Thiết kế BMS phù hợp cho pin LiFePO4

Bởi JD DiGiacomandrea, Khối xanh Công nghệ

Tìm hiểu lý do tại sao pin Lithium-ion-photphat cần có hệ thống quản lý pin phù hợp để tối đa hóa tuổi thọ hữu ích của chúng. Đó là tất cả về hóa học.

Pin lithium-ion (Li-ion) cung cấp mật độ năng lượng cao, trọng lượng thấp và thời gian sử dụng lâu dài. Ngày nay, chúng có thiết kế di động. Sự phổ biến của chúng đã tạo ra một số hóa chất phụ, tất cả đều sử dụng nguyên tắc dịch chuyển các ion lithium từ cực dương sang cực âm. Các phiên bản khác nhau của các cực dương và cực âm này mang lại các đặc tính hiệu suất khác nhau. Hóa học niken mangan coban (NMC) phổ biến đang bắt đầu bị thay thế bởi một hóa chất phụ “mới”, Lithium Sắt Phosphate (LFP hoặc LiFePO4).

Bảng 1 so sánh các hóa chất Lithium-ion phổ biến nhất. Có một số yếu tố có thể khiến bạn chọn LFP thay vì NMC bao gồm kỹ thuật, chính trị và hiệu suất. Là một nhà thiết kế, bạn nên lưu ý những khác biệt cụ thể giữa NMC và LFP và xem xét chúng trong thiết kế pin của mình.

Hóa học NMC là hóa chất dựa trên lithium phổ biến nhất trong thị trường ô tô, người tiêu dùng và công nghiệp trong hơn 20 năm qua. Chỉ trong mười năm qua, việc áp dụng NMC vào xe điện đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến chuỗi cung ứng của NMC. Các nhà máy đã sản xuất tế bào hết công suất; có nhiều nhà máy được xây dựng trong ba năm tới hơn bao giờ hết. Ngoài ra, các nguyên tố đất hiếm đang có nhu cầu cao (với giá cả không ổn định, dao động hơn 200% hoặc hơn trong 6 tháng. https://tradingeconomics.com/); đặc biệt là niken và coban (N và C trong NMC, M là mangan). Do nhu cầu cao, giá cả rất không ổn định — tăng gấp ba lần vào năm 2018 và một lần nữa vào năm 2022. do tàn phá cảnh quan, ô nhiễm nước, làm ô nhiễm mùa màng và mất độ phì nhiêu của đất trong khi phải chịu điều kiện làm việc tồi tệ và thực hành lao động ngược đãi. Vì những lý do này, các nhà thiết kế tìm kiếm các hóa chất pin thay thế không yêu cầu coban và niken.

LFP được phát triển bởi AK Padhi, KS Nanjundaswamy và JB Goodenough tại Đại học Texas ở Austin vào năm 1996. John B. Goodenough đã phát triển hóa học lithium-ion LCO ban đầu vào những năm 1970 và sau đó đã giành được giải thưởng Nobel cho vai trò của mình trong quá trình phát triển pin lithium. Được phát triển bằng cách sử dụng khoáng chất tự nhiên thuộc họ olivine — LiFePO4 làm cực âm và than chì carbon trên lớp nền kim loại (bộ thu dòng điện) làm cực dương — pin LFP đã được phát triển và tối ưu hóa để sử dụng trong thiết bị điện tử cầm tay trong thập kỷ tới.

LFP so với NMC
LFP có một vài lợi thế khác biệt so với NMC. Nó cực kỳ ổn định ở nhiệt độ, có nghĩa là hóa chất không bị phá vỡ ở nhiệt độ cao hoặc thấp. Trở kháng ổn định hơn NMC trong phạm vi nhiệt độ tiêu chuẩn từ -20°C đến 65°C. LFP cũng an toàn hơn và có khả năng chống thoát nhiệt hơn nhiều so với NMC vì liên kết oxy cực mạnh của nó trong hợp chất. Liên kết đó ngăn không cho chất oxy hóa có sẵn trong phản ứng oxy hóa khử. Nếu bạn tiến hành thử nghiệm, bạn sẽ thấy rằng LFP sẽ chỉ làm nóng, tạo hơi nước và thông hơi trong khi NMC thường đốt cháy và tạo ra những cơn mưa lửa và tia lửa trong một sự kiện thoát nhiệt. LFP cũng tự hào có 3000 đến 10,000 chu kỳ trước khi tế bào giảm xuống 80% công suất ban đầu. Cuối cùng, LFP không độc hại và sử dụng nhiều nguyên tố rẻ tiền bao gồm sắt và phốt pho.

