằng được bất kỳ lúc nào: khi sạc, khi xả hoặc khi nghỉ.[10] Trên mạch cuộn cảm của Song và cộng sự, cân bằng nhiều cell xuống dưới 10 mV mất 67 phút khi sạc và 47 phút khi xả.[16]
Ngưỡng, dòng và thời điểm cân bằng là các thông số hãng in trên tài liệu. Mục 7 đọc các thông số này trên tài liệu thật của pin lưu trữ và BMS.
7. Tài liệu pin lưu trữ và BMS in thông số cân bằng thế nào?
Tài liệu pin lưu trữ đã mở chỉ ghi có chức năng cân bằng.[8][20][21][22] Tài liệu BMS và vi mạch in thêm phương pháp, dòng cân bằng và ngưỡng điện áp.[3][17][18] Ô "Không in" trong bảng nghĩa là tài liệu đã mở không có dòng đó.
Bảng thông số cân bằng của pin lưu trữ và BMS
| Sản phẩm | Loại tài liệu | Phương pháp cân bằng | Dòng hoặc linh kiện cân bằng | Ngưỡng in trên tài liệu |
|---|---|---|---|---|
| Dyness DL5.0e, 51,2 V, 100 Ah[20] | Datasheet bản V1.0-20240620 | Ghi "Cell level monitoring and balancing" | Không in | Không in |
| Huawei LUNA2000-5/10/15-S0[21] | Datasheet bản 01-202411 | Không in dòng cân bằng cell; ghi "Pack-Level Energy Optimization" | Không in | Không in |
| Sigen Battery, cell LiFePO4 280 Ah[22] | Datasheet | Không in | Không in | Không in |
| Pylontech US5000, 48 V[8] | Hướng dẫn sử dụng PM0MUS500255 | BMS cân bằng điện áp từng cell | Không in | Không in |
| Victron Lithium Smart[18] | Hướng dẫn sử dụng | Chủ động và thụ động | Tối đa 1,8 A | Thụ động bắt đầu ở 3,50 V; cân bằng đến khi lệch dưới 0,01 V |
| REC 2Q BMS[17] | Hướng dẫn sử dụng, phần mềm bản 1.6 | Thụ động | Điện trở xả 4,0 Ω mỗi cell | Bắt đầu 3,45 V, kết thúc 3,58 V (mặc định) |
| Orion BMS 2[23] | Bảng thông số | Thụ động | 200 mA | Không in |
| JK-PB2A16S20P[19] | Trang thông số | Chủ động | Tối đa 2 A, chỉnh được | Chênh lệch 10 mV, bắt đầu 3.000 mV |
| TI BQ76952[3] | Datasheet SLUSE13B | Thụ động, khóa bên trong vi mạch | Tối đa 100 mA mỗi cell | Không in |
| ADI LTC3300-1[4] | Trang sản phẩm | Chủ động, flyback hai chiều | Đến 10 A, đặt bằng linh kiện ngoài | Không in |
Pin lưu trữ thường chỉ ghi có chức năng cân bằng
Ba datasheet pin lưu trữ đã mở của Dyness, Huawei và Sigenergy không in dòng cân bằng.[20][21][22] Sigen Battery in loại cell LiFePO4 và dung lượng cell 280 Ah, không có dòng nào về cân bằng.[22] Hướng dẫn Pylontech US5000 chỉ mô tả chức năng cân bằng bằng lời, không ghi dòng.[8] Trong các tài liệu đã mở, dòng hoặc linh kiện cân bằng chỉ có trên tài liệu của Victron, REC, Orion, JK, Texas Instruments và Analog Devices.[3][4][17][18][19][23]
Dòng cân bằng tối đa khác dòng cân bằng thực tế
Con số 100 mA của BQ76952 nằm ở mục giá trị giới hạn tuyệt đối (absolute maximum ratings), tức mức không được vượt.[3] LTC3300 ghi dòng đến 10 A và ghi rõ dòng này do linh kiện ngoài quyết định.[4] Mức 1,8 A của Victron là dòng định mức tối đa của mạch cân bằng chủ động và thụ động. Tốc độ cân bằng bị giới hạn bởi mức dòng này.[18]
Mạch cân bằng cell pin chủ động cho bộ 4S và 16S
Tên model JK-PB2A16S20P có cụm 16S, và trang thông số ghi số cell hỗ trợ mặc định là 16.[19] REC Active BMS là mạch cho 4 cell, cân bằng chủ động hai chiều với dòng 2 A.[24] JK-B2A24S là bộ cân bằng chủ động gắn ngoài cho từ 2 đến 24 cell, dòng chỉnh từ 0,1 A đến 2 A.[25] Bộ này dùng supercapacitor (tụ điện điện dung lớn) làm trung gian, chênh lệch giữa các cell sau cân bằng tối đa 3 mV.[25] Cách chọn số cell nối tiếp được trình bày ở bài Cấu hình cell pin.
