Bạn cắm sạc, màn hình nhảy lên 100% và bạn yên tâm là pin đã đầy. Thật ra cell bên trong chưa chạm tới giới hạn tối đa của nó, và đó là chủ ý của nhà sản xuất. Người đứng sau quyết định này là một mạch điện tử nhỏ ít ai để ý: BMS. Bài này giải thích BMS làm những việc gì, vì sao pin cần nó, và vì sao con số dung lượng in trên hộp thường thấp hơn những gì bạn đo được.
BMS là gì và nằm ở đâu
BMS là viết tắt của Battery Management System, tức hệ thống quản lý pin. Đây là một bảng mạch gắn ngay trên khối pin, liên tục đo ba đại lượng:
- Điện áp của từng cell (hoặc từng nhóm cell mắc song song).
- Dòng điện đi vào khi sạc và đi ra khi xả.
- Nhiệt độ tại một hoặc nhiều điểm trên khối pin.
Từ ba con số đó, BMS quyết định cho phép sạc tiếp hay ngắt, cho phép xả tiếp hay khoá, và tính ra con số phần trăm bạn thấy trên màn hình.
Trên một mạch BMS loại phổ thông như ảnh trên, bạn sẽ thấy các thành phần quen thuộc: cụm MOSFET công suất (các ô đen lớn) đóng vai trò công tắc ngắt mạch, điện trở shunt để đo dòng, IC giám sát ở giữa và một hàng điện trở nhỏ dùng để cân bằng cell. Các chân B1, B2, B3... nối vào điểm giữa từng cell để BMS đọc điện áp riêng của mỗi cell.
Ở điện thoại, BMS thường là một mạch nhỏ dán ngay đầu viên pin, phối hợp với IC quản lý sạc trên bo mạch chính. Ở xe điện, BMS là cả một hệ thống gồm nhiều mạch giám sát ở từng module và một bộ điều khiển trung tâm.
Một khối pin là nhiều cell ghép lại
Một cell lithium-ion thông thường chỉ có điện áp danh định khoảng 3,6–3,7 V. Thiết bị cần điện áp cao hơn hoặc dung lượng lớn hơn thì phải ghép nhiều cell:
- Nối tiếp để cộng điện áp: 3 cell nối tiếp (3S) cho khoảng 11,1 V danh định, tối đa 12,6 V; 4 cell (4S) cho khoảng 14,8 V, tối đa 16,8 V. Đây là cấu hình phổ biến của pin laptop.
- Song song để cộng dung lượng: hai cell song song có cùng điện áp nhưng gấp đôi dung lượng.
Xe điện thì ở một quy mô khác hẳn. Bản Tesla Model S 85 kWh đời đầu dùng hơn 7.000 cell hình trụ cỡ 18650. Nissan Leaf thế hệ đầu dùng 192 cell dạng túi, chia thành 48 module. Càng nhiều cell nối tiếp, BMS càng phải theo dõi nhiều điểm điện áp, và bài toán cân bằng càng khó.
Việc thứ nhất: làm vệ sĩ cho pin
Cell lithium có một "vùng sống" khá hẹp. Với hoá học phổ biến (NMC, LCO), điện áp sạc tối đa thường quanh 4,2 V/cell, còn ngưỡng xả tối thiểu khoảng 2,5–3,0 V/cell tuỳ hãng. Pin LFP (lithium sắt phốt phát) có ngưỡng thấp hơn: khoảng 3,65 V khi đầy và 2,5 V khi cạn.
Vượt ra ngoài vùng này là hỏng:
- Sạc quá áp: lithium kết tủa thành kim loại trên cực âm, chất điện phân bị phân huỷ sinh khí. Đây là con đường dẫn tới pin phồng, và nặng hơn là cháy.
- Xả quá sâu: lá đồng ở cực âm có thể bắt đầu hoà tan. Cell bị xả cạn kiệt rồi sạc lại có nguy cơ hình thành cầu đồng gây chập trong.