Mặc dù LFP có nhược điểm ảnh hưởng đến các ứng dụng. Bạn phải xem xét những thách thức này trong thiết kế của mình vì chúng có thể ảnh hưởng xấu đến trải nghiệm của người dùng. Đầu tiên, LFP có một mức giá rất “phẳng” Vôn đường cong, xem Hình 1. Dải điện áp của một tế bào LFP đơn lẻ là 2.5 V đến 3.65 V, nhưng từ 90% đến 10% trạng thái sạc (SOC), điện áp nằm trong khoảng từ 3.1 V đến 3.3 V. Đường cong điện áp phẳng này ngăn điện áp đơn giản đến SOC các mối quan hệ. Nhiều mạch đo nhiên liệu có sẵn cho axit chì, hydrua kim loại niken và tế bào kiềm sử dụng phép đo điện áp đơn giản để tính toán SOC. Thật không may, điều này sẽ không hoạt động trên các tế bào LFP. Bạn nên nghiên cứu thuật toán đếm culông hoặc thuật toán nâng cao chẳng hạn như thuật toán Theo dõi trở kháng của Texas Instruments.

Đếm Coulomb sử dụng thiết bị theo dõi dòng điện như hiệu ứng shunt hoặc hiệu ứng Hall cảm biến để phát hiện dòng điện đi vào hoặc ra khỏi pin. Kết hợp với một màn hình điện áp đơn giản, phép đếm coulomb cho phép bạn ước tính khá tốt SOC của một tế bào LFP. Điều quan trọng cần lưu ý là thuật toán này dễ bị sai lệch theo thời gian do quá trình hiệu chuẩn của cảm biến hiện tại và sẽ yêu cầu hiệu chỉnh định kỳ. Sau đó, bạn có thể phát hiện tình trạng sạc đầy (>3.6 V/cell) và xả hoàn toàn (<2.6 V/cell) theo định kỳ và hiệu chỉnh thuật toán tại các điểm đó. Nhược điểm của phương pháp này là nó có thể không tính đến việc mất công suất do nhiệt độ lạnh hoặc tế bào cũ. Một thuật toán tiên tiến hơn chẳng hạn như thuật toán Theo dõi trở kháng có khả năng kết hợp việc đếm coulomb và hiệu chỉnh điện áp với dữ liệu nhiệt độ và các xu hướng trước đây về dung lượng để liên tục điều chỉnh dung lượng đã học của pin. Các thuật toán này yêu cầu bạn quay số các tham số trong cài đặt cho ứng dụng cụ thể của chúng, điều này nằm ngoài phạm vi của bài viết này.

LFP cũng có ưu điểm và nhược điểm là trở kháng bên trong cực thấp. Ưu điểm là do các tế bào LFP có thể cung cấp dòng xả cao với ít sinh nhiệt. Chúng cũng hoạt động ở tốc độ sạc cao trong các ứng dụng yêu cầu sạc nhanh. Thật không may, bạn phải xem xét điều đó trong một thời gian ngắnmạch sự kiện, pin có thể nhanh chóng cung cấp dòng điện lớn. Những dòng điện lớn này phải được kiểm soát bởi thiết bị kiểm soát dòng điện của hệ thống quản lý pin. Thông thường, các gói pin lớn hơn sử dụng một mosfet hoặc công tắc tơ.