Từ mức dòng cân bằng tính được thời gian cần để đưa một cell lệch về bằng các cell khác. Mục 8 làm phép tính này cho một bộ pin LFP.
8. Ví dụ: tính thời gian cân bằng bộ pin LFP 16 cell 280 Ah
Ví dụ dùng các mức dòng cân bằng in trên tài liệu ở mục 7 để tính thời gian cân bằng một bộ pin LFP. Mọi số trong mục này là số quy đổi, phép tính ghi ngay trong câu.
Bước 1: giả định bộ pin và độ lệch
Giả định bộ pin gồm 16 cell LiFePO4 nối tiếp, mỗi cell 280 Ah, theo dung lượng cell in trên datasheet Sigen Battery.[22] Số 16 cell là giả định; Li và cộng sự cũng phân tích bộ 16 cell LiFePO4 nối tiếp.[6] Giả định một cell lệch 2% so với các cell còn lại, theo ví dụ độ lệch 2% của Wen.[10]
Bước 2: tính lượng điện tích cần cân bằng
Độ lệch SOC quy ra điện tích bằng phần trăm lệch nhân dung lượng cell, ví dụ 1% của 7,7 Ah là 77 mAh.[1] Với cell 280 Ah, lượng điện tích cần cân bằng là 0,02 × 280 = 5,6 Ah.
Bước 3: thời gian cân bằng theo từng mức dòng
Pin 1 Ah cấp 1 A trong 1 giờ, hoặc 500 mA trong 2 giờ.[26] Theo quan hệ này, thời gian cân bằng (giờ) bằng lượng điện tích cần chuyển (Ah) chia cho dòng cân bằng (A).
Quan hệ giữa dòng điện, dung lượng và thời gian là nội dung của bài Tốc độ sạc xả (C-rate). Đơn vị Ah được trình bày ở bài đơn vị Ah.
| Mức dòng cân bằng | Nguồn mức dòng | Thời gian để chuyển 5,6 Ah (quy đổi) |
|---|---|---|
| 100 mA | Giới hạn tuyệt đối của BQ76952[3] | 5,6 / 0,1 = 56 giờ |
| 200 mA | Orion BMS 2[23] | 5,6 / 0,2 = 28 giờ |
| 1,8 A | Mức tối đa của Victron Lithium Smart[18] | 5,6 / 1,8 ≈ 3,1 giờ |
| 2 A | Mức tối đa của JK-PB2A16S20P[19] | 5,6 / 2 = 2,8 giờ |
Thời gian trong bảng giả định mạch chạy liên tục ở dòng tối đa. Mạch thực tế chỉ chạy khi có cell vượt ngưỡng hoặc trong giai đoạn sạc hấp thụ (mục 6).[18]
Bước 4: số lần sạc đầy cần để cân bằng xong
Victron khuyến nghị thời gian sạc hấp thụ cố định 2 giờ cho pin Lithium Smart, trong phần nói về cân bằng cell.[18] Giả định mạch chỉ cân bằng trong 2 giờ hấp thụ đó của mỗi lần sạc đầy. Ở 200 mA, mỗi lần sạc đầy chuyển được 0,2 × 2 = 0,4 Ah, nên cần 5,6 / 0,4 = 14 lần sạc đầy. Ở 1,8 A, mỗi lần chuyển được 1,8 × 2 = 3,6 Ah, nên cần 5,6 / 3,6 ≈ 1,6, tức 2 lần sạc đầy.