- Quá dòng, quá nhiệt: làm cell nóng lên nhanh, đẩy nhanh mọi phản ứng phụ.
BMS đặt ngưỡng cho từng thứ và ngắt MOSFET ngay khi bất kỳ cell nào chạm ngưỡng. Điểm quan trọng là từng cell: nếu chỉ đo tổng điện áp cả khối, một cell lệch có thể bị sạc quá áp trong khi tổng vẫn trông bình thường.
Thấy pin điện thoại, laptop hay sạc dự phòng phồng lên thì ngừng sạc, ngừng dùng và mang đi thay. Đừng ấn cho xẹp, đừng chọc thủng: khí bên trong dễ cháy.
Việc thứ hai: trọng tài cân bằng cell
Không có hai cell nào giống hệt nhau. Ngay từ nhà máy, các cell cùng lô đã chênh nhau một chút về dung lượng và điện trở trong. Thêm vào đó, cell nằm giữa khối thường nóng hơn cell ở rìa nên lão hoá nhanh hơn. Sau vài trăm chu kỳ, chênh lệch nhỏ ban đầu cộng dồn lại thành đáng kể.
Vấn đề là các cell nối tiếp nhận cùng một dòng điện. Hãy hình dung bốn thùng nước nối chung một vòi:
- Khi bơm vào, thùng nào đầy trước thì vòi phải khoá, dù các thùng khác còn vơi.
- Khi xả ra, thùng nào cạn trước thì cả hệ thống phải dừng.
Kết quả là cả khối pin chỉ dùng được bằng cell yếu nhất. Cân bằng cell là để kéo các cell về cùng một mức.
Cân bằng thụ động
Đây là cách phổ biến nhất vì rẻ và đơn giản. Khi sạc gần đầy, cell nào có điện áp cao hơn sẽ được BMS đóng một công tắc để xả bớt qua một điện trở nhỏ. Phần năng lượng dư biến thành nhiệt, cell đó chậm lại để các cell khác đuổi kịp.
Nhược điểm: năng lượng bị đốt bỏ, và dòng cân bằng thường nhỏ nên nếu lệch nhiều thì phải mất rất lâu mới cân xong.
Cân bằng chủ động
Thay vì đốt bỏ, BMS dùng tụ điện, cuộn cảm hoặc mạch chuyển đổi DC-DC để chuyển năng lượng từ cell cao sang cell thấp. Cách này hiệu quả hơn và còn giúp được lúc xả (đẩy năng lượng từ cell khoẻ sang cell yếu), nhưng mạch phức tạp, nhiều linh kiện và đắt hơn.
| Cân bằng thụ động | Cân bằng chủ động | |
|---|---|---|
| Nguyên lý | Xả bớt cell cao qua điện trở | Chuyển năng lượng từ cell cao sang cell thấp |
| Năng lượng dư | Thành nhiệt, mất đi | Được tận dụng phần lớn |
| Thời điểm hiệu quả | Chủ yếu cuối quá trình sạc | Cả khi sạc lẫn khi xả |
| Chi phí, độ phức tạp | Thấp | Cao |
| Hay gặp ở | Điện thoại, laptop, nhiều xe điện | Hệ thống lưu trữ lớn, một số pack cao cấp |
Nhiều BMS cân bằng thụ động chỉ hoạt động khi pin ở gần mức đầy. Nếu lúc nào bạn cũng chỉ sạc tới 60–70%, BMS ít có cơ hội cân bằng. Thỉnh thoảng sạc lên 100% và để cắm thêm một lúc giúp các cell được kéo về cùng mức.
Việc thứ ba: giữ quỹ dự phòng (vùng đệm)
Đây là phần ít người biết nhất. Nhà sản xuất cố ý không cho bạn dùng hết dung lượng hoá học của cell:
- Khi màn hình báo 100%, cell thực tế được dừng ở mức thấp hơn giới hạn tối đa một chút.