Người thiết kế phải đảm bảo MOSFEthời gian tắt của (hoạt động trong vùng tuyến tính) và dòng điện thoát không vượt quá vùng vận hành an toàn. Điều này có thể yêu cầu sử dụng mạch trình điều khiển MOSFET riêng vì trình điều khiển thông thường được tích hợp trong chipset hệ thống quản lý pin (BMS) sẵn có bị hạn chế. Một vấn đề phổ biến khác nảy sinh là thời gian tắt này có thể rất ngắn; cái dI/dT có thể trở nên rất lớn và gây ra tiếng chuông trên đường dẫn dòng, có thể vượt quá định mức điện áp của MOSFET. Độ tự cảm của hệ thống cáp kết nối các ô với BMS sẽ gây ra sự cố này. Để giảm bớt tiếng chuông và tăng điện áp này, bạn có thể đặt một mạch RCD (Hình 2) gần MOSFET để chuyển năng lượng dư thừa sang tụ. Mạch này chỉ cần một Điện trở, tụ điện và điốt để loại bỏ năng lượng dư thừa và sau đó từ từ tiêu tán năng lượng trong điện trở.

LFP cũng có tỷ lệ tự xả cao hơn các hóa chất NMC khác. Tốc độ tự xả này được định nghĩa là sự mất dung lượng bên trong pin theo thời gian. Công suất này bị mất thông qua các dòng phóng điện nhỏ bên trong tế bào và thường ở mức từ 2% đến 10% công suất mỗi tháng. Môi trường sản xuất càng được kiểm soát chặt chẽ thì tỷ lệ tự phóng điện càng thấp và càng nhất quán giữa các tế bào. Nếu nhà sản xuất tế bào của bạn có quy trình sản xuất được kiểm soát kém, tỷ lệ tự phóng điện có thể là gần 10% mỗi tháng đối với các tế bào kém chất lượng và thấp hơn đối với các tế bào tốt, thay đổi rất nhiều. Điều này có thể gây ra vấn đề mất cân bằng trong pin sau khi được lắp ráp, đặc biệt nếu pin được cất vào kho trước khi sử dụng.

Để giảm bớt vấn đề này, bạn nên chọn một nhà cung cấp tế bào có chính sách kiểm soát chất lượng mạnh mẽ và đảm bảo thiết kế của bạn có chức năng cân bằng tế bào mạnh mẽ. Tất cả các hệ thống quản lý pin lithium-ion điển hình đều bao gồm một số loại cân bằng tế bào, trong đó cân bằng tế bào thụ động là phổ biến nhất. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng giám sát điện áp tế bào và bật điện trở xả khi điện áp tế bào vượt quá ngưỡng xác định trước thường là 3.4 V đến 3.5 V. Do đó, chức năng cân bằng chỉ hoạt động trong một phiên sạc, gây lãng phí ít năng lượng. Kích thước của điện trở thụ động phải làm cho các ô phóng điện ở tốc độ cân bằng giữa tốc độ cân bằng và tản nhiệt đối với kích thước và vị trí của điện trở. Đây thường là mức phóng điện 300 mA trên 100 Ah dung lượng pin, mặc dù nó nên được chọn dựa trên ứng dụng.

Hành động cân bằng
Bởi vì sự cân bằng này không hoạt động trong quá trình lưu trữ, nên thường thì pin LFP có thể trở nên rất mất cân bằng trong thời gian dài lưu trữ; mỗi ô sẽ tự xả với tốc độ hơi khác nhau. Đây là nơi giáo dục người dùng có thể là giải pháp tốt nhất.
Có cảnh báo rằng sau một thời gian dài lưu trữ, pin phải được sạc và để trên bộ sạc trong một thời gian dài để “cân bằng lại”. Làm như vậy sẽ ngăn người dùng tháo pin khỏi bộ lưu trữ dài hạn và nhận thấy thời gian chạy cực kỳ thấp so với mong đợi của họ.

Cuối cùng, LFP với tư cách là một hóa chất đòi hỏi một số áp suất cơ học để giữ cho cực dương và cực âm tiếp xúc với thiết bị phân tách, ngăn chặn sự phân tách và tối ưu hóa khả năng của chu trình. Hóa chất LFP hơi phồng lên giữa quá trình nạp và xả. Các tế bào LFP được sản xuất trong nhiều cấu hình vật lý. Chúng có thể được sản xuất trong hộp hình trụ, túi giấy bạc hoặc tế bào hình lăng trụ. Một tế bào hình lăng trụ thường được chứa trong một hộp nhôm hoặc thép hình chữ nhật (Hình 3), với các đầu nối ở phía trên để hàn hoặc bắt vít. Trong cấu hình hình trụ, hình dạng tròn của tế bào cung cấp áp suất cơ học để đảm bảo cực dương và cực âm tiếp xúc với dải phân cách.