Độ lệch 2% của cell 2.200 mAh được cân bằng trong một đến hai chu kỳ sạc, ở dòng 25 mA đến 50 mA.[10] Cell 280 Ah có dung lượng gấp 280 / 2,2 ≈ 127 lần cell 2.200 mAh. Với cùng độ lệch 2%, lượng điện tích cần chuyển cũng gấp khoảng 127 lần.
Bước 5: nhiệt tỏa ra khi cân bằng thụ động
Áp dụng công thức P ≈ V_nom × I_balance[1] với V_nom = 3,20 V, điện áp định mức của cell LFP.[12] Ở 200 mA, công suất nhiệt khoảng 3,20 × 0,2 ≈ 0,64 W mỗi cell đang cân bằng. Giả định một mạch thụ động chạy ở 2 A, công suất nhiệt khoảng 3,20 × 2 = 6,4 W mỗi cell.
Một cell 280 Ah lệch 2% cần nhiều giờ cân bằng và nhiều lần sạc đầy. Vì vậy cách vận hành hằng ngày quyết định bộ pin có giữ được cân bằng hay không, nội dung của mục 9.
9. Duy trì cân bằng cell khi vận hành hệ lưu trữ tại Việt Nam
Duy trì cân bằng cell khi vận hành là sạc đầy định kỳ, theo dõi độ lệch điện áp giữa các cell và ghép module đúng SOC.[18][27] Các yêu cầu này nằm trong hướng dẫn vận hành và hướng dẫn dịch vụ của Victron và BYD.[18][27]
Sạc đầy định kỳ theo hướng dẫn của hãng
Với pin Victron Lithium Smart, sạc đầy mỗi tháng một lần là đủ cho việc cân bằng cell.[18] Victron yêu cầu sạc đầy hằng tuần khi pin mắc nối tiếp, xả nạp hằng ngày, xả dòng lớn hoặc có thời gian sạc ngắn.[18] SOC của pin BYD được tính chính xác hơn khi pin thường xuyên được sạc đầy.[27]
Theo dõi độ lệch điện áp giữa các cell
Mạch cân bằng của Victron chuyển năng lượng cho đến khi mọi cell nằm trong khoảng 0,01 V của nhau.[18] Ứng dụng BeConnect của BYD hiển thị điện áp cell lớn nhất và nhỏ nhất, theo hướng dẫn dịch vụ bản V1.5.[28] Với cảnh báo lệch điện áp cấp 3, BYD yêu cầu kiểm tra điện áp cell từng module và thay module có điện áp bất thường.[27]
Ghép thêm module vào hệ đang chạy
Pin BYD Battery-Box Premium HVS và HVM dùng bộ điều khiển BCU-V2.0 yêu cầu các module trong một tháp pin có SOC tương đương, dung sai 5%.[27] Trước khi thêm module mới, SOC của hệ đang chạy phải nằm trong khoảng 25% đến 35%.[27] Trong 5 ngày trước khi mở rộng, BYD khuyến nghị sạc hệ pin hiện có lên 100% SOC ít nhất một lần.[27] Dung lượng dùng được sau khi mở rộng được trình bày ở bài dung lượng khả dụng, mức ghép tối đa ở bài Dung lượng hệ thống tối đa.
Ghép cell đồng đều trước khi đóng bộ pin
Các cell trong bộ pin nhiều cell phải đồng đều (matched), nhất là khi dùng với tải lớn.[7] Cell khác hãng hoặc khác kích cỡ không nên trộn chung vì gây mất cân bằng.[7] Độ lệch ban đầu phụ thuộc chất lượng sản xuất và cách phân loại cell.[5] Hai thông số lệch giữa các cell là dung lượng và điện trở nối tiếp.[5]
Tiêu chuẩn Việt Nam liên quan đến BMS
TCVN 14499-5-2:2025, tương ứng IEC 62933-5-2:2020, quy định yêu cầu an toàn cho hệ thống lưu trữ điện năng tích hợp lưới điện dựa trên nguyên lý điện hóa.[29] Điều 7.11 của tiêu chuẩn này có tên "Bộ phận che chắn và các biện pháp bảo vệ".[29] Trong điều này, tiêu chuẩn yêu cầu hệ thống quản lý pin giám sát tất cả các thông số an toàn.[29] TCVN này tương ứng ấn bản 1.0 năm 2020, còn IEC đã công bố ấn bản 2.0 của IEC 62933-5-2 ngày 09/12/2025.[30] Yêu cầu an toàn cho pin lithium công nghiệp nằm ở bài IEC 62619.
