Vấn đề cân bằng cell (cell balancing) trong Lithium

 Bùi Trọng Kiều  30/06/2021

Vấn đề cân bằng cell (cell balancing) Lithium
Mỗi cell ắc quy Li-ion thường có điện áp hở mạch khoảng 3,5V (danh định). Trong các hệ thống như xe điện, để cấp điện cho động cơ truyền lực chính và các thiết bị điện khác trong xe, các cell thường được mắc song song nối tiếp cho đến khi đạt được điện áp DC-Bus khoảng 200VDC trở lên.
Những nguyên nhân như thông số các cell do nhà sản xuất cung cấp có sai số nhất định; trong quá trình hoạt động, nhiệt độ ảnh hưởng lên mỗi cell cũng không đều nhau hay ảnh hưởng của tuổi thọ khiến tính chất của các cell không đồng đều. Có cell có điện áp cao hơn một chút, có cell có điện áp thấp hơn một chút so với các cell khác, hay nói cách khác, các cell không cân bằng với nhau.
Trong quá trình sạc, cell có điện áp cao hơn sẽ đầy trước trong khi một số cell còn lại chưa đầy. Nếu vẫn tiếp tục sạc, cell đó sẽ bị overcharge khiến nhiệt độ và áp suất tăng cao (như đã phân tích ở trên) làm giảm tuổi thọ của cả ắc quy thậm chí phá hỏng cell đó. Ngược lại, trong quá trình xả, cell có điện áp thấp hơn sẽ chóng cạn hơn. Nếu vẫn tiếp tục xả sâu, cell đó sẽ bị over-discharge, làm giảm tuổi thọ ắc quy. Khi một cell bị hỏng, thông thường ta phải thay thế toàn bộ cả hệ thống ắc quy, bởi lẽ, nếu chỉ thay cell bị hỏng (có thể được trong một số trường hợp) thì cell mới đó vẫn có tính chất khác so với các cell còn lại, nghĩa là nguy cơ mất cân bằng (unbalance) vẫn có thể xảy ra.
Càng nhiều cell mắc nối tiếp, nguy cơ xảy ra mất cân bằng càng cao và độ tin cậy càng giảm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nếu hệ thống ắc quy được ghép nối bởi n cell, xác suất xảy ra mất cân bằng tăng lên gấp n lần so với chỉ 1 cell hoạt động độc lập.
Để hạn chế vấn đề này, có một số cách có thể xem xét. Trước tiên, người ta sẽ cố gắng chọn các cell có thông số tương đối đồng đều để ghép nối với nhau. Các cell sau đó sẽ được ghép nối song song nối tiếp với nhau thay vì chỉ ghép nối tiếp vì như vậy, dòng vòng chạy giữa các cell sẽ giúp cân bằng các cell với nhau (self-balacing). Sau đó, trong quá trình sử dụng, nhiệt độ phải được giám sát chặt chẽ để đảm bảo phân bố đều trên các cell.
Tuy vậy, để giải quyết triệt để việc mất cân bằng áp ắc quy Li-ion, trong các xe điện, hệ thống quản lý ắc quy (Battery Management System – BMS) cần giám sát chặt chẽ dung lượng của mỗi cell (State of Charge – SOC). Nếu phát hiện có sự mất cân bằng, hệ thống BMS cần thực hiện các biện pháp nhất định nhằm đưa các cell về trạng thái cân bằng với nhau. Có hai cách để thực hiện việc này là cân bằng chủ động và cân bằng thụ động.
Phương pháp cân bằng chủ động sẽ chuyển bớt năng lượng từ các cell có dung lượng cao hơn vào các cell có dung lượng thấp hơn. Phương pháp này có ưu điểm giúp hệ thống cân bằng về áp và không có tổn hao do năng lượng được luân chuyển lẫn nhau giữa các cell. Tuy nhiên, thiết kế cho mỗi cell một nguồn sạc độc lập là không thực tế. Việc cân bằng áp được thực hiện tuần tự cho một hoặc một nhóm cell. Do đó, để sạc đầy cả bộ ắc quy cần thời gian khá lớn.
Phương pháp cân bằng thụ động đơn giản hơn phương pháp cân bằng chủ động nhưng gây ra tổn hao trên điện trở. Bộ sạc cần ngắt sạc ngay khi một cell nào đó đã đầy. Sau đó, cell đã đầy sẽ được xả qua điện trở cho đến khi bằng cell thấp hơn. Sau đó, bộ sạc được tiếp tục đóng điện trở lại và chu trình lại được lặp lại cho đến khi tất cả các cell đã đầy.
Như vậy, trong quá trình sạc, ngoài việc tuân thủ đúng các quy trình sạc, bộ sạc cần phối hợp chặt chẽ với hệ thống BMS để thực hiện các kỹ thuật cell balancing nhằm điền đầy các cell, chống sự mất cân bằng giữa các cell, qua đó kéo dài tuổi thọ của cả bộ ắc quy.

Hình 4. Hệ thống cân bằng áp thụ động