- Khi màn hình báo 0%, cell vẫn còn một lượng dự trữ để máy tắt an toàn, giữ đồng hồ và không rơi vào trạng thái xả sâu khi để lâu.
Lý do là sạc đầy kịch và xả cạn kiệt là hai trạng thái khiến pin lithium xuống cấp nhanh nhất. Theo tài liệu BU-808 của Battery University, mỗi lần hạ điện áp sạc tối đa khoảng 0,1 V/cell, số chu kỳ ước tính có thể tăng khoảng gấp đôi:
| Điện áp sạc tối đa | Số chu kỳ ước tính |
|---|---|
| 4,20 V/cell | 300–500 |
| 4,10 V/cell | 600–1.000 |
| 4,00 V/cell | 1.200–2.000 |
| 3,90 V/cell | 2.400–4.000 |
Đổi lại, dung lượng mỗi lần sạc sẽ thấp hơn. Vùng đệm chính là điểm cân bằng nhà sản xuất chọn giữa "pin trâu hôm nay" và "pin bền nhiều năm".
Xe điện là ví dụ rõ nhất
Với xe điện, hãng thường công bố hai con số: dung lượng tổng (gross) và dung lượng khả dụng (net hoặc usable). Ví dụ Volkswagen ID.4 bản pin lớn có dung lượng tổng 82 kWh nhưng chỉ cho dùng khoảng 77 kWh. Phần chênh 5 kWh là vùng đệm do BMS giữ lại.
Một số hãng còn nới dần vùng đệm khi pin già đi: lúc xe mới, BMS giữ lại nhiều; khi cell bắt đầu hao, BMS mở rộng dần phạm vi dùng để bù lại. Nhờ vậy những năm đầu bạn gần như không thấy quãng đường giảm, dù hoá học bên trong đã bắt đầu xuống cấp.
Nhiều điện thoại hiện nay có thêm tuỳ chọn giới hạn sạc ở khoảng 80–85% hoặc "sạc tối ưu" (giữ ở 80% rồi mới sạc nốt trước giờ bạn hay rút sạc). Đó là cách mở rộng vùng đệm phía trên theo ý người dùng.
Vì sao dung lượng đo thật thường lớn hơn công bố
Nếu bạn từng tháo một cell 18650 ra đo bằng máy sạc có chức năng đo dung lượng, nhiều khi sẽ thấy con số cao hơn nhãn vài phần trăm. Có mấy lý do:
- Nhà sản xuất cell hay ghi dung lượng tối thiểu. Datasheet của các hãng lớn thường có hai con số: dung lượng điển hình (typical) và dung lượng tối thiểu (minimum). Con số cam kết là mức mà cell nào xuất xưởng cũng phải đạt, nên phần lớn cell thực tế vượt nó.
- Điều kiện đo khác nhau. Dung lượng phụ thuộc dòng xả, nhiệt độ và điện áp cắt. Xả chậm ở nhiệt độ phòng tới ngưỡng thấp thì đo được nhiều hơn xả nhanh khi trời lạnh.
- Vùng đệm che bớt phần dư. Ở cấp thiết bị, phần chênh này thường bị BMS giữ lại thành dự phòng, nên bạn không thấy nó trên màn hình.
Điều trên áp dụng cho cell của các hãng uy tín. Cell trôi nổi giá rẻ thì ngược lại: in 6.000–9.900 mAh lên vỏ một cell 18650 trong khi đo thật chỉ vài trăm đến hơn một nghìn mAh. Con số in cao bất thường là dấu hiệu nên tránh.
BMS còn phải đoán phần trăm pin
Con số phần trăm trên màn hình không được đo trực tiếp mà là ước tính (gọi là SoC, State of Charge). BMS kết hợp hai cách:
- Đếm Coulomb: cộng dồn dòng điện đi vào, trừ dòng đi ra theo thời gian. Chính xác trong ngắn hạn nhưng sai số tích luỹ dần.