10. Câu hỏi thường gặp về cân bằng cell pin
Q1Cell balancing là gì khi đọc trên datasheet BMS?
Q2Một cell pin lithium có điện áp bao nhiêu?
Một cell pin lithium LFP có điện áp định mức 3,20 V hoặc 3,30 V, dải điện áp làm việc điển hình từ 2,5 V đến 3,65 V.[12] Cell NMC có điện áp định mức 3,60 V hoặc 3,70 V, dải điện áp làm việc điển hình từ 3,0 V đến 4,2 V.[12] Dải điện áp của cả bộ pin là nội dung của bài Dải điện áp pin.
Q3Một module pin lưu trữ có bao nhiêu cell?
Một module pin lưu trữ có số cell khác nhau theo dòng sản phẩm: mỗi module BYD HVS có 32 cell, mỗi module BYD HVM có 16 cell.[28] Cách chọn điện áp hệ được trình bày ở bài hệ lưu trữ 12V, 24V hay 48V.
Q4Sạc cân bằng ắc quy chì khác cân bằng cell pin lithium thế nào?
Sạc cân bằng ắc quy chì (Equalizing charge) là việc cố ý sạc quá mức để làm tan tinh thể sunfat bám trên bản cực.[31] Cách sạc này cũng đảo ngược hiện tượng phân tầng axit.[31] Cách làm là nâng điện áp lên 2,50 V mỗi cell, hoặc cao hơn 10% so với điện áp sạc khuyến nghị.[31] Cân bằng cell pin lithium thì tác động riêng từng cell qua mạch của BMS.[1]
Q5Cân bằng cell có khôi phục được cell bị suy giảm dung lượng không?
Q6Vì sao pin đã báo gần 100% SOC nhưng vẫn sạc thêm bằng dòng nhỏ?
Q7Nhiệt độ cao có làm BMS ngừng cân bằng không?
Nhiệt độ cao có làm REC 2Q BMS giảm hoặc ngừng cân bằng.[17] Khi nhiệt độ BMS gần ngưỡng, REC 2Q chỉ cân bằng các cell lệch nhiều nhất. Ở lỗi quá nhiệt BMS, bảng lỗi của REC 2Q ghi cân bằng bị tắt.[17] Dải nhiệt độ làm việc của thiết bị được trình bày ở bài dải nhiệt độ làm việc.
Q8Lỗi "BIC balancing failed" trên BYD Battery-Box nghĩa là gì?
Q9Có nên tăng điện áp sạc để cân bằng nhanh hơn không?
Q10Pin lithium lưu kho lâu ngày có cần sạc định kỳ không?
Q11Mạch cân bằng chủ động có hiệu suất 100% không?
Q12Cân bằng cell pin lithium bằng tụ điện có hợp với pin LFP không?
Cân bằng cell pin lithium bằng tụ điện hợp nhất với xe điện, nơi điện áp giữa các cell có thể chênh lớn.[1] Mạch này ít hợp với xe hybrid, nơi cell làm việc trong dải SOC hẹp và chênh lệch điện áp thường nhỏ.[1] Cell LiFePO4 chỉ chênh khoảng 12 mV điện áp từ 40% đến 60% SOC,[6] nên dòng cân bằng của mạch tụ điện ở vùng này thấp.[16]
Q13Cell nối song song có cần cân bằng không?
Q14Bao lâu cần sạc đầy một lần để pin tự cân bằng cell?
Sạc đầy mỗi tháng một lần là đủ để pin Victron Lithium Smart cân bằng cell.[18] Victron yêu cầu sạc đầy hằng tuần khi pin mắc nối tiếp, xả nạp hằng ngày, xả dòng lớn hoặc có thời gian sạc ngắn.[18]
11. Việt Nam Solar và danh sách cửa hàng
Việt Nam Solar là công ty cung cấp toàn bộ giải pháp điện mặt trời, phân phối chính hãng hơn 20 thương hiệu thiết bị. Công ty hoạt động từ năm 2018, làm tổng thầu EPC và ESCO cho các dự án điện mặt trời. Đội kỹ thuật tư vấn chọn pin lưu trữ và BMS dựa trên phương pháp cân bằng cell, dòng cân bằng và lịch sạc đầy của từng dự án. Khách hàng được khảo sát tận nơi, thiết kế và lắp đặt hoàn chỉnh. Ba chi nhánh tại Hồ Chí Minh, Cần Thơ và Khánh Hòa trưng bày sản phẩm thật và nhận yêu cầu báo giá.