Trong các tế bào hình lăng trụ, có một điểm yếu tiềm tàng khi bề mặt lớn nhất của tế bào nằm trong cùng một mặt phẳng giãn nở và co lại của hóa học. Điều này yêu cầu một số tấm áp suất bên ngoài để tạo áp suất cho cụm tế bào và tối ưu hóa số chu kỳ. Nếu áp lực không được đặt lên các tế bào, công suất của tế bào sẽ nhanh chóng suy giảm khi tế bào được quay vòng. Các cấu hình điển hình của các tế bào hình lăng trụ đặt tất cả các tế bào lại với nhau, sau đó các tấm áp lực được đặt ở hai đầu, với các dây đai bằng kim loại hoặc nhựa được sử dụng để giữ toàn bộ tổ hợp lại với nhau.

Vì các tế bào LFP được coi là an toàn hơn so với các tế bào NMC, bạn nên nhớ rằng tất cả pin lithium-ion phải được thiết kế để tránh đoản mạch, sạc sau khi xả sâu và sạc quá mức. Đây là những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng quá nhiệt và thoát nhiệt. Kiểm tra kỹ lưỡng mọi thiết kế BMS phải bao gồm việc phóng điện sâu xuống dưới 2.0 V trên mỗi ô và sau đó thử sạc lại. Đây là khi đồng đã hòa tan vào chất điện phân có thể được tái định vị trên cực dương theo cách không đồng đều, gây ra sự hình thành các sợi nhánh có thể làm thủng dải phân cách và gây đoản mạch bên trong.

Đoản mạch gây ra dòng điện cao, gây ra các điểm nóng có thể dẫn đến thoát nhiệt. Để ngăn chặn sự hình thành dendrite, tất cả các BMS nên giới hạn tốc độ sạc sau sự kiện phóng điện sâu ở mức C/100 hoặc thấp hơn cho đến khi điện áp tế bào phục hồi về mức lớn hơn 3.0 V hoặc hơn. Cũng cần có giới hạn thời gian để ngăn điện áp tế bào tăng trên 3.0 V sau X giờ sạc ở C/100. Trong đó X là một số thích hợp dựa trên dung lượng của hệ thống pin và tốc độ sạc, ví dụ: 30 phút ở C/100. Tại thời điểm đó, pin sẽ được coi là bị hỏng và BMS sẽ vô hiệu hóa tất cả các lần sạc trong tương lai vì lý do an toàn. Các thiết kế BMS thường không bao gồm tính năng này.

Như bạn có thể thấy, hóa chất LFP có thể là một giải pháp tuyệt vời cho các thiết kế di động của chúng ta. Nó cung cấp hiệu suất tối ưu với chi phí thấp hơn và vòng đời cao hơn đáng kể so với NMC. Có một số khác biệt về hiệu suất trong LFP khi so sánh với NMC phải được xem xét trong thiết kế BMS. Quan trọng nhất, để thiết kế pin lithium iron phosphate an toàn, ổn định và hiệu suất cao hơn, bạn phải kiểm tra thiết kế BMS của mình sớm và thường xuyên, đồng thời đặc biệt chú ý đến những vấn đề phổ biến này. Mọi pin lithium-ion đều có thể an toàn nếu BMS được thiết kế tốt, pin được sản xuất tốt và người vận hành được đào tạo bài bản.

Giới thiệu về tác giả
JD DiGiacomandrea là Kỹ sư Tiếp thị Sản phẩm cho Green Cubes Technologies. Là một công ty kỳ cựu trong ngành lưu trữ năng lượng và pin Lithium, JD đã có hơn một thập kỷ kinh nghiệm thiết kế hệ thống và pin Lithium cho thị trường quân sự, y tế và công nghiệp. JD đã đảm nhiệm các vai trò tại các nhà sản xuất pin lớn bao gồm Kỹ sư điện, Kỹ sư ứng dụng và Kỹ sư bán hàng tại hiện trường, thu hẹp khoảng cách giữa Kỹ thuật và Bán hàng. JD có bằng Cử nhân Khoa học về Kỹ thuật Điện của Đại học Clarkson ở Potsdam, NY và giấy phép PE của Bang New York.