- Điện áp lúc nghỉ: khi pin không tải một lúc, điện áp phản ánh khá đúng mức pin. Nhưng lúc đang dùng thì điện áp bị kéo xuống nên không tin được.
Vì sai số tích luỹ, BMS cần những mốc chắc chắn để hiệu chỉnh lại, mà mốc dễ nhất là lúc pin đầy. Đó là lý do khi phần trăm pin nhảy lung tung (đang 20% tụt về 3% rồi tắt máy), một lần sạc đầy liền mạch thường giúp nó chính xác trở lại.
BMS cũng ước tính sức khoẻ pin (SoH, State of Health), tức dung lượng hiện tại so với lúc mới. Mục "Tình trạng pin" trong cài đặt điện thoại chính là con số này.
Áp dụng vào thói quen sạc hằng ngày
Hiểu BMS rồi thì các lời khuyên sạc pin trở nên dễ hiểu:
- [ ]Dùng hằng ngày trong khoảng 20–80% nếu tiện, bật tính năng giới hạn sạc hoặc sạc tối ưu nếu máy có.
- [ ]Thỉnh thoảng sạc đầy một lần để BMS cân bằng cell và hiệu chỉnh phần trăm.
- [ ]Tránh để pin cạn về 0% rồi bỏ đó nhiều ngày.
- [ ]Tránh sạc khi máy đang nóng (để trong xe ngoài nắng, vừa chơi game nặng).
- [ ]Cất thiết bị lâu ngày ở mức khoảng 40–60%.
- [ ]Pin phồng, nóng bất thường, sụt phần trăm đột ngột: đi kiểm tra, đừng cố dùng tiếp.
BMS vừa là vệ sĩ, vừa là trọng tài, vừa là thủ quỹ của khối pin. Bạn chỉ cần đừng bắt nó làm việc quá sức.
Tóm tắt nhanh
- BMS đo điện áp từng cell, dòng điện và nhiệt độ, ngắt mạch khi chạm ngưỡng nguy hiểm.
- Cell không bao giờ giống hệt nhau; không cân bằng thì cả khối bị kéo xuống theo cell yếu nhất.
- Cân bằng thụ động đốt phần dư thành nhiệt; cân bằng chủ động chuyển năng lượng giữa các cell.
- 100% trên màn hình chưa phải giới hạn thật của cell; vùng đệm hai đầu giúp pin bền hơn nhiều.
- Dung lượng đo thật thường cao hơn nhãn vì hãng ghi mức tối thiểu và phần dư bị giữ làm dự phòng.
Câu hỏi thường gặp
Sạc qua đêm có hại pin không?
BMS sẽ ngắt khi đầy nên không có chuyện "sạc quá" theo nghĩa nguy hiểm. Nhưng giữ pin ở 100% nhiều giờ liền, nhất là khi máy ấm, vẫn làm pin lão hoá nhanh hơn. Bật tính năng sạc tối ưu hoặc giới hạn sạc sẽ tốt hơn.
Có cần xả cạn pin rồi mới sạc không?
Không. Đó là thói quen của pin NiCd đời cũ. Với pin lithium, xả cạn còn hại hơn. Chỉ cần thỉnh thoảng sạc đầy để BMS hiệu chỉnh là đủ.
Vì sao pin báo 20% rồi tắt máy đột ngột?
Thường do BMS ước tính phần trăm sai (sai số tích luỹ) hoặc pin đã chai, điện trở trong tăng khiến điện áp tụt mạnh khi tải nặng và chạm ngưỡng ngắt sớm. Sạc đầy một lần để hiệu chỉnh; nếu vẫn bị thì nên kiểm tra sức khoẻ pin.
Pin xe điện có vùng đệm thì quãng đường công bố đã tính phần đó chưa?
Quãng đường công bố được tính trên dung lượng khả dụng, tức là đã trừ vùng đệm. Bạn không thể "mở khoá" phần đệm để đi xa hơn, vì đó là phần BMS giữ lại để bảo vệ pin.