| Chi nhánh | Địa chỉ | Kho | Đường dây nóng |
|---|---|---|---|
| Trụ sở chính Hồ Chí Minh | 188 ĐHT41, Phường Đông Hưng Thuận, Tp. HCM | 2939 QL1A, Phường Đông Hưng Thuận, Tp. HCM | 088.60.60.660 |
| Chi nhánh Cần Thơ | 41D Mậu Thân, Phường Cái Khế, Tp. Cần Thơ | Khu vực Tràng Thọ A, Phường Trung Nhứt, Tp. Cần Thơ | 094.42.44.424 |
| Chi nhánh Khánh Hòa | Thôn Đông Dinh, Xã Diên Khánh, Tỉnh Khánh Hòa | Thôn Đông Dinh, Xã Diên Khánh, Tỉnh Khánh Hòa | 081.60.60.660 |
Thông tin chi nhánh lấy theo danh sách cửa hàng của Việt Nam Solar.[33]
Tài liệu tham khảo từ nguồn quốc tế
- 1Plett, G. L. (2015). ECE5720: Battery Management and Control, Cell Balancing, lecture notes. University of Colorado Colorado Springs.
- 2Carter, J., Fan, Z., & Cao, J. (2020). Cell equalisation circuits: A review. Journal of Power Sources, 227489, DOI 10.1016/j.jpowsour.2019.227489. Bản thảo tác giả lưu tại Keele University.
- 3Texas Instruments. (2021). BQ76952 3-Series to 16-Series High Accuracy Battery Monitor and Protector, datasheet SLUSE13B. Texas Instruments.
- 4Analog Devices. (n.d.). LTC3300-1 High Efficiency Bidirectional Multicell Battery Balancer. Analog Devices.
- 5Muneeb ur Rehman, M., Evzelman, M., Hathaway, K., Zane, R., Plett, G. L., Smith, K., Wood, E., & Maksimovic, D. (2014). Modular Approach for Continuous Cell-Level Balancing to Improve Performance of Large Battery Packs, NREL/CP-5400-61263. Bản in trước, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition 2014. National Renewable Energy Laboratory.
- 6Li, B., Yang, D., Liu, J., Chen, M., & Lu, Z. (2013). An Optimal Strategy of Balancing for LiFePO4 Battery in Battery Energy Storage System. Proceedings of ICSEM 2013, Atlantis Press.
- 7Battery University. (2021). BU-302: Series and Parallel Battery Configurations. Battery University.
- 8Pylon Technologies. (n.d.). Rechargeable Li-ion Battery US5000 series Operation Manual, PM0MUS500255. Pylontech.
- 9Battery University. (2021). BU-803a: Cell Matching and Balancing. Battery University.
- 10Wen, S. (2009). Cell balancing buys extra run time and battery life, Analog Applications Journal 1Q 2009. Texas Instruments.
- 11Farzan Moghaddam, A., & Van den Bossche, A. (2019). A Single Transformer for Active Cell Equalization Method of Lithium-Ion Batteries with Two Times Fewer Secondaries than Cells. Electronics, 8(9), 951.
- 12Battery University. (2023). BU-205: Types of Lithium-ion. Battery University.
- 13Farzan Moghaddam, A., & Van den Bossche, A. (2019). An Efficient Equalizing Method for Lithium-Ion Batteries Based on Coupled Inductor Balancing. Electronics, 8(2), 136.
- 14Scott, K., & Nork, S. (2016). Active Battery Cell Balancing. Analog Devices.
- 15Tang, X., Zou, C., Wik, T., Yao, K., Xia, Y., Wang, Y., Yang, D., & Gao, F. (2020). Run-to-Run Control for Active Balancing of Lithium Iron Phosphate Battery Packs. IEEE Transactions on Power Electronics, 35(2), 1499 đến 1512.
- 16Song, H., Hredzak, B., & Fletcher, J. (2025). Inductor-Based Active Balancing Topology with Wide Voltage Range Capability. Batteries, 11(2), 77.
- 17REC d.o.o. (2024). REC 2Q BMS User Manual. REC BMS.
- 18Victron Energy. (2026). Lithium Smart Battery Manual, Appendix 8.3 Cell balancing. Victron Energy.
- 19Jikong (JK BMS). (n.d.). JK-PB2A16S20P Smart BMS, product specifications. JK BMS.
- 20Dyness Digital Energy Technology. (2024). DL5.0e datasheet, V1.0-20240620. Dyness.
- 21Huawei Digital Power. (2024). LUNA2000-5/10/15-S0 datasheet, Version 01-202411. Huawei.
- 22Sigenergy Technology. (2024). Sigen Battery datasheet. Wagner Solar.
- 23Ewert Energy Systems. (n.d.). Orion BMS 2 Specifications. Orion BMS.
- 24REC d.o.o. (n.d.). REC Active BMS, product page. REC BMS.
- 25Jikong (JK BMS). (n.d.). JK-B2A24S Battery Active Equalizer. JK BMS.
- 26Battery University. (2021). BU-402: What is C-rate?. Battery University.
- 27BYD Energy Storage. (2025). Battery-Box Premium HVS&HVM Service Guideline and Checklist for BCU-V2.0, V1.1. BYD Battery-Box.
- 28BYD Energy Storage. (2022). Battery-Box Premium HVS/HVM Service Guideline and Checklist, V1.5. BYD Battery-Box.
- 29Bộ Khoa học và Công nghệ. (2025). TCVN 14499-5-2:2025 (IEC 62933-5-2:2020) Hệ thống lưu trữ điện năng, Phần 5-2: Yêu cầu an toàn đối với hệ thống EES tích hợp lưới điện. Thư Viện Pháp Luật.
- 30International Electrotechnical Commission. (2025). IEC 62933-5-2:2025 CMV, Electrical energy storage (EES) systems, Part 5-2: Safety requirements for grid-integrated EES systems, Electrochemical-based systems, edition 2.0. IEC Webstore.
- 31Battery University. (2021). BU-404: What is Equalizing Charge?. Battery University.
- 32Huawei Digital Power. (n.d.). LUNA2000-5-10-15-S0 User Guide and FAQ, SOC Change Description. Huawei.
- 33Việt Nam Solar. (n.d.). Danh sách cửa hàng và hệ thống chi nhánh. Công ty TNHH Việt Nam Solar.
- 34Drori, Y., & Martinez, C. (2005). The Benefits of Cell Balancing, Application Note AN141.0. Intersil, nay thuộc Renesas Electronics.
- 35Battery University. (2021). BU-808c: Coulombic and Energy Efficiency with the Battery. Battery University.
Bài viết do đội ngũ 50 kỹ sư của Công ty TNHH Việt Nam Solar biên soạn và kiểm duyệt. Công ty hoạt động liên tục trong lĩnh vực điện mặt trời từ năm 2018, đã khảo sát, thiết kế và thi công hàng nghìn công trình trên cả nước, đồng thời là nhà phân phối chính hãng hơn 20 thương hiệu biến tần, tấm pin và pin lưu trữ. Mọi kỹ sư tham gia biên soạn đều nắm chứng chỉ hành nghề về điện và xây dựng do cơ quan quản lý Nhà nước cấp.
Việt Nam Solar hoạt động với đầy đủ tư cách pháp nhân, gồm Giấy phép hoạt động điện lực số 175/GP-SCT do Sở Công Thương cấp, Giấy phép năng lực hoạt động xây dựng HCM-00076550 công bố trên cổng thông tin Bộ Xây dựng, cùng nhãn hiệu độc quyền số 604703 do Cục Sở hữu trí tuệ cấp văn bằng bảo hộ. Công ty duy trì ba chứng nhận hệ thống quản lý còn hiệu lực gồm ISO 9001:2015, ISO 14001:2018 và ISO 45001:2018, trạng thái hiệu lực xác minh trên IAF CertSearch.
Mọi số liệu kỹ thuật, thông tin pháp lý và mốc thời gian nêu trong bài đều được đối chiếu với hồ sơ chính hãng của nhà sản xuất và văn bản pháp luật hiện hành trước khi xuất bản, để nội dung công bố có thể kiểm chứng độc lập.
